Разработка и применение методов лазерной метрологии при создании адронного калориметра установки АТЛАС и их дальнейшее развитие для контроля положения крупномасштабных физических установок тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат физико-математических наук Ляблин, Михаил Васильевич

• Ляблин, Михаил Васильевич
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Ляблин, Михаил Васильевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1.Физические основы распространения лазерного луча в пространстве.

1.1 Введение.

1.2 Расходимость и коллимация лазерного луча.

1.3 Предельная точность измерения пространственного- положения оси лазерного луча.

1.4 Внешние ограничения на стабильность положения оси лазерного луча.

1.5 Выводы.

ГЛАВА 2. Лазерная измерительная система.

2.1 Введение.

2.2 Идеология Лазерной измерительной системы.

2.3 Метрологическая схема ЛИС для обмера плоскостей.

2.4 Методика измерения твистированных поверхностей.

2.5 Метрологическая схема ЛИС для проведения 3D измерений.26.

2.6 3D геометрический объект: способ «измерения на объекте» при помощи выносных измерительных станций.

2.7 Измерения on-line при помощи ЛИС. 2.8 ЛИС, как следующий шаг в развитии теодолитной системы.

2.9 Выводы.

ГЛАВАЗ. Применение лазерной измерительной системы для контролируемой высокоточной- сборки адронного калориметра АТЛАС.

3.1 Введение.

3.2 Применение ЛИС при изготовлении крупногабаритных модулей адронного калориметра АТЛАС.

3.3 Измерение геометрических размеров модуля.

-33.4 Обработка данных измерений и представление информации по обмеру модулей.

3.5 Юстировка модуля в процессе его сборки.

3.6 Конструктивные особенности ЛИС, применявшейся при юстировке и обмере модулей.

3.7 Сравнение результатов обмера модуля №7 при помощи ЛИС в Дубне и после его транспортировки в ЦЕРН.

3.8 Суммарные результаты по точности изготовлению 65 модулей барреля адронного калориметра АТЛАС.

3.9 Сравнение измерения геометрии модуля №8 при помощи ЛИС и фотограмметрического метода в ЦЕРН.

3.10 Использование ЛИС при определении ЗБ геометрических параметров модулей внешнего барреля адронного калориметра АТЛАС.

3.11 Сборка барреля.

3.11.1 Особенности сборки барреля.

3.11.2 Метрологическое обеспечение сборки барреля.

3.11.2 Явление изгибной деформации прокладок при сборке барреля.

3.11.4 Предсказательная сборка барреля с учётом деформации прокладок.

3.11.5 Алгоритм вычисления геометрических параметров собираемого барреля.

3.12 Выводы.

ГЛАВА 4. Распространение лазерного луча в воздушной среде.

4.1 Введение.

4.2 Распространение лазерного луча на расстояниях 1-100м в открытой воздушной среде.

4.3 Использование экранирующей трубы.

4.4 Экспериментальное исследование влияния воздушной среды на распространение лазерного луча в открытой трубе на расстоянии 9м.

4.5 О стоячей волне, как факторе подавления турбулентного движения воздуха в трубе.

4.6 Измерение неопределённости пространственного положения оси лазерного луча после прохождения трубы длиной 10м.

4.7 Исследование стоячих звуковых волн в акустическом резонаторе трубе).

4.71 Эксперимент при длине трубы L=34m, один конец закрыт заглушкой.

4.7.2 Эксперимент при длине трубы L=5 м, оба конца открыты.

4.7.3 .Выводы.

4.8 Распространение лазерного луча в воздушной атмосфере в закрытой трубе на расстояние 1-68м.

4.9 Выводы.

ГЛАВА 5. Применение одномодового лазерного луча в качестве реперной линии для on-line контроля длинномерных физических объектов.

5.1 Введение.

5.2 Реперные точки и реперные линии.

5.3 Определение СК в системе реперных точек.

5.4 Лазерные реперные линии как элемент Network.

5.5 Долговременная угловая стабильность лазерных реперных линий.

5.6 Использование лазерных реперных линий для удаленной установки реперной точки.

5.7 Организация длинных реперных линий.

5.8 Практические приемы в организации длинной лазерной реперной линии.

5.9 Влияние неточности изготовления оптических элементов на позиционирование лазерного луча в ЛРЛ.

5.10 Выводы.

ВЫВОДЫ К ДИССЕРТАЦИИ.

БЛАГОДАРНОСТИ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и применение методов лазерной метрологии при создании адронного калориметра установки АТЛАС и их дальнейшее развитие для контроля положения крупномасштабных физических установок»

Пуск в действие Большого адронного коллайдера в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) открыл возможность проведения экспериментов при самой высокой энергии взаимодействия, когда-либо достигавшейся в лабораторных условиях.

Для реализации возможностей коллайдера международное сотрудничество учёных при активном участии Объединенного института ядерных исследований создало столь же уникальные детекторы. Они соответствуют новому (14 ТэВ в с.ц.м.) диапазону энергий сталкивающихся и рождённых частиц. Детекторы нового поколения отличаются от предыдущих нетривиальным сочетанием конструктивных характеристик: необходимость достижения исключительных проектных точностей сборки при беспрецедентных размерах и весе.

Совмещение этих требований в спектрометрическом комплексе АТЛАС, созданном при участии ОИЯИ, соответствовало решению актуальной задачи: созданию экспериментального устройства, адекватного новому поколению экспериментов на Большом адронном коллайдере.

Реализация этой задачи, ввиду её научной новизны и инженерно-технической нетривиальности, потребовала разработать новые методы прецизионной лазерной метрологии и внедрить их в практику. Конкретно, в нашем случае, это было создание для детекторного комплекса АТЛАС его адронного калориметра, который играет едва ли не первостепенную роль в экспериментах ТэВ-диапазона и служит для измерения энергий и направления частиц и струй, а также для идентификации частиц и канала реакции.

Созданный калориметр по своим параметрам уникален и отвечает ранее не реализовавшимся условиям ТэВ-экспериментов. Поэтому комплекс научных разработок и оборудования, обеспечивающий прецизионную сборку калориметра, соответствует весьма жестким требованиям научной и инженерно-технической новизны.

Исследования, выполненные в процессе предварительной сборки адронного калориметра, показали: принципиальным условием достижения высоких проектных точностей является применение, разработанного автором с коллегами, метода контролируемой сборкис параллельным предсказательным описанием эволюции формы ещё не состыкованных структурных элементов калориметра. Этот метод принципиально нов.

Для сборки модулей - основных структурных элементов адронного калориметра - необходимо было применить новые метрологические методы, которые бы обеспечили их высокоточную и, вместе с тем, ритмичную сборку. Такой технологией явилось применение разработанной автором с коллегами высокоточной Лазерной измерительной системы. Результатом явилась индивидуальная прецизионная сборка 65 модулей адронного калориметра. Применение ЛИС в дальнейшем оказалось решающим фактором для реализации метода предсказательной сборки баррелей адронного калориметра.

При исследовании физической природы ограничений на достижимую лазерными методами точность пространственной локализации луча автором с коллегами обнаружены ранее не наблюдавшиеся эффекты, изучение которых открывает возможность сформулировать принципиальную новую физико-техническую основу прецизионной лазерной метрологии больших расстояний. Результаты этих исследований новы: одно из них признано изобретением (Патент РФ на изобретение №2401986[54]).

Необходимость развития и реализации уникальных возможностей лазерной метрологии обусловила постановку и проведение автором исследований по актуальной проблеме: изучение закономерностей процесса распространения лазерного луча в атмосфере с точки зрения выявления ограничений на достижимую точность определения пространственной координаты луча. Данная тематика актуальна и перспективна вследствие существования принципиальной возможности создания на её основе прецизионной лазерной метрологии больших расстояний. Задачи подобного рода возникают в физике высоких энергий, в гражданском строительстве и ДР

Интересным аспектом прецизионной лазерной метрологии больших расстояний является возможность удалённого контроля деформаций, колебаний, перемещений контролируемых объектов (предотвращение несанкционированного появления людей).

Первая глава диссертации посвящена изложению основных принципов лазерной метрологии. В последующих главах описано использование данных принципов для постановки и решения конкретных задач контролируемого промышленного производства компонентов Адронного Калориметра АТЛАС, а также контролируемой полномасштабной сборки калориметра из этих компонент.

Такой «последовательный подход» представляется важным принципиально и удобным при изложении тех главных разделов диссертации, где основное внимание уделено созданию новой методики сборки уникального изделия - самого крупного калориметра, когда-либо сооружаемого в физике высоких энергий.

Диссертационная работа разделена на две части:

- разработка и применение методов контролируемой и прогнозируемой сборки адронного калориметра АТЛАС и его компонентов;

-исследование процессов распространения лазерного луча в атмосферном воздухе с точки зрения последующего применения результатов исследования в конкретных новых метрологических методиках.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Ляблин, Михаил Васильевич

ВЫВОДЫ К ДИССЕРТАЦИИ

1. Разработаны ранее отсутствовавшие физически мотивированные новые методы метрологического обеспечения создания крупногабаритного исследовательского оборудования. Они базируются на использовании лазерного луча и применены на ключевых этапах сооружения адронного калориметра установки АТЛАС - уникального детектора нового поколения для экспериментов ТэВ-диапазона на Большом адронном коллайдере.

2. Впервые создан Лазерный аппаратно-программный комплекс (ЛАПК) метрологического сопровождения прецизионной сборки главных структурных элементов ядерного абсорбера адронного калориметра АТЛАС -5.6-метровых, 20-тонных модулей. ЛАПК не имеет аналогов в практике сооружения крупномасштабных детекторов и по достигнутой точности (±30 мкм) и скорости измерений превосходит все традиционные измерительные методики в сопоставимых условиях.

3. Применение ЛАПК обеспечило достижение результата принципиального значения: главный контролируемый параметр - средняя неплоскостность боковых поверхностей произведённых модулей - втрое меньше проектного допуска (+0.6 мм), что сделало возможной сборку барреля адронного калориметра в контролируемом, предсказательном режиме.

4. Впервые создана методика предсказательного описания эволюции формы барреля в процессе его монтажа из модулей, разделённых деформируемыми прокладками. Деформация межмодульных прокладок - явление, не учтённое в первоначальном проекте и выявившееся только при монтаже барреля. Применение новой методики обеспечило достижение проектной цели: калориметр собран с отступлением от диаметра 0 8400 мм на 0,1 %, что вдвое лучше проектного допуска.

5. Исследована зависимость точности а пространственной локализации координаты оси лазерного луча от расстояния, пройденного им в атмосфере.

Обнаружены новые эффекты, и получены ранее не приводившиеся в печати данные:

• установлено, что применение лазерного луча в воздушной среде в качестве визирной линии значительно улучшает точность измерения по сравнению с аналогичными показателями теодолитов и нивелиров в сопоставимых условиях,

• впервые обнаружен эффект значительного, до 100 раз, снижения а при прохождении лазерного луча через трубу с атмосферным воздухом с усилением явления при установке на концах трубы оптически прозрачных окон-заглушек,

• впервые указана физическая природа этого явления: стабилизация оптических параметров воздушной среды стоячей звуковой волной, возникающей внутри трубы как ЗО-резонатора, под воздействием окружающего широкополосного акустического шума.

6. Разработаны новые принципиальные оптоэлектронные схемы и предложены варианты их инструментальной реализации, позволяющие использование лазерного луча в качестве длинной реперной линии для метрологического мониторинга протяженных объектов научно-исследовательского и гражданского назначения.

7. Признано изобретением «Устройство для формирования лазерного луча»: патент Российской Федерации №2401986 (соавтор).

БЛАГОДАРНОСТИ

Я глубоко признателен моим научным руководителям академику РАН

А.Н. Сисакяну и проф. Ю.А. Будагову за постоянную научную поддержку и сотворчество в период работы по проекту адронного калориметра АТЛАС с 1997-2008гг. и ценные критические замечания по диссертации.

Выражаю искреннюю благодарность Н.А.Русаковичу и А.Г.Ольшевскому за содействие в выполнении работ на установке АТЛАС, особенно, в фазе сборки баррелей адронного калориметра.

Я глубоко признателен коллаборации АТЛАС за доброжелательность и содействие в моей работе на всех этапах совместной работы над проектом АТЛАС.

Огромная благодарность сотрудникам непосредственно принимавших участие в этой работе в ОИЯИ, ЦЕРН и прочих местах, чей труд способствовал успешному завершению работ по сборке установке АТЛАС.

ОИЯИ: Л. Н. Антюхова, A.M. Артиков, В. В. Бармина, В.Ю Батусов,

В.В.Глаголев, Д.Л. Дёмин, В. И. Коломоец, |Ю.Ф. Ломакин| А.Ф. Писарев, В.М. Романов, Ю.А. Сорокина, С.Н. Студёнов, Н.Д. Топилин, Ю.А. Туманов,

B.А. Уткин, В. Б. Флягин, Д. И. Хубуа, И. Е. Чириков-Зорин, А. С Щелчков,

C. А. Юхимчук, И.А.Мианашвили, С. Н. Малюков, Д.Е Шабалин, С.М. Коломоец, В.И. Орехов, Н. Фёдоров, А.В.Сазонова, Ю.А. Кульцицкий, Ф.В. Прокошин.

Церн: К. Лассер, Ж-К.Гайде, Д. Мергелысухл, Н. Малахов, А. Фротон, В. Станек, М. Несси, А. Бехренс, Р.К. Саху, Ж-Н. Жу, С. Берни, Ю Роберт, Ж.А Фучс, А. Морисет, X. Брунель, А Виарт. Россия: А. Васин, А. Б. Фенюк, Н. Колесников, Е. Старченко. США: Д. Проуфуд.

Я выделяю В. Ю. Батусова, как неизменного товарища во всех совместных работах, начиная с создания модулей адронного калориметра в

ОИЯИ и кончая завершением строительства детекторного комплекса АТЛАС.

Во всех работах по созданию модулей адронного калориметра и в дальнейшем их сборки в баррели я всегда чувствовал поддержку во всех научно-производственных вопросах Д.И. Хубуа и Н. Д. Топилина.

Автор глубоко признателен всем коллегам независимо от величины их конкретного вклада в общее дело и приносит искренние извинения тем, кто не вошел в список благодарностей по какой либо причине.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Ляблин, Михаил Васильевич, 2011 год

1. А. Н. Матвеев «Оптика», Высшая школа, 1985, стр. 223

2. Н.В. Карлов «Лекции по квантовой электронике», Наука, 1983, стр.71 3 A. Self. "Focusing of Spherical Gaussian Beams." Appl. Opt. 22, no. 5,p. 668

3. Batusov Y.Budagov j. . Lyablin M. et al. Photodetector Noise Limitations of the Laser Ray Space Localization Precision. Dubna. 2008. - 6 p : il. - (HNR ; E13-2008-90)

4. M.M. Мирошников «Теоретические основы оптоэлектронных приборов» Машиностроение 1983 стр. 460

5. С. М. Рытов «Введение в статистическую радиофизику ч. 1 -Случайные процессы», Наука , 1976, Стр. 296

6. V. Batusov, Yu. Budagov, . .M. Lyablin, at al « Development of laser measurements at the АТЛАС tile calorimeter module production» . JINR-E13-2001-257, Dec 2001

7. V. Batusov, Yu. Budagov, . .M. Lyablin, at al Nov 2002. «Comparison of АТЛАС tilecal module No. 8 high precision metrology measurement results obtained by laser (JINR) and photogrammetric (ЦЕРН) methods» Part.Nucl.Lett.l 13:36-50, 2002.

8. V. Batusov, Yu. Budagov, .M. Lyablin, at al « Development and application of high-precision metrology for the АТЛАС tile-calorimeter construction (Pre-assembly experience and lessons) ». RU HNR-El 3-2004-177, 26pp

9. V. Batusov, Yu. Budagov, .M, Lyablin, at al «Hadron tile-calorimeter of the АТЛАС setup: Experience with the assembly of prototypes and mass production of modules» .JINR-2005-130

10. В. Alikov, J.Budagov. M.Liablin et al ."ATJIAC barrel hadron calorimeter: General Manufacturing Concepts for 300000 Absorber Plates

11. Mass Production", 1998, Dubna, JINR. E13-98-135. 19. P. Adragna, V.Yu. Batusov, Yu.A. Budagov, . M.V. Lyablin, . et al. 2006. 7pp. The АТЛАС hadronic tile calorimeter: From construction toward physics. Published in IEEE Trans.Nucl.Sci.53:1275-1281,2006.

12. В. Батусов Ю. Будагов . M. Ляблин и др. «Модульный ядерный абсорбер Адронного Калориметра установки АТЛАС (опыт контролируемой сборки на поверхности и под землёй)» Дубна Р13 -2008-141 2008г. Письма в ЭЧАЯ ,2009,Т.6,№ 4

13. V.Batusov ,Yu. Budagov, .М. Lyablin et al . « A study of an air media influence on the rectilinearity of laser ray proliferation towards the using for lard distances and high-precision metrology».Phys.Part.Nucl.Lett.4:155-156, 2007

14. V.Batusov ,Yu. Budagov, .M. Lyablin et al . Laser Beam Fiducial Line Application for Metrological Purposes

15. Physics of Particles and Nuclei, 2009, Vol. 40, No. 1, pp. 115-129

16. Rev. of Particle Physics. Particle of Data Group (Phys. Rev. D 2002 V.66 pt.l(I)p.010001- 229

17. A. Herty and J. Albert, "High Precision Survey and Alignment of Large Linear Colliders—2D Horizontal Alignment", in Proc. of the 7th International Workshopon Accelerator Alignment, Spring8, Japan, Nov. 2002.

18. M. Schlosser, "The Rapid Tunnel Reference Surveyor for a Future Linear Collider," H. Mainaud-Durand, "The CLIC Alignment Studies: Past, Present, Future," in Proc. of IWAA2004, UEPH, Geneva, Oct. 4-7, 2004

19. A. Herty, J. Green, G. Grzelak, A. Mitra, J. Prenting,A. Reichold, and M. Schloesser, "High Precision Surveyand Alignment of Large Linear Accelerators," in Proc. oIWAA2004, I^EPH, Geneva, Oct. 4-7, 2004.

20. J.-B. Jeanneret, "Alignment in Circular Colliders andSpecific Requirements for LHC" IWAA2004, UEPH,Geneva, Oct. 4-7, 2004.- 15936. G. Bowden, "Stretched Wire Mechanics," in Proc. oflWAA2004, ЦЕРН, Geneva, Oct. 4-7, 2004.

21. Ъ1. W. К. H. Panofsky, "The Use of a Magnetic Pickup Asan Alignment Indicator with a Stretched Wire Technique,"Tech. Note TN-65-74 (Stanford Linear AcceleratorCenter., Sept. 1965).

22. Т.Цубои «Гравитационное поле Земли» Москва Мир 1982 стр.177

23. A. G. Moskvina and N. V. Shebalin «А study of seismic noise and calculation of the optimum seismograph constants» Studia Geophysica et Geodaetica Volume 5, Number 3, 227-230, DOI: 10.1007/BF02585380

24. Физическая энциклопедия .T4 стр 464. Москва БРЭ 1994г.42. http://www.roithner-laser.com/Silicon PDs.html43.http://www.edmundoptics.coin/onlinecatalog/DisplavProduct.cfm?productid =2472

25. Micro-g LaCoste, Inc. Absolute Gravimeter Workshop Lafayette, Colorado, USA 11-15 September, 2006.45. http://www.microglacoste.com/fg5specs.htin

26. H. Campbella «Transparent organic photodiodes with high quantum efficiencyin the near infrared» APPLIED PHYSICS LETTERS 97, 033303 2010

27. E. Budianu «Silicon metal-semiconductor-metal photodetector with zinc oxidetransparent conducting electrodes» Thin Solid Films 516 (2008) 1629—1633

28. M. Born, E Wolf "Principles of Optics: Electromagnetic Theory of Propagation, Interference and Diffraction of Light". Cambridge U.P New York 1999

29. Hecht, Jeff, Understanding Fiber Optics, 4th ed., Prentice-Hall, Upper Saddle River, NJ, USA 2002

30. B.K. Кириловский Оптические измерения Часть 5 Аберрация и качество изображения. СПбГУ ИМТО 2006-107с.51. http://www.sillanumsoft.org/download.htm

31. Г.Ю.Богословский ДАН СССР 213,1055,1973

32. Д.И.Блохинцев УФН,89,185,1966

33. Батусов В.Ю. Будагов Ю.А. Ляблин М.В. Сисакян. А.Н. «Устройство для формирования лазерного луча» Патент на изобретение № 2401986 РФ 20окт. 2010г.