CUP – detector for Charged Unwelcome Particles
scyntylacyjny detektor cząstek naładowanych

Projekt zrealizowany w ramach współpracy Warszawa-Uppsala -Świerk
Kontakt: Marcin Palacz

Nowoczesne zestawy detektorów germanowych są doskonałymi narzędziami do prowadzenia badań egzotycznych jąder, ulokowanych w tablicy nuklidów z dala od ścieżki stabilności. Do takich celów zestawy te muszą być jednak wykorzystywane łącznie z dodatkowymi detektorami, które umożliwią precyzyjną identyfikację produktów reakcji. W przypadku procesów fuzji-ewaporacji, identyfikację taką można zrealizować poprzez rejestrację cząstek emitowanych z jądra złożonego: neutronów, protonów i cząstek α. Gdy reakcje fuzji-ewaporacji indukowane przez ciężkie jony używane są do badania ekstremalnie neutrono-deficytowych jąder, jednocześnie produkowanych jest wiele (typowo ponad 20) jąder końcowych, ze znacznie różniącymi się przekrojami czynnymi. Największe jest prawdopodobieństo wyemitowania z jądra złożonego paru protonów, podczas gdy najbardziej interesujące nuklidy powstają w wyniku wyparowania neutronów i ewentualnie cząstek α, przy małej (lub zerowej) krotności protonów.

W eksperymencie konieczne jest więc rejestrowanie neutronów. Do tego celu stosuje się zestawy detektorów z ciekłym scyntylatorem. Przykładami układów służących do detekcji neutronów są Neutron Wall oraz Neutron Shell. Rejestracja neutronów, choć niezbędna, nie jest jednak wystarczająca. Konieczne jest również stosowanie detektorów cząstek naładowanych w celu wybrania jąder końcowych powstałych po emisji określonej liczby protonów i cząstek &alpha.

Kilka wysokowydajnych zestawów detektorów cząstek naładowanych zostało skonstruowanych w ciągu ostatniego dziesięciolecia: ISIS, EUCLIDES, DIAMAND i MicroBall. Były one wykorzystywane w wielu eksperymentach z najbardziej zaawansowanymi systemami detektorów germanowych (EUROBALL i GAMMASPHERE). Wymienione tu układy detektorów cząstek naładowanych są doskonałymi narzędziami do rejestracji i precyzyjnej identyfikacji kilku protonów i cząstek α Ich wydajność jest jednak ograniczona przez żadanie, by możliwa było określenie liczby rejestrowanych cząstek i rozróżnienie protonów od cząstek α.

W pewnych szczególnych sytuacjach, bardzo interesujące jądra neutrono-deficytowe mogą zostać wyprodukowane poprzez emisję z jądra złożonego wyłącznie neutronów. Na przykład jądro ¹⁰¹Sn, które mogłoby dostarczyć bezpośrednią informację o neutronowych energiach jednocząstkowych względem rdzenia ¹⁰⁰Sn może być badane w reakcji ⁵⁴Fe+⁴⁰Ca→¹⁰⁴Sn (CN) &rarr¹⁰¹Sn+3n. Innym przykładem jest jądro ¹⁰⁰In produkowane w reakcji ⁵⁸Ni+⁴⁵Sc→¹⁰³In (CN) &rarr¹⁰⁰In+3n. Obserwacja stanów wzbudzonych w ¹⁰⁰In umożliwiłaby bezpośredni pomiar oddziaływania proton-neutron w obszarze ¹⁰⁰Sn. W eksperymentach wykorzystujących wymienione tu reakcjach, detektor cząstek naładowanych wykorzystywany byłby jedynie jako urządzenie veto, umożliwiając odrzucenie przypadków, w których została zarejestrowana przynajmniej jedna cząstka naładowana. Nie jest przy tym konieczne określenie liczby cząstek, ani ich rodzaju. W takiej sytuacji detektor veto, skonstruowany pod kątem osiągnięcia maksymalnej wydajności rejestracji, bez określania rodzaju cząstek i ich liczby, może być bardziej przydatny niż skomplikowany system wielodetektorowy.

Detektor

Skonstruowany został nowy detektor cząstek naładowanych. Detektor został zoptymalizowany pod kątem osiągnięcia maksymalnej wydajności na rejestrację przynajmniej jednej cząstki naładowanej, bez konieczności określenia rodzaju cząstek i ich liczby. Detektor powstał z myślą o badaniu jądra ¹⁰⁰In w eksperymencie z układem EUROBALL i Ścianą Neutronową (Neutron Wall).

Elementem aktywnym detektora jest cienki scyntylator plastikowy w kształcie szklanki. Scyntylator został dostarczony przez firmę Amcrys-h z Kijowa. Zewnętrzny promień cylindra jest równy 62 mm, długość 85 mm. grubość scyntylatora wynosi 1 mm na ściankach, i 0.5 mm na dnie. Scyntylator umieszczony jest w komorze próżniowej. Denko jest trwale przyklejone do plastikowego okna, do którego od drugiej strony przylega fotopowielacz. Grubość scyntylatora została dobrana tak by: (a) zapewnić jego odpowiednią sztywność mechaniczną, (b) proton o maksymalnej energii (30 MeV) wygenerował w scyntylatorze wystarczająco duży sygnał i (c) zminimalizować sygnał pochodzący od elektronów i kwantów γ.

Tarcza jest przymocowana do cienkiego pręta biegnącego wzdłuż cylindra i znajduje się w odległości około 3 mm od dna “szklanki”. Ramka tarczy ma nietypowy kształt – została zaprojektowana tak, by liczba zatrzymanych w niej protonów i cząstek α była możliwie najmniejsza. Wiązka musi zostać zatrzymana w tarczy – tylko w ten sposób można uniknąć oddziaływania rozproszonych cząstek wiązki ze scyntylatorem. Takie oddziaływanie byłoby bardzo znaczącym źródłem falszywych sygnałów. Urządzenie najlepiej nadaje się do użycia z reakcjami o odwróconej kinematyce (wiązka cięższa niż tarcza). W przypadku, gdy pocisk jest lżejszy od jąder tarczy, rozproszone do tyłu jądra wiązki mogą oddziaływać ze scyntylatorem, co również byłoby źródłem fałszywych sygnałów. W przypadku rozpraszania wiązki do tyłu konieczne jest użycie absorberów osłaniających cylinder – wiąże się to z pewnym zmniejszeniem wydajności detektora, zależnym od konkretnej reakcji i zastosowanych przesłon.

Eksperymenty

Eksperymenty testowe:

• Pierwszy test na wiązce (Warszawa, marzec 2002): plik PDF (w języku angielskim)
• Drugi test na wiązce (Warszawa, lipiec 2002): plik PDF (w języku angielskim)
• Test z układem EUROBALL (Strasbourg, pażdziernik 2002)

Eksperyment z układem EUROBALL i Ścianą Neutronową mający na celu obserwację stanów wzbudzonych w ¹⁰⁰In został przeprowadzony w Strasbourgu w okresie 14-30 marca  2003 r. Analiza danych jest w toku.