ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 2, с. 63-65
ЭЛЕКТРОНИКА И РАДИОТЕХНИКА
УДК 681.586
ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ПРЕДОХРАНИТЕЛИ ДЛЯ ТРЕКОВОГО ДЕТЕКТОРА ПЕРЕХОДНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ ATLAS
© 2004 г. С. А. Воронов, Ю. А. Воронов, Е. М. Онищенко, А. Б. Симаков, В. В. Сосновцев, С. И. Сучков, Т. А. Сугробова
Московский инженерно-физический институт (государственный университет) Россия, 115409, Москва, Каширское ш., 31 Поступила в редакцию 16.07.2003 г.
Предохранитель разработан для электрической зашиты газовых детекторов в эксперименте ATLAS (CERN) и представляет собой полированную пластину из ниобата лития с нанесенной фотолитографическим способом полоской титана сопротивлением 91 кОм. Время принудительного пережигания предохранителя составляет 10-50 мс, после чего ток утечки через него не превышает 1 нА при напряжении 2 кВ; сопротивление корпуса предохранителя >1012 Ом; габаритные размеры 5.8 х х 3.8 х 2 мм.
При создании физических установок в современных экспериментах в физике высоких энергий в CERN (Швейцария) - ATLAS, в DESY (Германия) - HERA-B и ZEUS, нашли широкое применение пропорциональные пластмассовые газовые цилиндрические детекторы (straw) [1-3]. Они представляют собой трубки из полимерной пленки (каптон) длиной от 450 до 1200 мм, диаметром от 4 до 7.5 мм с толшиной стенки от 60 до 120 мкм, на внутреннюю поверхность которых нанесен проводящий слой, служаший катодом [4]. В качестве анода используется нить из позолоченного вольфрама или бериллиевой бронзы диаметром ~30 мкм.
Трубки наполняются газовой смесью на основе благородных газов (аргон, ксенон) с различными добавками при давлении ~1 атм и могут функционировать как быстродействуюшие детекторы с пространственным разрешением 150-200 мкм. Примером может служить эксперимент ATLAS (CERN), где трубки 04 мм - основной элемент трекового детектора переходного излучения (т.д.п.и.), обеспечиваюшего как надежное выделение электронов в продуктах р-р-взаимодействий c энергиями S ТэВ ускорителя LHC, так и пространственное разрешение ~150 мкм при регистрации треков частиц [5].
Характерной особенностью т.д.п.и. является то, что этот детектор в установке ATLAS представляет собой ее внутреннюю часть и в процессе эксперимента будет физически недоступен по причине большой остаточной радиоактивности, наведенной в процессе работы в высокоинтенсивных пучках релятивистских частиц. В то же время полное количество трубок в т.д.п.и. составляет около 450000, и всегда имеется вероятность выхода из строя хотя бы одной из них [6].
Задача обеспечения долговременной устойчивой работы такой объемной и сложной аппарату-
ры является весьма актуальной. Особенности конструкции (тонкие стенки трубки и малый диаметр нити-анода) делают реальной возможность возникновения таких аварийных ситуаций, как прогорание тонкой пластмассовой стенки трубки, что может иметь достаточно тяжелые для измерительной аппаратуры последствия, приводящие к значительным потерям дорогостоящей рабочей газовой смеси на основе ксенона.
Наиболее характерными являются две неисправности:
- обрыв анода;
- сильное смещение анода от центра катода, связанное либо с аномальным искривлением корпуса трубки, либо с провисанием анода из-за потери его натяжения [7].
Целесообразным выходом из такой ситуации является быстрое отключение аварийного элемента от высокого напряжения. В итоге данный элемент детектора (в принципе, содержащий несколько трубок) не будет регистрировать частицы, однако при этом сохраняется работоспособность всего детектора в целом.
Таким образом, актуальной задачей является создание простого, дешевого и эффективного приспособления - высоковольтного предохранителя, который управляемым способом мог отключать высокое напряжение в аварийных элементах. Ее решение позволяет обезопасить дорогие детекторные блоки и сравнительно дешево повысить их живучесть в условиях долговременного физического эксперимента.
Общие технические требования к высоковольтным предохранителям в т.д.п.и. для эксперимента ATLAS можно сформулировать следующим образом:
64
ВОРОНОВ и др.
Контактная Эпоксидная
Высоковольтный
смола Крышка
Алюминиевая Высоко- Воздушный Акриловый Золотая
площадка вольтный зазор герметик проволока
высоковольтного чип 030 мкм чипа
Рис. 1. Схематический разрез высоковольтного предохранителя для т.д.п.и. в эксперименте ATLAS.
- высоковольтный предохранитель должен работать как высоковольтное нагрузочное сопротивление при рабочих токах около 30 мкА и иметь активное сопротивление 91 кОм ± 10%;
- предполагается, что один предохранитель ставится на группу из 8 трубок, а один высоковольтный источник обеспечивает работу 64 трубок (8 групп по 8 штук в каждой);
- он должен быть устойчивым к случайным искровым разрядам в трубках, вызванным, например, наличием пылинок в газовой смеси во внутреннем объеме трубки детектора, при заданном предельном значении нагрузочного тока высоковольтного источника питания 2 мА;
- должна быть обеспечена возможность управляемого пережигания предохранителя в случае обнаружения дефектной трубки (трубки, в которой в случае плохого натяжения анода или кривизны катода образовалось отклонение анода от центра катода более 1.1 мм, а также трубок, в которых образовалось короткое замыкание между катодом и анодом, например обрыв анода);
- высоковольтный предохранитель должен иметь большое сопротивление в "сгоревшем" состоянии с током утечки не более 10 нА при рабо-
Рис. 2. Микрофотография высоковольтного чипа.
чем напряжении (~1600 В), что соответствует сопротивлению ~200 ГОм;
- высоковольтный предохранитель должен быть стабилен к высоким радиационным нагрузкам.
В случае обнаружения дефектной трубки предохранитель в данной секции пережигается с помощью мощного специального высоковольтного источника. При этом остальные секции данного блока будут работать в нормальном режиме. Дефектная трубка при пережигании не должна получить повреждения стенки.
КОНСТРУКЦИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ПРЕДОХРАНИТЕЛЯ
В МИФИ был разработан высоковольтный предохранитель для т.д.п.и. в эксперименте ATLAS, схематический разрез которого представлен на рис. 1.
Предохранитель состоит из высоковольтного чипа, представляющего собой полированную пластину из ниобата лития (LiNbO3) размерами 5 х 3 х 1 мм с нанесенной фотолитографическим способом полоской титана шириной 15 мкм и общей длиной 9.5 мм c контактными площадками из алюминия (см. рис. 2) [8].
В качестве диэлектрической подложки в гибридной технологии используются различные материалы - ситаллы, лейкосапфир, поликор, нио-бат лития и др. Специальные исследования показали, что положительные результаты достигаются лишь при использовании подложек из ниобата лития, поскольку он обладает минимальной теплопроводностью. Это является определяющим, так как тепловая энергия при пережигании предохранителя идет на нагревание испаряемого элемента - титановой дорожки, а не "уходит" в подложку.
Крышка из ситалла обеспечивает как механическую прочность предохранителя, так и воздушный зазор 50-100 мкм, необходимый для ухода с поверхности высоковольтного чипа продуктов теплового взрыва проводящей дорожки. Предо-
ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА < 2 2004
ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ПРЕДОХРАНИТЕЛИ
65
хранитель имеет двойную герметизацию, обеспечиваемую обмазкой краев акриловым гермети-ком и последующим корпусированием в специальном высоковольтном трехкомпонентном компаунде (на основе смолы, отвердителя и пластификатора), обладающем высоким сопротивлением. При этом сопротивление корпуса предохранителя составляет >1012 Ом, что обеспечивает ток утечки не более 1 нА при рабочем напряжении 1560 В. Контактные выводы предохранителя, изготовленные из посеребренной медной проволоки 0 0.25 мм, приклеены эпоксидной смолой к крышке. Золотая проволока 030 мкм, обеспечивающая соединение контактных площадок чипа и контактных выводов предохранителя, приваривается с помощью стандартного оборудования для сборки интегральных схем. Тесты, включающие все операции монтажа предохранителей на платы т.д.п.и. (пайка активным флюсом, промывка водой в ультразвуковой ванне и пр.), проведенные на партии из 1000 штук, не выявили предохранителей с нарушенной герметизацией.
ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕДОХРАНИТЕЛЕЙ
Испытания показали, что разработанные предохранители успешно выдерживают не менее 100000 одиночных искровых пробоев в т.д.п.и. в смеси 70% Хе + 20% СБ4 + 10% С02, как минимум 10 серий искровых пробоев в трубках д.п.и. с токовым ограничением 2 мА, действие постоянного тока 3 мА в течение 1 мин и демонстрируют высокую временную стабильность сопротивления после проведения всех операций, характерных для монтажа предохранителей на электронные платы т.д.п.и. (распайка активным флюсом, промывка водой в ультразвуковой ванне и сушка при 100°С).
В МИФИ была разработана аппаратура, позволяющая надежно пережигать разработанные предохранители [7]. Устройство подключается к группе, содержащей дефектную трубку, и управляемым образом подает на нее импульс напряжения амплитудой ~1600 В, при этом длительность фронта импульса высокого напряжения не превышает 5 мс, амплитуда тока составляет не менее 16 мА.
Характерными особенностями процедуры пережигания предохранителей для трубок с коротким замыканием в цепи анод-катод являются:
- время пережигания ~10-40 мс, что гарантирует отсутствие любых повреждений стенок трубки;
- типичный ток утечки через пережженный предохранитель, как правило, не превышает 1 нА при высоком напряжении 2000 В, что было продемонстрировано пережиганием более 1000 штук.
Характерные особенности процедуры пережигания предохранителей для трубок с провиса-
нием анода >1.1 мм или с высокой кривизной катода состоят в следующем:
- пережигание с высоким остаточным сопротивлением достигается при частоте искровых разрядов в трубке не менее 3 кГц, что имеет место при определенной величине перенапряжения на трубке, составляющей 60-80 В над пороговым напряжением начала искрового пробоя (пороговое напряжение равно 1540 В для стандартной трехкомпонентной газовой смеси);
- полная длительность серии искровых пробоев до мом
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.