научная статья по теме КАМЕРА ИЗ ПРЕЦИЗИОННЫХ ДРЕЙФОВЫХ ТРУБОК В ЛАВСАНОВОМ КОРПУСЕ Физика

Текст научной статьи на тему «КАМЕРА ИЗ ПРЕЦИЗИОННЫХ ДРЕЙФОВЫХ ТРУБОК В ЛАВСАНОВОМ КОРПУСЕ»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 4, с. 39-45

ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

УДК 539.1.074.3

КАМЕРА ИЗ ПРЕЦИЗИОННЫХ ДРЕЙФОВЫХ ТРУБОК В ЛАВСАНОВОМ КОРПУСЕ

© 2014 г. А. А. Борисов, Н. И. Божко, В. Н. Гущин, А. С. Кожин, А. В. Ларионов, Б. В. Леонтьев, И. С. Плотников, Р. М. Фахрутдинов

ГНЦ РФ "Институт физики высоких энергий" Россия, 142281, Протвино Московской обл., пл. Науки, 1 E-mail: aspirantip@gmail.com Поступила в редакцию 14.10.2013 г.

Описана конструкция дрейфовой камеры, состоящей из трех слоев тонкостенных (0.125 мм) прецизионных лавсановых трубок. Двадцать шесть таких камер площадью от 1 х 1 до 2.5 х 2 м2, включающих 4392 дрейфовые трубки, были изготовлены для экспериментов на ускорителе ИФВЭ с энергией 70 ГэВ. Приведены описания конструкции и процедуры сборки, а также некоторые результаты проверки камер.

DOI: 10.7868/S0032816214030057

ВВЕДЕНИЕ

В рамках участия в создании детектора АТЛАС [1] для экспериментов на Большом адронном коллайдере в ГНЦ ИФВЭ была разработана оригинальная конструкция прецизионных дрейфовых трубок (мониторируемые дрейфовые трубки (м.д.т.)) [2, 3]. Корпусом и катодом дрейфовых трубок является тонкостенная алюминиевая труба с внешним диаметром 30 мм и толщиной стенки 0.4 мм. По оси трубки натянута сигнальная проволока диаметром 50 мкм, точность позиционирования которой относительно базовых поверхностей на торцах дрейфовой трубки составляет 10 мкм. Склейка отдельных дрейфовых трубок в детектирующий блок (камеру) осуществляется при помощи специальной технологии [4], обеспечивающей взаимное расположение сигнальных проволок с точностью 20 мкм. В 2000—2007 гг. в ГНЦ ИФВЭ для детектора АТЛАС было изготовлено 76 тысяч трубок, интегрированных в 254 камеры.

Высокая точность и надежность в эксплуатации дрейфовых камер такой конструкции обусловили интерес к ним при проведении ряда экспериментов [5—7] на ускорителе ГНЦ ИФВЭ с энергией 70 ГэВ. Так как в некоторых из этих экспериментов было поставлено условие — уменьшить количество вещества в трековом детекторе, то алюминиевый корпус в целом удачной конструкции дрейфовой трубки (д.т.) был заменен на тонкостенный (125 мкм) лавсановый1 корпус [8, 9]. На основе этих трубок были разработаны и изготовлены камеры.

В данной работе представлена конструкция, описана технология сборки и приведены некоторые результаты испытаний этих камер.

ОБЩАЯ СХЕМА КАМЕР

Лавсановые дрейфовые камеры склеиваются из отдельных д.т. Корпус трубок с внутренним диаметром 29.6 мм изготавливается2 из лавсановой пленки толщиной 125 мкм с двухсторонним алюминиевым покрытием (напылением). Дрейфовая камера состоит из трех слоев д.т. (рис. 1). Расстояние между сигнальными проволоками в камере для любой пары соседних трубок равно 30.035 мм. Трубки в камере в местах соприкосновения склеиваются3, ширина клеевой полоски 3—4 мм. Возможна склейка модулей камер с числом трубок в слое от 8 до 56. Камеры большей ширины собираются из отдельных модулей. Длина

1 Лавсан (Лаборатория Высокомолекулярных Соединений Академии Наук) — пленка на основе синтетического волокна (полиэтилентерефталата (ПЭТФ)), известная под многими "фирменными" названиями, в частности майлар (mylar) компании DuPont.

2 Ультразвуковая сварка, продольный шов.

3 Клей Araldite 2011, состоящий из смолы AW106 и отверди-теля HV953 U.

30.035

Рис. 1. Схема поперечного сечения дрейфовой камеры (размеры указаны в миллиметрах).

Рис. 2. Внешний вид камер двух типов: А — с трубками, расположенными в двух взаимно ортогональных плоскостях X и У (а); Б — с трубками, наклоненными относительно вертикали на 15° (б).

камеры соответствует длине трубок, в настоящее время освоено изготовление трубок длиной от 0.8 до 2.55 м.

Камеры подразделяются на два типа: А — торцы всех трубок лежат в одной плоскости (рис. 2а) и Б — камера состоит из отдельных модулей, по 8 трубок в слое, а модули сдвинуты друг относительно друга в направлении проволок (рис. 2б). Набор таких камер позволяет организовать систему измерения координат треков в разных проекциях: X-, У-проекциях камерами типа А с вертикально или горизонтально расположенными проволоками и в проекциях, повернутых на заданный

угол 9 относительно горизонтали, камерами типа Б. В принципе, при простом повороте камер типа А можно измерять координату проекции трека на любую ось, но такой поворот требует большего места, а пространственные ограничения не всегда

4

позволяют это сделать .

В центре каждой камеры имеется "омертвленная" зона площадью от 30 х 30 до 105 х 105 мм2 для прохождения пучка частиц. Омертвление обеспе-

4 Камеры типа Б при и 9 ~15° позволяют измерять проекции на ось, отличную от вертикали и горизонтали, наиболее экономично с точки зрения доступного пространства.

Рис. 4. Слой трубок с нанесенным клеем (а); опора (сфероблок) (б).

Рис. 5. Вид торца камеры: а — отдельный модуль с заземляющей пластиной и газовыми перемычками; б — торцевая часть в увеличенном масштабе: 1 — газовый коллектор, 2 — латунные трубки, 3 — газовые перемычки, 4 — заземляющая пластина.

Рис. 6. Вид торца камеры: а — вид сверху, б — одна из боковых сторон. 1 — газовый коллектор, 2 — высоковольтная плата (со стороны усилителей), 3 — электромагнитный экран. Часть электромагнитных экранов и высоковольтных плат снята для демонстрации устройства, лавсановые трубки закрыты защитной съемной крышкой.

АР, мбар 100

50 0 -50

100 -

150

10 15 20 Номер модуля

Рис. 7. Падение давления в модулях из 8 х 3 трубок: а — в отдельной сборке из двух модулей, заполненной аргоном; б — скорость падения давления для 21 модуля с разным газовым наполнением.

чивается фиксацией в середине сигнальной проволоки нескольких центральных д.т. медного капилляра соответствующей длины с внешним диаметром ~0.5 мм.

ТЕХНОЛОГИЯ СБОРКИ

Сборка модулей лавсановых камер во многом похожа на сборку м.д.т.-камер для установки АТЛАС [4]. Высокая механическая точность изготовления камер достигается за счет специальных устройств, смонтированных на гранитном столе (6.6 х 2.3 х 0.6 м), размещенном в помещении со стабилизированными температурой (22 ± 0.5°С)

и относительной влажностью5 40—60%. Камера склеивается слой за слоем — так называемая послойная сборка. Слой трубок укладывается на специальные позиционирующие устройства (комб6, рис. 3а).

Комб представляет собой алюминиевый брус, в который с использованием прецизионного кондуктора с отверстиями вклеен ряд калиброванных

стальных шаров диаметром 16 .ООЗ+О.001 мм. Шаг отверстий в кондукторе, измеренный 3-коорди-натным измерительным прибором, 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 составляет ~0.4 м. Шары крайних ком-бов всегда касаются точных поверхностей торцевых элементов д.т.

При склейке слоя трубки притягиваются к шарам комбов при помощи специальных вакуумных присосок, расположенных вместе с шарами на комбе. При раскладке слоя трубки ориентируются (вращением вокруг оси) для обеспечения впоследствии контакта заземляющего штыря и электронных плат. Предварительно трубки сортируются по длине с разбросом не хуже 0.2 мм в каждой ступени. Перед склейкой в каждой трубке измеряется натяжение проволоки. В отличие от м.д.т. лавсановые трубки при склейке заполняются азотом при избыточном давлении ~0.5 атм. Клей наносится при помощи специальной машины (рис. 3б), работающей в автоматическом режиме. Слои склеиваются последовательно. Склеенный слой (слои) поднимается на жесткой рамочной ферме над столом, после чего укладывается следующий слой, наносится клей, и на него опускаются предыдущие слои. На рис. 4а 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 специальными блоками (сфероблоки, рис. 4б), на которые через шаровые опоры устанавливается ферма в момент склейки слоя. Опоры устанавливаются под четырьмя углами фермы, для каждого слоя свой набор опор.

После склейки модуль камеры снимается с гранитного стола, и с обоих торцов камеры устанавливаются заземляющие пластины толщиной 1 мм. Такая пластина видна на рис. 5. Склеенный модуль представляет собой автономную структуру, не нуждающуюся в дополнительных поддерж-

' Деформация гранита зависит от влажности. ' Жаргон, сохранившийся от производства м.д.т. АТЛАС (от

английского comb).

0

5

Рис. 8. Примеры реконструированных треков космических мюонов, пересекающих под разными углами (а и б) дрейфовую камеру из 96 трубок длиной 816 мм.

ках. Далее модули монтируются в рамы. Число модулей в раме и ее конструкция определяются условиями конкретного эксперимента. Варианты рам показаны на рис. 2.

ГАЗОВАЯ СИСТЕМА

Газовое соединение трубок в каждом слое камер — последовательное и обеспечивается при помощи специальных перемычек (gas-jumpers, рис. 5), изготовленных из того же материала , что и изолятор торцевых элементов д.т. Газоподводя-щие трубки из латуни диаметром 2 мм от каждого слоя соединяются с общим для всей камеры газовым коллектором, заканчивающимся входным (выходным) штуцером. Проверка герметичности всех газовых соединений после сборки проводится при помощи гелиевого течеискателя ПТИ1-14 с дополнительным форвакуумным насосом. Для этого камера заполняется гелием до избыточного давления <0.5 бар. Минимально регистрируемый поток гелия при такой проверке составляет ~2 • 10-5 л • мбар/с. Различие потоков газа через каждый слой, определяемое с помощью газового счетчика, не должно превышать 10%.

ЭЛЕКТРОНИКА (ПАССИВНЫЕ ПЛАТЫ) И ЭКРАНЫ

На камеры устанавливаются платы с "пассивной" электроникой (разделительные конденсаторы, ограничивающие и согласующие сопротивле-

7NORYL — торговая марка фирмы General Electric, GFN2 (polyphenylene oxide with 20% glass fibers).

ния, рис. 6). Подача высокого напряжения и съем сигналов осуществляются с разных сторон трубок. Каждая плата об

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком