ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 3, с. 126-130
ЛАБОРАТОРНАЯ ТЕХНИКА
УДК 53.08+539.1.08
СВЕРХЛЕГКИЕ СТРУКТУРЫ ПОДДЕРЖКИ С ИНТЕГРИРОВАННОЙ СИСТЕМОЙ ОХЛАЖДЕНИЯ ДЛЯ ВЕРШИННЫХ ДЕТЕКТОРОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ
© 2014 г. В. И. Жеребчевский, С. Н. Иголкин*, Е. Б. Крымов, Н. А. Мальцев, Н. А. Макаров, Г. А. Феофилов
Санкт-Петербургский государственный университет Россия, 198504, С.-Петербург, Петродворец, ул. Ульяновская, 1
*CERN
Switzerland, CH-1211, Geneve, 23 E-mail: v.zherebchevsky@spbu.ru Поступила в редакцию 23.08.2013 г.
Исследована работоспособность новых сверхлегких структур поддержки с интегрированной системой жидкостного охлаждения, предназначенных для кремниевых монолитных пиксельных детекторов нового поколения. Такие детекторы будут использованы при модернизации внутренней трековой системы эксперимента ALICE на Большом адронном коллайдере в CERN. Обсуждаемые в данной работе сверхлегкие структуры поддержки в совокупности с детекторами обеспечивают рекордные значения радиационной прозрачности — 0.3%Х0. Это позволит существенно расширить программу физических исследований кварк-глюонной плазмы в столкновениях релятивистских тяжелых ионов на Большом адронном коллайдере, в частности, при измерениях выходов тяжелых ароматов и ди-лептонов с малыми поперечными импульсами. В работе приведены экспериментальные результаты тепловых испытаний и выполнен сравнительный анализ пяти различных образцов сверхлегких структур поддержки монолитных пиксельных детекторов. Показана высокая эффективность отвода тепла, вплоть до 0.5 Вт/см2, с использованием жидкостной системы охлаждения.
DOI: 10.7868/S0032816214020335
1. ВВЕДЕНИЕ
Успешный запуск Большого адронного кол-лайдера в CERN и проведение эксперимента на релятивистских тяжелых ионах с использованием установки ALICE (A Large Ion Collider Experiment) [1, 2] позволили начать детальные исследования по физике сильновзаимодействующей материи при экстремальных плотностях и температурах в лабораторных условиях. За три года исследований на установке ALICE была подтверждена и уточнена полученная ранее в экспериментах на ускорителях SPS и RHIC картина образования в столкновениях ядер чрезвычайно горячей и плотной материи — кварк-глюонной плазмы (к.г.п.). Вместе с тем в процессе работы возникли новые задачи, требующие расширения существующей физической программы. В общую стратегию предстоящей модернизации ALICE [3] включены исследования выхода тяжелых ароматов (частиц, содержащих c-и b-кварки), их коэффициентов диффузии, процессов термализации и их массовой зависимости, азимутальной анизотропии, а также изучение выхода термальных дилептонов и чармония при очень малых значениях поперечного импульса, анализ времяпространственной эволюции к.г.п. и
т.д. Для реализации данных исследований критическими являются требования повышения точно -сти определения координат вторичных вершин и снижения порога регистрации поперечного импульса частиц. Выполнение этих требований — одно из главных условий будущей модернизации ALICE.
Ключевую роль в определении координат вторичных вершин в установке ALICE играет внутренняя трековая система (Inner Tracking System (ITS)) [4] — так называемый вершинный детектор, который окружает место рождения частиц. Для данного детектора общая стратегия модернизации [4] должна обеспечить проведение экспериментальных исследований на пучках Большого адронного коллайдера после его реконструкции в 2017—2018 гг., когда светимость коллайдера будет увеличена более чем в 10 раз. Частота регистрации событий, в которых при столкновениях ионов свинца возможно рождение до нескольких тысяч заряженных частиц, ожидается на уровне 50 кГц, что предъявляет жесткие требования как к быстродействию, так и к гранулярности детекторов. Поэтому в качестве основного варианта в концепции модернизации детекторного комплекса во внутренней трековой системе рассматриваются новые кремниевые КМОП-технологии
СВЕРХЛЕГКИЕ СТРУКТУРЫ ПОДДЕРЖКИ
127
Рис. 1. Проект линейки монолитных пиксельных детекторов для первых слоев модифицированной внутренней трековой системы (ITS) ALICE [4].
(90 и 180 нм). В настоящее время ведутся интенсивные исследования различных кремниевых коорди-натно-чувствительных пиксельных детекторов, которые обладают как высоким пространственным разрешением, так и быстродействием. Характерной особенностью эксплуатации таких детекторов является существенное энерговыделение, которое может достигать 0.5 Вт/см2. В связи с этим возможность применения КМОП-технологий для пиксельных детекторов внутренней трековой системы требует разработки эффективной системы теплоот-вода, способной обеспечить нормальную работу электроники и детекторов при температуре не выше 30°С, при минимальном количестве вещества, вносимого в чувствительную область. Чрезвычайно жесткое требование минимизации многократного рассеяния, т.е. увеличения радиационной прозрачности внутренней трековой системы, связано также с необходимостью снижения порога регистрации поперечного импульса заряженных частиц. Последнее означает, что входящие в состав модернизированной внутренней трековой системы кремниевые детекторы, микрокабели, различные поддерживающие структуры и элементы системы охлаждения должны иметь минимум вещества с малым зарядовым числом Z.
На сегодняшний день рекордные значения радиационной прозрачности для мегаустановок в области физики высоких энергий достигнуты для внутренней трековой системы установки ALICE [1] (на уровне 1%X0, где X0 — радиационная длина
для слоя кремниевых детекторов). Модернизация детекторных комплексов внутренней трековой системы установки ALICE для новых экспериментов на Большом адронном коллайдере должна обеспечить более высокий уровень радиационной прозрачности — 0.3%X0. Таким образом, усовершенствование внутренней трековой системы позволит проводить измерения в Pb—Pb-столкновени-ях с достаточной статистической точностью выходов частиц, содержащих с- и b-кварки, и с весьма низкими значениями поперечного импульса.
В данной работе рассматриваются способы практического решения проблемы минимизации многократного рассеяния (до уровня 0.3%X0), позволяющие существенно расширить физическую программу ALICE.
2. СВЕРХЛЕГКИЕ СТРУКТУРЫ ПОДДЕРЖКИ С ИНТЕГРИРОВАННОЙ СИСТЕМОЙ
ЖИДКОСТНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ДЛЯ КРЕМНИЕВЫХ МОНОЛИТНЫХ
ПИКСЕЛЬНЫХ ДЕТЕКТОРОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ
Нами исследованы пять разработанных на основе патентов [5, 6] и опыта работы ALICE [1, 2] сверхлегких пространственных структур с интегрированной системой охлаждения, предназначенных для кремниевых монолитных пиксельных детекторов нового поколения. Структуры созданы в соответствии с концептуальным проектом
Система охлаждения Круглые полиамидные трубки диаметром 1.45 мм
Сплюснутые полиамидные трубки диаметром 1.45 мм Круглые полиамидные трубки диаметром 1.02 мм
Круглые полиамидные трубки диаметром 1.02 мм Сплюснутые полиамидные трубки диаметром 1.02 мм
№ образца Состав тепловой панели
№1 Углепластик шириной 18 мм, угольная бума-
га, углеволокно (угольный флис)
№2 Углепластик шириной 14.5 мм, углеволокно
№3 Углепластик шириной 14.5 мм, угольная бу-
мага, углеволокно
№4 Углепластик шириной 14 мм, углеволокно
№5 Углепластик шириной 14 мм
Полиамидные трубки Углеволокно у Угольная бумага Углепластик Термопаста ' Нагреватель
Рис. 2. Конструкция образца № 1 сверхлегкой поддерживающей структуры с интегрированной системой жидкостного охлаждения. К представленной поддерживающей структуре прикреплен с помощью термопасты полиамидный нагреватель — тепловой имитатор детекторов.
модернизации [4] внутренней трековой системы установки ALICE.
На рис. 1 показан общий вид линейки монолитных пиксельных детекторов, используемых для первых слоев модифицированной внутренней трековой системы ALICE [4]. Отдельно исследована работоспособность важного компонента — сверхлегкой поддерживающей структуры с интегрированной системой охлаждения, на которой будут смонтированы модули пиксельных детекторов.
Все разработанные нами структуры различаются как по конструкции, так и по применяемым для организации теплоотвода от детекторов материалам. Основа тепловой панели изготовлена из углепластика, а система охлаждения состоит из полиамидных трубок различной конфигурации и диаметра. Характеристики исследуемых образцов представлены в таблице. Один из образцов показан схематически на рис. 2.
Образцы имеют длину 290 мм и ширину от 14 до 18 мм. Внешний вид одной из структур показан на рис. 3. Все сверхлегкие поддерживающие структуры представляют собой пространственные монолитные конструкции (фермы), выполненные из углепластиковых материалов. Фермы обеспечивают необходимую жесткость всей системы.
Линейка пиксельных детекторов должна находиться в надежном тепловом контакте с углепла-стиковой панелью. Тепло, выделяемое детектором, передается через углепластиковую панель к интегрированным в нее полиамидным трубкам с холодной водой (14°С). При заданном давлении ~0.3 бар и расходе воды до 3 л/ч удается осуществить эффективный отвод тепла от детекторов и довести их температуру до требуемых для нормальной работы значений, в пределах 30°С.
Уникальность и новизна представленной конструкции заключается в том, что за счет используемых углепластиковых и углеволоконных материалов удается обеспечить как требуемую жесткость и термомеханическую стабильность всей линейки детекторов, так и эффективный отвод тепла. При этом обеспечиваются требования к общей радиационной прозрачности всей системы в пределах 0.3%X0.
Рис. 3. Внешний вид одной из сверхлегких поддерживающих структур с интегрированной системой охлаждения. Материал образца — углепластик, длина 290 мм, ширина 18 мм, диаметр полиамидных трубок системы охлаждения 1.02 мм.
3. СТЕНД ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ ИСПЫТАНИЙ СВЕРХЛЕГКИХ СТРУКТУР ПОДДЕРЖКИ
Для проведения тепловых испытаний сверхлегких структур (образцов) поддержки кремниевых пиксельных детекторов нового поколения нами был разработан специальный стенд. Он состоит из системы подачи и регулировки воды, устройства, на котором жестко закреплены испытуемые образцы, и измерит
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.