Создание детектора переходного излучения-трекера "В"-типа для установки АТЛАС большого адронного коллайдера тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.23, кандидат технических наук Кекелидзе, Георгий Дмитриевич

• Кекелидзе, Георгий Дмитриевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кекелидзе, Георгий Дмитриевич

Введение.

1. Многопроволочные детекторы для ускорительных экспериментов в радиационных полях высокой интенсивности.

2. Особенности конструкции координатных детекторов - детекторов переходного излучения на основе тонкостенных дрейфовых трубок (ТКТ) для эксперимента АТЛАС.

2.1. Физико-технические требования к детектору.

2.2. Конструкция модуля детектора и его элементов.

2.3. Электрическая схема субмодуля.

2.4. Радиационные требования к конструктивным материалам.

2.4.1. Радиационная стойкость пластмасс.

2.4.2. Радиационная стойкость клеев.

3. СБОРКА модулей ТКТ «В» типа.

3.1. Процедура армирования строу.

3.2. Подготовка строу к установке в рамы субмодуля.

3.2.1. Резка длинных строу.

3.2.2. Процедура гальванического объединения токопроводящих внешней и внутренней поверхностей строу.

3.2.3. Вклеивание в строу концевых элементов.

3.2.4. Финальная резка строу.

3.3. Сборка 4-слойного субмодуля.

3.3.1. Приклеивание заземляющих проволочек к кольцам.

3.3.2. Вклеивание строу в субмодуль.

3.3.3. Перемещение субмодуля между столами.

3.3.4. Приклеивание плат считывания информации.

3.3.5. Установка анодных проволочек в строу.

3.3.6. Создание газовых объемов.

3.3.6.1. Создание газового объема с внешней стороны субмодуля.

3.3.6.2. Создание газового объема с внутренней стороны субмодуля.

3.3.7. Электрическое объединение третьего кольца из углеволокна с платами считывания информации.

3.4. Сборка восьмислойного модуля.

3.4.1. Герметичное объединение газовых объемов субмодулей.

3.4.2. Установка элементов высоковольтного питания строу.

3.4.3. Установка элементов жидкостной системы охлаждения модуля.

3.4.4. Установка металлизированных экранов и элементов газового охлаждения модуля.

4. Тестирование детектора.

4.1. Проверка армированных строу.

4.1.1. Проверка армированных строу на кривизну.

4.1.2. Проверка внешнего диаметра строу.

Выводы.

4.2. Тестирование при подготовке строу к установке в детектор.

4.2.1. Проверка электрического сопротивления внутренней поверхности строу.

4.2.2. Проверка электрического контакта между внутренней и внешней поверхностями строу.

4.2.3. Проверка герметичности строу.

4.2.4. Проверка кривизны и цилиндричности строу.

4.2.5. Визуальный контроль строу.

Выводы.

4.3. Тесты при сборке детектора.

4.3.1. Входной контроль углепластиковых колец.

4.3.1.1. Проверка высоты колец.

4.3.1.2. Проверка диаметра отверстий.

4.3.1.3. Деформация колец.

4.3.1.4. Проверка толщины колец.

4.3.1.5. Визуальный контроль колец.

4.3.2. Проверка контакта между кольцами из углеволокна и заземляющими проволочками.

4.3.3. Проверка качества установки строу.

4.3.4. Входной контроль радиаторов.

4.3.5. Проверка субмодулей и модулей на герметичность.

4.3.6. Проверка резистивности высоковольтных предохранителей.

4.3.7. Высоковольтные тесты.

4.3.8. Проверка натяжения анодных проволочек.

4.3.9. Проверка геометрических размеров модуля.

4.3.10. Определение веса субмодуля.

4.4. Тестирование модулей детектора на тест станции.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Создание детектора переходного излучения-трекера "В"-типа для установки АТЛАС большого адронного коллайдера»

Установка АТЛАС является одной из двух крупнейших установок, создаваемых для экспериментов на ускорителе LHC (Большом адронном коллайдере). АТЛАС содержит несколько крупных детектирующих систем, в том числе Внутренний Детектор (ВД), расположенный в непосредственной близости от области соударения пучков и работающий в условиях экстремально высокой загрузки [1]. В состав ВД входит трекер на основе кремниевых детекторов и детектор переходного излучения - трекер (TRT) на основе тонкостенных дрейфовых трубок (строу). Баррельная часть TRT изготавливалась в США, а модули TRT прямого и обратного направлений (end-cap) изготавливались в ЛФЧ ОИЯИ (тип «В») и ПИЯФ (тип «А»). Число дрейфовых трубок в TRT ATLAS составляет 298 304.

В процессе работы были исследованы свойства как самих строу, так и материалов, используемых для изготовления отдельных элементов детектора. Были разработаны методы тестирования детекторов в процессе сборки, обеспечивающие создание высококачественных детекторов и пригодные для использования при создании новых детекторов на основе строу.

Целью диссертационной работы являлась разработка и создание технологии изготовления и тестирования модулей детектора переходного излучения - трекера, ее применение для создания модулей детектора типа -«В» с полным количеством каналов регистрации (строу) - 104448, а также, связанное с этим, исследование материалов для детекторов, работающих в условиях высоких загрузок.

Научная новизна исследования

• Разработаны методы тестирования детекторов переходного излучения - трекеров на всех этапах их создания, в частности:

- разработан метод проверки прямолинейности строу, основанный на анализе формы светового пятна, образованного проходящим через него параллельным пучком света;

- разработана и создана автоматизированная система контроля качества установки строу, обеспечивающая проверку прямолинейности строу, отсутствии электрического контакта между соседними строу в слое, а также между строу и рамами детектора;

- разработан и создан прибор для контроля максимально допустимой толщины пленочных радиаторов, подготовленных к установке в детектор.

• Исследована радиационная стойкость органических материалов, используемых при создании координатных детекторов, в частности полисульфона и поликарбоната, а также отечественных эпоксидных клеев-компаундов ЭЛК-5 и ЦМК-5.

Практическая ценность работы

• На основе отработанной технологии был создан детектор переходного излучения - трекер типа «В» на основе строу для внутреннего детектора установки АТЛАС Большого адронного коллайдера.

• Результаты исследования полимеров и клеев показали слабую зависимость механических свойств от поглощенной дозы, что позволило не только использовать их при изготовлении детекторов в рамках проекта ШС, но и указало на возможность их применения в других проектах, например, для изготовления детекторов по проекту ИХ.

• Разработанный метод проверки прямолинейности строу, также как и методы поэтапного тестирования создаваемых детекторов и их элементов, обеспечивают возможность оперативного устранения дефектов, способных негативно влиять на работу детектора и способствуют тем самым более качественной сборке детекторов.

• Разработана технология сборки и тестирования модулей ТЯТ типа «В», которая частично может быть использована при создании подобных детекторов на основе строу.

• Результаты тестирования детекторов показали соответствие созданного детектора требуемым параметрам для эксперимента АТЛАС.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, а также списка цитируемой литературы.

Заключение диссертации по теме «Физика высоких энергий», Кекелидзе, Георгий Дмитриевич

Основные результаты и выводы

1. Создан детектор переходного излучения - трекер типа «В» на основе тонкостенных дрейфовых трубок для внутреннего детектора установки ATLAS Большого адронного коллайдера. Созданный детектор является одной из наиболее важных систем установки АТЛАС и содержит 17 восьмислойных модулей детектора (16 рабочих и один резервный) с общим числом дрейфовых трубок равным 104448. В настоящее время детектор полностью протестирован в ЦЕРНе, установлен в шахте эксперимента АТЛАС и на нем ведется набор статистики от космических лучей. Результаты тестирования показали высокое качество кольцевых модулей детектора переходного излучения - трекера ATLAS. Количество неработоспособных каналов всего оставляет 0,2 % от общего числа измеренных каналов, что существенно лучше требований по спецификации -1%.

2. Для создания детектора разработана методика его производства, которая может быть применена в дальнейшем для создания новых проволочных детекторов разных типов.

3. По техническим требованиям Внутренний детектор установки АТЛАС должен работать в течение 10 лет, при этом максимальная доза облучения составит ~ 1000 кГр. Для обеспечения этих условий была исследована радиационная стойкость используемых при создании координатных детекторов органических материалов, в частности полисульфона и поликарбоната, а также эпоксидных клеев-компаундов ЭЛК-5 и ЦМК-5. Результаты измерений показали слабую зависимость механических свойств исследованных полимеров и клеев от поглощенной дозы, что позволило использовать их при изготовлении детекторов в рамках проектов LHC, COMPASS, «Термализация» и других.

4. Разработаны методы тестирования детекторов переходного излучения - трекеров на всех этапах их создания, в частности:

- разработан метод проверки прямолинейности строу, основанный на анализе формы светового пятна, образованного проходящим через него параллельным пучком света;

- разработана и создана автоматизированная система контроля качества установки строу, которая на этапе установки строу в детектор обеспечивает проверку прямолинейности строу, отсутствия электрического контакта между соседними строу в слое, а также между строу и рамами детектора. Применение системы обеспечивает возможность своевременного устранения дефектов, которые могут в дальнейшем повлиять на работу детектора;

- создан прибор для контроля максимально допустимой толщины пленочных радиаторов, подготовленных к установке в детектор.

В заключение автор выражает глубокую благодарность Пешехонову Владимиру Дмитриевичу за постановку задач, помощь и внимание при выполнении исследований и работе над диссертацией. Также автор выражает благодарность своим коллегам: Астабатяну Размику Акоповичу; Богуславскому Игорю Викторовичу; Бычкову Виктору Николаевичу; Вирясову Константину Сергеевичу; Григалашвили Нугзару Сергеевичу; Ливинскому Валерию Васильевичу; Лобастову Сергею Павловичу; Лысану Виктору Михайловичу; Мялковскому Владимиру Владимировичу; Савенкову Андрею Андреевичу и Хабаровой Елене Михайловне за помощь и поддержку при проведении работ, вошедших в материалы диссертации.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кекелидзе, Георгий Дмитриевич, 2007 год

1. ATLAS Collaboration, ATLAS 1.ner Detector Technical Design Report, V.2, CERN/CHCC/97-17,1997.

2. Ю.В.Заневский, Проволочные детекторы элементарных частиц. Атомиздат, 1978.

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

4. A.H.Walenta, J.Heintze and B.Schiirlein, Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. 92, (1971) 373.

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

6. Клаус Групен, Детекторы элементарных частиц, Сибирский хронограф, Новосибирск, 1999.

7. W.W.Ash et al., Nucl. Instr. and Meth. A 261 (1987), 399.

8. Г.Д.Кекелидзе, В.Д.Пешехонов, Прецизионные трековые детекторы на основе тонкопленочных дрейфовых трубок (straw), Физика элементарных частиц и атомного ядра, 2002, Т.ЗЗ.

9. J.Link, Proceedings of the 1997ICFA School on High Energy Instrumentation

10. V.N.Bychkov, ., G.D.Kekelidze et al., The large size straw drift chambers of the COMPASS experiment, Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A 556 (2006) 66-79.

11. И. Б.С. Ишханов, И.М.Капитонов, Э.И. Кэбин. "Частицы и ядра. Эксперимент", М.: Издательство МГУ, 2005.

12. А.Г.Оганесян, Рентгеновское переходное излучение и его применение в эксперименте, Физика элементарных частиц и атомного ядра, 1985, том 16, вып. 1.

13. Денисов С.П., Переходное излучение, СОЖ, 1997, № 3, с. 124-129.

14. B.Dolgoshein, M.Potekhin, A.Romanyuk and V.Sosnovtsev, Nucl.Instr.and Meth.in.Phys.Res., A294 (1990) 473.

15. T. T.Akesson et al, Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A 361 (1995) 440-456.

16. Р.Астабатян, ., Д.Кекелидзе и др., Разработка и исследование охлаждение детектора переходного излучения трекера прямого направления установки ATLAS. ОИЯИ Р13-96-472.

17. С. Hauviller, ., G.D.Kekelidze et al., Radiation Hardness of Polysulphone and Polycarbonate Elements for LHC Detectors, JINR. E14-98-245. Dubna.1998, Internal Note ATL-INDET-98-218.

18. С.Н.Гладких, В.В.Голиков, Г.Д.Кекелидзе, С.В.Мишин, В.Д.Пешехонов, Радиационная стойкость некоторых полимеров и эпоксидных клеев, ОИЯИ, Р13-2001-275.

19. Howell В., Kotlick D., Kobayashi M., Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A289 (1990)185

20. Avery R.E. et al., IEEE Trans.Nucl.Science NS-40.1993. P578.

21. С.А.Воронов и др., Высоковольтные предохранители для трекового детектора переходного излучения в эксперименте АТЛАС. ПТЭ. 2004.№ 2, С.63.

22. DSM-DTMROC. ATLAS TRT Technical Note. 11/14/2003.

23. A.Cheplakov et al., JINR. E13-96-358, Dubna.1996; MPI Munich Report MP-I-PhE/96-15 (1996).

24. V.V.Golikov et al. JINR, Dubna, H13-403,1996.

25. A.Cheplakov et al., JINR, E13-96-358, Dubna, 1996.

26. H.Sconbacher, B.Szeless, M.Tavlet, CERN 96-05, Geneva 1996.

27. И.В.Богуславский, ., Г.Д.Кекелидзе 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.

28. В. Berntsen and M.J. Price, Nucl.Instr.and Meth.in.Phys.Res. A364 (1995) 103.

29. Р.А.Астабатян, Г.Д.Кекелидзе и др., Метод интегрального измерения прямолинейности тонкопленочных дрейфовых трубок, ОИЯИ, Р13-98-270. Дубна, 1998.

30. А.О.Голунов, ., Г.Д.Кекелидзе и др., Автоматизированная система контроля качества установки дрейфовых трубок в детектор TRT ATLAS, Письма в ЭЧАЯ, 2003. № 2 117. С.44-51.

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

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

33. ЗЗ.Ю.В.Гусаков и др. Автоматизированная стендовая проверка кольцевых строу-детекторов TRT ATLAS типа «В», Письма в ЭЧАЯ, 2006. № 3 132., С 111-117.