ИССЛЕДОВАНИЕ ВРЕМЯПРОЛЕТНОЙ СИСТЕМЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫХ СЧЕТЧИКОВ
|
Реферат 2
ВВЕДЕНИЕ 6
1 Времяпролетный детектор для системы идентификации частиц на
тестовых пучках 9
1.1 Мюонная система для экспериментов PANDA и SPD/NICA 9
1.2 Времяпролетная система на основе сцинтилляционного детектора .... 12
2 Исследования формы сигналов сцинтиллятор-ФЭУ. Одноэлектронный
режим ФЭУ 16
2.1 Тестовая сборка и отбор ФЭУ 16
2.2 Исследование формы сигналов 18
2.3 Одноэлектронный режим ФЭУ 19
3 Исследование основных характеристик канала усиления-дискриминации
платы TOF FE-PS v.2 26
3.1 Описание канала платы TOF FE-PS v.2 26
3.2 Коэффициент усиления платы TOF FE-PS v.2 28
3.3 Пороговая характеристика платы TOF FE-PS v.2 30
4 Оценка временного разрешения времяпролетной системы на основе
выбранной пары сцинтиллятор-ФЭУ при пороговой дискриминации и дискриминации со следящим порогом 32
4.1 Сравнение методов пороговой дискриминации и дискриминации со
следящим порогом 34
4.2 Сравнение временных разрешений, получаемых методом пороговой
дискриминации на реальном устройстве (плата TOF FE-PS v.2) и при обработке соответствующим программным алгоритмом 42
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 47
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 48
ПРИЛОЖЕНИЕ 49
ВВЕДЕНИЕ 6
1 Времяпролетный детектор для системы идентификации частиц на
тестовых пучках 9
1.1 Мюонная система для экспериментов PANDA и SPD/NICA 9
1.2 Времяпролетная система на основе сцинтилляционного детектора .... 12
2 Исследования формы сигналов сцинтиллятор-ФЭУ. Одноэлектронный
режим ФЭУ 16
2.1 Тестовая сборка и отбор ФЭУ 16
2.2 Исследование формы сигналов 18
2.3 Одноэлектронный режим ФЭУ 19
3 Исследование основных характеристик канала усиления-дискриминации
платы TOF FE-PS v.2 26
3.1 Описание канала платы TOF FE-PS v.2 26
3.2 Коэффициент усиления платы TOF FE-PS v.2 28
3.3 Пороговая характеристика платы TOF FE-PS v.2 30
4 Оценка временного разрешения времяпролетной системы на основе
выбранной пары сцинтиллятор-ФЭУ при пороговой дискриминации и дискриминации со следящим порогом 32
4.1 Сравнение методов пороговой дискриминации и дискриминации со
следящим порогом 34
4.2 Сравнение временных разрешений, получаемых методом пороговой
дискриминации на реальном устройстве (плата TOF FE-PS v.2) и при обработке соответствующим программным алгоритмом 42
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 47
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 48
ПРИЛОЖЕНИЕ 49
Научно-исследовательская работа проводилась на технической базе Сектора №1 Научно-экспериментального отдела физики адронов (НЭОФА) Лаборатории ядерных проблем (ЛЯП) Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ).
В настоящее время НЭОФА занимается проектированием систем регистрации мюонов для двух крупномасштабных экспериментов в области физики высоких энергий (SPD/NICA/ОИЯИ г. Дубна, PANDA/FAIR/GSI, г. Дармштадт). Разрабатываемый мюонный детектор выполнен в виде пробежной системы (чередование слоев поглотителя и детектора), что позволяет выделять мюоны. Проведение прямых калибровок прототипов мюонной системы на ускорительных пучках с известным составом и энергией является неотъемлемой частью НИР при проектировании данного детектора, позволяющей выработать алгоритмы идентификации/разделения частиц и оценки энергии, потерянной частицами в веществе поглотителя. Для проведения этих исследований необходимо иметь систему идентификации частиц пучка. Таким образом, отдел занялся разработкой системы идентификации частиц в составе пучка на основе времяпролетного детектора для применения на тестовых пучках (T9/PS/CERN и
MARUSYA(F4)/Нуклотрон/ОИЯИ), выделенных коллаборациям PANDA и SPD для исследований и испытаний проектируемых детекторов.
Исследовательские работы для написания магистерской диссертации проводились в рамках проекта по разработке времяпролетного детектора для системы идентификации частиц на тестовых пучках.
Разрабатываемый времяпролетный детектор должен иметь временное разрешение, достаточное для идентификации частиц на времяпролетной базе, имеющейся на тестовых пучках. Помимо выполнения основной функции детектор должен удовлетворять ряду дополнительных требований. Поскольку времяпролетный детектор является вспомогательным экспериментальным оборудованием и будет применяться на различных тестовых пучках в течение продолжительного времени, то в ходе разработки необходимо добиться минимальной стоимости компонентов и изготовления, доступности компонентов, надежности работы в долгосрочной эксплуатации на пучке, компактности, мобильности, легкости сборки и настройки, а также применить оптимально простой способ регистрации временных сигналов.
Для удовлетворения вышеперечисленных требований было принято решение сделать времяпролетный детектор на основе сцинтилляционных счетчиков, выбрав оптимально быстрый, современный сцинтиллятор и подходящий ему малогабаритный фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) с 6
хорошими временными характеристиками. Для регистрации сигнала будет использован обычный метод пороговой дискриминации, с условием, что канал усиления-дискриминации позволит опуститься по порогу на уровень одноэлектронного сигнала с ФЭУ для улучшения точности определения времени.
Цель работы: определение границ возможного применения современных сцинтилляторов и ФЭУ во времяпролетных детекторах для систем идентификации частиц пучка, а также сравнение методов регистрации времени.
Для достижения цели были поставлены следующие основные задачи:
1. Выбор пары сцинтиллятор-ФЭУ для времяпролетной системы, исходя из характеристик, приведенных в спецификациях от производителей;
2. Изготовление тестового стенда на основе выбранных сцинтиллятора и ФЭУ для проведения исследований;
3. Отбор ФЭУ с одинаковым усилением и минимальными собственными шумами;
4. Исследование формы сигнала выбранной пары сцинтиллятор-ФЭУ;
5. Исследование одноэлектронного режима ФЭУ, оценка уровня и возможности пороговой регистрации;
6. Исследование основных характеристик канала усиления-дискриминации платы
TOF-FE/PS v.2, разработанной для регистрации сигналов во
времяпролетной системе на основе сцинтилляционных счетчиков;
7. Исследование временного разрешения детектора на основе выбранной пары сцинтиллятор-ФЭУ при использовании пороговой регистрации сигналов (TOF-FE/PS v.2);
8. Проведение программной оценки временного разрешения детектора на основе выбранных сцинтиллятора и ФЭУ при пороговой дискриминации и дискриминации со следящим порогом, используя наборы импульсов, полученных осциллографом на тестовой сборке;
9. Проведение анализа данных для выработки рекомендации по разработке времяпролетного детектора системы идентификации частиц на тестовых пучках.
Актуальность выбранной темы:
В настоящее время в мировых исследовательских центрах в области ядерной физики проектируется ряд экспериментальных установок, которые требуют создания прототипов. Их испытания и калибровки на тестовых пучках являются неотъемлемой частью этого процесса. Проведение таких исследований на тестовых пучках требует идентификации частиц пучка.
Таким образом, создание устройств идентификации (в частности, на базе времяпролетного детектора) с использованием современных научно-технических достижений постоянно является актуальной задачей.
Практическая значимость данной работы состоит в том, что ее результаты будут использованы для создания времяпролетной системы для тестирования детекторов в двух крупномасштабных экспериментах (SPD/NICA/ОИЯИ, г. Дубна, PANDA/FAIR/GSI, г. Дармштадт).
На защиту выносятся следующие положения и результаты:
1. Проектируемая времяпролетная система на основе выбранной пары сцинтиллятор-ФЭУ не требует применения дискриминации со следящим порогом, поскольку этот метод не дает никакого выигрыша во временном разрешении по сравнению с более простым и дешевым методом пороговой дискриминации (для пороговой дискриминации оср= 4,158 (~166 пс), для дискриминации со следящим порогом оср= 4,335 (~173 пс))
2. Временное разрешение (о = 5,122), получаемое при использовании платы TOF FE-PS v.2 для регистрации сигналов является допустимым для применения ее в проектируемой времяпролетной системе
3. Для надежной идентификации частиц времяпролетной системой на основе сцинтиллятора BC 420, ФЭУ Hamamatsu H10720-110 и электроники регистрации TOF FE-PS v.2 необходима пролетная база длиной не менее 45 метров.
В настоящее время НЭОФА занимается проектированием систем регистрации мюонов для двух крупномасштабных экспериментов в области физики высоких энергий (SPD/NICA/ОИЯИ г. Дубна, PANDA/FAIR/GSI, г. Дармштадт). Разрабатываемый мюонный детектор выполнен в виде пробежной системы (чередование слоев поглотителя и детектора), что позволяет выделять мюоны. Проведение прямых калибровок прототипов мюонной системы на ускорительных пучках с известным составом и энергией является неотъемлемой частью НИР при проектировании данного детектора, позволяющей выработать алгоритмы идентификации/разделения частиц и оценки энергии, потерянной частицами в веществе поглотителя. Для проведения этих исследований необходимо иметь систему идентификации частиц пучка. Таким образом, отдел занялся разработкой системы идентификации частиц в составе пучка на основе времяпролетного детектора для применения на тестовых пучках (T9/PS/CERN и
MARUSYA(F4)/Нуклотрон/ОИЯИ), выделенных коллаборациям PANDA и SPD для исследований и испытаний проектируемых детекторов.
Исследовательские работы для написания магистерской диссертации проводились в рамках проекта по разработке времяпролетного детектора для системы идентификации частиц на тестовых пучках.
Разрабатываемый времяпролетный детектор должен иметь временное разрешение, достаточное для идентификации частиц на времяпролетной базе, имеющейся на тестовых пучках. Помимо выполнения основной функции детектор должен удовлетворять ряду дополнительных требований. Поскольку времяпролетный детектор является вспомогательным экспериментальным оборудованием и будет применяться на различных тестовых пучках в течение продолжительного времени, то в ходе разработки необходимо добиться минимальной стоимости компонентов и изготовления, доступности компонентов, надежности работы в долгосрочной эксплуатации на пучке, компактности, мобильности, легкости сборки и настройки, а также применить оптимально простой способ регистрации временных сигналов.
Для удовлетворения вышеперечисленных требований было принято решение сделать времяпролетный детектор на основе сцинтилляционных счетчиков, выбрав оптимально быстрый, современный сцинтиллятор и подходящий ему малогабаритный фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) с 6
хорошими временными характеристиками. Для регистрации сигнала будет использован обычный метод пороговой дискриминации, с условием, что канал усиления-дискриминации позволит опуститься по порогу на уровень одноэлектронного сигнала с ФЭУ для улучшения точности определения времени.
Цель работы: определение границ возможного применения современных сцинтилляторов и ФЭУ во времяпролетных детекторах для систем идентификации частиц пучка, а также сравнение методов регистрации времени.
Для достижения цели были поставлены следующие основные задачи:
1. Выбор пары сцинтиллятор-ФЭУ для времяпролетной системы, исходя из характеристик, приведенных в спецификациях от производителей;
2. Изготовление тестового стенда на основе выбранных сцинтиллятора и ФЭУ для проведения исследований;
3. Отбор ФЭУ с одинаковым усилением и минимальными собственными шумами;
4. Исследование формы сигнала выбранной пары сцинтиллятор-ФЭУ;
5. Исследование одноэлектронного режима ФЭУ, оценка уровня и возможности пороговой регистрации;
6. Исследование основных характеристик канала усиления-дискриминации платы
TOF-FE/PS v.2, разработанной для регистрации сигналов во
времяпролетной системе на основе сцинтилляционных счетчиков;
7. Исследование временного разрешения детектора на основе выбранной пары сцинтиллятор-ФЭУ при использовании пороговой регистрации сигналов (TOF-FE/PS v.2);
8. Проведение программной оценки временного разрешения детектора на основе выбранных сцинтиллятора и ФЭУ при пороговой дискриминации и дискриминации со следящим порогом, используя наборы импульсов, полученных осциллографом на тестовой сборке;
9. Проведение анализа данных для выработки рекомендации по разработке времяпролетного детектора системы идентификации частиц на тестовых пучках.
Актуальность выбранной темы:
В настоящее время в мировых исследовательских центрах в области ядерной физики проектируется ряд экспериментальных установок, которые требуют создания прототипов. Их испытания и калибровки на тестовых пучках являются неотъемлемой частью этого процесса. Проведение таких исследований на тестовых пучках требует идентификации частиц пучка.
Таким образом, создание устройств идентификации (в частности, на базе времяпролетного детектора) с использованием современных научно-технических достижений постоянно является актуальной задачей.
Практическая значимость данной работы состоит в том, что ее результаты будут использованы для создания времяпролетной системы для тестирования детекторов в двух крупномасштабных экспериментах (SPD/NICA/ОИЯИ, г. Дубна, PANDA/FAIR/GSI, г. Дармштадт).
На защиту выносятся следующие положения и результаты:
1. Проектируемая времяпролетная система на основе выбранной пары сцинтиллятор-ФЭУ не требует применения дискриминации со следящим порогом, поскольку этот метод не дает никакого выигрыша во временном разрешении по сравнению с более простым и дешевым методом пороговой дискриминации (для пороговой дискриминации оср= 4,158 (~166 пс), для дискриминации со следящим порогом оср= 4,335 (~173 пс))
2. Временное разрешение (о = 5,122), получаемое при использовании платы TOF FE-PS v.2 для регистрации сигналов является допустимым для применения ее в проектируемой времяпролетной системе
3. Для надежной идентификации частиц времяпролетной системой на основе сцинтиллятора BC 420, ФЭУ Hamamatsu H10720-110 и электроники регистрации TOF FE-PS v.2 необходима пролетная база длиной не менее 45 метров.
Основные результаты работы заключаются в следующем:
1. Проектируемая времяпролетная система на основе выбранной пары сцинтиллятор-ФЭУ не требует применения дискриминации со следящим порогом, поскольку этот метод не дает никакого выигрыша во временном разрешении по сравнению с более простым и дешевым методом пороговой дискриминации (для пороговой дискриминации оср= 4,158 (~166 пс), для дискриминации со следящим порогом оср= 4,335 (~173 пс)
2. Временное разрешение (о = 5,122), получаемое при использовании платы TOF FE-PS v.2 для регистрации сигналов является допустимым для применения ее в проектируемой времяпролетной системе
3. Максимальная пролетная база, которую можно получить на пучке T9 составляет 25 м, что исходя из представленных расчетов, позволит надежно идентифицировать частицы на пучке с энергией до 750 МэВ
4. Применение данной времяпролетной системы при проведении калибровок в диапазоне энергий 750-1000 МэВ так же возможна, но за счет значительной потери полезных данных в наборе. Поскольку для этого диапазона энергий временные пики, отмечающие время пролета мюонов и пионов, начнут сильно перекрываться, в обработку пойдет незначительная часть событий из свободных от перекрытия областей
1. Проектируемая времяпролетная система на основе выбранной пары сцинтиллятор-ФЭУ не требует применения дискриминации со следящим порогом, поскольку этот метод не дает никакого выигрыша во временном разрешении по сравнению с более простым и дешевым методом пороговой дискриминации (для пороговой дискриминации оср= 4,158 (~166 пс), для дискриминации со следящим порогом оср= 4,335 (~173 пс)
2. Временное разрешение (о = 5,122), получаемое при использовании платы TOF FE-PS v.2 для регистрации сигналов является допустимым для применения ее в проектируемой времяпролетной системе
3. Максимальная пролетная база, которую можно получить на пучке T9 составляет 25 м, что исходя из представленных расчетов, позволит надежно идентифицировать частицы на пучке с энергией до 750 МэВ
4. Применение данной времяпролетной системы при проведении калибровок в диапазоне энергий 750-1000 МэВ так же возможна, но за счет значительной потери полезных данных в наборе. Поскольку для этого диапазона энергий временные пики, отмечающие время пролета мюонов и пионов, начнут сильно перекрываться, в обработку пойдет незначительная часть событий из свободных от перекрытия областей
