Трековые детекторы из тонкостенных дрейфовых трубок для физических установок тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, доктор наук Фахрутдинов Ринат Макаримович
Фахрутдинов Ринат Макаримович
доктор наук
2025
- Специальность ВАК РФ00.00.00
- Количество страниц 215
Оглавление диссертации доктор наук Фахрутдинов Ринат Макаримович
Введение
Глава 1. Камеры из 30-мм ДТ в алюминиевом корпусе для установок «ОКА» и «ФОДС»
1.1 Введение к главе
1.2 Станции из 30-мм ДТ в алюминиевом корпусе для установок «ОКА» и «ФОДС»
1.3 Заключение к главе
Глава 2. Разработка конструкции и технологии изготовления прецизионных дрейфовых трубок в лавсановом корпусе
2.1 Мотивация для разработки лавсановых ДТ и предыстория выбора конструкции
2.2 Технология ультразвуковой сварки корпусов ДТ из лавсана
2.3 Конструкция и технология изготовления 30-мм лавсановых ДТ
2.4 Лавсановые ДТ диаметром 15 мм
2.5 Заключение к главе
Глава 3. Трековые детекторы из лавсановых ДТ для физических установок НИЦ «Курчатовский институт» - ИФВЭ
3.1 Трековые камеры из 30-мм ДТ
3.2 Трековые камеры из 15-мм ДТ
3.3 Заключение к главе
Глава 4. Регистрирующие системы из ДТ для мюонных томографов
4.1 Основные принципы томографирования объектов с помощью мюонов космического излучения
4.2 Лабораторные макеты мюонного томографа - ЛММТ
4.3 Прототип томографа «Мю-томо - 3»
4.4 Заключение к главе
Глава 5. Дрейфовая трубка с одной анодной и четырьмя полеформирующими проволоками
5.1 Введение к главе и мотивация для добавления полеформирующих электродов во внутренний объем трубки
5.2 Исследование ДТ двух типов с полеформирующими электродами на пучках Ускорительного комплекса У-70
5.3 Исследование длинной ДТ с проволочными полеформирующими электродами
5.3.1 Оптические измерения электростатических смещений проволок
5.3.2 Измерения с космическими частицами
5.3.3 Измерения с импульсным рентгеновским источником
5.3.4 Выводы к параграфу
5.4 Проработка возможности модернизации 30-мм ДТ детектора АТЛАС внедрением полеформирующих проволок
5.5 Заключение к главе
Глава 6. Разработка и изготовление элементов и конструкций новых мюонных камер из 15-мм ДТ в рамках проектов модернизации детектора АТЛАС
6.1 Мотивация для создания ДТ уменьшенного диаметра
6.2 Работы по проектам 1-й и 2-й фаз модернизации АТЛАС
6.3 Заключение к главе
Глава 7. Исследование долговременной работоспособности ДК без постоянного обновления рабочей газовой смеси
7.1 Ведение к главе
7.2 Эксперименты с камерами из 30-мм ДТ в алюминиевом корпусе
7.3 Камеры из 30-мм лавсановых ДТ
7.4 Камеры из 15-мм лавсановых ДТ
7.5 Заключение к главе
Заключение
Список литературы
Список зарегистрированных «ноу-хау» и утвержденных «Технологических регламентов производства» по теме диссертации
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
В диссертации применяются следующие обозначения, сокращения, определения:
НИЦ «Курчатовский институт» - ИФВЭ Федеральное государственное бюджетное учреждение «Институт физики высоких энергий» имени А.А. Логунова Национального исследовательского центра «Курчатовский институт»
Ускорительный комплекс У-70 Ускорительный комплекс НИЦ «Курчатовский институт» - ИФВЭ на энергию 70 ГэВ - каскад из четырех резонансных ускорителей - двух линейных и двух кольцевых, а также каналы транспортировки и физические установки
ВЕС, ОКА, СПАСЧАРМ, ФОДС Экспериментальные физические установки на Ускорительном комплексе У-70
ЦЕРН (CERN) Европейский центр ядерных исследований (от франц. Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire). Расположен в районе г. Женева на территории Швейцария и Франции.
БАК (LHC) Большой адронный коллайдер (от англ. Large Hadron Collider) - ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений
Детектор АТЛАС (ATLAS) (A Toroidal LHC ApparatuS) - многоцелевой коллайдерный детектор на БАК
Детектор CMS (Compact Muon Solenoid - Компактный мюонный соленоид) - многоцелевой коллайдерный детектор на БАК
Коллаборация АТЛАС (ATLAS collaboration) Коллаборация АТЛАС, участником которой является НИЦ «Курчатовский институт» - ИФВЭ
ATLAS-TDR (ATLAS Technical Design Report) - Технический проект детектора АТЛАС
TRT-детектор (Transition Radiation Tracker) - детектор переходного излучения
GEANT4 (GEometry ANd Tracking) - программа моделирования прохождения элементарных частиц через вещество
МэВ, ГэВ, ТэВ Мегаэлектронвольт (106 эВ), гигаэлектронвольт (109 эВ), тераэлектронвольт (1012 эВ) - единицы измерения энергии в физике высоких энергий
ДТ Дрейфовая трубка
ДК Дрейфовая камера, представляющая собой плоскость из трех склеенных между собой слоев ДТ
Трековая станция Комбинация из двух или более ортогонально ориентированных между собой ДК
ВЦП (ТОС) Время-цифровой преобразователь (Time-Digital Converter)
Счетная характеристика Зависимость скорости счета сигналов ДК или ДТ от величины приложенного напряжения
Временной спектр Распределение сигналов ДТ во времени, dN/dt (также может именоваться как ВЦП-спектр, TDC-spectrum)
Введение
В больших современных экспериментальных физических установках широкое распространение имеют газонаполненные детекторы, принцип действия которых основан на измерении электрического заряда (тока), который образуется в газе в результате его ионизации заряженной частицей, проходящей через газовую среду детектора, представляющего собой замкнутый объем, в котором сформировано электрическое поле с помощью двух или более электродов. Незаряженные частицы (у-излучение, нейтроны) регистрируются благодаря заряженным частицам, возникающим в различных процессах: поглощения у-квантов с образованием электронов, поглощения нейтронов в реакциях (п, а), (п, р), рассеяния быстрых нейтронов с образованием быстрых заряженных ядер отдачи — протонов в водородсодержащих веществах.
В зависимости от создаваемого электродами распределения напряженности электрического поля в рабочем объеме газонаполненного детектора и его заполнения тем или иным рабочим газом, достигаются разные режимы его работы, отличающиеся характером протекания ионного тока. Поскольку диссертация посвящена трековым детекторам, основанным на дрейфовых трубках, хочется подробнее остановиться на основных принципах работы именно дрейфовых приборов.
Дрейфовый прибор (камера, трубка) - это газонаполненный ионизационный детектор с проволочными электродами, предназначенный для определения с высокой точностью координат пролетающих через его объем заряженных частиц.
Упрощенно, принцип работы дрейфового прибора следующий. При пересечении заряженной частицей (для примера на схеме внизу - пи-мезоном) газового объема прибора, происходит так называемая первичная ионизация газа - вырывание одного или нескольких электронов из атомов газа:
л:А —* к А * е~> л:А4 4 ____
за которой следует вторичная, более мощная ионизация газа вдоль трека первичной частицы - теперь уже электронами, которые напрямую высвободились из атомов при первичной ионизации:
или через возбужденное состояние атома, например, с вовлечением в игру новых присутствующих в газе атомов или молекул по следующей цепочке
ЯА —* ЯА* тжтт„ е~А
затем
или
Свободные электроны, находясь под действием электрического поля, созданного в приборе с помощью, как правило, проволочных электродов, начинают дрейфовать к положительно заряженному (сигнальному) электроду (проволоке). Скорости дрейфа электронов в различных газах в зависимости от напряженности поля достаточно хорошо изучены. По мере приближения к сигнальной проволоке, эти свободные электроны попадают в зону сильного электрического поля (Б ~1/г, где E - напряженность поля, а г - расстояние до сигнальной проволоки), где набирают достаточную энергию для последующей ионизации газа, в результате чего появляются новые свободные электроны, которые в свою очередь также вызывают ионизацию. Таким образом происходит лавинообразное размножение электронов в газе, схематично показанное на рисунке В2.
сигнальная проволока
Рис. В2. Лавинообразное размножение электронов в газе
На практике, параметры прибора - рабочий газ, напряженность электрического поля, диаметр сигнальной проволоки подбираются таким образом, что коэффициент лавинообразного размножения электронов составляет величину порядка 104 - 106. При подходе лавины к сигнальной проволоке, на ней появляется электрический сигнал в виде короткого токового импульса, который обрабатывается с помощью зарядо-чувствительного усилителя-формирователя-дискриминатора. Эта обработка заключается в преобразовании короткого токового импулься в напряжение и регистрации превышения сигналом заданного порога.
В показанной ниже (рис. В3) упрощенной классической схеме, дрейфовые приборы работают в паре с внешними («триггерными») детекторами (чаще всего сцинтилляционными счетчиками), которые фиксируют момент пролета частицы через прибор. Измерив (обычно с использованием ВЦП -преобразователей) время задержки сигнала с дрейфового прибора относительно триггерного сигнала и зная для этого прибора зависимость времени прихода сигнала от расстояния до сигнальной проволоки г(1;), с хорошей точностью (0.1 - 0.3 мм) можно определить координаты трека.
^ »
Усилитель &
дискриминатор г радиус
Рис. В3. Схема формирования сигнала с ДТ
Многослойные дрейфовые приборы могут работать и в режиме отсутствия внешнего триггерного сигнала («бестриггерный режим»). В этом случае псевдо-триггерный сигнал с определенной периодичностью формируется таймером, и все сигналы от всех сигнальных электродов всех слоев прибора, пришедшие в пределах определенного временного интервала, регистрируются
электроникой и затем анализируются с тем, чтобы из всей сработавшей группы сигналов выделить те, которые могут представлять физический трек. Данная процедура анализа и отбора в дальнейшем будет называться «кластеризация».
Дрейфовые приборы могут иметь различную форму. Дрейфовые детекторы больших размеров, используемые в экспериментах на ускорителях заряженных частиц, зачастую имеют плоскую форму либо скомпонованы из большого количества приборов цилиндрической формы - дрейфовых трубок.
Для условий небольших загрузок, например для нейтринных экспериментов на ускорителях или для экспериментов с космическими частицами, можно конструировать дрейфовые детекторы с очень большим дрейфовым промежутком, т.е. с очень редким взаиморасположением сигнальных проволок, соответственно минимизируя количество каналов регистрации на единицу площади детектора. Так, дрейфовые камеры Нейтринного детектора ИФВЭ - ОИЯИ [1 - 3] были сконструированы с дрейфовыми промежутками 250 мм [4 - 7]. В настоящее время эти камеры используются [8-13] в установке ТРЕК Экспериментального комплекса НЕВОД [14] для регистрации и исследования космических лучей сверхвысоких энергий. Для сравнения, в пропорциональных камерах [15, 16], являющихся в некотором роде прародителями дрейфовых камер (имеется в виду то, что в основе принципа работы ДК лежит процесс усиления заряда в электрическом поле, ранее хорошо изученный и используемый в пропорциональных счетчиках и камерах), характерный шаг между сигнальными проволоками (что и определяет точность, или «пространственное разрешение») составляет 2 мм, что существенно уступает указанной выше достижимой точности дрейфовых приборов.
Во многих физических установках [17 - 19], как на коллайдерах, так и в ускорительных экспериментах с фиксированной мишенью, широко используются трековые детекторы, скомпонованные из большого числа дрейфовых трубок, чаще всего круглого сечения. При этом в оконечных частях установок, обычно называемых мюонными детекторами, корпуса ДТ, как
правило, металлические - из алюминия или нержавеющей стали. Мюоны обладают большой проникающей способностью и потому для них наличие относительно толстых стенок регистрирующих приборов не столь критично, а использование стандартных металлических труб гарантирует прочность конструкции и упрощает и удешевляет производство ДТ. Безусловно, наиболее выдающимся примером использования ДТ в коллайдерном эксперименте является мюонный спектрометр детектора АТЛАС на БАК, в котором задействовано 354384 трубки в алюминиевых корпусах, объединенные в 1170 ДК, площадь наибольших из которых достигает 10 м2 при длине ДТ 6.3 м [20]. И при таких гигантских размерах мюонный спектрометр обеспечивает восстановление координат треков прошедших через него частиц ~ 100 мкм.
Важное значение при выборе ДТ для создания больших ДК имеет относительная простота их производства, но еще более то, что при обрыве сигнальной проволоки в отдельной трубке, только она перестает работать, но не приводит в неработоспособное состояние ДК целиком.
Уместно отметить, что мюонные камеры из ДТ для детектора АТЛАС были выбраны мюонной коллаборацией после длительного изучения и всестороннего сравнения с другими вариантами. На финальной стадии (перед утверждением и опубликованием ATLAS-TDR [21]) оставались для рассмотрения три следующих варианта-кандидата: 1) Нидерландское предложение Honeycomb Strip Chamber (HSC) [22] - камера на основе сотовых структур, полученных после горячего прессования из напыленной майларовой пленки. В центре шестиугольной трубы помещается сигнальная проволока. Дополнительно регистрируется наведенный заряд на внешних электродах для определения продольной координаты; 2) продвигаемая итальянскими институтами Jet-Cell Chamber (JCC) [23] - многопроволочная (8 сигнальных проволок) дрейфовая камера в корпусе из тонкого (0.5мм) алюминия, способная определять координату и угол проекции трека; и 3) предложение ОИЯИ (Дубна): High-Pressure Drift Tubes (HPDT) Chamber [24] - камера на основе дрейфовых трубок под давлением, работающих в самогасящемся стримерном
(СГС) режиме. Были изготовлены и испытаны в ЦЕРН полномасштабные прототипы всех трех вариантов, в итоге победил 3-й вариант (вариант ОИЯИ-Дубна), хотя, из соображений старения (aging) в дальнейшем пришлось уменьшить рабочее давление до 3-х бар, отказаться от СГС-режима и рабочей смеси, содержащей углеводороды. Опыт создания и многолетней эксплуатации детектора АТЛАС убедительно подтверждает, что выбор оказался правильным - 3-й вариант с дрейфовыми трубками проще в изготовлении и надежнее в эксплуатации.
Важным фактором, принципиально ограничивающим возможность эффективного использования классической (с одной - сигнальной -проволокой) ДТ в интенсивных потоках заряженных частиц является то, что ее двухтрековое разрешение практически невозможно сделать меньше радиуса трубки. Одним из возможных способов преодоления данного недостатка является внедрение в объем трубки дополнительных - полеформирующих -электродов в виде двух пластин или четного числа проволок, что, конечно же, усложняет конструкцию. Альтернативным методом повышения загрузочной способности ДТ является уменьшение ее диаметра. Оба этих варианта рассмотрены в диссертации.
Одна из основных задач диссертации посвящена разработке новых трековых камер из дрейфовых трубок в лавсановом корпусе. Поскольку дрейфовые трубки с корпусами из лавсановых и других полимерных пленок уже используются в физических экспериментах, представляется необходимым дать пояснения о мотивации для данной новой разработки.
Преимущество лавсанового корпуса по сравнению с металлическим очевидно - можно добиться существенно меньшего количества пассивного вещества на пути регистрируемых частиц. И это не только (и не столько) за счет разности в плотности (и, соответственно, в радиационной длине) материала, но в большей степени за счет банальной причины - массового индустриального производства прецизионных качественных тонкостенных металлических (алюминиевых или из нержавеющей стали) труб диаметром
мм и более с толщиной стенки менее 0.4 мм в мире нет. (Это заключение было сделано мюонной коллаборацией АТЛАС в результате широких маркетинговых исследований; при меньших чем 0.4 мм толщинах стенки, из-за вкраплений или задиров при производстве, появляется значительное количество сквозных микроотверстий в трубе, не позволяющих обеспечить ее герметичность). А трубки с достаточной герметичностью из полимерных пленок могут быть, например, толщиной 25 мкм, как это имеет место в Детекторе переходного излучения (TRT-детектор) [25] установки АТЛАС.
TRT-детектор (Transition Radiation Tracker) - одна из трех подсистем внутреннего детектора эксперимента АТЛАС. В разработке и создании детектора решающая роль принадлежит российским институтам (ПИЯФ, МИФИ, ФИАН, НИИЯФ МГУ) и ОИЯИ (г. Дубна). TRT-детектор обеспечивает получение информации о треках заряженных частиц в магнитном поле, а также идентификацию электронов с эффективностью 90% и подавление адронного (пионного) фона в 10 раз. Регистрирующими элементами детектора TRT являются 372 032 дрейфовые трубки (straw tube - строу трубка), цилиндрический корпус которых диаметром 4 мм, служащий катодом, изготовлен из полиимидной (каптоновой) пленки толщиной 25 мкм с электропроводящим (алюминий толщиной 0,2 мкм) напылением. Анодом является позолоченная вольфрамовая проволока диаметром 31 мкм. Механическая прочность строу-трубки обеспечивается приклеенными на её внешнюю стенку нитями из углепластика (4 шт.). При этом для анодных проволок длинных (144 см) трубок Barrel-части детектора предусмотрены также внутренние механические поддерживающие элементы. Короткие трубки End-Cap части детектора (длиной 47 см) в механических поддержках не нуждаются. Индивидуальное пространственное разрешение строу-трубки 130 мкм.
Помимо АТЛАС, аналогичные детекторы на основе строу-трубок используются также и в других крупных экспериментах: LHCb [26], COMPASS [27], NA62 [28]. Следует отметить, что, например, в ОИЯИ (г.
Дубна) имеется опыт изготовления строу-трубок и большего, чем для ATLAS-TRT, диаметра - до 10 мм с тонкими стенками - 20 - 50 мкм. Так, в одной из последнх публикаций (2023 г.) касательно строу-трубок, коллектив авторов из ОИЯИ и двух институтов НАН Беларуси - Физико-технического института и Института энергетики - представил разработку тонкостенных дрейфовых трубок такого диаметра с резистивным катодом из DLC (Diamond Like Carbon -алмазоподобный углерод) и внешним стриповым считыванием сигнала [29].
Общим для строу-трубок является то, что их малые диаметры и малая толщина стенки предполагает наличие внешних или внутренних механических поддержек. Поставленная же автором задача настоящей диссертации была определена как разработка трековых камер, регистрирующими ячейками которых являются ДТ диаметром 30 мм, по физическим свойствам не уступающие классическим ДТ детектора АТЛАС, но не в алюминиевой трубе, а в тонкостенном корпусе из лавсана с двусторонней металлизацией, и чтобы при этом каждая трубка являлась самоподдерживающимся элементом, т.е. была способна даже без избыточного давления и каких-либо специальных внутренних или внешних поддержек сохранять правильную цилиндрическую форму и выдерживать натяжение 350г сигнальной проволоки диаметром 50 мкм.
Значительное место в диссертации отведено автором разработке трековых детекторов из ДТ для экспериментальных физических установок ВЕС, ОКА, ФОДС, СПАСЧАРМ на Ускорительном комплексе У-70 НИЦ «Курчатовский институт» - ИФВЭ, схематично представленном на рис. В4.
Рис. В4. Схема Ускорительного комплекса У-70. 1-100 и ЦКАЪ-30 - линейные ускорители, Ц-1.5 - быстроцикличный бустерный синхротрон, И-70 - протонный синхротрон на энергию 70 ГэВ.
Установка ВЕС (от «ВЕршинный Спектрометр», рис. В5) [30] предназначена для проведения исследований, главным образом, в области мезонной спектроскопии. Установка отличается большим аксептансом магнитного спектрометра, что обеспечивается собственно апертурой магнита, размерами трековых детекторов, в 1-ю очередь трековых камер (8 шт.) из ДТ, а также их размещением на весьма короткой базе. Это, в свою очередь, позволяет иметь высокую эффективность (включая собственно аксептанс, поглощение частиц и эффекты реконструкции треков) спектрометра при регистрации многочастичных систем, слабо меняющуюся в широком диапазоне инвариантных масс. В качестве примера, на рис. В6 показана эффективность установки при регистрации системы 3-х заряженных пионов в когерентном образовании на ядре Ве (реакция п- + Be ^ Be + п+ + п- + п- при квадрате переданного импульса |^<0.033 (ГэВ/с)2) в диапазоне инвариантных масс 0.5^(3 п)<3 ГэВ/с2.
<ь С
мто - с истмюй •
»и й
СМ#ТЧ1М
Рис. В5. Схема установки ВЕС. ДТ- трековые детекторы из дрейфовых трубок.
(Е)
1
0.5 1 1.5 2 2.5 3 (М)
Рис. В6. Эффективность установки ВЕС для реакции п- + Ве ^ Ве + П+ + П- + П- при |1|<0.033 (ГэВ/с)2. Верхний график - для распределения 3п по фазовому объему, нижний -для физического распределения согласно результатам парциально-волнового анализа (ПВА).
Из последних важных результатов [31], полученных на установке ВЕС, можно отметить впервые исследованные на большой статистике в широком диапазоне масс характеристики системы фп0, состоящей из четырех легких кварков. Определены квантовые числа образующейся системы. Спектр масс имеет сложную структуру, что указывает на возможную четырехкварковую природу наблюдаемых объектов.
Установка ФОДС (от «ФОкусирующий Двухплечевой Спектрометр, рис. В7) - это двухплечевой поворотный спектрометр [32], изначально предназначенный для изучения одиночного и парного образования адронов с большими поперечными импульсами в протон-протонных и протон-ядерных взаимодействиях.
Каждое плечо данной установки включает в себя анализирующий магнит, систему трековосстановления из плоскостных дрейфовых камер и камер на основе дрейфовых трубок, два сцинтилляционных годоскопа, спектрометр колец черенковского излучения (СКОЧ), адронный калориметр и мюонный фильтр.
Рис. В7. Схема установки ФОДС: ДК - плоскостные дрейфовые камеры, ДТ - камеры из дрейфовых трубок, СКОЧ - спектрометр колец черенковского излучения, АК - адронный
калориметр, Si - сцинтилляционные счетчики.
Оснащение установки ФОДС трековыми детекторами из дрейфовых трубок имело важное значение для выполнения программы исследований с ускоренными ядрами углерода на ускорительном комплексе У-70. Исследовалось рождение вперед адронов и ядерных фрагментов в CA-столкновениях при энергии 20.5 ГэВ/нуклон, которая является рекордной для
такого рода экспериментов на неподвижной мишени. Для целей эксперимента был скомпонован комбинированный спектрометр (рис. В8), состоящий из канала № 22 ускорителя У-70 [33] с ядерными мишенями в начале и модифицированной установки ФОДС в конце для регистрации образовавшихся вторичных частиц и ядер. Жесткость канала варьировалась в пределах 4-70 ГэВ/с. Важным результатом явилось получение экспериментальных данных [34] по зависимости от импульса частиц их инклюзивных сечений образования для фрагментов с зарядом 1 < Z < 6, атомным номером 1 < А < 10 и АД < 3.4 с импульсами от 20 до 210 ГэВ/с.
\ Ml
Рис. В8. Схема комбинированного спектрометра для изучения рождения вперед адронов и ядер в CA-столкновениях в углеродном пучке У-70. На верхней части рисунка - канал № 22, внизу — установка ФОДС, пучок идет справа налево, M - магниты, Q - ввадруполи, K-коллиматоры, S - сцинтиляторы, C - пороговые черенковские счетчики, RICH — СКОЧ, HCAL - адронный калориметр, DT - камеры из дрейфовых трубок.
Установка ОКА (рис. В9) [35] предназначена для изучения взаимодействий каонов с мишенями и распадов заряженных каонов, установлена на канале с высокочастотным сепарированным К+\- пучком. Из последних результатов можно отметить, что впервые зарегистрирован [36] редкий распад К+ ^ л+л0л0у. Найдено более 50 событий искомого процесса, измерена относительная вероятность: Бг(К+ ^ л+л0л0у) = (3.7 ± 0.9СТат ± 0.3Шст> 10-6 E°T > 10 МэВ. Это первое статистически значимое наблюдение такого распада. Найденная вероятность распада согласуется с теоретическими расчетами.
(б) (в)
Рис. В9. Схема (а) и фотографии (б), (в) установки ОКА.
Экспериментальная установка СПАСЧАРМ (рис. В10) [37] представляет собой спектрометр для регистрации летящих вперед быстрых заряженных частиц, нейтронов, KY-мезонов и фотонов. Она состоит из системы прецизионных пучковых детекторов (GEM 1-2 и волоконный годоскоп H0), поляризованной протонной мишени, трековой системы с высоким координатным разрешением (детекторы GEM3 и системы дрейфовых трубок DTS 1-5), спектрометрического магнита, системы идентификации вторичных частиц (Cherenkov Counters), электромагнитного ECAL и адронного HCAL калориметров, а также мюонного детектора. Имеются также годоскопы множественности заряженных частиц и создаваемая на их основе время-пролетная система (три годоскопа H1-H3, перед спектрометрическим магнитом и после него, а также перед электромагнитным калориметром), охранная
система мишени и триггерные счетчики. Основной задачей проекта СПАСЧАРМ является детальное исследование различных поляризационных эффектов в процессах образования частиц и резонансов, состоящих преимущественно из легких и, ё и Б-кварков.
Рис. В10. Схема установки СПАСЧАРМ
В качестве примера эффективности работы трековой системы установки СПАСЧАРМ, основу которой составляют лавсановые дрейфовые трубки диаметрами 30 мм и 15 мм, можно привести распределение по массам пары (р + п-) в К- А - взаимодействиях (рис. В11). Виден четкий пик Л -гиперона в инклюзивном канале. Разрешение по массе (сигма) равно 5.16 МэВ (для К-пучка). Данный рисунок иллюстрирует возможности спектрометра СПАСЧАРМ выделить из большого комбинаторного фона Л-гиперон, подавив фон на три порядка.
Рис. В11. Распределение по массе пары (p + л") при использовании всех критериев отбора для К"-мезонного пучка с энергией 26.5 ГэВ в сеансе 2022 г. на установке СПАСЧАРМ. Выборка включает все события. Число Л-гиперонов S = 4542 ± 71, отношение сигнала к фону S/B = 10.4 ±
Из последних важных результатов [38], полученных на установке СПАСЧАРМ можно отметить измерение поляризации Л-гиперонов, образованных в пучках п- и К- мезонов. При этом поляризация Л-гиперонов, образованных в К- пучке на ядерных мишенях измерена впервые и имеет значительную среднюю (18 ± 3%) положительную величину в области фрагментации пучка. Получено указание на то, что наличие в начальном состоянии валентного s-кварка приводит к большей величине поляризации Л-гиперонов в области фрагментации пучка.
Рекомендованный список диссертаций по специальности «Другие cпециальности», 00.00.00 шифр ВАК
Разработка трековых систем большой площади на основе дрейфовых камер для экспериментов в физике высоких энергий2012 год, доктор физико-математических наук Кожин, Анатолий Сергеевич
Исследование и разработка информационно-измерительной системы мюонного томографа2014 год, кандидат наук Плотников, Иван Сергеевич
Исследование многочастичных событий в космических лучах на прототипах координатно-трекового детектора ТРЕК2022 год, кандидат наук Воробьев Владислав Станиславович
Развитие методики сцинтилляционных и газоразрядных трековых детекторов для физики высоких энергий2014 год, кандидат наук Чириков-Зорин, Игорь Евгеньевич
Многоканальные системы высоковольтного питания для газовых детекторов переходного излучения в экспериментах по физике высоких энергий2011 год, кандидат физико-математических наук Жуков, Константин Игоревич
Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Трековые детекторы из тонкостенных дрейфовых трубок для физических установок»
Общая характеристика работы
Актуальность темы обусловлена тем, что в современных больших физических установках трековые детекторы из дрейфовых трубок очень широко используются, для этого достаточно упомянуть детекторы АТЛАС и CMS [39] на БАК в ЦЕРНе. Более того, данная методика продолжает активно развиваться: в настоящее время создание новой огромной системы, состоящей из 126 мюонных камер, скомпонованных из прецизионных дрейфовых трубок малого (15 мм) диаметра, осуществляется коллаборацией АТЛАС в нескольких европейских и американских институтах в рамках 1 -й и 2-й фаз модернизации детектора АТЛАС. Значительный вклад в эти работы внес НИЦ «Курчатовский институт» - ИФВЭ.
Методика создания трековых камер из ДТ оказалась очень востребованной для усовершенствования трековых систем физических установок, используемых на ускорительном комплексе в НИЦ «Курчатовский институт» -ИФВЭ: четыре установки института уже работают с такими новыми камерами. При этом важно отметить, что потребовалась разработка новой, собственной технологии производства тонкостенных ДТ из лавсана, чтобы камеры можно было эффективно использовать не только для регистрации мюонов в оконечных частях установок, но также, благодаря существенному уменьшению количества пассивного вещества из-за уменьшения толщины стенок трубок и использования материала с большей радиационной длиной, для восстановления траекторий всех заряженных частиц по всему тракту их следования в установке. Данная технология включает в себя изготовление герметичных электропроводящих корпусов ДТ правильной цилиндрической формы методом ультразвукового сваривания лавсановой пленки, имеющей двухстороннее алюминиевое напыление.
Классическая ДТ, несмотря на свои очевидные достоинства, имеет принципиальные ограничения: двухтрековое разрешение практически нельзя сделать меньше радиуса трубки и не удается добиться линейной зависимости
«время - координата». Одной из актуальных задач, поставленных в диссертационной работе, является изучение возможности избавления от этих ограничений путем внедрения в объем трубки дополнительных, полеформирующих проволок. Важным преимуществом такой модификации ДТ является возможность работы при больших загрузках.
В настоящее время много институтов в разных странах занимаются развитием методики мюонографии и мюонной томографии с использованием мюонов космического происхождения, при этом имеет место большое многообразие предлагаемых вариантов трековых систем для этих целей. В НИЦ «Курчатовский институт» - ИФВЭ для трековых систем опробованы плоскости из дрейфовых трубок. При конструировании томографов большой площади такие трековые системы, не являясь более дорогостоящими по сравнению с другими типами, способны обеспечить необходимые высокие координатную и угловую точности.
Как правило, трековые системы на основе дрейфовых камер (дрейфовых трубок) работают при непрерывном обновлении газовой смеси в своем рабочем объеме, скорость потока газовой смеси варьируется в очень большом диапазоне от 0.01 до 10 объемов камеры в час и зависит от особенностей конструкции камеры и условий эксперимента. Естественным и актуальным является вопрос - как долго, будучи однажды заполненной, камера может работать без постоянной циркуляции газовой смеси? При каких условиях она может эффективно работать в «беспродувном» режиме в течение длительного (месяцы, годы) времени?
Целью диссертационной работы является разработка и создание новых типов трековых детекторов из дрейфовых трубок для экспериментальных исследований в физике элементарных частиц высоких энергий.
Основными задачами являются:
1) Разработать трековые модули из дрейфовых трубок с точностью лучше 300 мкм, обеспечивающих возможность регистрации электронов, мюонов
и заряженных адронов экспериментальными физическими установками, в том числе установками ОКА, ФОДС, ВЕС, СПАСЧАРМ (НИЦ «Курчатовский институт» - ИФВЭ).
2) Разработать методику создания дрейфовых трубок диаметром 15 - 30 мм в самоподдерживающемся лавсановом корпусе большой (до 2.5 м) длины.
3) Экспериментально исследовать физические характеристики дрейфовых трубок с дополнительными полеформирующими электродами.
4) Разработать методику создания новых мюонных дрейфовых камер детектора АТЛАС, обеспечивающих их повышенную загрузочную способность за счет уменьшения диаметра дрейфовых трубок с 30 мм до 15 мм.
5) Разработать метод и регламент контроля и корректировки параметров дрейфовых трековых детекторов, позволяющих обеспечить их длительную работу без постоянного обновления рабочей газовой смеси.
Научная новизна
1) Разработана новая методика изготовления многослойных трековых детекторов большой площади, отличающаяся тем, что регистрирующими ячейками являются тонкостенные дрейфовые трубки диаметром 15 - 30 мм нового типа, а именно в самоподдерживающихся (сохраняющих форму и выдерживающих натяжение сигнальных проволок без каких-либо специальных поддержек) корпусах из двухсторонне-металлизированной лавсановой пленки.
2) Впервые с использованием метода автокалибровки многослойного дрейфового детектора разработана и реализована методика контроля и корректировки скорости дрейфа электронов, позволяющая обеспечить длительную работу детектора без постоянного обновления рабочей газовой смеси с сохранением основных физических параметров -эффективности и пространственного разрешения. Работоспособность
метода экспериментально подтверждена 9-летней работой многослойных детекторов из дрейфовых трубок в «беспродувном» режиме.
Практическая значимость работы
1. Созданные многослойные трековые детекторы с лавсановыми дрейфовыми трубками были использованы для оснащения физических установках НИЦ «Курчатовский институт» - ИФВЭ:
• Установка СПАСЧАРМ - 5 трековых станций (17 камер)
• Установка ФОДС - 6 станций (12 камер)
• Установка ОКА - 5 станций (10 камер)
• Установка ВЕС - 4 станции (8 камер).
Суммарное количество дрейфовых трубок более 7 тыс. шт. В настоящее время они составляют основу трековых систем всех четырех перечисленных установок.
2. С помощью разработанной методики были созданы 12 трехслойных трековых камер, регистрирующими ячейками которых являются дрейфовые трубки в цилиндрическом алюминиевом корпусе диаметром 30 мм, для оснащения экспериментальных физических установок ОКА и ФОДС на Ускорительном комплексе У-70 НИЦ «Курчатовский институт» - ИФВЭ; чувствительная площадь камер 1.7 х 1.7 м2 (ОКА) и 0.7 х 1.0 м2 (ФОДС).
3. Изготовлены трековые плоскости из дрейфовых трубок для двух мюонно-томографических установок. Высокое пространственное разрешение трубок (не хуже 0.3 мм) и высокая точность их позиционирования позволяют обеспечить угловое разрешение установок не хуже 3 мрад.
4. Разработанные методы и процедуры позволили обеспечить изготовление персоналом НИЦ «Курчатовский институт» - ИФВЭ более 30 тыс. прецизионных (обеспечивающих не хуже чем 10-мкм позиционирование сигнальных проволок в склеенной камере) дрейфовых трубок по программам 1-й и 2-й фаз модернизации детектора АТЛАС.
Разработанные метод и регламент контроля и корректировки рабочих параметров дрейфовых трековых детекторов открывают возможность их длительной работы без постоянного обновления рабочей газовой смеси. Разработанные методики были использованы в других организациях.
Положения, выносимые на защиту:
1. Разработка новой методики изготовления многослойных трековых детекторов большой площади, отличающейся тем, что регистрирующими ячейками являются тонкостенные дрейфовые трубки диаметром 15 - 30 мм нового типа, а именно в самоподдерживающихся (сохраняющих форму и выдерживающих натяжение сигнальных проволок без каких-либо специальных поддержек) корпусах из двухсторонне-металлизированной лавсановой пленки толщиной 125 мкм.
2. Разработка новых трековых детекторов различной конфигурации для модернизации экспериментальных физических установок НИЦ «Курчатовский институт» - ИФВЭ: ОКА, ФОДС, ВЕС, СПАСЧАРМ и изготовления мюонных томографов.
3. Экспериментальные результаты изучения характеристик дрейфовых трубок с дополнительными полеформирующими электродами различных модификаций.
4. Разработка конструктивных элементов новых мюонных камер в рамках проектов 1-й и 2-й фаз модернизации детектора АТЛАС.
5. Разработка методики контроля и корректировки скорости дрейфа электронов в дрейфовых трубках многослойных трековых детекторов, позволяющей обеспечить их длительную (месяцы, годы) работу без постоянного обновления рабочей газовой смеси с сохранением основных физических параметров - эффективности и пространственного разрешения; результаты экспериментов с дрейфовыми камерами в длительном «беспродувном» режиме.
6.
Достоверность полученных результатов и выводов диссертации подтверждается:
1. Надежной многолетней работой трековых детекторов, разработанных и изготовленных под руководством автора диссертации, в составе экспериментальных физических установок ОКА, ФОДС, ВЕС, СПАСЧАРМ на Ускорительном комплексе У-70 (гл. 1 - 3) и мюонных томографов (гл. 4) в НИЦ «Курчатовский институт» - ИФВЭ.
2. Сравнением результатов моделирования с экспериментальными данными, полученными при изучении характеристик дрейфовых трубок на пучках Ускорительного комплекса У-70 (гл. 5).
3. Контрольными измерениями в Институте Макса Планка (г. Мюнхен, Германия) качества и точности разработанных и изготовленных в НИЦ «Курчатовский институт» - ИФВЭ элементов и конструкций новых мюонных камер из 15-мм ДТ в рамках проектов модернизации детектора АТЛАС. Данные работы зачтены АТЛАС-коллаборацией на сумму 909 тыс. швейцарских франков в качестве вклада Российской Федерации в работы по 1 -й и 2-й фазам модернизации детектора АТЛАС (гл. 6).
4. Успешными многолетними (до 9 лет) экспериментальными исследованиями долговременной работоспособности дрейфовых детекторов без обновления рабочей газовой смеси (гл. 7).
5. Полученными патентами РФ на полезную модель (3 шт.).
6. Публикациями основных результатов в реферируемых изданиях, представлением и широким обсуждением результатов на российских и международных научных конференциях.
Личный вклад автора
1. Автором была предложена и реализована методика создания дрейфовых трубок диаметром 15 - 30 мм в самоподдерживающихся корпусах из двухсторонне-металлизированного лавсана толщиной 125 мкм.
2. Предложена концепция построения многослойных трековых детекторов, предназначенных для экспериментальных физических установок: ОКА, ФОДС, ВЕС, СПАСЧАРМ, Мюонный томограф (НИЦ «Курчатовский институт» - ИФВЭ).
3. Автор руководил разработкой, изготовлением и тестированием в НИЦ «Курчатовский институт» - ИФВЭ перечисленных в диссертации базовых конструктивных элементов новых мюонных трековых камер из дрейфовых трубок малого (15 мм) диаметра в рамках 1-й и 2-й фаз модернизации детектора АТЛАС.
4. При определяющем участии автора были выполнены экспериментальные исследования, направленные на обеспечение длительной работы многослойных дрейфовых детекторов в «беспродувном» режиме, а также изучены характеристики дрейфовых трубок с дополнительными полеформирующими электродами различных модификаций.
Апробация результатов
Результаты, приведенные в диссертации, докладывались на Международных конференциях и симпозиумах [115, 125, 141, 143 - 145, 149, 151, 161, 162, 172, 182, 183], конференциях «Черенковские чтения» [121, 126, 142], Рабочем совещании мюонной коллаборации АТЛАС [167], Сессии секции ЯФ ОФН РАН [184]. Из перечисленного списка, местом проведения 6 мероприятий [126, 141, 142, 182 - 184], проведенных в 2019 - 2024 гг., была Россия. Научные доклады с участием автора были сделаны на семинарах НИЦ «Курчатовский институт» - ИФВЭ [101, 177, 179], а также опубликованы в виде статей в отечественных и зарубежных журналах, в виде препринтов НИЦ «Курчатовский институт» - ИФВЭ и в виде описаний к патентам на полезную модель.
В 2015 г. группа из 5 сотрудников НИЦ «Курчатовский институт» - ИФВЭ приняла участие в конкурсе на соискание премии имени И.В. Курчатова НИЦ "Курчатовский институт". Автор диссертации, в качестве руководителя данной
группы, представил презентацию «Уникальные технологии изготовления прецизионных дрейфовых камер большой площади для экспериментов в физике высоких энергий». Работа была признана победителем в номинации «Инженерные и технологические разработки», а все члены данной группы стали лауреатами курчатовской премии [40].
Публикации
В конце диссертации приведен библиографический список из 184 наименований. 87 печатных работ из этого списка выполнены с участием автора диссертации, они выделены жирным шрифтом.
Основными публикациями по теме диссертации являются 21 работа, включая 3 патента РФ на полезную модель [71, 112, 168]. Основные публикации отмечены подчеркиванием в общем библиографическом списке. Из них 16 опубликовано в научных журналах, включенных в перечень ВАК [103, 107, 111, 113, 115, 121, 125, 126, 160, 161, 169, 172 - 174, 182, 183] и представленных в базах цитирования WoS и SCOPUS.
Приведенный библиографический список включает в себя также ссылки на 3 созданных опытно-промышленных образца [78, 124, 148].
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, библиографического списка из 184 наименований, списка из 16 зарегистрированных ноу-хау и списка из 5 утвержденных «Технологических регламентов производства» по теме диссертации. Объем составляет 215 страниц, включая 212 рисунков и 3 таблицы.
Глава 1
Камеры из 30-мм ДТ в алюминиевом корпусе для установок «ОКА» и «ФОДС»
1.1 Введение к главе
При разработке описанных в настоящей диссертации новых трековых камер для экспериментальных физических установок НИЦ «Курчатовский институт» - ИФВЭ (гл. 1, 3, 4) и разработке элементов и конструкций новых мюонных камер по проектам модернизации (фазы 1 и 2) детектора АТЛАС (гл. 6), большую роль сыграл опыт, приобретенный в НИЦ «Курчатовский институт» - ИФВЭ во время основной фазы создания мюонного спектрометра АТЛАС. Поэтому представляется целесообразным представить краткую информацию об участии и роли нашего института в этой «основной фазе».
В 1995 г. руководством ЦЕРН был официально одобрен эксперимент АТЛАС [41, 42] для исследований на Большом Адронном Коллайдере [43] и создана Коллаборация АТЛАС, в которой с самого начала официальным участником является НИЦ «Курчатовский институт» - ИФВЭ. В институте сразу же было сформировано несколько групп, каждая из которых сфокусировалась на разработках для конкретных подсистем детектора АТЛАС. Автору диссертации посчастливилось войти в состав группы (и в последующем возглавить ее), направлением деятельности которой стала разработка мюонных МДТ камер для самой крупной по размерам части детектора АТЛАС -мюонного спектрометра [21] и, соответственно, стать участником Коллаборации АТЛАС. Уже в 1996 г. мы разработали и изготовили свой первый прототип ДТ для АТЛАС [44], позволивший лучше ощутить стоящие проблемы и к 1998 г. доработать конструкцию до серийного варианта [45 - 47].
Рис. 1.1: Детектор АТЛАС Детектор ATЛАС (рис. 1.1) разрабатывался как многоцелевая установка [48, 49], предназначенная для регистрации сигналов от рождения и распада частиц, и в первую очередь - для поиска сверхтяжелых элементарных частиц, таких как бозон Хиггса и суперсимметричные партнёры частиц Стандартной Модели. В анализе использовались следующие каналы распада бозона Хиггса:
Для поиска бозона Хиггса и новых массивных частиц из всех событий рр -соударений необходимо отбирать такие, в которых имеет место жесткое столкновение составляющих протон кварков и глюонов. Жесткое столкновение сопровождается большой передачей импульса и приводит к образованию частиц с большими поперечными импульсами. Такими частицами, образованными в жестких соударениях как непосредственно, так и в результате
распада других частиц, являются кварки, глюоны, лептоны и фотоны. Эти частицы регистрируются детектором.
Кварки и глюоны высокой энергии образуют струи адронов. Мюоны образуют протяженные треки, электроны и т-лептоны оставляют треки вблизи области соударений и каскады в калориметре. Фотоны образуют каскады в электромагнитном калориметре. С помощью метода недостающей энергии имеется возможным регистрировать нейтрино высоких энергий. В свете вышесказанного, для соответствия поставленным задачам детектор АТЛАС должен обладать высокоэффективной калориметрией и прецизионной трековой системой, а также способностью выдерживать высокие радиационные нагрузки, создаваемые основным потоком «мягких» взаимодействий протонов.
Важной и самой большой частью прецизионной трековой системы детектора АТЛАС является система МДТ-камер.
В самом названии «МДТ-камера» (по-английски "MDT chamber" -Monitored Drift Tube chamber) отражается, что параметры трубок непрерывно мониторируются. И вызвано это тем, что камеры призваны обеспечивать чрезвычайно высокую - не хуже 100 мкм - точность восстановления треков регистрируемых ими заряженных частиц. А для этого сами камеры должны быть изготовлены с очень высокой точностью: позиционирование сигнальной проволоки в пределах дрейфовой трубки должно быть известно с точностью не хуже 10 мкм, а их допустимое отклонение от «идеального» в пределах всей камеры - не хуже 20 мкм. И такие высочайшие точности должны были быть выдержаны при гигантских размерах камер, площадь наибольших из которых превышала 10 кв.м, а длина трубок доходила до 6.3 м. При этом полное количество требуемых для мюонного спектрометра камер впечатляюще большое - 1170 шт., в сумме они включают в себя 354384 дрейфовые трубки.
В создании такой гигантской системы точных камер, регистрирующими ячейками которых являются прецизионные дрейфовые трубки, приняли участие 13 институтов и университетов из 7 стран Европы, Америки и Азии. От России,
помимо НИЦ «Курчатовский институт» - ИФВЭ, в разработках и изготовлении МДТ камер участвовал ОИЯИ (г. Дубна).
Принятыми и успешно выполненными обязательствами нашего института явилась разработка, изготовление, испытания, доставка в ЦЕРН и финальная сертификация перед монтажом в шахте АТЛАС 254-х камер (т.е. около 22 % от общего количества) для End-Cap (торцевой) части мюонного спектрометра: 192 камеры типа EO (End-Cap Outer - внешний слой End-Cap) и 62 камеры типа ЕЕ (End-Cap Extra - дополнительный слой между Barrel (цилиндрическая часть) и End-Cap), состоящих, соответственно, из 59136 и 15744 дрейфовых трубок [50 -52]. Отдельно хочется отметить, что 16 камер EOL (а именно камеры EOL-6) в своем составе имеют трубки длиной 6.3 м - это самые длинные ДТ в детекторе АТЛАС.
Мюонная коллаборация АТЛАС разработала строгие критерии качества практически всех параметров производимых МДТ-камер [53]. В частности, была осуществлена выборочная проверка около 15 % камер на соответствие требованию 20-мкм точности позиционирования проволок в пределах камеры с использованием специально построенного в ЦЕРН для этих целей рентгеновского томографа [54]. Из протвинских камер на томографе проверили 14 EO-камер [55], все они были признаны пригодными. Организовывались тесты отдельных камер и систем из нескольких камер на пучках ускорителя SPS в ЦЕРН и стендах с использованием космических частиц [ 56 - 58].
Камеры, производство которых «досталось» нашему институту, являются, пожалуй, самыми сложными МДТ-камерами мюонного спектрометра, и не только по причине их крупногабаритности, но еще и по причине их многообразия. На рис. 1.2 приведен схематический вид МДТ-камер для Barrel и для End-Cap. В каждом слое Barrel-части (всего слоев три: внутренний, средний и наружный) все камеры имеют прямоугольную форму и в пределах слоя одинаковы, если не считать возможные отличия в расположении приклеенных к их поверхностям внешних датчиков оптического контроля взаиморасположения камер. А в End-Cap части все сектора набираются из
камер разного размера ступенчато-трапециедальной формы, причем для больших и малых секторов угол различен: 81,5 градусов для больших секторов и 76 градусов для малых. Для примера, на рис. 1.3 приведена компоновка одного из внешних колец камерами EOL и EOS. Камеры EO и EE также существенно отличаются между собой. В итоге нам пришлось приноравливаться к изготовлению 16 разновидностей камер! Это тянуло за собой массу логистических проблем.
Как в Barrel, так и в End-Cap «внутренние» камеры (BI, EI) в каждом мультислое содержат 4 слоя ДТ, а средние и наружные (BM, BO, EM, EO, EE) -3 слоя.
Рис. 1.2: Схематический вид прямоугольных МДТ-камер для Barrel части и трапециедальных МДТ-камер для End-Cap части мюонного спектрометра АТЛАС
Рис. 1.3: Схема компоновки внешнего End-Cap кольца камерами EOL и EOS
Вполне понятным желанием мюонной коллаборации АТЛАС была максимальная унифицированность камер, производимых в разных институтах. Для этого был хорошо налажен механизм обмена технологиями. Но в нашем случае, из-за специфики наших трапециедальных камер и ограниченных возможностей покупать импортное оборудование, большую часть технологии производства и большую часть технологической оснастки мы разработали и изготовили самостоятельно. Более подробно это описано в работах [59 - 66].
Некое самое общее представление о технологической оснастке для склейки камер АТЛАС в НИЦ «Курчатовский институт» - ИФВЭ дают фотографии на рис. 1.4 и 1.5. На переднем плане рис. 1.4 (а) - гранитный стол габаритами 6.6х2.4х0.6м3 с установленными на нем «гребенками» для точного позиционирования ДТ во время склейки, системой вакуумных присосок для фиксирования трубок во время склейки, тумбами для установки на них фотоприемников (так называемых ССД-камер) оптико-электронной системы контроля положения RASNIK [67, 68], которые с микронными точностями контролируют выравнивание трубок в каждой плоскости перед склейкой. Над столом - специальная траверса, закрепленная на подъемном кране, которая благодаря установленным на ней датчикам на основе ССД-камер обеспечивает возможность точного (не хуже 10 мкм) контроля вертикального взаиморасположения плоскостей камер перед и во время их склейки.
На рис. 1.4 (б) - изготовленная нами клеевая машина, которая в автоматизированном режиме наносит клей между склеиваемыми трубками при склеивании ДТ в плоскости и при склеивании таких плоскостей между собой для формирования мультислоя из 3-х слоев.
На заднем плане рис. 1.4 (а) - снятая с гранитного монтажного стола камера EOL-6, имеющая в своем составе трубки длиной 6.3 м. Эта фотография была размещена [69] в апрельском (2005 г.) номере журнала CERN Courier, сопровождаемая текстом: «Институт физики высоких энергий (ИФВЭ) из Протвино (Россия) производит самые большие и выдающиеся (" most challenging") камеры для мюонного спектрометра детектора АТЛАС. Размеры
МДТ-камер различны, в настоящее время они изготавливаются во многих институтах Европы, США, России и Китая. Но изготавливаемые в ИФВЭ 192 камеры включают в себя 16 камер длиной 6.3 м. Это первый случай успешного изготовления камер такого размера! Несмотря на гигантские размеры камер, 50-мкм анодная проволока позиционируется в них с точностью лучше 20 мкм».
(а) (б)
Рис. 1.4: Сборочный гранитный стол и снятая со стола склеенная камера БОЬ-б (а), процесс склейки слоя камеры автоматизированной клеевой машиной (б)
На рис. 1.5 - процесс экипировки камер газовой системой с параллельной проверкой их на герметичность с помощью течеискателя. Справа - две полностью готовые камеры.
(а) (б)
Рис. 1.5: Экипировка камер газовыми соединителями и контроль течеискателем (а), две готовые камеры типа БОЬ-5 (б).
Следует отметить замечательную «живучесть» дрейфовых трубок АТЛАС. Массовое начало их производства можно отнести к 2000 г., завершение - к 2008 г. На рис. 1.6 показано, что в середине 2022г по разным причинам неработающих ДТ в АТЛАСе было всего ~0.35 % от общего количества, при этом только около половины отказов вызвано непосредственно самими ДТ (внешнее механическое повреждение, обрыв проволоки, разгерметизация). Для ДТ, изготовленных в Протвино, процент неработающих оказался еще меньше -менее 0.11%.
Рис. 1.6: Распределение количества неработающих ДТ в детекторе АТЛАС (в долях к общему количеству) по дате контроля в 2022г и по причинам отказа. Верхняя пунктирная линия - суммарная по всем причинам отказа.
Завершить данный параграф хочется тем, что мюонные камеры, в том числе изготовленные в НИЦ «Курчатовский институт» - ИФВЭ МДТ- камеры типа ЕО и ЕЕ, в полной мере выполнили свою роль прецизионной трековой системы в успешно решенной коллаборацией АТЛАС задаче обнаружения бозона Хиггса: долгожданная новость о его обнаружении была обнародована в 2012 г. [70].
На рис. 1.7 приведена фотография одного из наружных End-Cap «колец» в шахте АТЛАС с мюонными МДТ-камерами типа ЕО; все ЕО камеры изготовлены в НИЦ «Курчатовский институт» - ИФВЭ.
Рис. 1.7: Наружное End-Cap «кольцо» в шахте АТЛАС с камерами ЕО
1.2 Станции из 30-мм ДТ в алюминиевом корпусе для установок «ОКА» и «ФОДС»
В 2005 г. в Группу больших трековых детекторов НИЦ «Курчатовский институт» - ИФВЭ поступил запрос на изготовление двухкоординатной трековой станции чувствительной площадью 1.7 х 1.7 кв.м для оконечной части экспериментальной физической установки «ОКА» [35] на ускорительном комплексе У-70.
Учитывая опыт, приобретенный группой при изготовлении мюонных камер для детектора АТЛАС, а также разработанное и изготовленное для этих целей технологическое оборудование, было решено, что регистрирующими элементами данной станции будут, как и в камерах АТЛАС, 30 -мм ДТ в тонкостенном алюминиевом корпусе. При этом понятно, что просто «скопировать» АТЛАС-камеру для целей установки «ОКА» было невозможно по целому ряду причин, начиная с геометрической формы, которая должна быть прямоугольной, а не трапециедальной. И не говоря уж об используемой в
Похожие диссертационные работы по специальности «Другие cпециальности», 00.00.00 шифр ВАК
Разработка и создание трековых систем большой площади для мюонного спектрометра эксперимента ATLAS на Большом адронном коллайдере2022 год, кандидат наук Гонгадзе Алекси
Поиск новых распадов прелестных частиц в эксперименте LHCb2020 год, кандидат наук Перейма Дмитрий Юрьевич
Исследование и оптимизация параметров катодно-стриповых камер для прецизионной мюонной станции установки "компактный мюонный соленоид" (CMS) на большом адронном коллайдере (LHC)2010 год, доктор физико-математических наук Моисенз, Петр Владимирович
Измерение полной и парциальных ширин J/ψ-мезона с детектором КЕДР2019 год, кандидат наук Харламова Татьяна Александровна
Разработка и исследование газовых координатных детекторов для эксперимента HADES, спектрометра поляризованных нейтронов СПН и рентгеновского дифрактометра КАРД-72007 год, кандидат физико-математических наук Фатеев, Олег Владимирович
Список литературы диссертационного исследования доктор наук Фахрутдинов Ринат Макаримович, 2025 год
- -
- г , , , 1 1 -
Residuals, mm
Рис. 1.39: Распределение невязок для ДК из алюминиевых ДТ и лавсановых ДТ
Этому есть следующее вполне логичное объяснение. Выше было сказано, что исследования проводились на космике и что для реконструкции отбирались кластеры с числом сработавших ДТ не менее 16. При толщине стенки трубки 0.4 мм, это означает, что частицы космического происхождения, среди которых довольно много мягких мюонов, преодолевали на своем пути как минимум 13 мм алюминия, соответсвенно претерпевая многократное кулоновское рассеяние. В качестве примера на рис. 1.40 показан полученный моделированием вклад кулоновского рассеяния в ширину распределения невязок в зависимости от импулься мюона, когда он пересекает 20 алюминиевых трубок с толщиной стенки 0.4 мм (верхняя кривая, показана черным цветом). Для сравнения, на этом же рисунке приведена кривая для случая, когда ДТ имеет стенки из лавсана толщиной 125 мкм (нижняя кривая, показана красным цветом). Возвратимся к рис. 1.35 - там тоже для сравнения приведено распределение невязок для ДК с лавсановыми ДТ, которое заметно уже.
Res. mm
1 \.............................. ■— Al tubes, N=20 —■— Mylar tubes, N=20
: 1 1 " 4
2000 4G00
Muon momentum,MeV/c Рис. 1.40: вклад многократного рассеяния в ширину распределения невязок
Для физической установки ФОДС было изготовлено [105] 10 камер из 30-мм дрейфовых трубок в алюминиевых корпусах. Общая схема данной установки приведена на рис. В7. Трековые системы двух плеч установки идентичны, на рис. 1.41 показана схема трековой системы для одного из плеч по состоянию на 2014 г., когда в установку были добавлены камеры из «алюминиевых» дрейфовых трубок. (Позже установка подверглась модернизации, в том числе добавлением камер из ДТ в лавсановых корпусах). Итак, на тот момент трековая система состояла из 20 плоскостей дрейфовых камер (ДК) размером 500 х 500 мм2 с числом каналов 320 и 10 камер, изготовленных из 30-мм дрейфовых трубок в алюминиевых корпусах с общим количеством каналов (ДТ) 1200. В терминологии данной установки, ДТ-камера - это плоскость, состоящая из 3-х склеенных между собой слоев дрейфовых трубок, абсолютно аналогично тому, как это сделано в описанной выше трековой станции установки ОКА.
Рис. 1.41: Схема расположения трековых детекторов в плечах установки ФОДС. ДК1-5 -плоские дрейфовые камеры, ДТ1-2 и ДТ3-5 - камеры из ДТ; символы Х, У указывают измеряемую координату, Х' и У' соответствуют наклонным плоскостям.
Длина трубок ДТ-камер - 1 м и 1.3 м. Количество ДТ в слое - от 24 до 32 шт. (рис. 1.42). Камера ДТ-5 повернута в (Х,У) - плоскости на угол 6о и служит для сшивки проекций треков в пространстве. Аналогичную функцию выполняет ДК-3, которая повернута тоже на 6о, но в противоположном направлении.
(а) (б)
Рис. 1.42: ДТ-камеры установки ФОДС: (а) - с 32 трубками в слое, (б) - с 28 трубками
Помимо геометрических размеров, ДТ-камеры ФОДС отличаются от ДТ-камер ОКА соединением трубок по газу: если в камере ОКА только 3 трубки соединены последовательно, а затем эта группа подключается параллельно к
общему газовому коллектору, то в ДТ-камерах ФОДС все трубки каждого слоя (т.е. до 32 шт.) соединены в последовательную группу (рис. 1.43), которая затем соединяется с общим коллектором. Проверено, что при достаточном начальном продуве данное отличие в газовом соединении на характеристики камеры не влияет.
Герметичность камер ФОДС оказалась даже лучще, чем у камеры ОКА: при начальном давлении ~ 3 бар, среднесуточное падение давления камер составляет около -0.6 мбар/день.
(а) (б)
Рис. 1.43: Последовательное газовое соединение ДТ в слое (а) и подклюние слоя к общему газовому коллектору (б). (Черные перемычки -это газовые соединители из пластика noryl)
В связи с тем, что ни по конструкции, ни по технологии изготовления, ни по используемому рабочему газу ДТ-камеры ФОДС не отличаются от ДТ-камер ОКА, их физические характеристики здесь не приведены, а приведена только итоговая характеристика (рис. 1.44), показывающая, что точность реконструкции треков системой из алюминиевых ДТ-камер на установке ФОДС (рис. 1.45), полученная в ходе реального физического эксперимента на ускорителе в условиях больших загрузок и интенсивного фона, включая также вклад от погрешностей геометрических привязок, составляет величину ~500 мкм [106]. Это позволяет определять поперечный импульс частиц с точностью в (2-8)% в интервале больших Pt (1-5) ГэВ/с. При измерениях в «рафинированных» условиях на стенде, пространственное разрешение получилось равным 210 мкм.
(а) (б)
Рис. 1.44: Распределение отклонений измеренных координат от проекций найденных треков в плоских ДК (а) и ДТ-камерах (б) для частиц с импульсом более 4 ГэВ/с.
Рис. 1.45: Камеры из дрейфовых трубок в установке ФОДС
1.3 Заключение к главе
Разработаны, изготовлены, испытаны и переданы заказчикам для модернизации экспериментальных физических установок ОКА и ФОДС на
Ускорительном комплексе У-70 НИЦ «Курчатовский институт» - ИФВЭ 12 трековых камер, регистрирующими ячейками которых являются дрейфовые трубки в цилиндрическом алюминиевом корпусе диаметром 30 мм. Чувствительная площадь камер - от 0.7 х 1.0 кв.м до 1.7 х 1. 7 кв.м. Суммарное количество дрейфовых трубок - 1536 шт.
Камеры обладают высокой герметичностью: при давлении 3 бар, падение давления рабочего газа (Ar + 7%CO2) находится на уровне 1 мбар/сутки. Пространственное разрешение камер - не хуже 0.3 мм. Зарегистрированные результаты интеллектуальной деятельности, связанные с гл. 1:
• Патент на полезную модель «Прецизионная дрейфовая трубка» [71].
• Ноу-хау - поз. 2, 4, 11, 12, 16 из приведенного в конце диссертации списка зарегистрированных ноу-хау по теме диссертации.
Изготовлен «Опытно-промышленный образец» - поз. [78] из приведенного в конце диссертации списка литературы.
Глава 2
Разработка конструкции и технологии изготовления прецизионных дрейфовых трубок в лавсановом корпусе
2.1 Мотивация для разработки лавсановых ДТ и предыстория выбора
конструкции
По определению, трековые детекторы в физике высоких энергий предназначены для восстановления траекторий заряженных частиц в физических установках, в нашем случае в установках для экспериментов в физике высоких энергий. При этом естественным требованием к ним является то, что сами они должны минимальным образом влиять на изучаемые процессы. В первую очередь это означает, что они должны быть сконструированы так, чтобы на пути регистрируемых частиц появилось как можно меньше дополнительного «пассивного» вещества, привносимого стенками и другими конструктивными элементами этих регистрирующих устройств.
Впрочем, следует оговориться, что не для всех заряженных частиц привнесение дополнительного «пассивного» вещества столь критично. Например, это касается высокоэнергетических мюонов, которые, в отличие от адронов, не участвуют в сильном взаимодействии и, в отличие от электронов, имеют большую массу, поэтому их потери на тормозное излучение пренебрежимо малы и определяются только сравнительно слабыми потерями на ионизацию, в результате чего они обладают большой проникающей способностью: к примеру, при прохождении через железо потеря энергии высокоэнергичного мюона составляет около 1.5 ГэВ/м. Соответственно, даже стенки детекторов из алюминия миллиметровой толщины для регистрации мюонов не являются критичными. Мюоны имеют максимальный пробег в веществе детектора по сравнению с другими регистрируемыми частицами, для их детектирования в ускорительных экспериментах обычно используются самые внешние участки детектора. Яркой иллюстрацией для этих рассуждений
служат трековые системы мюонного спектрометра АТЛАС, о которых сказано в предыдущей главе.
В противоположность мюонам, электрон, масса которого в 207 раз меньше массы мюона, катастрофически быстро теряет энергию на тормозное излучение, поскольку интенсивность этого излучения пропорциональна квадрату массы частицы. Соответственно, стенки детекторов для их эффективной регистрации необходимо делать минимальной толщины из материалов с большим Х0 (радиационная длина).
В главе 1 достаточно подробно описана разработанная конструкция и технология изготовления прецизионных дрейфовых трубок в цилиндрическом алюминиевом корпусе диаметром 30 мм и создание на их основе камер большой площади - до 10 м2, обеспечивающих высокое пространственное разрешение. Но эта в целом удачная конструкция дрейфовой трубки имеет один важный недостаток - заметное количество вещества на пути регистрируемой частицы - если рассматривать ее с точки зрения применимости для экспериментов на физических установках НИЦ «Курчатовский институт» -ИФВЭ, в которых объектами регистрации и изучения являются, в том числе, вторичные адроны и электроны. Поэтому появилась необходимость переработать конструкцию дрейфовой трубки - вместо алюминиевой использовать тонкостенную трубу, изготовленную из более легкого материала, в русской лексике называемого «лавсан» (сокращение от «Лаборатория Высокомолекулярных Соединений Академии Наук»), а за рубежом - майлар (является Торговой маркой компании БиРои!).
Поскольку корпус (труба) дрейфовой трубки выполняет функцию катода, обе поверхности трубы - и внешняя и внутренняя - должны иметь хорошую электропроводимость. Вполне естественно, что такой промышленно изготавливаемой электропроводящей лавсановой трубы нет, поэтому мы решили изготавливать ее самостоятельно из листового лавсана методом ультразвуковой сварки (УЗС).
В нашей группе уже был опыт такого метода сварки - при создании Нейтринного детектора ИФВЭ-ОИЯИ [2, 3] мы самостоятельно изготавливали внутренние лавсановые оболочки для 400 шт. больших (400 л) жидкостных сцинтилляционных счетчиков [107, 108] этим методом. Для этой цели мы использовали лавсановую пленку с высокой прозрачностью (пленка ПЭТФ ТУ 6-05-1794-76) толщиной 70 мкм, электропроводимости не требовалось. На протяжении многих лет эти оболочки сохраняли свою герметичность.
После предварительных проб мы остановили свой выбор на пленке толщиной 125 мкм, поскольку труба, сваренная из более тонкой пленки, недостаточно хорошо сохраняет свою форму. Лавсановая пленка была закуплена в ОАО «Владимирский химический завод» [109], г. Владимир. Двустороннее алюминиевое напыление толщиной ~ 0.02 мкм на пленку выполнило НПП «Радиострим» по заключенному с нашим институтом Договору [110].
Первоначально были разработаны лавсановые трубки с внешним диаметром 30 мм [111, 112], на их основе изготовлены [113 - 115] трековые камеры для экспериментов ОКА [35], ВЕС [30], СПАСЧАРМ [37], ФОДС[32, 116]. Загрузочная способность камер была на пределе. В большинстве этих камер были приняты меры, чтобы в центре была омертвленная зона площадью до 105 мм2 в месте прохождения высокоинтенсивных пучков заряженных частиц.
Очевидно, что загрузочную способность камеры можно существенно повысить, если скомпоновать ее из дрейфовых трубок уменьшенного диаметра. Так, изменение диаметра с 30 мм на 15 мм позволяет увеличить загрузочную способность в 8 - 10 раз. Такой существенный выигрыш получается не только за счет уменьшения времени собирания дрейфующих электронов, но и, в том числе, за счет уменьшения так называемого эффекта объёмного заряда положительных ионов [117, 118], которые образуются в процессе развития электронных лавин вблизи сигнальной проволоки (более подробно - в гл. 6).
Итак, преследуя цель повышения загрузочной способности ДК, в дополнение к 30-мм ДТ, мы разработали и отладили технологию производства лавсановых ДТ вдвое уменьшенного диаметра (15 мм).
В заключение данного параграфа, ниже приведено сравнение (рис. 2.1) вычисленных по методу Монте-Карло с помощью программы ОЕАЫТ4 [119] распределений углов многократного кулоновского рассеяния протонов с импульсом 5 ГэВ/с после пересечения трековой системы, состоящей из ДТ диаметром 30 мм, но в одном случае эти ДТ в алюминиевых корпусах с толщиной стенки 0.4 мм, а в другом - в лавсановых корпусах с толщиной стенки 0.125 мм. В обоих данных случаях под трековой системой понимается система из четырех камер, аналогичных описанным выше камерам установок «ОКА» и «ФОДС».
90000 80000 70000 60000 50000 40000
зоооо 20000 10000
°2 1.5 -1 -0.5 О 0.5 1 1.5 2
а [гпгас1]
Рис. 2.1: Распределение углов рассеяния 5 ГэВ/с протонов при пересечении трековой системы из ДТ с алюминиевыми и лавсановыми стенками.
Аналогичные расчеты были сделаны для протонов с другими импульсами в диапазоне от 1 до 50 ГэВ/с, а также для мюонов, электронов и пи-мезонов в этом же диапазоне. Среднеквадратичные отклонения угловых распределений приведены на рис. 2.2 как функция импульса частицы. Налицо существенное
преимущество «лавсановых» ДТ по сравнению с «алюминиевыми» для всех перечисленных частиц при всех импульсах.
ю-
10-=
■
РгсЛопз
■ ■
■
■
■ ■
■
— ■
; ■
I I I I 1 I . . . 1 I I I I 1 ■ 1 .. 1 1 1 1 1 1 1 1 .
10
£С
30
4С
50
Р ;<3е\']
(Г)
Рис. 2.2: Среднеквадратичные отклонения угловых распределений при прохождении трековой системы электронами (а), мюонами (б), пи-мезонами (в), протонами (г) в зависимости от импульса. Верхние точки - для «алюминиевых» ДТ, нижние - для «лавсановых» ДТ.
2.2 Технология ультразвуковой сварки корпусов ДТ из лавсана
Исходным материалом для изготовления корпусов дрейфовых трубок является лавсановая пленка толщиной 125 мкм с двухсторонним алюминиевым покрытием (напылением), поставляемая в виде рулона шириной 600 мм.
Для 30-мм лавсановой ДТ первой операцией является резка пленки из рулона на полосы шириной 100±0.25 мм, длина которых определяется длиной дрейфовых трубок, в нашей практике длина варьировалась от 0.8 до 2.5 м. Крайняя полоса выбрасывалась из-за плохого качества (гофрированный край рулона). Качество алюминиевого покрытия отрезанных полос проверялось посредством измерения поверхностного электрического сопротивления. Сторона с меньшим сопротивлением предназначается для внутренней поверхности дрейфовой трубки, потому что она будет служить катодом. На рис. 2.3 приведен пример распределения сопротивлений для заготовок дрейфовых трубок длиной 2526 мм.
0 20 40 60 ао 100 0 20 40 60 ВО ¡00
Ом Ом
Рис. 2.3: Распределение сопротивлений внутренней (а) и внешней (б) поверхностей
заготовок для лавсановых ДТ длиной 2526 мм.
Ультразвуковая сварка трубы выполняется на установке (рис. 2.4), состоящей из стапеля с устройствами закрепления шлифованного стержня -шаблона 029.6 мм и подвижной тележки, на которой установлена ультразвуковая колебательная система аппарата "Гиминей -ультра" АУС-0.2/22-ОМ [120]. Лавсановый лист-заготовка оборачивается вокруг стержня с небольшим перекрытием (около 4 мм) и закрепляется в ложементах сварочного стапеля. Ультразвуковая колебательная система при движении вдоль оси стержня по направляющим со скоростью 1 см/с обеспечивает сварку сложенных внахлест краев лавсановой пленки продольным швом.
Сварка труб производится при 90% мощности аппарата с нагрузкой 1.2 кг на контактную площадь (2.5*0.8 мм) сменного рабочего инструмента. Разрывное усилие сварочных швов составляет 8^10 кг/см (рис. 2.5). Пластическая деформация лавсановой пленки начинается при усилии >15 кг/см.
Рис. 2.4: Установка ультразвуковой сварки «Сваренная» ультразвуком лавсановая труба (рис. 2.6) снимается с шаблона и после вакуумной чистки от пыли поступает на сборку ДТ.
Рис. 2.5: Иллюстрация процедуры Рис. 2.6: Изготовленная методом УЗС 30-мм труба испытания сварного шва на разрыв
Для 15-мм ДТ используется эта же технология изготовления лавсановых корпусов, только шлифованный стержень - шаблон, вокруг которого оборачивается лавсановый лист-заготовка, имеет диаметр 015 мм, а листы-заготовки нарезаются шириной 55±0.25мм.
Фотография лавсановых корпусов диаметром 30 мм и 15 мм приведена на рис. 2.7.
Рис. 2.7: Лавсановые трубы, изготовленные методом УЗС
2.3 Конструкция и технология изготовления 30-мм лавсановых ДТ
Естественным стремлением при разработке лавсановых ДТ было максимально использовать приемы и технологическую оснастку, использовавшуюся для изготовления ДТ в алюминиевом корпусе, во многом это удалось. Но принципиально нового подхода требовала фиксация трубы-корпуса ДТ на торцевых заглушках и обеспечение электрического контакта между трубой и внешней алюминиевой поверхностью заглушки. (Напомним, что в алюминиевых ДТ это делалось путем обжатия, с помощью «кримпера» и газа под высоким давлением, тонкостенного алюминиевого корпуса над заглушкой, в канавки которой вставлены уплотнительная резиновая прокладка и гофрированная пружинка из нержавеющей стали). Мы решили использовать клеевое соединение.
Торцевая заглушка для 30-мм лавсановой ДТ принципиально не отличается от заглушки для алюминиевой ДТ. Единственное отличие заключается в том, что после отливки ее внешняя поверхность обрабатывается до 030.01 ± 0.01 мм, без дополнительной канавки для теперь уже не используемой гофрированной контактной пружинки (рис. 2.8).
Рис. 2.8: Слева - заглушки для алюминиевой ДТ, справа - для 30-мм лавсановой ДТ
На сборочном стенде через трубу и торцевые заглушки протягивается анодная проволока, которая фиксируется (кримпируется) только в одной из торцевых заглушек (в этом тоже отличие от технологии сборки алюминиевых
ДТ). Торцевые заглушки вклеиваются в лавсановую трубу эпоксидным клеем (ARALDITE AW106) (рис. 2.9).
Рис. 2.9: Вклеивание торцевых заглушек в лавсановую трубу-корпус
Для получения электрического контакта внутренней поверхности трубы с алюминиевым корпусом заглушки, при склейке труба над клеем обжимается съемными резиновыми кольцами.
После вклеивания заглушек, труба устанавливается в специальный стенд, определяющий заданную длину ДТ и ориентацию ее торцевых заглушек (рис. 2.10).
Рис. 2.10: Стенд для выдержки ДТ после вклеивания заглушек
После затвердевания клея труба возвращается на сборочный стенд, где с помощью описанного ранее устройства производится натяжение проволоки с усилием 350 г и ее фиксация (кримпирование) в торцевой заглушке.
На рис. 2.11 - комплектующие элементы 30-мм лавсановой ДТ, назначение их аналогично описанному ранее для алюминиевой ДТ.
Рис. 2.11: Лавсановая 30-мм ДТ в разобранном виде
В процессе сборки и после нее лавсановые ДТ подвергаются тем же испытаниям и на том же оборудовании, что и алюминиевые ДТ - это высоковольтные испытания, испытания на герметичность, измерение натяжения по частоте основной гармоники резонансных колебаний проволоки, возбуждаемых импульсом тока, когда трубка помещена в магнитное поле. Новым и очень важным является измерение электрического сопротивления между корпусами торцевых заглушек, вклеенных с противоположных сторон ДТ - таким путем контролируется качество электрических контактов корпусов торцевых заглушек с внутренней поверхностью трубы и качество внутреннего алюминиевого покрытия. На рис. 2.12 представлено это распределение для той же группы ДТ длиной 2526 мм, для которой на рис. 2.3. представлены распределения поверхностных сопротивлений заготовок до вклеивания торцевых заглушек. Из сравнения видно, что вклад в сопротивление дает в основном внутренняя поверхность трубки-корпуса, а вклад контактов между трубкой и заглушками достаточно мал. Критерием отбора (допуска) ДТ для ее включения (вклейки) в состав камеры был следующий: Ктрубка < Явну1р + 20 Ом, где Явнутр - собственное сопротивление внутренней поверхности корпуса, Ятрубка - итоговое сопротивление ДТ с вклеенными торцевыми заглушками.
Важно отметить, что измерение натяжения проволоки и электрического сопротивления для лавсановых ДТ проводятся дважды: сразу после сборки и непосредственно перед склейкой камеры.
На рис. 2.13 показан пример распределения натяжений проволоки в той же группе лавсановых ДТ длиной 2526 мм, для которых измерялось сопротивление.
Рис. 2.12: Распределение сопротивлений Рис. 2.13: Распределение натяжений между корпусами торцевых заглушек проволоки
Отдельно следует сказать об испытаниях лавсановых ДТ на герметичность, хотя для них и используется та же аппаратура, что и для испытаний алюминиевых ДТ. Специфика состоит в том, что гелий достаточно быстро диффундирует через 125-мкм лавсановую пленку, поэтому на то, чтобы успеть обнаружить возможные дефекты, имеется не более 2 минут. Итак, вернемся к рис. 1.25, где показана принципиальная схема стенда проверки герметичности. ДТ помещается в вакуумную камеру. При этом один конец ДТ герметично закрыт колпачком с резиновой прокладкой, а другой - соединяется с форвакуумным насосом. Вакуумная камера откачивается до давления <10-2 мбар, после чего откачивается и заполняется газовой смесью (N290% + Не10%) до абсолютного давления 2 бар внутренняя полость трубки. Гелий проникает в вакуумную камеру из ДТ вследствие диффузии через лавсановую пленку и
через возможные дефекты сварки и склейки. Результаты регистрации течеискателем потока фиксируются через 2 мин после напуска азотно-гелиевой смеси. В случае отсутствия дефектов, величина измеренного потока за это время составляет ~50% от стационарного, который устанавливается через несколько часов. Установленное нами требование таково: для ДТ длиной 2.5 м гелиевая течь не должна превышать 2 • 10-4 л • мбар/с. Это соответствует течи 2 • 10-5 л • мбар/с по рабочему газу (Аг + 7% СО2). Распределение измеренных потоков гелия в изготовленных нами ДТ длиной 2526 мм представлено на рис. 2.14.
О 5 10 15 20 25
1(Г®.-[ ■ бар/с
Рис. 2.14: Распределение измеренных потоков гелия в ДТ длиной 2526 мм
2.4 Лавсановые ДТ диаметром 15 мм
Схема 15-мм лавсановой дрейфовой трубки показана на рисунке 2.15, ее основные элементы: корпус (1), внутренняя поверхность которого является катодом; в центре натянута сигнальная (анодная) проволока (2); с обеих сторон дрейфовая трубка закрывается торцевыми заглушками.
Рис. 2.15: Схема дрейфовой трубки 015 мм в лавсановом корпусе
Анодная проволока диаметром 50 мкм изготовлена из вольфрам-рениевого сплава, содержание рения - 3.1-3.4 %, поверхность проволоки покрыта золотом. Проволока натянута с силой 350 г, после того как подверглась преднатяжению в 450 г (объяснение - в гл. 1). Позиционирование проволоки осуществляется за счет отверстия, пробитого лазерным лучом, диаметром 60±10 мкм в латунной пластинке (3) толщиной 0.5 мм. Крепится проволока за счет обжима (кримпирования) в медной капиллярной трубке (8) с внешним диаметром 1.2 мм и внутренним 0.35 мм. Изолятор торцевой заглушки (5) изготовлен из пластмассы (КОЯУЬ ОБШ) методом горячего прессования совместно с центральной латунной вставкой (6). После механической обработки (проточка) изолятор вклеивается в алюминиевый корпус (4). Внешняя поверхность 015.5О±О.О1 мм алюминиевого корпуса является базовой ("референсной") поверхностью и для отверстия, позиционирующего сигнальную проволоку, и для позиционирования трубки в целом при склеивании камеры. Пластиковый переходник (7) служит для последовательной подачи газовой смеси в трубки. Герметизация осуществляется при помощи кольцевых резиновых прокладок (10), которые поджимаются запорным колпачком (9), одновременно служащим для электрических подключений.
Торцевые заглушки (рис. 2.16) вклеиваются в корпус трубки клеем (Araldite AW106), при этом для создания электрического контакта между внутренней поверхностью корпуса трубки и алюминиевым цилиндром торцевой заглушки труба обжимается над поверхностью обмазанного клеем цилиндра резиновыми кольцами. Этот обжим поддерживается до полного затвердевания клея. На это время трубка устанавливается в специальный стапель (рис. 2.17), в котором точно выдерживается расстояние между заглушками трубки - этим обеспечивается заданная длина ДТ.
Рис. 2.16: Торцевые заглушки; справа - заглушка с впрессованной капиллярной трубкой
Рис. 2.17: Стапель для выдержки 15-мм ДТ после вклеивания заглушек.
Справа - в увеличенном масштабе, запорный колпачок снят
Анодная проволока вставляется в трубу вместе с торцевыми заглушками, а натягивается после окончательного затвердевания клея. Натяжение проволоки измеряется по частоте ее резонансных колебаний, возбуждаемых импульсом тока, когда трубка помещается в магнитное поле. Используется та же аппаратура и процедура, что и для 30-мм ДТ, это подробно описано в гл.1. На рис. 2.18 представлена фотография 15-мм ДТ во время измерения натяжения.
По величине натяжения можно оценить провисание проволоки. Так, для горизонтально расположенной ДТ длиной 2526 мм провисание анодной проволоки показано на рис. 2.19. Как и для 30-мм ДТ, измерение натяжения проволоки и электрического сопротивления для лавсановых ДТ проводятся дважды: сразу после сборки и непосредственно перед склейкой камеры.
(а)
(б)
Рис. 2.19: (а) - натяжение проволоки (шкала по оси абсцисс - в граммах) (б) - провисание проволоки (шкала по оси абсцисс - мкм)
Аналогично процедуре для 30-мм ДТ, при помощи измерения электрического сопротивления между алюминиевыми цилиндрами торцевых заглушек собранной ДТ проверяется качество контактов между внутренней
поверхностью трубы и корпусами торцевых заглушек. При хорошем качестве, оно не должно сильно отличаться от сопротивления внутренней поверхности лавсановой трубы. Эти контрольные измерения тоже проводятся дважды -сразу после сборки ДТ и перед ее вклеиванием в состав камеры. На рис. 2.20 -распределение сопротивлений внутренней поверхности лавсановой трубы (а) и сопротивлений между алюминиевыми цилиндрами торцевых заглушек (б) для партии ДТ длиной 586 мм. Критерий отбора для собранной ДТ был установлен 50 Ом. Соответсвенно, две ДТ из данной партии были отбракованы.
Ohm Ohm
(а) (б)
Рис. 2.20: Распределение сопротивлений внутренней поверхности лавсановой трубы (а) и сопротивлений между алюминиевыми цилиндрами торцевых заглушек (б)
Герметичность собранной трубки проверяется с использованием того же стенда, что и для 30-мм ДТ, а именно в специальной вакуумной камере путем измерения скорости потока гелия из трубки в камеру. Регламентировано, что скорость потока не должна превышать 410-4 л-мбар/сек на метр трубы. Соответствующее распределение для партии ДТ длиной 586 мм приведено на рис. 2.21.
1 1 1 1 i Entries 206
- Mean 5.414 RMS 3.625
-
-
- к mi i i
He flux 10 е bar* l/sec Рис. 2.21: Распределение партии 15-мм ДТ по уровню герметичности
Высоковольтные испытания проводятся на специальном автоматизированном стенде, где измеряются вольт-амперные характеристики трубок, заполненных атмосферным воздухом - это подробно описано в гл.1. С помощью этой процедуры обнаруживаются всевозможные дефекты проволоки (прилипшие пылинки, заусенцы), дефекты изоляторов торцевых элементов.
2.5 Заключение к главе
Разработана и собрана установка ультразвуковой сварки, позволяющая сваривать герметичным продольным швом лавсановую пленку толщиной 125 мкм с двусторонним алюминиевым напылением для изготовления корпусов ДТ в виде цилиндров правильной формы диаметром 30 мм и 15 мм.
Разработаны конструкция и технология массового производства дрейфовых трубок в лавсановых корпусах большой длины - до 2.5 м. При этом каждая трубка является самоподдерживающимся элементом - она может без избыточного давления и каких-либо специальных растягивающих устройств сохранять форму и выдерживать натяжение 350г сигнальной проволоки диаметром 50 мкм.
Разработан и отлажен весь комплекс испытаний лавсановых дрейфовых трубок, предшествующий их вклеиванию в состав трекового детектора.
Изготовлено и испытано более 7 тыс. лавсановых дрейфовых трубок, необходимых для создания новых трековых систем физических установок ОКА, ВЕС, Спасчарм и ФОДС на Ускорительном комплексе У-70 НИЦ «Курчатовский институт» - ИФВЭ.
Зарегистрированные результаты интеллектуальной деятельности, связанные с гл. 2:
• Патент на полезкую модель «Прецизионная дрейфовая трубка в лавсановом корпусе» [112].
• Ноу-хау - поз. 1 и 3 из приведенного в конце диссертации списка. Составлен «Технологический регламент производства» - поз. 2 из
приведенного в конце диссертации списка технологических регламентов производства по теме диссертации.
На рис. 2.22 - Стеллажи с готовыми ДТ на сборочном участке.
Рис. 2.22: Готовые дрейфовые трубки на сборочном участке
Глава 3
Трековые детекторы из лавсановых ДТ для физических установок НИЦ «Курчатовский институт» - ИФВЭ
В главе 1 подробно описана технология изготовления трековых камер из 30-мм дрейфовых трубок в цилиндрическом алюминиевом корпусе, в основе которой - склейка этих трубок в три слоя с высокой точностью по методу «плотной упаковки» (рис. 1.27) с последующим вставлением склеенной конструкции в несущую раму, на которой крепятся также все аксессуары, необходимые для функционирования камеры.
В главе 2 было показано, что удалось сконструировать дрейфовую трубку в цилиндрическом корпусе из 125-мкм лавсана, на внутреннюю и внешнюю поверхности которого нанесено металлическое покрытие для обеспечения электропроводности. Лавсановая ДТ имеет те же геометрические параметры (за исключением длины, которая диктуется особенностями эксперимента на той или иной физической установке), как и алюминиевая ДТ, и при этом так же является самостоятельным функциональным элементом, т.е. способна выдерживать натяжение анодной проволоки 350 г без дополнительных поддерживающих элементов, сохранять правильную цилиндрическую форму даже без избыточного внутреннего давления, обеспечивать герметичность при давлении рабочего газа не менее 1.5 атм.
Две верхние ДТ на рис. 3.1 - это 30-мм ДТ, алюминиевая и лавсановая.
Совершенно очевидно, что для склейки камеры из 30-мм лавсановых ДТ можно практически без корректировки использовать все технологические приемы и аппаратуру, которые используются при склейке алюминиевых ДТ.
Также очевидно, что склейка камеры из 15-мм ДТ (нижняя на рис. 3.1) требует специальной технологической оснастки.
Рис. 3.1: Дрейфовые трубки: 30-мм алюминиевая, 30-мм лавсановая и 15-мм лавсановая
3.1 Трековые камеры из 30-мм лавсановых ДТ
На основе 30-мм лавсановых ДТ изготовлено [121, 122] 35 трековых камер, объединенных в 15 трековых станций для экспериментов ОКА, ВЕС, СПАСЧАРМ, ФОДС, суммарное количество ДТ в которых - 4992 шт.
Камера состоит из трех слоев дрейфовых трубок (рис. 3.2), в поперечном сечении проволоки трех любых соседних трубок располагаются в вершинах равносторонних треугольников, 8=30.035 мм, ё=29.6 мм.
Рис. 3.2: Схема поперечного сечения дрейфовой камеры из лавсановых ДТ
В местах наибольшего сближения трубки склеиваются эпоксидным клеем (клей АгаМйе 2011, состоящий из смолы AW106 и отвердителя НУ953 и), ширина клеевой полоски около 3 мм. Гранитный стол и смонтированная на нем технологическая оснастка позволяют склеивать модули камер с числом
трубок в слое до 56 (рис. 3.3). Камеры большей ширины собираются из отдельных модулей. Длина камеры соответствует длине трубок, к настоящему времени освоено изготовление трубок длиной от 0.8 до 2.55м.
Рис. 3.3: Камерные модули разной ширины, склеенные из ДТ
Большинство изготовленных трековых станций предназначены для измерения двух (X, У) проекций трека, они имеют прямоугольную форму, торцы всех трубок лежат в одной плоскости (рис. 3.4,а,б).
Одна из камер для установки СПАСЧАРМ состоит из отдельных модулей, по 8 трубок в слое, а модули сдвинуты друг относительно друга в направлении проволок (рис. 3.4,в). Такая компоновка позволяет измерять проекции, повернутые на заданный угол 0 относительно горизонтали (на данном рисунке 0 = 15о). Также для установки СПАСЧАРМ была изготовлена станция, состоящая из двух ортогонально ориентированных по отношению друг к другу камер, но повернутых на 45о относительно горизонтали (рис. 3.4,г).
В центре каждой камеры имеется "омертвленная" зона с площадью от 30*30 мм2 до 105 * 105 мм2 для прохождения первичного пучка частиц. Омертвление обеспечивается фиксацией в середине сигнальной проволоки нескольких центральных ДТ медного капилляра соответствующей длины с внешним диаметром ~ 0.5 мм.
(в) (г)
Рис. 3.4: (а), (б) - станции из двух взаимно ортогональных плоскостей для установки ВЕС; (в) и (г) - камеры для СПАСЧАРМ, наклон ДТ относительно вертикали 15° и 45о
Высокая механическая точность достигается за счет применения при склейке камеры специальных позиционирующих устройств, смонтированных на массивном гранитном столе габаритами 6.6х2.3х0.6 мм3, размещенном в помещении со стабилизированной температурой (22±0.5°С).
Камера склеивается слой за слоем, так называемая послойная сборка. Слой трубок укладывается на специальные позиционирующие устройства (на устоявшемся жаргоне это устройство называется «комб», рис.3.5). Комб представляет собой алюминиевый брус с рядом калиброванных стальных шаров диаметром 16.003 мм, вклеенных в брус с использованием прецизионного кондуктора с отверстиями. Шаг отверстий в кондукторе, измеренный на 3-х координатном измерительном приборе, составляет 30.035 мм со среднеквадратичным отклонением 0.003 мм. Разброс по высоте вклеенных шаров составляет 0.005 мм. Комбы монтируются на гранитном столе в соответствии с типом собираемой камеры. Число комбов определяется длиной собираемой камеры, среднее расстояние между комбами около 0.4 м. Шары крайних комбов всегда касаются точных поверхностей торцевых элементов ДТ.
Рис. 3.5: Позиционирующие устройства («комбы») на гранитном столе
При подготовке слоя к склейке, все трубки притягиваются к шарам комбов при помощи специальных вакуумных присосок (рис. 3.6), расположенных вместе с шарами на комбе.
Рис. 3.6: Комб с вакуумными присосками Рис. 3.7: Нанесение клея на слой трубок
При раскладке каждого слоя трубки ориентируются (вращение вокруг оси) так, чтобы впоследствии обеспечить контакт заземляющего штыря и электронных плат. Предварительно ДТ сортируются по длине с разбросом не хуже 0.2 мм. Перед склейкой в каждой из них измеряется натяжение проволоки.
В отличие от ДТ в алюминиевом корпусе, лавсановые трубки при склейке заполняются азотом при избыточном давлении около 0.5 атм. Клей наносится при помощи специальной клеераздаточной машины (рис.3.7), работающей в автоматическом режиме. Слои склеиваются последовательно. Склеенный слой (слои) поднимается на жесткой рамочной ферме над столом, на комбы укладывается следующий слой, наносится клей и на него опускаются предыдущие слои. На рис. 3.8 показан момент склейки 3-го слоя, первые 2 слоя уже склеены и висят над столом, удерживаемые рамочной фермой. Расстояния между отдельными слоями (по вертикали и горизонтали) определяются (задаются) специальными блоками (сфероблоки, рис.3.9), на которые через шаровые опоры устанавливается ферма в момент склейки слоя. Опоры устанавливаются под 4-мя углами фермы, для каждого слоя свой набор опор. После склейки модуль камеры снимается с гранитного стола.
Рис. 3.8: Послойная склейка Рис. 3.9: Опора (сфера-блок)
Далее на оба торца модуля камеры монтируются фигурные заземляющие пластины из листового алюминия толщиной 1 мм, с вырезами для выступающих концевых частей ДТ (рис. 3.10). Склеенный модуль представляет собой автономную структуру, не нуждающуюся в дополнительных поддержках. Далее модули монтируются в рамы. Число модулей в раме и ее конструкция определяются условиями конкретного эксперимента. Варианты рам показаны на рис.3.4 и 3.11.
(а) (б)
Рис. 3.10: Заземляющие пластины (а) и вид торца камеры с пластинами (б)
Рис. 3.11: Камера в раме (для установки СПАСЧАРМ)
Газовое соединение трубок в каждом слое камер последовательное (рис. 3.12,а), оно выполнено при помощи специальных перемычек, изготовленных из такого же материала (ОБК-З), как и изолятор торцевых заглушек ДТ. Газоподводящие латунные трубки (рис. 3.12,б) диаметром 2 мм от каждого слоя соединяются с общим для всей камеры газовым коллектором, заканчивающимся с одной стороны входным, а с другой стороны - выходным штуцером.
(а) (б)
Рис. 3.12: Схема соединения трубок в слое (а) и подключение слоя к коллектору (б)
Проверка герметичности всех газовых соединений после сборки проводится при помощи гелиевого течеискателя ПТИ-1-14 или "Adixen ASM 310" с дополнительным форвакуумным насосом. Для этого камера заполняется гелием до избыточного давления около 0.5 бар. Минимально регистрируемый поток гелия при такой проверке составляет ~ 2 • 10-5 л-мбар/с.
Также проводится дополнительная проверка примерного равенства (допустимая разница - не более 10%) потоков газа через каждый слой с помощью газового счетчика.
Затем на камеры устанавливаются такие же переходные платы, как показанные на рис. 1.32 для ДК из алюминиевых ДТ - это платы с "пассивной" электроникой, состоящей из разделительных конденсаторов, ограничивающих и согласующих сопротивлений. Торец камеры с переходной платой показан на рис. 3.13, где, для наглядности, часть электромагнитных экранов и высоковольтных плат сняты с устройства. Каждая плата обслуживает 24 (3*8)
трубки. Далее, поверх переходных плат, надеваются защитные съемные крышки, выполняющие также роль электромагнитных экранов. Они фиксируются в предусмотренных для этого пазах заземляющих пластин. Электромагнитные экраны и заземляющие пластины покрыты никелем.
Электроника камер
22
Рис. 3.13: Вид торца камеры (ДК1Х, СПАСЧАРМ): 1 - газовый коллектор, 2 - в/в переходная плата (со стороны усилителей), 3 - электромагнитный экран
Подача высокого напряжения и съем сигналов осуществляются с разных сторон дрейфовой трубки; соответственно, с разных торцов камеры. Схема подключения трубки такая же, как для ДК с алюминиевыми ДТ (рис. 1.31).
Усилители и время-цифровые преобразователи разрабатываются самостоятельно в разных экспериментах, их описание не входит в задачи данной работы. Все приведенные ниже характеристики всех трековых камер из лавсановых ДТ, полученные нами в процессе их обязательного тестирования перед передачей заказчикам (физические установки ВЕС, СПАСЧАРМ, ОКА, ФОДС) получены с использованием комплекта системы сбора данных, описанной в работе [123]. Использовалась электронная аппаратура, работающая в "бестриггерном" режиме, без использования специальных счетчиков, определяющих момент пролета частицы через камеру; реконструкция треков космических мюонов осуществлялась только по информации с дрейфовых трубок. Порог усилителей около 0.6 мкА, разрешение время-цифровых преобразователей 5 нсек.
Проверка герметичности камер. Из-за разветвленной газовой системы камер, наличия большого количества уплотнений, проверка с помощью гелиевого течеискателя не дает 100% гарантии отсутствия течей. Для некоторых камер проводилась дополнительная проверка - контроль давления в камере, заполненной газом под давлением и отключенной от газоподводящих магистралей. На рис. 3.14(а) приведена зависимость падения давления в сборке из 48 трубок для камеры ДКи(У) ВЕС (см. таблицу 1 в конце главы), заполненной аргоном под давлением 1540 мбар. Падение давление фитировалось линейной функцией, наклон прямой определял скорость падения давления (dp/dt). Результат для всех сборок этого типа камер показан на рис. 3.14 (б). При этом была проверена долговременная, более полугода, надежность герметизации трубок и камеры. Одновременно проверено влияние циклов сброса-увеличения давления, такими циклами (3-5) сопровождалась каждая смена газа. Зависимость падения давления подтверждает отсутствие точечных отверстий, а утечка газа обусловлена диффузией через стенки лавсана, диэлектрик торцевых заглушек и газовые уплотнители.
Time, day Number Of btjudle
(a) (6)
Рис. 3.14: Падение давления в модулях 8х3-трубок для ДК ВЕС: а) измерение для отдельной сборки, заполненной аргоном; б) падения давления для 21 модуля с разным газовым заполнением
Проверка на космике. Модули лавсановых камер проходили проверку при помощи космических лучей. На рис. 3.15 показаны примеры
реконструкции треков космических мюонов в камере ДКУ1 (3 слоя по 32 трубки длиной 816 мм), предназначенной для установки СПАСЧАРМ. Камера была заполнена газовой смесью Ar+7% CO2 при давлении около 1500 мбар. Триггерные счетчики не использовались, восстановление трека (общей касательной к «окружностям») производилось только по информации с ДТ. (Здесь и далее в этой главе под «окружностью» (hit's radius) понимается кратчайшее расстояние от трека до сигнальной проволоки.) Подробно процедура восстановления трека описана в главе 1.
Рис. 3.15: Примеры реконструированных треков в камере ДКУ1 СПАСЧАРМ
Для восстановленных треков с числом сработавших трубок более 20, распределение невязок - расстояний от «окружности» до общей касательной (реконструированный трек) - показано на рис. 3.16 (б). Распределение фитировано суммой двух нормальных распределений (р0 • exp[-0.5((x - p1)/p2)2] + ф3 • exp[-0.5((x - p4)/p5)2], pi - параметры фита, указаны на рисунке). Сигма более узкой части фита может рассматриваться как разрешение отдельной ДТ, в данном случае оно составляет 180 мкм. Консервативная оценка разрешения -среднеквадратичное отклонения этого распределения - составляет 260 мкм.
Были проделаны многократные измерения счетных характеристик -зависимости скорости счета естественного радиационного фона от напряжения на анодной проволоке. Для упомянутой выше камеры счетные характеристики всех 96 ДТ изображены на одном графике на рис. 3.16 (а).
Уй11й{|« (Р5 зса1е) „ КУ ИмЫшЬ, ш
(а) (б)
Рис. 3.16: Камера СПАСЧАРМ: а) счетные характеристики, б) распределение невязок
На рис. 3.17а,б - камера ФОДС [124] на стенде и на канале ускорительного комплекса У-70, на рис. 3.17в,г - трековые станции СПАСЧАРМ на 14-м канале ускорительного комплекса У-70.
Рис. 3.17: ДК ФОДС на стенде (а) и на канале ускорителя У-70 (б); трековые станции установки СПАСЧАРМ на 14-м канале ускорительного комплекса У-70 (в, г).
3.2 Трековые камеры из 15-мм лавсановых ДТ
На основе 15-мм лавсановых ДТ изготовлено [125 - 127] 12 трековых камер, объединенных в 5 трековых станций для экспериментов ОКА, ВЕС, СПАСЧАРМ, суммарное количество ДТ в которых - 2112 шт.
Аналогично камере из 30-мм ДТ, модуль лавсановой камеры из ДТ с внутренним диаметром 15-мм состоит из трех слоев дрейфовых трубок, образующих трехслойную структуру с "плотной" упаковкой (рис. 3.18). В поперечном сечении проволоки трех любых соседних трубок располагаются в вершинах равносторонних треугольников со стороной 15.5 мм. Максимальное число трубок в слое модуля равно 16. Если нужна камера с большим числом трубок в слое, то она собирается из отдельных модулей.
15.5
Рис. 3.18: Схема и фотография модуля из 15-мм лавсановых ДТ
Все три слоя модуля склеиваются одновременно. Высокая механическая точность взаимного расположения трубок в модуле при склейке достигается за счет использования специальных монтажных кассет, внутри которых с интервалом 20 - 25 см расположены позиционирующие «гребенки» в виде алюминиевых брусков с точными канавками, соответствующими диаметру ДТ,
с шагом 15.5 мм между канавками. В наличии имеется набор кассет длиной от 60 см до 2.5 м (рис. 3.19). Во время склейки монтажная кассета располагается на гранитном столе, в нее укладываются трубки слой за слоем и в каждом слое клей (АгаМйе А"^06) наносится с помощью дозирующего пистолета в места наибольшего сближения трубок в слое в виде прерывистой полоски шириной около 3 мм с интервалом ~150 мм по длине трубок. Аналогичным образом клей наносится в места примыкания соседних трубок одного слоя к трубкам следующего слоя.
Рис. 3.19: Монтажные кассеты для 15-мм ДТ
Склееный модуль вынимается из монтажной кассеты не ранее чем через 20 часов после нанесения клея.
При сборке в трековые камеры, модули крепятся к несущей раме. При этом, в зависимости от требований эксперимента, на общей раме могут быть смонтированы камеры с взаимно-ортогональной ориентацией ДТ, как это сделано в трековой станции ВЕС (рис. 3.20). В ней ДТ для измерения горизонтальной координаты (Х-камера) имеют длину 2070 мм, для У-камеры -2526 мм. В слое 48 трубок, всего 144 трубки в каждой камере.
Рис. 3.20: Схема и фотография трековой станции ВЕС
Метод проверки на герметичность, схема газовых соединений и электрических подключений в камерах из 15-мм ДТ точно такие же, как и в камерах из 30-мм ДТ. Подача высокого напряжения и съем сигналов также осуществляется с противоположных сторон ДТ. Но, естественно, из-за различия в расстоянии между соседними ДТ, для 15-мм камер потребовалось разработать и изготовить новые переходные (сигнальную и высоковольтную) платы, с шагом 15.5 мм. Они также несут только пассивные элементы - согласующие и ограничивающие резисторы и разделительные конденсаторы (рис. 3.21, 3.22). Переходные платы были изготовлены в двух вариантах - для обслуживания группы из 24 либо из 48 ДТ.
Рис. 3.21: 48 - канальная сигнальная (с разъемаи) и в/в платы, вид с двух сторон
(а) (б)
Рис. 3.22: (а) - 24 - канальные переходные платы; (б) - модуль из 15-мм ДТ с 48-канальной
сигнальной переходной платой
После установки газовой системы и проверки герметичности, отдельные модули или камера целиком проверяются при помощи космических лучей. Модуль заполнялся газовой смесью Аг-С02(93-7) при избыточном давлении около 0.5 бар, смесь в процессе испытаний не обновлялась.
Методика проверки всех 15-мм камер одинакова, поэтому ниже приведены результаты проверки только одной - самой большой - камеры ВЕС (рис. 3.20).
Для проверки использовалась электронная аппаратура, работающая в "бестриггерном" режиме, без использования специальных («триггерных») счетчиков, определяющих момент пролета частицы через камеру; реконструкция треков космических мюонов осуществлялась только по
информации с дрейфовых трубок по подробно описанной в главе 1 процедуре. Порог усилителей 0.6 мкА, разрешение время-цифровых преобразователей 5 нсек.
Проверка начиналась с измерения счетных характеристик - зависимости скорости счета дрейфовых трубок модуля от величины приложенного напряжения (рис. 3.23), в качестве источника излучения служил естественный радиационный фон. Видно ярко выраженное плато, определяющее диапазон рабочего напряжения. При этих измерениях выявлялись отдельные дефекты, например, на рис. 3.23 видны неработающие трубки. В данном случае они были просто отключены из-за временной схемы заполнения модуля газовой смесью. После установления рабочего напряжения проводятся продолжительные экспозиции порядка нескольких часов для набора данных с космическими частицами.
Для анализа программным образом выделяются прямые треки заряженных космических частиц (в основном это мюоны), пересекающие значительное число трубок (больше 14, рис.3.24). Трек - общая касательная к «окружностям» сработавших ДТ (здесь, как и в предыдущем разделе про камеры из 30-мм ДТ, под «окружностью» понимается кратчайшее расстояние от трека до сигнальной проволоки).
и."
N X
20
40
30
10
А _.___
0 50 100 150 200
1.4 1.6 1.8 2 2.2
УоИаде, кУ
"Пте, ТРС Ып
Рис. 3.23: Счетные характеристики всех трубок модуля (слева) и временной спектр одной из трубок (справа)
Рис. 3.24: Примеры реконструкции треков О координатной точности камеры ВЕС можно судить по распределению невязок - разности ЯйгЯыи, где Ща — расстояние от центра трубки 1 до прямой, определяющей трек, Щ^д = ЩЪ). Для треков, пересекающих большое количество трубок ("длинные" треки), ширина этого распределения (рис. 3.25,б) является хорошей оценкой координатной точности трубки. Сплошная кривая распределения на данном рисунке - фит суммой двух гауссиан. Для всех шести испытанных модулей трековой станции ВЕС узкая часть фита имеет о = 250 -270 мкм. В настоящее время данная камера успешно используется в экспериментах на установке ВЕС.
С
к
1 250
200
150
100
50
-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-г~
г }
.............. ........г......
5 1
Ктт
0
(а)
(б)
Рис. 3.25: (а) - Соотношение Щ(1:) для 15-мм лавсановых ДТ; (б) - распределение невязок
3.3 Заключение к главе
Разработаны конструкция и технология производства трековых детекторов из дрейфовых трубок в корпусах из 125-мкм лавсана с металлизированным покрытием диаметром 30 мм и 15 мм. В сумме изготовлено 47 камер, объединенных в 20 трековых станций для физических установок ОКА, ВЕС, СПАСЧАРМ и ФОДС на Ускорительном комплексе У-70. В настоящее время данные станции составляют основу трековых систем всех четырех перечисленных установок и по своим физическим характеристикам -эффективности, пространственному разрешению и загрузочной способности -полностью удовлетворяют требованиям экспериментов, проводимых на этих установках.
Формы камер - прямоугольные и наклонные. Часть камер имеет омертвленную (нечувствительную) зону в местах пролета интенсивных пучков частиц. В камерах используются ДТ длиной до 2550 мм. Детальная информация - в табл. 3.1 и табл. 3.2.
Все камеры проходят испытания на месте их производства (зд. 19 Технической площадки НИЦ «Курчатовский институт» - ИФВЭ) перед тем, как передаются для монтажа в составе физических установок.
Результаты интеллектуальной деятельности, связанные с гл. 3:
• Опытно-промышленный образец трековой камеры из 30-мм лавсановых дрейфовых трубок для установки ФОДС [124].
• Ноу-хау - поз. 6, 8, 9, 15 из приведенного в конце диссертации списка.
Составлен «Технологический регламент производства» - поз. 3 из
приведенного в конце диссертации списка технологических регламентов производства по теме диссертации.
Таблица 3.1. Перечень изготовленных камер из 30-мм лавсановых ДТ
Имя Угол Длина Кол-во Мертвая Кол-во Полное
(градусы) ДТ (мм) ДТ в зона камер кол-во
слое (мм2) ДТ
Установка ВЕС
ДКХ1,2 0 2070 80 45х45 2 480
90 2550 64 45х45 2 384
Д^ +15 2140 88 45х45 1 264
ДШ -15 2140 88 45х45 1 264
Итого: 6 1392
Установка СПАСЧАРМ
ДКХ1 0 816 32 30х30 1 96
ДКY1 90 1056 24 30х30 1 72
ДКU1 - 45 1056 24 30х30 1 72
ДКV1 +45 816 32 30х30 1 96
ДКХ3 0 1296 56 45х45 1 168
ДКY3 90 1776 40 45х45 1 120
Д^3 +10 1296 48 45х45 1 144
ДКХ4,5 0 2070 80 60х60 2 480
ДКY4,5 90 550 64 60х60 2 384
ДКV4,5 +15 2140 80 60х60 2 480
Итого: 13 2112
Установка ОКА
ДКХ1 0 1536 48 105х105 1 144
90 1536 48 105х105 1 144
ДКХ2 0 1776 56 105х105 1 168
ДСТ2 90 1776 56 105х105 1 168
Итого: 4 624
Установка ФОДС
ДКХ 0 810 24 нет 6 432
Дрт 90 810 24 нет 6 432
Итого: 12 864
Итого по всем установкам: 35 4992
Таблица 3.2. Перечень изготовленных камер из 15-мм лавсановых ДТ
Имя Угол Длина Кол-во Мертвая Кол-во Полное
(градусы) ДТ (мм) ДТ в зона камер кол-во
слое (мм2) ДТ
Установка ВЕС
ДКХ 0 2070 48 нет 1 144
Дрт 90 2550 48 нет 1 144
Итого: 2 288
Установка СПАСЧАРМ
ДКХ0 0 576 32 34х30 1 96
90 576 32 30х45 1 96
ДКШ - 45 576 32 нет 1 96
Д^0 +45 576 32 нет 1 96
Итого: 4 384
Установка ОКА
ДКХ 0 970 96 нет 3 864
Дрт 90 1300 64 нет 3 576
Итого: 6 1440
Итого по всем установкам: 12 2112
Глава 4
Регистрирующие системы из ДТ для мюонных томографов
4.1 Основные принципы томографирования объектов с помощью мюонов космического излучения
Первичные высокоэнергичные космические частицы (протоны, ядра), попадая в атмосферу Земли и взаимодействуя с ядрами атмосферы, полностью поглощаются и порождают взамен себя новые частицы (рис. 4.1,а), одними из которых являются мюоны. В отличие от других вторичных частиц, мюоны обладают большой проникающей способностью и доходят до земной поверхности, данные о потоках мюонов хорошо документированы [128, 129]. На рис. 4.1,б показан состав потока частиц в зависимости от высоты точки наблюдения над уровнем моря.
Altitude (km)
15 10
5 3 2
О
(а) (б)
Рис. 4.1: Схема рождения вторичных космических частиц (а) и зависимость состава потока частиц от высоты (б)
На рис. 4.2 приведены экспериментальные данные о потоке мюонов космического происхождения в зависимости от их импульса на уровне моря для двух зенитных углов: 0 и 70о. При больших зенитных углах спектр мюонов смещен в область больших импульсов, что является следствием того, что при таких углах мюон проходит большую толщину атмосферы и, соответственно, теряет больше энергии на ионизацию, что в свою очередь приводит к исчезновению из потока мюонов с малыми энергиями.
Рис. 4.2: Энергетический спектр мюонов космического происхождения
Среднее значение импульса мюона у поверхности Земли ~ 4 ГэВ/с с максимумом спектра ~ 2 ГэВ/с, средний поток - около 10000 на 1 м 2 в минуту. В случаях, когда можно позволить себе длительные (час и более) экспозиции, этого потока достаточно для использования в бурно развивающемся в последние два десятилетия методе мюонографии (название - по аналогии с рентгенографией) - исследовании внутренней структуры крупногабаритных объектов по анализу пространственно-угловых изменений потока мюонов, проходящих через исследуемый объем. Очевидно, что такая задача требует наличия мюонных детекторов с хорошим разрешением, которые располагаются за исследуемым объектом и позволяют получать мюонограммы (термин по аналогии с рентгенограммой) - графическое отображение на плоскости (2D)
областей анизотропии регистрируемого мюонного потока вследствие суммарного эффекта поглощения и рассеяния мюонов на отдельных участках объекта исследования.
В тех случаях, когда имеется возможность установить мюонные детекторы не только за исследуемым объемом, но и перед ним, появляется возможность получать уже не только плоские (2D), но и объемные (3D) изображения -соответственно, этот метод называется уже мюонной томографией. Он основан (рис. 4.3,а) на анализе многократного кулоновского рассеяния мюонов космического происхождения и предполагает наличие двух регистрирующих блоков (верхний для восстановления входных треков и нижний - для выходных) и опирается на следующие факты:
• Мюоны взаимодействуют с веществом в основном кулоновским образом, вследствие чего имеют высокую проникающую способность.
• Кулоновское взаимодействие мюонов с веществом зависит от величины заряда ядра и, следовательно, при фиксированной толщине интенсивность взаимодействия зависит от атомного номера исследуемого вещества.
• Рассеивание мюонов при прохождении единицы вещества зависит от заряда ядра и от плотности вещества.
Многократное кулоновское рассеяние хорошо изучено и документировано, в частности в [130 - 132]; для наглядности на рис. 4.3,б показана траектория мюона, пересекающего слой вещества, и приведены основные параметры данного процесса.
(а) (б)
Рис. 4.3: Принцип (а) и параметры многократного кулоновского рассеяния (б)
При достаточно малых углах, отклонение траектории от первоначального имеет гауссово распределение. При увеличении углов, распределение выполаживается и приближается к распределению, более характерному для резерфордовского рассеяния (степенное распределение). Введя определение
то ширина распределения определяется выражением:
где вс - скорость мюона, р - импульс, х - длина пути в материале, который пересекает мюон, Х0 - радиационная длина материала. Распределения остальных параметров, указанных на рис. 4.3б, имеют ширины:
В качестве примера, на рис. 4.4,а приведены зависимости среднеквадратичного отклонения угла рассеяния мюона с импульсом 2 ГэВ/с от толщины материала в графическом виде, а на рис. 4.4,б - в табличном (при импульсе мюона 3 ГэВ/с).
И) I
во
■ - и
г РЬ Ч ____
лг / ¿г Си ----Ре
_[ ------
" ' С
Материал Ъ Отклоните
Пластмасса -2
Алюминий 13 5
оороснликатное стекло - -4
Железо 26 11
Вольфрам 74 27
Свиней 82 20
Уран 91 29
Плутоний 94 30
Цегп
(а)
Отклонение (мрад) мюонов 3 ГэВ гри прохождении 10 см вещества 30 мрад = 1.7°
(б)
Рис. 4.4: Зависимости среднеквадратичного отклонения угла рассеяния мюона в веществе
Таким образом, имея возможность измерить средний угол многократного кулоновского рассеяния мюонов космического излучения на различных участках исследуемого объема (по разнице углов трека на входе и выходе), можно с достаточной точностью оценить плотность материала (правильнее сказать - радиационную длину) в этом локальном объеме. Это и используется в методе мюонной томографии больших объектов - обнаружение предметов, сделанных из материалов с большой плотностью (свинец, уран) и представляющих интерес, производится за счет того, что мюоны, пересекающие предмет, будут рассеиваться на относительно большой угол, в то время как на других материалах угол многократного кулоновского рассеивания будет значительно меньше. Этот метод позволяет решать и как бы обратную задачу - обнаружение пустот в объемных плотных средах - например в строительных конструкциях
Одним из первых мюонографию на практике применил физик Луис Альварес. В 60-х годах прошлого века он предложил [133] использовать поток космических мюонов для «просвечивания» пирамид в поисках секретных ходов, хранилищ, саркофагов. Сенсационных археологических находок сделано не было, но важный шаг к использованию метода мюонографии был сделан.
Резкое возвращение всеобщего интереса к мюонографии (и к частному случаю мюонографии - мюонной томографии) произошло в 2003 - 2004 гг. после статей [134 - 136] группы из Лос-Аламосской Национальной Лаборатории (ЛАНЛ, США), которые рассматривали, в частности, перспективность использования данного метода для контроля за незаконным перемещением ядерных материалов. С этого времени и по настоящее время все больше и больше институтов из разных стран занимаются разработкой и аппаратуры, и методики мюонной томографии для очень широкого круга применений [137 - 142]. После первых публикаций группы ЛАНЛ, наша группа в НИЦ «Курчатовский институт» - ИФВЭ также решила экспериментально опробовать возможности мюонной томографии, для этого было решено изготовить сначала лабораторные макеты мюонного томографа, а потом
крупномасштабный прототип томографа [143 - 145]. По ряду причин мы сочли для себя оптимальным использовать трековые детекторы из дрейфовых трубок в качестве регистрирующих систем для томографов. Лабораторные макеты и прототип томографа были успешно изготовлены.
4.1 Лабораторные макеты мюонного томографа
Фотография первого лабораторного макета мюонного томографа (далее ЛММТ) показана на рис. 4.5.
Рис. 4.5: Лабораторный макет мюонного томографа
Поперечные размеры ЛММТ - 1х1 м2, вертикальный размер центрального зазора для помещения исследуемых образцов ~ 50 см. Обеспечивается автономная реконструкция проекций треков в горизонтальной (Х, У) плоскости двумя регистрирующими блоками, один из которых в нижней, а другой - в верхней частях установки. В качестве прецизионных трековых детекторов в каждом блоке используются мюонные (дрейфовые) камеры (рис. 4.6) с площадью перекрытия 1.0 х 1.0 кв. м. Конструктивно мюонная камера состоит из каркаса, образованного из алюминиевых швеллеров и приклеенных к нему трех плоскостей ДТ, которые склеены также и между собой. При этом средняя плоскость трубок смещена на половину ее диаметра. Каждый блок состоит из 4-х идентичных мюонных камер - две камеры Х и две камеры У, которые
чередуются между собой. Диаметр ДТ - 30 мм, диаметр сигнальной проволоки - 50 мкм, толщина стенки алюминиевой трубы, служащей корпусом ДТ - 0.4 мм. Суммарное количество ДТ в ЛММТ - 768 шт.
Регистрирующие блоки установлены в многоуровневую стойку, в которой предусмотрена возможность регулирования положения камер по отношению друг к другу во всех направлениях с относительной точностью 0.1 мм.
Рис. 4.6: Мюонная дрейфовая камера ЛММТ
Как дрейфовые трубки, так и трековые камеры в целом для ЛММТ изготовлены и испытаны на том же оборудовании и по той же технологии, что и описанные в гл. 1 алюминиевые дрейфовые камеры для установок ОКА и ФОДС. При этом и габариты всех этих камер близкие. Поэтому представляется в данном параграфе достаточным, не останавливаясь на деталях конструкции и методах испытаний, остановиться только на ключевых характеристиках трековых камер и иллюстрации результатов тестовых включений ЛММТ. В качестве триггера при тестовых включениях использовалась система из трех сцинтилляционных счетчиков.
На рис. 4.7,а представлена гистограмма, по оси абсцисс которой отложены все 768 каналов регистрации (дрейфовые трубки) ЛММТ, а по оси ординат -частоты их срабатывания. Видно, что счет практически всех каналов при рабочем напряжении 2.2 кВ с незначительным превышением соответствует счету космики, сильно шумящих (таковыми считаются трубки со счетом более 1 кГц) ДТ нет. Имеется один неработающий канал, впоследствии восстановленный. При этом рабочая точка (рабочее напряжение 2.2 кВ) была
выбрана на плато счетной характеристики (рис. 4.7,б). Напомним, что индивидуальное пространственное разрешение ДТ - не хуже 0.3 мм.
10
Frequency
i 4Г
ш 1х I, f ivi т " i 2у i ЗХ ЗГ , I , , I 4X,I
200
400
600 800 ch=mod*32+ch
(а) (б)
Рис. 4.7: Индивидуальный счет каналов (а) и усредненная счетная характеристика (б)
Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.