На правах рукописи

Шайбонов Батор Александрович

ДЕТЕКТОРЫ ФОТОНОВ И КАЛИБРОВОЧНЫЕ

СИСТЕМЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ GERDA И ТУНКА

01.04.01 – приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Москва – 2010

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте ядерных исследований РАН.

Научный руководитель:

Доктор физико-математических наук Лубсандоржиев Баярто Константинович

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук Хренов Борис Аркадьевич (НИИЯФ МГУ);

Кандидат физико-математических наук Стенькин Юрий Васильевич (ИЯИ РАН)

Ведущая организация:

Институт физики высоких энергий

Защита состоится «_»2010 г. в часов на заседании Диссертационного совета Д 002.119.01 Учреждения Российской академии наук Института ядерных исследований РАН по адресу: 117312 Москва, проспект 60-летия Октября 7а, тел. (499)135-21-

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЯИ РАН

Автореферат разослан «»_2010 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета Кандидат физико-математических наук Тулупов Б.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Фотоника (наука, связанная с излучением, детектированием и распространением фотонов) все больше и больше расширяет свое влияние в экспериментальной физике. Фотонные методы сегодня – это наиболее широко распространенные методы в ядернофизических экспериментах [Ю.К.Акимов 2006]. Эти методы занимают особое место в космомикрофизических экспериментах. Присутствие фотонных методов или практически всех элементов фотоники в ядерно-физических экспериментах настолько велико, что предлагается по аналогии с ядерной электроникой объединить все эти методы в новую область экспериментальной физики – ядерную фотонику [Б.К.Лубсандоржиев. 2009].

Детекторы фотонов (вакуумные, газовые и твердотельные) являются основным инструментом подавляющего большинства космомикрофизических экспериментов. В свою очередь, везде, где применяются детекторы фотонов, необходимо внедрение в состав экспериментов специальных калибровочных систем для контроля и мониторирования параметров фотодетекторов для получения точных и надежных экспериментальных данных. В состав калибровочных систем обязательно входят элементы фотоники – источники фотонов (лазеры, светодиоды, разрядные источники, черенковские источники и т.д.) и фотонные среды (световоды, оптоволоконные кабели, сцинтилляторы, радиаторы черенковского излучение и т.п.).

Даже в экспериментах, где основными детектирующими элементами служат не детекторы фотонов, а другие типы детекторов, например, полупроводниковые детекторы, не удается полностью обойтись без детекторов фотонов, которые используются в каких-то вспомогательных системах экспериментов. Ярким примером такого использования детекторов фотонов является эксперимент GERDA по поиску двойного безнейтринного бета-распада ядер Ge, который проводится в подземной лаборатории Gran Sasso в Италии. Одно из основных требований эксперимента – чрезвычайно низкий уровень фона. Выполнение этого требования оказывается невозможным без создания детектора мюонного вето, позволяющего освободиться от фона космогенного происхождения. В этом детекторе мюонного вето используются детекторы фотонов, ультрачистая вода, сцинтилляторы и спектросмещающие оптоволоконные кабели. Кроме того, в детектор инкорпорирована калибровочная система, включающая в себя источники фотонов, оптоволоконные кабели и диффузные рассеиватели фотонов. Как видим, в эксперименте GERDA применяются практически все основные элементы фотоники.

Если обратиться к экспериментам, действующим на другом конце энергетической шкалы – например, эксперименты по исследованию первичного космического излучения в области энергий выше 1014 эВ, то мы снова увидим, что практически во всех экспериментах используются детекторы фотонов и другие элементы фотоники. Во многих экспериментах сама атмосфера используется в качестве фотонной среды, как в черенковском эксперименте ТУНКА. В калибровочных системах этого эксперимента применяются источники фотонов и оптоволоконные кабели.

Таким образом, в двух очень разных экспериментах, работающих в различных энергетических диапазонах, очень сильно различающихся по условиям проведения: в первую очередь по фоновым условиям, по условиям окружающей среды и т.д., элементы фотоники или фотонные методы играют ключевую роль. Исследованию детекторов фотонов экспериментов GERDA и ТУНКА и разработке и созданию калибровочных систем этих экспериментов и посвящена данная диссертационная работа.

Цель работы. Целью настоящей работы являлось разработка и создание измерительных стендов для исследования, тестирования и отбора фотодетекторов эксперимента по поиску двойного безнейтринного бетараспада ядер Ge76 GERDA и эксперимента по исследованию первичного космического излучения ТУНКА, разработка оптического модуля черенковского детектора мюонного вето эксперимента GERDA, разработка и создание калибровочных систем данных экспериментов, а также исследование параметров основных элементов этих систем.

Научная новизна и практическая ценность работы. В ходе выполнения настоящей работы были разработаны и созданы оптический модуль и калибровочная система черенковского детектора мюонного вето эксперимента GERDA, а также калибровочная система эксперимента космомикрофизических экспериментах.

Основные результаты, представленные к защите.

Основными результатами, представленными к защите, являются разработка и создание калибровочных систем черенковского детектора мюонного вето эксперимента GERDA и эксперимента ТУНКА. Разработка методов исследования, тестирования и отбора основных элементов калибровочных систем и фотодетекторов этих экспериментов.

Апробация работы. Результаты и выводы, содержащиеся в диссертации, докладывались на межрегиональных конференциях по физике космических лучей в г.Москве в 2008 г., на международной конференции по физике космических лучей в 2007 (Мерида, Мексика), на международных конференциях по фотодетектированию в 2006г. (Бон, Франция) и 2008г.

(Акс-ле-Бан, Франция), на совещаниях коллаборации GERDA.

Публикации. Сущность и новизна исследований, выполненных по теме данной диссертации, изложены в статьях, опубликованных в журналах Приборы и Техника Эксперимента, Nuclear Instruments and Methods A, в трудах Российских и международных конференций по физике космических лучей. Всего по теме диссертации опубликовано 15 работ из них 7 в реферируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Общее количество страниц составляет 153, рисунков – 119 и таблиц – 1. Список литературы включает 103 наименования.

измерительные стенды для отбора и тестирования фотодетекторов эксперимента по поиску двойного безнейтринного бета-распада GERDA и эксперимента по исследованию первичного космического излучения ТУНКА.

фотодетекторов этих экспериментов. При непосредственном активном участии автора разработан оптический модуль черенковского детектора мюонного вето эксперимента GERDA. Автором также разработаны и созданы калибровочные системы экспериментов GERDA и ТУНКА, основанные на разработанных автором источниках наносекундных световых импульсов на базе светодиодов высокой мощности. Вклад автора был определяющим в разработке и создании всех элементов калибровочных систем экспериментов GERDA и ТУНКА.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении показывается, что элементы фотоники играют огромную роль в современных ядерно-физических, особенно в космомикрофизических экспериментах. Это детекторы и источники фотонов и фотонные среды. По существу формируется новая область экспериментальной науки – ядерная фотоника, объединяющая все элементы фотоники и фотонные методы, использующиеся в ядерно-физических экспериментах. Обсуждается актуальность, научная новизна и практическая ценность диссертационной работы. Приводятся основные положения, которые выносятся на защиту, и сведения о том, как данная диссертация прошла апробацию.

В первой главе дается описание детекторов фотонов черенковского детектора мюонного вето эксперимента GERDA по поиску двойного безнейтринного бета распада ядра Ge. Эксперимент GErmanium Detector Array (GERDA) ведется для поиска двойного безнейтринного -распада ядра Ge. Для достижения низкофоновых условий проводится в подземной лаборатории LNGS в Италии на глубине ~3400 метров водного эквивалента.

Рис. 1. Эскиз эксперимента GERDA. В правой части рисунка, показаны германиевые детекторы эксперимента.

Эскиз экспериментальной установки эксперимента GERDA показан на рис. 1. Несмотря на то, что поток мюонов космических лучей на глубине расположения детектора ослаблен почти в 106 раз по сравнению с потоком на поверхности, мюоны космических лучей вносят существенный вклад в фоновые события. Для эффективного подавления фона, обусловленного мюонами космических лучей, криостат с германиевым детектором окружен водным черенковским детектором мюонного вето. Этот детектор представляет собой бак из нержавеющей стали высотой 9,4 м и диаметром м. Объем, образованный внутренними стенками бака и внешней стенкой криостата, заполнен ультрачистой водой для пассивной защиты от гаммаквантов и нейтронов и активной защиты от мюонов космических лучей.

Общий объем воды в детекторе равен ~650 м3. Черенковский детектор мюонного вето состоит из 66 оптических модулей на базе фотоэлектронных умножителей ET9350KB и ET9354KB с полусферическими фотокатодами диаметром 20 см. Оптические модули устанавливаются на стене и дне водного бака. На рис. 2 показана схема-развертка расположения оптических модулей детектора.

Рис. 2. Схема-развертка расположения оптических модулей в водном баке черенковского детектора мюонного вето эксперимента GERDA.

Фотоэлектронные умножители ET9350KB и ET9354KB производства компании Electron Tubes Enterprises были выбраны для использования в оптических модулях детектора. Для тестирования, отбора и исследования параметров фотоумножителей разработан специализированный измерительный стенд, успешно эксплуатирующийся на протяжении ряда лет в лаборатории университета г.Тюбинген в Германии. Фотоэлектронные умножители ET9350KB и ET9354KB – это фотоумножители с фотокатодом полусферической формы диаметром 20 см. Материал фотокатода – бищелочной K2CsSb, что обеспечивает чувствительность фотоумножителей в области спектра 300-650 нм с максимумом чувствительности при max ~ 360нм. При этом квантовая эффективность в максимуме чувствительности составляет 27-30%. Коэффициент усиления всех фотоумножителей в детекторе устанавливается равным ~ 107. Материал динодов – SbCs3. Эмиттер первого динода дополнительно обрабатывается цезием для увеличения коэффициента вторичной эмиссии. Это позволило увеличить величину до 10 и более. Применение высокоэффективных эмиттеров дает возможность достичь высокого коэффициента усиления при относительно небольших значениях напряжения питания ФЭУ. В силу высокого усиления первого каскада данный ФЭУ характеризуется хорошим однофотоэлектронным откликом. В зарядовом спектре однофотоэлектронных импульсов наблюдается четкий пик. Значения отношения пик/ долина этого спектра для исследованных ФЭУ лежат в пределах P/V=1,6-3,1. Распределение времен пролета фотоэлектронов при однофотоэлектронной засветке фотокатода характеризуется шириной на половине высоты tfwhm=2,1-3,1 нс. Вероятность образования предымпульсов и задержанных импульсов для этих ФЭУ составдяет ~-2% и ~5% соответственно. Скорость счета импульсов темнового тока ФЭУ при рабочем напряжении не превышает 10 кГц при температуре в баке ~18-19 С. Вероятность образования послеимпульсов на один фотоэлектрон меньше 10%. На рис. 3а, б, в и г показаны распределения исследованных ФЭУ по различным параметрам.

Фотография оптического модуля детектора, разработанного на базе ФЭУ ET9350KB и ET9354KB, представлена на рис. 4. Фотоумножители вместе с делителями напряжения питания фиксируются в кожухе из нержавеющей стали. На внутренней конической части кожуха фиксируется конус из специального сплава с высоким значением магнитной проницаемости для экранировки ФЭУ от магнитного поля Земли.

Фотокатод ФЭУ закрыт PET иллюминатором. Оптический модуль залит минеральным маслом и герметизирован.

Рис. 3. Распределения измеренных ФЭУ по различным параметрам: отношению пик/долина (а); разбросу времен пролета фотоэлектронов (б); скорости счета импульсов темнового тока при уровне дискриминации сигналов 0,25 Q1фэ (в); и вероятности появления послеимпульсов на один фотоэлектрон (г).

Рис. 4. Фотография оптического модуля черенковского детектора мюонного вето эксперимента GERDA.

Во второй главе диссертации представлено описание калибровочной системы черенковского детектора мюонного вето эксперимента GERDA.

Калибровочная система детектора состоит из двух частей. В первой части оптические модули детектора засвечиваются через пластиковые оптоволоконные кабели COMAR 01 FS 20 – один кабель для каждого оптического модуля. Оптоволоконные кабели засвечиваются одним источником наносекундных импульсов света, который состоит из ультраяркого светоизлучающего диода (светодиода) и формирователя импульсов запуска светодиода. Для этого источника подобран светодиод с высоким световыходом и в тоже время с быстрой кинетикой свечения без медленной компоненты - светодиод YM-BV5S15N с максимумом излучения max = 470 нм. На рис. 5а показана кинетика свечения этих светодиодов при прохождении наносекундных импульсов тока. Диапазон изменения амплитуды светового сигнала составляет 0108 фотонов в импульсе. При этом длительность светового импульса изменятся в диапазоне 2,03,0 нс.

Рис. 5. Кинетика свечения источников световых импульсов калибровочной системы черенковского детектора мюонного вето эксперимента GERDA: а) – источник света на базе ультраяркого светодиода YM-BV5S15N; б) – источник на основе светодиода высокой мощности LXHL-NB Во второй части калибровочной системы предусматривается засветка одновременно всех ФЭУ детектора через воду от одного источника с помощью пяти оптоволоконных кабелей и сферических диффузных рассеивателей света. Четыре рассеивателя подвешиваются на половине высоты бака и на равном расстоянии друг от друга и от вертикальных стенок бака и криостата. Пятый рассеиватель установлен непосредственно под криостатом. Источник световых импульсов основан на синем светодиоде высокой мощности LXHL-NB98 с формирователем импульсов запуска на базе лавинных транзисторов. Форма светового импульса источника представлена на рис. 5б. Длительность светового импульса и световыход источника составляют tfwhm = 5 нс и ~1011 фотонов соответственно.

Рис. 6. Зависимости амплитуды световых импульсов от длины кабеля для различных длин волн (а) и коэффициента ослабления сигналов от длины волны (б).

Ослабление световых импульсов при прохождении пластиковых оптоволоконных кабелей сильно зависит как от длины кабеля, так и от длины волны света. На рис. 6а представлены зависимости амплитуды световых импульсов от длины кабеля, измеренные для различных длин волн света. На рис. 6б показано как коэффициент поглощения света зависит от длины волны. Минимальное ослабление сигнала достигается в диапазоне длин волн 530-600 нм. Наблюдается довольно резкий рост ослабления сигнала в области длин волн 620-650 нм.

Рис. 7. Эскиз (а) и фотография (б) диффузного рассеивателя света калибровочной системы череноквского детектора мюонного вето эксперимента GERDA.

устанавливаются пять сферических диффузных рассеивателей – диффузных шаров (“diffusing balls”), закрепленных на концах оптоволоконных кабелей.

Диффузные шары представляют собой стеклянные сферы диаметром ~5 см, наполненные светорассеивающей средой. Четыре диффузных шара устанавливаются в середине бака, а пятый под криостатом в “pill-box”. Эскиз и фотография диффузного рассеивателя показаны на рис. 7а и б соответственно. Светорассеивающая среда выполнена на основе стеклянных микросфер S32 (диаметр микросфер – 5 мкм), равномерно распределенных в кремнийорганическом геле. Разработанная технология изготовления таких диффузных рассеивателей света позволяет получить недорогие рассеиватели высокого качества в лабораторных условиях. Уровень изотропности