Исследование характеристик модулей при создании жидкоаргонового торцевого адронного калориметра установки ATLAS тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Шалюгин Андрей Николаевич

• Шалюгин Андрей Николаевич
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Шалюгин Андрей Николаевич

Введение

Глава 1. Торцевой адронный калориметр (НЕС-калориметр) установки ATLAS.

1.1. Конструкция НЕС-калориметра

1.2. Детекторная электроника НЕС-калориметра

Глава 2. Модуль НЕС-калориметра установки ATLAS.

2.1. Общее описание модуля

2.2. Медный поглотитель

2.3. Межэлектродные коврики из Honeycomb-материала

2.4. Электроды...............................................................................................................................3.Q

2.5. Стягивающие шпильки и спейсеры

Глава 3. Облучательная установка для радиационных исследований на канале №3 реактора ИБР-2 ЛНФ ОИЯИ.

3.1. Реактор ИБР-2

3.2. Облучательная установка на канале №3 реактора ИБР-2

3.3. Спектр энергий и поток быстрых нейтронов на канале №3 реактора ИБР-2

3.4. Дозиметрия у-излучения на канале №3 реактора ИБР-2

Выводы к Главе

Глава 4. Тестирование элементов жидкоаргоновых торцевых калориметров (FCAL, EMEC, HEC) установки ATLAS на предмет загрязнения жидкого аргона кислородом в сильных радиационных полях.

4.1. Ионизация в жидком аргоне

4.2. Ионизационная камера

4.3. Установка для измерения загрязнения жидкого аргона кислородом

4.3.1. Криогенная система

4.3.2 Система очистки

4.3.3. Электроника установки

4.3.4. Система сбора данных

4.4. Спектр нейтронов

4.5. Предварительные тесты

4.5.1. Калибровка шкалы АЦП

4.5.2. Обработка данных и анализ систематической ошибки

4.5.3. Чувствительность к загрязнению жидкого аргона кислородом

4.6. Тестирование элементов жидкоаргоновых торцевых калориметров

4.7. Развитие метода описания ионизации в жидком аргоне от а-частиц

Выводы к Главе

Глава 5. Тестирование системы управления и контроля низковольтного питания HEC-калориметра на предмет радиационной стойкости.

5.1. Управление и контроль низковольтным питанием НЕС-калориметра................8?.

5.2. Требования к радиационной стойкости электроники

5.3. Радиационная стойкость QL-контроллеров..................................................................9_8

5.3.1. Предварительные тесты QL-контроллеров

5.3.2. Окончательное тестирование QL-контроллеров

Выводы к Главе

Глава 6. Серийное производство модулей НЕС-калориметра в ЛЯП ОИЯИ.

6.1. Организация работ

6.2. Производственный участок сборки модулей в ЛЯП ОИЯИ

6.3. Тестирование компонентов модулей

6.3.1. Тестирование межэлектродных ковриков из Honeycomb-материала..............10?

6.3.2. Тестирование ROB- и EST-электродов

6.4. Механическая сборка модулей

6.5. «Холодный» высоковольтный тест модулей

Выводы к Главе

Глава 7. Калибровка модулей НЕС-калориметра на тестовом пучке SPS-ускорителя (CERN).

7.1. Общее положение................................................................................................................11?

7.2. Экспериментальная установка для калибровки модулей НЕС-калориметра

на пучке SPS-ускорителя

7.3. Трековая часть экспериментальной установки

7.3.1. Конструкция пучковых пропорциональных камер

7.3.2. Электроника пучковых пропорциональных камер

7.3.3. Режим работы пучковых пропорциональных камер

7.3.4. Обслуживание пучковых пропорциональных камер............................................13?

7.4. Система сбора данных

7.5. Результаты калибровки: высоковольтные сканы

7.6. Энергетическое разрешение на электронах

7.7. Энергетическое разрешение на пионах

Выводы к Главе

Заключение

Список литературы

Словарь сокращений и терминов

Приложение А

Приложение Б

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование характеристик модулей при создании жидкоаргонового торцевого адронного калориметра установки ATLAS»

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность темы. В Европейском Центре Ядерных Исследований (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, CERN) в Женеве (Швейцария) создана и с 2009 года успешно работает экспериментальная мега-установка ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) на Большом Адронном Коллайдере (LHC). Проектные характеристики LHC, а именно: максимальная энергия протон-протонных столкновений 14 ТэВ, частота столкновений 40 МГц, максимальная множественность вторичных частиц 50, максимальная светимость1034 см-2 сек-1 ставят установку ATLAS на передний край фундаментальной науки с точки зрения достижений в физике частиц и внедрения новых технологий.

Одним из главных достижений установки ATLAS являлось экспериментальное обнаружение и определение массы и свойств новой элементарной частицы Хиггс-бозона. Первый раз о существовании этой частицы в Стандартной Модели заявлялось физиками-теоретиками в 1964 году для описания механизма того, как фундаментальные частицы приобретают массу. Требовалось экспериментальное подтверждение этой гипотезы. Установка ATLAS успешно справилась с поставленным вызовом.

Цель диссертационной работы - обеспечить долгосрочную надёжность составных частей установки в сильном радиационном поле. Особенную значимость для жидкоаргонового торцевого адронного калориметра (далее HEC-калориметр), находящегося в составе установки ATLAS, приобретают следующие факторы: радиационная стойкость электроники, степень загрязнения жидкого аргона кислородом из материалов и компонентов электроники в радиационных полях.

Речь идёт о нескольких этапах этой работы.

• Протестировать следующие составные элементы НЕС-калориметра с помощью специальных радиационных тестов на этапе подготовки к серийному производству модулей:

• конструкционные материалы и электронные компоненты на предмет загрязнения жидкого аргона кислородом;

• переднюю детекторную электронику (GaAs-чипы) при температуре жидкого азота и систему её низковольтного питания при комнатной температуре на предмет радиационной стойкости.

• Провести высоковольтный тест на воздухе и в жидком аргоне в финальной фазе процесса серийного производства модулей НЕС-калориметра.

• Провести выборочную проверку на тестовом пучке ускорителя SPS (CERN) с целью получения разрешения на электронах и адронах.

Научная новизна. Создан жидкоаргоновый торцевой адронный калориметр,

1А34 -2 -1

который в условиях максимальной светимости 10 см сек предназначен для получения триггера и обеспечения прецизионных измерений энергии адронов и недостающей энергии в диапазоне энергий 5 ГэВ^14 ТэВ с линейностью не хуже 0.5% [1.2], который успешно работает с 2009 г. по настоящее время.

Проведено исследование всех элементов модулей, входящих в их состав, по радиационной стойкости и загрязнению жидкого аргона кислородом в радиационных полях (у-доза вплоть до 107 кГр и интегральный поток вплоть до 1.31016 быстрых нейтронов см') на импульсном реакторе на быстрых нейтронах ИБР-2 ЛНФ ОИЯИ при низких температурах.

Практическая значимость. Создана облучательная установка по изучению поведения конструкционных материалов и электронных компонентов жидкоаргоновых торцевых калориметров (HEC, EMEC, FCAL) на предмет загрязнения жидкого аргона кислородом и определению радиационной стойкости электроники НЕС-калориметра.

Положения, выносимые на защиту.

1. Создана облучательная установка на канале №3 реактора ИБР-2 ЛНФ ОИЯИ, включающая радиационно стойкую ионизационную камеру с а-источником, электронный тракт регистрации и систему сбора данных, для проведения исследований загрязнения жидкого аргона кислородом из материалов и электронных компонентов жидкоаргоновых торцевых калориметров (HEC, EMEC, FCAL) в сильных радиационных полях (суммарно получены у-доза ~1

17 2

МГр и поток ~10 быстрых нейтронов см') [А3-А8, А13, А14].

2. Показана необходимость исключения печатных плат PREPREG из жидко-аргоновых торцевых калориметров из-за загрязнения жидкого аргона кислородом на уровне ~4 ppm при у- дозе 96 кГр и интегральном потоке 1.01016 быстрых нейтрон см'2 и возможность использования остальных материалов и электронных компонентов в калориметрах (HEC, EMEC, FCAL) [А4, А6-А8].

3. Экспериментально получены параметры функции аппроксимации зарядовой кривой ионизации жидкого аргона от а-частиц на созданной ионизационной камере в рамках современной интерпретации «бокс»-модели: a=(720.6±5.6) кВ/см, b=(0.083±0.004) см/кВ, k=(0.48±0.01), которые определяют напряженность поля при насыщении ионами «бокса» как E0 = a(1-kexp(-bE)) [А8].

4. Определена радиационная стойкость системы контроля и управления низковольтным питанием НЕС-калориметра, состоящей из следующих элементов: QL-контроллера, ELMB-интерфейса и регуляторов напряжений

положительной и отрицательной полярности, которая составляет (381±52) Гр по

12 1 2 дозе ионизирующего излучения и (11.1±2.5) 10 нейтронов МэВ' см' по

интегральному потоку неионизирующего излучения до 20 МэВ. Эти величины

удовлетворяют критериям радиационной стойкости [А2].

5. Создана трековая часть установки для тестирования модулей НЕС-калориметра и проведения комбинированных тестов с модулями EMEC и FCAL на базе пучковых двухкоординатных пропорциональных камер (8 плоскостей) на тестовом пучке SPS-ускорителя (CERN) [А9-А12, А15].

6. Проведена проверка 33-ти передних и задних модулей НЕС-калориметра на тестовом пучке частиц SPS-ускорителя (CERN). Получено энергетическое разрешение для электронов

а(Е) (21.4 ±0.2) (%)

Е УЁ(ГЭВ)

и заряженных пионов с учётом утечки а(Е) (62.2 ± 1.8) (%)

© (0.3 ±0.2) (%)

© (5.2 ±0.2)(%),

Е Т^(ГэВ)

которые хорошо согласуются с Монте Карло моделированием с помощью программы GCALOR [А1, А9].

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на рабочих совещаниях НЕС-коллаборации ATLAS, на международных конференциях ICHEP-2007(Como) и ICALOR-2QQ8(Lisbon).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 15-ти печатных работах: из них 9 статей в рецензируемых журналах [А1-А5, А9-А12] и 2 статьи [А5, А6] в сборниках трудов конференций.

Личный вклад автора. Из всех работ, выполненных в соавторстве, в диссертацию включены положения и результаты, полученные лично автором, либо при его определяющем участии в постановке задач и разработке методов их решения.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы, словаря сокращений и приложений. Общий объём диссертации — 174 страниц, включая 87 рисунка и 20 таблиц. Список литературы содержит 135 наименований.

Публикации автора по теме диссертации.

Всего по теме диссертации опубликовано 15 работ, в числе которых 9 статей - в

рецензируемых журналах.

А1) D.M. Gingrich, ..., A. Shalyugin et al., Construction, assembly and testing of the ATLAS hadronic end-cap calorimeter, Journal of Instrumentation,2007-2-P05005 33pp.

А2) N.J. Buchanan, ..., A. Shalyugin et al., Radiation qualification of the front-end electronics for the readout of the ATLAS liquid argon calorimeters, Journal of Instrumentation, 2008-3-P10005 43pp.

А3) J. Ban, ..., A. Shalyugin et al., Radiation hardness tests of GaAs amplifiers operated in liquid argon in the ATLAS calorimeter, Nucl. Inst. and Method A594(2008), p.389-394.

А4) C. Leroy, ..., A. Shalyugin et al., Liquid argon pollution tests of the ATLAS detector materials at the IBR-2 reactor in Dubna, Part. Nucl. Lett., 2000 №5(102) p.5-19.

А5) C. Leroy, ..., A. Shalyugin et al., Irradiation tests of readout chain components of the ATLAS liquid argon calorimeters, Part. Nucl. Lett., 2000 №5(102) p.20-24.

A6) C. Leroy, ..., A. Shalyugin et al., Radiation hardness studies of components of the ATLAS Forward and Hadronic End Cap calorimeters at Dubna, 8-th International Conference on Calorimetry in High Energy Physics (CALOR Lisbon 1999), World Scientific, Singapore, 2000, p.653-660.

А7) C. Leroy, ..., A. Shalyugin et al., Liquid argon pollution tests of ATLAS detector materials at the IBR-2 reactor in Dubna. 7-th International Conference on Advanced Technology and Particle Physics (ICATPP Como 2001), World Scientific, New Jersey, 2002, p.800-805.

A8) C. Leroy, ..., A. Shalyugin et al., Irradiation tests of ATLAS liquid argon forward calorimeter (FCAL) electronics components, ATL-LARG-2002-003, CERN, Geneva, 19pp.

А9) B. Dowler, ..., A. Shalyugin et al., Performance of the ATLAS hadronic end-cap calorimeter in beam tests, Nucl. Instrum. Meth. A482 (2002), p.94-124.

А10) C. Cojocaru, ..., A. Shalyugin et al. Hadronic calibration of the ATLAS liquid argon end-cap calorimeter in the pseudorapidity region 1.6<|n|<1.8 in beam test, Nucl. Instrum. Meth. A531 (2004), p.481-514.

А11) J. Pinfold, ..., A. Shalyugin et al., Performance of ATLAS liquid argon endcap calorimeter in the pseudorapidity region 2.5<| n |<4.0 in beam tests, Nucl. Inst. and Method A593 (2008), p.324-342.

А12) J. Pinfold, ..., A. Shalyugin et al., Evaluation of the local hadronic calibration with combined beam-test data for the endcap and forward calorimeters of ATLAS in the pseudorapidity region 2.5<| n |<4.0 in beam tests, Nucl. Inst. and Method A693 (2012), p.74-97.

А13) J. Ban,..., A. Shalyugin et al. Radiation hardness tests of GaAs amplifiers for liquid argon calorimetry. JINR-E13-95-222, MPI-PHE-95-08 May 1995, 12pp.

А14) A. Cheplakov, ..., K. Jakobs, ..., A. Shalyugin et al. Radiation hardness of GaAs preamplifiers for liquid argon calorimetry at LHC. JINR-E13-96-358, MPI-PHE-96-15 Nov 1996, 13pp.

А15) Ю.И. Давыдов,.. .А.Н. Шалюгин и др., Трековая система модернизированного спектрометра «Гиперон». Сообщение ОИЯИ Р13-94-411, Дубна, 1994, 13с.

11

ГЛАВА 1.

ЖИДКОАРГОНОВЫЙ ТОРЦЕВОЙ АДРОННЫЙ КАЛОРИМЕТР УСТАНОВКИ ATLAS.

1.1. Конструкция НЕС-калориметра.

Большой Адронный Коллайдер (LHC) [1] построен в Европейском Центре Ядерных Исследованиях (CERN) в Женеве и с 2009 года эксплуатируется для физических исследований. LHC - это кольцевой протон-протонный коллайдер с высокой светимостью с плановой энергией 14 ТэВ в системе центра масс. Высокая светимость порядка 1034см-2с-1 даёт большой радиационный фон, в которой детекторы и их сопутствующая электроника должны выдерживать свою работоспособность.

Рис. 1.1 Внешний вид установки ATLAS.

Установка ATLAS (рис. 1.1) [2] — это многоцелевой аппаратный комплекс, созданный для того, чтобы использовать возможности, предоставляемые на LHC, для получения новых результатов в физике элементарных частиц. Состав жидкоаргоновой калориметрии установки ATLAS представлен на рис. 1.2a,b: в центре EMB (ElectroMagnetic Barrel Calorimeter) и на торцах FCAL, EMEC, HEC.

Жидкоаргоновый торцевой адронный калориметр (НЕС-калориметр) [4] установки ATLAS состоит из плоских пластин меди в качестве поглотителя и жидкого аргона в качестве детектирующей среды. Калориметр обеспечивает

регистрацию адронных ливней в диапазоне псевдобыстроты1 1.5 < |п| < 3.2. НЕС-калориметр размещается в каждом из двух торцевых жидкоаргоновых криостатов [3] вместе с торцевым электромагнитном калориметром (ЕМЕС-калориметром) [4] и передним калориметром (БСЛЬ-калориметром) [4]. НЕС-калориметр располагается позади ЕМЕС-калориметра и полностью перекрывается им по псевдобыстроте п (смотри рис. 1.2 а,Ь).

Рис. 1.2. Торцевые жидкоаргоновые калориметры установки ATLAS в общем криостате: торцевой электромагнитный калориметр (EMEC), передний калориметр (FCAL), торцевой адронный калориметр передний (FrontHEC) и задний(RearHEC) (a - внешний вид и b - вид в сечении; точка столкновения протонов слева).

Жидкоаргоновая калориметрия основана на принципе ионизации аргона пролетающими частицами. Калориметры состоят из поглотителей, в качестве которых используют материалы: свинец, медь, нержавеющая сталь и прочие металлы, а зазоры между ними заполняют жидким аргоном. Частицы, проходя через поглотители, теряют энергию, при этом часть её теряется в аргоне, образуя ионы за счёт ионизации. Под воздействием приложенного электрического поля они движутся к электродам и регистрируются электроникой. Для каждого калориметра геометрические размеры и толщины поглотителей выбираются в зависимости от

1 и \J \J / XJ

физической задачи, возложенной на данный тип калориметр (электромагнитный,

1 Псевдобыстрота определяется как п = -1п ^ (в/2), где в - зенитный угол вылета частиц относительно оси пучка.

01550099

адронный). Во всех случаях калориметры рассчитываются так, чтобы летящие частицы или образовавшиеся струи пересекали на своем пути несколько слоёв поглотителей и аргоновых зазоров. С этой целью калориметры делают в виде сандвича, т.е. несколько поглотителей разделены аргоновыми зазорами, с каждого из которых снимается заряд. Такой сандвич дополнительно позволяет получить и продольное пространственное разрешение, которое, например, необходимо при регистрации формы развития ливня. От соотношения поглотитель-аргон в большой степени зависят характеристики калориметра: линейность и энергетическое разрешение.

Реконструкция струй в передней области и измерение недостающей энергии определяет требование к главной характеристике НЕС-калориметра. Для адронной калориметрии установки ATLAS требуется, чтобы энергетическое разрешение для

адронов было не хуже = 0 3% [5]. Такое разрешение является

Е \Е(Г эВ)

достаточным для реконструкции энергии адронных струй, а также для измерений недостающей поперечной энергии для физических процессов, исследуемых на LHC.

В торцевой калориметрии установки ATLAS используется жидкий аргон в качестве активного детектирующего материала. Он был выбран из-за линейности в широком диапазоне энергий и стабильности отклика во времени и, что более важно, из-за радиационной стойкости.

Требуется приблизительно 12 длин ядерного взаимодействия Хвз, чтобы полностью поглотить адроны в объёме калориметра от протон-протонных соударений с энергией 14 ТэВ в системе центра масс на LHC [6,7]. Суммарная толщина материала от точки соударения протонов до НЕС-калориметра (материал EMEC-калориметра, внутреннего трекера и конструктива) даёт вклад около 2 Хвз. Требование уложиться в оставшиеся 10 длин ядерного взаимодействия Хвз в поглотителе НЕС-калориметра [1.5] в комбинации с пространственными ограничениями ведёт к выбору меди в качестве абсорбера энергии для НЕС-калориметра.

НЕС-калориметр состоит из двух цилиндрических «колёс» в каждом торцевом криостате установки ATLAS: НЕС1 - переднее и НЕС2 - заднее по отношению к точке соударения. Параметры «колёс» сведены в табл. 1.1. Каждое из 4-х «колёс» сконструировано из 32 идентичных модулей клинообразной формы (см. рис. 1.3). Модули НЕС1-калориметра сделаны из 25-ти медных плит, в то время как модули

НЕС2-калориметра сделаны из 17-ти медных плит. Толщина плит медного поглотителя НЕС1-калориметра (НЕС2-калориметра) равна 25 мм (50 мм), за исключением передних плит для обоих модулей переднего и заднего колеса, толщина которых наполовину меньше. Большой зазор между плитами равен 8.50 мм для всех случаях. Для минимально ионизирующих частиц (М1Р8) результирующие доли захвата энергии для НЕС1- и НЕС2-калориметра равны 5.5% и 2.8% соответственно. Оба НЕС1- и НЕС2-калориметра имеют одинаковый внешний радиус медных плит в 2.03м. Колёса имеют внутренний радиус 372 мм для первых 9-ти плит НЕС1-калориметра и 475 мм для оставшихся 16-ти плит НЕС1-калориметра и всех 17-ти плит НЕС2-калориметра. БСЛЬ-калориметр помещается внутрь этого внутреннего радиуса 475 мм, охватывая область псевдо-быстроты 3.2 < |п| < 4.9.

Рис. 1.3. Вид модулей НЕС-калориметра в системе координат г-ф (слева) и г-2 (справа) с указанием габаритных размеров, псевдобыстрот ц( справа) и структуры считывания (слева). НЕС-калориметр состоит из передней части (Е$>Е01, Е$>Е02) и задней части (Е8>ЕО3, Е8>Е04). Здесь Е8ЕО -продольный сегмент НЕС-калориметра по отношению к 2-оси.

Таблица 1.1. Параметры частей НЕС-калориметра.

Параметры НЕС1 - НЕС2 -

передний задний

калориметр калориметр

Количество колёс 2 2

Вес каждого колеса 67 300 кг 89 900 кг

Количество модулей в колесе 32 32

Расстояние между модулями по азимуту (углу ф) 2 мм 2 мм

Рис. 1.4. Расположение электродов между плитами. В середине находится ROB-электрод, сверху и снизу его - EST-электрод. Указывается подключение электроники считывания и линий высоковольтного питания.

Высокая надёжность - необходимое требование к НЕС-калориметру из-за трудности доступа, когда невозможно будет совершать ремонтные работы во времени эксплуатации. Поэтому для реализации принципа избыточности каждый жидкоаргоновый большой межплитный зазор (далее большой зазор) подразделяется на 4 малых межэлектродных зазора (далее зазор, gap), каждый из которых равен приблизительно 2.00 мм, с помощью трёх параллельных электродов: одного центрального и двух периферийных (рис. 1.4). Центральный электрод в каждом большом зазоре является ROB-электродом считывания (Read Output Board) с ячейками в форме трапециевидных площадок (PAD-ячеек), определяющими структуру считывания, как показано на рис. 1.3. В то время как на периферийные электроды передаётся высоковольтное напряжение в детектирующий зазор. Такая конфигурация образует электростатический трансформатор с коэффициентом трансформации равным 2 [10], а периферийные электроды называют EST-электродами (Electrostatic Transformer - электростатический трансформатор). Каждый

зазор имеет отдельный разъём высоковольтного питания с рабочим напряжением 2000 Вольт. Такое включение создаёт такую же ионизацию, как в двойном зазоре по 4 мм, но без изъянов, которые ассоциируются с более высоким напряжением (которое должно быть 4000 Вольт) и с большим накоплением ионов. Калориметр обеспечивается высоким напряжением через высоковольтный вакуумный ввод-вывод (feedthrough), расположенным в газовой фазе аргона поверх жидкого состояния в верхнем объёме криостата.

Ещё одним требованием, предъявляемым к НЕС-калориметру, является его мозаичность. Поперечное сечение площадок считывания (PAD-ячеек) выбирается с целью реконструкции распада W ^ jet + jet с высоким поперечным импульсом [5]. Размер PAD-ячеек считывания равен Д^Дф=0.Ь2я/64 в области |nl<2.5 и Дп^Дф=0.2-2я/32 для больших значений псевдо-быстроты. Расположение PAD-ячеек считывания, вытравленных в медной фольге в каждом центральном электроде, формирует двухстороннюю симметрию (см. рис.1.3). Чтобы обеспечивать хорошее соотношение сигнал-шум, особенно для мюонов, сигналы с PAD-ячеек считывания, объединяющиеся по глубине (см. рис. 1.3), усиливаются с помощью GaAs-предусилителей [8] и суммируются в жидком аргоне прежде, чем вывести сигналы через вакуумные вводы-выводы (feedthroughs) [9] к «тёплой» электронике НЕС-калориметра, расположенной в крейтах непосредственно позади них. Сигналы с PAD-ячеек считывания суммируются по глубине большими зазорами следующим образом: номера 1-8 из НЕС1 (LSEG1), номера 9-24 из НЕС1 (LSEG2), номера 25-32 из НЕС2 (LSEG3) и номера 33-40 из НЕС2 (LSEG4). Сегментация по глубине способствует более чёткой идентификации мюонов и снабжает информацией об эволюции ливня в продольном направлении.

Модули НЕС-калориметра держатся вместе в конструкции «колеса» посредством стягивания плит модулей медными балками (tie bars), расположенных между смежными плитами модулей по внутреннему радиусу, и с помощью соединяющих балок из нержавеющей стали (тип 316 или 304) по внешнему радиусу. «Холодная» электроника монтируется между соединяющими балками. 32-х-секторная геометрия в схеме колеса нарушается только специальными соединяющими балками в местоположениях рельс, которые действуют дополнительно как ползунки. Конструкция «колеса», собранная как целое из 32

модулей, является достаточно жёсткой и проседает приблизительно на 0.3 мм, когда она опирается на рельсы.

Параметры модулей приводятся в таблице 1.2. Прочность модулей НЕС1- и НЕС2-калориметра поддерживается 7-ью стягивающими шпильками (tie rods) из нержавеющей стали диаметром 12 мм и 16 мм, соответственно, которые проходят через плиты и прикручиваются гайками с таким усилием, что минимальная сила давления удержания плит вместе эквивалентна приблизительно трём весам модуля. Кольцеобразные спейсеры на стягивающих шпильках выдерживают расстояние между медными пластинами в пределах 8.50 мм.

Таблица 1.2. Конструкционные параметры модуля НЕС-калориметра. Все размеры даны в номинальном значении [А1]._

Параметры НЕС1 (передний) НЕС2 (задний)

Количество медных плит (поглотитель) 25 17

Толщина первой медной плиты в модуле 12.5 мм 25.0 мм

Толщина стандартной медной плиты в модуле 25.0 мм 50.0 мм

Вес стандартной медной плиты 90 кг 180 кг

Вес модуля 2103 кг 2811 кг

Размер большого зазора между плит 8.500 мм 8.500 мм

Размер межэлектродного зазора (gap) 1.969 или 1.954мм 1.969 или 1.954мм

Толщина коврика из Honeycomb-материала 1.816 мм 1.816 мм

Толщина ROB-электрода 0.335 мм 0.335 мм

Толщина EST-электрода 0.145 или 0.175мм 0.145 или 0.175мм

Общая толщина ROB- и EST-электродов в зазоре 0.625 или 0.685мм 0.625 или 0.685мм

Количество сегментов считывания 2 2

Кол-во больших зазоров считывания в сегментах 8+16=24 8+8 = 16

Количество триггерных зон типа «башня» (tower) 24+23 = 47 21+20=41

Количество плат предусилителей 3 2

Количество чипов предусилителей 42 28

Количество линий низковольтного питания 12 8

Количество распределительных плат калибровки 1 1

Количество линий калибровочных сигналов 28 16

Количество линий высоковольтного питания 4+4 = 8 4+4 = 8

Количество стягивающих шпилек в модуле 7 7

Диаметр стягивающих шпилек 12 мм 16 мм

Нагрузка на стягивающую шпильку 78 МПа 79 МПа

Нагрузка на стержень резьбы стягивающей 112 МПа 118 МПа

шпильки

Внешний диаметр спейсеров для больших зазоров (8.50мм) 17 мм 23 мм

Макс. нагрузка спейсера на медную плиту 138 МПа 138 МПа

1.2. Детекторная электроника НЕС-калориметра.

Система сбора и обработки физической информации с жидкоаргоновых калориметров установки ATLAS, включающая в себя примерно 190000 каналов регистрации, иерархически разделена на три уровня. На первом уровне находится передняя электроника непосредственно внутри криостатов в криогенных условиях при температуре жидкого аргона (рис. 1.5). Эта часть электроники - платы с «холодными» предусилителями НЕС-калориметра и материнские платы для суммирования сигналов с EMB-, EMEC- и FCAL-калориметров [12]. На втором уровне - электроника непосредственно снаружи криостатов в 58-ми крейтах (рис. 1.6).

PS в

Рис. 1.5. «Холодная» детекторная электроника НЕС-калориметра, находящаяся внутри криостата. Указывается подключение детектора к платам GaAs-предусилителей с сумматорами (PSB) сверху, линий высоковольтного питания (HVPP - patch panel), линий низковольтного питания (LVPP - patch panel )и линий калибровочных сигналов сбоку (CalibPP - patch panel, CDB - calibration distribution board).

Здесь электроника размещается непосредственно на детекторе в 58-ми крейтах, установленных снаружи криостатов [12]. Эта часть детекторной электроники (FEB) включает в себя модули аналогово-цифрового преобразования, модули построения логики триггерных зон типа «башня» (TBB), модули драйверов передачи триггерных сигналов с HEC- и FCAL-калориметров, генераторы для калибровки каналов регистрации и платы контроллеров управления. Третий уровень - внешняя к

детектору электроника, находящаяся за биологической защитой, которая состоит из накопительных и обрабатывающих модулей [13], установленных в VME-крейтах (ROC), и модулей глобальной логической системы для выработки триггеров разных уровней установки ATLAS.

Рис. 1.6. Детекторная электроника НЕС-калориметра, находящаяся снаружи криостата: FEC (Front End Crate - крейт «тёплой» детекторной электроники), FEB (Front End Board - модули «тёплой» детекторной электроники), ELMB (Embedded Local Motherboard - интерфейс управления и контроля). LVPS (Low Voltage Power Supply - система низковольтного питания), optical fiber box (блок передачи данных с помощью оптическому волокна) и другие инфраструктурные компоненты (трубопровод водного охлаждения, клеммы шин питания, крышка крейта, конструкция постамента, фильтр воздушного охлаждения).

Такая конфигурация выбрана не случайно. На самом детекторе располагается та электроника, которая не может быть отнесена на большее расстояние от детектора из-за жёстких требований по шумовой характеристике. Естественно, такая электроника будет функционировать в сильных радиационных полях в течение длительного периода времени, и поэтому для неё должны быть проведены тесты по радиационной стойкости. Другая электроника, которая может быть расположена вдали от детектора, находится в специальном помещении (USA15-cavem) вне радиационного поля.

В качестве основного элемента детекторной электроники НЕС-калориметра используется GaAs-чип, спроектированный в Институте Физики им. Макса Планка

(Мюнхен, ФРГ). Модель MPI-BB96B GaAs-чипа (рис. 1.7) представляет собой ASIC-микросхему, которая была создана по 1 мкм технологии фирмы TriQшnt размерами 4-3 мм [12]. Она удовлетворяет следующим требованиям:

• малые шумы,

• низкий уровень потребления,

• высокая интеграция,

• стабильная работа в большом диапазоне температур (от комнатной до температуры жидкого аргона 870К),

• высокая радиационная стойкость,

• высокая линейность в широком диапазоне амплитуд,

• входное сопротивление 50 Ом.

Рис. 1.7. Внешний вид прототипа плат с 2-мя GaAs-чипами (предусилитель с сумматором) «холодной» передней детекторной электроники НЕС-калориметра.

Спроектированная микросхема состоит из восьми усилителей тока и двух сумматоров-драйверов. Такая конфигурация выбрана для обеспечения гибкости использования её при проектировании плат PSB (Preamplifier Summating Board), на которых необходимо суммировать до 8 каналов в продольном сегменте LSEG2.

Для оптимизации системы съёма информации и минимизации количества каналов НЕС-калориметра структура считывания выбирается таким образом, что к каждому GaAs-предусилителю подключено два больших межплиточных зазора. Далее они объединяются в канал считывания суммированием сигналов от усилителей на входе драйвера. Схематично структура считывания сигналов одного канала HEC-калориметра вместе с цепью для калибровки представляется на рис.1.8.

Основным элементом системы регистрации и считывания является модуль FEB (Front End Board). Он располагается непосредственно на криостатах и осуществляет необходимое усиление и формирование сигналов, хранение их в аналоговой линии

задержки с последующей оцифровкой и передачу данных по оптическим линиям в подсистему считывания и обработки, находящуюся в информационно-вычислительном зале USA15. Так как основная частота столкновений 40 МГц, то тактовая частота работы FEB выбрана 40 МГц. Она с высокой точностью синхронизируется с частотой высокочастотной системы LHC-коллайдера (400.79 МГц [11]) через специальную систему синхронизации.

Рис. 1.8. Схема подключения «холодной» передней электроники к НЕС-калориметру (аналоговая часть) и суммирования сигналов в продольном сегменте LSEG (считывание 8-ки больших зазоров по глубине), а также способ подачи калибрующего сигнала от генератора.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Шалюгин Андрей Николаевич, 2024 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ. Список литературы к Главе 1.

1) L. Evans and P. Bryant, LHC Machine, Jour. of Instrum. JINST 3-S08001,2008, 265pp.

2) ATLAS collaboration, ATLAS technical proposal for a general-purposes pp experiment

at the Large Hardon Collider at CERN, CERN-LHCC-94-43, LHCC/P2, Geneva, 15 December 1994 или

ATLAS collaboration, Expected performance of the ATLAS experiment: detector, trigger, and physics, CERN-OPEN-2008-020, 2009, CERN, Geneva.

3) G. Macé, S. Prat, J.-J. Veillet, ATLAS endcap liquid argon calorimeters. Description and

construction of the cryostats, LAL/RT 06-04, CERN, Geneva, May 2006.

4) ATLAS collaboration, ATLAS liquid argon calorimeter. Technical Design Report,

CERN-LHCC-96-41, ATLAS TDR 2, Geneva, 15 December 1996.

5) ATLAS collaboration, ATLAS calorimeter performance. Technical Design Report,

CERN-LHCC-96-40, ATLAS TDR 1, Geneva, 15 December 1996.

6) PARTICLE DATA GROUP, Review of Particle Properties, J. Phys. G33 (2006) p.287.

7) R. Wigmans, Calorimetry energy measurement in Particle Physics, Clarendon Press,

Oxford (2000).

8) J. Ban et al., Cold electronics for the liquid argon hadronic end-cap calorimeter of

ATLAS, Nucl. Instrum. Meth. A 556, 2006, p.158.

9) D. Axen et al., Signal feedthroughs for the ATLAS barrel and endcap calorimeters, Rev.

Sci. Instrum. 76, 2005, 063306.

10) J. Colas et al., The electrostatic transformer, Nucl. Instr.and Meth., A294, 1990, p.583.

11) L. Evans and P. Bryant, LHC Machine, Jour. of Instrum., 3-S08001, 2008, p.47.

12) N.J. Buchanan et al., ATLAS liquid argon calorimeter front end electronics, Jour. of

Instrum., 3-P09003, 2008, 62pp.

13) A. Bazan et al., ATLAS liquid argon calorimeter back end electronics, Jour. of Instrum.,

2-P06002, 2007, 57pp.

14) J.Colas et al, Specification requirements of warm preamplifiers, ATLAS HEC Note-

ATL-AL-ES-0011v.1, электрон. ресурс: https://edms.cern.ch/file/110979/1/specif.ps или R.L. Chase, C. de La Taille, N.Seguin-Moreau, Experimental results on cable-coupled preamplifiers (0T), Nucl. Instr. and Meth. A343, 1994, p.598-605.

15) E. Ladygin et al., Preshaper for the Hadron End-Cap Calorimeter: Production Readiness

Review, ATLAS HEC-Note-124 11 April 2002 или ATL-AL-EN-0035 v.2 39pp., электрон. ресурс: https://edms.cern.ch/file/341938/1/hec124.pdf

16) E. Ladygin, L.Kurchaninov, Tower Driver Board for the ATLAS Hadronic End-Cap

and Forward Calorimeters, ATLAS HEC-Note-127 20 May 2002 или ATL-AL-CD-0005 v.2 30pp., электрон. ресурс: https://edms.cern.ch/file/341938/1/hec127.pdf Дублёр: J. Ban et al., ATLAS liquid argon calorimeter back end electronics, LARG-PUB-2007-008, CERN, Geneva. Список литературы к Главе 2.

17) Полиимиды. эл. ресурс: https://proplast.ru/articles/pi/?ysclid=lor8oso4ck539052266

Альтернативный электронный ресурс: DuPont™ Kapton: summary of properties.

https://www.dupont.com/content/dam/dupont/amer/us/en/ei-

transformation/public/documents/en/EI-10142_Kapton-Summary-of-Properties.pdf

18) Эпоксидные смолы, электронный ресурс: https://proplast.ru/articles/epoksidnyie-smolyi/?ysclid=lor8fvskfh470325470

19) D.P. Engelhart et al., Electrical Behavior of Carbon-Loaded Kapton for Spacecraft

Applications, Journal of Spacecraft and Rockets, 55(3), Dec 2017, p.1-2, D0I:10.2514/1.A33970 Список литературы к Главе 3.

20) В.Д. Ананьев и др., Энергетический пуск реактора ИБР-2, Препринт ОИЯИ Р13-

84-538, Дубна, 1984, 18с.

21) В.Д. Ананьев и др., Импульсный реактор ИБР-2 в 90-е годы, Сообщение ОИЯИ

Р3-85-187, Дубна, 1985, 12с.

22) В.Д. Ананьев и др., Пуск и исследования основных характеристик реактора ИБР-2

с новым модулятором реактивности гетерогенного типа, Сообщение ОИЯИ Р13-2004-156, Дубна, 2004, 16с.

23) В.Д. Ананьев, Д.И. Блохинцев и др., Особенности конструкции и оптимизации

модулятора реактивности реактора ИБР-2, Peaceful Uses of Anomic Energy v.7 IAEA Vienna 1972.

24) В.Д. Ананьев и др., ИБР-2 - импульсный реактор периодического действия для

нейтронных исследований, ПТЭ, 1977 Выпуск 5, с.17-35.

25) Программа индикация средней мощности реактора ИБР-2 «Monitor-2», электронный ресурс: http://flnp.jinr.ru/ibr2/2003/c10022003.html

26) Физические величины. Справочник под ред. И.С. Григорьева и Е.З. Мейлихова,

Энергоатомиздат, Москва, 1990 (раздел сечений)

V. Mclane, Ch.L. Dunford, Ph.F. Rose, Neutron Cross Section, Academic Press v.2, Inc., USA, 1988.

27) А.И. Куклин и др., Измерение и расчет методом Монте-Карло спектра пучка

нейтронов. Параметры пучка малоугловой установки ЮМО на 4-ом канале реактора ИБР-2, Препринт ОИЯИ Р13-2002-249, Дубна, 2002, 20с.

28) A.M. Ougouag et al., IEEE Trans. Nucl. Sci. NS-37 (1990), p.2219.

29) В.В. Голиков и др. Облучательная установка крупногабаритных объектов на канале №3 реактора ИБР-2, Сообщение ОИЯИ Р13-96-403, Дубна, 2002, 20с.

30) Harshaw Chemical Co., Проспект фирмы, Cleveland, Ohio 44106, USA.

31) Г.Я. Касканов, и др., Дозиметрические характеристики термолюминесцентных

у

детекторов на основе люминофора CaSO4:Dy и смеси CaSO4:Dy+ LiF,Сообщение ОИЯИ, 16-83-452, Дубна, 1983.

32) К.К. Шварц, З.А. Грант и др., Термолюминесцентная дозиметрия, Издательство

"Зинатне", Рига, 1968.

33) F.M. Gayton, J.R. Harvey, J.N. Jackson, Journal Brit. Nucl.Energy, 11, 125 (1972).

34) B.A. Хитров, Пак Хон Чер, Спектральное распределение выхода гамма-излучения

из реактора ИБР-30, Отчет ЛНФ ОИЯИ, Дубна, 1974.

35) К.К.Аглинцев, Дозиметрия ионизирующих излучений, Гостехиздат, М., 1957.

36) F. Coninckx, H. Schonbacher, Appl.Radiation and Isotopes, 44, 1993, p.67.

37) F. Coninckx, H. Schonbacher et al., Appl.Radiation and Isotopes, 40, 1989, p.977.

38) E. Leon Florian, H. Schonbacher and M. Tavlet. CERN/TIS-CFM/IR/93 -03, 1993.

39) M. Coche et al., CERN TIS Commision Report TIS-RP/205, 1988. Список литературы к Главе 4.

40) G. Jaffe, Le Radium, v.10, 1913, p.136.

41) Среди прочих H. Greinacher, Phys. Z. 10, 1909, p.986.

42) H. Folmer, Proc. Kon. Akademie Amsterdam v.23 1929, p.759.

43) A. Gerritsen, J. Koolhaas, X-ray ionizations in liquefied gases, Physica v.10, 1943,

p.49-56.

44) A. Gerritsen, Ionization by alpha-particles in liquids at low temperatures. Part I, Physica

v.14, 1948-1949, p.381-406.

45) A. Gerritsen, Ionization by alpha-particles in liquids at low temperatures. Part II,

Physica v.14, 1948-1949, p.407-424.

46) G. Jaffe, Zur Theorie der Ionisation in Kolonnen, Annalen der Physik v.42(4), 1913,

p.303.

47) P. Langevin, Thesis, 1902, Paris

или F. Reif, Fundamentals of statistical and thermal physics, McGraw Hill, New York, 1965 (section 15.5 Langevin Equation).

48) H. Kramers, On a modification of Jaffe's theory of column-ionization, Physica v.18,

1952, p.665-675.

49) Там же с.671-674.

50) P. Clay, Thesis, 1942, Delft.

51) J. McDougall, E. Stoner, Phil. Trans. Roy Society, London (A), 1938, 237, p.67.

52) W. Hoffman et al., Production and transport of conduction electrons in a liquid argon

ionization chamber, Nucl. Instr. and Meth. v.135, 1976, p.151-156.

53) Там же с.153.

54) Там же с.154.

55) M. Miyajima et al., Average energy expended per ion pair in liquid argon, Phys. Rev.

A9, No.3 (1974) p.1438-1443.

56) Particle Data Group, Particle physics booklet, 2000, p.255.

57) A. Gerritsen, Ionization by alpha-particles in liquids at low temperatures. Part I, Physica

v.14, 1948-1949, p.399.

58) К.Г. Куликов, А.Н. Фирсов, Уравнения и методы математической физики. I. Классические модели (Под. ред. В.Н. Козлова), Издательство Политехнического университета, СПб., 2009, с.131.

или Физическая энциклопедия (гл. редактор А.М. Прохоров), Издательство «Советская энциклопедия», 1988-1998.

59) Физические величины. Справочник под ред. И.С. Григорьева и Е.З. Мейлихова,

Энергоатомиздат, Москва, 1990, с.430.

60) F. Reif, Fundamentals of statistical and thermal physics, McGraw Hill, New York,

1965.

61) Физическая энциклопедия (гл. редактор А.М. Прохоров), Издательство «Советская энциклопедия», 1988-1998.

62) J. Thomas and D.A.Imel, Recombination of electron-ion pairs in liquid argon and liquid

xenon, Phys. Rev. A36 No.2, 1987, p.614-616.

63) M.L. Andrieux et al., Response of an a-source mounted in a liquid argon ionization cell

and read out in full charge collection mode, Nucl. Instr. and Meth. A427, 1999, p.568-573.

64) R.T. Scalettar et al., Critical test of geminate recombination in liquid argon, Phys. Rev.

A 25, 1982, p. 2419-2422.

65) C. R. Gruhn and M. D. Edmiston, Geminate recombination of a-particle-excited carriers

in liguid argon, Phys. Rev. Lett. 40, 1978, p. 407-409.

66) L. Onsager, Initial recombination of ions, Phys. Rev. v.54 (S4), 1938, p.554-557.

67) http://k-mac-plastics.com/data-sheets/sintimidV.pdf ,

https://modernplastics.com/wp-content/uploads/2015/04/mp-sintimid.pdf

68) Golovanov L.B. et al., Nucl. Instr. and Meth. A381, 1996, p.15.

69) K. Ichimura, K. Ashida, K.Watanabe, A Jour. Vac. Sci. Technol. v.18, 1981, p.1117.

70) L.A. Rivkis et al. Protocol of tests, Bochvar Institute, Moscow, 1997 (unpublished).

71) ГОСТ 27080-93 (МЭК 516-75) КАМАК. Модульная система технических средств

для обработки данных.

72) Standard NIM instrumentation system, DOE/ER-0457T, 1-st edition (1964), электронный ресурс: https://cds.cern.ch/record/2026631?ln=ru

73) П. Стремень, А.А. Фещенко, Стабилизированный высоковольтный источник питания пропорциональных и дрейфовых камер, Сообщение ОИЯИ 13-82-728, 1982, 5сс.

74) De la Taille C. AUTOMATED SYSTEM FOR EQUIVALENT NOISE CHARGE

MEASUREMENTS FROM 10 ns TO 10 ^s, Orsay Preprint, LAL/RT 92-10, 1992, and Nuclear Physics B (Proc. Suppl.) 32, 1993, p.449-459.

75) LeCroy Corp., Research Instrumentation Catalog, 1992, p.219-222.

76) CAMAC module CAM 4.04-1, электронный ресурс: https://www.kfki.hu/mta-ita_lai/laiprodu.htm

77) Hewlett Packard HP-8112A, User Manual, электронный Ресурс: https://is-pdf.com/document/1325635/hp-8112a-operating-programming-and-servicing-manual-406/

78) Н.М. Никитюк, Нгуен Вьет Зунг, Цифро-аналоговый преобразователь на гибридных плёночных микросхемах в стандарте КАМАК, Сообщение ОИЯИ 118377, 1974, 7сс.

79) В.А. Антюхов и др., Цифровые блоки в стандарте КАМАК (выпуск XVIII), Сообщение ОИЯИ Р10-90-589, Дубна, 1990, с.12-15 (КИ-051).

80) В.А. Антюхов и др., Цифровые блоки в стандарте КАМАК (выпуск XV), Сообщение ОИЯИ Р10-87-928, Дубна, 1987, с.4-7 (КК-009).

81) M.Adams et al., The Concept of the ATLAS Liquid Argon Purity Monitoring System,

ATLAS Note, ATL-LARG-96-053, 26 November 1996.

82) Mainz Microtron (1GeV), эл.ресурс: https://en.wikipedia.org/wiki/Mainz_Microtron Список литературы к Главе 5.

83) CERN Joint Controls Project,http://cem.ch/itco/Projects-Services/JCOP/welcome.html

The JCOP FrameworkProject, http://cern.ch/itcobe/Projects/Framework/welcome.html CERN, Geneva.

84) A. Daneels and W. Salter, What is SCADA?, CERN, Geneva, Switzerland http://www.elettra.trieste.it/ICALEPCS99/proceedings/papers/mc1i01.pdf ,

A. Daneels and W. Salter, Selection and Evaluation of Commercial SCADA Systems for the Controls of the CERN LHC Experiments, CERN, Geneva, Switzerland. http://www.elettra.trieste.it/ICALEPCS99/proceedings/papers/ta2o01.pdf

85) ETM Corporation http://www.etm.at/english/index.htm или Scaling Up PVSS, CERN,

Geneva, электр. ресурс: http://cern.ch/itcobe/Projects/ScalingUpPVSS/welcome.html

86) H. Boterenbrood, CANopen high-level protocol for CAN-bus(ver.3.0), 2000, NIKHEF,

Amsterdam, 23 pp.

87) H. Boterenbrood and B. Hallgren, The Development of Embedded Local Monitor Board

(ELMB), ATL-DAQ-2003-053, 2003, CERN, Geneva, 4 pp. или

J.R. Cook, G. Thomas, ELMB128 Documentation: Elmb User Guide, Feb 2005, 42pp.

88) H. Brettel et al., Low Voltage Control for the Liquid Argon Hadronic End-Cap Calorimeter of ATLAS, 7th Workshop on Electronics for LHC Experiments, Stockholm, Sweden, 10 - 14 Sep 2001, p.309-313 (CERN-2001-005).

89) H. Brettel et al., Low Voltage Control for the Liquid Argon Hadronic End-Cap Calorimeter of ATLAS, 8th Workshop on Electronics for LHC Experiments, Colmar, France, 9 - 13 Sep 2002, p.375-379 (CERN-2002-003).

90) W.D. Cwienk et al., Low Voltage Powersupply, HEC-Note-137, MPI, Munich, 15 Nov

2004, 15pp.

91) https://www.digchip.com/datasheets/parts/datasheet/392/QL3 012-2PF144C-pdf.php

92) https://www.digchip.com/datasheets/parts/datasheet/45 6/LHC4913 -pdf.php

93) https://www.digchip.com/datasheets/parts/datasheet/45 6/LHC7913 -4-pdf.php

94) V. Filimonov, OPC CANopen Server User Guide, ATL-DQ-ON-0007, 2005, CERN,

Geneva, 16pp.

95) S. Baranov et al., Estimation of Radiation Background, Impact on Detectors, Activation

and Shielding Optimization in ATLAS. ATL-GEN-2005-001, CERN, Geneva.

96) M. Dentan and P. Farthouat, ATLAS Policy on Radiation Tolerant Electronics, ATC-

TE-QA-0001 v. 1, Draft 3 Apr 2000, CERN, Geneva, 38pp.

97) M. Dentan, Overview of the ATLAS policy on radiation tolerant electronics, prepared

for 6th Workshop on Electronics for the LHC Experiments. Cracow, Poland, 11-15 September 2000.

98) US - DOD - MILL - STD 883E, test method 1017.2, 25 August 1983, электронный

ресурс: http://www.cern.ch/Atlas/GROUPS/FRONTEND/WWW/milstd~ 1.pdf

99) ESA SCC basic specification no 22900, issue 4, April 1995, электронный ресурс:

http://www.cern.ch/Atlas/GROUPS/FRONTEND/WWW/22900.pdf

100) ESA SCC basic specification no 25100, issue 1, October 1995, электронный ресурс: http://www.cern.ch/Atlas/GROUPS/FRONTEND/WWW/25100.pdf

101) O. Flament, O. Musseau, J.L. Leray, E. Dutisseuil and T. Corbiere Ionizing dose hardness assurance methodology for qualification of a BiCMOS technology dedicated to high dose level applications. IEEE Trans. Nucl. Sci. 45 (1998) p.1420.

102) A.H. Johnston and S.B. Roeske, Total Dose Effects at Low Dose Rates, IEEE Trans. Nucl. Sci. 33 (1986) 1487.

103) O. Flament et al., Enhanced total dose damage in junction field effect transistors and related linear integrated circuits, IEEE Trans. Nucl. Sci. 43 (1996) p.3060.

104) A.H. Johnston, B.G. Rax and C.I. Lee, Enhanced damage in linear bipolar integrated circuits at low dose rates, IEEE Trans. Nucl. Sci. 42 (1995) p.1650.

105) A.H. Johnston, C.I. Lee and B.G. Rax, Enhanced damage in bipolar devices at low dose rates: effects at very low dose rates, IEEE Trans. Nucl. Sci. 43 (1996) p.3049.

106) H. Brettel et al., Irradiation Test of QL-chips for MPI Munich at Dubna Oct. 2000 (MPIrad1) ATLAS HEC-Note-132 20 Dec 2002 8pp.

107) H. Boterenbrood and B. Hallgren, NIEL Qualification of the ELMB128 Series Production, ATLAS Internal Working Note DCS-IWN21, CERN, Geneva, 18 Feb 2004.

108) ST Microelectronics LHC radiation hardened voltage regulator, доступно на сайте http://lhc-voltage-regulator.web.cern.ch/lhc-voltage-regulator/.

109) N. Boetti, P. Jarron, B. Kisielewski and F. Faccio, Radiation performance of the L4913 voltage regulator, in IEEE Radiation Effects Data Workshop, Phoenix, Arizona, July 15-19 2002, p. 115, http://dx.doi.org/10.1109/REDW.2002.1045540.

Список литературы к Главе 6.

110) Счётчик аэрозольных частиц фотоэлектрический типа А3-5: инструкция по применению,1974, электронный ресурс: https://nd-gsi.ru/grsi/030xx/03466-73.pdf

111) Чистые помещения: проблемы, теория, практика, под редакцией А.Е. Федотова, АСИНКОМ, Москва, 2003.

112) И.В. Голутвин, А.А. Попов, В.С. Хабаров, Источники высокого напряжения для питания многопроволочных координатных детекторов, Сообщение ОИЯИ 13-8295, Дубна, 1982, 6с.

113) Цифровой пикоамперметр модель KEITHLEY-486: руководство пользователя, электронный ресурс: https://guidessimo.com/document/1074648/keithley-486-quick-reference-manual-48.html

114) Измеритель LCR-метр модель HP 4263B: руководство пользователя, электронный ресурс: https://testequipment.center/Products/HP-4263B

115) V. Sytnik, Multilanguage package of slow control programs for the ATLAS Hadronic End-Cap calorimeter test beam Experiment, ATL-LARG-99-009, CERN, Geneva,7pp.

116) Модуль высоковольтного питания LeCroy 1469P: краткое описание, электронный ресурс:https://www.phenix.bnl.gov/~phoncs/oncs/code_documentation/HVclasses/Su pportfortheLeCroy1469.html

Список литературы к Главе 7.

117) SPS beam position monitoring system, https://edms.cern.ch/document/1492242/1 15/11/2015.

118) I. Efthymiopoulos, Introduction to H8 beam line of SPS North Area, https://edms.cern.ch/document/1362712/1 2/03/2006.

119) С.А. Акименко и др., Исследования процессов рассеяния с обменом гиперзарядом(предложение эксперимента). Сообщение ОИЯИ 1-8948, Дубна,1975,10с

120) А.С. Курилин и др., Двухкоординатная пропорциональная камера с шагом сигнальных проволок 1 мм спектрометра «Гиперон», Препринт ОИЯИ 13-83774, Дубна, 1983, 6с.

121) С.А. Акименко,.. .А.Н. Шалюгин и др., Спектрометрический комплекс «Гиперон» для исследования редких распадов К-мезонов. Препринт ОИЯИ Р13-92-526, Дубна, 1992, 24с.

122) A. Lippitsch and D. Mergelkuhl, H6 test beam - LAr and chambers. Measurement of HEC-Modules in the LAr and diverse Chambers, https://edms.cern.ch/document/473257/1 19/05/2004.

123) В.П. Пугачевич, Бюллетень ОИПОТЗ, №35, 1968, с.66.

124) LeCroy Research Systems, PCOS-II: Proportional Chamber Operating System (User's Guide), USA, 1975, 36p.

125) Микросхема SN74165N: технические характеристики, Электронный ресурс: https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/27375/TI/SN74165.html

126) Микросхема SN75107N: технические характеристики, Электронный ресурс: https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/237161/TI/SN75107AN.html

127) SN75109/75110/75112N: технические характеристики, Электронный ресурс: https://www.alldatasheet. com/datasheet-pdf/pdf/28173/TI/SN75109AN.html

128) А.В. Вишневский и др., Пропорциональная камера размером (3х1,5) м и её характеристики, Сообщение ОИЯИ Р13-10856, Дубна, 1977, 16с.

129) Т.В.Беспалова, И.А.Голутвин, Д.А.Смолин, Вариант способа последовательного считывания и кодирования информации с электроники проволочных детекторов, Сообщение ОИЯИ 10-80-470, Дубна, 1980, 4с.

130) VIC 8251F, VIC user's manual, VIC to VME Interface with Mirrored Memory, CES, 1995.

131) RAID 8235 VME RISC Processor Board User's Manual, Creative Electronic Systems, Geneva, 1995

132) W. Walkowiak, Drift velocity of free electrons in liquid argon, Nucl. Instr. and Meth. A449 (2000) p.288.

133) A.E. Kalinin et al., Temperature and electric field strength dependence of electron drift velocity in liquid argon, ATL-LARG-96-058, 1996, CERN, Geneva, 14pp.

134) D. Fortin, M. Lefebvre, Performance of the ATLAS hadronic end-cap calorimeter

modules to electrons and pions from 1999 beam test data, ATL-LARG-2001-010, 2001, CERN, Geneva, p. 29.

135) A.A. Minaenko, Analysis of testbeam data, obtained with module zero of the hadronic

end-cap calorimeter, ATL-LARG-99-011, 1999, CERN, Geneva, 41pp.

СЛОВАРЬ СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ.

ATLAS - A Toroidal LHC ApparatuS - многоцелевая установка на Большом Адронном Коллайдере, использующая тороидальный магнит.

ASIC - Application Specific Integrated Circuit - специализированная интегральная микросхема.

ATT - attenuation - фактор ослабления ионизационного сигнала примесями в аргоне.

CDB - Calibration Distribution Board - плата с цепями для калибровки.

COTS - Components Off The Shelf - «взятые с полки компоненты», т.е. широкого потребительского использования.

DCS - Detector Control System - система контроля и управления детектором.

DOD USA - Department Of Defence - Министерство Обороны США.

EMB - ElectroMagnetic Barrel Calorimeter - бочкообразный электромагнитный калориметр.

EMEC - ElectroMagnetic End Cap Calorimeter - торцевой электромагнитный калориметр.

ESA - European Space Agency - Европейское космическое агентство.

FCAL - Forward CALorimeter - передний калориметр.

FEE - Front-end Electronics - электроника переднего уровня, непосредственно соединённая с детектором и расположенная на нём.

FEB - Front End Board - плата части электроники переднего уровня, расположенная непосредственно на криостате с внешней стороны.

HEC - Hadron End Cap calorimeter - торцевой адронный калориметр.

Honeycomb - прокладочный материал с ячейкой в форме правильного шестиугольника (пчелиной соты).

JCOP - Joint COntrol Project - объединённый проект контроля и управления сервисными системами детектора.

MIP - Minimal Ionization Particle - минимально ионизирующая частица.

MIPS - Million Instructions Per Second - скорость работы процессора в единицах миллион операций в секунду.

LET - линейная энергия передачи аналогового сигнала.

LHC - Large Hadron Collider - Большой Адронный Коллайдер (БАК).

LSEG - Longitudinal Segment - продольный сегмент НЕС-калориметра по отношению к Z-оси.

LVPS - Low Voltage Power Supply - низковольтный источник питания.

NIEL - Non-Ionizing Energy Lost - радиационные повреждения за счет оставленной энергии неионизирующего излучения, а именно, нейтрона с энергией 1 МэВ в Si-полупроводнике.

ppm - particle per million - внесистемная единица концентрации вещества в газовой смеси или растворе жидкости 1 атом/молекула на 106 атомов/молекул.

PSB - Preamplify Summation Board - плата с GaAs-предусилителями и сумматорами.

RHAWG - Radiation Hardness Assurance Working Group - рабочей группы по поверке радиационной стойкости.

ROB - Read Output Board - электрод считывания в НЕС-калориметре.

ROC - Read Output Crate - крейт для электроники считывания.

RTC - Radiation Tolerance Criteria - критерий радиационной стойкости.

QC - Quality Control - контроль качества.

SCA - Switched Capacitors Array - матрица переключаемых конденсаторах.

SCADA - Supervisory Control And Data Acquisition - система сбора данных и оперативного контроля.

SFSIM - Simulation Safety Factor - фактор безопасности радиационной стойкости, учитывающий неопределённости при симуляции.

SFldr -Low Dose Rate Safety Factor -фактор безопасности радиационной стойкости, учитывающий различие в скорости набора дозы облучения.

SFlot - Lot-to-Lot Safety Factor - фактор безопасности радиационной стойкости, учитывающий различие характеристик образцов из разных партий (лотов).

SEE - Single Event Effect - эффект одиночных сбоев.

TBB - Tower Builder Board - модули построения логики триггерных зон типа tower

TID - Total Ionizating Dose - суммарная доза ионизирующего излучения.

TID - радиационные повреждения за счет ионизирующего у-излучения в единицах Грей (Дж/кг).

Tile-калориметр - бочкообразный адронный калориметр, состоящий из пластин нержавеющей стали (замедлитель) и сцинтиллятора (детектирующая часть).

Trip - «прогулка вниз» - сбой (отключение) питания.

TDB - Trigger Driver Board - модуль передачи сигналов в триггер.

TBB - Trigger Builder Board - модуль сбора сигналов и построение логики триггера.

TTCx - Trigger Timing Control - электронный модуль, синхронизирующий работу

детектора с коллайдером. USA15 - зал электронно-вычислительных комплексов для передачи данных в домик

экспериментатора и во внутреннюю сеть. SPS - Super Proton Synchrotron - большой протонный кольцевой ускоритель.

ДПО - дополнительный подвижный отражатель.

Крейт - элемент магистрально-модульной системы для размещения электронных

узлов и модулей, входящих в её состав. ОПО - основной подвижный отражатель. ПК - персональный компьютер. ПО - программное обеспечение. ПШПМ - полная ширина на полувысоте максимума. ТВЭЛ - тепловыделяющий элемент.

ПРИЛОЖЕНИЕ А.

Прикладная программа DAQ.PAS (листинг) системы сбора физических данных с использованием АЦП типа QVT 3001 с интерфейсом КАМАК типа 2301 (ЬеСгоу, США).

daq

{***Prograjii talk with CAM4C-bus '"Equipment :

KK009 Ncrate=0 INTERFACE QVT 2301 Nstation=10

***software :

Turbo vU.O *1:4Author : A, Shallyugi n

***Last change: 16-06-98- date, Time, number of count.

{ Jl GRAPH.P }

label

11,12.13,l4,tmp; const

ease=i0000;

type

s20 slO s7

var

c

his .Sine XfY R

M

nc MAX D

DW M

q.qq

DT,TH FN j h FTYPE

■ string[2Q]; = St ring[10]: = string[7];

: char; : integer;

: array[0..255] of integer; : array[0,,255] of integer; : integer;

: integer;

; real;

i array[0.,10231 of real; ; array[0.-1023] of integer; : integer;

I 510;

: 310; ; s20;

: file of slO;

slO;

function Date type

Register ■ record

AX, BX, CX, DX, BP,SI(DI,OS,Flag

end;

var

reg : Register:

monthfday : striJig[2] ; year ; str1ng[4]; begin

reg,AX := 5wap($ 2A); MsDos(reg>; with reg do begin

str(CX:4,year); 5tr{LO(DX}:2Hday): st r (Hi(ox):2,month) end;

Date :=day+,/,+month+V+year;

end;

I nteger

function Time : slO; type

Register = record

end;

AL,AHrELrBH, CL,CH rDL,DH

byte

var

reg

hour„mi г sec

Regi ster; string [2] ; String[2] ;

begin

reg.AH := J2C; Intr(i2l,reg); with reg do begin

strfCH,hourJ; MrtCLjininl; strfDH,sec) end;

Time : -hour+p: 1+nri n+p : Usee;

end;

begin{Mai n}

-MAIH-

DT :=Date;

TM :=Time+chrC13)4-chr(10J; memrbase:$04]:=0;

{Initiation controller} -(select crate}

sme l =1024 *10+64 ° 0+ 2 *17; neniH[Base: sine] :=0;

5^1=1024*10+64*0+2*2;

for 0 to 102J do ow[i] ;=memw[.Base: tme];

{ f_17 set SAddr-0 } { f_2 read qvt }

sme:=102 4 *10+64 *0+2*9; itiemwtBase: sine] :=0;

for j:=0 to 1023 do DW[;j] :=i2*32*j;

{ F_9 clear 2301 } { Test value input Data }

for j:*0 to 1023 do if DW[j]<0 then D[j]:=2*3276B,0+DW[j]

else D[j]:=Dw[j];

MAX:=D[0]; ncJ-0; for i:=0 to 1022 do if MAX<D[i+l] then beg-in

WAX;=D[i+1]; n£:=i+l; end |

-}

{--------------------------display---------------------

11: Clrscr;

Tejitwode;

writeC" Number of Hist.(0,1,2,3)- "); readlnihi5);

{ input Number of Histogram }

if his>=4 then goto 13; for i:»0 to 255 do begin

r [i ]' =roundCD[j]*160/MAX) { 256-Array fair Display & Write } wMtelnC i= 1:3,' D[\]:4,']. ',d[jJ;11/ r= \r[1]:0; end;

cl rscr;

GrSphColorMode; palette(O); {^«(«0,37,60.199,2): draw(GOfl99,3l7,l99,2); draw(317,199,317,37,2); ¿^(60,37,317,37,2); pa1ette(3);

for i:a0 to 2 55 do draw(61+i,19S,61+if19S-r[i],3); repeat until keypressed;

12;

13:

U;

textmode;

Textco"lor(yeilonO;

write(' Next Hist, y/n?- readln(c); if Cco'y^andCco'n") then goto M\ if C='y' the-n goto 11; write(' iave on Disk, y/n?- '); readlnfc); if Cco'y'Dandico'n") then goto 13; if c='n then goto 14;

-SAVE-

wrltef ENTER filename.- readln(FN); FN: = 'd:\T3V+FN+"-dat" ; as&ign{FTYPE,FN); rewnte(FTYPE) ; for i :=0 til 1023 do begi n

StrCi¡lO.qi;

Str(Dh'[il :8 ,qq) ; qq^qq^-chKlBJ + chrQO) ; write(FTYPE,q,qq)[ end;

write(FTVPE,OT); writeiFTYPEfTM); cl ose{ FTYPEj;

writelnC FILE D:\h.un\*,DAT created. textmode; clrscr;

textcoiortRed); te*tBackground(g reen); writeln; mritelr; writeln; writelrf1 MAX D[,nc,1] = ',max:10); Mdriteln([>atet 1 ,Tlie); wrlteinC Normal end programm,

end.iMain}

171

ПРИЛОЖЕНИЕ Б.

Прикладная программа LACNASTROJKA.PAS(листинг) модернизированной системы сбора физических данных на базе АЦП типа CAM-4.04-1 (KFKI, Венгрия).

PROGRAM LacNasirojka;

uies Cri,Cfiph,Dfl5; label 1,2,3,4,5,&,nf,nl; type s70=str-i ngt70l:

var FN,PATH:s70;

vac dl,d£H L.al, a2 ,p, ml,i*2, kl , h2<,Hliyl,XtYi integer I

var srDriver psrMode, Emcode: i ntcger;

var cadi,cod2,cod3,HV,d,r,a,i :lcmgint;

var SHt r thl.tuh, tv.tp, a it ,w: integer;

var cod,v,K:real;

var F:file of longint;

var dtl,dt2.dti,dt4,tml,tm2,tm3,tm4:word;

inFile :tej<t;

IП Fi I eliame : 51 ri ng;

nam;,cK :char;

begin I-----

-----------------МДЩ——

-}

PATM:-,e:\rad_teit\pollutYI*rfl\,fcal S\before\1;

wriTel n(PATR) ;

wriiet" 00 you want TO change this directory path? y/n ') ; raad'n(ch};

if Cli ^ 'n' then goto nf; nr1te1r('EnterDirectoryPath.ForEx: c:\rad_test\pol 1 ut\larg\fcalbefore\ 1 ); read In(path);;

ilf: writtC'Entfcf File чаше- For Ex; rl()Ov?<Xyi-lQQcall--1); readingFN);

fn:-path+fh*'.dat";

writeiFN," is it correct r^ame? y/n/q —"U ; readln(ch);

if ch = 'q' then goto

1 f ch о 'y' tlhen goto nf;

{-----KKQDJ Contrfil Kiy-----}

mem[Sii000;4] :-0; n5m[Jd000:Z]:=0; nn[^000:lb]:-0; mem[Jd000:9j :=0;

■em[wci00:if]:-0: 5rpriver;=Oetect;

srMode:-0;>

ini tbrapli(5r0river, srMode, ' ClearViwPflri:' SetColorCZ);

seiLi nest yle (0,0,1);

Di rectvi deo: = Fal se ;

wlndDHC1,1,60,1); WindDwa.25.2,25):]-Te4t93 СkCroundel); re*tC£hlor(3); Cl rbcr; SetColor(3): LiM (30,50,30,450); OutTe*.tXY(i 0,460, "0r); Li ne(130,50,130,450) ; йurг^!кtXYai(M6O,■ЗO0,)

LiПЕ(?30,50,230,450)J

*Т»xt xy (11 &,,'SCO1) Line(530,50,330,450); On tText xv{ J20,4 60,' 1) Li пе(430ч 50,430,450}; CHJtT«XtXY(420.46€,1 1200' >! Line(5JO,50,530,450); C4JtT*xtXY(52<M60r ISOfl'Ji Llne(630.50,630.450); outTejttKvceoo ,+60,' is no1) j OuiTexLXVCSOO,471,* charge С channel)1); Line(3O,45Q,63M50); OutTcxtXY(l2,4!>0,'0'); Li пеСЗО 13-50, fiiO, 350); QuiTextXYCO, 'lOO1);

!)

{choice crate}-(creation £,51,52 } {creation Z, 1,8,Si,5?} {i="0">

{input Graph-regim}

{?-green> {width 1inc:

H-MueJ

1-sHfli, 3-tHick}

Li néC30 , 2150 ,630, 2SO) ; imtTestxviO,2SQ. ' ÏOO') ; LinÉ(3Û,l50,fi30Hl5i)); (KJtTeïtMVCû „ ' 300') ; LincCÎO,50,630,50); OutTextHYCO,SO,"4001); ouiTextxv«), 30, ' counts ; setcoliir*f2l ;

{ goto 3; Assign (F,HAlH+'lac. imp") ; REunte (F);