Егор Алимов 

Super High Momentum Spectrometer (SHMS) на электронном ускорителе непрерывного действия CEBAF (Continuous Electron Beam Accelerator Facility), Jefferson Lab, Вирджиния, США

Введение

    Проектные параметры электронного ускорителя CEBAF, созданного по схеме разрезного микротрона непрерывного действия, были определены почти два десятилетия назад и составляли: максимальная энергия электронного пучка 4 ГэВ, максимальный средний ток пучка 100 мкА. Пучок с такими параметрами интенсивно использовался для экспериментальных исследований процессов сильного взаимодействия. Однако, с тех пор как экспериментальное, так и теоретическое понимание природы сильных взаимодействий значительно продвинулось вперед, потребовав проведения новых экспериментов при более высоких энергиях на электронных ускорителях типа CEBAF. Первоначальный дизайн ускорителя, основанный на бурном развитии технологии сверхпроводящих ускоряющих СВЧ структур, был выполнен с учетом необходимости ступенчатого увеличения энергии электронного пучка с развитием научных представлений о природе внутриядерных взаимодействий. Подобный дальновидный дизайн ускорителя в настоящее время позволяет утроить энергию электронного пучка CEBAF до 12 ГэВ с умеренными финансовыми затратами (~15% от стоимости первоначального ускорителя). Увеличение энергии пучка до 12 ГэВ требует, соответственно, модернизации спектрометрической и детектирующей аппаратуры во всех экспериментальных залах CEBAF (Hall A, Hall B, Hall C, Hall D) для обеспечения регистрации продуктов реакций с моментами (импульсами) до ~11 ГэВ/c. В настоящем реферате описывается модернизация спектрометров в экспериментальном зале Hall C, связанная с созданием магнитного спектрометра Super High Momentum Spectrometer (SHMS).
    Проектируемый спектрометр SHMS должен обеспечивать детектирование заряженных частиц с моментами от 2.5 ГэВ/с до максимального значения 11 ГэВ/с, приближающегося к максимальной энергии электронного пучка. Вместе с существующим спектрометром High Momentum Spectrometer (HMS), экспериментальный зал Hall C будет обладать уникальными спектроскопическими возможностями для исследования эксклюзивных реакций с максимальным переданным моментом, Q² ~ 15 (ГэВ/с)², и относительно высокой светимостью. После модернизации на этом спектрометре будет возможно в полном объеме изучать эксклюзивные реакции в критической области, где электророжденные адроны уносят большую часть переданной энергии.
При столь высоких энергиях пучка вторичные частицы концентрируются в передней полусфере. В связи с этим SHMS проектируется для детектирования частиц под углами от 5.50 до 250 относительно оси пучка. Телесный угол SHMS относительно мишени будет составлять ~ 4 мстер с угловым разрешением ~ 2 мрад, максимальный момент (импульс) регистрируемых частиц ~ 11 ГэВ/с с разрешением < 0.2%. Существующий спектрометр HMS будет хорошим дополнением к SHMS, обеспечивая телесный угол относительно мишени ~ 10 мстер, угловой диапазон от 10.50 до 900 и максимальный момент (импульс) регистрируемых частиц ~ 7.3 ГэВ/с.
Оба магнитных спектрометра (HMS и SHMS) будут жестко закреплены на одной оси, что позволит обеспечить быстрые, удаленные и воспроизводимые угловые перемещения спектрометров, тем самым повысить точность измерений, включая разделение и идентификацию частиц. Светимость (спектральная светочувствительность) спектрометра SHMS будет составлять величину ~ 1039 электрон-атом/с/см2.
Высокий аксептанс по моменту частиц в совокупности с высокой светимостью сделают возможным измерения на новом экспериментальном оборудовании очень малых сечений реакций, что позволит создать полную карту откликов нуклонов в процессах от упругого до глубоко неупругого рассеяния. Подобные измерения внесут существенный вклад в изучение процессов в переходной области от адронных к кварк-глюонным степеням свободы. В результате экспериментов будут точно определены минимальные значения моментов кварковых распределений для Q2 ≤ 10 (ГэВ/с)2, зависящих как от спина, так и от аромата, что обеспечит прямую связь экспериментальных данных с расчетами в рамках КХД.
Среди прочих многочисленных экспериментов, на новом оборудовании в Hall C планируется проведение следующих экспериментов:

• измерения форм факторов заряженных пионов до значений переданных импульсов
  Q² ~ 6 (ГэВ/с)²;
• глубокое эксклюзивное электророждение пионов и каонов до Q² ~ 10 (ГэВ/с)², включая прецизионное продольное и поперечное разделение частиц и измерения в зависимости от спина;
• измерения упругих и переходных форм факторов нуклонов до значений Q² ~ 18 (ГэВ/с)²;
• изучение глубоко неупругого рассеяния с нарушением четности с целью поиска расширений Стандартной Модели.

Устройство Super High Momentum Spectrometer (SHMS) и детектирующей аппаратуры

1. Магнитная система спектрометра SHMS

Рис. 1. Первоначальный дизайн (конец 2002 г.) спектрометра SHMS по схеме QQ(QD) вместе с существующим спектрометром HMS по схеме QQQD

    Спектрометр SHMS представляет собой сверхпроводящий спектрометр для регистрации продуктов ядерных реакций с импульсами до 11 ГэВ/с. Согласно первоначальному дизайну (конец 2002 г.), показанному на Рис. 1 на общей оси с существующим спектрометром HMS, магнитная фокусирующая система спектрометра SHMS состоит из двух аналогичных сверхпроводящих квадруполей Q1 и Q2 и комбинированного квадрупольно-дипольного магнита QD. Квадрупольные магниты Q1, Q2 и квадрупольная часть Q комбинированного магнита QD образуют фокусирующий квадрупольный триплет по схеме FDF (Focusing-Defocusing-Focusing) с фокусным расстоянием ~18 м. Продольные размеры Q1 и Q2 составляют 2.4 м, апертура 40 см, градиент поля 8.6 Т/м. Продольные размеры комбинированного квадрупольно-дипольного магнита QD составляют 5 м, апертура 30 см, квадрупольный градиент 3 Т/м, дипольное поле 4 Т. За счет однородного дипольного поля магнита D и разброса частиц пучка по энергиям обеспечивается пространственное разделение частиц, вылетающих из мишени, по энергии.
Преимуществами данной схемы реализации магнитных спектрометров SHMS и HMS являются жесткая привязка спектрометров к общей оси вращения, прецизионная система взаимного перемещения спектрометров, высокий вакуум, простой оптический дизайн, надежная защита детекторов, позволяющая измерять малые значения сечений различных процессов. Однако, в результате последующего анализа был выявлен ряд недостатков предложенной схемы магнитных спектрометров. К ним, прежде всего, относятся:

1) ограниченный телесный угол регистрации продуктов реакций (2 – 4 мстер);
2) Большие силы, возникающие в комбинированном квадрупольно-дипольном магните QD;
3) Сложная конструкция подвижного контакта между спектрометрами для замены между настройками системы.

    Новый дизайн спектрометра SHMS, предложенный в 2006 г., не имеет перечисленных выше недостатков, и в настоящий момент является предпочтительным. Спектрометр SHMS/HMS, схематически показанный на Рис. 2., разработан по классической схеме магнитного спектрометра QQQD – фокусирующий квадрупольный триплет плюс анализирующий дипольный магнит. Для увеличения телесного угла SHMS до 3.8 – 5.2 мстер добавлен горизонтальный предварительный группирователь, и для упрощения профилактических работ удален подвижной контакт между SHMS и HMS.
    Общий вид взаимной вращательной геометрии между SHMS и HMS схематически показан на Рис. 3.

Рис. 2. Общий вид спектрометров SHMS/HMS (2006 г.)

Рис. 3. Взаимная вращательная геометрия между SHMS и HMS

    Основные параметры магнитной системы спектрометра SHMS по состоянию на май 2006 г. приведены в табл.1.

Таблица 1. Основные параметры магнитной системы спектрометра SHMS

2. Детектирующая система спектрометра SHMS

Рис. 4. Общий вид детектирующей системы спектрометра SHMS

Рис. 5. Элементы детектирующей системы спектрометра SHMS

    Общий вид детектирующей системы спектрометра SHMS показан на Рис. 4. Детектирующая система включает в себя следующие элементы (см. Рис. 5):

• AGC – Черенковский счётчик со смесью аргона и неона в качестве радиатора.
• DC1, DC2 – Дрейфовые камеры.
• S1X/S1Y, S2X/S2Y – Годоскопы счетчиков.
• HGC – Черенковский счётчик с тяжелым газом (C4F10) в качестве радиатора.
• A1 – Черенковский счётчик с аэрогелем в качестве радиатора.
• TRD – Детектор переходного излучения.
• LGC – Черенковский счётчик полного поглощения (калориметр) на свинцовом стекле.

    Черенковский счётчик, прибор для регистрации заряженных частиц и γ-квантов, в котором используется излучение Черенкова-Вавилова. Если заряженная частица движется в среде со скоростью v, превышающей фазовую скорость света для данной среды (c/n, n — показатель преломления среды, с — скорость света в вакууме), то частица испускает черенковское излучение. Последнее происходит в определённом направлении, причём угол θ между направлением излучения и траекторией частицы связан с v и n соотношением:

cos θ = c/v·n = 1/β·n (β = v/c). (1)

В отличие от сцинтилляционного счётчика, где регистрируются частицы с любой скоростью, а излучение изотропно и запаздывает во времени, в черенковском счетчике свет излучается только частицами, скорости которых v ≥ c/n (β ≥ 1/n), причём излучение происходит одновременно с их прохождением и под углом θ к траектории частицы. С ростом скорости частицы (надпороговой) растут угол θ и интенсивность излучения. Для предельных скоростей, близких к скорости света [(1 - β) << 1], угол θ достигнет предельного значения:

θ макс = arccos (1/n). (2)

Количество света, излучаемое в черенковском счетчике, как правило, составляет несколько % от светового сигнала сцинтилляционного счётчика.
Основные элементы черенковского счетчика: радиатор (вещество, в котором v > с/n), оптическая система, фокусирующая свет, и один или несколько фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), преобразующих световой сигнал в электрический. Радиаторы изготавливают из твёрдых, жидких и газообразных веществ. Они должны быть прозрачны к черенковскому излучению и иметь низкий уровень сцинтилляций, создающих фоновые сигналы. Стандартные материалы радиаторов: органическое стекло (n = 1.5), свинцовое стекло (n = 1.5), вода (n = 1.33).
    Черенковские счетчики получили широкое применение в экспериментах на ускорителях заряженных частиц, т.к. они позволяют выделять частицы, скорость которых заключена в определённом интервале. С ростом энергии ускорителей и, следовательно, с ростом энергии частиц особенно широкое применение получили газовые Ч. с., обладающие способностью выделять частицы ультрарелятивистских энергий, для которых (1 -  β) << 1. Угол излучения θ в газе очень мал, мала и интенсивность излучения на единицу пути. Чтобы получить вспышку света, достаточную для регистрации, приходится увеличивать длину газовых черенковских счетчиков до нескольких метров и более. В газовых черенковских счетчиках можно плавно менять показатель преломления, изменяя давление рабочего газа.
    Существует 3 типа черенковских счетчиков: пороговые, дифференциальные и счётчики полного поглощения. Основными характеристиками первых 2 типов черенковских счетчиков являются эффективность регистрации и разрешающая способность по скорости частиц, т. е. способность счётчика разделять две частицы, двигающиеся с близкими скоростями.
    Пороговый черенковский счетчик должен регистрировать все частицы со скоростями, большими некоторой (пороговой), поэтому оптическая система такого черенковского счетчика (комбинация линз и зеркал) должна собрать, по возможности, весь излученный свет на катод ФЭУ.
Дифференциальные черенковские счетчики регистрируют частицы, движущиеся в некотором интервале скоростей от v₁ до v₂. В традиционных дифференциальных черенковских счетчиках это достигается выделением оптической системой света, излучаемого в интервале соответствующих углов от θ₁ до θ₂.
    Черенковские счетчики полного поглощения предназначены для регистрации и спектрометрии электронов и γ-квантов. В отличие от рассмотренных черенковских счетчиков, где частица теряла в радиаторе ничтожно малую долю энергии, черенковский счетчик полного поглощения содержит блок радиаторов большой толщины, в котором частица образует электронно-фотонную лавину и теряет всю или большую часть своей энергии. Как правило, радиаторы в этом случае изготавливают из стекла с большим содержанием свинца. В радиаторе из такого стекла, например толщиной 40 см, может практически полностью тормозиться электрон с энергией до 10 Гэв. Количество света, излучаемого в черенковском счетчике полного поглощения, пропорционально энергии первичной частицы. Разрешающая способность ΔE/E (по энергии) зависит от энергии и для черенковского счетчика полного поглощения спектрометра SHMS выражается формулой:

ΔE/E(%) = 6.1/E^1/2(ГэВ) + 0.3 (3)

Рис. 6. Зависимость скорости адронов 1 - β от момента. Горизонтальными линиями показаны пороги регистрации для черенковских счетчиков с различными веществами в качестве радиаторов

    В спектрометре SHMS используются следующие материалы радиаторов для черенковских счетчиков:

• смесь неона (Ne: n – 1 = 67·10^-6) и аргона (Ar: n – 1 = 283·10^-6) при атмосферном давлении – пороговый счетчик;
• тяжелый газ (C₄F_10: n = 1.00143 при нормальном атмосферном давлении, диапазон изменения давления газа 0.4 ÷ 0.95 атм) – пороговый счетчик;
• аэрогели (n = 1.015, n = 1.02) – пороговый счетчик;
• свинцовое стекло (n = 1.65) – счетчик полного поглощения/калориметр.

На рис. 6 показана зависимость скорости адронов 1 - β от момента. Горизонтальными линиями показаны пороги регистрации для черенковских счетчиков с различными веществами в качестве радиаторов.

    Дрейфовая камера является координатным детектором. Это проволочный газонаполненный ионизационный детектор, в котором координата частицы определяется по времени дрейфа электронов в газе от места ионизации (пролёта частицы) до сигнальных анодных проволочек. Расстояние между проволочками обычно несколько сантиметров. В дрейфовой камере создаётся однородное электрическое поле. Оно включается по стартовым сигналам внешних детекторов (чаще всего сцинтилляционных счётчиков), фиксирующих пролёт частицы через камеру. Далее появившиеся в объёме камеры свободные электроны дрейфуют в однородном и постоянном поле к ближайшим проволочкам. Напряжённость поля в дрейфовом промежутке 1 кВ/см. В непосредственной близости от анодных проволочек происходит образование лавин (газовое усиление достигает 10⁶) и по времени задержки прихода лавин на анодные проволочки относительно стартового сигнала определяются координаты частицы. Пространственное разрешение дрейфовых камер SHMS порядка 180 мкм, временнoе – менее 1 мкс.
    Дрейфовые камеры могут быть плоскими, цилиндрическими и сферическими, Плоские дрейфовые камеры больших размеров используются в экспериментах на ускорителях высоких энергий, в частности, в детекторе SHMS.
    S1X-S1Y, S2X-S2Y – годоскопы счетчиков. Годоскоп счетчиков – система включенных по схеме совпадений и антисовпадений детекторов частиц, расположение и размеры которых определяют направление движения частиц, их координаты и телесный угол, в котором они регистрируются, С использованием годоскопов реализуется идентификация частиц на основе времяпролетной методики. Годоскопы счетчиков используют для пространственно-временной селекции элементарных частиц, для выделения отдельных актов рассеяния, распада и взаимодействия частиц высокой энергии. В сцинтилляционных и черенковских годоскопах размеры отдельных детектирующих ячеек составляют несколько см². Соединение годоскопов в линию со специализированным процессором позволяет производить быстрый координатный и энергетический анализ событий и формировать триггер высокого уровня для запуска дрейфовых камер и других типов детекторов частиц. Параметры элементов годоскопа детектора SHMD приведены в табл. 2

Таблица 2. Параметры элементов годоскопа детектора SHMS

С одним ФЭУ на каждом конце сцинтиллятора или черенковского счетчика, полное число детектируемых каналов годоскопа SHMS будет 64.
    Детектор переходного излучения. Целью использования детектора переходного излучения является разделение электронов и пионов. Это возможно, поскольку ультра релятивистские заряженные частицы излучают в рентгеновском диапазоне при пересечении границы диэлектрика. Детекторы переходного излучения обычно состоят из нескольких собранных вместе идентичных модулей, каждый из которых включает радиатор и рентгеновский детектор (проволочная пропорциональная камера). Каждый радиатор выполнен из нескольких слоев диэлектрика с низким значением Z для увеличения выхода переходного излучения. Детекторы переходного излучения, как правило, имеют порог срабатывания γ = 1000, поэтому только электроны будут генерировать переходное излучение в диапазоне моментов SHMS. В общем случае, идентификация частицы реализуется измерением полной энергии, поглощенной в детекторе. Детектор переходного излучения SHMS будет расположен (см. Рис. 5) между черенковским счетчиком на тяжелом газе и вторым годоскопом и будет иметь длину 60 см. В качестве элементов радиатора будет использована литиевая фольга толщиной 17 мкм и со средним расстоянием между элементами 200 мкм. Такая конфигурация соответствует примерно 230 элементам литиевой фольги на один радиатор. В качестве рентгеновских детекторов будут использованы дрейфовые пропорциональные камеры, заполненные ксеноном. Поскольку ксенон достаточно дорог, будет обеспечена рециркуляция газа и его промежуточная фильтрация. Как минимум шесть радиаторных модулей будет использовано в детекторе переходного излучения общей длиной порядка 60 см.

3. Стратегия идентификации частиц

    На спектрометре SHMS будет использован целый ряд методов для идентификации частиц во всем диапазоне моментов.
    Идентификация электронов будет проводиться, используя измерения энергии, поглощенной в электромагнитном калориметре, а также по измерениям детектора переходного излучения. Поскольку электроны будут также излучать в черенковских счетчиках, эти счетчики дадут вклад в регистрацию электронов.
    Для идентификации адронов предполагается использовать следующую стратегию:
    От ~1 до ~3 ГэВ/с: разделение каонов и пионов может быть достигнуто правильным выбором одного черенковского счетчика с аэрогелем в качестве радиатора (см. рис. 6). Времяпролетная методика на длине 2.2 м с разрешением 200 пс позволит разделять протоны и каоны до моментов 2 ГэВ/с. На верхней границе этого диапазона идентификация протонов может быть улучшена с использованием дополнительного аэрогельного счетчика с n = 1.02.
    От ~3 до ~5.5 ГэВ/с: Пионы будут запускать (служить триггером) черенковский счетчик с тяжелым газом C₄F₁₀ в качестве радиатора. Давление газа C₄F₁₀ будет подобрано таким образом, что каоны излучать не будут. При этом каоны будут служить триггером для аэрогельного черенковского счетчика с n = 1.015.
    От ~5.5 до ~11ГэВ/с: Пионы будут служить триггером для Черенковского счетчика с тяжелым газом C₄F₁₀ в качестве радиатора. Черенковский счетчик на смеси Ar-Ne будет давать пионную метку или дополнительную электронную метку.
    Таким образом, правильный выбор детекторов и техники детектирования позволит проводить идентификацию частиц на спектрометре SHMS во всем диапазоне моментов.

4. Результирующая расчетная геометрия спектрометра SHMS и детектирующей аппаратуры

1. 1. Горизонтальный отклоняющий магнит.
   - отклоняющий угол 30,
   - фронт магнита 1.46 м (от мишени),
   - центр магнита 1.76 м.
2. Квадрупольный магнит Q1.
   - апертура (радиус) 20 см,
   - макс. градиент поля 8.9 Т/м,
   - оптический фронт 2.79 м,
   - оптическая длина 2.14 м (центр на расстоянии 4.14 м от мишени).
3. Квадрупольный магнит Q2.
   - апертура (радиус) 30 см,
   - макс. градиент поля 12.7 Т/м,
   - оптический фронт 5.88 м,
   - оптическая длина 1.84 м (центр на расстоянии 6.8 м от мишени).
   3. Квадрупольный магнит Q3.
   - апертура (радиус) 30 см,
   - макс. градиент поля 12.7 Т/м,
   - оптический фронт 8.34 м,
   - оптическая длина 1.84 м (центр на расстоянии 9.45 м от мишени).
4. Дипольный магнит D.
   - апертура (радиус) 30 см,
   - макс. поле 4.5 Т,
   - оптический фронт 11.45 м,
   - оптическая длина 3.0 м (центр на расстоянии 12.95 м от мишени).
5. Фокальная плоскость.
   - на расстоянии 18.1 м от мишени.
6. Черенковский счетчик на Ar-Ne.
   - от 15 м до 17.5 м.
7. Первая камера дрейфа.
   - центр на расстоянии 17.7 м от мишени.
8. Вторая камера дрейфа.
   - центр на расстоянии 18.5 м от мишени.
9. Первый годоскоп.
   - центр на расстоянии 18.65 м от мишени.
10. Блок детекторов (Черенковский счетчик на тяжелом газе C4F10, аэрогельный
    Черенковский счетчик, Детектор пеходного излучения).
    - от 18.8 м до 20.6 м.
11. Черенковский калориметр на свинцовом стекле.
    - от 20.9 м до 21.7 м.
12. Бетонная защита.
    - толщина 1 м,
    - расстояние от мишени 22.7 м.

Литература

1. Conceptual Design Report, Hall-C 12 GeV/c Upgrade, Hall-C Collaboration, November 27, 2002, 115 p.
2. Kees de Jager, Research Perspectives at Jefferson Lab: 12 GeV and beyond, Eur. Phys. A (2004) 19, s01, pp. 243-247.
3. JLab Meeting Presentations, May 12, 2006.
4. http://www.jlab.org/Hall-C/upgrade/
5. http://www.cultinfo.ru/fulltext/1/001/008/121/863.htm