Система мечения η-мезонов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат наук Карпухин, Василий Сергеевич

• Карпухин, Василий Сергеевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Карпухин, Василий Сергеевич

Оглавление

Введение

Глава 1. Обоснование выбора реакции мечения

Выводы

Глава 2. Мечение г)-мезонов на пороге реакции pd—>3Нег|

2.1. Система мечения установки WAS А

2.2. Кинематический анализ реакции pd—»3Нег|

2.3. Численное моделирование спектрометра мечения

2.3.1. Описание программного пакета для моделирования системы мечения

2.3.2. Моделирование системы мечения и выбор детекторного модуля

2.4. Экспериментальное определение параметров системы мечения

2.4.1. Описание эксперимента

2.4.2. Конструкции ППД-модуля

2.4.3. Электронная система установки

2.4.4. Результаты измерений

Выводы

Глава 3. Разработка методов пассивации HPGe- детекторов и

определения их геометрических параметров

3.1. Метод определения толщины структурных слоев

HPGe-ППД

3.1.1. Измерение геометрических параметров ППД с помощью радиоактивных источников

3.1.2. Измерение структурных параметров ППД на пучках частиц

3.2. Метод пассивации HPGe-детекторов

3.2.1. Методика изготовления и результаты тестирования ППД

3.2.2. Свойства окисной пленки

Выводы

Глава 4. Разработка триггера на основе ПЛИС

4.1. Использование ПЛИС в системах ядерной электроники

4.2. Разработка триггера на основе ПЛИС для системы мечения

4.2.1. Особенности устройства современных ПЛИС типа ППВМ и

технологии разработки логических устройств на их основе

4.3. Библиотека параметризованных модулей наносекундной электроники

4.3.1. Управляемая задержка

4.3.2. Управляемый формирователь длительности

4.3.3. Управляемая схема совпадений

4.3.4. Управление триггером

4.3.5. Результаты тестирования триггерного устройства

Выводы

Заключение

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Система мечения η-мезонов»

Введение

Изучение физики распадов Г|-мезонов представляет интерес для подтверждения предсказаний Стандартной Модели (СМ). К настоящему времени СМ подтверждена во множестве экспериментальных исследований. В то же время СМ содержит большое количество внешних параметров, некоторые из которых известны с недостаточной точностью. Экспериментальное определение величин этих параметров, а также поиск явлений, не описываемых СМ, являются одними из главных направлений развития современной фундаментальной физики. Обнаружение таких явлений даст дополнительную информацию о так называемой новой физике и послужит толчком к возникновению новых теоретических подходов, с помощью которых можно будет устранить недостатки Стандартной Модели.

Процессы рождения г|-мезонов в нуклон-нуклонных взаимодействиях вблизи порога реакции являются хорошим тестовым экспериментом для проверки разнообразных моделей, описывающих взаимодействие нуклонов на малом расстоянии, так как сопровождаются передачей сравнительно большого импульса между нуклонами. В то же время, изучение распада г|—»л^лГл;0 представляет интерес с точки зрения уточнения разности масс и- и с1-кварков и проверки киральной теории возмущений [1]. Данный распад происходит с нарушением изотопической инвариантности, при этом вклад электромагнитного взаимодействия очень незначителен и распад проходит преимущественно путем сильного взаимодействия. С другой стороны, распады, проходящие с участием преимущественно электромагнитного взаимодействия, такие как г)—>ти+71~у и г|—>к+п~е+е~, важны для проверки положений и уточнения параметров взаимодействия квантовой электродинамики. Кроме того изучение распадов г|-мезонов на лептон-антилептонные пары может дать возможность наблюдения процессов, которые не согласуются с СМ [2].

В многих каналах распадов г|-мезонов образуются как заряженные, так и нейтральные частицы. В таких условиях для надежной идентификации этих частиц и измерения их энергии требуется использовать установки с 4тс геометрией. Достаточная статистическая обеспеченность для исследования редких распадов может быть получена на накопительных кольцах протонов, при светимостях, превышающих 1031 см~2с~1. При столь высоких загрузках успех эксперимента зависит от временного и энергетического разрешения измерительной установки. Таким образом, одной из ключевых проблем при изучении распада г|-мезонов является создание эффективного низкофонового триггера. С помощью такой установки необходимо не только уменьшить число регистрируемых событий до значений, которые могут быть обработаны системой сбора информации, но также существенно ослабить вклад физического фона и, тем самым, поднять точность измерений до требуемого уровня.

Среди возможных вариантов создания триггера первого уровня необходимо указать на подход, основанный на регистрации частиц, образующихся при рождении г|-мезона. В таком варианте зарегистрированные вторичные частицы от образования г|-мезона играют роль метки, которая используется как для отбора событий в режиме реального времени, так и на этапе последующей обработки данных. При выборе реакции мечения требуется подобрать такой процесс рождения г|-мезона, при котором с одной стороны возможна идентификация факта образования этой частицы, а с другой - обеспечивается достаточно большое сечение реакции и, следовательно, высокий выход меченых г|-мезонов.

Представленный анализ литературных источников показывает, что для мечения г|-мезонов наиболее часто используются реакции рр—>ррг) и рё—>3Нег|. Наибольший интерес с точки зрения создания системы мечения

о

представляет использование реакции с образованием Не. Это обусловлено целым рядом причин:

• реакция pd—Her| - двухчастичная, что позволяет по результатам

о

измерения энергии ядер Не эффективно отбирать события, связанные с образованием г)-мезонов;

• в работах [3,4] показано, что вблизи порога реакции pd—>3Нег| быстрый рост ее сечения происходит в условиях сохранения сечений фоновых процессов pd—>3Нел°, pd—>3Не71+л", pd—»3He7i+7t~rc0, pd—»3He7t+7tfy. С одной стороны, это позволяет достичь высокого соотношения сигнал/фон ~ 100:1, а с другой - дает уникальную возможность прямого измерения уровня физического фона в эксперименте. Для этого достаточно понизить энергию пучка протонов на 1-2 МэВ ниже порога реакции образования г|-мезонов;

• скорость образования ту-мезонов в реакции pd—> Her) при светимости протонного пучка L = 1031 см~2с_1 составляет ~ 2 с"1, что позволяет за 5 дней измерений достичь статистики на уровне ~ 106 распадов.

Для мечения г|-мезонов в указанной реакции используются протоны

о

с энергией близкой к порогу, следовательно, образующиеся ядра Не в системе центра масс имеют импульс близкий к нулю. В лабораторной системе данная ситуация соответствует вылету 3Не под нулевым углом по отношению к оси пучка протонов. Поэтому для регистрации таких частиц требуется система отклоняющих магнитов для выделения ' Не из первичного пучка, а также узкоапертурная установка, обеспечивающая

л

идентификацию и спектрометрию Не до энергий ~ 350 МэВ.

Актуальность диссертационной работы состоит в том, что выполненные разработки и исследования позволили создать установку мечения г|-мезонов с рекордно низким соотношением сигнал/ фон. Созданная в работе система мечения использовалась для выполнения экспериментов на ускорительно накопительном кольце CELSIUS [5,6] (Уппсала, Швеция). Пучок протонов взаимодействовал с корпускулярной дейтериевой мишенью [7], расположенной в центре 4ти-установки WASA (Wide Angle

Shower Apparatus) [8], которая использовалась для восстановления треков от распадов т]-мезонов. Триггером для запуска установки WASA служил сигнал, полученный от спектрометра мечения, который располагался в области поворотных магнитов ускорителя на расстоянии нескольких метрах от места взаимодействия. Поворотные магниты использовались в качестве одного из элементов системы и обеспечивали пространственное разделение вторичных частиц и первичного пучка.

Технические условия, определяемые конструкцией ускорительного кольца, позволяли организовать систему мечения г|-мезонов как на основе установки из сцинтилляторов, так и многоэлементного спектрометра из полупроводниковых детекторов (ППД). Как показал комплекс выполненных исследований, оптимальным вариантом решения указанной задачи является использование ППД-модуля на основе детекторов из сверхчистого германия (HPGe-ППД). Малые размеры ППД-модуля позволили установить его внутри камеры ускорителя в непосредственной близости от первичного пучка. Это обеспечивало как высокую эффективность регистрации 3Не, так и на порядок лучшее энергетическое разрешение по сравнению со сцинтилляционной установкой. Таким образом, применение ППД модуля позволило достичь лучшего соотношения сигнал/фон. Необходимо отметить, что использование установки на основе сцинтилляторов возможно только в случае ее размещения в ускорительном зале.

В лаборатории «Физика ядра и автоматизация измерений» НИЯУ МИФИ уже более 15 лет ведутся работы по созданию многоэлементных германиевых спектрометров и их использованию для решения ядерно-физических задач как на пучках частиц [9-11], так и в неускорительных экспериментах [12, 13].

В ходе создания системы мечения мезонов [14-18] и проведения экспериментов на накопительном кольце CELSIUS с использованием ППД-модуля возникла необходимость усовершенствовать методику изготовления HPGe-детекторов [19], разработать метод определения их

геометрических (структурных) параметров [20, 21] и усовершенствовать электронную систему установки [22, 23].

Надежность работы и стабильность параметров ИРве-детекторов, которыми комплектуются многослойные ППД-модули, определяются конструктивным исполнением, технологией изготовления и условиями работы этих детекторов. При этом геометрические и спектрометрические параметры каждого детектора вводятся в программу обработки экспериментальных данных. Следовательно, выход из строя даже одного детектора в спектрометре может привести к потере информации. В ходе подготовки и проведения экспериментов возникает необходимость в переупаковке НРСе-детекторов (например, для калибровки ППД, а также размещения их в специальном хранилище по завершению сеанса). Для этого требуется многократное чередование процедур по снижению и повышению температуры (термоциклирование) детекторной сборки. Для стабильной работы НРве-ППД в таких условиях необходимо обеспечить защиту их чувствительной поверхности специальными покрытиями. В процессе работы над совершенствованием характеристик НРСе-детекторов, был разработан способ формирования защитной окисной пленки на их поверхности с использованием метанола. Исследования показали, что защитное покрытие надежно предохраняет р-п-переходы детекторов от влияния окружающей среды.

При использовании ППД в многослойных установках для спектрометрии заряженных частиц наряду с такими параметрами, как энергетическое разрешение, рабочее напряжение, существенными становятся точные значения геометрических параметров — рабочей области детекторов. Зарегистрированная частица проходит в спектрометре несколько ППД. Для восстановления ее начальной энергии необходимо, знание толщин чувствительных и нечувствительных («мертвых») областей. Энергия частиц определяется методом суммирования потерь энергии в детекторах с учетом средних энерговыделений в их «мертвых» слоях.

Знание геометрических параметров необходимо также для идентификации частиц и выделения событий с нарушением ионизационной зависимости потерь энергии, либо выхода частиц из рабочего объема. Были разработаны методы измерения рабочих областей HPGe-детекторов с помощью пучков частиц и радиоактивных у-, ос-источников. Исследования показали, что точность разработанных способов соответствует требованиям обработки данных с многослойных ППД-спектрометров.

Опыт эксплуатации электроники HPGe-спектрометра показал наличие искажений и сложность настройки в системе обора событий, которая первоначально реализовывалась на блоках КАМАК. В связи с этим была усовершенствована электронная часть системы мечения. Основные усилия были направлены на разработку подхода, который позволил бы автоматизировать и упростить настройку быстрой электроники в ходе измерительного сеанса. Для достижения этой цели, было разработано многоканальное триггерное устройство на основе микросхем программируемой логики (ПЛИС). Базовыми элементами таких схем являются задержки, формирователи длительности, схемы совпадения, счетчики и т.п. В ходе исследований разработаны варианты построения устройств наносекундной электроники (входные сигналы длительностью от 10 не) на основе параметризированной библиотеки программируемых модулей. Показано, что благодаря параметризации и возможности программного управления модулями с помощью встроенного процессора, обеспечивается двухуровневая настройка системы как на этапе подготовки эксперимента, так и непосредственно во время работы установки.

Цель работы

Основной целью работы являлось создание низкофонового триггера на основе HPGe-модуля для исследования распадов г|-мезонов на установке CELSIUS/WASA.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

о

1. Разработка метода мечения г|-мезонов на пороге реакции рс1—► Нет].

2. Разработка специального метода защиты поверхности НРОе-детекторов для их надежной эксплуатации в ускорительных экспериментах.

3. Разработка метода измерения чувствительных и нечувствительных областей НРве-детекторов с помощью пучков частиц и у-, а-источников.

4. Разработка электронных систем для обработки сигналов наносекундной длительности, реализованных на базе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Создание триггерного устройства для отбора событий, отвечающих рождению г|-мезонов.

Научная новизна

1. Впервые разработана и реализована система мечения г)-мезонов с рекордно высоким соотношением сигнал/фон равным 72:1.

2. Впервые на основе использования метанола разработана методика защиты р-п-переходов германиевых ППД от влияния внешней среды, что обеспечило надежную работу этих детекторов в течение большого числа ускорительных сеансов.

3. Впервые разработана триггерная система обработки сигналов наносекундной длительности (от 10 не), реализованная на базе ПЛИС.

Практическая значимость

Созданная система мечения обеспечила набор статистики распадов т|-мезонов с рекордным соотношением сигнал/фон. Информация, полученная в ходе экспериментов с использованием системы мечения, позволила установить новые ограничения на величины относительной вероятности распадов г|—>е+е"е+е", а также уточнить данные о

распределении инвариантных масс для распадов г|—>7Г071°710, г|—>71+лГ7г°, г|—>7г+7г_у, г)—>к+п~е+е~.

Разработанные методы защиты, определения геометрических параметров НРОе-детекторов и созданное устройство наносекундной электроники могут найти широкое применение при разработке ППД-спектрометров для исследования экзотических процессов в подземных низкофоновых лабораториях и регистрации заряженных частиц низких энергий на ускорителях.

Положения и результаты, выносимые на защиту

1. Система мечения мезонов на основе НРОе-спектрометра, обладающая высокими разрешением и созданная для эффективного выделения событий рождения г|-мезонов, образующихся в реакции рё—>3Нег|.

2. Методы измерения геометрических параметров НРОе-детекторов и защиты их чувствительной поверхности от внешних воздействий.

3. Многоканальное триггерное устройство наносекудного диапазона на основе схем программируемой логики для построения систем отбора событий в ядерно-физическом эксперименте.

Достоверность положений и выводов

Достоверность результатов по системе мечения мезонов основывается на совпадении измеренных параметров установки с модельными расчетами и данными других экспериментов. Обоснованность результатов по совершенствованию методики изготовления детекторов, измерению их геометрических параметров и модернизации логической электроники обеспечивается большой статистикой измерений, современными аппаратурными средствами и программным обеспечением для тестирования ППД и триггерной электроники, воспроизводимостью характеристик ППД и параметров разработанной электроники как в лабораторных условиях, так и на пучках частиц.

Вклад автора

Автор выполнял компьютерное моделирование с целью определения расчетных параметров различных систем мечения, активно участвовал в изготовлении, тестировании HPGe-детекторов и создании спектрометра на их основе, в подготовке и проведении измерений на ускорителе CELSIUS, в обработке и анализе экспериментальных результатов. Автор внес определяющий вклад в разработку и создание триггерного устройства на основе ПЛИС, в апробацию результатов исследования и подготовку основных публикаций по выполненной работе.

Апробация работы

Результаты исследований представлялись и обсуждались на семинарах в НИЯУ МИФИ, ОИЯИ (Дубна), ИТЭФ (Москва), Сведбергской лаборатории (Упсала, Швеция), а также докладывались на международных конференциях по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра (Саров 2006, С-Петербург 2010), на научных сессиях НИЯУ МИФИ (20052009), конференциях НОЦ Минобразнауки-CRDF (С-Петербург 2006, Пермь 2007, Нижний Новгород 2008). Диссертационная работа была поддержана: совместным проектом Минобразнауки РФ и Американского фонда гражданских исследований и развития (CRDF) (№MS-011-23, 20042008гг.); проектом в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (ГК №П618, 2009-2010гг.).

Публикации

Материалы диссертации опубликованы в 11 печатных работах, из них 4 статьи в журнале «Приборы и техника эксперимента», входящем в перечень ВАК РФ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 121 страницу, включая 50 рисунков, 7 таблиц и список литературы из 94 наименований.

ГЛАВА 1. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА РЕАКЦИИ МЕЧЕНИЯ

Для выполнения эксперимента по поиску редких распадов г)-мезонов требуется высокое соотношение сигнал/фон при достаточной плотности потока г)-мезонов. Указанные требования определяют выбор как реакции, в которой образуются г|-мезоны, так и конфигурацию измерительной аппаратуры, обеспечивающей регистрацию продуктов распада. Таким образом, необходимо обеспечить выполнение следующих условий:

• Выбрать процесс с большим сечением образования г|-мезонов при незначительном уровне физического фона.

• Выбрать первичный пучок частиц с высокой светимостью и наилучшим импульсным разрешением.

• Разработать и создать экспериментальную установку, адекватную выбранной реакции.

В табл. 1.1 приводятся сечения некоторых реакций, в которых образуются г|-мезоны. Ниже приводится анализ экспериментального использования этих реакций для мечения г|-мезонов.

Сечение реакции 7тГр-»Г1п было точно измерено в эксперименте [24], выполненным в В1ЧЬ (США). Целью этой работы было измерение сечения реакции, а не создание системы мечения, поэтому нейтроны установкой не регистрировались. В эксперименте измерялись продукты распада г|-мезона с помощью многофотонного сцинтилляционного спектрометра. Этот спектрометр имел 4тс геометрию и перекрывал ~ 90% телесного угла. При обработке результатов измерений отбирались события, отвечающие регистрации 2-х или 6-ти у-квантов, образовавшихся в реакциях г|—>уу и Г(—>7Г°71°71;0—> 6у соответственно. Было установлено, что по сравнению с другими реакциями, которые будут рассмотрены ниже, процесс тс_р—>Г|п обладает наибольшим сечением ~ 1 мбарн.

л о X

Табл. 1.1. Сечения реакций с рождением г|-мезонов

Реакция Сечение реакции, нбарн

71~р— 106

пр—х1г| 104-105

ур->г|р 104

РР^РРЛ 103-105

рс!->3Нег| 102

е+е"—»ф—>г|у 40

В другом эксперименте [25] реакция тГр—>г|п использовалась в качестве реакции мечения г|-мезонов. Регистрация нейтронов выполнялась с помощью сцинтилляционной время-пролетной системы. Соотношение сигнал/фон, полученное в этой работе, составило 4:1 (рис 1.1). Следует отметить, что в эксперименте довольно трудно было получить пучок 7с~-мезонов, обладающий высокой интенсивностью и хорошим импульсным разрешением. Кроме того, регистрация нейтронов осуществляется с существенно худшей точностью, чем заряженных частиц. Поэтому, несмотря на большое сечение, реакцию тГр—>т|п не следует рассматривать в качестве перспективной для создания на ее основе системы мечения.

В работе [26] анализ реакции на «псевдосвободном» нейтроне (в качестве мишени использовался дейтерий) показал, что взаимодействие пр—>с!т) обладает сечением на уровне нескольких десятков мкбарн, т.е. занимает второе место по максимальной величине сечения. Однако, как и в предыдущем случае, отсутствие прецизионных пучков нейтронов приводит к существенному ухудшению сигнала от дейтронов мечения [27]. Следовательно, эта реакция также не представляет интерес для создания системы мечения г|-мезонов.

Рис. 1.1. Спектр нейтронов, набранный с помощью время-пролетной системы [25]. Пунктирная и сплошная линии показывают вклад фоновых событий при различных вариантах обработки результатов.

Рис. 1.2. Схема магнитного спектрометра в эксперименте на ускорителе МАМ1-С. Линиями показаны траектории электронов с различными энергиями, а также фокальная плоскость, в которой расположены сцинтилляционные детекторы.

Исследование сечения реакции фоторождения ур—>г|р в зависимости от энергии у-кванта проводилось на ускорителях MAMI [28] и ELSA [29]. В этих экспериментах систему мечения применили уже на этапе получения источника высокоэнергичных у-квантов с заданной энергией, у-кванты рождались при торможении электронов на ядрах мишени в реакции:

N + е- —> N + е-' + у

Образовавшиеся электроны направлялись затем на спектрометр мечения, состоявший из магнитного спектрометра и набора сцинтилляторов, расположенных в его фокальной плоскости (рис. 1.2).

Таким образом, для формирования сигнала мечения у-кванта достаточно было отбирать сигналы срабатывания с определенного канала сцинтиллятора. В работе [30] показано, что энергетическое разрешение системы мечения у-квантов, применявшейся в работе [28], составило 4 МэВ. Использование монохромного источника в реакции фоторождения ур—>г)р позволило бы, используя систему мечения второго порядка, получить источник г|-мезонов с очень высоким соотношением сигнал/фон. Однако, из-за относительно небольшой интенсивности меченых у-квантов число событий с г)-мезонами невелико. Основным фактором, определяющим число меченых у-квантов в единицу времени, является временное разрешение сцинтилляционных детекторов. Было показано, что для у-квантов с шириной спектра 4 МэВ и интенсивностью меченых у-квантов 106 с1 растет число случайных совпадений, что ухудшает соотношение сигнал/фон.

Отметим, что коллаборацией CLAS (лаборатория JLAB, США) была разработана более совершенная система мечения, основанная на двух наборах сцинтилляторов, расположенных последовательно на пути электронов мечения. Первый набор детекторов обеспечивал высокое энергетическое разрешение ~ 2-4 МэВ, второй состоял из более крупных сцинтилляторов и использовался для улучшения временного разрешения

[31]. Благодаря такой схеме, удалось получить максимальную интенсивность меченых у-квантов ~ 5-107с~1. Однако расчеты показали, что даже при этой интенсивности у-квантов установка позволила бы выделять не более пяти г|-мезонов в секунду.

Анализ публикаций показывает, что в экспериментах, направленных на изучение распадов Г|-мезонов, наиболее перспективными оказались следующие реакции: е+е"->ф-»Г|у, рр—>ррг| и рс1—>3Нег|.

Процесс е+е~—»ф—>г|у исследовался коллаборацией КЬОЕ на фабрике ф-мезонов ОАФМЕ (Италия) [32-34]. Большое число ф-мезонов позволило набрать значительную статистику по рождению г|-мезонов, что является важным методическим преимуществом данной реакции. Так в работе [32] обрабатывалась статистика объемом 1.3-106 событий с рождения г|-мезонов. Однако следует отметить достаточно сложную схему выделения полезных событий в этом эксперименте. В работе [34] масса г|-мезона определялась из анализа событий, отвечающих распаду г|—>уу. Для этого требовалось не только точно определять энергию 2-х у-квантов, но и измерять их угол разлета с точностью < 0.4°. Это удалось выполнить с помощью дрейфовой камеры (рис. 1.3), содержащей 1.2-104 измерительных каналов [35]. Вследствие высокой светимости ускорителя камера работала при большой загрузке ~ 50 треков/нс, что накладывало жесткие требования к электронной системе съема информации. Указанные особенности установки и исследуемой реакции приводят к большому количеству систематических источников погрешностей, корректный учет и оценка вклада которых представляют серьезную проблему. По этой причине, несмотря на высокую статистическую обеспеченность данных коллаборации КЬОЕ, представленную установку весьма сложно использовать для исследования редких распадов т]-мезонов.

Рис. 1.3. а) - общий вид установки КЬОЕ (разрез вдоль оси пучка), б) -фрагмент поперечного разреза дрейфовой камеры [35].

beam

Рис. 1.4. Схема установки \VASA.

5 SO cm гнп

Central Detector Forward Detector

Petlet line

Absorber

Важную роль в исследованиях распадов г|-мезонов, рождающихся в реакциях рр—»ppr| [36] и pd->3Her|, занимает установка WAS А [8] на накопительном кольце CELSIUS. Эта установка обладает 4-тг геометрией и позволяет изучать различные моды распада т]-мезонов в реакциях протон-протонного и протон-дейтронного взаимодействия.

Установка WAS А состоит из 4 основных подсистем [8] (рис. 1.4): корпускулярная мишень, передний детектор, спектрометр частиц, вылетающих под малым углом к оси пучка, и центральный детектор. Корпускулярная мишень обеспечивала взаимодействие «замороженных капелек» водорода или дейтерия с частицами пучка. Механизм мишени создавал поток корпускул, который проходит через область взаимодействия с пучком. Конструкция мишени позволяла полностью исключить как ухудшение разрешения пучка, так и появление фона, вызванного взаимодействиями исследуемых частиц со стенками мишени.

Передний детектор установки WASA расположен за областью взаимодействия и состоит из следующих основных частей (рис. 1.4):

• счетчик переднего окна (FWC - forward window counter);

• передние пропорциональные камеры (FPC - Forward Proportional Chambers);

• годоскоп переднего триггера (FTH - Forward Trigger Hodoscope);

• спектрометрический годоскоп (FRH — Forward Range Hodoscope);

• вспомогательный вставной годоскоп (FRI - Forward Interleaving Hodoscope);

• годоскоп вето-сигнала (FVH - Forward Veto Hodoscope).

Указанный набор детекторных подсистем установки WASA позволял

выполнять одновременно два вида задач: формировать триггерный сигнал, используемый для отбора событий, и регистрировать дополнительную спектрометрическую информацию, которая используется для подавления фона на этапе обработки результатов эксперимента.

Спектрометр мечения регистрировал частицы, вылетающие под малым углом к оси пучка, и представлял собой отдельную подсистему установки WASA. Спектрометр использовался для выработки триггерного сигнала при образовании Г|-мезонов в реакции pd—кНег|. Кинематический анализ показывает, что ядра Не, образовавшиеся на пороге этой реакции, будут двигаться под малым углом к оси первичного протонного пучка. Особенности внутреннего устройства ускорительного кольца позволили использовать его магнитную систему для разделения первичного пучка протонов и вторичных ядер 3Не, которые регистрировались узкоаппертурным ППД-спектрометром. В работе [14] нами было показано, что такая система отбора событий позволяет метить г|-мезоны при максимальном соотношении сигнал/фон.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Карпухин, Василий Сергеевич, 2013 год

Список литературы

1. Gasser J. and Leutwyler H. Chiral perturbation theory: expansions in the mass of the strange quark // Nucl. Phys. B. 1985. V. 250. P. 465-476, DOI: 10.1016/0550-3213(85)90492-4.

2. Bergstrôm L. Rare decay of a pseudo scalar meson into a lepton pair - A way to detect new interactions? // Z. Phys. C. - Particles and fields. 1982. V.14. P. 129-134, DOI: 10.1007/BF01495033.

Nakamura K., Hagiwara K., Hikasa K. et al. Review of Particle Physics // J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 2010. V.37. P. 075021, DOI: 10.1088/0954-3899 /37/7 A/075021.

3. Mayer В., Boudard A., Fabbro B. et al. Reactions pd—^Her) and pd—>3He rcV near the r) threshold // Phys. Rev. C. 1996. V.53. P. 2068-2076, DOI: 10.1103.

4. Berger J., Boivin M., Boudard A. et al. Identification of the dp—>3Her| reaction very near threshold: cross section and deuteron tensor analyzing power // Phys. Rev. Lett. 1988. V. 61. P. 919-925, DOI: 10.1103/PhysRevLett.61.919.

5. Ekstrom C., Calén H., Carius S. et al. The CELSIUS Project // Phys. Scr. 1988. V. 22. P. 256-268.

6. Bilger R., Bargholtz C., Bogoslawsky D. et al. CELSIUS as an r|-factory // Nucl. Phys. 1997. V. A626. P. 93-96.

7. Calén H., Carius S., Fransson K. et al. Detector setup for a storage ring with an internal target // Nucl. Istrum. Meth. in Phys. Res. 1996. V. A379. P. 57-75.

8. Bargholtz C., Bogoslawsky D., Bondar A. et al. The CELSIUS/WASA detector facility // Phys. Scr. 2002. V. T99. P. 159-168, D01:10.1238/physica.topical. 099a00159.

Bargholtz Chr., Bashkanov M., Berlowski M. et al. The WASA detector facility at CELSIUS // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. 2008. V. A594. P. 339-350, DOI: 10.1016/j.nima.2008.06.011.

9. Горнов М.Г., Гребенев В.Н., Гуров Ю.Б. др. Спектрометр для регистрации заряженных частиц под малыми углами // Приборы и техника эксперимента. 1999. №4. С. 65-71.

10. Гуров Ю.Б., Гусев К.Н., Катулина C.JL и др. Имплантированные HPGe-детекторы для многослойных спектрометров заряженных частиц// Приборы и техника эксперимента. 2004. №5. С. 34-37.

И. Bargholtz Chr., Geren L., Гребенев B.H., Карпухин B.C. и др. Спектрометр для поиска экзотических состояний пионных атомов ксенона // Приборы и техника эксперимента. 2006. №3. С. 14-22.

12. Гуров Ю.Б., Гусев К.Н., Катулина C.JI. и др. Секционированные детекторы из особо чистого германия// Приборы и техника эксперимента.

2007. №6. С. 43-46.

13. Бруданин В.Б., Гуров Ю.Б., Егоров В.Г. и др. Массивные НРОе-детекторы для регистрации редких событий с низким энерговыделением// Приборы и техника эксперимента. 2011. №4. С. 27-29.

14. Bargholtz Chr., Geren L., Гребенев B.H., Гуров Ю.Б., Карпухин B.C., Лаухин И.В., Мартемьянов Б.В., Матвеев В.А., Lindberg К., Сопов B.C., Tegner Р.-Е., Чернышев Б.А., Шафигуллин P.P. Мечение г|-мезонов в

о

близи порога реакции pd—> Her) // Приборы и техника эксперимента. 2006. №4. С. 17-23.

15. Гуров Ю.Б., Карпухин B.C., Лаухин И.В., Сандуковский В.Г., Сопов B.C., Чернышев Б.А., Шафигуллин P.P. Система мечения г|-мезонов на основе реакции 2Н(р,3Не)г| // Науч. сессия МИФИ-2005. III конф. НОЦ CRDF «Фундаментальные исследования материи в экстремальных состояниях. Сб. научн. трудов. М., МИФИ. 2005. С. 18-19.

16. Гуров Ю.Б., Карпухин B.C., Лаухин И.В., Шафигуллин P.P. Система мечения ц-мезонов установки CELSIUS/W AS А // Науч. сессия МИФИ-

2008. V конф. НОЦ CRDF «Фундаментальные исследования материи в экстремальных состояниях». Сб. науч. трудов. М., МИФИ. 2008. С. 10-11.

17. Гребенев В.Н., Гуров Ю.Б. , Карпухин B.C., Шафигуллин P.P. Определение импульсного распределения частиц в пучках накопительных колец // Науч. сессия МИФИ-2009. Аннот. докладов. М., МИФИ. 2009. Т.2. С. 247.

18. Карпухин B.C., Лаухин И.В., Шафигуллин P.P. Изучение вероятности распада Г|—>7rVeV // Науч. сессия МИФИ-2009. Сб. науч. трудов. М., НИЯУ МИФИ. T. IV. С. 85-88.

19. Гуров Ю.Б., Карпухин B.C., Розов C.B. , Сандуковский В.Г., Борович Д., Квиатковска Я., Райхл Б., Юрковски Я., Пассивация HPGe-детекторов // Приборы и техника эксперимента. 2009. №1. С. 151-154.

20. Гуров Ю.Б., Исаков C.B., Карпухин B.C., Лапушкин C.B., Сандуковский В.Г., Чернышев Б.А. Измерение толщин нечувствительных слоев полупроводниковых детекторов // Приборы и техника эксперимента. 2008. №1. С. 67-71.

21. Гуров Ю.Б., Карпухин B.C., Морохов П.В., Сандуковский В.Г., Чернышев Б.А., Шафигуллин P.P., Юрковски Я. Измерение «мертвых» слоев пла-нарных HPGe-детекторов //56 Межд. конф. по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра. Сб. тезисов. РФЯЦ-ВНИИЭФ. Саров. 2006. С. 294-295.

22. Добротворский A.C., Карпухин B.C., Шафигуллин P.P. Прототип триггера наносекундного диапазона на основе П.Л.И.С. // Приборы и техника эксперимента. 2010. № 6. С. 42-47.

23. Карпухин B.C., И.В. Лаухин, P.P. Шафигуллин Управление триггерными устройствами наносекундного диапазона на основе ПЛИС с использованием протоколов Ethernet и IP // Науч. сессия МИФИ-2007. V конф. НОЦ CRDF «Фундаментальные исследования материи в экстремальных состояниях». Сб. науч. трудов. М., МИФИ. 2007. С. 18. Карпухин B.C., Лаухин И.В., Шафигуллин P.P. Прототип многоканального триггерного устройства на основе ПЛИС // Науч. сессия МИФИ-2008. Секция автоматика, электроника микро- и наноэлектроника. Сб. науч трудов. М.: МИФИ. 2008. С. 91-92.

114

24. Prakhov S., Nefkens B., Allgower C.E. et al. Measurement of 7ifp—>r|n from threshold to pn_ =747MeV/c // Phys. Rev. C. 2005. V.72. P. 015203 (1-6), DOI: 10.1103/PhysRevC.72.015203.

25. Buttram M.T., Kreisler M.N., Mischke R.E. Precise measurement of the neutral branching ratios of the rj-meson // Phys. Rev. Lett. 1970. V. 25. P. 1358-1361, DOI: 10.1103/PhysRevLett.25.1358.

26. Calén H., Dyring J., Fransson K. et al. Measurement of the quasifree pn—»dr| reaction near threshold // Phys. Rev. Lett. 1997. V.79. P. 2642-2645, DOI: 10.1103/PhysRevLett.79.2642.

27. Plouin F., Fleury P., Wilkin C. Identification and analysis of the np—>dr| cross section near threshold // Phys. Rev. Lett. 1990. V. 65. P. 690-693, DOI: 10.1103/Phy sRevLett .65.690.

28. Krusche B., Ahrens J., Anton G. et al. Near threshold photoproduction of r| mesons off the proton // Phys. Rev. Lett. 1995. V. 74. P. 3736-3739, DOI: 10.1103/PhysRevLett.74.3736.

29. Bartholomy O., Bogendorfer R., Credé V. et al. Photoproduction of r\ -mesons off protons // Eur. Phys. J. 2007. V.A33. P. 133-146, DOI: 10.1140/epja/i2007-10455-9.

30. McGeorge J.C., Kellie J.D., Annand J.R.M. et al. Upgrade of the Glasgow photon tagging spectrometer for Mainz MAMI // Eur. Phys. J. 2008. V. A37. P. 129-137, DOI: 10.1140/epja/i2007-10606-0.

31. Sobera D.I., Crannella H., Longhia A. et al. The bremsstrahlung tagged photon beam in Hall B at JLab // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. 2000. V. A440. P. 263-284, DOI: 10.1016/S0168-9002(99)00784-6

32. Adinolfia M., Ambrosino F., Antonelli A. et al. Determination of r\-^n+n~ii0 dalitz plot slopes and asymmetries with the KLOE detector // J. of High Energy Physics. 2008, JHEP05(2008)006, DOI: 10.1088/1126-6708/2008/05/006.

33. Adinolfia M., Ambrosino F., Antonelli A. at al. A global fit to determine the pseudoscalar mixing angle and the gluonium content of the rj' meson //J. of High Energy Physics. 2009, JHEP07(2009)105, DOI: 10.1088/11266708/2009/07/105.

34. Adinolfia M., Ambrosino F., Antonelli A. at al. Precise measurements of the r) meson and the neutral kaon masses with the KLOE detector //J. of High Energy Physics. 2007. JHEP12(2007)073, 10.1088/1126-6708/2007/12/073.

35. Adinolfia M., Aloisiob A., Ambrosinob F. et al. The KLOE drift chamber // Nucl. Instr. and Meth. in Phys.Res. 2001. V. A461. P. 25-28, DOI: 10.1016/S0168-9002(00)01157-8.

36. Calen H., S. Carius S., Fransson K. et al. The pp—>ppr) reaction near the kinematical threshold // Phys. Lett. 1996. V. B366. P. 39-43, DOI: 10.1016/ 0370-2693(95)01313-X.

Calen H., Dyring J., Faldt G. et al. Higher partial waves in pp—>ppr| near threshold // Phys. Lett. 1999. V. B458. P. 190-196, DOI: 10.1016/S0370-2693 (99)00613-9. ;

37. Kessler R.S., Abegg R., Baldisseri A. et al. Measurement of the branching ratio for the decay // Phys. Rev. Lett. 1993. V.70. P. 892-895, DOI: 10.1103/PhysRevLett.70.892.

38. Smyrskia J., Adamb H.H., Budzanowskic A. et al. Measurement of the pd+3He - reaction near threshold // Phys. Lett. B. 2007. V. 649. P. 258-262, DOI: 10.1016/j.physletb.2007.04.021.

39. Abegg R., Abela R., Boudard A. et al. Direct measurement of the branching ratio for the decay of the r\ meson into two photons // Phys. Rev. D. 1996. V. 53. P. 11-19, DOI: 10.1103/PhysRevD.53.11.

40. Abdel-Barya M., Budzanowskib A., Chatterjeec A. et al. A precision determination of the mass of the r| meson // Phys. Lett. B. 2005. V. 619. P. 281-287, DOI: 10.1016/j.physletb.2005.06.004.

41. Adolpha С., Angelstein M., Bashkanovd M. et al. Measurement of the r|—>3л° Dalitz plot distribution with the WASA detector at COSY // Phys. Lett. 2009. V. B677. P. 24-29, DOI: 10.1016/j.physletb.2009.03.063.

42. Kupsc A., Wirzba A. Tests of the fundamental symmetries in r| meson decays // J. Phys.: Conf. Ser. 2011 V. 335. P. 012017 (1-7), DOI: 10.1088/1742-6596/ 335/1/012017.

43. Reistad D. Performance and perspectives on CELSIUS. // TSL Note 97-31. Uppsala, Sweden 1997.

44. Ekstrom C. The CELSIUS/WASA pellet target system // Phys. Scr. 2002. V. T99. P. 169-173. DOI: 10.1238/Physica.Topical.099a00169.

45. Carey D.C., Brown K.L., Iselin C. TURTLE with MAD Input // SLAC-R-544, FERMILAB-PUB-99-232, 1999.

46. Brun R., Rademakers F. ROOT -An object oriented data analysis framework // Nucl. Inst, and Meth. in Phys. Res. 1997. V.A389. P. 81-86, DOI: 10.1016 /S0168-9002(97)00048-X; http://root.cern.ch/

47. Горнов М.Г., Гуров Ю.Б., Довгун C.B., Сандуковский В.Г. Телескопические поверхностно-барьерные детекторы// Приборы и техника эксперимента // 1994. №3. С.55-59.

48. Гуров Ю.Б., Гусев К.Н., Катулина C.JI. и др. Имплантированные HPGe-детекторы для многослойных спектрометров заряженных частиц // Приборы и техника эксперимента. 2004. №5. С. 34-37.

49. Горнов М.Г., Гуров Ю.Б., Осипенко Б.П. и др. Планарные детекторы из особочистого германия // Приборы и техника эксперимента. 1990. №4. С. 83-85.

50. Горнов М.Г., Гуров Ю.Б., Лапушкин С.В. и др. Измерение энергии отрицательных пионов многослойным полупроводниковым спектрометром // Приборы и техника эксперимента. 1981. № 2. С.42-48.

51. Gornov M.G., Gurov Yu.B., Lukin A.S. et al. Two-arm semiconductor spectrometer of charged particles for the investigation of absorption of stopped negative pions by nucleus // Nucl. Inst, and Meih. 1984. V. A225. P.42-48.

52. Lahtinen M., Nyberg J. SVEDAQ User's Guide // The Svedberg Laboratory. Uppsala. 1997.

53. Bargholz Chr., Geren L., Kupsc A. et al. Properties of the WASA pellet target and a stored intermediate-energy beam // Nucl. Inst, and Meth. in Phys. Res. 2008. V. A587. P. 178-187, DOI: 10.1016/j.nima.2007.12.040.

54. Eidelman S., Hayes K.G., Olive K.A. et al. (Particle Data Group) Review of Particle Physics // Phys. Lett. 2004. V. B592.

55. Schönning К., Bargholtz Chr., Bashkanov M. et al. Production of r\ and 3rc mesons in the pd-»3HeX reaction at 1360 and 1450MeV // Eur. Phys. J. 2010. V.A45.P. 11-21, DOI: 10.1140/epja/i2010-10981-3.

56. Berfowski M., Bargholtz C., Bashkanov M. et al. Measurement of r\ meson decays into lepton-antilepton pairs. // Phys. Rev. 2008. V. D 77. P. 032004(1-8).

57. Haller E.E. Detector Materials: Germanium and silicon // IEEE Trans, on Nucl. Sei. 1982. V. NS-29. P. 1109-1118.

58. Eisberg R., Makino M., Cole R. et al. Design and performance of an 8-cm thick intrinsic germanium detector telescope // Nucl. Instr. and Meth. 1977. V.146. P. 487-495.

59. Вылов Ц., Осипенко Б.П., Сандуковский В.Г., Юрковски Я., HPGe-детекторы в некоторых экспериментах ядерной физики // Сообщения ОИЯИ. 1985. Дубна. 13-85-677. 7С.

60. Федосеева О.Н., Гаценко JI.C., Захарчук О.В. и др. Кремниевые детекторы ионизирующих излучений // М.: Атомиздат. 1975.

61. Балдин С.А., Вартанов H.A., Ерыхайлов Ю.В. и др. Прикладная спектрометрия с полупроводниковыми детекторами //М.: Атомиздат. 1974.

62. Elad Е., Inskeep C.N., Sareen R.A., Nestor P. Dead layers in charged-particle detectors // IEEE Trans. Nucl. Sei. 1973. V. NS-20. P. 534-544.

63. Селютин В.П., Кридинер Л.С., Гаценко Л.С. Измерение толщины чувствительной области кремниевых детекторов // ПТЭ. 1972. №6. С.54-56.

64. Protic D., Riepe G. Dead layers on semiconductor detectors for charged particle spectroscopy // Nucl. Instr. and Meth. 1972. V.101. P. 55-60.

65. Алексеев Н.В., Бурымов Е.М., Вакулов П.В. и др. Исследование толщины и однородности чувствительной области кремниевых детекторов // Вестник МГУ. 1973. № 5. С. 603-610.

66. Musket R.G., Bauer W. Determination of gold layer and dead layer thickness for Si-Li detectors // Nucl. Instrum. Meth. 1973. V.109. P. 593-595.

67. Горнов М.Г., Гуров Ю.Б., Морохов П.В. и др. Определение толщины структурных слоев полупроводниковых детекторов с помощью заряженных частиц // Приборы и техника эксперимента. 1983. №6. С. 42-45.

68. Горнов М.Г., Гуров Ю.Б., Бер М.Н. и др. Выбор формирующих цепей многослойного полупроводникового спектрометра заряженных частиц // Приборы и техника эксперимента. 2002. №5. С. 45-50.

69. Азимов С.А., Муминов Р.А., Шамирзаев С.Х. и др. Кремний-литиевые детекторы ядерных излучений // Ташкент: ФАН. 1981.

70. Rehak P., Gatti Е. Semiconductor detectors in nuclear and particle physics // AIP Conf. Proc. 1995. V. 338. P. 319-329.

71. Schonert S., Abt I., Altmann M. et al. The GERmanium detector array (Gerda) for the search of neutrinoless PP decays of Ge at LNGS // Nucl. Phys. B. 2005. V. 145. P. 242-245.

72. Дэвисон С., Леви Дж. Поверхностные (таммовские) состояния // М.: Мир. 1973.

73. Бехштейн Ф., Эндерлайн Р. Поверхности и границы раздела полупроводников // М.: Мир. 1990.

74. Hansen W.L., Haller Е.Е., Hubbard G.S. Protective surface coatings on semiconductor nuclear radiation detectors // IEEE Trans, on Nucl. Sci. 1980. V. NS-27. P. 247-251.

75. Walton J., Goulding F., Haller E., Pehl R. Status and problems of semiconductor detectors // Nucl. Instrum. Meth. 1982. V. 196. P. 107-116.

76. Бельцаж E., Брыловска И. Калинина H.H. и др. Защитные покрытия для детекторов ядерного излучения из германия высокой чистоты // Сообщения ОИЯИ. 1987. Р6-87-518. Дубна. 4С.

77. Briancon С., Brudanin V.B., Egorov V.G. et al. The high sensitivity double beta spectrometer TGV // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. 1996. V. A372. P. 222-228.

78. Гребенев B.H., Гуров Ю.Б., Гусев K.H. и др. Исследование параметров спектрометра для поиска пионных атомов ксенона // Сообщения ОИЯИ.

2003. Р13-2003-117. Дубна. 17С.

79. Vetter К., I-Yang Lee, Maier М. et al. // Report of Workshop on "Digital Electronics for Nucl. Str. Phys." March 2-3, 2001. ANL, Argonne. USA.

80. Karstens F., Trippel S. Programmable Trigger Logic Unit Based on FPGA Technology // IEEE Trans, on Nucl. Sei. 2005. V.52. P. 1192-1195, DOI: 10.1109/TNS.2005.852669.

81. Ebine M., Katagiri M., Birumachi A. et al. Signal processing system based on FPGAs for neutron imaging detectors using scintillators // NIM in Phys. Res.

2004. V. A529. P. 429-432, DOI: 10.1016/j.nima.2004.05.027.

82. Greuter U., Buehler C., Rasmussen P. et al. Concept and realization of a fully configurable and programmable data-acquisition system for the neutron scattering instruments at SINQ // Appl. Phys. 2002. V.A74. P. S142-S144, DOI: 10.1007/s003390101086.

83. Van Beuzekom M.G., Vink W., Wiggers L.W., Zupan M. Pile-up veto L0 trigger system for LHCb using large FPGA's // In 8th Workshop on Electronics for LHC Experiments. France, 9 - 13 Sep. 2002. P. 251-255.

84. ATLAS Level-1 Trigger Group, Level-1 Trigger. Technical Design Report // ATLAS TDR-12, 1998. http://atlas.web.cern.ch/Atlas /GROUPS/DAOTRIG /TDR/V1REV1/L1TDR all.pdf

85. Moses W.W., Young J.W., Baker K. et al. The electronics system for the LBNL positron emission mammography (РЕМ) camera // IEEE Trans. Nucl. Sei. 2001. V. 48. P. 632-636, DOI: 10.1109/23.940138.

86. Moses W.W. A front end and readout system for PET" // in Workshop on Compton camera applications to medical imaging. Baia delle Zagare, Italy. Sen S-7 2002.

r ~

87. Bousselham A. FPGA based data acquisition and digital data processing for PET and SPECT // Thesis. Stockholm, Sweden. 2007.

88. Bogdan M., Frisch H., Heintz M. et al. A 96-channel FPGA-based time-to-digital converter (TDC) and fast trigger processor module with multi-hit capability and pipeline // NIM in Phys. Res. 2005. V. A554. P. 444^57, DOI: 10.1016/j.nima.2005.08.071.

89. http://www.caen.it

90. Guo-Ruey Т., Min-Chuan L. FPGA-based reconfigurable measurement instruments with functionality defined by user // EURASIP J. on App. Signal Proc. V. 2006. Article ID84340. P. 1-14, DOI: 10.1155/ASP/2006/84340.

91. Anvar S., Gachelin O., Kestener P. et al. FPGA-based system-on-chip designs for real-time applications in particle physics // IEEE Trans, on Nucl. Sci. 2006. V.53. P. 682-687, 2006 DOI: 10.1109/TNS.2006.875076.

92. http://www.xilinx.com

93. http://www.altera.com

94. Грушвицкий P.M., Мурсаев A.X., Угрюмов Е.П. // Проектирование систем на микросхемах с программируемой структурой // СПб: БХВ. 2006.

95. Altera corporation // Nios Development Board Stratix II Edition, Reference Manual, 2007.

96. Шлыков Г.П. Измерение параметров интегральных ЦАП и АЦП // М.: Радио и связь. 1985.