Разработка конструкции и создание модульного ядерного абсорбера адронного тайл-калориметра установки АТЛАС тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат технических наук Топилин, Николай Дмитриевич

• Топилин, Николай Дмитриевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Топилин, Николай Дмитриевич

Введение.

Глава 1. Проектирование и изготовление основных структурных элементов: стальных пластин ядерного абсорбера.

1.1 Введение

1.2 Проектирование и изготовление стальных пластин ядерных абсорберов: мастерные и спейсерные пластины

1.3 Разработка и применение программ контроля качества

1.4 Выводы

Глава 2. Проектирование и создание субмодулей и модулей

2.1 Введение

2.2 Разработка технологии и создание технологического участка для прецизионных сборочных работ по изготовлению субмодулей.

2.3 Разработка методов контроля качества и их применение в процессе создания субмодулей

2.4 Разработка концепции технологии и технологического участка для прецизионных сборочных работ по изготовлению модулей

2.5 Разработка и применение методов контроля качества создаваемых модулей

2.6 Проектирование и изготовление такелажного оборудования: траверсы для манипуляций с субмодулями и модулями.

2.7 Проектирование и изготовление транспортных устройств для безопасной перевозки модулей автотранспортом из ОИЯИ в ЦЕРН

2.8 Выводы

Глава 3. Создание методики контролируемой сборки адронного тайл — калориметра и ее апробация при монтаже калориметра на поверхности и в подземном экспериментальном павильоне Большого Адронного Коллайдера

3.1 Введение

3.2 Разработка принципиальной схемы технологии контролируемой сборки барреля адронного тайл-калориметра

3.3 Расчет геометрических размеров и толщины шиммирующих прокладок между модулями на внешнем и внутреннем радиусах

3.4 Предварительная сборка на поверхности первого барреля; анализ геометрии собранного барреля и выработка стратегии шиммирования

3.5 Предварительная сборка на поверхности второго (центрального) барреля; анализ геометрии собранного барреля и выработка стратегии шиммирования

3.6 Окончательная полномасштабная сборка баррелей под землей

3.7 Выводы

Выводы к диссертации

Благодарности

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка конструкции и создание модульного ядерного абсорбера адронного тайл-калориметра установки АТЛАС»

В современной физике элементарных частиц первостепенное внимание отводится экспериментам нового поколения в ТэВ-ном диапазоне энергий на сооруженном в Европейском Центре Ядерных Исследований Большом I

Адронном Коллайдере (LHC).

Как известно, принципиально важную часть экспериментальных установок при высоких энергиях неизменно составляют калориметры. Проектные требования к калориметру определены исследовательской программой на коллайдере, предусматривающей решение наиболее актуальных проблем современной теории элементарных частиц в опытах по физике тяжелых кварков, поиску бозонов Хиггса и в других опытах с целью обнаружения новых явлений за пределами Стандартной модели. С помощью калориметров измеряют величину энергии и определяют направление частиц и струй, рожденных в первичном акте взаимодействия. Эти данные необходимы для восстановления процесса столкновения, идентификации вторичных частиц и определения кинематических параметров продуктов взаимодействия.

В монографии Р.Вигманса «Калориметрия»* приведены весьма полные сведения об опыте сооружения калориметров и достигнутых с их помощью фундаментальных результатов в современных экспериментах по физике высоких энергий. Монография дает также анализ перспектив использования калориметров в планируемых экспериментах в ТэВ-ной области на Большом Адронном Коллайдере с помощью установок ATLAS** (рис.1) и CMS***. В проектирование и сооружение этих спектрометрических комплексов крупный

Richard Wigmans. Calorimetiy. Energy Measurement in Particle Physics. Clarendon Press. Oxford. 2000.

ATLAS-A Toroidal LHC Apparatus

CMS- CompactMuon Solenoid arrel Toroid Inner Detector

Hddrornc Calorimeter*

Shi ¡elding

Muon Detector!

Forward

Detector churiictvmlk^ Width: 44m Did meter: 22m Weight: 7000t

Са1опте(ег1

End Сар Тогч^

Рис.1. Схематическое изображение установки АТЛАС. вклад внесли лаборатории ОИЯИ (ЛФВЭ, ЛЯП, ЛИТ), ведущие исследовательские центры России (ИЯИ РАН, НИИЯФ МГУ, ИФВЭ и др.), Западной Европы и США.

Названные установки содержат мощные калориметрические системы, различия в которых обусловлены различиями в программах первоочередных экспериментов и долгосрочных физических задач.

Принципиальной отличительной особенностью адронного тайл-калориметра АТЛАС11' является то, что в этом самом крупном из когда-либо сооружаемых калориметров такого типа, достигнуто совмещение характеристик (разрешение, линейность, герметичность.), адекватное исследуемому диапазону ТэВ-энергнй на ЬНС.

Это достижение вытекает из оригинальной принципиальной схемы конструкции (двойная замкнутая арка, расположение пластин абсорберов и сцинтилляторов перпендикулярно пучкам) и ряда специальных конструктивных решений.

Проектное разрешение адронного калориметра установки АТЛАС и его линейность ±2% определены энергетическим диапазоном струй, частиц и величиной «потерянной энергии», обычно ассоциируемой с нейтрино.

Tile Barrai Tile Entended Во ri el рмг

LAr CM Endcap (EWfCl

LAr Had ron le

Cud с up {НЕС) lArEM Borrel

Calorimeter [rCAl)

Рис.2. Схема расположения калориметрической системы АТЛАС (слева); модуль баррельной части адронного калориметра (справа).

Несколько примеров. Разрешение адронного калориметра ДЕЛФИ* было 100%/^£ ; на CMS** оно составляет100%/7£ ® 5%(для быстрот |tj|<3.2).

Адронный тайл-калориметр установки АТЛАС[2,3] имеет сотовую структуру: сцинтиллируюшие пластины (тайлы) вставлены в стальной поглотитель и считываются спектросмещающими оптическими волокнами (рис.2). Abren P. Et al (1996). Nucl Instr. and Meth. A378, 57. The CMS Hadron Calorimeter Technical Design Report; report CERN/LHCC/97-33.

Калориметр состоит из трёх секций: центральной (баррель) и двух дополнительных; каждая секция собрана из 64 модулей клиновидной формы; длина и вес модуля в центральной части калориметра равны соответственно 5.6 м и 20 т, а в дополнительных частях - 2.8м и Ют. Модуль строится из субмодулей, установленных с требуемой относительной линейной и угловой точностью на общем основании - прямой мощной балке.

Необходимо выполнение ряда жёстких проектных требований по точностям к механической сборке модулей. Основное из них - допустимая неплоскостность боковой поверхности модуля (1.9м х 5.6м): она не может превосходить 600 микрон. Эта точность высока и её достижение представляет собой сложную инженерно-техническую задачу, если учесть вес и габариты модуля и специфику его структуры: модуль, по сути дела, набран из стальных пластин (ядерных поглотителей, рис.2), а общее количество абсорберов в калориметре — несколько сот тысяч с производственным допуском на габаритные размеры ±100 мкм и по толщине ±30 мкм. Вес абсорбера в калориметре составляет несколько тысяч тонн. Для достижения наиболее приемлемого сочетания требований физики, технологии и точности производства в конструкции модулей калориметра установки АТЛАС применены комбинации соединений: клеевые, болтовые и сварные.

Принципиальная конструктивная схема калориметра, определяемая физическими требованиями, должна быть обеспечена адекватными технологиями производства компонентов, имеющего промышленный масштаб, равно как и технологией сборки субмодулей, модулей и полномасштабного калориметра. Понятно, что на всех названных стадиях потребовалась разработка и применение соответствующих методов прецизионного метрологического контроля, включая методику лазерного контроля*-4-1, внедренных в современную практику сборки особо крупных детекторов.

Очевидно поэтому, что в задаче выступают 3 ключевых проблемных этапа:

1. Высокоточное промышленное производство ~ 300 000 штук компонент субмодулей: мастерных и спейсерных пластин.

2. Высокоточная сборка субмодулей и их высокоточное позиционирование на общей балке в модуле.

3. Создание и применение методов прецизионной метрологии для контроля точности сборки полномасштабного ядерного абсорбера тайл-калориметра.

Субмодули при сборке модулей должны быть установлены на общую балку так, чтобы положение их оси симметрии было вертикально с точностью 0.15мм /1.6м, что соответствует 8-й степени точности при машинной обработке деталей. Достижение подобной точности (при том, что один модуль содержит 19 субмодулей каждый весом около 1 тонны) стало возможным благодаря разработке и внедрению в ОИЯИ уникального метода лазерного контроля.

Спейсерные пластины (18 шт. На 1 период) шт I г гШа еЫЗ ЕЫЭ 1.1 /| ' Т

120 101

А' 'ц' 'ц' У ЧяЖ

I I г

I 17Г

I!

II

II

Мастерныв пластины,

2.6 А Л йш.

41 отв

2.6

70

1021

Рис.3. Схематичное изображение одного из 55 периодов метрового прототипа субмодуля.

Разворачиванию в ОИЯИ полномасштабного производства субмодулей и модулей предшествовали принципиально важные этапы научно-исследовательских работ и опытно-конструкторских разработок. Успешное завершение этих этапов продемонстрировало сотрудничеству АТЛАС, что в ОИЯИ имеются необходимые специалисты и техническая база для создания центральной части адронного тайл-калориметра.

Этими этапами были:

• создание в кратчайшие сроки (в течение 3 месяцев в 1994 г.) метрового прототипа субмодуля калориметра с качеством исполнения1-5-1, уверенно поставившим ОИЯИ в число ведущих участников международной коллаборации,

• создание в ОИЯИ в 1996г. полномасштабного прототипа модуля, т.н. "модуля-0" (этот факт был отражен на страницах престижного научного журнала «Nature»), высокое качество сборки которого и продемонстрированная методика прецизионного контроля решили вопрос о сборке именно в Дубне всех 65-ти шестиметровых модулей.

Разработка и применение созданной в ОИЯИ методики лазерного контроля точности сборки (~50 мкм) шестиметровых, 20-тонных модулей, кроме достижения нужных точностей позволили наладить высокий темп производства - 2 модуля за месяц. Поддержание данного темпа гарантировало выполнение международного обязательства ОИЯИ в срок: 3 июля 2002 года последний, 65 модуль адронного тайл-калориметра был доставлен в ЦЕРН.

Решив сложную научно-техническую проблему прецизионной сборки модулей калориметра, сотрудничество в последующем экспериментально измерило^ параметры калориметра. При исследовании в тестовых сеансах модулей калориметра было установлено, что калориметр АТЛАС соответствует требованиям эксперимента по

Л- ¿А.-Ж.А'"Л--.'-' энергетическому разрешению 50%/ 4Ё ®Ъ% и линейности ±2% [3], что ставит его в число наиболее точных устройств подобного типа.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Топилин, Николай Дмитриевич

Выводы к диссертации.

1. Предложены принципиально новые решения ряда ключевых структурных элементов ядерного абсорбера адронного тайл-калориметра АТЛАС. Эти решения составили существенную часть раздела «Механика» Технического Проекта (ТБ11) АТЛАС.

2. Подготовлено и реализовано контролируемое массовое производство 300000 шт. стальных пластин ядерного абсорбера адронного тайл-калориметра АТЛАС.

3. Созданы главные структурные элементы адронного калориметра — субмодули и модули, для чего были разработаны и организованы производственные участки и методика контроля, обеспечившая достижение проектных допусков.

4. Сконструированы и изготовлены транспортные опоры для перевозки в ЦЕРН 20-ти тонных модулей и специализированное подъемно-такелажное оборудование, включая легко монтируемые траверсы.

5. Разработаны технологические схемы и осуществлена сборка трех секций адронного калориметра установки АТЛАС с применением принципа шиммирования, выполнением контрольных измерений и предсказательного расчета эволюции формы баррелей в процессе их сборки с достижением жестких допусков (0,1%) на диаметры и плоскостности (0.02%) торцевых поверхностей.

6. Предложено и реализовано решение ключевой проблемы монтажа баррелей: весом 64-го модуля «ветви» барреля раздвигаются в пределах упругих деформаций.

Благодарности.

Работы по программе ЬНС в ОИЯИ всегда были в центре внимания дирекции ОИЯИ и лично академика РАН А.Н.Сисакяна, что я постоянно ощущал в своей практической деятельности и за что я глубоко признателен Алексею Норайровичу Сисакяну.

Я выражаю глубокую признательность моему научному руководителю проф.Ю.А.Будагову за постоянную научную поддержку в период работы по проекту тайл-калориметра в 1994-2008 г.г. и ценные критические замечания по диссертации.

Результаты, составившие основу данной диссертации, получены по программе исследований, выполняемых в ОИЯИ под общим научным руководством проф. Н.А.Русаковича в соответствии с ПТП Института и Соглашением о сотрудничестве ОИЯИ-ЦЕРН в эксперименте АТЛАС на БАК (ЬНС).

Н.А.Русакович всемерно содействовал достижению выполнения в ОИЯИ плана работ по установке АТЛАС, принципиальной частью которой является адронный тайл-калориметр, в создании которого мне довелось участвовать.

Я выражаю искреннюю благодарность дирекции ЛЯП в лице проф. А.Г.Ольшевского за внимание и всестороннее содействие в работе.

Я глубоко признателен коллаборации АТЛАС за доброжелательность и содействие в моей работе на всех этапах сотрудничества на протяжении более 14-ти лет.

Я ценю годы сотрудничества с Алексеем Норайровичем и Юлианом Арамовичем по проекту ЗБС/БЗС-ЬаЬ, приведшие меня в АТЛАС.

Моя огромная благодарность сотрудникам, принимавшим непосредственное участие в этой работе в ЛЯП, в ЦЕРНе и прочих местах, чей труд, несомненно, способствовал успеху работы. Это

ОИЯИ: В.А.Аносов, С.П.Баландин, В.Ю.Батусов, П.М.Былинкин, В.И.Данилов, Д.Л.Демин, В.К.Ефимов, Ю.А.Жаднов, В.И.Коломоец, Ю.А.Кульчицкий, ^О.Ф.Ломакин, М.В.Ляблин, А.Д.Новиков, Н.Д.Новоже-нин, Е.Поминов, В.М.Романов, В.В.Сазонов, В.Г.Сазонов, А.В.Сазонова, Е.В.Сметанина, Ю.А.Сорокина, С.Н.Студенов, Ю.А.Туманов, В.А.Уткин, В.Б.Флягин, Д.И.Хубуа, И.Е.Чириков-Зорин, А.С.Щелчков, С.А.Юхимчук.

Я выделяю В.М.Романова как близкого коллегу, общение с которым на протяжении всех лет было неизменно интересным и ценным.

В решении многочисленных научно-практических и организационных вопросов я всегда встречал поддержку Д.И.Хубуа. ЦЕРН: Б.Брунель, Ж.-К.Гайде, Б.Дютен, А.Енрике, К.Лассер, М.Несси, Л.Роз-Дулсина, Ф.Россе, Б.Станек,

Россия: В.Афонин, А.Васин, Н.Колесников, Ю.Никитин, А.Б.Фенюк, Беларусь: И.Жих, А.С.Курилин, П.П.Кужир, Н.М.Шумейко, Испания: Давид Кал-Дерон, Диего Кал-Дерон, Л.Мираллес, Х.Феррер, Италия: Т.Дел-Прете, Польша: Я.Блоцки,

Румыния: Ф.Деак, С.Дита, Г.Попенечиу, И.Райчу, В.Рокаш, Словакия: Л.Адамчик, С.Я.Дубничка, С.Токар, США: В.Гуарино, Д.Проудфут, Н.Хилл, Чехия: Ш.Валкар, Р.Лейтнер, С.Немечек, М.Сук.

На протяжении всего периода создания установки АТЛАС автор работал рука об руку с большим количеством коллег из многих научных центров и производственных коллективов. Большой успех в создании компонент субмодулей и модулей; сборка, транспортировка и геометрический контроль модулей; монтаж цилиндров тайл - калориметра АТЛАС как на поверхности, так и под землей, а также проектирование, производство, изготовление и использование многочисленного технологического оборудования были бы невозможны без объединения усилий многих специалистов: физиков, инженеров, техников и механиков. В связи с этим автор выражает огромную благодарность всем коллегам независимо от величины их конкретного вклада в общее дело и приносит искренние извинения всем тем, кто не вошел в этот список по какой-либо причине.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Топилин, Николай Дмитриевич, 2009 год

1. W.W.Armstrong,.,N.Topilin, et al ATLAS Technical Proposal, CERN/LHCC/94-93, CERN, Geneva, Switzerland, (1994).

2. W.W.Armstrong,.,N.Topilin et al, ATLAS Tile Calorimeter Technical Design Report, ATLAS TDR 3, CERN/LHCC/96-42, CERN, Geneva, Switzerland, (1996).

3. E.Berger,.,N.Topilin et al. Construction and perfomance of an Iron-Scintillator hadron calorimeter with longitudinal tile configuration. ATL-TILECAL-PUB-1995-055, CERN, Geneva, Switzerland, (1995).

4. V.Batusov,.,N.Topilin et al., Development of laser measurements at the ATLAS Tile Calorimeter module production, JINR, Dubna E-13-2001-257, (2001).

5. J.Budagov,.,N.Topilin et al. Report on fabricating of ATLAS hadron calorimeter prototype #5 in Dubna. ATL-TILECAL-PUB-1994-014, CERN, Geneva, Switzerland, (1994).

6. P.Amaral,.,N.Topilin et al., Hadronic shower development in Iron-Scintillator Tile Calorimetry, NIM in Physics Research, A 443 (2000) 51-70.

7. J.Budagov,.,N.Topilin et al. ATLAS Tile hadron calorimeter module assembly design. ATL-TILECAL-PUB-1994-03 6, CERN, Geneva, Switzerland, (1994).

8. J.Budagov,.,N.Topilin et al. ATLAS barrel hadron calorimeter module: tooling description for module assembly. JINR, Dubna. El3-95-467. (1995).

9. J.Budagov,.,N.Topilin et al. ATLAS barrel hadron calorimeter 0-module assembly technology. JINR, Dubna. El3-97-23,(1997). ATL-TILECAL-PUB-1997-94. CERN, Geneva, Switzerland, (1997).

10. J.Budagov,.,N.Topilin et al. ATLAS barrel hadron calorimeter module assembly and tooling design description. JINR, Dubna. El3-95-254, (1995).

11. J.Budagov,.,N.Topilin et al. ATLAS barrel hadron calorimeter: tooling design description for module assembly. JINR, Dubna. El3-96-78, (1996).

12. JB.Alikov,.,N.Topilin et al. Recent advances in precision laser cutting for the ATLAS hadron calorimeter absorbers production. JINR, Dubna. El 3-95-515,(1995).

13. B.Alikov,.,N.Topilin et al. ATLAS barrel hadron calorimeter: general manufacturing concepts for 300000 absorber plates mass production. JINR, Dubna. E13-98-135. (1998).

14. J.Budagov,.,N.Topilin et al. Tile calorimeter module assembly. ATL-TILECAL-PUB-1994-021, CERN, Geneva, Switzerland, (1994).

15. J.Budagov,.,N.Topilin et al. ATLAS barrel hadron calorimeter module design. JINR, Dubna. El3-95-20, (1995).

16. В.Ю.Батусов,., Н.Топилин и др. Адронный тайл-калориметр установки АТЛАС: опыт создания прототипов и массового производства модулей. ОИЯИ, Дубна. Р13-2005-130, (2005). Физика элементарных частиц и атомного ядра, Т. 37. Выпуск 5, (2006).

17. V.Batusov,.,N.Topilin et al., Development and application of high-precision metrology for the ATLAS Tile-Calorimeter construction. JINR, Dubna. E-13-2004-177 (2004). Presented at the 8th IWAA, October 4-7, 2004, CERN, Geneva.

18. JV.Batusov,.,N.Topilin et al., Development of laser measurements at the ATLAS Tile Calorimeter module production, JINR, Dubna, E-13-2001-257, (2001).

19. V.Batusov,.,N.Topilin et al., Development and application of high-precision metrology for the ATLAS Tile-Calorimeter construction. JINR, Dubna. E-13-2004-177, (2004).

20. V.Batusov,.,N.Topilin et al., High Precision Laser Control of the ATLAS Tile-Calorimeter Module Mass Production at JINR. Part, and Nuclei, Letters, 2001, N2, p.33-40.

21. V.Batusov,., N.Topilin et.al High Precision Laser Control of the ATLAS Tile-Calorimeter Module Mass Production at JINR.//Particles and Nuclei, Letters. 2001.- N.2. - p.33-40. - Bibliogr.: 2. - 344.1 e

22. V.Batusov,., N.Topilin et.al Development and application of high-precision metrology for the ATLAS tile-calorimeter construction (Pre-assembly experience and lessons). JINR, Dubna, El3-2005-42, (2005).

23. В.Батусов,., Н.Топилин и др. Модульный ядерный абсорбер адронного калориметра установки АТЛАС (опыт контролируемой сборки на поверхности и под землей). ОИЯИ, Дубна. Р13-2008-141, (2008). Письма в ЭЧАЯ, 2009, Т.6, Выпуск 4.

24. J.Abdallah,., N.Topilin et al., Design, Construction and Installation of the ATLAS Hadronic Barrel Scintillator-Tile Calorimeter, CERN, ATL-TILECAL-PUB-2008-001, (2008).