кристаллы вольфрамата свинца – основа электромагнитной

Физика
УДК 539.12.08
М.В. КОРЖИК
КРИСТАЛЛЫ ВОЛЬФРАМАТА СВИНЦА – ОСНОВА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ
КАЛОРИМЕТРИИ В ЭКСПЕРИМЕНТАХ CMS И ALICE НА LHC
The story of the lead tungstate (PWO) scintillation crystal possessing unique characteristics (high density, small radiation length,
a high transparency, good radiating hardness, high scintillation rate) is described. PWO scintillator has been accepted as a basis for
an electromagnetic calorimeter creation of CMS and ALICE experiments at LHC in CERN. An appearance of lead tungstate scintillation crystals in high energy physics has provided a fantastic progress in the field of precise electromagnetic calorimetry and by now
it is considered as an outstanding achievement of scientists of Belarus and Russia for the last decade.
Современное развитие физики высоких энергий в значительной степени определяется прогрессом
в методах регистрации и измерений параметров излучений высоких энергий. Сцинтилляционный метод регистрации ядерных излучений охватывает широкий круг вопросов, связанных с определением
характеристик этого излучения. Монокристаллические сцинтилляторы по сравнению с другими (газовыми и жидкостными) отличаются целым рядом неоспоримых эксплуатационных качеств – высокая радиационная стойкость, механическая прочность и др. Среди монокристаллических сцинтилляторы на основе кислородных соединений отличает целый ряд физико-химических и эксплуатационных преимуществ, в частности, кислородные соединения позволяют создавать монокристаллы с
плотностью 7÷10 г/см3 и короткими временами высвечивания, лежащими в диапазоне 1÷100 нс, что и
предопределяет их доминирующее использование при регистрации высокоэнергетических частиц и
γ-квантов.
Разработка новых экспериментов на Большом адронном коллайдере (LHC) в Европейской лаборатории ядерных исследований (ЦЕРН, Женева, Швейцария) потребовала новых технологий и материалов для детекторов. Одной из наиболее очевидных проблем стало отсутствие радиационно стойкого
и тяжелого сцинтилляционного материала для долговременной эксплуатации в интенсивных радиационных полях. Это делало проблематичным реализацию электромагнитной калориметрии в экспериментах, которая должна играть особую роль при проведении долговременных измерений: регистрировать недостающий в стандартной модели бозон Хиггса в самой простой моде его распада на два
γ-кванта. Возможно, уже в ближайшее время будет обнаружен этот объект, в сущности, ради которого и создавался этот комплекс стоимостью более 3,5 млрд долларов США. Таким образом, электромагнитная калориметрия является весьма важным экспериментальным методом в современной физике частиц и высоких энергий.
Сегодня в мире известно несколько типов электромагнитных калориметров, все они работают по
строго определенному принципу, а именно: в веществе с большим Z происходит развитие так называемого электромагнитного каскада, состоящего из заряженных частиц, электронов и позитронов,
γ-квантов. Частицы каскада, проходя через вещество сцинтиллятора, образуют свет, регистрируемый
фотоприемниками.
Наилучшие результаты по разрешению по массе достигаются в гомогенных калориметрах, рабочим веществом которых являются сцинтилляционные кристаллы. При планировании эксперимента
CMS с самого начала предполагалось использование тяжелых сцинтиллирующих кристаллов для
электромагнитного калориметра. Это единственная возможность создать компактную установку, которая заложена даже в названии – компактный мюонный соленоид. Надо отметить, что стоимость
электромагнитного калориметра в установке определяется не только стоимостью его элементов, но и
объемом, который он занимает в сверхпроводящем магните установки. Кроме этого, следует учесть
тот факт, что размеры электромагнитного ливня в среде определяются так называемым мольеровским
радиусом, величина которого связана с плотностью материала детектора. В случае тяжелых кристаллов с плотностью более 8 г/см3 поперечные размеры ливня не превышают 2 см.
Таким образом, в конце 1980-х гг. в экспериментальной физике частиц сформировалась ситуация,
когда отсутствие материалов с приемлемыми свойствами ставило под удар создание экспериментальных установок для наиболее грандиозного научного проекта XXI в.
Задача была решена физиками БГУ. Уже в 1970-х гг. на физическом факультете сложилось несколько мощных школ в области оптики и спектроскопии, физики твердого тела и ядерной физики.
Это имело весьма благотворное влияние на уровень образования студентов: выпускники кафедры
ядерной физики, например, были прекрасно подготовлены в области оптики, а те, кто специализировался в физике твердого тела, могли быстро вникать в радиационное материаловедение и т. д. Можно
57
Вестник БГУ. Сер. 1. 2011. № 3
утверждать, что уже тогда физический факультет имел возможности для подготовки мультидисциплинарных специалистов, способных заниматься решением комплексных задач.
Несмотря на то, что в конце 1980-х гг. в рамках программы SSC (Техас, США) проводились широкие поисковые работы по разработке новых сцинтилляционных материалов, а в ЦЕРНе была начата
научно-исследовательская работа RD18 при участии экспертов 15 стран, которая провела достаточно
подробные исследования широкого круга как активированных, так и самоактивированных люминесцентных неорганических соединений, столь ожидаемый материал появился все же в результате совместной исследовательской деятельности молодых ученых НИИ ядерных проблем (НИИ ЯП) и Института физики высоких энергий (ИФВЭ, Протвино).
Уже первые исследования, выполненные в начале 1990-х гг., показали, что наиболее перспективные классы материалов – вольфраматы. Явным контраргументом их применения являлось то, что
среди тяжелых соединений вольфраматов уже были обнаружены и активно использовались материалы с медленно затухающими сцинтилляциями в микросекундном диапазоне (CaWO4, CdWO4,
ZnWO4), что полностью исключало их использование в новых экспериментах. Однако в результате
проведенных исследований среди вольфраматов были установлены соединения – NaBi(WO4)2 и
PbWO4 – с потушенной собственной люминесценцией, обусловливающей быстрые сцинтилляции в
наносекундном диапазоне. Результаты были опубликованы в работе [1], открывшей дорогу вольфраматам в физику высоких энергий и ставшей классической. В дальнейшем из-за технологических проблем исследования по разработке NaBi(WO4)2 были свернуты, а по созданию технологии производства кристаллов вольфрамата свинца PbWO4 (PWO) получили активное развитие.
Первые тесты кристаллов вольфрамата свинца
Кристалл вольфрамата свинца, на котором впервые были измерены сцинтилляционные свойства
этого материала, был получен в НИИ «Монокристалл» (Харьков) в 1990 г. в рамках договора, выполнявшегося по техническому заданию НИИ ЯП. Никто
не мог представить, что у этого кристалла – большое
будущее (рис. 1).
В начале 1991 г. из кристалла, выращенного также в
НИИ «Монокристалл», был изготовлен первый сцинтилляционный элемент кристалла вольфрамата свинца
размером 20×20×120 мм3, содержащий более 10 радиационных длин Х0 и пригодный для тестов на пучке ускорителя. Он был всесторонне изучен на пучках электронов ускорителя У-70 ИФВЭ В.А. Качановым.
Результаты этой работы были представлены широкой
научной общественности в ЦЕРНе и на Международной конференции CRYSTAL-2000 в 1992 г. в Шамони
Рис. 1. Первый сцинтилляционный кристалл
(Франция) В.А. Качановым и М.В. Коржиком. Резонанс
вольфрамата свинца
научной дискуссии был столь велик, что стало очевидным – работы ведутся в правильном направлении. Встал вопрос о разработке лабораторной технологии производства кристаллов для обеспечения тестов сцинтилляционных элементов.
Проанализировав все возможности внедрения этого кристалла в промышленность, эксперты
ИФВЭ и НИИ ЯП остановились на Богородицком заводе технохимических изделий (БЗТХИ, Тульская область, Россия). Уже в марте 1993 г. были изготовлены 10 кристаллов, тесты которых на ускорителе ИФВЭ подтвердили, что материал PbWO4 обладает уникальной комбинацией свойств – высокой плотностью, быстро затухающими сцинтилляциями в удобном для фотоприемников спектральном диапазоне, удовлетворительной прозрачностью. Материал было решено использовать в эксперименте ALICE для создания фотонного детектора. Работы по совершенствованию технологии производства кристаллов PWO, доведению их до уровня требований экспериментов на LHC возглавили
молодые специалисты – физик из НИИ ЯП М.В. Коржик и технолог БЗТХИ А.Н. Анненков, ставший
впоследствии техническим директором завода.
В 1993–1994 гг. коллаборацией ALICE на пучке Н8 в ЦЕРНе группой экспериментаторов из
ИФВЭ, НИИ ЯП и LAPP (Франция) были проведены тесты макета калориметра, состоящего из 60 ячеек
PWO. Полученные в ходе тестов результаты оказались впечатляющими. Поэтому руководство CMS
полностью пересмотрело концепцию экспериментальной установки, и в сентябре 1994 г. сцинтилля58
Физика
тор PWO был принят в качестве основы для создания электромагнитного калориметра CMS, состоящего из беспрецедентно большого количества детекторных элементов – 80 тысяч кристаллов.
Свойства кристаллов вольфрамата свинца
PWO – тяжелый монокристалл (ρ = 8,28 г/см3) с наименьшей среди известных синтетических кристаллов радиационной длиной (X0 = 0,89 см). Его радиус Мольера составляет около 20 мм, что обеспечивает небольшие поперечные размеры электромагнитного ливня и высокую точность измерения
координат фотонов (электронов). Энергетическое разрешение PWO-калориметра уже при энергии
около 30 ГэВ выходит на уровень 0,5 %, а при энергии 1 ГэВ – менее 2 %. Точность измерения координат электромагнитного ливня для PWO-калориметра лучше 0,5 мм – сегодня это самый высокий
показатель, достигнутый в электромагнитной калориметрии при высоких энергиях.
Учитывая, что температурная зависимость выхода сцинтилляций в кристалле имеет коэффициент
2 %/ºС в относительно большом интервале температур, открывается техническая возможность увеличения выхода сцинтилляций за счет понижения его температуры при условии сохранения временного
спектра высвечивания сцинтилляций. При –25 ºС для таких кристаллов достижимым является световыход 80 фэ/МэВ, а 95 % света импульса сцинтилляций высвечивается за время менее 100 нс. Дальнейшее охлаждение кристалла приводит к перераспределению высвеченной светосуммы в пользу
медленной компоненты и нецелесообразно. Временное разрешение составило 130 рс для энергий γквантов более 25 МэВ.
Полученные результаты дают основание утверждать, что сцинтилляционный кристалл вольфрамата свинца при его охлаждении в детекторе до оптимальной температуры позволяет получать энергетическое и временное разрешение лучше, чем у кристалла CsI, и сравнимое с результатами, полученными с кристаллами BaF2 и трегерманата висмута BGO. Это открыло широкие возможности для
применения сцинтилляционного кристалла вольфрамата свинца в экспериментах по физике низких и
средних энергий.
В дополнение к экспериментам на LHC (CMS и ALICE) в настоящее время в различных научных
центрах мира готовятся новые эксперименты, где электромагнитные калориметры делаются на основе кристаллов вольфрамата свинца.
Эксперимент коллаборации MECO в Брукхейвенской национальной лаборатории (США) нацелен
на поиск нарушения симметрии при преобразовании мюонов в электроны в поле ядра. Электромагнитный калориметр установки состоит из 2300 кристаллов с размерами 30×30×120 мм3.
Эксперимент коллаборации PrimEx в Национальной лаборатории им. Джефферсона (США) нацелен на измерение с высокой точностью времени жизни τ°-мезона через эффект Примакова и использует 1200 PWO кристаллов с размерами 20,5×20,5×180 мм3.
Эксперимент коллаборации PANDA на накопительном антипротонном кольце в GSI (Германия),
который будет многофункциональным детектором, планирует использовать 16 000 кристаллов PWO
с размерами 27×27×200 мм3.
Рассматривается возможность применения кристаллов вольфрамата свинца на будущем ускорителе Международный линейный коллайдер ILС в эксперименте «Fourth».
Таким образом, монокристалл вольфрамата свинца является перспективным сцинтилляционным
материалом в настоящее время и на ближайшее десятилетие для применения в экспериментах по физике частиц высоких энергий. По совокупности параметров он наиболее оптимальный для использования в электромагнитной калориметрии на коллайдерах с большой светимостью и высокой частотой
столкновения пучков. Применение сцинтиллятора вольфрамата свинца позволяет создавать компактные гомогенные быстродействующие электромагнитные калориметры с удовлетворительным энергетическим разрешением в диапазоне энергий регистрируемых γ-квантов от 50 МэВ.
Технология производства кристаллов вольфрамата свинца
История производства кристаллов вольфрамата свинца является одним из редких случаев в последнее время, когда производство создавалось под строгим научным руководством и контролем
ученых, осуществлявших непрерывный десятилетний мониторинг качества кристаллов. Была создана
беспрецедентная система, предотвращающая попадание в калориметр кристаллов, которые могли бы
потенциально иметь в течение десятилетней эксплуатации какие-либо негативные изменения детекторных свойств.
Дело в том, что свойства PWO в значительной степени определяются технологией его выращивания и могут существенно меняться. Вплоть до конца 1990-х гг. было опубликовано достаточно много
59
Вестник БГУ. Сер. 1. 2011. № 3
экспериментальных данных с различными, часто
противоречивыми интерпретациями явно спекулятивного характера. Однако в то же время путем сопоставления экспериментальных данных были установлены:
• технологические особенности выращивания
кристалла, т. е. преимущественная утечка ионов
свинца из расплава, а следовательно, дефицит ионов свинца в кристалле при его получении методом
Чохральского;
• метод одновременной компенсации катионных
и анионных вакансий в кристалле посредством активации кристалла ионами со стабильным трехваРис. 2. Выращенные кристаллы PWO
лентным состоянием;
• роль ионов Мо в формировании люминесцентных свойств кристаллов вольфрамата свинца и необходимая спецификация по примесным ионам в
сырье для выращивания кристаллов;
• особенности распределения электронной плотности состояний в валентной зоне и зоне проводимости.
Это позволило непротиворечиво объяснить
такие особенности кристалла, как его окраска, люминесцентные характеристики, изменение спектральных свойств под действием ионизирующего излучения.
Понимание физических процессов в кристалле
оптимизировало технологию выращивания криРис. 3. Автоматизированное сертификационное оборудование сталла и довело ее до уровня требований для детекдля готовых элементов кристаллов вольфрамата свинца
торов на LHC.
Первой успешно решенной проблемой являлось устранение желтого цвета кристаллов. Поглощение света сцинтилляций центрами окраски в длинном кристалле создает большую неоднородность
световыхода вдоль сцинтилляционного элемента, что ухудшает энергетическое разрешение. Второй –
устранение в кинетике сцинтилляций медленных компонент. И наконец, третьей, наиболее важной из
решенных проблем было радикальное улучшение радиационной стойкости кристалла до уровня
1 м–1/100 кРад. Такие кристаллы имеют лучшие характеристики пропускания на длине волны 420 нм
(длина волны сцинтилляций) и высокое оптическое качество (рис. 2).
В настоящее время Россия – основной производитель кристаллов вольфрамата свинца в мире – не
менее 1000 сертифицированных сцинтилляционных элементов для различных экспериментов в физике высоких энергий в мире (рис. 3).
***
Достаточно дешевый и технологичный при выращивании и обработке кристалл PWO, обладающий уникальными характеристиками (высокие плотность, прозрачность и скорость высвечивания
сцинтилляций, малая радиационная длина, хорошая радиационная стойкость), занял лидирующие позиции в электромагнитной калориметрии. Общая мировая потребность в нем до 2010 г. составила
100 тысяч штук. Основное количество этих кристаллов было изготовлено в России. Наличие в этой
стране больших мощностей для производства кристалла PWO позволяет верить в реальность создания крупнейших электромагнитных калориметров нового поколения на ускорителях мировых ускорительных центров.
В настоящее время комплекс LHC введен в строй, происходит набор данных с конца 2009 г. Уже
сделано несколько важных открытий и уточнений. Показательным является спектр частиц, приведенный руководителем коллаборации CMS профессором Г. Тоннели на конференции NSS – MIC в конце
2010 г. (Ноксвилл, США). Благодаря в основном данным, полученным с помощью электромагнитного
калориметра, за полгода были «заново открыты» все частицы в диапазоне энергий до 100 ГэВ, кото60
Физика
рые были открыты в последние 30 лет. Это еще раз свидетельствует о беспрецедентной чувствительности экспериментального комплекса коллаборации CMS, нацеленного на обнаружение бозона Хиггса.
Внедрение сцинтилляционных кристаллов вольфрамата свинца в физику высоких энергий обеспечило реальный прорыв в области прецизионной электромагнитной калориметрии и по праву считается выдающимся достижением ученых Беларуси и России последнего десятилетия.
Автор выражает искреннюю благодарность коллегам из НИИ ядерных проблем и многочисленных
институтов, участвующих в реализации проекта LHC, за плодотворное сотрудничество при проведении совместных исследований.
1. B a r i s h e v s k y V . G . , K o r z h i k M . V . , K a t c h a n o v V . F . , M o r o z V . I . et al. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. A322. 1992. Р. 231.
Поступила в редакцию 16.08.11.
Михаил Васильевич Коржик – доктор физико-математических наук, заведующий отделом физики высоких энергий
НИИ ядерных проблем БГУ. Область научных интересов – физика высоких энергий, физика элементарных частиц, физика
детекторов ионизирующих излучений. Опубликовал более 250 работ, в том числе две монографии.
61