Разработка детектора черенковских колец на основе фокусирующего

аэрогеля

А.Ю.Барняков, М.Ю.Барняков, И.Ю.Басок, В.Е.Блинов, В.С.Бобровников, А.А.Бороденко, А.Р.Бузыкаев, В.В.Гулевич,

С.А.Кононов, Е.А.Кравченко, И.А.Куянов, А.П.Онучин, И.В.Овтин, А.А.Талышев

Институт ядерной физики СО РАН им. Г.И.Будкера

А.Ф.ДанилюкИнститут катализа СО РАН им. Г.К.Борескова

С.А. КононовИЯФ СО РАН

Сессия ЯФ ОФН РАН, 21-25 ноября 2011 г.

С.А. Кононов, ИЯФ СО РАН 2

Что такое аэрогель?

23.11.2011

•Аэрогель – пористый диоксид кремния (SiO2) с показателем преломления в промежутке между газами, с одной стороны, и твердыми и жидкими веществами, с другой•Основные производители для ФВЭ: ИК СО РАН (Новосибирск) и Matsushita (Япония)•Показатель преломления выбирается в процессе синтеза

n=1.008 ÷ 1.08 (ИК СО РАН)•Важный параметр для RICH – длина рассеяния света

Lsc ≈ 5 см на 400нм

•Размер блоков аэрогелядо 200x200x50мм (ИК СО РАН)

Блок для LHCb

Концепция ФАРИЧ(FARICH – Focusing Aerogel RICH)

Одно кольцо Раздельные кольца

Повышение точности измерения черенковского угла по сравнению с одним слоем достигается за счет уменьшения вклада толщины в ошибку.

23.11.2011 С.А. Кононов, ИЯФ СО РАН 3T.Iijima et al., NIM A548 (2005) 383A.Yu.Barnyakov et al., NIM A553 (2005) 70

С.А. Кононов, ИЯФ СО РАН 4

Для чего нужен ФАРИЧForward PID для SuperBФ/аэрогель+NaF, Photonis MCP PMTsПревосходное π/K разделениеПроект закрыт

Forward Spectrometer RICH для PANDAФ/аэрогель, Hamamatsu H8500 PMTπ/K/p до 10 ГэВ/с

ФАРИЧ для модернизации ALICEАэрогель, SiPMsπ/K до 10 ГэВ/с, K/p до 15 ГэВ/с

23.11.2011

С.А. Кононов, ИЯФ СО РАН 5

Проект ФАРИЧ для Супер-c-τ-фабрики

Радиатор: фокусирующий 4-х слойный аэрогель с nmax=1.07обсуждается использование NaF для малых импульсов

Площадь радиатора: 17 м2

Фотонный детектор: Г-ЛФД (SiPM, G-APD)

Площадь ФД: 21 м2

~ 1 млн. каналов

23.11.2011

С.А. Кононов, ИЯФ СО РАН 6

Идентификация частиц

μ/π-разделение

Поиск LFV в τ→μγСмешивание D-мезонов

π/K-разделениеМоделирование ФАРИЧ для Супер-c-τ-фабрики

23.11.2011Разрешение по скорости в 4 раза лучше, чем у фокусирующего DIRC

С.А. Кононов, ИЯФ СО РАН 7

Цели испытания прототипа ФАРИЧ

• Первое измерение черенковского кольца из монолитного многослойного «фокусирующего» аэрогелевого радиатора

• Проверка и исследование образцов многослойных «фокусирующих» аэрогелей, выработка новых методов измерения их параметров на пучке

• Получение опыта работы с Г-ЛФД– 32 канала, шум в канале ~10 МГц– Временное разрешение при регистрации одиночного фотона

должно быть лучше 1 нс

23.11.2011

С.А. Кононов, ИЯФ СО РАН 8

Выведенный пучок e/γ на ВЭПП-4М

Параметры выведенного пучка:• Ibeam ~10 мA, Ebeam=3.5 ГэВ,

загрузка от вторичных электронов (1.3 ГэВ) ~50 Гц, максимальная энергия вторичных электронов – 3 ГэВ

• Размер пучка – 30x15 mm2 (определяется размером триггерного счетчика)

23.11.2011

С.А. Кононов, ИЯФ СО РАН 9

Тестовый пучок с прототипом ФАРИЧ

23.11.2011

С.А. Кононов, ИЯФ СО РАН 10

Прототип ФАРИЧБокс спроектирован с возможностью изменять расстояние аэрогель – фотонные детекторы от 50 до 700 ммФотонные детекторы – 32 MRS APD 2.1x2.1 мм2 (пр-во ЦПТА, В.М.Головин)

23.11.2011

С.А. Кононов, ИЯФ СО РАН 11

Электроника прототипа

23.11.2011

С.А. Кононов, ИЯФ СО РАН 12

Расположение фотодетекторов

Положение ФД и область триггера

23.11.2011

С.А. Кононов, ИЯФ СО РАН 13

Аэрогель

Слой n t, мм1 1,050 6,22 1,041 7,03 1,035 7,74 1,030 9,7 100x100x31мм3

Lsc(400нм) = 43мм

23.11.2011

Фокусировка на расстоянии 93 мм от дальней плоскости аэрогеля.

С.А. Кононов, ИЯФ СО РАН 14

Анализ: отбор по времени срабатывания

Время хитов относительно фазы пучка

σt = 350÷900 пс для разных каналов Условие по времени срабатывания |t-tc|<3σt

23.11.2011

С.А. Кононов, ИЯФ СО РАН 15

Измерение радиуса черенковского кольца (1)

23.11.2011

С.А. Кононов, ИЯФ СО РАН 16

Измерение радиуса черенковского кольца (2)

σr = 1.1mm

r = 22.1mm

23.11.2011

Отличие измеренного σr от расчетного в основном объясняется разрешением дрейфовых камер σtrack ≈ 0.5 мм.

С.А. Кононов, ИЯФ СО РАН 17

Сравнение одно и 4-х слойного аэрогелей

«Фокусирующий эффект»:• Однослойный, толщина 2 см –> σr=2.1 мм• Четырехслойный, толщина 3 см –> σr=1.1 mm

Измерение однослойного аэрогеля: n=1.05, t=2см

23.11.2011

σr = 2.1mm

С.А. Кононов, ИЯФ СО РАН 18

Число фотоэлектронов

четырехслойный аэрогель однослойный аэрогель

23.11.2011

С.А. Кононов, ИЯФ СО РАН 19

Заключение• ФАРИЧ позволяет получить наилучшую точность

измерения скорости частиц с импульсом несколько ГэВ/c.• Проведено испытание прототипа ФАРИЧ на пучке.

Получено хорошее согласие с ожидаемым разрешением по радиусу черенковского кольца.

• Планируется модернизировать пучок для улучшения координатного разрешения (ДК, фотонные детекторы) и продолжить исследования.

• Идет разработка системы ФАРИЧ для Супер-c-τ-фабрики: площадь фотонных детекторов (Г-ЛФД) – 21 м2, 1 млн. каналов электроники.

23.11.2011

С.А. Кононов, ИЯФ СО РАН 20

Запасные слайды

23.11.2011

С.А. Кононов, ИЯФ СО РАН 21

Моделирование ФАРИЧ для Супер-c-τ-фабрики

23.11.2011

Число фотоэлектронов Ошибка измерения скорости

Сигнальная функция

где – координаты трека, – координаты фотона.

Если проинтегрировать по активной площади одного ФД (пиксель), считая ее малой, и предположить симметрию по φ, то получим

где , – площадь пикселя, – координаты пикселя.

В простейшем случае распределение фотоэлектронов по радиусу кольца можно описать гауссианом

Распределение треков при условии

срабатывания фотодетектора

Распределение всех треков

С.А. Кононов, ИЯФ СО РАН 23

Процедура подгонки (1)

23.11.2011

Разобьем плоскость фотодетекторов на бины с центрами в

- число треков в бине - число треков в бине при условии срабатывания фотодетектора.

Среднее число треков с условием срабатывания

– расстояние от центра бина до центра пикселя; - сдвиг координат ФД относительно трековых координат; – параметр, учитывающий вклад фона.

распределено по Пуассону со средним . Используем функцию правдоподобия:

При подгонке определяются параметры .

С.А. Кононов, ИЯФ СО РАН 24

Процедура подгонки (2)

23.11.2011

Другой подход заключается в получении распределения фотоэлектронов по радиусу

– число треков всех и со срабатыванием ФД, соответственно. Далее распределение подгоняется гауссианом и линейным фоном по .