Глава 1. Антисовпадательная система прибора «Сигнал».

1.1 Антисовпадательная защита.

При прохождении заряженной частицы через вещество сцинтиллятора образуется световая вспышка. Для преобразования светового сигнала в электрический используются фотоэлектронные умножители. Образовавшие фотоны, попадая на фотокатод ФЭУ (при использовании вакуумного ФЭУ), выбивают в нем электроны (фотоэлектроны) за счет фотоэффекта. Далее эти электроны под действием ускоряющего электрического поля попадают на систему динодов, где их поток умножается под действием вторичной электронной эмиссии. Сигнал снимается с анода, коэффициент усиления некоторых ФЭУ достигает 10¹¹[2]. Обычно напряжение питания ФЭУ ~ 1000 В. Типичная схема вакуумного ФЭУ представлена на рисунке 1:

Рис.1. Схема вакуумного ФЭУ.

Антисовпадательная защита представляет собой систему из нескольких сцинтилляционных детекторов, включенных в схему антисовпадений. Схема антисовпадений - это электрическая импульсная схема, которая вырабатывает на выходе электрический запрещающий сигнал при условии прохождения частицы через один или несколько сцинтилляторов. При наличии данного сигнала система блока регистрации основного ксенонового гамма-детектора не будет производить запись информации об этом событии.

В эксперименте «Сигнал» антисовпадательная защита должна закрывать весь ксеноновый гамма-детектор, и поэтому является составной. Гамма-детектор имеет цилиндрическую форму, с его торцов защита будет изготовлена из сцинтиллятора в форме диска. Схема антисовпадательной защиты представлена на рисунке 2:

Рис.2. Принципиальная схема антисовпадательной защиты

Для боковой поверхности рассматривались различные варианты геометрии расположения сцинтилляционных детекторов. Изначально планировалось выполнить боковую защиту в форме полого цилиндра, но такая форма сложна в производстве, дорогостоящая и имеет ряд других недостатков. Другой вариант геометрии – составной сцинтиллятор, собранный из пластин в прямоугольной или трапециевидной формы. При такой форме сцинтиллятора есть возможность расположить пластины в один или несколько слоев (Рисунки 3, 4).

Рис.3. Утвержденный вариант расположения пластин

Рис.4. Возможный вариант расположения пластин

1.2 Кремниевый фотоумножитель

В качестве фотоприемника для сцинтилляционных детекторов будут использоваться кремниевые фотоэлектронные умножители.

Рис.5. Конструкция(а), осциллограмма сигналов(б), фотография фоточувствительной поверхности кремниевого фотоумножителя(в).

Кремниевый фотоэлектронный умножитель (SiPM) – это фотоприемник на основе упорядоченного набора p-n переходов (ячеек, пикселей), выполненных на общей подложке[3][4]. Характерный размер ячейки – 30 мкм, число ячеек – порядка 1000 ячеек/мм². Ко всем ячейкам с помощью алюминиевой шины приложено общее напряжение питания, несколько превышающее напряжение пробоя p-n перехода (типичное напряжение питания для SiPM составляет 20-60В). Это позволяет обеспечить работу в гейгеровском режиме. Гейгеровский разряд возникает, если при взаимодействии фотона с веществом ячейки образовался носитель заряда. Разряд прекращается, когда напряжение падает ниже пробойного значения. Спад напряжения обусловлен наличием токоограничивающего резистора у каждой ячейки, который также служит как разделитель между ячейками. Сигнал, снимаемый с одного пикселя, определяется зарядом, образованном в его объеме[]:

Q_{пикселя}=C_{пикселя}*(U_{смещения}-U_пробоя)

Обычно емкость пикселя C_{пикселя} ~ 100 пФ, а разность напряжений составляет всего несколько вольт. Таким образом, заряд, созданный в объеме одного пикселя за один разряд, составляет порядка 10^-12 Кл. Токовые сигналы всех пикселей суммируются на общей нагрузке, поэтому отклик детектора на слабые световые вспышки пропорционален их интенсивности. Суммарный заряд на выходе кремниевого фотоумножителя равен сумме зарядов ото всех сработавших пикселей.

Основная характеристика фотоприемника - эффективность регистрации фотонов, определяется как вероятность регистрации падающего фотона на фотоприемную область SiPM:

ε= <N_{пикселей}>/<N_{фотонов}>

<N_{пикселей}> – среднее число сработавших пикселей, <N_{фотонов}> - среднее число падающих фотонов.

Эффективность регистрации состоит из трех независимых частей:

ε= ε₀*ε_геом*ε_гейгер

Квантовая эффективность ε₀ – вероятность того, что падающий фотон вызовет образование пары носителей заряда, который достигнет области умножения. Квантовая эффективность SiPM может достигать 40%[5]. Пример зависимости квантовой эффективности от длины волны света представлена рисунке 6.

Рис.6. График зависимости квантовой эффективности регистрации от длины волны фотона.

Геометрическая эффективность ε_геом, равная отношению чувствительной к полной площади пикселя, определяет вероятность того, что электрон-дырчатая пара образуется в чувствительной области детектора.

Гейгеровская эффективность ε_гейгер – вероятность того, что образовавшаяся в чувствительной области электрон-дырчатая пара вызовет развитие гейгеровского разряда.

Достоинствами кремниевого фотоумножителя являются:

- нечувствительность к магнитным полям;

- высокий коэффициент усиления: от 10⁵ до 10⁶;

- невысокое напряжение питания: ниже 100В;

- высокое временное разрешение;

- компактные размеры;

- низкая стоимость.

Недостатки SiPM:

- малая чувствительная площадь;

- ограниченный динамический диапазон;

- высокие шумы.

Дописать про SiPM и пластиковые сцинтилляторы