ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2012, № 3, с. 27-39
ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ^^^^^^^^^^^^^^ ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 539.1.074
Памяти профессора Б.А. Долгошеина
ТРЕКОВЫЙ ДЕТЕКТОР ПЕРЕХОДНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА ATLAS
© 2012 г. А. С. Болдырев***, В. Г. Бондаренко**, В. Н. Бычков, |Б. А. Долгошеин**|, О. Л. Федин****, И. Л. Гавриленко*, Ю. B. Гусаков, Н. Григалашвили, Я. В. Гришкевич***, В. А. Канцеров**, С. В. Катунин****, Ф. Ф. Каюмов*, Г. Д. Кекелидзе, Е. М. Хабарова, Н. В. Клопов****, Н. В. Кондратьева**, С. П. Коновалов*, Н. А. Короткова***, С. Н. Коваленко****, В. А. Крамаренко***, Л. Г. Кудин****, И. А. Кудряшов***, ^ А. Левтеров, В. М. Лысан, С. П. Лобастов, В. П. Малеев****, Р. Ю. Машинистов*,
В. В. Мялковский, С. В. Морозов**, С. В. Муравьев* , А. В. Надточий****, Н. В. Никитин***,
О. В. Новгородова*, Е. Г. Новодворский****, С. Б. Олешко****, С. К. Патричев****, В. Д. Пешехонов, А. С. Романюк**, Ю. Ф. Рябов****, А. А. Савенков, Е. В. Седых****, Д. М. Селиверстов****, А. П. Шмелева*, С. Ю. Сивоклоков***, С. Ю. Смирнов**, Л. Н. Смирнова***, В. В. Сосновцев**, С. И. Сучков*, В. В. Сулин*, В. О. Тихомиров*, Л. Ф. Васильева*, К. И. Жуков*
Объединенный институт ядерных исследований Россия, 141980, Дубна Московской обл., ул. Жолио-Кюри, 6 *Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) Россия, 119991, Москва, Ленинский просп., 53 **Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" Россия, 115409, Москва, Каширское ш., 31 ***НИИядерной физики имени Д.В. Скобельцына Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова
Россия, 119991, Москва, Воробьевы горы, 1, стр. 2 ****Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова РАН Россия, 188300, Гатчина Ленинградской обл, Орлова роща Поступила в редакцию 27.07.2011 г.
Описан трековый детектор переходного излучения (т.д.п.и.) установки ATLAS, являющейся одним из двух детекторов общего назначения на Большом адронном коллайдере (LHC). Приведено описание конструкции детектора и выполняемых им задач. Детектор полностью смонтирован и введен в эксплуатацию. Представлены первые физические результаты, полученные т.д.п.и. при измерениях космических мюонов в установке ATLAS.
1. ВВЕДЕНИЕ
Трековый детектор переходного излучения (т.д.п.и.) или TRT (Transition Radiation Tracker) является частью внутреннего детектора установки ATLAS [1] — одного из двух детекторов общего назначения на Большом адронном коллайдере (LHC — Large Hadron Collider). Внутренний детектор расположен в центре установки ATLAS в непосредственной близости от области соударений протонов высоких энергий и помещен внутрь соленоида с магнитным полем 2 Тл. Детектор имеет цилиндрическую конструкцию, его задачей является прецизионное измерение координат и
импульсов заряженных частиц, а также вершин первичных и вторичных взаимодействий. Импульсы заряженных частиц измеряются выше порога 0.5 ГэВ/с в области псевдобыстрот |nl < 2.5. При измерении неупругих событий с минимальными условиями отбора возможно измерение импульсов при меньшем пороге — 0.1 ГэВ/с. Кроме того, c помощью т.д.п.и. обеспечивается идентификация электронов в области псевдобыстрот |nl < 2.0 и в интервале импульсов 0.5—150 ГэВ/с.
Впервые идея создания комбинированного т.д.п.и. была предложена группой МИФИ— ФИАН [2], исходя из опыта разработки и эксплу-
атации детектора TRD (Transition Radiation Detector) для эксперимента HELIOS [3]. В создание т.д.п.и. установки ATLAS вместе с институтами и группами ЦЕРН, Дании, Польши, Швеции, Турции и США значительный вклад внесли российские институты: ПИЯФ, МИФИ, ФИ РАН, НИИЯФ МГУ и ОИЯИ.
Отличие LHC от всех предыдущих и действующих в настоящее время коллайдеров состоит в том, что основным источником радиационного фона при планируемой высокой светимости >2 • 1034 см-2 • с-1 являются частицы, образованные во взаимодействиях ускоренных протонов в области соударений. Наибольшую опасность этот радиационный фон представляет для внутреннего детектора установки ATLAS. Полагается, что все свои задачи т.д.п.и. будет выполнять при самой высокой светимости LHC. Это обеспечивается использованием наиболее передовых технологий при создании детектора.
В данной работе приведено общее описание внутреннего детектора установки ATLAS и выполняемых им задач. Описаны сенсорный элемент т.д.п.и., принцип генерации и регистрации переходного излучения, структура т.д.п.и., модули детектора, система электроники считывания и передачи сигналов. Представлены результаты первых измерений т.д.п.и. в составе установки ATLAS. Сформулированы основные итоги работы по созданию т.д.п.и. и первых результатов измерений.
2. ВНУТРЕННИЙ детектор УСТАНОВКИ ATLAS
Внутренний детектор установки ATLAS размещен внутри цилиндрического соленоида, симметричного относительно точки пересечения протонных пучков в центре детектора. Ось соленоида совпадает с осью пучков. Внутренний детектор занимает область протяженностью ±3512 мм по оси пучков, его внешний радиус составляет 1150 мм. Он содержит три различных, дополняющих друг друга типа детекторов. Внутреннюю часть, наиболее близкую к оси столкновений, занимают прецизионные пиксельные и микростриповые кремниевые детекторы. В центральной части (барреле) они размещаются на цилиндрах с осями вдоль направления пучка, а в торцевых частях смонтированы на дисках, плоскости которых перпендикулярны пучку. Конструкция детектора выбрана с таким расчетом, чтобы частицы, вылетающие из области столкновения протонов, пересекали плоскости детектора под углами, близкими к нормали.
Пиксельные и микростриповые кремниевые детекторы составляют дискретную трековую систему внутреннего детектора. Ее дополняет "не-
прерывная трековая система, состоящая из тонкостенных дрейфовых трубок (straw) диаметром 4 мм, расположенных близко друг к другу, и допускающая регистрацию до 36 координат пересечения частицей трубок. Пространство между трубками заполнено высокоструктурированными пластиковыми материалами, которые обеспечивают генерацию переходного излучения заряженных частиц при пересечении ими этого множества слоев. Фотоны переходного излучения регистрируются дрейфовыми трубками наряду с сигналами от ионизационных потерь (поэтому трековая система именуется трековым детектором переходного излучения). Эффективная регистрация переходного излучения позволяет разделять треки адронов и электронов.
В центральной части т.д.п.и. трубки имеют длину 144 см и расположены параллельно оси детектора. В центре трубки на ее анодной проволоке имеется разделитель, позволяющий снимать электронный сигнал с половины длины трубки. Т.д.п.и. в барреле позволяет определить только (R— ф)-координату трека, где ф — азимутальный угол в плоскости (x, y), перпендикулярной оси г, а R — радиус в этой плоскости относительно оси детектора. В торцевых областях т.д.п.и. трубки имеют длину 37 см и расположены радиально в пространстве между радиусами R от 644 до 1004 мм. Собственное координатное разрешение трубки составляет 130 мкм. Полное количество каналов считывания сигналов детектора составляет 350848. На рис. 1 [1] показано расположение элементов внутреннего детектора.
Комбинация прецизионных детекторов на малых радиусах и дрейфовых трубок на больших радиусах обеспечивает надежную реконструкцию треков и высокую точность измерения координат (R—ф) и г. Сигналы трубок позволяют существенно повысить координатную точность во внешней области внутреннего детектора. Меньшая пространственная точность трубок по сравнению с прецизионными детекторами компенсируется их большим количеством и значительным увеличением измеряемой длины трека. Возможность реконструкции близких вторичных вершин от распадов тяжелых частиц обеспечивается преимущественно самым внутренним слоем пиксельных детекторов, размещенных на цилиндре с радиусом 5 см.
Оценка количества вещества в т.д.п.и. в единицах радиационных длин Х0, которое пересекает частица, вылетающая из области соударений пучков под углами, соответствующими псевдобыстротам п = 0 и п = ±1.8, дает значения 0.264Х0 и 0.219Х0.
6.2 м
Рис. 1. Схема внутреннего детектора установки ATLAS. Показаны цилиндры и диски пиксельных детекторов, цилиндры и диски полупроводникового трекового детектора и внешний объем, занимаемый т.д.п.и.
3. СЕНСОРНЫЙ ЭЛЕМЕНТ Т.Д.П.И.
Рабочим элементом или сенсором т.д.п.и. служит тонкостенная трубка диаметром 4 мм. Конструкция трубки была разработана исходя из условия минимальной толщины ее стенок при достаточной механической прочности и электрической проводимости [4]. Исходным материалом для стенок трубки послужила полиимидная пленка ^иропё) толщиной 25 мкм. На пленку были нанесены три слоя покрытий: на одну сторону пленки — слой алюминия толщиной 0.2 мкм и защитный слой графита, смешанного с полиими-дом, толщиной 5—6 мкм; на другую сторону — слой полиуретана толщиной 5 мкм. Для изготовления трубки две полосы пленки совмещались сторонами с полиуретановым покрытием и спекались при температуре 200—250°С. Структура стенки трубки и процесс ее изготовления показаны на рис. 2а, 2б [4]. Дополнительно для увеличения механической прочности трубки на ее внешнюю поверхность приклеивались волокна углепластика — всего четыре волокна на одинаковом угловом расстоянии. Волокна содержат 1000 нитей диаметром 8 мкм и проходят вдоль оси трубки (рис. 2в) [4]. Электрическое сопротивление стенок трубки, которые служат катодом, составило <300 Ом/м.
В центре трубки размещена анодная проволока толщиной 31 мкм, выполненная из вольфрама с золотым покрытием толщиной 0.5—0.7 мкм. Анодная проволока находится под нулевым потенциалом, и сигнал с нее подается непосредственно на считывающую электронику. Сопротивление анода составляет 60 Ом/м, а емкость собран-
ной трубки <10 пФ. Потенциал катода составляет —1530 В, что обеспечивает газовое усиление вблизи анода 2.5 • 104 при выбранной рабочей газовой смеси Хе(70%)/С02(27%)/02(3%). Давление газа в трубке на (5—10) • 102 Па превышает атмосферное. Трубки работают при температуре +20°С. Такой температурный режим требует постоянного контроля и специальных мер поддерживания, поскольку соседн
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.