Разработка и исследование гранулированных координатных детекторов на основе тонкостенных дрейфовых трубок тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат физико-математических наук Давков, Красимир Илиев

• Давков, Красимир Илиев
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Давков, Красимир Илиев

Введение.

Глава 1. Газонаполненные детекторы для ускорительных экспериментов.

1.1. Дрейфовые камеры.

1.2. Тонкостенные дрейфовые трубки.

1.3. Микроструктурные газовые детекторы.

Глава 2. Разработка гранулированных строу.

2.1. Конструктивные особенности и элементы сборки сегментных строу.

2.2. Прототипы детекторов на базе строу с сегментными анодами.

2.2.1. Строу с трехсегментным анодом.

2.2.2. Двухслойный прототип с сегментными строу.

2.2.3. Мультигранулированные строу с применением линии считывания сигналов.

2.2.4. Многоканальный двухслойный прототип на основе сегментных строу.

2.2.4.1. Принципиальная схема детектора.

2.2.4.2. Плоскости строу.

2.2.4.3. Сборка анодов с четырьмя сегментами.

2.2.4.4. Применяемые плоские передаточные линии считывания.

2.2.4.5. Сборка прототипа.

2.2.4.6. Электроника считывания и регистрации

2.2.5. Разработка кабеля считывания с малым количеством вещества.

Глава 3. Результаты стендовых и пучковых исследований многоканального прототипа на основе сегментных строу

3.1. Стендовое тестирование прототипа.

3.2. Тестирование прототипа на пучке.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование гранулированных координатных детекторов на основе тонкостенных дрейфовых трубок»

В последние десетилетия быстрое развитие ускорительной техники привело к значительному повышению как энергии ускоряемых частиц, так и их интенсивности. Созданый в ЦЕРНе Большой Адронный Коллайдер (LHC - Large Hadron Collider) предназначен для рассширения понимания природы частиц и их взаимодействий при энергии столкновения протонов до 14 ТэВ в системе центра масс сталкивающихся пучков при светимости до 1034 см2 • с"1, со скважностью сгустков протонных пучков в 25 не. При столкновении ускоренных тяжелых ионов образуется ядерная материя с высокой плотностью, при исследовании которой необходима регистрация вторичных частиц с высокой множественостью. Соответствено с этим растут и требования к применяемым в физических экспериментах детекторам частиц, в том числе к их загрузочной способности, временному разрешению и координатной точности.

Одними из наиболее часто применяемых детекторов частиц в современной физике высоких энергий являются координатные газонаполненные детекторы - пропорциональные и дрейфовые камеры, детекторы на основе металических или тонкостенных пленочных дрейфовых трубок (в дальнейшем - строу (straw)), микроструктурные газовые детекторы (MICROMEGAS, GEM). Несмотря на то, что некоторые из этих камер прекрасно зарекомендовали себя во многих физических экспериментах и стали фактически классикой при создании трекеров, их характеристики все чаще оказываются недостаточными для удовлетворения возникших потребностей современных ускорительных экспериментов. Новые требования привели к поиску новых решений при создании детекторов. Например, необходимость увеличения загрузочной способности строу-камер при регистрации множественных частиц привели к попыткам повышения их гранулированности (уменьшения чувствительной площади индивидуальных каналов считывания) за счет разделение анодов на несколько галванически независимых частей. Так, в барельной части детектора переходного излучения - трекера Внутреннего Детектора установки АТЛАС (ЬНС) для увеличении загрузочной способности строу, последние содержали анодные проволоки, состоящие из двух или трех электрически разделенных частей [1, 2].

С увеличением загрузки трековых детекторов ухудшаются параметры восстанавливаемых треков регистрируемых частиц. При использовании детекторов с большим аксептансом, гранулированность их индивидуальных детектирующих каналов должна уменьшаться до нескольких см2 или менее. В случае использования детекторов на основе тонкостенных дрейфовых трубок их чувствительные области могут быть заполнены небольшими модулями с короткими строу, но при этом будет не только уменьшаться отношение чувствительной площади детектора к его полной площади, но и ухудшаться его радиационная толщина за счет внешних рам отдельных модулей.

Нами был разработан и исследован метод создания высоко-гранулированных строу с ТчГ-числом электрически изолированных частей его анода и со считыванием информации с двух концов строу для крайних его участков, а для промежуточных участков анода - через стенку строу по специальным передаточным линиям [3-7].

Целью диссертационной работы являлось исследование возможности создания многосегментных анодов и на их основе гранулированных строу-детекторов для работы в условиях высоких загрузок с минимальным увеличением количества вещества.

Научная новизна исследования

Впервые разработана и проверена методика сегментирования строу-детекторов, что позволяет увеличивать их загрузочные способности.

Изготовлен и исследован многоканальный прототип детектора на базе сегментных строу.

Практическая ценность работы

Создание строу большой длины с многосегментным анодом, обеспечивающим независимое считывание информации с электрически независимых сегментов, позволяет обеспечить необходимую гранулиро-ванность по всей площади детектора и тем самым значительно уменьшить загрузку индивидуальных каналов детектирования.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Давков, Красимир Илиев

Основные результаты работы и выводы диссертации могут быть сформулированы следующим образом:

1. Впервые разработана технология изготовления многосегментных анодов и внутренных элементов строу, позволяющих осуществлять их гранулированность.

2. Проверена установка многосегментных анодов в строу с последующим выводом контактных проволок промежуточных анодных сегментов через стенки строу и их подключение к высоковольтному питанию/электроники считывания по специальным разработанным передаточным линиям.

3. Проведены стендовые исследования разработанных и созданных прототипов многосегментных строу, показана возможность создания на их основе полномасштабного прототипа детектора.

4. Предложен и исследован метод уменьшения радиационной толщины плоских передаточных линий в местах соединения их выводов с сегментами анодов. Показано, что толщина линий в этих зонах может быть уменьшена в 5 раз - до величины ~ 0,18%Х0.

5. Стендовые и пучковые исследования многоканального прототипа на основе сегментных строу показали, что временные и пространственные параметры детектора не отличаются от характеристик обычных трековых детекторов на основе строу. Достаточно высокий уровень работоспособности каналов прототипа (95%) указывает на возможность сборки подобных детекторов по предложенной технологии. Нечувствительная длина в области внутренних элементов трубок менее

5% от полной его чувствительной площади. Гранулированность трубок таких детекторов может варьироваться от 1 см2, а их длина может быть до 4 метров.

Благодарности

Работа выполнена в Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ им. В.И. Векслера и A.M. Балдина совместно с Пловдивским Университетом им. „Паисия Хилендарского" (Болгария). Автор выражает благодарность дирекции Института и Лаборатории, кафедре, деканату и ректорату Университета за предоставленную возможность проведения данной работы. Автор искренне благодарен научным руководителям В.Д. Пешехонову и В.Д. Чолакову за постановку темы диссертационной работы, большой вклад и постоянное внимание в ходе выполнения работы, многочисленные ценные дискуссии и советы. Автор глубоко признателен своим коллегам В.В. Мялковскому, A.A. Савенкову, И.А. Жукову, Г.Д. Кекелидзе, В.Н. Круглову, В.И. Давкову за плодотворное сотрудничество и эффективное участие в выполнении работ. Также признателен Н. Григалашвили и К.А. Левтерову за полезные научные обсуждения вопросов и поправки. Отдельную благодарность выражаю И. Грегору и Д. Хаасу за помощь с пучковым телескопом в ЦЕРНе, а также С.Ю. Смирнову и В.О. Тихомирову за обработку данных. Автор благодарен всему коллективу Сектора строу детекторов за помощь и всестороннюю поддержку и всем, чья помощь и поддержка сделали возможным появления данного труда.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Давков, Красимир Илиев, 2011 год

1. ATLAS 1.ner Detector Technical Design Report, CERN/LHCC/97-16. V. I, II.

2. S. H. Oh, С. H. Wang and W. L. Ebenstein, A super high rate straw driftchamber // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 425 (1999) 75-83.

3. V. Davkov, K. Davkov et al. Development of high granulated straw chambers oflarge sizes // Письма в ЭЧАЯ, 2007, T.4, № 4(140), с. 545-551.

4. К. Davkov et al. Development of segmented straws for very high-rate capabilitycoordinate detector II Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 584 (2008) 285-290.

5. K. S. Viriasov et al. Two-wire anodes for the straw detectors // Препринт

6. ОИЯИ, PI3-2005-127, Дубна, 2005.

7. S. E. Vasilyev, V. I. Davkov, К. I. Davkov et al. Signal Transmission Lines for1.rge-Size Segmented Straw Detectors II Instr. Exp. Tech. 2008, 51(6), 820825.

8. K. Davkov et al Development of straw tubes for high rate capability application

9. CBMProgress Report 2006, p. 38.

10. G. Charpak et al. The use of multiwire proportional counters to select andlocalize charged particles II Nucl. Instr. and Meth. 62 (1968) 262-268.

11. G. Charpak, D. Rahm and H. Steiner, Some developments in the operation ofmultiwire proportional chambers // Nucl. Instr. and Meth. 80 (1970) 13-34.

12. Breskin A. et al. The multistep avalanche chamber: A new family of fast, high-rate particle detectors // Nucl. Instr. and Meth. 161 (1979) 19-34.

13. Breskin A. et al. High flux operation of the gated multistep avalanche chamber II Nucl. Instr. and Meth. 178 (1980) 11-25.

14. Bouclier R. et al. Progress in Cherenkov ring imaging: Part 1. Detection and localization of photons with the multistep proportional chamber // Nucl. lnstr. Meth. Phys. Res. 205 (1983) 403-423.

15. Charpak G. et al. A gamma ring-imaging telescope for high-energy photon detection И Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 283 (1989) 596-601.

16. Breskin A., Chechik R. and Sauvage D., A 3-stage gated UV-photon gaseous detector with optical imaging I I Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 286 (1990) 251-261.

17. G. Charpak, Research on Particle Imaging Detectors // World Scientific Series in 20th Century Physics, Singapore, 1995. V. 6.

18. A. H. Walenta, J. Heintze and B. Schurlein, The multiwire drift chamber: A new type of proportional wire chamber // Nucl. Instr. and Meth. 92 (1971) 373-380.

19. Клаус Групен, "Детекторы элементарных частиц", Сибирский хронограф, Новосибирск, 1999.

20. ATLAS Technical Design Report, Muon Spectrometer, "5 Monitored drift tube chambers", 5 June 1997,117-201.

21. F. Bauer et al. The first precision drift tube chambers for the ATLAS muon spectrometer // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 478 (2002) 153-157.

22. Барашков А. В. и др. Краткое описание производства BMS/BMF MDT-камер для мюонного спектрометра эксперимента ATLAS // Сообщение ОИЯИ, Р13-2005-212, Дубна, 2005.

23. Т. Akesson et al. Study of straw proportional tubes for a transition radiation detector/tracker at LHC II Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 361 (1995) 440-456.

24. Г. Д. Кекелидзе, В. Д. Пешехонов, Прецизионные трековые детекторы на основе тонкопленочных дрейфовых трубок (straw) // Физика элементарных частиц и атомного ядра, Т. 33, Вып. 3 (2002) с. 669-671.

25. V. I. Davkov et al. Spatial resolution of thin-walled high-pressure drift tubes // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 634 (2011) 5-7.

26. ATLAS Collaboration, Technical proposal for a general-purpose p p experiment at the Large Hadron Collider at CERN, CERN/LHCC/94-43, Dec 1994.

27. G. Aad et al. The ATLAS Experiment at the CERN Large Hadron Collider, JINST 3: S08003, 2008.

28. Ю. В. Гусаков и др. Детектор переходного излучения трекер установки ATLAS: исследования и разработки, массовое производство модулей типа В // Физика элементарных частиц и атомного ядра, Т.41, Вып. 1 (2010), с. 5-48.

29. ATLAS Collaboration, ATLAS Inner Detector Technical Design Report, CERN/LHCC/97-17, ATLAS TDR 5, 30 April 1997.

30. E. Abat et al. The ATLAS Transition Radiation Tracker (TRT) proportional drift tube: design and performance, JINST 3: P02013, 2008.

31. T. Akesson et al Status of design and construction of the Transition Radiation Tracker (TRT) for the ATLAS experiment at the LHC // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 522 (2004) 131-145.

32. E. Abat et al. The ATLAS TRT end-cap detectors, JINST 3: PI0003, 2008.

33. E. Abat et al. The ATLAS TRT barrel detector, JINST 3: P02014, 2008.

34. S. G. Basiladze et al. A drift tracker of the SVD-2 setup // Instr. Exp. Tech., 2008, 51(3), 336-341.

35. V. N. Bychkov et al. Construction and Manufacture of Large Size Straw-Chambers of the COMPASS Spectrometer Tracking System // Part. Nucl. Lett. 2002. No. 2 111. 64-73.

36. V. N. Bychkov et al. The large size straw drift chambers of the COMPASS experiment II Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 556 (2006) 66-79.

37. P. Abbon et al. The COMPASS experiment at CERN // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 577 (2007) 455-518.

38. Sharpak G. et al. A high-rate, high-resolution asymmetric wire chamber with mustrip readout II Nucl Instr. Meth. Phys. Res. A 346 (1994) 506-509.

39. Sauli F. and A. Sharma, Micro-pattern gaseous detectors // Annu. Rev. Nucl Part. Sci. Vol. 49 (1999) 341-388.

40. M. Д. Шафранов, Микроструктурные газовые координатные детекторы // Физика элементарных частиц и атомного ядра. 2002, Том 33, Вып. 5, 1204- 1231.

41. Y. Giomataris et al. MICROMEGAS: a high-granularity position-sensitive gaseous detector for high particle-flux environments // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 376 (1996) 29-35.

42. Giomataris Y., Development and prospects of the new gaseous detector "Micromegas" IINucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 419 (1998) 239-250.

43. Barouch G. et al. Development of a fast gaseous detector: 'Micromegas' // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 423 (1999) 32-48.

44. J. Derre et al. Spatial resolution in Micromegas detectors // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 459 (2001) 523-531.

45. Giomataris I et al. Micromegas in a bulk // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 560 (2006) 405-408.

46. Sauli F., A new concept for electron amplification in gas detectors // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 386 (1997) 531-534.

47. Бузулуцков А. Ф., Детекторы излучений на основе газовых электронных умножителей (обзор) // ПТЭ, № 3 (2007) с. 5-30.

48. Sauli F., Radiation detector of very high performance // US Patent 6011265, Yan. 4. 2000.

49. COMPASS, CERN/SPSLC 96-14 SPLSLC/P297 and CERN/SPSLC 96--30 SPLSLC/P297 add. 1.

50. F. Kunn et al The gaseous microstrip detector micromegas for the COMPASS experiment at CERN И Nucl Phys. A 721 (2003) C1087-C1090.

51. B. Peyaud, KABES: a novel beam spectrometer for NA48 И Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 535 (2004) 247-252.

52. S. Andriamonje et al. Experimental studies of a Micromegas neutron detector II Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 481 (2002) 120-129.

53. S. Andriamonje et al. A Low Background Micromegas Detector for Axion Searches И Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 535 (2004) 309-313.

54. P. Colas et al. First test of a Micromegas TPC in a magnetic field // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 535 (2004) 181-185.

55. А. Ф. Бузулуцков, Физические основы работы каскадных газовых электронных умножителей (обзор) // Вестник Новосибирского государственного университета. Серия: Физика, 2008, Том 3, № 3, 5973.

56. В. Ketzer et al. Triple GEM Tracking Detectors for COMPASS // CERN-OPEN-2002-004 (17/12/2001).

57. Ketzer B. et al Performance of triple-GEM tracking detectors in the COMPASS experiment IINucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 535 (2004) 314-318.

58. Altunbas С. et al. Construction, test and commissioning of the triple-gem tracking detector for compass // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 490 (2002) 177-203.

59. Alfonsi M. et al. Fast triggering of high-rate charged particles with a triple-GEM detector // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 535 (2004) 319-323.

60. Aulchenko V. M. et al. Upgrade of the KEDR tagging system // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 494 (2002) 241-245.

61. Bozzo M., Oriunno M., Ropelewski L. et al. II IEEE Nuclear Science Symp. Rome, Italy, October 16-22, 2004. Conference Record. V. 1. P. 447.

62. Мялковский В. В., Пешехонов В. Д. и Савенков А. А., Координатный газонаполненный детектор излучения // Патент на изобретение РФ № 2339053 (2008).

63. Ю. В. Гусаков, В. И. Давков, К. И. Давков и др. Многоканальный прототип на основе сегментных строу // Письма в ЭЧАЯ, 2010, Т.7, № 2(158), с. 223-231.

64. S. N. Bazylev, К. I. Davkov et al. A prototype coordinate detector based on granulated thin-walled drift tubes II Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 632 (2011) 75-80.

65. Г. Д. Кекелидзе и др. Аналоговая электроника считывания прототипа на основе сегментных строу // Письма в ЭЧАЯ, 2010, Т.7, № 3(159), с. 342346.

66. К. И. Давков и др. Разработка кабеля считывания с малым количеством вещества для сегментных дрейфовых трубок // Сообщение ОИЯИ, Р13-2010-105, Дубна, 2010.

67. С. Н. Гладких и др. Радиационная стойкость некоторых полимеров и эпоксидных клеев // Препринт ОИЯИ, Р-13-2001-275, Дубна, 2001.

68. И. В. Богуславский и др. Измерение натяжения составного анода сегментных тонкостенных дрейфовых трубок (строу) // Сообщение ОИЯИ, Р-13-2007-129, 2007.

69. P. Jarron and М. Goyot, A fast current sensitive preamplifier (MSD2) for the silicon microstrip detector // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 226 (1984) 156162.

70. URL: http://www.cellpack.de71. URL: http://www.eudet.org

71. K. Davkov et al. Development of straw tubes for high rate capability application" // CBMProgress Report 2006. P. 38, 2007.

72. V. Peshekhonov, S. Bazylev, K. Davkov et al. Segmented straw tubes for CBM-MuCH" // CBM Progress Report 2008. P. 35, 2009.