Разработка и исследование тонкостенных дрейфовых трубок для экспериментов с высокой светимостью тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат технических наук Мялковский, Владимир Владимирович

• Мялковский, Владимир Владимирович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Мялковский, Владимир Владимирович

Введение.

1. Строу и их основные характеристики.

1.1. Конструкция и механические свойства строу.

1.2. Исследования время-амплитудных характеристик ТДТ.

1.2.1. Энергетическое разрешение.

1.2.2. Время чувствительности.".

1.2.3. Скорость дрейфа.

1.2.4. Выводы.

1.3. Загрузочная способность.

1.3.1. Измерение загрузочных характеристик.

1.3.2 Выводы.

1.4. Внешние факторы, определяющие стабильность режима работы ТДТ.

1.4.1. Температурный коэффициент газового усиления.

1.4.2. Зависимость газового усиления от давления.

2. Детектор переходного излучения - трекер (TRT) на основе строу.

2.1. Установка ATLAS Большого Адронного Коллайдера (LHC).

2.2. Внутренний Детектор установки ATLAS.

2.3. Детектор переходного излучения - трекер (ДПИ) внутреннего детектора.

2.4. Особенности сборки детектора и сопровождающего оперативного контроля.

3. Стенд автоматизированного тестирования (CAT).

3.1. Структурный состав и принцип действия.

3.2. Выбор источников излучения и системы коллиматоров.

3.3. Газовая система.

3.4. Метод тестирования на CAT.

3.5. Система Климат-контроля.

3.8. Процедура тестирования модулей TRT-детектора на CAT.

4. Результаты тестирования модулей типа В на станции автоматизированного тестирования.

4.1. Тестирование газовой системы CAT.

4.2. Определение коэффициентов связи газового усиления с температурой и давлением на CAT.

4.2.1. Временной сдвиг между откликом газового усиления на изменение температуры.

4.2.2. Коэффициенты связи газового усиления с температурой и давлением CAT.

4.3. Проверка наличия эффекта старения строу модулей на CAT.

4.4. Результаты тестирования модулей.

4.5. Выводы.

5. Разработка высоко-гранулированных строу.

5.1. Гранулированность ТДТ.

5.2. Концепция строу с многосегментным анодом.

5.3. Прототип детектора.

5.4. Итоги.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование тонкостенных дрейфовых трубок для экспериментов с высокой светимостью»

Детекторы, используемые в физике высоких энергий для регистрации частиц, состоят, как правило, из нескольких детектирующих систем, входящих в состав единого регистрирующего комплекса. Каждая детектирующая система рассчитана на регистрацию частиц с определенными характеристиками. Они располагаются так, чтобы частицы различного типа, последовательно проходя через них, оставляли определённую информацию о прошедшей через них частице. На основе этой информации затем восстанавливаются такие характеристики частицы как её тип, энергия, импульс, характеристики распада. Многослойная структура детектора позволяет восстановить траекторию частицы и определить точку её образования с точностью до нескольких микрон. Как правило, такие комплексы состоят из внутреннего трекового детектора, окружающего область соударения пучков, электромагнитного калориметра, адронного калориметра и мюонного детектора. В состав внутреннего детектора помимо микростриповых полупроводников могут входить и газонаполненные детекторы, обладающие хорошей чувствительностью к заряженным излучениям, относительной простоте и дешевизне, при этом имеющие малое количество собственного вещества, хорошее пространственное разрешение и загрузочную способность. Использование тонкостенных дрейфовых трубок позволяет регистрировать заряженные частицы большой энергии по переходному излучению, испускаемому ими при пересечении границы раздела сред с различной диэлектрической проницаемостью. Интенсивность переходного излучения высокоэнергичной частицы пропорциональна квадрату заряда частицы. Эти свойства переходного излучения позволяют использовать его для определения массы и заряда частиц при очень больших энергиях (>100 ГэВ), когда другие методы недостаточно эффективны.

Примером такого детекторного комплекса является созданная установка для эксперимента ATLAS на Большом Адронном Коллайдере (LHC) в ЦЕРН

1, 2], хорошо себя зарекомендовали строу-камеры большой площади эксперимента COMPASS на SPS (ЦЕРН) [3, 4], "Термализация" СВД (Протвино) [5].

Целью диссертационной работы являлось исследование характеристик тонкостенных дрейфовых трубок; изучение внешних факторов, влияющих на их рабочие параметры; разработка и создание автоматизированного стенда тестирования модулей TRT для внутреннего детектора эксперимента ATLAS на Большом Адронном Коллайдере (LHC) в ЦЕРН; проведение тестирования 17 восьмислойных модулей TRT, содержащих ~ 105 ООО ТДТ; поиск и разработка метода повышения гранулированности тонкостенных дрейфовых трубок (ТДТ или строу) для работы в условиях высоких загрузок.

Научная новизна исследования

• Проведены исследования время-амплитудных параметров используемых для модулей TRT ATLAS тонкостенных дрейфовых трубок, а также влияние на их работу различных внешних факторов.

• Разработана методика оперативного и финального тестирований модулей детектора и методов оперативного устранения отклонений параметров от спецификации.

• Создан стенд автоматизированного тестирования TRT модулей для внутреннего детектора установки ATLAS.

• Обеспечено систематическое оперативное и после сборочное тестирование модулей детектора в процессе их массового производства.

• Предложен не имеющий аналога метод создания строу с сегментированными анодами, позволяющий обеспечивать высокую эффективность восстановления треков в координатных детекторах на основе ТДТ в условиях экстремально высоких загрузок.

Практическая ценность работы

• Созданный стенд автоматизированного тестирования модулей детекторов TRT обеспечил точность измерения амплитуд сигналов ТДТ лучше 1%.

• Собраны, проверены и установлены в состав супер-многоканального детектора переходного излучения — трекера кольцевые модули типа "В" с полным числом детектирующих каналов ~ 105 ООО, параметры 99,8% которых соответствуют требованиям спецификации. Проведена паспортизация всех детектирующих каналов кольцевых модулей TRT типа "В".

• Предложен способ повышения гранулированности ТДТ для работы в условиях высоких загрузок путем использования в них сегментных анодов.

Структура диссертации

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

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Мялковский, Владимир Владимирович

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

1. Изучены конструктивные и механические свойства тонкостенных дрейфовых трубок с использованием пленок различных типов.

2. Проведены исследования амплитудных и временных характеристик ТДТ при использовании различных добавок в рабочую газовую смесь. Измерены загрузочные способности ТДТ. Результаты исследований легли в основу разработки и создания строу-трекера для экспериментов ATLAS, «Термализация» СВД.

3. Измерены коэффициенты влияния температуры и давления на газовое усиление в ТДТ, используемые в дальнейшем в системе стабилизации газового усиления TRT ATLAS.

4. Разработана и создана станция автоматического тестирования модулей TRT-детекторов установки ATLAS LHC. Протестированы все модули, результаты тестов показали работоспособность 99,84% каналов считывания.

5. С целью повышения гранулированности строу был предложен и опробован метод создания ТДТ с многосегментным анодом. На принцип создания трековых детекторов на основе многосегментных строу был получен патент на изобретение РФ № 2339053, (2008).

В заключение автор выражает глубокую благодарность Пешехонову Владимиру Дмитриевичу за постановку задач, помощь и внимание при выполнении исследований и работе над диссертацией. Также, выражаю благодарность своим коллегам: Богуславскому Игорю Викторовичу; Бычкову Виктору Николаевичу; Вирясову Константину Сергеевичу; Григалашвили Нугзару Сергеевичу; Гусакову Юрию Васильевичу; Давкову

Велизару Илиеву; Давкову Красимиру Илиеву; Жукову Игорю Алексеевичу; Зинину Анатолию Васильевичу; Кекелидзе Георгию Дмитриевичу; Коваленко Сергею Николаевичу; Круглову Виктору Николаевичу; Луценко Василию Михайловичу; Лысану Виктору Михайловичу; Малееву Виктору

Петровичу; (Муравьеву Сергею Вадимовичу]; Савенкову Андрею Андреевичу за помощь и поддержку при проведении работ, вошедших в материалы диссертации.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Мялковский, Владимир Владимирович, 2009 год

1. ATLAS Collaboration, ATLAS Technical Proposal, CERN/LHCC/94-43, CERN, 1994.

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

3. V.N.Bychkov, . , V.Mialkovski et al., "The large size straw drift chambers of the COMPASS experiment", Nucl.Instrum.Meth.A556:66-79, 2006.

4. P. Abbon et al., "The COMPASS experiment at CERN", CERN-PH-EP-2007-001, Nucl.Instrum.Meth. A577:455-518, 2007.

5. S.G. Basiladze, ., V.Mialkovski et al., "A drift tracker of the SVD-2 setup", Instrum.Exp.Tech. 51:336-341, 2008.

6. В.И.Калашникова, М.С.Козодаев, "Детекторы элементарных частиц". Москва, "Наука", 1966

7. G.Charpak et al., Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. 62 (1968) 262.

8. G.Charpak, D.Rahm and H.Steiner, Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. 80 (1970) 13.

9. V.N.Bychkov et al., Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A325(1993)158-160

10. W.Ash et al., Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A261 (1987) 399

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

12. Т. Akesson et al., Study of straw proportional tubes for a transition radiation detector-tracker at LHC, Nucl. Instrum. Meth. A 361 (1995) 440.

13. B. Dolgoshein, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., A 326 (1993) 434.

14. Bytchkov V.N. et al, JINR, E-13-98-269. Dubna, 1998.

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

16. M.Deptuch et al., "The temperature coefficient of the gas gain in TRT detector", ATLAS Communication ATL-INDET-2002-011 (2002) O. Briining, et al., "LHC Design Report" Vol.1, CERN-2004-003, CERN, 2004.

17. CMS Collaboration, "CMS, the Compact Muon Solenoid: Technical Proposal", CERN-LHCC-94-38, CERN, 1994.

18. F. Hugging, on behalf of the ATLAS Pixel collaboration, "The ATLAS

19. Pixel Detector", IEEE NSS & MIC Conference Record (2004).

20. M. Turala, for the ATLAS SCT collaboration, "The ATLAS semiconductortracker", Nucl. Instr. and Meth. A 466 (2001) 243-254.

21. T. Akesson, ., V.Mialkovski et al., "Status of design and construction ofthe Transition Radiation Tracker (TRT) for the ATLAS experiment at the

22. C", Nucl.Instrum.Meth.A522:131-145, 2004.

23. E. Abat, ., V.Mialkovski et al., "The ATLAS TRT end-cap detectors", JINST 3: P10003, 2008.

24. E. Abat, ., V.Mialkovski et al., "The ATLAS TRT barrel detector", JINST 3: P02014, 2008.

25. P. Cwetanski, Doctoral Dissertation, University of Helsinki (Finland), June 2006. Report Series in Physics HU-P-D133, ISSN 0356-0961 or CERN-THESIS-2006-025.

26. И.В.Богуславский, ., В.В.Мялковский и др., "Изготовление детекторов переходного излучения трекеров типа «В» в ОИЯИ для внутреннего детектора установки ATLAS LHC", Письма в ЭЧАЯ, 2006. №3 (132), С 103-110.

27. Ю.В.Гусаков, ., В.В.Мялковский и др., "Детектор переходного излучения трекер установки АТЛАС: исследования и разработки, массовое производство модулей типа «В»", JINR-P13-2008-85.

28. E.David et al., "Test of the TRT end-cap wheel", ATLAS Internal Note ATL-INDET-97-169 (1997).

29. ATLAS Quality Assurance Document, "TRT wheel acceptance tests and specifications", ATL-IT-QP-0105 v.3, CERN, 2004.

30. P.Cwetanski, ., V.Mialkovski et al., "Acceptance Tests and Criteria of the ATLAS Transition Radiation Tracker", IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE, vol.52, № 6, 2005.

31. Golunov A.O. et al., "An automatic system for controlling the quality of straws installed in the ATLAS TRT detector", Nucl. Instrum. Methods Phys. Res, A 524 (2004) 142-145.

32. A.Lucotte, S.Kovalenko, V.A.Mitsou, S.Mouraviev, A.Nadtotchi, "First straw straightness measurements on a 4-plane end-cap ATLAS TRT wheel", ATLAS Internal Note ATL-INDET-2002-007 (2002).

33. Yu.V. Gusakov, ., V.V. Myalkovsky et al, "Automated stand check of 'B' type TRT ATLAS wheel straw detectors", Phys.Part.Nucl.Lett. 3: 206-210, 2006.

34. E. David et al, "Test of the TRT end-cap wheel", ATLAS Internal Note ATL-INDET-97-169 (1997).

35. O. Fedin et al, "A measurement station for the ATLAS end-cap TRT calibration", ATLAS Communication ATL-CQM-INDET-99-026 (1999)

36. Т. Akesson, ., V.Mialkovski et al., "ATLAS Transition radiation tracker test-beam results", Nucl.Instrum.Meth.A522:50-55, 2004.

37. N.V. Klopov et al., "Testing and data storage of TRT end-cap wheels", ATLAS Project Document ATL-1T-TP-0005 (2001).

38. E. Barberio et al., "Wire tension measurements for the ATLAS end-cap TRT", ATLAS Internal Note ATL-INDET-2000-003 (2000).

39. P.Cwetanski, A.Romaniouk and V.Sosnovtsev, "Studies of wire offset effects on gas gain in the ATLAS TRT straw chamber", ATLAS Internal Note ATL-INDET-2000-016 (2000).

40. T. Akesson, ., V.Mialkovski et al., "Operation of the ATLAS Transition Radiation Tracker under very high irradiation at the CERN LHC", Nucl.Instrum.Meth.A522:25-32, 2004.

41. V.Gromov, A.Nadtochy, V. Schegelsk, "Development of the test electronics for the Large End-Cap TRT straw", PNPI, N 2198, ER 55-97.

42. M.Capeans, ., V.Mialkovski et al., "Recent aging studies for the ATLAS transition radiation tracker", IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE, vol.51, № 3, 2004.

43. A. Romaniouk, "Choice of materials for the construction of the TRT" ATLAS Internal Note ATL-INDET-98-211 (1998).

44. T. Ferguson, et al., "The effect of oxygen on anode wire swelling under high accumulated radiation dose", Nucl.Instrum.Meth.A478:254-258, 2002.

45. Compressed Baryonic Matter Experiment Technical Status Report, Januar 2005.

46. S.H.Oh, C.H.Wang, W.L.Ebenstein, Nucl. Instr. And Meth. A425 (1999) 75-83.

47. K.S.Viriasov, Ju.V. Gusakov, I.A.Zhukov et al., JINR-E13-2005-127, Dubna, Oct 2005.

48. V. I. Davkov, ., V.V. Myalkovsky et al., "Development of High Granulated Straw Chambers of Large Sizes", Phys.Part.Nucl.Lett.4:323-326, 2007.

49. Мялковский В.В., Пешехонов В.Д., Савенков А.А., "Координатный газонаполненный детектор излучения", патент на изобретение РФ № 2339053, (2008).