Разработка и исследование электромагнитных газовых калориметров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.23, кандидат физико-математических наук Ерин, Сергей Васильевич

• Ерин, Сергей Васильевич
• кандидат физико-математических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Ерин, Сергей Васильевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ИОНИЗАЦИОННЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КАЛОРИМЕТРЫ (ОБЗОР).

1.1 Введение.

1.2 Ионизационные калориметры.

1.3 Энергетическое разрешение ионизационных калориметров.

1.4 Пространственное разрешение ионизационных калориметров.

1.5 Временное разрешение ионизационного калориметра.

1.6 Энергетическое разрешение калориметров, интегрированных в установку.

1.7 Калибровка калориметра и мониторирование калориметра.

1.8 Особенности газовых ионизационных калориметров.

ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ГАЗОВЫЕ КАЛОРИМЕТРЫ,

НАПОЛНЕННЫЕ ТЯЖЁЛЫМ ФРЕОНОМ C3F8.

2.1 Введение.

2.2 Прототип электромагнитного газового калориметра.

2.2.1 Устройство прототипа газового электромагнитного газового калориметра.

2.2.2 Газовая система.

2.2.3 Измерительная электроника, высоковольтная и калибровочная системы.

2.2.4 Структура с толщиной абсорбера Змм и расстоянием между ячейками 0.5мм. Измерения и результаты.

2.2.5 Структура с толщиной абсорбера Змм и расстоянием между ячейками 5мм. Измерения и результаты.

2.2.6 Структура с толщиной абсорбера 1.5мм и расстоянием между ячейками 5мм. Измерения и результаты.

ГЛАВА 3. ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ГАЗОВЫХ ДЕТЕКТОРОВ,

НАПОЛНЕННЫХ ФРЕОНОМ C3F8.

3.1 Введение.

3.2 Вероятность выживания электрона при дрейфе в электроотрицательном газе.

3.3 Коэффициент газового усиления в цилиндрическом счётчике от точечной и протяжённой ионизации.

3.4 Вольтамперная характеристика (в.а.х) цилиндрической ионизационной камеры.

3.5 Работа цилиндрического счётчика, наполненного СзР8 в режиме лавинного усиления.

3.6 Способ контроля чистоты C3Fs.

ГЛАВА 4. ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ

ЛИВНЕЙ В ГАЗОВЫХ КАЛОРИМЕТРАХ.

4.1 Введение.

4.2 Процедура параметризации и структура калориметра.

4.3 Измерение координат электронов.

4.4 Энергетическое разрешение калориметра. Результаты моделирования. Сравнение с экспериментом.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование электромагнитных газовых калориметров»

Электромагнитные калориметры занимают особое место в ряду детекторов элементарных частиц. Это связано с тем, что многие частицы, исследования которых в настоящее время представляют значительный интерес, распадаются с испусканием электронов, позитронов и 7-квантов (например,

J/\|/->eV, W~ ->e±v, Z-> eV, H->77,T-»e+e"). Настоящая работа посвящена разработке и исследованию газовых электромагнитных ионизационных калориметров. Подобные калориметры имеют хорошее энергетическое разрешение, высокую однородность отклика по площади, позволяют проводить электронную калибровку каналов, обладают высокой долговременной стабильностью при эксплуатации и сравнительно дёшевы. Существенное достоинство таких калориметров -большая радиационная стойкость, что особенно важно в современных экспериментах с фиксированной мишенью, использующих пучки с интенсивностью до 109 част./с., либо в коллайдерных экспериментах, например, LHC, где проектная светимость составляет 1034 см~2с~1. Применение газовых ионизационных калориметров до последнего времени сдерживалось необходимостью использования газа под давлением свыше 20 атм. для получения приемлемых энергетического разрешения и отношения сигнал-шум, что вызывало удорожание детектора, а также значительное усложнение эксплуатации. Важным шагом в разработке таких калориметров было впервые предложенное нами решение использовать тяжёлый фреон C3F8 в качестве активной среды. Это позволило снизить рабочее давление до нескольких атмосфер.

Целью диссертации являлось создание электромагнитного ионизационного калориметра, наполненного газом и исследование его характеристик в диапазоне энергий от 10 до 40 ГэВ.

Научная новизна диссертации : впервые получены характеристики электромагнитного ионизационного калориметра, наполненного тяжёлым фреоном В частности, измерено энергетическое разрешение,его зависимость от энергии падающей частицы и давления газа. Изучены свойства несамостоятельного газового разряда в CjF^. Практическая ценность работы, разработана конструкция и создан электромагнитный ионизационный калориметр. Оригинальные технические решения, использованные при создании калориметра, а также результаты исследований на пучках частиц могут быть использованы при создании электромагнитных калориметров для конкретных экспериментов. Разработана программа для расчёта характеристик электромагнитного газового ионизационного калориметра, основанная на параметрической модели развития ливня. Показана возможность использования CzF% в детекторах частиц.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения, содержит 77 рисунков и 3 таблицы. В первой главе диссертации дан краткий обзор современных калориметрических детекторов электронов и фотонов/ Рассмотрены свойства гетерогенных и гомогенных электромагнитных калориметров, их энергетическое, координатное и временное разрешения. Обсуждается влияние интеграции калориметра в экспериментальную установку на его энергетическое разрешение. Сравниваются свойства? ионизационных калориметров, наполненных разными газами. Во второй главе приведены устройство ионизационного газового калориметра, методика работы с таким калориметром, описание экспериментальной установки для изучения его свойств, процедуры калибровки и результаты измерения его характеристик в области энергий от 10 до 40 ГэВ. Приведены экспериментально измеренные зависимости отклика калориметра от энергии падающей частицы, напряжённости электрического поля, давления газа, толщины абсорбера. В третьей главе рассматриваются особенности работы цилиндрических и плоскопараллельных счётчиков наполненных C3F8 в ионизационном режиме и в режиме несамостоятельного газового разряда, представлены результаты

Заключение диссертации по теме «Физика высоких энергий», Ерин, Сергей Васильевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В заключение перечислим основные результаты описанных в диссертации исследований:

1. Разработаны и созданы газовые ионизационные электромагнитные калориметры типа «сэндвич» с конверторами из свинца толщиной 1.5 и 3 мм. Полная толщина конверторов - около 21 радиационной длины. Впервые в калориметрах такого типа в качестве рабочего газа был использован тяжёлый фреон СзР8, что позволило значительно (вплоть до одной атм.) снизить давление рабочего газа и, как следствие, заметно упростить конструкцию детектора и его эксплуатацию.

2. Выполнен цикл исследований характеристик калориметров на пучках электронов с энергией Е от 10 до 40 ГэВ. Исследования проводились на канале 2Б ускорителя ИФВЭ.

3. Получено, что стохастический член в формуле для энергетического разрешения составляет 10%/VE при толщине конверторов 1.5 мм. и не зависит от давления, начиная с 1 атм., а постоянный член равен 0 в пределах ошибок измерений (несколько десятых процента).

Энергетический эквивалент уровня шума составляет 150 МэВ при давлении C3F8 одна атмосфера и размере ячейки («башни») 40x40 мм и уменьшается обратно пропорционально росту давления. Столь хорошие характеристики для газовых ионизационных калориметров получены впервые. Они позволяют сделать практически важный вывод: во многих случаях газовые калориметры могут заменить значительно более дорогие и сложные в эксплуатации жидкоаргоновые калориметры.

4. Исследованные калориметры обладают высокой однородностью. Это связано с тем, что в них, в отличие, например, от калориметров с сцинтилляционными счётчиками, отсутствует неконтролируемое усиление сигнала, а калибровка регистрирующей электроники проста и надёжна.

5. Важным свойством разработанных калориметров является их очень высокая радиационная стойкость, которая при условии периодической замены рабочего газа определяется только конструктивными материалами и может достигать нескольких Град.

6. Исследованы характеристики цилиндрических счётчиков, наполненных C3F8, как в ионизационном режиме, так и в режиме газового усиления. В режиме газового усиления длительность сигнала со счётчика составляет 2-3 не. по основанию при амплитуде 10-20 мВ. по амплитуде на нагрузке 50 Q, причём форма сигнала не зависит от характера ионизации. Амплитуда сигнала оказалась больше для протяжённой ионизации по сравнению с локальной, что согласуется с проведёнными в диссертационной работе расчётами. Основным недостатком детектора является сравнительно низкая эффективность, составляющая около 10% и связанная с большой величиной коэффициента "прилипания" дрейфующих электронов к молекулам C3F8 в области больших электрических полей.

7. Развита параметрическая модель распостранения электромагнитного ливня в газовых ионизационных калориметрах, которая позволяет быстро расчитать характеристики калориметра с точностью, требуемой при физическом анализе данных.

Автор глубоко благодарен члену-корреспонденту РАН С.П. Денисову за постановку задачи и научное руководство.

Исследования, изложенные в настоящей диссертации, выполнены совместно с В.А. Беззубовым, Ю.В. Гилицким, В.М. Кораблёвым, A.M. Рыбиным, Н. Н. Федякиным, М.О. Лобановым, Л.Л. Курчаниновым, А.В. Солиным, В.И. Суздалевым, К.В. Суздалевым, В.В. Тихоновым,А.В. Ферапонтовым. Автор признателен В.А. Беззубову, Ю.М. Гилицкому за многочисленные обсуждения, замечания и конструктивную критику. Автор благодарен дирекции ИФВЭ за поддержку экспериментальной программы «ГАЗ», в рамках которой была выполнена эта работа.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Ерин, Сергей Васильевич, 2008 год

1. S. Denisov, et al., Instrum. Exp. Tech. 40 (1997) 595.

2. S. Denisov, et al., Nucl. Instr. and Meth. A 419 (1998) 590.

3. H. Abramowicz et al. IEEE Trans.Nucl.Sci.51:2983-2989,2004.

4. S.P. Denisov, S.V. Erin, N.N. Fedyakin preprint IHEP-99-35, Protvino, 1999

5. V.Bezzubov et al. // Nucl. Instr. and Meth. 2002 A 494 p.369

6. V.Bezzubov et al.// Nucl. Instr. and Meth. 2004 A525 p.38

7. C.B. Ерин, А.В. Ферапонтов препринт ИФВЭ-2005-12, Протвино, 2005

8. B.Rossi, High Energy Particles (Prentice Hall, Inc., Englewood Clis, NJ), 1952

9. D. Boutigny et al., 1995, The BaBar Technical Design Report (SLAC-R-457)

10. J.A. Bakken et al., Nucl. Instrum. Methods A 228 (1985) p.296.

11. G. Unal, (NA48 Collaboration), preprint hep-ex/0012011, 2001

12. ICARUS Proposal, P. Cennini et al., ICARUS II A SecondGeneration Proton Decay Experiment and Neutrino Observatory at the Gran Sasso Laboratory Vols. I&II, LNGS-94/99-I & LNGS-94/99-II.

13. Ch. W. Fabjan, F. Gianotti preprint CERN-EP/2003-075

14. U. Behrens et al., Nucl. Instrum. Methods 1990 A 289, p.l 15.

15. L. Balka, et al., Nucl. Instrum. Methods 1988 A 267,p. 272.

16. M. Adinolfi., et al, Nucl. Instrum. Methods 2002 A 482, p.363.

17. F. Hubaut, Nucl. Instrum. Methods 2004 A 518, р.31.

18. ATLAS liquid argon calorimeter, Technical Design Report, CERN/LHCC/96-41, 1996.

19. W.E. Cleland, E.G. Stern, Nucl. Instr. and Meth. 1994 A 338, p.467.

20. D. Schinzell, Nucl. Instrum. Methods 1998 A 419, p.217

21. S.L. Bagdasarov, et al., preprint FERMILAR-Pub-95/004

22. V. Radeka, S. Rescia, Nucl.Instrum.Meth. 1988 A265,p.228

23. L. Demortier et al., Nucl.bistrum.Meth. 1993 A324, p.77

24. G. Avoni et al., IX Int. Conf. on Calorimetry in Part. Phys. Annecy, Oct. 914, 2000 The HERA-B ECAL collaboration

25. A.M. Blik, M.Yu. Bogolybsky, S.V. Erin et al., Instrum.Exp.Tech. 2003 46,p.753.

26. V.I. Baskakov, V.K. Chernyatin, B.A. Dolgoshein et al., Nucl.Instrum.Meth. 1979, A159, p.83.

27. T. Katsura,S.Parker,V.Z.Peterson et al., Nucl.Instrum.Meth. A105 (1972) p.245

28. S.R. Hunter , J.G. Garter, L.G. Christophorou Phys.Rev. A., 1988 , vol. 38, p.58

29. В.П.Чистяков Курс теории вероятностей Москва «НАУКА» 1982

30. Н.Г. ван Кампен Стохастические процессы в физике и химии. 1990

31. W. Riegler, Ch. Lippmann, R. Veenhof Nucl. Instrum.Meth. 2003, A 500, p.144.

32. S.V. Erin, Instrum.Exp.Tech.41, 166-170,1998.

33. A.A. Derevshchikov, S.V. Erin, A.A. Morozov, V.K. Myalitsin, V.I. Shelikhov Nucl.Instrum.Meth. 1989,A283,p. 682

34. M. Adams et al., Instrum.Meth. 2005, A 545, p.613.

35. S.Giani et al, GEANT Detector Description and Simulation Tool,CERN Program Library Long Writeup W5013.

36. G. Grindhammer, S. Peters (Munich, Max Planck Inst.),. Feb 1993. 42 p. e-Print Archive: hep-ex/0001020.

37. E.Andersen et al, CERN 99-09 CERN/LHCC/99-03, p.421

38. Beard, C., et al., Nucl. Instrum. Methods, 1990, A 286, p.l 17.

39. G.Abbiendi,K.Akerstaff,G.Alexander et.al. CERN-EP/99-136. 28 sept. 1999

40. M.Piccini Nucl. Instrum. Methods A427,3,1999 p.528