Газовые Резистивные Плоско-Параллельные Камеры для идентификации частиц методом времени пролета тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат физико-математических наук Акиндинов, Александр Владимирович

• Акиндинов, Александр Владимирович
• кандидат физико-математических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Акиндинов, Александр Владимирович

Введение

Глава 1 Режимы работы Плоско-Параллельных газовых детекторов. Зависимость временного разрешения от параметров газовой смеси и газового зазора.

1. Основные режимы работы газовых детекторов с плоскопараллельной геометрией.

2. Формирование и временные параметры импульса в ПлоскоПараллельных газовых детекторах.

1) Формирование сигнала в режиме «чистой лавины» (на примере ППК) и достижимое временное разрешение

2) Использование локального гасящего контура для подавления стримерных и искровых сигналов (РППК)

3) Возникновение искровых и стримерных сигналов и искажение временных характеристик камеры при наличии стримерного и искрового пробоя

3. Основные материалы и требования к точности изготовления детекторов.

1) Керамические и стеклянные подложки

2) Диапазон резистивности материалов, применяемых в РППК

3) Основные конструкции камер и способы съема сигнала

4. Замечания.

Глава 2 Изучение влияния параметров РППК на временное разрешение и эффективность.

1. Конструкция тестовой камеры.

2. Измерение основных параметров камеры

1) Методика измерений

2) Зависимость эффективности регистрации и временного разрешения от параметров камер

3) Зависимость временного разрешения от состава газовой смеси

4) Измерение радиационной стойкости рппк на основе стеклянных электродов

3. Замечания

Глава 3 Повышение загрузочной способности РППК

1. Загрузочная способность РППК для эксперимента ALICE и пути ее увеличения для эксперимента СВМ

2. Введение поверхностной резистивности и использование поликристаллических резистивных материалов.

1) Идея применения поверхностной резистивности

2) Измерение эффективности и временного разрешения в зависимости от загрузки.

3) Пример разделения частиц при больших загрузках.

3. Использование экспериментального низкорезистивного стекла.

1) Измерение резистивности фосфатного стекла

2) Измерение эффективности и временного разрешения в зависимости от загрузки.

4. Замечания.

Глава 4 Модульный принцип организации больших идентификационных систем на основе РППК.

1. Два типа модульной организации системы.

2. 32 канальный модуль на основе одиночных ячеек.

1) Эффективность и временное разрешение

2) Перекрестные наводки

3. Прототип модуля для эксперимента ALICE на основе сплошных электродов.

1) Эффективность и временное разрешение

2) Граничные эффекты и перекрестные наводки

4. Время пролетная система эксперимента ALICE на основе модулей со сплошными электродами

5. Замечания.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Газовые Резистивные Плоско-Параллельные Камеры для идентификации частиц методом времени пролета»

Актуальность проблемы

Основными целями исследований ядро-ядерных взаимодействий на современных и строящихся ускорителях являются [1,2]:

• Исследование динамики развития системы после ядеро-ядерного столкновения, эволюции температуры и плотности.

• Получение сигналов о возможном фазовом переходе ядерного вещества в новое состояние - кварк-глюонную плазму.

• Изучение изменений фундаментальных свойств элементарных частиц при высоких температурах и плотностях.

Для наиболее полной реализации этих исследований детектор должен иметь идентификационную систему, позволяющую регистрировать максимальное количество частиц в диапазоне импульсов от 100 МэВ/с до 3 ГэВ/с в режиме "событие-за-событием" («event-by-event»), что требует значительного улучшения чистоты разделения сортов частиц. Кроме того, по сравнению с экспериментами в области физики высоких энергий, в ядерных экспериментах множественности частиц существенно больше, что требует увеличения гранулярности идентификационных систем. В дополнении к этому, все детекторы должны быть нечувствительны к магнитным полям величиной до 1 Тл.

Примером такой идентификационной системы является центральная часть (|г||<0.9) установки ALICE на БАК [1] (сходную структуру имеют другие установки PHENIX и STAR на RIHC). Идентификационная система включает в себя четыре основные детекторные системы (рис. 1): t ri ttuviy Ф игг

07-m 7C0E Cff* мклжи

Рис. 1. Общий вид установки ALICE и основные детекторы идентификационной системы.

1. Внутренний координатный детектор (ITS) - для определения координаты вершины взаимодействия, определения координат распада короткоживущих частиц и идентификации частиц с малыми импульсами (<100 МэВ/с) по потерям энергии. Методика данной подсистемы на основе пиксельных, дрейфовых и стриповых полупроводниковых детекторов хорошо отработана и позволяет получать необходимые разрешения.

2. Основной координатный детектор (ТРС) - для определения импульса частицы по кривизне трека в магнитном поле и идентификации частиц с импульсом <700 МэВ/с по потерям энергии. Данная подсистема реализуется на основе отработанной методики создания дрейфовых камер большого объема.

3. Идентификатор электронов и дополнительный трековый детектор (TRD) для разделения электронов и адронов и получения дополнительной координатной информации о треке частицы. Методика данной подсистемы реализована на многослойных детекторах переходного излучения со считыванием пропорциональными камерами. i 4. Времяпролетный идентификатор частиц (TOF) - обеспечивает идентификацию сорта частицы с известным импульсом по времени пролета в диапазоне от 0.5 до 2.5 ГэВ/с на базе в 3.8 метра (разрешение менее 100 л псек.). Общая площадь системы более 140 м , общее число каналов 150 000.

Все детекторные подсистемы уникальны по числу каналов, объему и требованиям к разрешению, но для реализации детектора времени пролета к началу 90-х годов существовала лишь методика, основанная на традиционных фотоумножителях и сцинтилляторах. Эта методика дает принципиальную возможность получения требуемого временного разрешения, но не реализуема по причинам больших финансовых затрат и трудностей при работе в сильном магнитном поле. Создание новой методики TOF детекторов стало основной методической задачей для идентификационных систем современных ядерных экспериментов.

Основной целью данной работы явилось создание новой методики детекторов времени пролета с рекордным временным разрешением (менее 100 псек.) на основе газовых Резистивных Плоско-Параллельных Камер (РППК) и их интеграция в идентификационные системы большой площади для современных экспериментов.

Основными целями диссертационной работы являются:

• Первой целью работы являлось получение высокого временного разрешения (а < 100 псек.) в камерах с плоско-параллельной геометрией, работающих в режиме насыщенной лавины. Для этого было изучено влияние на временные характеристики конструкции камеры, материала электродов, величины и количества зазоров, состава газовой смеси.

• Второй целью исследования было повышение загрузочной способности и радиационной стойкости РППК путем использования различных низкорезистивных материалов.

• Третья цель работы - поиск оптимальных способов интеграции РППК в большие модули и измерение характеристик больших времяпролетных систем.

На защиту автор выносит следующие результаты:

1. Методика и результаты измерений временного разрешения и эффективности РППК для различных типов конструкций камер и газовых смесей.

2. Результаты исследования различных низкорезистивных материалов, направленных на повышение загрузочной способности и радиационной стойкости РППК.

3. Модульный принцип организации больших идентификационных плоскостей и результаты измерений параметров двух различных модулей-прототипов для эксперимента ALICE.

Научная новизна работы:

Впервые было получено уникальное временное разрешение для РППК и определено влияние на него качества сборки и количества зазоров.

Впервые проведено детальное изучение влияние состава рабочей газовой смеси на временное разрешение РППК.

Впервые разработаны и испытаны радиационно стойкие РППК с поверхностным слоем SiC для работ в условиях высоких загрузок.

Впервые испытаны многоканальные времяпролётные системы для двух способов интеграции РППК, на основе которых создан детектор TOF для ALICE и разрабатывается времяпролетная система для СВМ.

Апробация работы и публикации

Результаты работы докладывались на 5-ой, 7-ой и 8-ой международных конференциях «Resistive Plate Chambers and Related Detectors»:

Бари, Италия 28-29 октября 1999г; Клермон-Ферран, Франция 26-27 июля 2003г;

Сеул, Корея 10-12 октября 2005г, и на VIII международной конференции

Instrumentation for Colliding Beam Physics», Новосибирск, Россия, 28 февраля-6 марта 2002года.

Диссертация основана на результатах работ, опубликованных в период с 2000 по 2007 год в журналах «Приборы и техника эксперимента», Nuclear Physics В, «Nuclear Instruments and Methods in Physics Research», препринтах ИТЭФ и материалах международных конференций.

Структура диссертации:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Каждая из глав содержит краткие замечания и пояснения. Основные выводы диссертации приведены в заключении. Объём диссертации 52 страницы, 38 рисунков, и 20 наименований цитируемой литературы.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Акиндинов, Александр Владимирович

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Проведена работа по оптимизации конструкции камеры, числа зазоров и газовой смеси. Результаты измерений дали возможность выбрать конструкцию с наилучшими параметрами: 6-10 зазоров с размером 230-260 микрон, газовая смесь 93% C2H2F4 + 7 % SF6. Данные камеры имеют эффективность регистрации более 98% и временное разрешение на уровне 50 псек.

2. Для улучшения загрузочной способности РППК была разработана камера на основе керамических электродов с напылённым низкорезистивным слоем SiC. Данная камера позволяет получать временное разрешение лучше 100 псек. л при загрузках до 5 кГц/см .

3. Изучены системные аспекты интеграции РППК в большие время пролетные системы. Разработаны и испытаны два типа организации модулей: в виде отдельных ячеек и на основе сплошных стекол. Оба типа модулей имеют высокое временное разрешение (меньше 100 псек.). Первый тип имеет низкий уровень перекрестных наводок (меньше 1%), а второй при более высоком уровне (до 16%) более прост при сборке. На основе второго варианта построена времяпролетная система детектора ALICE, находящаяся в стадии установки и запуска.

Тенденцией в современной экспериментальной физике является замещение технологией РППК традиционной методики время пролетных измерений с использованием ФЭУ. На основе РППК созданы времяпролетные системы детекторов ALICE и HARP и планируется создание аналогичных систем в детекторах STARhCBM.

В заключение, считаю своим приятным долгом искренне поблагодарить научного руководителя д.ф.-м.н. Ю.Т. Киселева за руководство и помощь в написании работы.

Выражаю благодарность сотрудникам группы ИТЭФ в эксперименте ALICE за помощь в проведении измерений и плодотворное обсуждение результатов работы. Хочу также поблагодарить иностранных коллег группы ALICE TOF и в целом эксперимента ALICE за помощь в работах, выполненных в ЦЕРН.

Особую признательность хотел бы выразить основателю и, вплоть до трагического ухода из жизни, бессменному руководителю группы ИТЭФ в эксперименте ALICE A.B. Смирнитскому за неоценимый вклад, который он вносил в моё научное образование. Данную работу я посвящаю его памяти.

Заключение

Данная диссертационная работа посвящена исследованию различных типов РППК для создания детекторов с высоким временным разрешением и высокой эффективностью регистрации их интеграции в большие идентификационные системы современных экспериментов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Акиндинов, Александр Владимирович, 2007 год

1. ALICE Collaboration, Technical Proposal, CERN/LHCC 95-71.

2. ALICE Collaboration, Time-of-flight system, ALICE TDR 8, CERN/LHCC 2000-12;

3. ALICE Collaboration, Time-of-flight system, Addendum to ALICE TDR 8, CERN/LHCC 2002-16.

4. A. Akindinov, A. Alici, F. Anselmo, et al., Nucl. Instr. and Meth. A 456 (2000) 16-22.

5. A. Akindinov, A. Martemiyanov, V. Plotnikov, et al., Preprint ITEP 16-04

6. A. Akindinov, A. Alici, F. Anselmo, et al., Nucl. Instr. and Meth. A 533 (2004) 93-97.

7. Technical Status Report for the Compressed Baryonic Matter Experiment Darmstadt, February 2005

8. A. Akindinov, A. Martemiyanov, V. Plotnikov, et al., Preprint ITEP 45-98 14.A. Akindinov, A. Martemiyanov, V. Plotnikov, et al., Preprint ITEP 13-02 15. A. Akindinov, V. Golovine, A. Martemianov, et al., Nucl. Instr. and

9. Meth. A 494 (2002) 474-479 16. A. Akindinov, V. Ammosov, V. Gapienko, et al., Nucl. Instr. and Meth. A 572 (2007) 676-681

10. A. Akindinov, P. Fonte, F. Formenti, et al., IEEE TRANSACTIONS ON

11. NUCLEAR SCIENCE, VOL. 48, NO. 5, pp. 1658-1663, 2001 18. A. Akindinov, A. Alici, F. Anselmo, et al., Nucl. Instr. and Meth. A 532 (2004)611-621.

12. A. Akindinov, S. Alessandrini, A. Alici, et al., Nuclear Physics B (Proc. Suppl.) 158 (2006) 78-82

13. A. Akindinov, S. Alessandrini, A. Alici, et al., Nuclear Physics В (Proc. Suppl.) 158 (2006) 60-65