Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В 2019 была разработана детальная Монте-Карло модель ДПИ на основе кремниевого пиксельного детектора. Она состоит из двух частей. Первая часть представляет собой моделирования процессов рождения и поглощения фотонов переходного излучения до детектора, а также моделирование многократного рассеяния налетающей частицы. Модель позволяет учитывать также не регулярный характер радиаторов ПИ. Вторая часть представляет собой моделирование отклика кремниевого пиксельного детектора. Моделируются все процессы внутри рабочей области детектора: ионизация вещества детектора пролетающей частицей, диффузия и дрейф носителей заряда к электродам, сбор заряда на электродах, фотопоглощение, когерентное и некогерентное рассеяние фотонов ПИ в материале детектора, учёт гранулярности пикселей детектора, а также учёт шумов электроники и порога регистрации сигнала. Результаты моделирования с высокой точностью и с беспрецедентным уровнем детализации описывают экспериментально полученные интерференционные картинки, как в случае регулярных, так и в случае нерегулярных радиаторов. Получено хорошее согласие энергетических спектров и угловых распределений ПИ для всех радиаторов. Исключением является полипропиленовый радиатор, имеющий составные фольги с суммарной толщиной в 62 мкм. Эффекты, связанные с тонкой структурой фольг в этом радиаторе, требуют дальнейшего теоретического исследования. Полученные результаты показывают, что одновременное измерение энергии и угла эмиссии ПИ может быть использовано для улучшения идентификационной возможности ДПИ. Интерференционные эффекты в многослойных пленках изменяют угловое распределении и для его оценки нельзя использовать общепринятую зависимость 1/gamma-factor. В настоящее время разработанная модель моделирования используется для анализа результатов экспериментов с GaAs детектором. По результатам работы была подготовлена и направлена статья в журнал Nuclear Instruments and Methods. Для проверки возможности создания ДПИ на основе GaAs были проведены исследования, в которых использовался кристалл GaAs с толщиной 500 мкм, соединенный с Timepix3 чипом с размером пикселя 55 х 55 мкм. Исследования проводились на ускорителе SPS в CERN с использованием пучков электронов и пионов с энергией 20 ГэВ, а также пучков мюонов с энергиями 120, 180 и 290 ГэВ. Всего было проведено 70 сеансов измерений с разными радиаторами, пучками и расстояниями между радиаторами и детектором, где были измерены энергетические и угловые характеристики ПИ. В качестве радиаторов использовались стопки майларовых и полиэтиленовых фольг различной толщины и с различным расстоянием между ними (всего 8 типов измерений для каждого сорта частиц). Как и в случае Si-пиксельного детектора (см. отчёт за прошлый год), калибровка детектора была проведена с помощью флюоресцентных линий различных химических элементов. Во время калибровок и тестов на пучке частиц порог срабатывания индивидуального пикселя соответствовал 4.2 кэВ (по сравнению с 3.4 для кремниевого детектора). Были обработаны все данные. Показано, что как и в случае Si детектора эффективность раздельного восстановления фотонов ПИ достигает ~100% при расстоянии >165 мкм от места пересечения детектора ионизирующей частицей. Как и ожидалось эффективность регистрации ПИ GaA с энергией более 20 кэВ в несколько раз больше, чем Si детекторами. Так в случае майларового радиатора, содержащего 90 фольг, число зарегистрированных в GaAs детекторе фотонов с энергией больше 13 кэВ в 4 раза больше, чем в случае Si детектора. В настоящее время проводится МС моделирование экспериментов и сравнение с экспериментальными данными. Результаты работ доложены на 2-х международных конференциях. С целью изучения эффектов, связанных с интерференцией, было проведено моделирование радиаторов в широком диапазоне параметров радиаторов и гамма факторов частиц. Было показано,что с ростом гамма-фактора частицы, основной угол вылета частицы имеет тенденцию к росту. При уменьшении зазора между фольгами величина основного угла образования фотонов переходного излучения становится больше. Если в качестве ограничения принять угол 0.150 мрад (это угол, при котором возможно разделения фотона и частицы при расстоянии радиатор-детектор 1 м), то возникает ограничение на выбор расстояния между фольгами радиаторов. В случае толщины фольги 70 мкм расстояние между фольгами должно быть < 1.5 мм. Расстояние между фольгами сильно влияет на гамма-фактор, при котором происходит насыщение выхода переходного излучения. Для больших толщин фольг гамма фактор насыщения достигает плато при расстояниях между фольгами 1-2 мм, тогда как для тонких фольг он постоянно растет с увеличением шага между фольгами. При расстоянии между фольгами 2 мм он перестает расти, начиная с толщин фольг 60 мкм. Эти результаты крайне важны для выбора параметров ДПИ. Основной угол излучения ПИ уменьшается с ростом расстояния между фольгами. Для расстояния радиатор-детектор 1 м при больших толщинах фольги расстояние между фольгами должно быть меньше 1 мм. Для фольг толщиной меньше 50 мкм расстояние между ними может достигать значений 2 мм. Для получения быстрых упрощенных оценок основных параметров ПИ при выборе модели для оптимизации ДПИ были получены приблизительные формулы, связывающие эти параметры с параметры радиаторов. Были получены выражения для основного угла излучения; порогового значения гамма фактора, при котором переходное излучение в рентгеновской области начинает быть существенным; для гамма фактора, при котором ПИ достигает насыщения и для значения энергии ПИ в наиболее интенсивном интерференционном максимуме. Теоретическое исследование интерференционных эффектов при формировании ПИ в сложных многослойных структурах показало, что теоретически предсказанные острые максимумы в угловом распределении проявляются и на экспериментальных кривых, причем угловые положения максимумов хорошо совпадают с наблюдаемыми на эксперименте для майлара. Для полипропиленовых радиаторов теоретические и экспериментальные данные совпадают хуже, но в основных чертах теоретическая кривая повторяет экспериментальную, включая хорошее совпадение углового положения пика излучения. Построена теория рентгеновского переходного излучения от сложносоставных радиаторов, т.е. радиаторов с двумя вложенными периодами или радиаторов с составными пленками. Получены выражения для спектрально-углового и спектрального распределений энергии переходного излучения. Проведенное исследование интерференционных явлений внутри составной пленки показывают несущественное влияние этих эффектов на спектральное распределение излучения по сравнению с приближением эффективной пленки. Оптимизация параметров радиатора с целью практического использования в детекторах переходного излучения проведена в отношении величины теоретического значения положения пиков. Эта величина зависит от Лоренц-фактора заряженной частицы. Показано, что можно подобрать оптимальные параметры мишени, при которых эта зависимость по количеству пиков может служить в качестве порогового индикатора диапазона Лоренц-факторов. Проведен анализ и сделаны исправления в коде модуля переходного излучения программного пакета GEANT4. После исправления модуля моделирование угловых распределений соответствует теоретическим предсказаниям и хорошо описывает экспериментальные результаты. Данные изменения были необходимы для дальнейшего рассмотрения полноразмерного детектора на переходном излучении. В программу моделирования детектора на основе тонкостенных пропорциональных камер (ТПК) были внесены изменения, позволяющие учитывать эффект пространственного заряда в процессе газового усиления вблизи анода. Это позволило лучше описать спектры энергетических потерь в камерах в районе ~6-14 кэВ. Была также проведена модификация программы, позволяющая задавать практически любые возможные конфигурации детектора в плане параметров радиаторов и детектирующих элементов: количество секций в детекторе, конфигурацию слоев ТПК и свойства камер, включая давление рабочего газа в них, и т.п. В программе возможно моделирование большого ДПИ, состоящего из нескольких под-детекторов с разными параметрами (радиаторы, количество слоев, давление). Такое разбиение большого детектора на несколько различных под-детекторов позволяет получать в них различные зависимости отклика от γ-фактора регистрируемой частицы и таким образом расширить диапазон γ-факторов, в котором возможна эффективная идентификация адронов ТэВ-ных энергий. С помощью данной программы рассчитан ожидаемый отклик полномасштабного ДПИ при регистрации в нем адронов с энергиями от 1 до 6 ТэВ. Результаты моделирования полномасштабного ДПИ используются программами идентификации частиц - как для определения усредненного состава регистрируемых частиц в различных кинематических областях по импульсам и быстротам, так и при идентификации в индивидуальных событиях. Проведено моделирование работы ДПИ на основе тонкостенных пропорциональных камер в программном пакете GEANT4 в соответствии с экспериментальными условиями. Выполнена настройка чувствительности газовых детектирующих частей детектора в GEANT4 согласно экспериментальным измерениями, а также настройка параметров радиаторов и пучков первичных частиц. Получено неплохое согласие результатов моделирования с экспериментальными данными. Найдено, что отсутствие описания эффекта пространственного заряда в GEANT4 ведет к небольшому отличию экспериментальных данных и вычислений в GEANT4, что должно быть поправлено в следующих версиях программы. Были проведены специальные исследования, касающиеся процесса сходимости итерационного метода, основанного на Байесовском подходе к вычислению вероятностей. Было получено, что для сходимости процедуры восстановления состава частиц с отрицательным зарядом при всех энергиях требуется ~150 итераций. Для адронов с положительным знаком заряда требуется значительно больше – до ~1000 итераций. Точность восстановления долей частиц для отрицательно заряженных адронов при всех энергиях оказывается не хуже 1.5%. Для положительно заряженных точность не хуже 2.7% для всех частиц и энергий, кроме 6 ТэВ: здесь для каонов она доходит до 4.7%. Метод посыбытийной идентификации частиц был проверен на примере распада D0 мезона на пару пи- и К-мезонов. Индивидуальная идентификация частиц в значительной степени подавляет комбинаторный фон и в гораздо меньшей – «правильные» события с распадом D0→πK. В нашем примере степень подавления фона в районе пика D0 мезона составила фактор 9.2 при эффективности правильной идентификации мезона 63%. Таким образом, отношение сигнал/фон в области ±3σ от пика улучшилось в 5.6 раза: с 0.016 до 0.090. Проведенные расчеты показывают принципиальную возможность эффективной идентификации адронов ТэВ-ных энергий в индивидуальных событиях с помощью большого ДПИ на основе ТПК и метода, основанного на Байесовском подходе к вычислению вероятностей. Эксперименты на пучке ускорителя SPS дали возможность получить опыт в проектировании и постройке детекторов переходного излучения на основе тонкостенных цилиндрических straw-камер. Прототип, использованный для экспериментов на пучке в 2017-18 годах, обладает рядом недостатков: низкой эффективной площадью, большим занимаемым объемом и количеством вещества, рядом конструктивных и технологических недостатков. Вместе с тем, модульная конструкция прототипа оказалась удобной и гибкой при сборке всей детектирующей системы и, кроме того, продемонстрировала хорошие физические результаты. Накопленный опыт позволил начать разработку новой концепции модуля детектора. Созданы 3d-модели и чертежи модуля детектора переходного излучения на основе тонкостенных пропорциональных камер. Детектор имеет ширину в 32 straw-трубки в два слоя (всего 64 straw), имеет стенку манифолда совмещенную с печатной платой первичной электрической разводки детектора. Вместо несущей рамы легкий модуль в данной конструкции становится самонесущим, поскольку теперь он обладает достаточным количеством straw и малой массой. В качестве технологии для изготовления манифолда и вспомогательных деталей предполагается использовать 3d-печать SLA. Конструкция детектора увязана с технологическими этапами сборки. Спроектирована схема и печатная плата электрической разводки модуля, включающая в себя защитные элементы и высоковольтную линию. Модель разводки печатной платы осуществлена по 4 проводящим слоям. Все линии проходят по двум внутренним слоям, соединенным с наружными через переходные отверстия. Все дискретные элементы, за исключением предназначенных для высоковольтного подключения, вынесены за пределы газового объема для сохранения возможности ремонта.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
1. Была усовершенствована программа анализа экспериментальных данных, полученных в тестовых измерениях на ускорителе с использованием GaAs детектора. В программе были уточнены критерии для формирования кластеров с учетом вылета флуоресцентных фотонов при поглощении квантов переходного излучения (ПИ) в веществе детектора. Также уточнена модель энергетической калибровки кластеров ПИ с учетом их размеров. Был заново проведен анализ результатов 57-ми сеансов измерений с различными конфигурациями радиаторов и пучков. Была разработана модель детектора переходного излучения на основе кристалла арсенида галлия, соединенного с TimePix3 чипом. Разработка таких детекторов имеет большие перспективы, поскольку они обладают высокой эффективностью регистрации фотонов ПИ. Модель работы таких детекторов необходима как для успешной интерпретации результатов современных экспериментов по изучению свойств переходного излучения, так и для оптимизации экспериментальных установок в будущих экспериментах. Модель GaAs детектора, созданная в рамках данного проекта, позволяет детальным образом моделировать процессы рождения фотонов ПИ, их взаимодействие с веществом и дальнейшую регистрацию в чипе детектора. Разработанная модель была протестирована путём сравнения результатов вычислений с данными, собранными в ходе испытаний GaAs детектора с различными радиаторами на тестовых пучках в ЦЕРН в 2018 году. Полученные результаты продемонстрировали, что созданная модель детально и корректно описывает все рассмотренные экспериментальные данные. Программа позволяет задавать конфигурацию установки, включая материалы компонент и типы частиц, что позволяет использовать разработанную модель не только для сравнения модели с данными экспериментов, но и для расчета и оптимизации будущих экспериментальных установок. Была подготовлена установка, содержащая детекторы на основе Si и GaAs для дальнейших исследований на пучках частиц. 2. В части теоретических исследований проведен теоретический анализ эффектов в радиаторах со сложной структурой. В частности, проанализировано возникновение низких гармоник на углах порядка обратному Лоренц-фактору частицы. Показано, что наличие этих гармоник может оказать существенное влияние на спектральные или угловые распределения ПИ. Форма этих гармоник определяется характеристиками ПИ от одной границы раздела, а их наличие обусловлено интерференционными эффектами. Для корректной оценки необходим численный расчет в обсуждаемой области углов. Приближение характерных углов первой гармоники к значению обратного Лоренц-фактора вносит ошибку и при моделировании угловых распределений в GEANT4. Они, в свою очередь, могут привести к ошибке в спектральных распределениях. Проведена корректировка модуля, генерирующего ПИ в GEANT4. Это сделало пригодным данный программный комплекс к моделированию угловых характеристик переходного излучения. Тонкая структура угловых распределений, предсказываемая теорией и наблюдаемая на эксперименте, с хорошей точностью воспроизводится в моделировании. Также мы показали, что обрезание угловых распределений между нулем и первой гармоникой и опора на дискретный набор Лоренц-факторов при построении спектральных и угловых распределений (что принято в GEANT4 при моделировании распределений переходного излучения), вообще говоря, могут вносить неоднозначности в результаты моделирования. Проведены оценки влияния многократного рассеяния заряженных частиц в материале радиатора. Показано, что при разработке радиаторов с улучшенными характеристиками следует учитывать не только плотность материала радиатора, но и его радиационную длину, которая прямо влияет на эффективную длину формирования переходного излучения с учетом рассеяния заряженных частиц в материале радиатора. 3. После систематического изучения интерференционных эффектов в регулярных радиаторах были предложены две конфигурации детекторов на основе GaAs. В одном детекторе радиатор состоит из 500 полиэтиленовых фольг толщиной 30 мкм, расположенных с шагом 0.5 мм, а другой — из 400 фольг толщиной 60 мкм, расположенных с шагом 0.7 мм. Расстояние между радиаторами и детектором были выбраны равными 550 мм и 886 мм соответственно. В качестве детектора использовался GaAs сенсор толщиной 500 мкм. Расчеты проводились для частиц с гамма-факторами от 10^3 до 4*10^4. В обоих случаях кластеры, образованные поглощенными в GaAs квантами ПИ, хорошо разделяются от кластеров детектируемых заряженных частиц и полное число зарегистрированных квантов ПИ в области насыщения по Лоренц-фактору приближается к 5. Было показано, что использование различных областей распределения угол-энергия ПИ позволяет получить различные Лоренц-зависимости выхода ПИ. Так, например, для второго типа радиатора, применяя ограничение по углу интегрирования < 0.35 мрад, можно получить более жесткую пороговую зависимость образования переходного излучения. Для этого случая детектор практически нечувствителен к частицам с γ < 5*10^3. Полученные гамма-зависимости были использованы для расчетов свойств полномасштабного комбинированного детектора ПИ, состоящего из нескольких секций ДПИ на основе GaAs и детектора на основе пропорциональных трубок, как это описано в пункте 5 отчета. 4. Было произведено усовершенствование программы для моделирования ДПИ на основе ТПК с использованием программного пакета GEANT4. Расчеты сравнивались с экспериментами, которые производилось в 2018 году на пуках частиц в ЦЕРНе, и показали с хорошее согласие результатов моделирования с экспериментальными данными. Это позволяет использовать данную программу для моделирования будущих ДПИ на основе ТПК, а также для моделирования комбинированных ДПИ, содержащих ТПК в качестве под-детекторов. Было произведено моделирование одной из конфигураций полномасштабного детектора с ТПК для идентификации адронов с энергий 1–6 ТэВ в экспериментах на БАК под малыми углами. Результаты моделирования этого детектора с помощью специализированной программы и с помощью GEANT4 демонстрируют хорошее согласие для под-детектора, содержащего ТПК с давлением газовой смеси в камерах 1 атм. Для под-детектора, содержащего ТПК с давлением 1.5 атм, согласие несколько хуже, что требует дополнительного исследования и последующего возможного исправления в будущих версиях программы. 5. На основе полученных экспериментальных данных нами построены программы моделирования полномасштабных ДПИ для идентификации адронов в ТэВ-ной области энергий. Рассмотрены несколько возможных конфигураций таких детекторов – как на основе тонкостенных пропорциональных камер (ТПК), так и комбинированных – с секциями с ТПК и с пиксельными детекторами на основе GaAs. Разработаны методы пособытийной идентификации адронов в таких детекторах. Получены эффективности идентификации для различных типов частиц в зависимости от их энергии. Показано, что конфигурация с ТПК+GaAs дает значительное увеличение вероятностей правильной идентификации для всех типов адронов при энергиях 1-4 ТэВ. Лучшая идентификация при этих энергиях обеспечивается за счет лучшего разделения адронов по числу квантов ПИ в GaAs детекторах. Разработанные методы применены для сравнения эффективности рассмотренных конфигураций ДПИ в процессе реконструкции распадов D0 мезона на πK пару. Показано что для конфигурации с детектором на ТПК отношение сигнал/шум в области пика D0 увеличилось более, чем в 10 раз. Эффективность правильной идентификации продуктов распада D0 мезона при этом составила 74%. Для варианта комбинированного ДПИ на основе ТПК+GaAs это отношение увеличилось в 14 раз при эффективности регистрации D0 в 90%. 6. Для отработки технологии создания модулей полномасштабного детектора переходного излучения на основе тонкостенных пропорциональных камер (ТПК) был разработан и создан инженерный прототип. Были протестированы два подхода в создании радиаторов и выбран вариант, наиболее технологичный для массового производства. Изготовленный радиатор имеет 20 фольг толщиной 60 мкм, расположенных с шагом 3 мм. Однородность шага лучше 3% в любой месте пересечения радиатора пучком частиц. Был также разработан и изготовлен модуль, состояний из 2-х слоев ТПК диаметром 4 мм. Трубки в слое расположены с шагом 5 мм. Слои сдвинуты на половину шага и расположены на расстоянии между центрами трубок в соседних рядах 5 мм. Каждый слой содержит 32 ТПК. Полные габаритные размеры модуля камер – 208х295х14 мм. После изготовления модуль был испытан и было показано, что он полностью соответствует спецификации: отсутствие пробоев на воздухе до 1700 В (рабочее напряжение 1500 В), токи утечки < 10 нА, неоднородность сигнала от источника Fe55 вдоль трубки < 5%, между трубками - <5%. В ходе работ были внесены коррекции в конструкцию модуля для обеспечения надежности процедуры сборки и повторяемости результатов. 7. Результаты работ были доложены на международных совещаниях. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S016890022030245X?via%3Dihub https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-0221/15/06/C06024 https://indico.particle.mephi.ru/event/35/contributions/2298/attachments/1136/1673/Belyaev_ICPPA_2020.pdf https://indico.particle.mephi.ru/event/35/contributions/2302/attachments/1177/1697/Tikhomirov_ICPPA2020.pdf https://ria.ru/amp/20201116/mifi-1584441051.html https://indico.cern.ch/event/908120/ https://indico.cern.ch/event/908129/ https://indico.cern.ch/event/868473/ https://indico.cern.ch/event/868473/contributions/3815800/attachments/2022101/3381444/Albrow-FMS-0417-intro-had.pdf https://indico.cern.ch/event/868473/contributions/3815802/attachments/2022126/3381488/FMS_meeting_April2020_Cherry.pdf