Исследование радиационной стойкости кристаллов CsI (Tl) для калориметра Belle II

Внедрение: 2017  г.

Калориметр Belle II состоит из сцинтилляционных кристаллов йодида цезия, легированного таллием CsI (Tl), которые использовались в эксперименте Belle. Авторами статьи [1] было проведено исследование радиационной стойкости типичных кристаллов Belle и обнаружено, что снижение светоотдачи приемлемо для эксперимента Belle II, где доза поглощения может достигать 10 крад во время работы детектора. Кристаллы CsI (Tl) обладают высокой стабильностью и низкими затратами на обслуживание и рассматриваются в качестве возможного варианта калориметра будущей фабрики Super-Charm-Tau (SCT) в Новосибирске. В установке для измерения поглощённой кристаллами CsI (Tl) доли излучения тормозных фотонов был использован модуль E14‑440.

Условия эксперимента Belle II требуют дополнительного измерения радиационной стойкости кристаллов CsI (Tl). Для исследования были отобраны четыре кристалла, изготовленные для калориметра Belle, но отклоненные из-за их геометрических характеристик или небольших механических дефектов. Их сцинтилляционные свойства соответствовали требованиям Belle.

Исследуемые образцы облучались на промышленном ускорителе электронов ЭЛВ‑6 Института ядерной физики им. Будкера в Новосибирске. Схема установки для облучения представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Установка для облучения кристаллов на ускорителе ЭЛВ‑6.

Средняя длина взаимодействия тормозных фотонов в материале CsI составляет около 3 см. Поскольку поперечный размер облучаемых кристаллов составляет около 6 см, поглощенная доза на верхней стороне кристалла в несколько раз больше, чем на нижней. Для компенсации этой неоднородности каждый образец облучается равными дозами с противоположных сторон. Для контроля дозы, поглощенной кристаллами во время облучения, вместе с кристаллами размещаются два датчика дозы специальной конструкции. Датчик поглощённой дозы, показанный на рисунке 2, состоит из кристалла CsI (Tl) с размерами 1 x 2 x 2 см³, соединенного оптическим контактом с кремниевым фотодиодом (PIN‑диод) Hamamatsu S2744‑08 с активной площадью 1 x 2 см². Еще один фотодиод, идентичный предыдущему, размещен без световой связи с кристаллом. Второй фотодиод нужен для контроля темнового тока при облучении. Токи от двух фотодиодов регистрируются каждые 100 мс с использованием управляющих сопротивлений и модуля АЦП E14‑440, подключенного к ПК. Разница между этими токами принимается за ток сигнала I.

Рисунок 2. Датчик для измерения дозы облучения.

Исследование продемонстрировало достаточно высокую радиационную стойкость кристаллов CsI (Tl) для условий фабрики SCT. Экспериментально показано, что сцинтилляционные свойства кристаллов Belle CsI (Tl) приемлемы для эксперимента Belle II и для заводских условий SCT.

Источник:

Matvienko D.V., Sedov E.V., Shwartz B.A. et al. Radiation Hardness Study of CsI(Tl) Crystals for Belle II Calorimeter // CERN-BINP Workshop for Young Scientists in e+e- Colliders, Vol. 1 – Geneva: CERN, 2017. – P. 55‑64. DOI: https://doi.org/10.23727/CERN-Proceedings-2017-001.55

Разработчик: Матвиенко Д.В., Седов Е.В., Шварц Б.А., Кузьмин А.С. (ИЯФ СО РАН, Новосибирск; НГУ, Новосибирск)