Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) для физики высоких энергий

С учетом целей и задач физики высоких энергий одной из приоритетных методик регистрации частиц для быстродействующих детекторов может являться использование черенковских детекторов на основе кварцевых или стеклянных радиаторов в прямом оптическом контакте с фотоэлектронными умножителями (ФЭУ). Подобные ФЭУ производятся ВТЦ «Баспик» — «Топаз-М» и «Сапфир-2АМ».

Наиболее адаптированными типами ФЭУ к регистрации сигналов с высоким временным разрешением являются ФЭУ с линейно-фокусированной, сетчатой, металлоканальной  и микроканальной динодными системами, однако только ФЭУ с сетчатыми динодными системами и микроканальными пластинами способны корректно работать в условиях магнитных полей более 100 мТл  без дополнительной громоздкой магнитной экранировки.

ФЭУ «Топаз» имеет временное разрешение ~ 1 нс, что в сочетании с подбором оптимального сцинтиллятора, позволит использовать его для регистрации излучений в различного рода экспериментах на ускорителях элементарных частиц. Помимо собственного временного разрешения ФЭУ, большое влияние на результирующие временные характеристики детектора оказывают также параметры сцинтиллятора, включая их геометрию, время и спектр высвечивания. Наилучшие на сегодняшний день сцинтилляторы для временных применений имеют время высвечивания 0,8–1,4 нс (быстрая компонента  кристалла BaF2 и пластмассовый сцинтиллятор EJ-228 соответственно), однако их максимальный характерный размер составляет, как правило, не более 10 см, поэтому во многих случаях целесообразнее использовать радиаторы черенковского излучения — излучения возникающего при движении заряженной частицы в среде со скоростью превышающую скорость распространения света в этой среде. Фундаментальный предел на длительность черенковской вспышки составляет всего несколько фемтосекунд, а практический предел на временное разрешение подавляющего большинства черенковских детекторов определяется геометрией и размерами радиатора, и собственным временным разрешением фотодетектора на статистике фотонов, ограниченной интенсивностью черенковской вспышки.

Когда необходимо регистрировать частицы в большом интервале углов и/или одновременно несколько частиц, применяют детекторы типа RICH (Ring Imaging Cherenkov). Если траектория заряженной частицы не параллельна оси счетчика Z, а имеет относительно нее угловые координаты ϴр, φр, то кольцо, в которое соберется черенковский свет в фокальной плоскости сферического зеркала, сместиться: его центр будет иметь полярные координаты r0 = R/2×tgϴр, φ0р

Таким образом, определив положение центра и радиус кольца черенковского излучения, можно не только измерить скорость частицы, но и найти угловые координаты ее траектории, что и реализуется в счетчиках RICH. В них вместо кольцевой диаграммы в фокальной плоскости помещаются приемники, способные эффективно регистрировать отдельные фотоны и измерять их координаты — например, ФЭУ с небольшим диаметром фотокатода.

Позднее в ИФВЭ (Институт физики высоких энергий) был разработан и изготовлен 10-метровый счетчик RICH с матрицей из 2848 ФЭУ для экспериментов в Национальной ускорительной лаборатории им. Ферми в США. Счетчик заполнялся неоном при давлении 1 атм. Он позволял разделять пионы и каоны до энергий 185 ГэВ и пионы, и протоны — до 320 ГэВ.

Единственный для γ-квантов и один из основных для электронов способ определения энергии в области больше нескольких ГэВ — метод полного поглощения электромагнитных ливней, создаваемых ими в веществе детектора. Пролетев примерно 2 см, γ-квант превратиться в электрон и позитрон, которые в свою очередь, на той же дистанции около 2 см потеряют около половины энергии на тормозное излучение. Тормозные фотоны, пролетев еще 2 см, породят новые пары и т.д. Образовавшиеся в веществе электроны, позитроны и γ-кванты и составляют электромагнитный ливень. Естественно, ливневые электроны и позитроны излучают в стекле черенковский свет. Суммарная длина треков всех электронов и позитронов в ливне и, следовательно, число черенковских фотонов оказывается пропорциональным энергии первичной частицы. Таким образом, измерив при помощи фотоумножителя интенсивность вспышки черенковского излучения в толстом блоке стекла, можно определить энергию частицы, вызвавшей ливень.

Немаловажным при работе в области физики высоких энергий является радиационная стойкость к жесткому излучению. ФЭУ на МКП обладают высокой радиационной стойкостью по сравнению с полупроводниковыми фотоумножителями и способны выдерживать большие дозы облучения без существенного снижения характеристик.