Развитие и применение регистрации световых сигналов на основе

Развитие и применение регистрации световых сигналов на основе лавинных фотодиодов для экспериментов «ОКА» (У-70, Протвино) и LHCb (LHC, CERN) в ИЯИ РАН.

LHCb детектор

LHCb Technical Proposal (1998) APD was one of main options for LHCb Preshower in Technical Proposal (p. 79): BPYP 59(ITE) APD-98 designed for LHCb:

Development of APD read-out for LHCb tiles (1997 -. . ) In total we tested more than 5 APD options, produced by • HAMAMATSU, Japan • Inter. Q Ltd, Sofia • ITE, Warszawa, Poland • Z. Sadygov • V. Golovin (CPTA). Inter. Q (Sofia) APD-97 Muon signal from 4 x 4 x 1 cm³ scintillator with 10 coils of Bicron 99172 fiber (-9°C, 155 V bias voltage, 160 ns gate). BPYP 59(ITE) APD-98 Muon signal from 12 x 1. 5 cm³ scintillator with 3 coils of Kuraray Y-11. CPTA (Golovin) 2005 Muon signal from 12 x 1. 5 cm³ scintillator with 3 coils of Kuraray Y-11. Top: MPGM APD (CPTA) Bottom: PMT XP 2961

Meeting LHCb, September 1999: В LHCb выбор был сделан в пользу многоанодных ФЭУ по причинам: • более высокой стоимости канала (ЛФД + усилитель) • предположительно, более высоких характеристик ФЭУ (ошибочно!) Но, к сожалению, в то время не существовало промышленных гейгеровских ЛФД. З. Садыгов делал сообщение на митинге LHCb в ЦЕРНе в 1997 г. и принимал участие в разработке предложения ЛФД от ИЯИ.

Матричный годоскоп для эксперимента OKA, У-70, Протвино • • • Создан в ИЯИ в 2006 -2008 г. г. на основе ячеек, разработанных для предливневого детектора LHCb Фото-детектор – ЛФД (ЦПТА, В. Головин) Размер: 2 х 2 м², 252 ячейки 12 х 12 см² и 32 ячейки 4 х 4 см² , всего 284 канала Назначение – регистрация треков заряженных частиц на входе в электромагнитный калориметр ГАМС-2000 и выработка триггера на множественность 0 -уровня Попутная цель: изучение особенностей и проверка рабочих характеристик лавинных фотодетекторов в условиях реального эксперимента, а также разработка методик отбора и контроля качества для массового применения в крупных детекторах. В настоящее время изготовлены и установлены на пучке годоскоп и электроника считывания, плата логики в производстве. На сеансе в апреле 2009 г. детектор будет использоваться в режиме считывания.

LHCb-OKA: Scintillator tile design Dimension, mm 120 x 120 Thickness, mm 15 Number of fiber turns 3. 5 Length of fiber inside groove, mm 118 Light response to the MIP, photons *) >500 Glue inside groove Fiber type Time response, at 10% level Wrapping ______ *) light read-out from 2 fiber ends shorten to 5 cm BC-600 Y 11(250) SJ 40 nsec TYVEK 1060 B

Tile response to the cosmic rays The scintillator tile of 120 x 15 mm 3 with embedded fiber was read-out from one fiber end coupled to the photodetector, while the other fiber end was covered by maylar mirror. The signal from cosmics was integrated with gate width of 100 nsec. LED signal was adjusted to the peak of the cosmic signal distribution, and the relative width of LED signal gives effective number of photoelectrons used for estimation of the detection efficiency. The current through all three APDs was 2. 20 µA. Ambient temperature was 22 C°.

Multi-pixel Geiger mode APD vs PMT read-out Advantage of APD read-out: 1. Higher PDE, than with PMT 2. Higher light collection with direct connection of the APD to the tile 3. Significantly lower operation voltage and current, than with PMT 4. Simple mechanical design 5. No known ageing or linearity problems, unlike PMT 6. No cross-talk between channels, unlike multi-anode PTM Coupling of APD to the fiber using TEFLON capsule. Multi-anode PMT read-out: Multi-pixel Geiger mode APD read-out: More than 12, 000 tiles were used for Preshower detector in LHCb in two planes of 6. 5 m x 8 m. Light was read-out from two WLS fiber ends connected through optical connector to 1. 5 - 3. 5 m clear fibers coupled to 64 -anode PMT R 5900. Typical response to MIP is ~20 ph. el. The following design is being applied to the charge trigger hodoscope in “OKA” experiment (Protvino). The 1 mm diameter APD is connected to the scintillator tile trough a short (~5 cm) WLS fiber end. Due to efficient light collection and higher quantum efficiency of APD the response to the MIP is ~60 -110 ph. el. from single fiber end, depending on the type of APD.

Контроль параметров ЛФД для МГ установки «ОКА» ; некоторые предварительные выводы • • • Контроль выходных параметов ЛФД производился в ИЯИ на основе стендов проверки качества светодиодов и тайлов LHCb. Измерялись в нескольких контольных точках параметры шумового счета и усиления ЛФД, на основании этих измерений производилась выбраковка специфичных образцов и сортировка по партиям. Производился контроль и отбраковка ЛФД по форме сигнала В виду недостатка сил и средств для создания полноценного автоматизированного стенда, измерения выполнялись в ручном режиме. В результате даже подготовка 350 ЛФД заняла значительное время и силы. Вывод очевиден: необходим автоматизированный стенд для работы со большими партиями. Методы и необходимая аппаратура в целом определены, + большой опыт уже наработан в других экспериментах. Второй этап подготовки – контроль и настройка ( + калибровка) каналов детектора после сборки требуют не меньше времени и сил. Вывод: необходимо создание автоматизированного стенда настройки режимов и калибровки (когда это возможно) элементов детектора в “in citu”. На основе выполненных работ по LHCb и установке ОКА уже есть значительный опыт по методике настройки каналов детектора с использованием радиактивного источника и космических мюонов. Значительная часть упомянутых систем контроля может быть унифицирована и подойдет для большинства приложений. В их разработке и создании наша группа могла бы принять участие.

Опыт+ другие применения ЛФД Trigger for radioactive source with magnetic spectrometer (LHCb CERN, 2006): Cosmic ray and beam trigger counters: School Cosmic Ray Outreach Detector SCROD proposal:

Планы LHCb: - “beam-halo” detectors – два триггерных сцинтилляционных падовых детктора размером ~1 х1 м 2, установленных в нескольких метрах до и после вершинного детектора. Назначение – “”veto” для вершинного детектора при срабатывании от гало пучка или при нестабильном пучке. - Upgrade предливневого детектора (PS/SPD). “OKA”: - Вторая плоскость падового детектора. - “beam-killer” – сцинтилляционный пучковый счетчик, установленный в апертуре магнита СП-40. - нечувствительность к рассеянным магнитным полям - минимум вещества в зоне гало пучка - высокая эффективность

References: • LHCb Technical Proposal ; CERN, February 1998 • LHCb meetings 1998 -1999 (E. Guschin et al. , Z. Sadygov) Conferences and articles: • E. Gushchin, “Development of PS detector for LHCb”, proceedings of the VIII International Conference on Calorimetry in HEP, Lisbon (1999). • E. Gushchin, S. Filippov “Application of multi-pixel avalanche photodiodes operating in Geiger mode for scintillator pad detector read-out”, 5 th International Conference on New Developments In Photodetection, Aix-les-Bains, France, June 15 -20, 2008 “Inter. Q LTD”(Sofia): • Application of avalanche photodiodes as a readout for scintillator tile fiber systems. C. Cheshkov (Sofiya U. ) , G. Georgiev (Sofiya, Inst. Nucl. Res. ) , E. Gushchin (Moscow, INR) , L. Litov, I. Mandjoukov (Sofiya U. ) , V. Spassov (Inter Q, Sofia). Apr 1999. 20 pp. Published in JHEP 9909: 022, 1999, Nucl. Instrum. Meth. A 440: 38 -45, 2000. e-Print Archive: physics/9904010 • MRS detectors with high gain for registration of weak visible and UV light fluxes. N. Bacchetta et al. 1997. Given at 1 st Conference on New Developments in Photodetection (BEAUNE 96), Beaune, France, 24 -28 Jun 1996. Nucl. Instrum. Meth. A 387: 225 -230, 1997. • “Multi-pixel Geiger Mode Avalanche Photo-diodes. . ” E. Guschin, et al. , Nucl. Instr. and Meth. A 567 (2006) 250 • SCORD: School Cosmic Ray Outreach Detector. Evgueni Gouchtchine (Moscow, INR) , Thomas P. Mc. Cauley, Yuri Musienko, Thomas C. Paul, Stephen Reucroft, John D. Swain (Northeastern U. ). May 2003. Proceedings of 28 th International Cosmic Ray Conferences (ICRC 2003), Tsukuba, Japan, 31 Jul - 7 Aug 2003. Published in *Tsukuba 2003, Cosmic Ray* 1021 -1024 e-Print Archive: astro-ph/0305208