Газовая калориметрия для экспериментов с высокими загрузками тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.23 ВАК РФ

Н ЕР

государственный научный центр

российской федерации ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ

2008-13 На правах рукописи

Гилицкий Юрий Владимирович

ГАЗОВАЯ КАЛОРИМЕТРИЯ

ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ С ВЫСОКИМИ ЗАГРУЗКАМИ

01.04.23 - физика высоких энергий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

00345иъа г

Протвино 2008

003450597

УДК 539.1.074

М-2'1

Работа выполнена в Институте физики высоких энергий ( г. Протвино)

Научный руководитель - член-корреспондент РАН, доктор физико-математи ческих наук С.П. Денисов.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук В.А. Сенько, доктор физико-математических наук В.Н. Болотов.

Ведущая организация - Московский инженерно-физический институт (г. Москва)

Защита диссертации состоится «_ »__ 2008 г.

в _часов на заседании диссертационного совета Д 201.004.01

при Институте физики высоких энергий по адресу 142281 г. Протвино Московской обл.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФВЭ.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 201.004.01

Ю.Г. Рябов

Государственный научный центр Российской Федерации Институт физики высоких энергий, 2008

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

Калориметры, используемые для измерения энергии частиц, стали неотъемлемой частью экспериментальных установок во всех крупных экспериментах последних десятилетий в области физики высоких энергий. Все достоинства данного класса приборов хорошо известны, широк спектр их реализаций, позволяющий достаточно быстро решать сложные задачи, выдвигаемые новыми экспериментами. Основным достоинством этих детекторов является улучшение их точностных характеристик с ростом энергии частиц и струй. Современные калориметры обладают, как правило, высокими быстродействием и сегментацией, что позволяет использовать информацию с них не только для измерения энергии, но и для идентификации частиц и определения их координат, а также формировать высокоселективный триггер на события с интересующей топологией, что важно в экспериментах с высокими загрузками.

Но устойчивая тенденция роста числа каналов съема информации (до сотен тысяч), ужесточение противоречивых требований на повышение быстродействия и точности, а также использование их в сильных магнитных полях при высоких радиационных нагрузках из-за постоянного роста энергии и интенсивности ускорителей (например, в коллайдере ЬНС плановая светимость должна составлять 1.0х1034см'2с"' с последующим увеличением на порядок при энергии пучков 7 ТэВ и интервалом между взаимодействиями 25 не) требуют поиска новых решений при создании калориметров.

Цель диссертационной работы состояла в разработке и исследовании характеристик газовых ионизационных калориметров для экспериментов с высокими загрузками.

Результаты, выносимые на защиту:

1. Создание и исследование характеристик адронных газовых ионизационных калориметров в едином газовом объеме.

2. Оптимизация шумовых характеристик газовых ионизационных калориметров с сосредоточенной емкостью детектора и кабельной связью с предварительным усилителем.

3. Создание и исследование характеристик газового ионизационного калориметра с модульной структурой и тяжелым фреоном-218 (СзРв) в качестве активной среды.

4. Оптимизация быстродействия и шумовых характеристик газовых ионизационных калориметров-с распределенной емкостью детектора и кабельной связью с предварительным усилителем.

Научная новизна и практическая ценность

Впервые созданы и исследованы газовые адронные ионизационные калориметры с плоско-параллельной структурой электродов, которые имеют хорошие энергетическое, пространственное и временное разрешения. Высокая линейность н быстродействие позволяют применять их в экспериментах с большими интенсивностями пучков частиц.

Первое использование в калориметрии тяжелого фреона-218 в качестве активной среды детектора показало, что возможно снижение рабочего давления до нескольких атмосфер без потери быстродействия и уровня полезного сигнала по сравнению с «быстрыми» газовыми смесями на основе аргона, а стохастический член энергетического разрешения практически не зависит от избыточного давления.

Впервые подробно рассмотрены вопросы, связанные с применением кабельной связи между детектором и предварительным усилителем и продольным объединением ячеек в калориметре. Показано, что при использовании продольного объединения ячеек калориметра емкость детектора нельзя считать сосредоточенной, а каждый зазор имеет свой характеристический импеданс. Минимальная длительность отклика достигается при согласовании импеданса калориметра с передающей линией и входным сопротивлением предварительного усилителя. Применение кабельной связи позволяет вынести регистрирующую электронику из зоны с высокими потоками частиц и использовать калориметры в больших радиационных полях.

Апробация результатов и публикации

Диссертация написана на основе работ, выполненных в Отделе нейтринной физики ИФВЭ во время разработки, создания и исследования газовых ионизационных калориметров. Работы [1—4], составляющие основное содержание диссертации, опубликованы в виде препринтов ИФВЭ, в журналах «Приборы и Техника Эксперимента» и «Nuclear Instruments and Methods», в Трудах VI Международной конференции «Калориметрия в физике высоких энергий» (Рим, Италия, 1996) и VIII Международной конференции по проволочным камерам (Вена, Австрия, 1998).

Объем и структура диссертации

Работа изложена на 109 страницах, состоит из введения, трех глав и заключения, содержит 59 рисунков, 4 таблицы и список цитируемой литературы из 57 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе дана классификация калориметров и описаны физические процессы, определяющие их характеристики, а также приведены различные реализации калориметров в современных экспериментах и дан их сравнительный анализ. Также рассмотрены вопросы, связанные с работой калориметров при высоких радиационных нагрузках и оценены пределы радиационной стойкости различных типов калориметров.

Из большого множества типов калориметров, созданных для различных экспериментов в физике высоких энергий, высокой радиационной стойкостью обладают далеко не все. Особенно высокой радиационной стойкостью обладают, в частности, кварцевые и ионизационные калориметры. Именно поэтому на коллайдере LHC в качестве переднего калориметра установки CMS используется кварцевый вариант, а в эксперименте ATLAS - жидкоаргонный, радиационная нагрузка которых за десять лет эксплуатации должна составить более 1 ГРад.

Одним из перспективных направлений в калориметрии являются детекторы на базе газовых ионизационных камер, так как подвижность носителей заряда в газах на порядок выше, чем в жидкостях. Газовые ионизационные калориметры обладают хорошим энергетическим и временным разрешением, а также высокой радиационной стойкостью.

Вторая глава посвящена вопросам разработки и измерения характеристик газового ионизационного адронного калориметра с плоскопараллель-

ной геометрией электродов (рис.!). Блок-схема регистрирующей электроники показана на рис. 2.

Зависимость энергетического разрешения газового ионизационного калориметра с 6.5 мм урановыми поглотителями при давлении рабочей смеси 95%Аг 5%СР4 40 атмосфер и высоком напряжении 4 кВ от энергии адронов, измеренная на пучках ускорителя ИФВЭ, имеет вид

а(Е)/Е = 3.3/Е ® (0.69Л/Е + 0.016), Е в ГэВ.

(ГГ

ц

\А-

! ¡и ? *

'•.й 111.1

? ;

чс,

гР!

I

» к

! {

\ 1 •>

20 Г-

У!

/ ,-

I ,*

'г /

Рис. Стр>кг\ра электродов калориметра с 60 урановыми поглоштелями толщиной 6.5 мм каждый и !5 стальными поглотителями по 20 ум. Двойной газовый зазор составляет 2\4.25 мм. Поперечный размер равен 530\580 м\г. размер кажлой из трех ячеек -420x140 мм2

Стохастический член в этой формуле имеет величину, характерную для адронных калориметров. Оказалось, что он не зависит от дасленпя рабочего газа в интервале от 5 до 40 атмосфер. Малость постоянного члена свидетельствует о хорошей однородности детектора и близком к единице отношении е/Ь, где ей п — отклики калориметра на электромагнитный (е) и адронныи (Ь) ливни одинаковой энергии. Ввиду важности величины е/Ь она была измерена непосредственно и оказалась равной !.17±0.03. При добавлении в газовую смесь 10% метана е/И уменьшилось до 1.07:10.03. В специальных измерениях было показано, что величина е/Ь зависит от длительности строб-импульса АЦП и его положения относительно сигнала с калориметра и может оказаться даже меньше единицы.

t ^—Чг - I I_________I

Рис. 2. Блок-схема регистрирующей и калибровочной электроники. РА - предварительный усилитель с током головного транзистора 0.5 мА, включенного по схеме с общей базой; МА - основной усилитель; G - калибровочный генератор: АТТ и MUX -управляемые аттенюатор и аналоговый мультиплексор 45x1; ADC -аналого-цифровой преобразователь. Емкость детектора Cd=290 пФ; разделительная емкость Сь= 2200 пФ; калибровочная емкость Сс=1 пФ. Пунктиром указаны элементы, расположенные в газовом объеме детектора.

Особое внимание во второй главе уделено оптимизации характеристик регистрирующей электроники (см. рис. 3-5). В частности, найдено, что при кабельном соединении между детектором и предварительным усилителем с «холодным» согласованием уровень шумов определяется током через головной элемент усилителя с фиксированным входным сопротивлением и не зависит от схемы его включения, что позволяет вынести регистрирующую электронику из радиационно опасной зоны без потери быстродействия и ухудшения шумовых характеристик детектора.

Введение обратной связи по входу усилителя позволяет обеспечить не только оптимальный ток головного транзистора при фиксированном входном сопротивлении, но и значительно расширить его динамический диапазон. Это дало возможность понизить уровень шумов одного канала калориметра с емкостью ячейки 290 пФ с 12.4 до 8 ке.

Р.е. 7

-

Рис. 3. Упрощенные принципиальные схемы токовых предварительных усилителей с фиксированным входным сопротивлением: а - схема с головным элементом с общим коллектором при I с= 3.7 мА и входным резистором, равным волновому сопротивлению передающей линии; Ь - схема с головным транзистором с общей базой и входным сопротивлением 50 Ом; с - конфигурация с головным элементом с общей базой при 1с] = 3.7 мА и обратной связью; с1 - схема с головным элементом с общим эмиттером с двумя цепями обратной связи при 1С1= 20 мА; е - схема с головным элементом с общим эмиттером с двумя цепями обратной связи при 1С1 = 3.7 мА.

лгУ

го «а ¿о го Т1пс,т

Рис. 4. Выходные сигналы различных конфигураций токовых усилителей после цепи компенсации полюса нулем передаточной характеристики: 1 - конфигурация с общей базой при 1С=0.5 мА без обратной связи по входу (рис. ЗЬ); 2 - конфигурация с общей базой при 1С= 3.7 мА с обратной связью по входу (рис. Зс); 3 - конфигурация с общим эмиттером при 1с= 20 мА с глобальной и локальной обратной связью по входу (рис. 3(1); 4 - конфигурация с общим эмиттером при 1С= 3.7 мА с глобальной и локальной обратной связью по входу (рис. Зе).

Результаты исследований характеристик тяжелого фреона-218 как активного вещества в газовых ионизационных калориметрах с модульной структурой (рис. 6, 7) приведены в третьей главе (см. рис. 8-10). Измерения показали, что скорость дрейфа электронов в фреоне-218 сравнима со скоростью дрейфа в так называемых «быстрых», но значительно менее плотных газовых смесях, а уровень собственной электроотрицательности данного фреона в области режима ионизационной камеры мал. При чистоте фреона-218 0.9999 средний пробег дрейфующих электронов составляет 22.5 мм при давлении 1атм (рис. 8), что значительно превышает зазор между электродами, равный Змм, и обеспечивает почти 100%-ный сбор ионизационного заряда.

ш т 2Со ¿во ж чоо т т

Рис. 5. Зависимость эквивалентного шумового заряда от емкости детектора при фиксированной длине кабеля 4 м с волновым сопротивлением 50 Ом и с выходным сигналом фиксированной длительности (см. рис. 4). Кривая а - эмиттерный повторитель с входным резистором 50 Ом и последующим идеальным усилителем; кривая а' - эмиттерный повторитель с входным резистором 50 Ом и последующим реальным транзистором с общим эмиттером; кривая Ь - конфигурация с общей базой при 1С= 0.5 мА без обратной связи по входу; кривая с - конфигурация с общей базой при 1С= 3.7 мА с обратной связью по входу; кривая (I - конфигурация с общим эмиттером при 1С= 20 мА и двумя цепями обратной связи по входу; кривая с - конфигурация с общим эмиттером при Ц= 3.7 мА и двумя цепями обратной связи по входу. Точки Р| и Г'з соответствуют измерениям на калориметрической ячейке для конфигураций, представленных кривыми Ь и с.

Рис. 6. Конструкция модуля газового ионизационного калориметра с 30-мм стальными поглотителями и сдвоенным газовым зазором по 3 мм.

Front section

tdHZOns

—О Q-

C«30pF

Back section

td=20ns

АЛС

АОС

Рис. 7. Эквивалентная электрическая схема электроники считывания ячейки детекто-а. Кривые показывают распределение амплитуд сигналов от электромагнитного ливня в азорах по глубине ячейки калориметра.

Рис. 8. Зависимость среднего отклика калориметра для электронов с энергией 26.6 ГэВ от давления рабочего газа. Средняя длина свободного пробега электронов в С3Р 8 с чистотой от 99 до 99.99%, приведенная к атмосферному давлению, измерена при отношении высокого напряжения к давлению 830 В/атм для зазора 3 мм.

Рис. 9 демонстрирует слабую зависимость отклика калориметра от длительности измерений, что связано с малой длительностью сигналов. Как следует из рис. 10, стохастический член энергетического разрешения не зависит от давления С3Р8 в диапазоне от 2 до 7 атмосфер.

В части, касающейся электроники, показано, что согласование детектора и передающей линии до предварительного усилителя позволяет получить отклик минимальной длительности при использовании объединения ячеек по глубине калориметра (рис. 11, 12). Зависимости уровня шума от длительности измерений представлены на рис. 13 и 14.

_The signol versus gate width

t

• С/, {P=G ctm)

a 90КАг+10%СГ, (P-r10otrn)

° 90%Ar+1055CF. (P-7.3 atm)

■ С,Г. (P=1.5otm)

140 160

tg , ns

Рис. 9. Зависимость отклика калориметра на электроны с энергией 26 6 ГэВ от длительности измерений при максимальной скорости дрейфа для различных давлений фрео-на-218 и смеси 90% Аг + 10% СР4.

» AFTER SU8T4ACT10N NOISC OF OXCTRONiCS

t^ ■ — ."ЯП rjs

F. - 26.6 CcV

7 В

P . atm

Рис. 10. Зависимость энергетического разрешения калориметра для электронов с энергией 26.6 ГэВ от давления фреона-218 с учетом шума усилителей и после его вычитания при длительности измерений 30 tic и постоянной скорости дрейфа (Е/Р = const).

Полученные результаты позволяют утверждать, что тяжелые фреоны являются перспективной рабочей средой в газовых ионизационных калориметрах и их использование дает возможность значительно снизить рабочее давление при создании «быстрых» детекторов, которые работают в условиях больших загрузок. Показано также, что в случае объединения ячеек калориметра по глубине емкость детектора нельзя рассматривать как сосредоточенную суммарную емкость зазоров.

Рис. 11. Расчетная форма импульса от электромагнитного каскада в передней секции модуля с характеристическим импедансом 25 Ом, соединенной с 4-м передающей линией с волновым сопротивлением 50 Ом при скорости дрейфа электронов 0.1 мм/нс.

Рис. 12. Расчетная форма импульса от электромагнитного каскада в передней секции модуля, согласованной с передающей линией и предварительным усилителем (2=25 Ом) при скорости дрейфа электронов 0.1 мм/нс.

»7 ■

Рис. 13. Зависимость эквивалентного шумового заряда от времени измерений для двух каналов по глубине калориметра с характеристическим импедансом 25 Ом и передающей линией с волновым сопротивлением 50 Ом,

о> 30 -аг

ь

25

го

15

10

3

°0 20 +0 60 80 100 120 140 160

1д, пэ

Рис. 14. Зависимость эквивалентного шумового заряда двух каналов по глубине калориметра от длительности измерений при согласовании детектора, передающей линии и усилителя (2 =25 Ом).

В Заключении перечислены основные результаты диссертационной работы. Они состоят в следующем:

1. Разработаны и исследованы газовые ионизационные калориметры с плоскопараллельной структурой электродов. В частности, для калориметра с урановыми пластинами толщиной 6.5 мм, наполненного смесью 95% Аг + 5% СР4 при давлении 40 атмосфер, энергетическое разрешение имеет вид

о(Е)/Е = 3.3/Е © (0.69Л/Е + 0.016), где Е в ГэВ, причем стохастический член практически не зависит от давления в интервале от 5 до 40 атмосфер.

2. Другой важной характеристикой калориметров является отношение е/Ь откликов на электроны и адроны. Для калориметра с 6.5-мм урановыми поглотителями и рабочим газом 95% Аг + 5% СЕ» при давлении 40 атмосфер получено близкое к единице значение е/Ь=1.17±0.03. При добавлении в рабочий газ метана, содержащего атомы водорода, это отношение уменьшилось до 1.07±0.03. По-

_ Ф

„ 0

: § *

- • Брюе З!гпи1а1:юп

в НУ ОЫ

",.....,„, 1 , , ,-!_ □ НУ (ЖР 1 . ( ! 1,*, ,, 1„ Г 1 1 -11 \ -1—

казано, что е/Ь зависит от длительности стробимпульса АЦП и его положения относительно сигнала с калориметра и может оказаться даже меньше единицы. Возможность получения близкого к 1 значения е/Ъ является важным достоинством ионизационных газовых калориметров.

3. Ключевой проблемой при создании газовых ионизационных калориметров является уровень шума регистрирующей электроники при высоком ее быстродействии. Проведенный анализ характеристик быстрых токовых усилителей с фиксированным входным сопротивлением 50 Ом для адронных калориметров с сосредоточенной емкостью показал, в частности, что уровень шума определяется током головного элемента, не зависит от схемы его включения и может быть доведен до 8 ке при емкости ячейки 290 пФ.

4. Прямой способ понижения давления рабочего газа без потери амплитуды сигнала - применение газов с высокой плотностью. К таким газам относится фреон С3Р8, плотность которого в 4.4 раза выше, чем у смеси Аг+СР4, при примерно одинаковой скорости дрейфа электронов. Выполненные измерения показали низкий уровень собственной электроотрицательности этого газа при используемых в ионизационном режиме напряженностях электрического поля: средний пробег электрона в СзРЕ при атмосферном давлении и чистоте 0.9999 составляет 2.25 см , что значительно превышает ширину газового промежутка в исследованных калориметрах.

5. Разработан и исследован газовый ионизационный калориметр с модульной структурой и плоскопараллельной геометрией электродов. Энергетическое разрешение для электронов с энергией 26.6 ГэВ у сборки из двух модулей, каждый из которых содержит шесть 30-мм стальных конверторов и заполнен фреоном С3р8, оказалось близким к 7% после вычитания шума электроники, что согласуется с результатами моделирования. Эта величина почти не зависит от давления рабочего газа в интервале от 2 до 7 атмосфер.

6. Продемонстрировано, что объединение ячеек по глубине калориметра при условии согласования детектора с каналом регистрации позволяет достичь длительности выходного сигнала 40 не при скорости дрейфа электронов в рабочем газе ~0.1 мм/нс, характерной для «быстрых» газов, включая фреон СзР= и смеси Аг+СР4, без потери амплитуды сигнала.

7. Показано, что в случае объединения ячеек калориметра по глубине емкость детектора нельзя рассматривать как сосредоточенную суммарную емкость зазоров для расчетов шумовых характеристик детектора.

Список литературы

[1] First investigation of the gas ionization electromagnetic calorimeter using heavy freon C3F8.

Yu.V. Gilitsky, S.P. Denisov, A.Yu. Dushkin, V.N. Mikhailin, V.A. Onuchin, A.P. Soldatov, V.V. Sytnik, I.V. Shein (Serpukhov, IHEP). 1997. Instrum.Exp. Tech. 40: 595-599, 1997. Приборы и Техника Эксперимента, 40N5, стр. 12-16, 1997.

[2] Use of heavy freons in gas ionization calorimetry.

S.P. Denisov, A.Yu. Dushkin, Yu.V. Gilitsky, V.N. Mikhailin, V.A. Onuchin, I.V. Shein A.P. Soldatov, V.V. Sytnik (Serpukhov, IHEP). IFVE-96-74, IHEP-96-74, Sep 1996. 7 pp.

Presented at the 6th International Conference on Calorimetry in High-energy

Physics (ICCHEP 96), Rome, Italy, 8-14 Jun 1996.

Published in "Frascati 1996, Calorimetry in high energy physics" 165-170.

[3] A fast gas ionization calorimeter filled with C,Fs for operation at high counting rates and hard radiation environment.

S. Denisov, A. Dushkin, N. Fedyakin, Yu. Gilitsky, M. Lyudmirsky, A. Spiridonov, V. Sytnik (Serpukhov, IHEP & Moscow State U.). Presented at the 8th Vienna Wire Chamber Conference (WCC 98), Vienna, Austria, 23-27 Feb. 1998.

Published in Nucl. Instrum. and Meth. A419: 590-595, 1998.

[4] Analysis of noise, speed and dynamic range of fast low-noise preamplifiers for termination of transmission lines. N. Fedyakin and Yu. Gilitsky.

Nucl. Instrum. and Meth., A346, P. 292, 1994.

Рукопись поступила 2 октября 2008 г.

Ю.В. Гилицкий.

Газовая калориметрия для экспериментов с высокими загрузками. Редактор Н.В. Ежела.

Подписано к печати 06.10.2008. Формат 60 х 84/16. Офсетная печать. Печ.л. 1.06. Уч.-изд.л. 0,85. Тираж 100. Заказ 62. Индекс 3649.

ГНЦ РФ Институт физики высоких энергий, 142281, Протвино Московской обл.

■у

Индекс 3649

АВТОРЕФЕРАТ 2008-13, ИФВЭ, 2008

Введение,

1 Калориметрия в экспериментах физики высоких энергий

1.1 Электромагнитные и адронные ливни.

1.2 Энергетическое разрешение калориметров.

1.3 Примеры использования калориметров в физических экспериментах.

1.4 Радиационная стойкость калориметров.

2 Адронный газовый ионизационный калориметр

2.1 Конструкция и выбор активной среды адронного калориметра.

2.2 Регистрирующая электроника.

2.3 Измерение шумовых характеристик детектора.

2.4 Схема эксперимента.

2.5 Основные результаты.

2.6 Анализ шумовых характеристик, быстродействия и динамического диапазона токовых усилителей, согласованных с передающей линией, при сосредоточенной емкости детектора.

3 Газовый ионизационный калориметр с модульной структурой

3.1 Выбор конструкции модуля и рабочего газа.

3.2 Конструкция модуля газового ионизационного калориметра

3.3 Регистрирующая электроника.

3.4 Измерения и основные результаты.

3.5 Согласование детектора с передающей линией и усилителем

3.6 Результаты измерений.

Калориметры, используемые для измерения энергии частиц, стали неотъемлемой частью экспериментальных установок во всех крупных экспериментах последних десятилетий в области физики высоких энергий. Они являются важнейшей частью ведущихся и готовящихся экспериментов на встречных пучках (эксперименты CDF и DO на коллайдере TEVATRON в лаборатории FNAL, США, эксперименты ATLAS, CMS, LHCb на коллайдере LHC в CERN, Швейцария) и ускорителях с фиксированными мишенями (эксперименты СВМ и PANDA на ускорителе FAIR лаборатории GSI в Германии и опыты на будущем высокоинтенсивном протонном ускорителе J-PARC в лаборатории КЕК, Япония).

Все достоинства данного класса приборов хорошо известны, широк спектр их реализаций, позволяющий достаточно быстро решать сложные задачи, выдвигаемые новыми экспериментами. Основным достоинством этих детекторов является улучшение их точностных характеристик с ростом энергии частиц и струй. Современные калориметры обладают как правило высокими быстродействием и сегментацией, что позволяет использовать информацию с них не только для измерения энергии, но и для идентификации частиц и определения их координат, а также формировать высокоселективный триггер на события с интересующей топологией, что важно в экспериментах с высокими загрузками.

Но устойчивая тенденция роста числа каналов съема информации до сотен тысяч, ужесточение противоречивых требований на повышение быстродействия и точности, а также использование их в сильных магнитных полях при высоких радиационных нагрузках из-за постоянного роста энергии и интенсивности ускорителей например, в коллайдере LHC плановая светимость должна составлять 1.0x1034cm"2c1 с последующим увеличением на порядок при энергии пучков 7ТэВ и интервалом между взаимодействиями 25нс) требует поиска новых решений при создании калориметров. По этим же причинам становится практически невозможно рассматривать калориметр без учета дальнейшего тракта съема полезного сигнала, так как оптимальные точностные характеристики, необходимые в конкретном эксперименте, могут быть достигнуты при откликах калориметров значительно больше интервала между событиями.

Существует множество типов калориметров, созданных для различных экспериментов в физике высоких энергий, но вышеперечисленным требованиям удовлетворяют далеко не все. В частности, особенно высокой радиационной стойкостью обладают кварцевые и ионизационные калориметры. Именно поэтому на коллайдере LHC в качестве переднего калориметра установки CMS используется кварцевый вариант, а в эксперименте ATLAS-жидкоаргонный, радиационная нагрузка которых за десять лет должна составить более 1Град.

Одним из перспективных направлений в калориметрии являются детекторы на базе газовых ионизационных камер, так как подвижность носителей заряда в газах на порядок выше, чем в жидкостях. Газовые ионизационные калориметры обладают хорошим энергетическим и временным разрешением, а также высокой радиационной стойкостью. Поэтому разработки в этом направлении являются важными и актуальными.

В настоящей диссертации представлены результаты разработок и исследований газовых ионизационных адронных калориметров. Так как основные точностные характеристики данного типа приборов энергетическое, пространственное, временное разрешения, уровень шумов и др.) во многом определяются электронным трактом и, в первую очередь, предварительным усилителем, особое внимание в диссертации уделено вопросам электроники.

Настоящая диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. В первой главе дана классификация калориметров и описаны физические процессы, определяющие их характеристики, а также приведены различные реализации в современных экспериментах и дан их сравнительный анализ. В ней рассмотрены также вопросы, связанные с работой калориметров при высоких радиационных нагрузках и оценены пределы радиационной стойкости различных типов калориметров. Вторая глава посвящена вопросам разработки и измерения характеристик газового ионизационного адронного калориметра с плоскопараллельной геометрией электродов. Особое внимание в ней уделено оптимизации характеристик регистрирующей электроники. В частности, было показано, что при кабельном соединении между детектором и предварительным усилителем, уровень шумов определяется током через головной элемент усилителя с фиксированным входным сопротивлением и не зависит от схемы его включения, что позволяет вынести регистрирующую электронику из радиационно опасной зоны без потери быстродействия детектора. Указанные исследования были проведены впервые. Результаты исследований характеристик тяжелого фреона-218 как

Заключение

В настоящей диссертации представлены результаты исследований адронных газовых ионизационных калориметров с плоскопараллельной геометрией электродов, выполненных на пучках адронов и электронов ускорителя ИФВЭ в области энергий до 60 ГэВ. Измерения проводились для двух типов калориметров: с единым ( общим ) газовым объемом и с модульной структурой. В качестве активного вещества использовались газовые смеси Аг+СБд и чистый фреон С3р8 при различных давлениях. Пассивными поглотителями-конверторами служили пластины из урана и стали различной толщины.

Основной характеристикой калориметров является энергетическое разрешение. Для калориметра с урановыми пластинами толщиной ^=6.5мм, наполненного смесью Аг+СР4 при давлении 40 атмосфер, оно оказалось равным: с(Е)/Е = 3.3/Е 0 (0.69Л/Е + 0.016), Е в ГэВ, причем стохастический член практически не зависит от давления в интервале от 5 до 40 атмосфер. Тонкая продольная сегментация данного калориметра позволила изучить зависимость параметра В в стохастическом члене от толщины одного поглотителя:

ВЛ/Е = 0.57^Е © 0.37Л/Е, где I представлено в единицах ^

Другой важной характеристикой калориметров является отношение е/Ь откликов на электроны и адроны. Для калориметра с 6.5мм урановыми поглотителями с рабочим газом 95%Аг+5%СР4 при 40 атмосферах получено близкое к единице значение е/Ъ=1.17±0.03. При добавлении в рабочий газ метана, содержащего атомы водорода, это отношение уменьшилось до 1.07±0.03. Было показано, что е/Ъ зависит от длительности строб-импульса АЦП и его положения относительно сигнала с калориметра и может оказаться даже меньше единицы. Возможность получения близкого к 1 значения е/Ь является важным достоинством ионизационных газовых калориметров.

Ключевыми проблемами при создании газовых ионизационных калориметров являются уровень шума регистрирующей электроники, возможность электрического объединения ячеек по глубине без потери быстродействия и снижение давления газа без ухудшения отношения сигнала к шуму. Представленный в диссертации анализ характеристик быстрых токовых усилителей с фиксированным входным сопротивлением 50 Ом для адронных калориметров с сосредоточенной емкостью показал, в частности, что уровень шума определяется током головного элемента, не зависит от схемы его включения и может быть доведен до 8ке при емкости ячейки 290пФ. Продемонстрировано также, что объединение ячеек по глубине калориметра при условии согласования детектора с каналом регистрации позволяет достичь длительности выходного сигнала 40 не при скорости дрейфа электронов в рабочем газе 0.1мм/нс, характерной для «быстрых» газов, включая фреон С3Р8 и смеси Аг+СР4, без потери сигнала.

Прямой способ понижения давления рабочего газа без потери амплитуды сигнала - применение газов с высокой плотностью. К таким газам относится фреон С3Р8, плотность которого в 4.4 раза выше, чем у смеси Аг+СР4, при примерно одинаковой скорости дрейфа электронов: Выполненные измерения показали низкий уровень собственной электроотрицательности этого газа при используемых в ионизационном режиме напряженностях электрического поля: средний пробег электрона в С3Р8 при атмосферном давлении и чистоте 0.9999 составляет 2.25 см и значительно превышает ширину газового промежутка в исследованных калориметрах.

Другой способ решения «проблемы» давления рабочего газа -использование модульной структуры калориметра, в которой произведение объема газа в данном модуле на его давление является достаточно малой величиной, допускающей эксплуатацию детектора без специальных мер безопасности. Такой модуль был спроектирован, изготовлен и исследован в пучке электронов с энергией 26.6 ГэВ. Разрешение по энергии для сборки из двух модулей, каждый из которых содержит шесть 30 мм стальных конвертора и заполнен фреоном СзРв, оказалось близким к 7% после вычитания шумового вклада, что согласуется с результатами моделирования. Эта величина почти не зависит от давления рабочего газа в интервале от 2 до 6 атмосфер.

Таким образом, в диссертационной работе впервые проведены детальные исследования газовых ионизационных калориметров для измерения энергии адронов, включая регистрирующую электронику. Основными достоинствами данного типа детекторов являются:

• хорошее энергетическое разрешение;

• высокие быстродействие и временное разрешение, связанные с высокой скоростью дрейфа электронов в рабочих газах;

• хорошая однородность для плоскопараллельной геометрии электродов, что нашло отражение в малой величине постоянного члена в формуле для разрешения по энергии;

• высокая стабильность, обусловленная слабой зависимостью скорости дрейфа от высокого напряжения и отсутствием внутреннего усиления;

• очень высокая радиационная стойкость, основанная на возможности использовать только материалы, выдерживающие большие радиационные нагрузки, и быстро и часто менять активную среду, если это необходимо;

• простая относительная электронная калибровка, позволяющая быстро и с высокой точностью выравнивать отклики каналов;

• высокая надежность и низкая стоимость.

В заключении считаю своим приятным долгом поблагодарить С.П. Денисова за предложение участвовать в исследованиях газовых ионизационных калориметров, руководство диссертационной работой и помощь при подготовке диссертации, И.В. Котова, В.И. Кочеткова, Ю.В. Михайлова, С.А. Мухина, В.А. Онучина, А.П. Солдатова, A.A. Спиридонова, Д.Ю. Струздюмова, В.В. Сытника, H.H. Федякина,

К.Е. Шестерманова за большой вклад в многолетние исследования свойств газовых ионизационных калориметров, А.Ю. Душкина, В.Н. Михайлина, И.В. Шеина за активное участие в создании и эксплуатации установки, И.Н. Белякову, В.В. Волкову , О.Н. Ромашову, Т.В.

Закорючкиной, С.А. Звягинцеву, Н.Е. Филимонову за вклад в создание и тестирование прототипов калориметров и регистрирующей электроники. I

1. U. Amaldi, Phys.Scripta, 23, 710 (1981).

2. B. Rossi, High Energy Particles, New York, Prentice Hall, 1952.

3. C. Fabjan et al., Ann. Rev. Nucl. Part. Sci., 32:335-89, 1982.

4. D. Crawford et al., Phys. Rev., 128, P352, 1962.

5. E. Longo et al., Nucl. Instr. And Meth., A128, P. 183, 1975.

6. H. Nagel, Z. Physik, 186, P.319,1965.

7. W.- M. Yao et al, Journal of Physics, G33, 1, 2006.

8. Y. Kulchitsky et al., Preprint JINR-E1-99-3 26, 1999.

9. C. Fabjan, Preprint CERN-EP/85-54, 1985.

10. G. Drews et al., Nucl. Instr. And Meth., A290, P.335, 1990.

11. R. Wigmans, Nucl. Instr. And Meth., A259, P.389, 1987.

12. A. Diddens et al., Nucl. Instr. And Meth., A178, P.27, 1980.

13. P. Adzic et al., CERN-CMS-NOTE-2006-148, 2007.

14. A. Dolgopolov et al., Preprint IHEP 98-25, Protvino, 1998.

15. V. Anikeev et al., Preprint IHEP 97-32, Protvino, 1997.

16. V. Fanti et al., Nucl. Instr. And Meth., A344, P.507, 1994.

17. V. Aulchenko et. al., Nucl. Instr. And Meth., A327, P. 193, 1993.

18. G. Atoian et al., Nucl. Instr. And Meth., A584, P.291, 2008.

19. G. Avoni et al., Nucl. Instr. And Meth., A580, P. 1209, 2007.

20. D. Gingrich et al., Nucl. Instr. And Meth., A389, P.398, 1997.

21. R. Wigmans, Nucl. Instr. And Meth., A265, P.273, 1988.

22. E. Bernardi et al., Nucl. Instr. And Meth., A262, P.229, 1987.

23. U. Behrens et al.„ Nucl. Instr. And Meth., A289, P.l 15, 1990.

24. A. Bernstein et al., Nucl. Instr. And Meth., A336, P.23, 1993.

25. F. Ariztizabal et al., Nucl. Instr. And Meth., A349, P.384, 1994.

26. S. Abachi, Nucl. Instr. And Meth., A324, P.53, 1993.

27. R. Arnaldi et al., Nucl. Instr. And Meth., A411, P. 1, 1998.

28. X. Aslanoglou et al., Eur. Phys. J., C.52, P.495, 2007.

29. A. Peisert, F. Sauli, CERN Preprint 84-08, Geneva, 1984.

30. T. Yamashita et al., Nucl. Instr. And Meth. A317 P.213, 1992.

31. N. Fedyakin et al., Nucl. Instr. And Meth. A 317 P.313, 1992.

32. P. H. Краснокутский и др., ЭЧАЯ 22(1), Стр.265, 1991.

33. Р. D. Angelo, Nucl. Instr. And Meth. A193 P.533, 1982.

34. J. Fisher et al., Nucl. Instr. And Meth. A238 P.249, 1985.

35. P. H. Краснокутский и др., Приборы и техника Эксперимента №3, Стр.123, 1988.

36. Р. Н. Краснокутский и др., Приборы и Техника Эксперимента №5, Стр.118, 1988.

37. S. Denisov et al., Nucl. Instr. And Meth., A335, P.106, 1993.

38. N. Fedyakin et al. Preprint IHEP 92-126, Protvino, 1992.

39. M. Akopyan et al. Nucl. Instr. And Meth. A330 P.465, 1993.

40. R. Chase et al. Nucl. Instr. And Meth. A330 P.228, 1993.

41. P.W. Nicholson, Nuclear Electronics. Wiley, 1982.

42. Ф.Г. Абрамов и др. Приборы и Техника Эксперимента №2, Стр.111, 1984.

43. В. Томановская и др., изд-во Химия, Ленинградское отд-е, 1970.

44. S. Hunter et al., Phys. Rev. A 38 P.58, 1988.

45. S. Spirou et al., J. Chem. Phys. V78(12), P.7200, 1983.

46. S. Hunter et al., J. Appl. Phys. V58(8), P.3001, 1985.

47. H. Schonbacher et al., Preprint CERN 79-04, Part 1, Geneva, 1979.

48. V. Babintsev et al., Preprint IHEP 94-24, Protvino, 1994.

49. P. Nevski et al., ATLAS Int. Note CAL-No-043, CERN, 1994.

50. V. Konstantinov et al., Preprint IHEP 93-117, Protvino, 1993.

51. S. Denisov et al., Prepared for 5th International Conferenceon Calorimetry in High-energy Physics, Upton, NY, 25 Sep 1 Oct 1994. In *Upton 1994, Calorimetry in high energy physics, P.380.

52. S. Denisov et al., Given at 4th International Conference on Calorimetry in High-energy Physics, La Biodola, Italy, P. 19, Sep 1993. In *La Biodola 1993, Calorimetry in high energy physics, P. 49.

53. Ю. Гилицкий и др., Приборы и Техника Эксперимента, 40 №5. Стр. 12,1997.

54. S. Denisov et al., Preprint IHEP 96-74 , Protvino, 1996 Prepared for 6th International Conference on Calorimetry in High-energy Physics (ICCHEP 96), Rome, Italy, 8-14 Jun 1996. Published in *Frascati 1996, Calorimetry in high energy physics* P. 165.

55. S. Denisov et al., Nucl.Instrum.Meth., A419, Р590Д998. Given at 8th Vienna Wire Chamber Conference (WCC 98): Wire Chambers: Recent Trends and Alternative Techniques, Vienna, Austria, 23-27 Feb 1998.

56. N. Fedyakin, Yu. Gilitsky, Nucl. Instr. And Meth., A346, P. 292, 1994.

57. G. Battistoni et al., Nucl. Instr. And Meth. A424 P.533, 1998.