Электромагнитный калориметр

5.3.Электромагнитный калориметр

Одним их основных детекторов установки является комбинированный электромагнитный калориметр (ЭМК), расположенный на расстоянии 4 метра от центра мишени. Из кинематики ₂ распада следует, что при энергии пучка 70 ГэВ -кванты, в основном, летят вперед в узком конусе менее 250 мрад (около 80%). Диапазон энергий -квантов составляет от 1 до 10 ГэВ со средним значением около 3,5 ГэВ (см. Рисунок 14). Для регистрации распадного -кванта от -состояний и их разделения необходим калориметр с высоким энергетическим и координатным разрешениями. Исходя из этого электромагнитный калориметр можно разделить на две части:

• 
  центральная часть калориметра предназначена для регистрации гамма-квантов от распада ₁ и ₂ для их надежного разделения;
  
• 
  периферийная часть калориметра предназначена для разделения электронов и адронов.
  

Наиболее подходящим для центральной области калориметра (10 <  < 125 мрад) является детектор на основе тяжелого сцинтиллирующего кристалла вольфрамата свинца [²²,²³]. Данный кристалл обладает высокой плотностью, малой радиационной длиной (0.9 см) и небольшим радиусом Мольера (2.2 см), что позволяет при размерах кристалла до 3030 мм² получить высокое координатное разрешение (на уровне 1 мм при энергии эксперимента). 97% сигнала укладывается в интервал порядка 15 нсек. Однако этот кристалл обладает небольшим световыходом (порядка 10 фотоэлектронов/МэВ), что требует использование фотодетектора с большим коэффициентом усиления.

При эксплуатации электромагнитного калориметра из вольфрамата свинца следует обратить внимание на следующие моменты:

• 
  Световыход кристаллов падает при радиационном облучении.
  
• 
  Световыход кристаллов зависит от температуры.
  
• 
  Для обеспечения высокого энергетического разрешения калориметра необходимо мониторирования стабильности энергетической шкалы детекторы
  

При исследовании радиационной стойкости кристаллов было обнаружено [²⁴], что при облучении прозрачность кристаллов меняется, однако изменение световыхода при дозе менее 5 рад/час мало. Только несколько кристаллов вокруг центрального отверстия электромагнитного калориметра будут находиться в зоне облучения порядка нескольких рад/час. Для остальных ячеек калориметра доза облучения меньше 1 рад/час.

Световыход кристаллов меняется на 2.3%/1 при комнатной температуре. При термостабилизации калориметра может быть достигнута стабильность температуры на необходимом уровне 0.1.

Стабильность мониторирования энергетической шкалы калориметра может быть обеспечена мониторной системой на основе светодиодов [²⁵] на уровне 0.1%. Будет использоваться калибровка детектора in-situ. Начальная калибровка и отимизация энергетической шкалы каждой ячейки калориметра будет проводиться на выведенном электронном пучке.

В качестве фотодетектора для кристаллической части калориметра могут использоваться фотоумножители, вакуумные фототриоды (VPT) и лавинные фотодиоды (APD). Преимуществом ФЭУ является высокий коэффициент усиления, что обеспечивает низкий порог регистрации гамма-квантов (10-20 МэВ). Однако ФЭУ диаметром 25 мм в России не выпускаются. Кроме этого при использовании ФЭУ необходим высоковольтный делитель с регулировкой напряжения от ЭВМ, что заметно увеличивает стоимость. При использовании ФЭУ с током делителя 0.5-1 мА становится значительным тепловыделение в калориметре. VPT (производятся в России) обладают невысоким коэффициентом усиления (10-15). При этом необходим усилитель сигнала, обладающий собственными шумами (на уровне 2000-3000 электронов). Наличие шумов приводит к увеличению порога регистрации гамма-квантов до 50 МэВ. APD (в России не производятся) является самый современным детектором, обладающим внутренним усилением на уровне 10³. Однако при использовании APD размером 1 см² емкость детектора равна 500 пФ, что заметно затягивает фронт сигнала и ухудшает временные свойства калориметра. Окончательный выбор детектора будет сделан после проведения дополнительных исследований.

Разрешение периферийной части калориметра должно составлять (812)%/Е, что позволит обеспечить надежное (в совокупности с магнитным спектрометром и адронным калориметром) разделению электронов и адронов. Периферийная часть калориметра может быть создана из счетчиков типа сэндвич на основе свинец-сцинтиллятор и счетчиков из свинцового стекла [²⁶]. Детекторы типа сэндвич были разработаны и изготовлены около 20 лет назад в рамках эксперимента РАМПЭКС [Error: Reference source not found]. После небольшой модернизации они могут быть использованы в предлагаемом эксперименте. Использование периферийного калориметра позволяет также увеличить эффективный аксептанс регистрации J/ в электронной и адронной модах распада.

Рисунок 22. Аксептанс установки для регистрации 2 с xF > 0, когда -квант попал в область 10<<125 мрад, а + и - (е+ и е-) от распада J/ в область 10<<250 мрад

Рисунок 23. Область регистрации 2 комбинированным электромагнитным калориметром.

Для обеспечения необходимого телесного угла (калориметр располагается на расстоянии 4 метра от мишени), центральная часть калориметра должна состоять из 1216 кристаллов PWO сечением 2828 мм² (матрица 35х35 за исключением 9 счетчиков в центре для пропускания пучка). Чтобы перекрыть область углов от 125 до 250 мрад, периферийная часть должна состоять из 2028 счетчиков типа сэндвич свинец-сцинтиллятор или счетчиков из свинцового стекла сечением 3838 мм² (матрица 5252 с незаполненной центральной частью размером 2626 ячеек детектора из вольфрамата свинца). В наличии имеется 1344 счетчика типа сэндвич и 800 счетчиков из свинцового стекла данного размера, что достаточно для создания периферийной части калориметра.

Геометрический аксептанс установки с таким электромагнитным калориметром для регистрации ₂ представлен на Рисунок 22. При этом области регистрации ₂ по х_F составит от 0,2 до 0,9 (см. Рисунок 23).

Представленная структура электромагнитного калориметра является компромиссом между его размерами и стоимостью. С одной стороны, расположение калориметра на большем расстоянии увеличивает (при постоянном угле) его размеры, с другой стороны размещение его на меньшем расстоянии невозможно из-за требований по разрешению магнитного спектрометра. В выбранной конфигурации энергетическое разрешение для разделения -состояний определяется только центральной частью. Периферийная часть служит, в основном, для сепарации электронов и адронов. Альтернативным способом идентификации частиц является использование многоканального черенковского счетчика, однако для него необходимо дополнительное пространство, что приводит к увеличению размеров центральной части калориметра.

Использование сэмплинг-калориметра типа «шашлык» для центральный части невозможно из-за худшего энергетического разрешения и большого поперечного размера ливня при использовании тонкой сэмплинг-структуры.