Электромагнитная калориметрия на основе PWO для работы при низких температурах

  • Павел Олегович Орсич Институт ядерных проблем БГУ, ул. Бобруйская, 11, 220006, г. Минск, Беларусь https://orcid.org/0000-0001-7701-6439
  • Кай-Томас Бринкманн Гисенский университет им. Юстуса Либиха, ул. Хайнрих-Буфф-Ринг, 16, 35392, Гисен, Германия
  • Валерий Иванович Дорменев Гисенский университет им. Юстуса Либиха, ул. Хайнрих-Буфф-Ринг, 16, 35392, Гисен, Германия
  • Михаил Васильевич Коржик Институт ядерных проблем БГУ, ул. Бобруйская, 11, 220006, г. Минск, Беларусь
  • Виталий Александрович Мечинский Институт ядерных проблем БГУ, ул. Бобруйская, 11, 220006, г. Минск, Беларусь
  • Дмитрий Юрьевич Козлов Институт ядерных проблем БГУ, ул. Бобруйская, 11, 220006, г. Минск, Беларусь
  • Ханс-Георг Цауник Гисенский университет им. Юстуса Либиха, ул. Хайнрих-Буфф-Ринг, 16, 35392, Гисен, Германия
DOI: https://doi.org/10.33581/2520-2243-2021-3-67-73

Аннотация

Ухудшение оптического пропускания сцинтилляционного кристалла под действием ионизирующего излучения в сцинтилляционном спектральном диапазоне приводит к потерям светового потока, вследствие чего энергетическое разрешение снижается и время работы калориметра на основе сцинтилляторов ограничивается. Этот эффект особенно заметен для калориметров, работающих при низких температурах. Использование сцинтилляционного кристалла вольфрамата свинца (PbWO4) в калориметрии при низких температурах (от –20 до –45 °C) обеспечивает трехкратное увеличение сцинтилляционного выхода, что приводит к значительному улучшению энергетического разрешения (до 10 МэВ). Сохранение этой особенности критически важно для адронной спектроскопии. Однако при понижении температуры кристалла PbWO4 скорость спонтанной релаксации центров окраски, созданных под действием ионизирующего излучения, значительно замедляется, что смещает динамический уровень наведенного поглощения в сторону более высокого значения при длительном облучении в экспериментах физики высоких энергий. Проведено сравнение спонтанной релаксации наведенного поглощения в спектральной области сцинтилляций со стимулированным восстановлением при облучении образцов инфракрасными фотонами разных длин волн. Показано, что релаксация центров окраски может быть ускорена до тысячи раз. Таким образом, стимулированное восстановление позволяет быстро и эффективно возобновить оптическое пропускание кристаллов либо между периодами работы ускорителя, либо при сборе данных в онлайн-режиме, при этом извлекать кристаллы из экспериментальной установки не требуется. Применение стимулированного восстановления может существенно улучшить работу калориметров на основе PbWO4 или продлить срок их службы при низких температурах с сохранением радиационного повреждения оптического пропускания кристаллов на приемлемом уровне.

Биографии авторов

Павел Олегович Орсич, Институт ядерных проблем БГУ, ул. Бобруйская, 11, 220006, г. Минск, Беларусь

научный сотрудник лаборатории экспериментальной физики высоких энергий

Кай-Томас Бринкманн, Гисенский университет им. Юстуса Либиха, ул. Хайнрих-Буфф-Ринг, 16, 35392, Гисен, Германия

доктор физико-математических наук; профессор 2-го Института физики

Валерий Иванович Дорменев, Гисенский университет им. Юстуса Либиха, ул. Хайнрих-Буфф-Ринг, 16, 35392, Гисен, Германия

кандидат физико-математических наук; старший научный сотрудник 2-го Института физики

Михаил Васильевич Коржик, Институт ядерных проблем БГУ, ул. Бобруйская, 11, 220006, г. Минск, Беларусь

доктор физико-математических наук; заведующий лабораторией экспериментальной физики высоких энергий

Виталий Александрович Мечинский, Институт ядерных проблем БГУ, ул. Бобруйская, 11, 220006, г. Минск, Беларусь

кандидат физико-математических наук; старший научный сотрудник лаборатории экспериментальной физики высоких энергий

Дмитрий Юрьевич Козлов, Институт ядерных проблем БГУ, ул. Бобруйская, 11, 220006, г. Минск, Беларусь

научный сотрудник лаборатории экспериментальной физики высоких энергий

Ханс-Георг Цауник, Гисенский университет им. Юстуса Либиха, ул. Хайнрих-Буфф-Ринг, 16, 35392, Гисен, Германия

кандидат физико-математических наук; ведущий научный сотрудник 2-го Института физики

Литература

  1. Breskin A, Rüdiger V, editors. The CERN Large Hadron Collider: accelerator and experiments. Geneva: CERN; 2009. 2 volumes.
  2. Novotny RW, Doring W, Dormenev V, Drexler P, Erni W, Rost M, et al. Performance of PWO-II prototype arrays for the EMC of PANDA. IEEE Transactions on Nuclear Science. 2008;55(3):1295–1298. DOI: 10.1109/TNS.2008.922807.
  3. Brown RM, Cockerill DJA. Electromagnetic calorimetry. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2012;666:47–79. DOI: 10.1016/j.nima.2011.03.017.
  4. Semenov PA, Uzunian AV, Davidenko AM, Derevschikov AA, Goncharenko YM, Kachanov VA, et al. First study of radiation hardness of lead tungstate crystals at low temperatures. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2007;582(2):575–580. DOI: 10.1016/j.nima.2007.08.178.
  5. Lecoq P, Gektin A, Korzhik MV. Inorganic scintillators for detector systems: physical principles and crystal engineering. 2nd edition. Cham: Springer; 2017. [408 p.] (Particle acceleration and detection). DOI: 10.1007/978-3-319-45522-8.
  6. Burachas S, Ippolitov M, Manko V, Nikulin S, Vasiliev A, Apanasenko A, et al. Temperature dependence of radiation hardness of lead tungstate (PWO) scintillation crystals. Radiation Measurements. 2010;45(1):83–88. DOI: 10.1016/j.radmeas.2009.11.038.
  7. Borisevich AE, Fedorov AA, Hofstaetter A, Korzhik MV, Meyer BK, Missevitch O, et al. Lead tungstate crystal with increased light yield for the PANDA electromagnetic calorimeter. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2005;537(1–2):101–104. DOI: 10.1016/j.nima.2004.07.244.
  8. PANDA Collaboration, et al. Technical design report for PANDA electromagnetic calorimeter (EMC). 2008. e-Print:0810.1216 [physics.ins-det].
  9. Novotny R-W. Fast and compact lead tungstate-based electromagnetic calorimeter for the PANDA detector at GSI. IEEE Transactions on Nuclear Science. 2004;51(6):3076–3080. DOI: 10.1109/TNS.2004.839100.
  10. Novotny R-W, Burachas SF, Döring WM, Dormenev V, Goncharenko YM, Korzhik MV, et al. Radiation hardness and recovery processes of PWO crystals at –25 °C. IEEE Transactions on Nuclear Science. 2008;55(3):1283–1288. DOI: 10.1109/TNS.2008.916062.
  11. CMS Collaboration, et al. Radiation hardness qualification of PbWO4 scintillation crystals for the CMS electromagnetic calorimeter. Journal of Instrumentation. 2010;5:P03010. DOI: 10.1088/1748-0221/5/03/P03010.
  12. Annenkov AN, Auffray E, Borisevich AE, Drobychev GYu, Fedorov AA, Inyakin A, et al. On the mechanism of radiation damage of optical transmission in lead tungstate crystal. Physica Status Solidi (a). 2002;191(1):277–290. DOI: 10.1002/1521-396X(200205)191:1<277::AID-PSSA277>3.0.CO;2-7.
  13. Orsich P, Dormenev V, Brinkmann K-T, Korzhik M, Moritz M, Novotny R-W, et al. Stimulated recovery of the radiation damage in lead tungstate crystals. IEEE Transactions on Nuclear Science. 2020;67(6):952–955. DOI: 10.1109/TNS.2020.2975889.
Опубликован
2021-10-13
Ключевые слова: электромагнитный калориметр, сцинтилляционный кристалл вольфрамата свинца, радиационное повреждение, световыход, оптическое пропускание, стимуляционное восстановление
Как цитировать
Орсич, П. О., Бринкманн, К.-Т., Дорменев, В. И., Коржик, М. В., Мечинский, В. А., Козлов, Д. Ю., & Цауник, Х.-Г. (2021). Электромагнитная калориметрия на основе PWO для работы при низких температурах. Журнал Белорусского государственного университета. Физика, 3, 67-73. https://doi.org/10.33581/2520-2243-2021-3-67-73
Выпуск
№ 3 (2021): Журнал Белорусского государственного университета. Физика
Раздел
Физика ядра и элементарных частиц

Copyright (c) 2021 Журнал Белорусского государственного университета. Физика

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:

  1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
  3. Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).