Sisteme de detectie complexe pentru experimente de Fizica nucleara relativista

Sisteme de detectie complexe pentru experimente de Fizica nucleara relativista

1. Consideratii generale

O problema majora care se pune in studiul ciocnirilor nucleu-nucleu la energii inalte este aceea a detectarii numeroaselor particule si fragmente create in astfel de ciocniri. Datorita ratei mari de informatii si necesitatii stabilirii unui numar mare de marimi care sa caracterizeze o particula detectata sau un fragment detectat este de dorit ca in astfel de experimente sa se foloseasca sisteme de detectori si sisteme de detectie asociate care sa dispuna de un anumit numar de nivele de decizie. În prezent se considera 5 nivele de decizie pentru un sistem de detectori dintr-un aranjament experimental pentru studiul ciocnirilor nucleu-nucleu la energii inalte, si anume:

(i) declansare primara;

(ii) declansare secundara;

(iii) lucrul 'in linie' cu microprocesoare programabile;

(iv) filtrare 'in linie' a informatiei inainte de inregistrare;

(v) monitorare si control 'in linie' cu ajutorul calculatorului.

Detectorii care fac parte din sistemele de detectie care se folosesc in prezent in experimente de Fizica nucleara relativista nu au la baza principii de detectie noi [3 ]. Ei sunt inclusi in aranjamente experimentale complexe pentru a se obtine maxim de informatie experimentala in problema de interes abordata. Intrarea in functiune a sistemelor de accelerare de tip 'collider' va face necesara aparitia altor sisteme de detectie, fie - in viitor - a unor principii de detectie noi [8 -15].

Gama de detectori folositi in experimentele de pana acum este extrem de larga - de la emulsii nucleare la detectori solizi de urme si calorimetre - iar aranjamentele experimentale cuprind mai multe tipuri de astfel de detectori. Toate marile laboratoare care lucreaza in domeniul Fizicii nucleare relativiste dispun de mai multe sisteme de detectie deosebit de complexe, dedicate unor anumite tipuri de experimente [11,15,28-30].

Orice detector complex sau orice sistem de detectori trebuie sa satisfaca cateva cerinte majore. Acestea ar fi :

(i) localizarea in spatiu a traiectoriei particulei;

(ii) masurarea energiei particulei;

(iii) identificarea particulei;

(iv) localizarea in timp a particulei.

Fiecare tip de detector va permite o acoperire mai mica sau mai mare a acestor cerinte in functie de proprietatile pe care le are si, prin acestea, in raport cu functiile pe care poate sa le indeplineasca.

2. Sisteme de detectie folosite in unele experimente

de Fizica nucleara relativista

În marile laboratoare care dispun de sisteme de accelerare a ionilor grei relativisti se folosesc numeroase tipuri de detectori. În cele mai mute situatii, mai ales in ultimele doua perioade din etapa sistemelor de accelerare, se folosesc aranjamente experimentale complexe care include multe tipuri de detectori, astfel incat informatia obtinuta sa fie cat mai bogata si diversa. Deoarece multe din datele experimentale care vor fi considerate in cadrul laboratorului asociat cursului de Fizica nucleara relativista au fost obtinute de autorii cursului in cadrul a doua colaborari internationale in care si-au desfasurat si isi desfasoara activitatea de cercetare stiintifica se vor prezenta mai intai aranjamentele experimentale cu ajutorul carora au fost obtinute, anume: spectrometrului SKM 200 de la IUCN Dubna (Colaborarea SKM 200) si sistemul de spectrometre BRAHMS de la Laboratorul National Brookhaven (Colaborarea BRAHMS).

2.1. Descrierea spectrometrului SKM 200

Institutul Unificat de Cercetari Nucleare (IUCN) de la Dubna a fost primul care a obtinut si a folosit fascicule de ioni grei relativisti. De-a lungul timpului aici s-au folosit mai multe sisteme de detectori pentru experimete de Fizica nucleara relativista. Unul dintre cele mai importante este Spectrometrul SKM 200.

Spectrometrul SKM 200 de la IUCN Dubna are urmatoarele parti componente importante:

(i) camera cu streamer;

(ii) generatorul de pulsuri de inalta tensiune;

(iii) sistemul de asigurare a gazelor;

(iv) magnetul analizor;

(v) sistemul de declansare;

(vi) sistemul de stereofotografiere.

Camera cu streamer a fost construita la IUCN Dubna in perioada 1972‑1974. Ea a intrat in functiune in anul 1974 fiind folosita intens pentru studii de Fizica nucleara relativista, atat pentru studiul generarii multiple de particule si mecanismelor de producere [1-6,43-47] cat si pentru producerea de hipernuclee in ciocniri nucleare relativiste [16,48].

Dimensiunile acestei camere (2m x 1m x 0.6m) [49] au facut ca, pana in anul 1986 - anul intrarii in functiune, la CERN Geneva, a unei camere cu streamer avand dimensiunile: 2m x 1.2m x 0.72m [50] - sa fie cea mai mare camera cu streamer construita.

Cele 2 spatii de lucru ‑ determinate de prezenta a 3 electrozi ‑ pot fi observate prin doua ferestre avand dimensiunile urmatoare: 1.91m x 0.88m; ele sunt acoperite etans cu pelicula de 'lavsan' de 0.15 mm grosime. Camera este montata pe o carcasa ecran si este instalata pe un carucior mobil, ghidabil, si plasata in spatiul special creat in magnetul analizor (Fig.I.5).

Cei trei electrozi ai camerei au forme diferite si sunt plasati astfel: la partea superioara, la mijlocul si la baza camerei. Primii sunt cilindrici, din sarma, iar cel inferior este sub forma de placa. Formele si dimensiunile optime ale acestor electrozi au fost stabilite prin determinari experimentale, astfel incat sa nu apara descarcari prin efect corona [49]. Diametrele electrozilor cilindrici au urmatoarele valori: 0.1 mm, respectiv, 0.25 mm. Pasii corespunzatori sunt de 0.6 mm, repectiv, 1.8 mm. O placa de duraluminiu prevazuta cu 9 ferestre pentru fotografierea reperelor de referinta este cel de al treilea electrod al camerei cu streamer. Placa de duraluminiu este innegrita pentru a reduce reflexia luminii si a creste astfel calitatea imaginilor obtinute.

Intrarea fasciculului in camera cu streamer se face printr-o fereastra de intrare plasata la circa 80 mm de electrodul mijlociu.

Tinta este plasata in interiorul camerei cu streamer, la circa 30‑40 cm de fereastra de intrare. De obicei, aceasta este sub forma de disc subtire si este montata in interiorul unui cilindru din material electroizolant si transparent, vidat si inchis, ceea ce permite evitarea unor descarcari electrice parazite in timpul functionarii, precum si alte disfunctionalitati in exploatare.

O alta problema de interes este cea a generatorului de pulsuri de inalta tensiune. Pe electrozii camerei se aplica pulsuri de inalta tensiune cu amplitudini de pana la 700 kV si durate de zeci de nanosecunde folosind un generator Marx [40,49] si un formator de pulsuri bazat pe un cablu dublu coaxial. Cu cat durata unui puls este mai mica, la aceeasi valoare a amplitudinii, cu atat este mai mare stralucirea streamer‑ilor. În conditiile date durata nu a putut fi mai mica de 10 ns, deoarece pentru valori mai mici crestea brusc contributia efectului corona si exista pericolul defectarii instalatiei experimentale.

Fig.I.5. Spectrometrul SKM 200 de la IUCN Dubna

Camera cu streamer de la IUCN Dubna poate functiona cu doua tipuri de gaze nobile: heliu si neon. În cazul umplerii cu neon a camerei amplitudinea pulsului de tensiune a fost de 500 kV, iar durata pulsului a fost de 10.5 ns. La umplerea cu heliu amplitudinea pulsului poate atinge 700 kV, iar durata sa se apropie de 20 ns. Întarzierea totala a pulsurilor de inalta tensiune este de 1ns.

Sistemul de asigurare a gazelor pentru aceasta camera cu streamer permite suflarea permanenta a gazului de lucru ‑ heliu sau neon ‑ in camera, precum si colectarea si regenerarea gazului degradat. Regenerarea gazului se poate face, in functie de necesitatile de puritate a gazului din camera, si dupa intreruperea functionarii sistemului de detectie

Presiunea gazului in camera cu streamer este egala cu presiunea atmosferica si este pastrata pe toata durata functionarii sistemului de detectie. Urmarirea automata a presiunii din camera cu streamer se face cu ajutorul unui gaz special ('gaz holder').

Debitele necesare pentru pastrarea presiunii gazului din camera sunt cuprinse intre 5 si 500 l/h. Valoarea debitului depinde si de durata 'memoriei' camerei cu streamer (circa 10 ns). Productivitatea sistemului de regenerare a gazului este de minim 3 m³/h pentru impuritati mai mici de 0.01 %.

Magnetul analizor in al carui spatiu dintre cei doi poli se introduce camera cu streamer ‑ magnetul ISP‑41 modificat ‑ are suprafetele polilor de 2m x 1m, iar spatiul dintre ele de 0.5 m. Ulterior, acest spatiu a crescut la 0.76 m.

Pe polul inferior al magnetului se afla ghidajele pentru introducerea camerei, precum si placa cu reperele de referinta. În polul superior al magnetului s‑a creat un spatiu sub forma de trunchi de piramida, cu baza mare (1.8m x 0.8m) spre camera cu streamer, pentru plasarea sistemului de stereofotografiere. Aceste modificari ale magnetului ISP‑41 au determinat scaderea valorii campului magnetic sub 1 T, dar nu au produs neomogenitati mari ale campului magnetic in camera cu streamer. Astfel, in partea centrala a camerei (1.6m x 0.6m x 0.4m) neomogenitatile nu depasesc 5 %.

Sistemul de stereofotografiere este legat rigid de magnet. În functie de experiment s‑au folosit 2 pana la 4 camere. Varianta obisnuita a fost cea cu 3 camere. Planul de focalizare al obiectivelor camerelor se pozitioneaza pe axa fasciculului incident. Distanta de fotografiere este de 2300 mm, ceea ce conduce la un raport 1:40. Fotografierea se face pe filme de mare sensibilitate (3000‑4500 unitati GOST si coeficient de contrast 1.6‑1.8) cu latimea de 35 mm. In general, dimensiunile unui cadru sunt de 22mm x 50 mm. Introducerea in cadrul fotografiei a unor informatii de interes ‑ numarul filmului, numarul cadrului, numarul proiectiei s.a. ‑ furnizate de un sistem de afisare a informatiei numerice se face cu ajutorul unui sistem optic. De aceea, evenimentul din camera cu streamer si informatia numerica corespunzatoare se fotografiaza simultan.

Spectrometrul SKM 200 face parte din categoria sistemelor de detectie care dispun de declansare primara si de declansare secundara

Declansarea sa se face prin doua sisteme de detectori cu scintilatie plasate inainte si dupa camera cu streamer (Fig.I.5.). Primul sistem de detectori are rolul de a selecta fasciculul incident de tipul dorit (precizie in numarul de masa si numarul atomic al nucleului incident mai buna de 99%) si de energia dorita (acelasi nivel de precizie). Cel de al doilea sistem de detectori permite diferentierea intre ciocniri centrale si ciocniri periferice (inelastice). Modurile de declansare ale spectrometrului SKM 200 se noteaza prin T(q_ch q_n q_ch, respectiv, q_n, reprezinta valorile minime ale unghiurilor de emisie acceptate pentru fragmente cu sarcina, respectiv, fragmente neutre ale nucleului incident. Pentru q_ch si q_n se obtine modul de declansare periferic (inelastic), notat T(0,0), iar pentru q_ch > 0 si q_n ³ se obtine modul de declansare central; de exemplu T(2,0), T(3,3), T(5,0) sunt moduri de declansare centrale. În cazul ciocnirilor nucleu‑nucleu la 4.5 A GeV/c se considera ca fragmente de tip 'stripping' ale nucleului proiectil cele pentru care impulsul este mai mare de 3.5 GeV/c pe nucleon al fragmentului.

Modurile de declansare sunt legate de geometria si dinamica ciocnirii. Cu cresterea valorilor unghiurilor minime acceptate pentru fragmentele nucleului incident creste si gradul de centralitate a ciocnirii, ceea ce inseamna scaderea parametrului de ciocnire. De aceea, discutarea datelor si rezultatelor experimentale se face in cadrul fiecarui mod de declansare.

2.2. Descrierea aranjamentului experimental BRAHMS

Particule detectate cu aranjamentul experimental BRAHMS sunt: p , K , p . Detectarea se face pe un domeniu larg de rapiditati si impulsuri transversale pentru toate tipurile de fascicul si la toate energiile disponibile la sistemul de acceleratori tip "collider" RHIC-BNL. Conditiile experimentale sunt foarte diferite, iar domeniile de valori ale marimilor fizice de interes implica un aranjament experimental complex. El include 2 spectrometre magnetice care se pot roti, fiecare continand mai multe tipuri de detectori: (a) Spectrometrul "Înainte" sau "Forward Spectrometer" (FS) (2.3^o<q<30^o; 1.3£y£4.0 ); (b) Spectrometrul de rapiditate mediana sau "Mid Rapidity Spectrometer" (MRS) (30^o<q<95^o; -0.1£y£1.3). Fiecare are o structura complexa. Astfel, Spectrometrul "Înainte" este format din: 4 dipoli magnetici (D1¸D4), 2 camere cu proiectie temporala (T1, T2), 3 "pachete" de camere cu deplasare (drift) (T3¸T6), 2 hodoscoape (H1,H2) pentru masuratori de timp de zbor - 48, respectiv, 32 detectori cu scintilatie - folosite la identificarea de particule cu sarcina cu impulsuri in domeniul 1-20 GeV/c, contor Cerenkov cu prag (C1), detector Cerenkov inelar cu formare de imagine (RICH). Structura Spectrometrului de rapiditate mediana include: 2 camere cu proiectie temporala (TPC1, TPC2) umplute cu un amestec de gaze Ar-CO₂; un magnet dipolar (D5) - pentru masuratori de impuls; perete de timp de zbor (TOFW); detector Cerenkov segmentat cu gaz (GASC) - pentru identificare de particule cu p £ 5 GeV/c. Rezolutia in impuls a sistemului de detectie este: dp/p £

Celor 2 spectrometre li se adauga detectori pentru informatia globala, anume:

a. Contori fascicul-fascicul - pentru declansare initiala, informatie de vertex, start pentru masuratori de timp de zbor - bazat pe detectori Cerenkov (35,42);

b. Detector de multiplicitate - pentru centralitatea ciocnirii in regiunea mediana de rapiditate; contine 24 detectori de Si segmentati (168 canale; declansare rapida pentru selectarea centralitatii ciocnirii) si 40 "tigle" scintilatoare; cu ei se acopera domeniul de rapiditate -2.2£y£

c. Calorimetre de zero grade (ZDC) - de acelasi tip cu cele pentru celelalte experimente de la RHIC; sunt situate in spatele celor doi magneti ai fasciculului (DX); se folosesc pentru masuratori de luminozitate si stabilirea conditiilor geometrice ale ciocnirii (masuratori de neutroni emisi inainte).

Cele 3 sisteme de detectie dau informatii asupra centralitatii in domeniile: -2.2£y£ £ ½h½£ 4.3, precum si la 0^o. În Fig.I.6 este prezentat aranjamentul experimental BRAHMS.

Fig.I.6. Aranjamentul Experimental BRAHMS de la RHIC-BNL