Черенковские и сцинтилляционные координатно-чувствительные спектрометры тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат физико-математических наук Шувалов, Евгений Николаевич

• Шувалов, Евгений Николаевич
• кандидат физико-математических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Шувалов, Евгений Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. Черенковский у-спектрометр полного поглощения большой площади

1.1 Введение.

1.2 Установка с черенковскими спектрометрами полного поглощения большой площади для регистрации медленных п°- и г|-мезонов.

1.3 Измерение координатного разрешения черенковского спектрометра полного поглощения большой площади.

2. Электромагнитный калориметр на основе кристаллов вольфрамата NaBi(W04)

2.1 Введение.

2.2 Исследование температурной зависимости световыхода кристаллов вольфрамата NaBi(W04)2.

2.3 Исследование макета электромагнитного калориметра (ЭМК)

3. Координатно-чувствительные сцинтилляционные спектрометры протонов

3.1 Введение.

3.2 Установка с протонным спектрометром большой площади для регистрации протон-пионных пар.

3.3 Протяженный сцинтилляционный спектрометр для регистрации протонов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Черенковские и сцинтилляционные координатно-чувствительные спектрометры»

Взаимодействия частиц с ядрами считаются основным экспериментальным методом изучения структуры ядер. К настоящему времени относительно хорошо изучены процессы, идущие с большими сечениями реакций, такие как упругое, квазиупругое взаимодействие частиц с ядрами, квазисвободное взаимодействие частиц с нуклонами ядра. Ситуация меняется, когда речь заходит об изучении структуры ядер в области средних и малых межнуклонных расстояний. При постановке экспериментов по изучению процессов нуклон-нуклонного взаимодействия на средних и малых расстояниях и анализе результатов экспериментов возникают серьезные проблемы с разделением механизмов реакции, связанных с мезонными обменными токами, изобарами в ядрах, короткодействующими динамическими и тензорными корреляциями, взаимодействием частиц как в начальном, так и в конечном состояниях. В таких экспериментах, как правило, требуется исследовать процессы с малыми сечениями реакций и регистрировать в конечном состоянии более одной частицы.

Считается, что в качестве пробной частицы для изучения ядерной структуры предпочтительно использовать фотон, поскольку он практически одинаково хорошо "видит" как периферию ядра, так и его более плотную центральную часть. Кроме того, эффекты перерассеяния в начальном состоянии, по сравнению с адронами или даже электронами, пренебрежимо малы. Как следствие, может быть проведено более прямое исследование.

Эксперименты, избирательные к отдельным механизмам реакций и все более тонким эффектам структуры атомных ядер, требуют пучков частиц высокой интенсивности с большой растяжкой и детекторов с высокой эффективностью регистрации частиц, определением их энергии и координат попадания в детекторы. Томский электронный синхротрон «Сириус» имеет интенсивность пучка около 10й электронов в секунду, большой диапазон изменения энергии - от 100 до 1000 МэВ, пучки фотонов, включая поляризованный со степенью линейной поляризации до 70%. Это позволяет проводить широкий спектр корреляционных экспериментов, но и требует создание высокоэффективной детектирующей аппаратуры. Эта задача решалась как путем увеличения площади детекторов, так и самосогласованным определением координат и энергии частиц в этих детекторах.

Исходя из этих предпосылок, были разработаны и изготовлены черенковские и сцинтилляционные спектрометры, которые успешно применяются в экспериментах на Томском синхротроне.

В первой главе представлено исследование характеристик черенковских спектрометров полного поглощения (ЧСПП) большой площади, на основе которых была создана установка для регистрации медленных 7С°- и г|-мезонов.

С помощью этой установки были измерены полные сечения фотообразования 7г°-мезонов на ядрах 6Li, 9Ве, 12С и О в диапазоне 10 МэВ выше порога реакции.

Также представлено определение координатного разрешения ЧСПП большой площади методом анализа амплитуд сигналов с нескольких фотоприемников, просматривающих один гомогенный черенковский радиатор. Самосогласованное определение координат и энергии частицы с использованием априорной информации о форме аппаратурной линии и размерах радиатора обеспечивает удовлетворительное координатное разрешение спектрометра даже при использовании фотоумножителей с большим диаметром фотокатода, как ФЭУ-49. Использование этой априорной информации позволило получить улучшение энергетического разрешения спектрометра по сравнению с вариантом оценки энергии, как суммы амплитуд импульсов фотоумножителей.

Во второй' главе представлено исследование температурной зависимости световыхода кристаллов вольфрамата NaBi(W04)2 и показана возможность создания радиационно-стойкого электромагнитного калориметра на основе этих кристаллов. Исследование показало, что при комнатной температуре они являются черенковскими радиаторами, а при понижении температуры начинают проявлять люминесцентные свойства со сложной временной структурой.

Приведено описание макета калориметра с поперечной сегментацией на основе 9 подобных кристаллов и исследование его характеристик. Как черенковский радиатор кристалл NaBi(W04)2 при комнатных температурах вполне способен заменить свинцовое стекло во многих экспериментах без потерь в энергетическом и временном разрешениях, но с такими дополнительными качествами, как высокая радиационная стойкость, малая радиационная длина, малый радиус Мольера и относительно низкая стоимость производства.

В третьей главе представлена экспериментальная установка для измерения

J2 дифференциального сечения реакции (у, л р) на ядре С. Результаты измерений использовались при изучения Д-изобарных конфигураций в ядрах.

Затем эта установка была модернизирована и использовалась для исследования

12 фотообразования я-мезонов в реакциях (у, те р) и (у, те' р р) на ядре С. Результаты измерений объясняются в рамках модели, в которой формируется промежуточное связанное Д-ядерное состояние (Д-ядро) распадающееся с испусканием пиона и нуклона.

Представлены приборы для регистрации пиона в совпадении с протоном. В частности описание двух вариантов спектрометров, которые предназначены для идентификации протонов, измерения их энергии и угла вылета из мишени. Описан метод контроля стабильности работы спектрометров непосредственно во время измерений в экспериментах.

Основные результаты, работы были доложены: - Всесоюзном семинаре «Черенковские детекторы и их применение в науке и технике», Москва, 1984;

- Всесоюзном семинаре «Электромагнитные взаимодействия адронов в резонансной области энергий», Харьков, 1987;

- International Workshop on Heavy Scintillators for Scientific and Industrial Applications Chamoni, France, 1992;

- Научной конференции Отделения ядерной физики АН СССР «фундаментальные взаимодействия элементарных частиц», Москва, 1998;

- XV Intern, conference «Particlees and Nuklei» - PANIC 99, Uppsala, Sweden, 1999;

- Intern, conference on Clustering Phenomena in Nuclear Physics, St. Petersburg, 2000;

- 56 Межд. конф. «ЯДРО-2006» по проблемам ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра, г. Саров, Нижегородской обл., 2006;

- Российской научно-практической конф. «Физико-технические проблемы получения и использования пучков заряженных частиц, нейтронов, плазмы и электромагнитного излучения», Томск, 2007г. и опубликованы в 12 работах [8-10,17, 27, 30-36].

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Шувалов, Евгений Николаевич

Выводы, комментарий:

1. Созданы спектрометры протонов с энергией 30-И 40 МэВ на основе протяженных пластичеких сцинтилляторов.

2. Проведено исследование характеристик спектрометров, в частности функций отклика, с помощью изотопных источников и космического излучения.

3. Проведена абсолютная энергетическая калибровка на протонах с помощью магнитного анализатора частиц.

4. Совместный анализ амплитуд импульсов фотоумножителей АЕ- и Е-счетчиков спектрометра позволяет восстанавливать с хорошей точностью как координату точки влета протона в спектрометр, так и его энергию.

5. Разработана и реализована в экспериментах методика контроля стабильности работы сцинтилляционных спектрометров непосредственно во время экспериментальных сеансов на пучке.

Спектрометры являются частью экспериментальной установки для исследования реакций фотообразования пионов в совпадении с протонами. С помощью этой установки проведены эксперименты по изучению А-изобарных

12 16 степеней свободы в основном состоянии ядер Си О [32-35],

12 а также эксперимент на ядре С по обнаружению связанных А-ядерных состояний - А-ядер [36].

Результаты опубликованы в работах [30-36].

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД

Личный вклад диссертанта состоит в участии на всех этапах работы, начиная с создания представленных установок и кончая проведением экспериментов с обсуждением полученных результатов. Определяющий вклад диссертант внес в разработку, изготовление спектрометров и изучение их характеристик, в разработку и изготовление электроники экспериментов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении приводятся наиболее существенные результаты, полученные в диссертации:

1. Предложен новый метод измерения полных сечений образования медленных тс° -и ri-мезонов по моде распада на два у-кванта;

2. На основе предложенного метода создана относительно простая и недорогая установка, обладающая высокой эффективностью регистрации медленных к0- и Г|-мезонов, которая включает два черенковских спектрометра большой площади.

3. Предложен и реализован метод восстановления координаты попадания частицы в черенковский спектрометр большой площади путем анализа амплитуд сигналов от нескольких фотоприемников, просматривающих один гомогенный радиатор. При использовании априорной информации о форме аппаратурной линии и размерах радиатора получено удовлетворительное координатное разрешение спектрометра при использовании фотоумножителей с большим диаметром фотокатода, ФЭУ-49, и улучшение энергетического разрешения спектрометра.

4. Показана возможность создания электромагнитных калориметров с высокой радиационной стойкостью, малой радиационной длиной и относительно низкой стоимостью производства на основе кристаллов вольфрамата NaBi(M04)2. Получены следующие результаты:

- при комнатной температуре кристалл вольфрамата является черенковским радиатором, а при понижении температуры начинает проявлять люминесцентные свойства со сложной временной структурой;

- Испытания макета калориметра на основе 9 кристаллов- на пучке электронов показали при энергии электронов 300, 500; 700-МэВ хорошие, для черенковских радиаторов, координатное и энергетическое разрешения.

5. На основе протяженных пластических сцинтилляторов созданы позиционно-чувствительные спектрометры для регистрации протонов энергией 30-н140 МэВ с разрешением 2.5^4.5 МэВ.

6. Предложен и реализован метод контроля стабильности работы сцинтилляционных спектрометров непосредственно во время их работы в экспериментальных сеансах на пучке.

В заключении автор выражает благодарность научному руководителю Ю.Ф.Кречетову, инициатору и участнику представленных исследований, за постоянную поддержку в работе.

Отдельная благодарность И.В. Главанакову, Б.Н.Калинину, Г.А.Науменко, O.K. Сайгушкину, Ю.Н.Адищеву, Г.Н.Дудкину и А.П.Потылицыну, которые принимали участие на различных этапах работы.

Также выражаю признательность персоналу синхротрона за обеспечение работы ускорителя и благодарю всех сотрудников лаборатории №11 НИИ ЯФ за интерес к работе и полезные замечания.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Шувалов, Евгений Николаевич, 2009 год

1. F.L. Milder et al. Neutral pion photoproduction from complex nuclei near threshold. Photopion nuclear physics. N.Y.; L.: Plenum press (1979) 24.Л

2. P. Argan et al. n -photoproduction near threshold on hydroden, deuterium, He and 4He. Phys. Rev. C21 (1980) 1416-1425.

3. G.W. Dodson et al., Threshold region photoproduction of neutral 7i-mesons off complex nuclei. Phys. Rev. C26: 2548 -2553, 1982.П

4. J. Arends et al. Experimental invesnigation of the reaction "C (y,7i ) in the photon energy range between threshold and 450-MeV. Z. Phys. A311 (1983) 367.

5. J.D. Vergados, R.M. Woloshyn. Threshold 71° Photoproduction from complex nuclear targets. Phys. Rev. C16: 292, 1977.

6. Б.Б. Говорков и др. Фотомезонные и фотоядерные реакции и методика исследования на синхротроне. Тр. ФИАН, т. 54, (1971) 3.

7. Physics with MAMI A: Direkt Observation of Inkoheren 7c°-Photoproduction. Mainz, (1988), 116.

8. И.В. Главанаков, А.П. Дейнеженко, B.H. Епонешников, Ю.Ф. Кречетов, Е.Н. Шувалов и др. Измерение полных сечений фоторождения 7г°-мезонов на ядрах 12С и 6Li вблизи порога. ЯФ т.45 (1987) 3.

9. И.В. Главанаков, А.П. Дейнеженко, В.Н. Епонешников, Ю.Ф. Кречетов, Е.Н. Шувалов и др. Фотообразование нейтральных пионов на легких ядрах вблизи порога. ЯФ т.50 (1989) 1516.

10. G.N. Dudkin, V.N. Eponeshnikov, Yu.F. Krechetov, E.N. Schuvalov et al. A setup with cherenkov total absorption spectrometers with large aperture for slow /-and Tj-meson detection. NIM A248 (1986) 154.

11. H.B. Рабин. Электрон-фотонные калориметры. Основные свойства (обзор), ПТЭ №1 (1992) 12.

12. Де Бор К. Практическое руководство по сплайнам. М.: Радио и связь (1985) 179.

13. В. Идье, Д. Драй ар д, Ф. Джеймс и др. Статистические методы в экспериментальной физике. М.: Атомиздат (1976)17, 94-99

14. Д. Худсон. Статистика для физиков. М.: Мир (1967) 202.

15. Э. Сейдж, Дж. Меле. Теория оценивания и применение ее в связи и управлении. М.: Связь (1976).

16. И.В. Главанаков, Ю.Ф. Кречетов, O.K. Сайгушкин, Е.Н. Шувалов. Измерение координатного разрешения черенковского спектрометра полного поглощения большой площади. ПТЭ №3 (1999) 66.

17. Programme of the International Workshop on Heavy Scintillators for Scientific and Industrial Applications. Sept. 22-26, 1992, Chamonix, France.

18. М.Н.Хачатурян. Калориметры электромагнитного излучения на основе сцинтилляционных кристаллов. Физика ЭЧиАЯ, 2003, т. 34, вып. 5, ст. 1316.

19. А.К. Кириллов и др. Программа расчета методом Монте-Карло электронно-фотонных ливней в асимметричных гетерогенных средах. 80/6, КАСКАД. М., ВНТНЦ, 02.82.50.30754 (1985).

20. V. Samsonov et al. R&D on NaBi (W04)2 Crystal for HighEnergy Physics EM-calorimeters, Progr. of the Intern. Workshop on Heavy Scintillators for Scientific and Industrial Applications. Sept. 22-26, 1992, Chamonix, France.

21. M. Korzhik et al. New Fast and Heavy NaBi(W04)2 Scintillators: Spectroscopy and Radiation Resistance, Progr. of the Intern. Workshop on Heavy Scintillators for Scientific and Industrial Applications. Sept. 22-26, 1992, Chamonix, France.

22. L. Nagornaya et al. Fast Scintillators Based on Large Heavy Tungstate Single Crystals, Progr. of the Intern. Workshop on Heavy Scintillators for Scientific and Industrial Applications. Sept. 22-26, 1992, Chamonix, France.

23. F.A. Kroger. Some Aspects of the Liminescence of Solids, Elsevie Publishing Company INC, NY, 1948.,

24. В.Е. Карапетян и А.В. Морозов. Изв. АН СССР, сер. Неорганические материалы. 4(11)(1968) 2039.

25. В.Г. Васильченко, В.Н. Рыкалин и др. Сцинтилляционные годоскопы на основе годоскопических ФЭУ с применением сцинтилляционных волокон. Препринт ИФВЭ, 86-127, Серпухов (1986).

26. И.С. Байчев, Н.В. Мохов, В.К. Семенов, Препринт ИФВЭ 85 36, Серпухов (1986).

27. C.Yu. Amosov, B.N. Kalinin, Yu.F. Krechetov, E.N. Schuvalov et al. Study of temperature depedence of light yield from NaBi(W04)2. Preprint of NPI at TPU 2/93 (1993) Tomsk; NIM A350 (1994) 204.

28. B.N. Kalinin, Yu.F. Krechetov, A.M. Kolchuzhkin, E.N. Schuvalov et al.The investigation test of a model of EM-calorimeter on the NaBi(WC>4)2 crystals. Preprint of NPI at TPU 1/94 (1994) Tomsk; NIM A361 (1995). 157.

29. И.В. Главанаков, В.Н. Епонешников, Ю.Ф. Кречетов, Е.Н. Шувалов и др. Двухплечевая спектрометрическая установка для изучения реакции (у, лГр) на ядрах в широком диапазоне переданных импульсов. ВАНиТ, сер.: Общ. и яд. физ. вып.1(41) (1988) 84.

30. Е.Н. Шувалов. Позиционно чувствительные черенковские и сцинтилляционные спектрометры большой площади в экспериментах на

31. Томском синхротроне. Известия вузов. ФИЗИКА, т.50, № 10/2, 2007, с. 109-113

32. В.М. Быстрицкий, И.В. Главанаков, Р. Грабмаер, Ю.Ф. Кречетов, O.K. Сайгушкин, А.Н. Табаченко, А.И. Фикс, Е.Н. Шувалов. Оценка вклада А12 12 Ч"изобары в основном состоянии ядра С из реакции С(у, ти р). Письма в ЖЭТФ т.73, N.9 (2001) 513

33. V.M. Bystritsky, A.I. Fix, I.V. Glavanakov, P. Grabmayr,Yu.F. Krechetov, O.K. Saigushkin, E.N. Schuvalov, A.N. Tabachenko. Search for the A"^12 12 4"component in С ground state using С (у, n p) reaction. Nucl. Phys., 2002, A705, N.1,2, p. 55

34. И.В. Главанаков, Ю.Ф. Кречетов, O.K. Сайгушкин, Е.Н. Шувалов, В.М. Быстрицкий. Нуклон-нуклонные корреляции в реакциях (у, п р) и (у, п рр) на ядре 12С. Письма в ЖЭТФ, 2005, т.81, вып. 9, с. 546

35. В.М. Быстрицкий, И.В Главанаков, П.Грабмаер, Ю.Ф. Кречетов, А.Н.Табаченко, О.К.Сайгушкин, Е.Н. Шувалов. Исследование А -изобарных степеней свободы в основном состоянии ядра 1бО. Известия вузов. ФИЗИКА, т.50, № ю/2, 2007, с. 6036.

36. И.В. Главанаков, Ю.Ф. Кречетов. Фотовозбуждение квазисвязанного Delta-ядерного состояния атомного ядра. Ядерная физика, 2008, т.71, №.3, с. 435