ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2007, № 1, с. 58-68
_ ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО _
- ЭКСПЕРИМЕНТА -
УДК 539.1.074.2
РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ МИНИ-ДРЕЙФОВЫХ ТРУБОК ДЛЯ ПЕРЕДНЕЙ МЮОННОЙ СИСТЕМЫ УСТАНОВКИ Б0
© 2007 г. В. М. Абазов, Г. Д. Алексеев, В. А. Баранов, Л. С. Вертоградов, Н. И. Журавлев, А. М. Калинин, В. А. Калинников, Е. В. Комиссаров, Н. П. Кравчук, Н. А. Кучинский, В. Л. Малышев, Ю. П. Мереков, С. И. Мерзляков, А. С. Моисеенко, А. А. Ноздрин, С. Ю. Пороховой, И. К. Прохоров, Б. М. Сабиров, А. А. Стахин, В. В. Токменин, Ю. Н. Харжеев, Н. В. Хомутов, А. А. Шишкин, Ю. А. Яцуненко Объединенный институт ядерных исследований Россия, 141980, Дубна Московской обл., ул. Жолио-Кюри, 6 Поступила в редакцию 20.04.2006 г.
Описаны процедуры и результаты испытаний мини-дрейфовых трубок в ходе их производства для передней мюонной системы установки Б0 (Теуай*оп, Fermilab). Испытания включают в себя высоковольтную тренировку, проверку стабильности и однородности сигнала от рентгеновских у-квантов, измерение натяжения проволочек и проверку герметичности. Быстрая и эффективная проверка детекторов в условиях массового производства обеспечивает такое качество изготовления мини-дрейфовых трубок, что финальная отбраковка их при сборке детекторной системы практически отсутствует.
PACS: 29.40.Cs
ВВЕДЕНИЕ
В Объединенном институте ядерных исследований в рамках сотрудничества с FNAL [1] в 1998— 1999 гг. организованы массовое производство и испытания мини-дрейфовых трубок (м.д.т.) [2] -детекторов новой передней мюонной системы ^АМШ) модернизированной установки Б0 (Теуа-^оп, Fermilab). Всего было изготовлено около 7000 трубок. Стенды, на которых проводились испытания м.д.т., описаны в [3]. В данной работе описаны процедуры массовой проверки детекторов на этих стендах и приведены полученные результаты.
Мини-дрейфовые трубки (рис. 1) и передняя мюонная система установки Б0 описаны в работах [2, 3]. Каждый из трех суперслоев (А, В, С) трековой части передней мюонной системы разделен на восемь октантов. В каждом октанте расположено три или четыре слоя м.д.т. В слое каж-
дая следующая трубка имеет длину на 8.5 см больше по сравнению с предыдущей. Длина трубок варьируется от 0.9 до 5.9 м. Трубке каждого слоя и определенной длины присвоен соответствующий индекс, например: "Al0R27" - м.д.т. для суперслоя А, тип 10, правая, порядковый номер 27. Правая и левая конфигурации м.д.т. различаются расположением концевых заглушек трубок для удобства соединения их в слое для газового продува.
После прохождения производственного цикла собранная, но не загерметезированная трубка (пенал заварен только с одного торца пассивной заглушкой) поступает в проверочную зону. Здесь заполненная воздухом м.д.т. проходит первичную стадию проверки - измерение натяжения проволочек и предварительное высоковольтное испытание. После этого трубка герметизируется (за-
Пенал
Профиль
Крышка
Проволочка
Поддержка
Рис. 1. Вид сечения м.д.т. (поддержка анодных проволочек изображена в двух крайних ячейках); пенал - ПВХ пластик толщиной 1 мм, профиль - алюминий 0.6 мм, крышка - нержавеющая сталь 0.15 мм, проволочка - золоченый вольфрам 0 50 мкм, проволочная поддержка - полиэтилен 5 мм (вдоль проволочки).
варивается активная заглушка), заполняется проверочным газом и проходит высоковольтную тренировку и проверку однородности сигнала. Последним этапом является проверка герметичности.
1. ИЗМЕРЕНИЕ НАТЯЖЕНИЯ ПРОВОЛОЧЕК
Натяжение анодных проволочек в проволочных детекторах влияет на их стабильность и долговечность. Измерять натяжение проволочек необходимо для контроля технологического процесса изготовления детекторов. При испытаниях пластиковых стримерных трубок для адронного калориметра DELPHI [4] для измерения натяжения проволочек применялся емкостный метод, при котором колебания проволочки внутри детектора, возбуждаемые расположенным на трубке динамиком, приводили к изменению амплитуды наведенного сигнала на внешних электродах, также расположенных на трубке [5, 6].
В м.д.т. [7] в качестве катода использован алюминиевый профиль, закрытый сверху нержавеющей крышкой. Катод такой трубки "непрозрачен" для электрического сигнала в отличие от катода стримерных трубок, выполненного из пластика с высокоомным графитовым покрытием. В связи с этим был применен другой метод измерения натяжения проволочек. Основная идея этого метода - изменение емкости ячейки, включенной в электрический контур, при вынужденных механических колебаниях анодной проволочки, в результате чего в контуре возникает электрический ток.
На трубку подается высокое напряжение ~1000 В. Оно значительно ниже напряжения, при котором возникает самоподдерживающийся разряд в такой конфигурации (~3 кВ). Емкость ячейки м.д.т. составляет ~10 пФ/м. На трубку устанавливается динамик, подсоединенный к звуковой карте персонального компьютера, которая позволяет генерировать синусоидальные колебания звуковой частоты от 0.2 до 390 Гц. Динамик вызывает механические колебания анодных проволочек, что приводит к индуцированию электрического тока вследствие изменения емкости в системе анод-катод. Возникающий электрический сигнал (~100 нА на сопротивлении 1 МОм) усиливается, и соответствующее напряжение оцифровывается амплитудно-цифровым преобразователем. При совпадении частоты принудительных колебаний анодной проволочки с частотой ее собственных колебаний происходит резонансное усиление амплитуды колебаний, которое регистрируется аппаратурой. По резонансной частоте определяется натяжение проволочки.
Алюминий, из которого сделан катодный профиль, и вольфрам, из которого выполнена анод-
ная проволока, имеют значительно различающиеся коэффициенты линейного теплового расширения - 23.3 ■ 10-6 и 4.6 ■ 10-6 К-1 соответственно [8]. Поскольку длины профиля и проволочек в трубке практически одинаковые, то при колебаниях температуры возникает заметное изменение натяжения проволочек, которое определяется отношением коэффициентов линейного теплового расширения алюминия и вольфрама, равным ~5. Изменение натяжения анодных проволочек трубки в этом случае составит 1.4 г/°С. При изменении температуры на 10°С натяжение уже изменится на 14 г, что составит 7% по отношению к номинальному натяжению (200 г).
Детекторы эксплуатируются в условиях малых колебаний температуры. Изменения температуры могут оказывать воздействие на натяжение проволочек лишь во время производственно-проверочного цикла и их транспортировки морским путем из Дубны к месту сборки и установки мюонной системы в FNAL. Для сравнения результатов измерений, проводившихся при разных температурах, была применена нормировка на температуру 20°С.
Номинальное натяжение для анодных проволочек выбрано равным 200 г, а диапазон допустимых натяжений - ±50 г от номинального. На рис. 2 приведено графическое отображение на экране монитора результатов измерения натяжения проволочек одной из трубок. С левой стороны указаны номера проволочек, а с правой приведены значения их натяжения и резонансной частоты. Звездочками отмечены минимальное и максимальное натяжения проволочек в этой трубке.
На рис. 3 приведено распределение по величине натяжения всех проволочек прошедших испытания трубок. Распределение имеет небольшую асимметрию с левой стороны. Фитирование симметричной верхней части этого распределения функцией Гаусса дает значение среднего натяжения 208 г при среднеквадратическом отклонении 10 г. Аналогичное фитирование распределений по величине минимального и максимального натяжений проволочек в каждой трубке дает значения среднего натяжения 199 и 217 г при их среднеквадратическом отклонении 9 и 8 г соответственно. Средние значения натяжений для каждого типа трубки в каждом из трех суперслоев (А, В и С) суммированы на графике рис. 4. Из графика видно, что какая-либо систематическая зависимость натяжения проволочек от длины трубок, обусловленная технологией производства, отсутствует.
Этот тест позволяет также выявить и неправильное размещение проволочных поддержек в трубке. При правильном размещении поддержек расстояния между точками фиксации проволочек одинаковые, при неправильном - возникают разные свободные длины проволочек, и при измерении натяжения проволочек, наряду с основ-
196.1 g
129.5 Ш
*192.1 g
128.2 Ш
197.3 g 129.9 Ш
204.9 g
132.4 Hz
202.5 g
131.6 Hz
204.9 g
132.4 Hz
203.7 g 132.0 Ш
*207.8 g 133.3 ш
100
200
300
400
Рис. 2. Результаты измерения натяжения проволочек.
1
2
3
4
5
6
7
8
0
ными резонансными пиками, появляются дополнительные небольшие пики.
Как уже отмечалось выше, трубка проходит эту проверку в незагерметизированном виде. Это позволяет в случае выявления дефектов натяжения или распайки проволочек легко разобрать трубку и либо устранить дефект, либо установить новые анодные проволочки.
У всех трубок после транспортировки их из Дубны в FNAL вновь было измерено натяжение проволочек. Сравнение результатов измерений в Дубне и FNAL, проведенных для индивидуальных проволочек с разницей несколько месяцев, отображено на гистограмме рис. 5. Видно, что натяжение практически не изменилось.
2. ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ ВЫСОКОВОЛЬТНОЕ ИСПЫТАНИЕ
После измерения натяжения проволочек прошедшая испытания трубка поступает на стенд для проверки однородности сигнала, где проводятся предварительные испытания с высоким напряжением. Ток трубки, заполненной воздухом, остается равным темновому вплоть до величины высокого напряжения, при котором начинается самоподдер-
живающийся разряд. Эта величина зависит от свойств газовой смеси, конфигурации ячейки трубки и электрического поля в ней и не должна зависеть от длины трубки. Для м.д.т. она составляет ~2.8-2.9 кВ.
На рис. 6 приведен график зависимости среднего значения напряжения возникновения самоподдерживающегося разряда от типа (длины) трубки. Измерения выполнены для трубок разных типов, охватывающих большую часть всего диапазона длин трубок. Из графика видно, что величина напряжения возникновения самоподдерживающегося разряда составляет 2.86-2.88 кВ. Данные измерений по всем трубкам обобщены и аппроксимированы распределением Гаусса
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.