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

BPYP59(ITE) APD-98 designed for LHCb:

LHCb Technical Proposal (1998)

APD was one of main options for LHCbPreshower in Technical Proposal (p.79):

CPTA (Golovin) 2005InterQ (Sofia) APD-97 BPYP59(ITE) APD-98

Muon signal from 4x4x1 cm³ scintillator with 10 coils of Bicron 99-172 fiber (-9°C, 155V bias voltage, 160 ns gate).

Muon signal from 12x12x1.5 cm³ scintillator with 3 coils of Kuraray Y-11.

Muon signal from 12x12x1.5 cm³ scintillator with 3 coils of Kuraray Y-11.Top: MPGM APD (CPTA)Bottom: PMT XP2961

Development of APD read-out for LHCb tiles (1997-..)In total we tested more than 5 APD options, produced by• HAMAMATSU, Japan• InterQ Ltd, Sofia• ITE, Warszawa, Poland• Z. Sadygov• V. Golovin (CPTA).

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.

Meeting LHCb, September 1999:

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 BC-600

Fiber type Y11(250) SJ

Time response, at 10% level 40 nsec

Wrapping TYVEK 1060B

___________

*) light read-out from 2 fiber ends shorten to 5cm

Tile response to the cosmic raysThe scintillator tile of 120x120x15 mm3 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-outAdvantage 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 PMT4. Simple mechanical design5. No known ageing or linearity problems,

unlike PMT6. No cross-talk between channels, unlike

multi-anode PTMCoupling of APD to the fiber using TEFLON capsule.

Multi-anode PMT 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 R5900. Typical response to MIP is ~20 ph. el.

Multi-pixel Geiger mode APD read-out: 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

School Cosmic Ray Outreach Detector

SCROD proposal:

Trigger for radioactive source with magnetic spectrometer (LHCb CERN, 2006):

Cosmic ray and beam trigger counters:

Планы

LHCb:- “beam-halo” detectors – два триггерных сцинтилляционных

падовых детктора размером ~1х1 м2, 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”, 5th International Conference on New Developments In Photodetection, Aix-les-Bains, France, June 15-20, 2008

“InterQ 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. 20pp. Published in JHEP 9909:022,1999, Nucl.Instrum.Meth.A440:38-45,2000. 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 1st Conference on New Developments in Photodetection (BEAUNE 96), Beaune, France, 24-28 Jun 1996. Nucl.Instrum.Meth.A387:225-230,1997.

• “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. McCauley, Yuri Musienko, Thomas C. Paul, Stephen Reucroft, John D. Swain (Northeastern U.) . May 2003. Proceedings of 28th 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