сцинтилляционный детектор на волокнах

СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР НА ВОЛОКНАХ (СДВ)- разновидность сцинтилляционного детектора, особенностью к-рого является регулярная система параллельно расположенных волокон из сцинтиллятора. Часть света от заряж. частицы захватывается волокном за счёт полного внутр. отражения на границе и распространяется по волокну к выходу. Т. о., световое изображение трека частицы появляется на выходной плоскости детектора.

Обычно волокно состоит из сцинтиллирующего керна, покрытого тонкой оболочкой из материала с меньшим показателем преломления, чтобы обеспечить лучшую отражающую поверхность и, значит, увеличить длину затухания (а также защитить отражающую поверхность от механич. повреждения). Доля света, захваченного волокном, d0,5 (1- n²_об/n²_к), где n_o6 и п_к-показатели преломления для оболочки и керна. Для разных материалов d~5-10%. В качестве сцинтилляторов используют стекло с добавками Се, пластик (на основе полистирола) или жидкий сцинтиллятор (напр., на основе метилнафталина), залитый в стеклянные капилляры. Наиб. перспективны капилляры с жидким сцинтиллятором: светосбор в ср. больше в ~2 раза, длина затухания света (3 м для 20-мкм капилляров) позволяет создавать детекторы большого размера (3 м), радиац. стойкость на порядок больше, чем у пластмассовых волокон. Применяются волокна диам. от 20 мкм до 3 мм, длиной 1 см - 2 м, коэф. заполнения волокнами рабочего объёма ~ 50%.

Свет с волокон усиливается неск. электронно-оптич. преобразователями (ЭОП) с волоконными шайбами на входах и выходах (см. Волоконная оптика ).В первом каскаде усиления применяют ЭОП с высокой чувствительностью. На фосфорах первых ЭОП производится задержка оптич. сигнала (200-500 нc), необходимая для выработки триггерной электроникой управляющего сигнала. Далее свет усиливается другим ЭОП с большим коэф. усиления, к-рый управляется импульсом от триггера. Для согласования размеров выходной плоскости СДВ и регистрирующей системы могут применяться ЭОП с увеличением или уменьшением изображения. Полный коэф. усиления системы ЭОП составляет 10⁵. Временное разрешение СДВ определяется временами высвечивания t фосфоров первых ЭОП и составляет 0,5-1 мкс.

Для считывания информации вначале использовалась фотоплёнка, к-рую вытеснили приборы с зарядовой связью (ПЗС), согласованные с выходной волоконной шайбой последнего ЭОП. Информация с ПЗС оцифровывается быстрым аналого-цифровым преобразователем и считывается в быструю память, связанную с ЭВМ. Мёртвое время СДВ определяется временем считывания с ПЗС.

Каждому выбитому фотоэлектрону с фотокатода 1-го ЭОП соответствует пятно (кластер) на ПЗС. Кол-во кластеров на единицу длины трека от релятивистской частицы ~3-10 мм^-1. При этом для волокон диам. 20 мкм среднеквадратичный разброс кластеров относительно трека составляет 18 мкм. При длине трека 5 мм точность локализации трека 6 мкм. Если волокна детектора расположить вдоль пучка частиц, то будут измеряться одновременно 2 координаты, перпендикулярные пучку. Кол-во света увеличится в более чем 10 раз, и погрешность локализации трека будет 2 мкм.

Впервые СДВ были исследованы ещё в 50-х гг. 20 в. [1 ]. Однако применение началось с сер. 80-х гг. в связи с развитием волоконной оптики, ЭОП и считывающих систем на основе ПЗС [2, 3]. Преимущества СДВ: высокая плотность точек на треке - 3-10 мм^-1 для релятивистских частиц и большая длина затухания [4]; высокое координатное разрешение (20 мкм); разрешение между треками ~35- 100 мкм [5]; большая плотность чувствит. элементов, достигающая 2^.10⁵см^-2; радиац. стойкость 2•10⁸ рад [6]; малые времена высвечивания (для жидких сцинтилляторов t~6 нc); возможность работать в магн. полях.

СДВ может использоваться в качестве т. н. вершинного детектора с высоким координатным разрешением для регистрации распадов короткоживущих частиц, содержащих тяжёлые кварки (см. Комбинированные системы детекторов). СДВ позволяет изучать частицы с временами жизни ~2^.10^-14 с. СДВ может использоваться в качестве прецизионного компактного трекового детектора в экспериментах на встречных пучках. На основе СДВ изготовляют эл--магн. и адронные калориметры, позволяющие кроме измерения энергий наблюдать и треки частиц (см. Ионизационный калориметр ).СДВ применяют для регистрации частиц в качестве годоскопов с временным разрешением ~ 1 нc и координатным разрешением 1 мм. При этом съём информации осуществляется многоканальными фотоумножителями [7]. При использовании с СДВ тяжёлых неорганич. сцинтилляторов появляется возможность регистрировать и g-кванты с высокой координатной точностью.

Лит.: 1) Reynolds G. Т., Present status of scintillation chamers, "IRE Trans. Nucl. Sci.", 1960, v. 7, p. 115; 2)Kirkby J., CERN/ EP/87-60, 1987; 3) Bamburov N. S. [e. a.], Preprint IHER 89-41, 1989; 4) Вuontempo S. [e. a.], Preprint CERN-PPE/94-142, 1994: 5) Cianfarani C. [e. a.], A high-resolution detector based on liquid-core scintillating fibres with readont via an electron-bombarded charge-coupled device, "Nucl. Instr. and Meth.", 1994, v. A339, p. 449; 6) Go-lovkin S. V. [e. a.], Preprint IHEP 94-33, 1994; 7) Кuroda K. [e. a.], Readout of optical scintillation fibers by a position sensitive photomultiplier, "Nucl. Instr. and Meth.", 1987, v. A260, p. 114; Препринт ИФВ-86-127, 1986. С. В. Головкин.

   <<      Предметный указатель      >>