ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2015, № 1, с. 32-36
ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 539.1.07
СИСТЕМА ДРЕЙФОВЫХ ДЕТЕКТОРОВ С АНОДНЫМ И КАТОДНЫМ СЪЕМОМ ИНФОРМАЦИИ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ GLUEX © 2015 г. В. В. Бердников, С. В. Сомов, L. Pentchev*, B. Zihlmann*
Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" Россия, 115409, Москва, Каширское ш., 31 * Thomas Jefferson National Accelerator Facility USA, 23606, VA, Newport News, 12000 Jefferson avenue E-mail: vvberdnikov@gmail.com Поступила в редакцию 07.04.2014 г.
Описана система дрейфовых детекторов, предназначенная для регистрации треков заряженных частиц в эксперименте GlueX, посвященном изучению природы конфайнмента. Приведены основные конструктивные особенности дрейфовых камер, связанные с требованием минимального количества вещества на пути вторичных частиц. Измерены пространственное разрешение и эффективность регистрации частиц при помощи системы автоматического съема данных на космическом излучении.
DOI: 10.7868/S0032816215010036
1. ВВЕДЕНИЕ
Конфайнмент является уникальной особенностью квантовой хромодинамики, и понимание его природы требует изучения свойств глюонного поля, ответственного за связь кварков в адронах.
Простейшей комбинацией кварков является связанное состояние кварка с антикварком, называемое мезоном. Мезоны группируются в нонеты в соответствии с квантовыми числами 1РС, где / — суммарный спин кварков, Р — пространственная четность, С — зарядовая четность. Ранние наблюдения выявили только те квантовые числа 1РС, которые соответствуют связанным состояниям фермиона с антифермионом. Квантовые числа 1РС системы кварк—антикварк с полным спином £ и относительным угловым моментом Ь определяются как I = £ + £, Р = (—1)Ь + 1 , С = (— 1)Ь + 5 . Таким образом, такие квантовые числа, как 0 , 0+-, 1-+ и 2++, запрещены в квар-ковой модели и относятся к разряду экзотики. Вместе с тем поиск частиц с такими квантовыми числами является одним из лучших способов экспериментального изучения природы конфайн-мента.
В эксперименте С1иеХ, посвященном изучению природы конфайнмента, предполагается наблюдать экзотические мезоны в реакции фоторождения при энергии продольно поляризованных фотонов 9 ГэВ. Фотонный пучок формируется в результате когерентного тормозного излучения электронов с энергией 12 ГэВ на ориентирован-
ной кристаллической структуре алмазного радиатора.
Такой фотонный зонд является виртуальной кварк-антикварковой системой с параллельными спинами. Если в процессе рассеяния происходит возбуждение глюонной трубки, связывающей кварки в такой системе, то возможно появление состояний с квантовыми числами, не характерными для обычной связи кварка с антикварком. Первое возбужденное состояние глюонной трубки вырождено и соответствует вращениям самой трубки по часовой или против часовой стрелки вдоль оси, соединяющей кварк с антикварком, с зафиксированными в пространстве / = 1 [1]. Линейные комбинации этих двух мод являются собственными значениями четности и приводят к состояниям 1+- и 1-+ для возбужденной глюонной трубки. Когда эти квантовые числа комбинируют с квантовыми числами кварка и антикварка Ь = 0, 5 = 1 (спины кварков параллельны), то три — 0+-, 1-+, 2+- — из возможных шести 1РС комбинаций являются экзотическими.
Напротив, в случае, когда кварк и антикварк имеют Ь = 0, 5 = 0, результирующие квантовые числа гибридных мезонов не являются экзотическими. Например, это имеет место в случае пиона.
В эксперименте предполагается наблюдать состояние 1-+ в реакции ур ^ Х+п с последующими распадами: Х+ ^ рп0 ^ п+п0п0, Х+ ^ р°я+ ^ п +п-п + .
Для наблюдения этой реакции создается установка, важным элементом которой является тре-
Сверхпроводящий соленоид
Мишень
Пучок у-квантов 9 ГэВ
Калориметр
Центральные дрейфовые камеры
Калориметр
/
Многопроволочный дрейфовый детектор
Сверхпроводящий соленоид
Рис. 1. Схематическое изображение центральной части детектора.
Рис. 2. Секция из шести дрейфовых камер.
ковый детектор, состоящий из двадцати четырех дрейфовых камер.
2. СТРУКТУРА УСТАНОВКИ И КОНСТРУКЦИЯ ДРЕЙФОВЫХ КАМЕР
Центральная часть экспериментальной установки схематически изображена на рис. 1.
Регистрация вылетающих вперед заряженных пионов осуществляется многопроволочными дрейфовыми камерами с катодно-стриповым съемом информации. Камеры объединены в четыре идентичные секции, расположенные перпендикулярно к оси пучка на разном расстоянии от мишени в сверхпроводящем соленоиде. Каждая секция состоит из шести независимых плоских дрейфовых камер, повернутых под углом 60° по отношению друг к другу (рис. 2).
2.1. Проволочная плоскость
Расположенная между катодными плоскостями проволочная плоскость (рис. 3) состоит из
96 сигнальных проволочек диаметром 20 мкм, чередующихся с 97 полевыми проволочками диаметром 80 мкм. Сигнальные проволочки изготовлены из позолоченного вольфрама, полевые — позолоченные медно-бериллиевые. Расстояние между проволочками двух типов составляет 5 мм. Расстояние между катодной и проволочной плоскостями — 5 мм. Положительное напряжение, подаваемое на сигнальные проволочки, обеспечивает усиление ~5 • 104 и выше. Отрицательное напряжение, приложенное к полевым проволочкам, улучшает круговую симметрию электрического поля внутри слоя.
В центре камеры, в области прохождения высокоинтенсивного пучка, детектор не чувствителен за счет искуственного утолщения сигнальных проволочек до 80 мкм.
2.2. Катодная плоскость
Важным требованием к конструкции камеры является минимальное количество вещества не только в активной области, но и на периферии
34
Рис. 3. Проволочная плоскость.
[2]. Конверсия у-квантов вне электромагнитного калориметра приведет к неверному восстановлению их положения из-за отклонения электронов и позитронов конверсии магнитным полем в промежутках, не заполненных веществом. Для минимизации вещества в объеме камеры катодные плоскости изготовлены из каптона толщиной 25 мкм. На катодную плоскость (рис. 4) нанесены 216 полосок (стрипов) из чистой меди длиной от 29 до 100 см. Толщина стрипа 2 мкм.
Центральные 24 стрипа разделены в области прохождения пучка. Катодная плоскость не чувствительна в этой области.
2.3. Съем информации с катодных стрипов камеры
Из-за требования минимального количества вещества в объеме камеры толщина медных стри-пов составляет 2 мкм, что создает проблему с выводом информации с катодных стрипов. Каждый стрип заканчивается проводящей дорожкой, прове-
ОВ и др.
денной к 24-канальному коннектору с контактами, напечатанными на катодной плоскости (рис. 5). Контакты коннектора соединены с предусилите-лем посредством жестко-эластичной сборки. Гибкая печатная плата 4, расположенная с противоположной стороны катодной плоскости, соединяется с катодными стрипами коннектора через отверстие в катодной плоскости 7. Соединение гибкой печатной платы с катодом является очень деликатной операцией. Технология припаивания здесь неприемлема, так как вероятность повреждения тонкого слоя меди очень высока.
Соединение осуществляется путем приклеивания катодных контактов к печатной плате с помощью анизотропной проводящей ленты (рис. 5). Лента является проводящей лишь в направлении, перпендикулярном поверхности, и представляет собой нанопленку с малыми (~50 мкм), случайно распределенными стеклянными шариками, покрытыми серебром. Пленка располагается между двумя контактными плоскостями. В ходе сборки первых секций детектора было установлено, что сопротивление некоторых каналов варьируется от единиц до десятков ом. Время от времени эта величина может изменяться в зависимости от силы давления, приложенной к картам в контактной области. Нами измерено сопротивление 432-х каналов и 432-е дорожки исследованы под микроскопом. Установлено, что серебрянные шарики оставляют углубления-"кратеры" на меди толщиной 2 мкм. Диаметры кратеров различаются в 2—4 раза и соответствуют размерам серебрянных шариков. Построена зависимость проводимости от числа проводящих серебрянных шариков (рис. 6).
Установлено, что контакты теряют проводимость за счет смещения проводящих шариков в процессе деформации области контакта после приклеивания. Смещение шариков от своего первоначального положения вызывает падение проводимости. Чтобы этого не происходило, катоды должны находиться в плоском состоянии с момента приклеивания контактов и до момента ин-
Рис. 5. Соединение катодных стрипов с коннектором. 1 — проводящие медные дорожки; 2 — область размещения проводящей пленки; 3 — контакты эластичной карты; 4 — эластичная часть платы; 5 — разъем для съема информации; 6 — отверстие для контактов жестко-эластичной карты; 7 — специально разработанный пресс, обеспечивающий соединение между контактами за счет давления и температуры.
Проводимость 1/Я, 1/Ом 10
Космическая частица
6-
4 -
2 -
0 123456789 10
Число шариков
Рис. 6. Зависимость проводимости от числа проводящих шариков.
сталяции в пакет. Для этого катоды хранятся слоями на специальном столе с пинами и зажимами. Перемещение катодов осуществляется с помощью металлической рамы с вакуумными присосками.
Сборка с использованием анизотропной проводящей ленты прошла испытания на радиационную стойкость. Экземпляры успешно протестированы на устойчивость к радиации вплоть до 1 крад, что соответсвует примерно 10 годам работы детектора на пучке [3].
Ф.э.у.
Рис. 7. Схема экспериментального стенда.
3. ИСПЫТАНИЯ КАМЕРЫ НА КОСМИЧЕСКОМ ИЗЛУЧЕНИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ СБОРА ДАННЫХ
Испытание камеры на космическом излучении проведены с целью определения эффективности регистрации частиц, измерения координатного разрешения и проверки системы сбора данных. Экспериментальный стенд состоит из сцинтилляционных счетчиков и дрефовых камер, расположенных сверху и снизу от тестируемой камеры (рис. 7).
Камера заполнена смесью Аг(40%)/С02(60%). Времяцифровые преобразователи (F1TDC) обес-
8
36
N 7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
БЕРДНИКОВ и др.
Y, мм 400
200
10 20 30 40
50 60 70 80 90 Номер проволочки
Рис. 8. Зависимость числа зарегистрированных событий от номера прово
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.