Газовая калориметрия для экспериментов с высокими загрузками тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.23, кандидат физико-математических наук Гилицкий, Юрий Владимирович

• Гилицкий, Юрий Владимирович
• кандидат физико-математических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Гилицкий, Юрий Владимирович

Введение,

1 Калориметрия в экспериментах физики высоких энергий

1.1 Электромагнитные и адронные ливни.

1.2 Энергетическое разрешение калориметров.

1.3 Примеры использования калориметров в физических экспериментах.

1.4 Радиационная стойкость калориметров.

2 Адронный газовый ионизационный калориметр

2.1 Конструкция и выбор активной среды адронного калориметра.

2.2 Регистрирующая электроника.

2.3 Измерение шумовых характеристик детектора.

2.4 Схема эксперимента.

2.5 Основные результаты.

2.6 Анализ шумовых характеристик, быстродействия и динамического диапазона токовых усилителей, согласованных с передающей линией, при сосредоточенной емкости детектора.

3 Газовый ионизационный калориметр с модульной структурой

3.1 Выбор конструкции модуля и рабочего газа.

3.2 Конструкция модуля газового ионизационного калориметра

3.3 Регистрирующая электроника.

3.4 Измерения и основные результаты.

3.5 Согласование детектора с передающей линией и усилителем

3.6 Результаты измерений.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Газовая калориметрия для экспериментов с высокими загрузками»

Калориметры, используемые для измерения энергии частиц, стали неотъемлемой частью экспериментальных установок во всех крупных экспериментах последних десятилетий в области физики высоких энергий. Они являются важнейшей частью ведущихся и готовящихся экспериментов на встречных пучках (эксперименты CDF и DO на коллайдере TEVATRON в лаборатории FNAL, США, эксперименты ATLAS, CMS, LHCb на коллайдере LHC в CERN, Швейцария) и ускорителях с фиксированными мишенями (эксперименты СВМ и PANDA на ускорителе FAIR лаборатории GSI в Германии и опыты на будущем высокоинтенсивном протонном ускорителе J-PARC в лаборатории КЕК, Япония).

Все достоинства данного класса приборов хорошо известны, широк спектр их реализаций, позволяющий достаточно быстро решать сложные задачи, выдвигаемые новыми экспериментами. Основным достоинством этих детекторов является улучшение их точностных характеристик с ростом энергии частиц и струй. Современные калориметры обладают как правило высокими быстродействием и сегментацией, что позволяет использовать информацию с них не только для измерения энергии, но и для идентификации частиц и определения их координат, а также формировать высокоселективный триггер на события с интересующей топологией, что важно в экспериментах с высокими загрузками.

Но устойчивая тенденция роста числа каналов съема информации до сотен тысяч, ужесточение противоречивых требований на повышение быстродействия и точности, а также использование их в сильных магнитных полях при высоких радиационных нагрузках из-за постоянного роста энергии и интенсивности ускорителей например, в коллайдере LHC плановая светимость должна составлять 1.0x1034cm"2c1 с последующим увеличением на порядок при энергии пучков 7ТэВ и интервалом между взаимодействиями 25нс) требует поиска новых решений при создании калориметров. По этим же причинам становится практически невозможно рассматривать калориметр без учета дальнейшего тракта съема полезного сигнала, так как оптимальные точностные характеристики, необходимые в конкретном эксперименте, могут быть достигнуты при откликах калориметров значительно больше интервала между событиями.

Существует множество типов калориметров, созданных для различных экспериментов в физике высоких энергий, но вышеперечисленным требованиям удовлетворяют далеко не все. В частности, особенно высокой радиационной стойкостью обладают кварцевые и ионизационные калориметры. Именно поэтому на коллайдере LHC в качестве переднего калориметра установки CMS используется кварцевый вариант, а в эксперименте ATLAS-жидкоаргонный, радиационная нагрузка которых за десять лет должна составить более 1Град.

Одним из перспективных направлений в калориметрии являются детекторы на базе газовых ионизационных камер, так как подвижность носителей заряда в газах на порядок выше, чем в жидкостях. Газовые ионизационные калориметры обладают хорошим энергетическим и временным разрешением, а также высокой радиационной стойкостью. Поэтому разработки в этом направлении являются важными и актуальными.

В настоящей диссертации представлены результаты разработок и исследований газовых ионизационных адронных калориметров. Так как основные точностные характеристики данного типа приборов энергетическое, пространственное, временное разрешения, уровень шумов и др.) во многом определяются электронным трактом и, в первую очередь, предварительным усилителем, особое внимание в диссертации уделено вопросам электроники.

Настоящая диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. В первой главе дана классификация калориметров и описаны физические процессы, определяющие их характеристики, а также приведены различные реализации в современных экспериментах и дан их сравнительный анализ. В ней рассмотрены также вопросы, связанные с работой калориметров при высоких радиационных нагрузках и оценены пределы радиационной стойкости различных типов калориметров. Вторая глава посвящена вопросам разработки и измерения характеристик газового ионизационного адронного калориметра с плоскопараллельной геометрией электродов. Особое внимание в ней уделено оптимизации характеристик регистрирующей электроники. В частности, было показано, что при кабельном соединении между детектором и предварительным усилителем, уровень шумов определяется током через головной элемент усилителя с фиксированным входным сопротивлением и не зависит от схемы его включения, что позволяет вынести регистрирующую электронику из радиационно опасной зоны без потери быстродействия детектора. Указанные исследования были проведены впервые. Результаты исследований характеристик тяжелого фреона-218 как

Заключение диссертации по теме «Физика высоких энергий», Гилицкий, Юрий Владимирович

Заключение

В настоящей диссертации представлены результаты исследований адронных газовых ионизационных калориметров с плоскопараллельной геометрией электродов, выполненных на пучках адронов и электронов ускорителя ИФВЭ в области энергий до 60 ГэВ. Измерения проводились для двух типов калориметров: с единым ( общим ) газовым объемом и с модульной структурой. В качестве активного вещества использовались газовые смеси Аг+СБд и чистый фреон С3р8 при различных давлениях. Пассивными поглотителями-конверторами служили пластины из урана и стали различной толщины.

Основной характеристикой калориметров является энергетическое разрешение. Для калориметра с урановыми пластинами толщиной ^=6.5мм, наполненного смесью Аг+СР4 при давлении 40 атмосфер, оно оказалось равным: с(Е)/Е = 3.3/Е 0 (0.69Л/Е + 0.016), Е в ГэВ, причем стохастический член практически не зависит от давления в интервале от 5 до 40 атмосфер. Тонкая продольная сегментация данного калориметра позволила изучить зависимость параметра В в стохастическом члене от толщины одного поглотителя:

ВЛ/Е = 0.57^Е © 0.37Л/Е, где I представлено в единицах ^

Другой важной характеристикой калориметров является отношение е/Ь откликов на электроны и адроны. Для калориметра с 6.5мм урановыми поглотителями с рабочим газом 95%Аг+5%СР4 при 40 атмосферах получено близкое к единице значение е/Ъ=1.17±0.03. При добавлении в рабочий газ метана, содержащего атомы водорода, это отношение уменьшилось до 1.07±0.03. Было показано, что е/Ъ зависит от длительности строб-импульса АЦП и его положения относительно сигнала с калориметра и может оказаться даже меньше единицы. Возможность получения близкого к 1 значения е/Ь является важным достоинством ионизационных газовых калориметров.

Ключевыми проблемами при создании газовых ионизационных калориметров являются уровень шума регистрирующей электроники, возможность электрического объединения ячеек по глубине без потери быстродействия и снижение давления газа без ухудшения отношения сигнала к шуму. Представленный в диссертации анализ характеристик быстрых токовых усилителей с фиксированным входным сопротивлением 50 Ом для адронных калориметров с сосредоточенной емкостью показал, в частности, что уровень шума определяется током головного элемента, не зависит от схемы его включения и может быть доведен до 8ке при емкости ячейки 290пФ. Продемонстрировано также, что объединение ячеек по глубине калориметра при условии согласования детектора с каналом регистрации позволяет достичь длительности выходного сигнала 40 не при скорости дрейфа электронов в рабочем газе 0.1мм/нс, характерной для «быстрых» газов, включая фреон С3Р8 и смеси Аг+СР4, без потери сигнала.

Прямой способ понижения давления рабочего газа без потери амплитуды сигнала - применение газов с высокой плотностью. К таким газам относится фреон С3Р8, плотность которого в 4.4 раза выше, чем у смеси Аг+СР4, при примерно одинаковой скорости дрейфа электронов: Выполненные измерения показали низкий уровень собственной электроотрицательности этого газа при используемых в ионизационном режиме напряженностях электрического поля: средний пробег электрона в С3Р8 при атмосферном давлении и чистоте 0.9999 составляет 2.25 см и значительно превышает ширину газового промежутка в исследованных калориметрах.

Другой способ решения «проблемы» давления рабочего газа -использование модульной структуры калориметра, в которой произведение объема газа в данном модуле на его давление является достаточно малой величиной, допускающей эксплуатацию детектора без специальных мер безопасности. Такой модуль был спроектирован, изготовлен и исследован в пучке электронов с энергией 26.6 ГэВ. Разрешение по энергии для сборки из двух модулей, каждый из которых содержит шесть 30 мм стальных конвертора и заполнен фреоном СзРв, оказалось близким к 7% после вычитания шумового вклада, что согласуется с результатами моделирования. Эта величина почти не зависит от давления рабочего газа в интервале от 2 до 6 атмосфер.

Таким образом, в диссертационной работе впервые проведены детальные исследования газовых ионизационных калориметров для измерения энергии адронов, включая регистрирующую электронику. Основными достоинствами данного типа детекторов являются:

• хорошее энергетическое разрешение;

• высокие быстродействие и временное разрешение, связанные с высокой скоростью дрейфа электронов в рабочих газах;

• хорошая однородность для плоскопараллельной геометрии электродов, что нашло отражение в малой величине постоянного члена в формуле для разрешения по энергии;

• высокая стабильность, обусловленная слабой зависимостью скорости дрейфа от высокого напряжения и отсутствием внутреннего усиления;

• очень высокая радиационная стойкость, основанная на возможности использовать только материалы, выдерживающие большие радиационные нагрузки, и быстро и часто менять активную среду, если это необходимо;

• простая относительная электронная калибровка, позволяющая быстро и с высокой точностью выравнивать отклики каналов;

• высокая надежность и низкая стоимость.

В заключении считаю своим приятным долгом поблагодарить С.П. Денисова за предложение участвовать в исследованиях газовых ионизационных калориметров, руководство диссертационной работой и помощь при подготовке диссертации, И.В. Котова, В.И. Кочеткова, Ю.В. Михайлова, С.А. Мухина, В.А. Онучина, А.П. Солдатова, A.A. Спиридонова, Д.Ю. Струздюмова, В.В. Сытника, H.H. Федякина,

К.Е. Шестерманова за большой вклад в многолетние исследования свойств газовых ионизационных калориметров, А.Ю. Душкина, В.Н. Михайлина, И.В. Шеина за активное участие в создании и эксплуатации установки, И.Н. Белякову, В.В. Волкову , О.Н. Ромашову, Т.В.

Закорючкиной, С.А. Звягинцеву, Н.Е. Филимонову за вклад в создание и тестирование прототипов калориметров и регистрирующей электроники. I

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Гилицкий, Юрий Владимирович, 2008 год

1. U. Amaldi, Phys.Scripta, 23, 710 (1981).

2. B. Rossi, High Energy Particles, New York, Prentice Hall, 1952.

3. C. Fabjan et al., Ann. Rev. Nucl. Part. Sci., 32:335-89, 1982.

4. D. Crawford et al., Phys. Rev., 128, P352, 1962.

5. E. Longo et al., Nucl. Instr. And Meth., A128, P. 183, 1975.

6. H. Nagel, Z. Physik, 186, P.319,1965.

7. W.- M. Yao et al, Journal of Physics, G33, 1, 2006.

8. Y. Kulchitsky et al., Preprint JINR-E1-99-3 26, 1999.

9. C. Fabjan, Preprint CERN-EP/85-54, 1985.

10. G. Drews et al., Nucl. Instr. And Meth., A290, P.335, 1990.

11. R. Wigmans, Nucl. Instr. And Meth., A259, P.389, 1987.

12. A. Diddens et al., Nucl. Instr. And Meth., A178, P.27, 1980.

13. P. Adzic et al., CERN-CMS-NOTE-2006-148, 2007.

14. A. Dolgopolov et al., Preprint IHEP 98-25, Protvino, 1998.

15. V. Anikeev et al., Preprint IHEP 97-32, Protvino, 1997.

16. V. Fanti et al., Nucl. Instr. And Meth., A344, P.507, 1994.

17. V. Aulchenko et. al., Nucl. Instr. And Meth., A327, P. 193, 1993.

18. G. Atoian et al., Nucl. Instr. And Meth., A584, P.291, 2008.

19. G. Avoni et al., Nucl. Instr. And Meth., A580, P. 1209, 2007.

20. D. Gingrich et al., Nucl. Instr. And Meth., A389, P.398, 1997.

21. R. Wigmans, Nucl. Instr. And Meth., A265, P.273, 1988.

22. E. Bernardi et al., Nucl. Instr. And Meth., A262, P.229, 1987.

23. U. Behrens et al.„ Nucl. Instr. And Meth., A289, P.l 15, 1990.

24. A. Bernstein et al., Nucl. Instr. And Meth., A336, P.23, 1993.

25. F. Ariztizabal et al., Nucl. Instr. And Meth., A349, P.384, 1994.

26. S. Abachi, Nucl. Instr. And Meth., A324, P.53, 1993.

27. R. Arnaldi et al., Nucl. Instr. And Meth., A411, P. 1, 1998.

28. X. Aslanoglou et al., Eur. Phys. J., C.52, P.495, 2007.

29. A. Peisert, F. Sauli, CERN Preprint 84-08, Geneva, 1984.

30. T. Yamashita et al., Nucl. Instr. And Meth. A317 P.213, 1992.

31. N. Fedyakin et al., Nucl. Instr. And Meth. A 317 P.313, 1992.

32. P. H. Краснокутский и др., ЭЧАЯ 22(1), Стр.265, 1991.

33. Р. D. Angelo, Nucl. Instr. And Meth. A193 P.533, 1982.

34. J. Fisher et al., Nucl. Instr. And Meth. A238 P.249, 1985.

35. P. H. Краснокутский и др., Приборы и техника Эксперимента №3, Стр.123, 1988.

36. Р. Н. Краснокутский и др., Приборы и Техника Эксперимента №5, Стр.118, 1988.

37. S. Denisov et al., Nucl. Instr. And Meth., A335, P.106, 1993.

38. N. Fedyakin et al. Preprint IHEP 92-126, Protvino, 1992.

39. M. Akopyan et al. Nucl. Instr. And Meth. A330 P.465, 1993.

40. R. Chase et al. Nucl. Instr. And Meth. A330 P.228, 1993.

41. P.W. Nicholson, Nuclear Electronics. Wiley, 1982.

42. Ф.Г. Абрамов и др. Приборы и Техника Эксперимента №2, Стр.111, 1984.

43. В. Томановская и др., изд-во Химия, Ленинградское отд-е, 1970.

44. S. Hunter et al., Phys. Rev. A 38 P.58, 1988.

45. S. Spirou et al., J. Chem. Phys. V78(12), P.7200, 1983.

46. S. Hunter et al., J. Appl. Phys. V58(8), P.3001, 1985.

47. H. Schonbacher et al., Preprint CERN 79-04, Part 1, Geneva, 1979.

48. V. Babintsev et al., Preprint IHEP 94-24, Protvino, 1994.

49. P. Nevski et al., ATLAS Int. Note CAL-No-043, CERN, 1994.

50. V. Konstantinov et al., Preprint IHEP 93-117, Protvino, 1993.

51. S. Denisov et al., Prepared for 5th International Conferenceon Calorimetry in High-energy Physics, Upton, NY, 25 Sep 1 Oct 1994. In *Upton 1994, Calorimetry in high energy physics, P.380.

52. S. Denisov et al., Given at 4th International Conference on Calorimetry in High-energy Physics, La Biodola, Italy, P. 19, Sep 1993. In *La Biodola 1993, Calorimetry in high energy physics, P. 49.

53. Ю. Гилицкий и др., Приборы и Техника Эксперимента, 40 №5. Стр. 12,1997.

54. S. Denisov et al., Preprint IHEP 96-74 , Protvino, 1996 Prepared for 6th International Conference on Calorimetry in High-energy Physics (ICCHEP 96), Rome, Italy, 8-14 Jun 1996. Published in *Frascati 1996, Calorimetry in high energy physics* P. 165.

55. S. Denisov et al., Nucl.Instrum.Meth., A419, Р590Д998. Given at 8th Vienna Wire Chamber Conference (WCC 98): Wire Chambers: Recent Trends and Alternative Techniques, Vienna, Austria, 23-27 Feb 1998.

56. N. Fedyakin, Yu. Gilitsky, Nucl. Instr. And Meth., A346, P. 292, 1994.

57. G. Battistoni et al., Nucl. Instr. And Meth. A424 P.533, 1998.