ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2009, № 5, с. 66-71
ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 539.1.074
СИСТЕМА ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ПИТАНИЯ ТРЕКОВОГО ДЕТЕКТОРА ПЕРЕХОДНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА ATLAS
© 2009 г. К. И. Жуков, В. А. Канцеров*, С. В. Муравьев, А. П. Шмелева
Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН Россия, 119991, Москва, Ленинский просп., 53 * Московский инженерно-физический институт (государственный университет) Поступила в редакцию 13.11.2008 г. После доработки 24.02.2009 г.
Описана многоканальная высоковольтная (в/в) система питания трекового детектора переходного излучения эксперимента ATLAS. Представлены технические требования к в/в-системе питания газового детектора, работающего в условиях большого радиационного фона. Приведены характеристики в/в-системы, методика проверки и калибровки каналов, описание программного обеспечения управления в/в-системы. Представлены результаты тестирования 2500 каналов высоковольтного питания. Система прошла проверку в составе экспериментальной установки ATLAS в течение двух лет и показала высокую надежность и стабильность работы. За период эксплуатации разброс значений выходных напряжений по всем каналам не превышал 0.1%.
PACS: 29.40.Gx
ВВЕДЕНИЕ
ATLAS является самым крупным экспериментом на Большом адронном коллайдере (БАК) в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) [1].
Трековый детектор переходного излучения (т.д.п.и.) входит в состав внутреннего детектора, основной функцией которого является прецизионное измерение координат и импульсов заряженных частиц вблизи точки взаимодействия пучков.
В качестве регистрирующих элементов в т.д.п.и. применяются цилиндрические тонкостенные дрейфовые камеры (т.д.к.) [2]. Диаметр камер — 4 мм, анодная нить имеет толщину 30 мкм. Газовая смесь Xe(70%) + CO2(27%) + + O2(3%) обеспечивается циркуляционной газовой системой. Использование ксенона позволяет эффективно регистрировать фотоны переходного излучения, образующиеся при прохождении заряженных частиц через радиаторы, расположенные между слоями т.д.к.
Как и большинство других детекторов установки ATLAS, т.д.п.и. конструктивно состоит из трех частей: центральной цилиндрической и двух торцевых. Цилиндрическая часть т.д.п.и. содержит 52544 т.д.к. длиной около 150 см каждая, ориентированных вдоль оси пучков и располагающихся на расстоянии от 56 до 107 см вокруг оси пучков [3]. Анодная нить этих камер в середине разделена изолятором, и сигнал снимается с двух сторон т.д.к. Радиатором для генерации переходного излучения служит волокнистый материал на
основе полиэтилена и полипропилена. Две торцевые части т.д.п.и. содержат по 147456 (сторона А) и 98304 (сторона В) радиально ориентированных т.д.к. со считыванием сигнала по наружному радиусу. Торцевые т.д.к. имеют длину около 40 см и расположены в виде колес, перпендикулярных оси пучка [4]. Радиатором в торцевых частях т.д.п.и. служат стопки полипропиленовых пленок, чередующиеся со слоями т.д.к. Всего т.д.п.и. содержит около 350000 каналов съема информации.
ТРЕБОВАНИЯ К ВЫСОКОВОЛЬТНОМУ ИСТОЧНИКУ ПИТАНИЯ
Для обеспечения т.д.к. высоковольтным (в/в) питанием необходим многоканальный управляемый компьютером источник питания. Все регистрирующие элементы т.д.п.и. разбиты на группы, каждая из которых подключена к одной высоковольтной линии (см. табл. 1). Максимальный потребляемый ток высоковольтной линии определяется числом подключаемых т.д.к. и средним
Таблица 1. Количество линий высоковольтного питания в модулях детектора т.д.п.и.
Общее число Части т.д.п.и.
Торцевая А Центральная Торцевая В £
В/в-линии 768 704 512 1984
Т.д.к. 147456 52544 98 304 298304
током в условиях максимальной светимости ускорителя.
В табл. 2 представлены величины ожидаемых токов в цепи нагрузки высоковольтной линии при максимальной светимости ускорителя БАК 1034 см-2 с-1. При выходном напряжении 2 кВ источник питания должен обеспечивать величину токов 3 мА.
Одним из принципиальных требований к высоковольтному источнику питания для т.д.п.и.-детектора является надежная защита от пробоев. Пробои в т.д.к. опасны тем, что приводят к разрушению поверхности катода, вплоть до прогорания стенки и потери герметичности, что, в свою очередь, ведет к утечке рабочей смеси газов. Поэтому контроль за количеством пробоев и их частотой является одним из важных требований к системе в/в-питания.
Исследование пропорциональных камер [5] показало, что допустимое количество пробоев составляет 40 разрядов за 50 мс. На этом пороге высокое напряжение должно отключаться.
В случае обрыва анодной проволочки и образования контакта с поверхностью катода сопротивление в месте контакта может составлять от 0 до 3 кОм. Это также может привести к повреждению стенки камеры и даже к образованию небольших отверстий в стенках.
На рис. 1 представлена схема подключения т.д.к. детектора переходного излучения к источнику высокого напряжения. Все т.д.к. детектора разделены на группы по 8 пропорциональных трубочек, которые подключены к линиям высокого напряжения через высоковольтный предохранитель Пр. Одна линия источника высокого напряжения обеспечивает подачу питания на 24 группы т.д.к. Предохранитель позволяет отключать группу т.д.к. от источника высокого напряжения в случае возникновения электрических пробоев или короткого замыкания хотя бы в одной из пропорциональных трубок. Отключение предохранителя осуществляется при помощи генератора электрических импульсов [5], подклю-
Таблица 2. Токи, ожидаемые в одном регистрирующем элементе (т.д.к.) для модулей разного типа в детекторе т.д.п.и. в условиях максимальной светимости ускорителя БАК
Части т.д.п.и. Т.д.к./линия 1[мА]/т.д.к. при полной светимости Общий I [мА]/линия
Торцевая А 192 0.0045 0.864
Торцевая В 192 0.0045 0.864
Центральная:
модуль 1 55 0.02 1.1
модуль 2 87 0.01 0.87
модуль 3 80 0.006 0.48
Примечание. Максимальный ток в линии составляет 3 мА.
чаемого при этом к той высоковольтной линии, в которой возникли электрические разряды. Режим генератора электрических импульсов подобран таким образом, что отключается предохранитель группы т.д.к. с электрическими разрядами.
Система в/в-питания должна обладать функцией плавного увеличения напряжения после включения со скоростью не выше 50 В/с. Стабильность выходного напряжения должна быть не хуже 0.1%, а его пульсации находиться в пределах 50 мВ в области частот от 0 до 50 МГц. Необходимо мониторировать значения напряжения и токов с точностью не хуже 0.5 В и 1 мкА соответственно и записывать их в базы данных для дальнейшего анализа.
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК В/В-ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ
Исследование существующих многоканальных высоковольтных систем показало, что наиболее близкой по параметрам для использования в т.д.п.и.-детекторе является система 8У1527 [6]
В/в-источник питания
Пр1 (~100 кОм)
-г-»- 8 т.д.к.
-Ч н
8 т.д.к.
Пр24 (~100 кОм)
-8 т.д.к.
1 н
Рис. 1. Схема подачи высоковольтного питания к пропорциональным камерам.
фирмы CAEN. Однако SY1527 обладает рядом недостатков, существенных для ее применения в ATLAS-эксперименте:
— большое время реакции системы на пробои в пропорциональной камере, составляющее 100 мс, что может привести к разрушению стенок катода;
— при включении высокого напряжения возникает его выброс, в два раза превышающий номинальное значение и который, несмотря на то, что он довольно короткий (~ 100 мкс), может спровоцировать разряд в детекторе;
— высокую цену, вследствие избыточности функций SY1527 для применения в т.д.п.и.
Это привело к поиску других решений. На основе проведенных исследований условий работы прототипов т.д.п.и. сформулировано техническое задание на систему высоковольтного питания пропорциональных камер. В соответствии с требованиями технического задания в ОИЯИ (Дубна) была разработана и изготовлена система высоковольтного питания для т.д.п.и. эксперимента ATLAS [7]. Первый прототип системы представлял собой крейт в стандарте "Евромеханика", который состоял из высоковольтного модуля, содержащего 21 независимый канал, и крейт-контроллера. На этом прототипе были изучены функциональные параметры источника высоковольтного питания, разработаны программное обеспечение для управления системой и методика калибровки и проверок работы высоковольтных линий.
Основные параметры разработанной системы питания: максимальная выходная мощность — до 10 Вт; диапазон выходных напряжений 500— 2000 В; полярность — отрицательная; точность регулировки выходного напряжения — 10 бит; разброс выходных напряжений (от ячейки к ячейке) <1%; стабильность выходных напряжений 0.1%; температурный коэффициент выходного напряжения 2 • 10-4К; пульсации выходного напряжения <50 мВ; точность регулировки порога по току — 10 бит; точность измерения выходного напряжения и тока — 12 бит; время реакции цепи на ограничения тока <40 мс; эффективность преобразования (к.п.д.) 90%; температурный диапазон 0-50°С; влажность <80%.
В дальнейшем было изготовлено 7 крейтов высоковольтного питания. В каждом крейте содержится 20 модулей по 21 каналу в каждом модуле.
Важной технической характеристикой системы является возможность устанавливать предел по току нагрузки за заданный интервал времени, который также задается пользователем. При превышении этого предела (например, в случае разрядов в детекторе) напряжение на данном высоковольтном выходе будет сброшено до безопасного для детектора уровня, вплоть до нуля (trip-логика).
Управление высоковольтной системой происходит посредством интерфейса, созданного на основе РУ882-системы (Supervisory Control and Data Acquisition), через так называемый "OPC CANopen server", версия OPC DA 2.0.5 [8]. Пользователь может задавать и контролировать основные параметры работы системы: порог срабатывания по току, выходное напряжение, ток нагрузки, установочные параметры как для индивидуального канала, так и для всей системы в целом.
Все параметры высоковольтной системы сохраняются в архиве и могут быть использованы для анализа поведения детектора при наборе физических данных.
ТЕСТИРОВАНИЕ ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ
Для проверк
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.