Фотонный спектрометр PHOS

Спектрометр фотонов PHOS, обеспечивает получение важной информации об излучениях, возникающих при взаимодействии встречных пучков тяжелых ионов высоких энергий. Он позволяет регистрировать, во-первых, прямые фотоны высоких энергий. А во-вторых, ⁰- и -мезоны при больших импульсах (энергия порядка 25 ГэВ), когда разрешение спектрометра для этих частиц становится лучше, чем у трековых детекторов.

Рис. 7. Кристалл PbWO₄.

    Спектрометр представляет собой сложную сегментированную систему с площадью чувствительной поверхности ~18 м² и примерно 36000 измерительных каналов на основе сцинциллирующих кристаллов вольфрамата свинца PbWO₄.
    Для такого рода исследований необходим материал детектора, у которого был бы минимально возможный радиус Мольер и минимальная радиационная длина, чтобы детектор был компактным (для возможности размещения вблизи точки столкновений). Существенное значение имеет радиус Мольер, который определяет поперечный размер электромагнитного ливня. Когда в любой материал попадает фотон высокой энергии, он рождает, как известно, электрон-позитронную пару. Дальше эта пара начинает тормозиться, рождает так называемые тормозные фотоны, и фотоны опять порождают пары – начинается лавинный процесс, электромагнитный ливень. Этот ливень как раз и преобразуется в сцинцилляционных кристаллах во вспышку света. Точнее, электроны и позитроны начинают возбуждать атомы среды, в которую они попали. Если это – не сцинциллятор, то возбуждается черенковское излучение (так, в свинцовых стеклах мы наблюдаем черенковское излучение). В итоге электромагнитный ливень покрывает в детекторе некоторое пространство. А поскольку в процессе столкновения рождается огромное количество частиц, и если это число частиц попадает на ваш кристалл, он просто "засвечивается", и вы ничего не обнаруживаете. Как раз поперечный размер ливня определяется радиусом Мольер, и нужно выбрать материал с минимальным радиусом Мольер. Тогда вы можете поставить детектор максимально близко к событию, в частности в случае ALICE это – 4.5 метра.
    Большая множественность и высокая энергия продуктов реакции предполагают высокую сегментированность спектрометра и использование очень плотной активной среды. Кроме того, детекторы спектрометра фотонов должны работать в магнитных полях, что накладывает специальные требования на выбор приемника сцинтилляционного излучения.
    Наиболее обещающей активной средой для спектрометра PHOS является вольфрамат свинца PbWO₄, это пока единственный материал, удовлетворяющий требованиям, касающимся радиуса Мольер, светового выхода. Световой выход PbWO₄ сильно зависит от температуры, так при охлаждении до температуры минус 250^o С он может быть увеличен в 2.5 раза, причем для достижения необходимой точности измерений температура должна стабилизироваться с точностью 0.10^o С. Поэтому он и был выбран в качастве материала детектора.
    Проектирование и изготовление спектрометра фотонов такого масштаба и сложности требует последовательного решения задач с проверкой принятых конструкторских и технологических решений на прототипах.
    Во время работы спектрометра необходимо производить контроль температурного поля внутри массива кристаллов и иметь систему визуального слежения за его изменением. С этой целью были разработана система многоканального измерения температур.

Общая механическая структура

Единичный канал регистрации

Рис. 8. Единичный канал регистрации.

Детектор PHOS состоит из набора кристаллов PbWO₄размерами 22х22х180 мм, ориентированными торцами 22х22 мм к потоку регистрируемого излучения. Ливни, возникающие в кристаллах под действием фотонов высоких энергий, преобразуются в сцинтилляционное световое излучение, регистрируемое PIN-диодом (здесь и далее по тексту под понятием PIN-диод подразумевается конструкция, состоящая из фотодетектора, приклеиваемого к торцу кристалла оптически прозрачным клеем, и предусилителя в общем корпусе). Для исключения перерассеивания света между кристаллами они светоизолируются бумагой.

Таким образом, кристалл PbWO₄в сборе с PIN-диодом, обернутый бумагой, составляет единичный канал регистрации, на базе которого создается детектор PHOS. Поэтому конструкция детектора и основных его узлов, прежде всего, обусловлена условиями работы единичного канала регистрации. Необходимая точность измерений достигается при условии, что температура всего массива кристаллов поддерживается равной минус 25° С. При этом необходимо поддерживать стабильность температуры во времени с точностью ±0.1°С. Следовательно, единичные каналы регистрации должны быть размещены в термоизолированном корпусе и необходимо предусмотреть в конструкции детектора систему охлаждения, обеспечивающую отвод тепла от токопроводящих элементов и поддержание заданной температуры с необходимой точностью.
Для обеспечения требуемого энергетического разрешения детектора зазоры между соседними кристаллами должны быть минимальными. Выполненные предварительные проработки показывают, что с учетом обертки и элементов крепления, можно обеспечить шаг между кристаллами 22.6 мм.
В качестве основной сборочной единицы, из которых собирается детектор, выбрана линейка из 8 единичных каналов регистрации, расположенных в 1 ряд – матрица 1х8 кристаллов.

Супермодуль

Детектор PHOS состоит из пяти отдельных независимых друг от друга супермодулей. Супермодуль представляет собой термоизолированный корпус (термостат), внутри которого расположен массив кристаллов (104х88), собираемый из линеек (11 рядов по 104 линейки в ряду). Разбиение PHOS на пять супермодулей, а также размеры матрицы обусловлены допущенным углом падения частиц на торец кристалла (не более ±13°). При этом в пределах одного супермодуля торцы кристаллов лежат в одной плоскости. Кроме этого, при выборе габаритов одного супермодуля (2350х1988,8 мм по кристаллам, при общей массе кристаллов около 6,5 т) принималось во внимание удобство работы с такой сборочной единицей.

Общая компоновка

    Детектор PHOS состоит пяти супермодулей, расположенных по дуге окружности радиусом 4.6 м в пределах угла ±53°. Дуга окружности является касательной к поверхности кристаллов в центре каждого супермодуля, центр окружности совпадает с точкой взаимодействия встречных пучков.
    Супермодуль устанавливается в рабочее положение на общей раме, с возможностью ориентации плоскости торцов кристаллов относительно центра взаимодействия. Рама опирается на рельсы, которые закреплены на корпус магнита L3. Перемещение всего детектора на рабочую позицию и удаление его производится путем перемещения рамы по рельсам при открытой двери магнита L3. При расположении детектора на рабочей позиции количество операций по его обслуживанию, требующих непосредственный доступ к его узлам, должно быть минимальным.
    В 2004 г. были завершены тестовые испытания прототипов спектрометра, которые подтвердили работоспособность технических решений, заложенных в конструкцию спектрометра и достижимость требуемых параметров детектора по энергетическому и временному разрешению.
    В настоящий момент разработка проекта спектрометра в основном завершена. Ведется изготовление элементов спектрометра, их сборка, тестирование, калибровка и монтаж в ЦЕРН

Рис. 9. Фотонный спектрометр PHOS.

Рис. 10.Опытный полномасштабный модуль и рама спектрометра PHOS на сборке в CERN.

Вклад России в физику фотонов

    Вклад России в фундаментальные исследования в области ядерной физики за последнее десятилетие весьма большой, так как отечественные физики принимали участия во всех значительных экспериментах и исследованиях. Курчатовский институт участвовал в исследованиях, связанных с кварк-глюонной плазмой с самого начала исследований, и с самого начала выбрал для себя физику фотонов. Сначала был построен большой электромагнитный спектрометр, в котором было 10000 детекторов на базе свинцовых стекол. Спектрометр сначала был установлен на SPS (ЦЕРН). В 1997 году он переехал на RHIC и сейчас вошел в состав эксперимента PHENIX в BNL. Это до сих пор – один из самых больших спектрометров в мире. С его помощью был получен фундаментальный результат – измерен спектр прямых фотонов (опубликован в Phys. Rev. Lett. в 2000 г., это первый и пока единственный в мире результат). Дело в том, что обнаружение прямых фотонов – очень трудная задача. У них небольшие и сечение возникновения (в результате их рождается очень мало), и сечение взаимодействия. Но в процессе столкновения рождается много адронов, ⁰-мезонов. Последние, распадаясь, дают два фотона, что создает огромный неустранимый физический фон при регистрации прямых фотонов. Российский спектрометр, благодаря высокой чувствительности, зарегистрировал именно трудно уловимые прямые фотоны.
    Проект ALICE/PHOS (и создание оборудования, и планирование будущих экспериментов) идет под руководством российских физиков. Кристаллы PbWO₄ для электромагнитного спектрометра PHOS – главный вклад России в эксперимент ALICE. Решающую роль в его обеспечении играет МинАтом, который вносит определяющий финансовый вклад. Значительные средства предоставляют также Минпронауки и Курчатовский центр. После контроля всех кристаллов в Курчатовском аттестационном центре они отправляются в ЦЕРН, где также работает наша группа физиков, занятых контролем кристаллов непосредственно на пучках и сборкой детектора.
    Свет от сцинциллятора регистрируется лавинными полупроводниковыми фотодиодами, которые предоставляются японскими участниками проекта. В проекте участвуют учёные ещё 7 стран, но основа детектора – кристаллы вольфрамата свинца создаются в России, и весь проект идёт под руководством российских учёных.
    На сегодня фотонный спектрометр PHOS – единственный крупный физический проект, идущий под руководством российских физиков.