ГЛАВА 7

Общая схема современного фотоядерного эксперимента по изучению структуры нуклонов.
Роль основных компонентов

    Рассмотрим схему современного фотоядерного эксперимента на примере установки ГРААЛЬ (GRAAL – Grenoble Accelerateur Anneau Laser) . На этой установке, начиная с 1990 года ведется систематическое изучение фоторождения мезонов и спектроскопия возбужденных состояний нуклона в области энергий гамма – квантов до 1500 МэВ на накопителе электронов ESRF (Гренобль, Франция). В этой области стало возможным исследование фоторождения странных частиц, векторных мезонов, что представляет интерес с точки зрения нуклонных и мезонных степеней свободы.

Рис. 7.1. Основные элементы установки GRAAL: 1 – область взаимодействия лазерных фотонов с электронами накопителя, 2 – система мечения, 3 – лазерный хатч, 4 – система формирования и очистки гамма – пучка, 5 – широкоапертурный детектор нейтральных и заряженных частиц , 6 – мишень, 7 - пропорциональные камеры, 8 - двойная стена из пластиковых сцинтилляторов, 9 – электромагнитный калориметр, 10 – мониторы пучка, 11 – спектрометр полного поглощения.

     Несмотря на довольно большое количество самых разнообразных устройств, используемых при проведении эксперимента, их можно классифицировать как состоящие из элементов. Каждый элемент связан с отдельным информационным каналом, по которому в виде аналогового сигнала выдается информация об его амплитуде, времени срабатывания и т.д. Общее число информационных каналов на установке GRAAL составляет несколько тысяч, а в более крупных экспериментах может достигать миллионов. Однако, схема их компьютерной обработки оказывается достаточно однотипной (см.рис.7. 2).

Рис. 7.2. Блок – схема системы сбора и обработки данных установки GRAAL

    Каждый информационный канал содержит, как правило, предусилитель, кабельную линию связи, усилитель, дискриминатор, формирователь. После формирователя аналоговый сигнал становится логическим и поступает в аналого-цифровой преобразователь типа АЦП или ВЦП. По каждому информационному каналу сигналы со всех элементов детектора поступают в крейт VME, откуда с помощью процессора цифровой сигнал передается в компьютер и записывается в память для дальнейшей обработки. Для работы с большим количеством данных необходим достаточно мощный компьютер (SUN-station) и большие объемы памяти. Кроме этого, в работу включен персональный компьютер, который с помощью программы LABVIEW управляет экспериментальными устройствами (лазер, источники питания детекторов и др.). Рассмотрим теперь отдельные части экспериментальной установки более детально.

7.1. Гамма – пучок

Рис.7.3. Энергетический спектр (вверху слева) и степень поляризации(справа) комптоновского гамма-пучка, формируемые с помощью коллиматора. Заштрихованная область означает ту часть спектра, которая вырезается коллиматором.

    Как видно из рис.7.3 гамма пучок получается в процессе обратного комптоновского рассеянии лазерных фотонов на электронах накопителя. Оптимальный энергетический спектр и степень поляризации комптоновского пучка, падающего на мишень, формируются с помощью коллиматоров. При этом используется зависимость энергии комптоновского излучения и степени поляризации от угла рассеяния, о которой говорилось выше.
    Для монохроматизации пучка с высоким энергетическим разрешением в эксперименте используется метод мечения фотонов по энергии. Электрон, испытавший излучение фотона в процессе комптоновского рассеяния, отклоняется внутрь кольца магнитом, как показано на рис. 7.1. По величине отклонения от орбиты, определяемой потерей энергии и величиной магнитного поля, легко рассчитать энергию излученного фотона:

где E_e и E_e'  − начальная и конечная энергия электрона, соответственно. Для реализации метода, очевидно, необходима быстродействующая система совпадений, которая позволит регистрировать продукты реакции на совпадение с рассеянными электронами.

Рис. 7.4. Система мечения фотонов по энергии. 1 – вакуумный бокс, 2 – микростриповый кремниевый детектор, 3,4 – пластиковые счетчики. Расстояние от пучка до ближайшей, параллельной ему стенки - 1 см.

Рис. 7.5. Схема твердотельной поляризованной мишени из водорода и дейтерия. Для 5 см HD ее толщина составляет 720 mг/см2.  Входное окно из каптона и майлара имеет толщину 50микрон. Рабочая температура – 0.5 К. Магнитное поле – 1 Тесла, время релаксации – 10 дней и 1 месяц для водорода и дейтерия, соответственно.

    Система мечения фотонов по энергии на установке GRAAL представляет из себя детектор из слоев пластика и кремниевого микрострипового детектора (см. рис. 7.4). Ее край находится в непосредственной близости от пучка электронов, циркулирующего в накопителе. Поэтому на время инжекции, когда пучок еще не установился в окончательное положение, ее приходится отодвигать от пучка. В рабочем положении расстояние от стенки до пучка составляет 1 см, что соответствует энергии фотонов (нижняя граница спектра) 500 и 800 МэВ для зеленой и ультрафиолетовой линии лазера, соответственно.
    Для измерения интенсивности гамма-пучка, его положения и спектра дополнительно используется ряд мониторов (см.рис.7.1). Спектрометр полного поглощения (“спагетти” представляет собой трубку (стакан) из волоконных сцинтилляторов, между которыми залит свинец. На задней стороне этого стакана установлены 4 фотоумножителя, которые позволяют измерять центр тяжести (ось) пучка и полную загрузку. Для измерений дозы пучка, прошедшего через мишень, дополнительно используются два тонких (5 мм) пластиковых счетчика, которые калибруются при малых загрузках пучка. Эффективность таких счетчиков не превышает 1%, но в них практически отсутствуют наложения из-за малой загрузки.

7.2. Мишень

    В настоящее время активно совершенствуются методы изготовления поляризованных мишеней. На установке GRAAL пока используются мишени из жидкого водорода и дейтерия, но поляризованные мишени уже прошли апробацию на разных установках, и вопрос их широкого применения уже назрел.

7.3. Детектор

    На установке ГРААЛЬ используется детектор частиц с телесным углом, близким к 4π и детектор направления “вперед” (см.рис.7.6). Основная часть детектора представляет собой шар из 480 кристаллов BGO толщиной в 21 радиационную длину, который обеспечивает энергетическое разрешение
0.0244 E^-0.47 (ГэВ). Для разделения нейтральных и заряженных частиц между BGO и мишенью помещен пластиковый ΔЕ детектор, состоящий из 32 полос пластика толщиной 5 мм, а также две цилиндрические пропорциональные камеры, позволяющие находить вершину взаимодействия гамма квантов с мишенью. В переднем направлении (при углах рассеяния менее 25⁰) регистрация частиц производится с помощью плоских пропорциональных камер, двух стен из пластиковых сцинтилляторов площадью 9 м² и электромагнитного калориметра из слоев пластика и свинца . Задние углы (более 155⁰ ) перекрывает диск из двух сегментов пластика и свинца. Таким образом, обеспечивается регистрация частиц в полном телесном угле.

Рис. 7.6. Детектор LAGRANGE установки GRAAL. 1 – пучок, 2- мишень, 3 – BGO – bal, l,  4 – цилиндрические  пропорциональные камеры, 5 – пластиковые сцинтилляторы, 6 – двойная стена из пластиковых счетчиков, 7 – плоские пропорциональные камеры, 8 – ливневый калориметр

Дополнительная литература:

1. C. Schaerf. Polarized gamma-ray beams. Phys.Today 58:44-50,2005.

_24.04.2014