Газовые Резистивные Плоско-Параллельные Камеры для идентификации частиц методом времени пролета тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Институт Теоретической и Экспериментальной Физики им А И Алиханова

На правах рукописи

(О—£

Акиндинов Александр Владимирович

ГАЗОВЫЕ РЕЗИСТИВНЫЕ ПЛОСКО-ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ КАМЕРЫ ДЛЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ ЧАСТИЦ МЕТОДОМ ВРЕМЕНИ ПРОЛЕТА

Специальность 01 04 01 - приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

иозов1429

Москва - 2007г

003061429

УДК 539 12

Работа выполнена в ГНЦ РФ «Институт Теоретической и Экспериментальной Физики» им А И Алиханова

Научный руководитель

доктор физ -мат наук Киселев Ю Т (ГНЦ РФ ИТЭФ, г Москва)

Официальные оппоненты

Ведущая организация

доктор физ -мат наук Комаров В И (ОИЯИ, г Дубна)

кандидат физ -мат наук Акимов Д Ю (ГНЦ РФ ИТЭФ, г Москва)

Институт общей и ядерной физики РНЦ «Курчатовский институт», г Москва

Защита состоится «09» октября 2007 г в 11 часов на заседании диссертационного совета Д201 002 06 в конференц-зале ГНЦ РФ ИТЭФ по адресу г Москва, ул Б Черемушкинская д 25

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ ИТЭФ

Автореферат разослан «07» сентября 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат физико - математических наук / Васильев В В

1. Общая характеристика работы

1.1 Актуальность темы

Исследование ядро-ядерных взаимодействий при сверхвысоких энергиях направлено на изучение экстремального состояния вещества при высоких температурах и (или) плотностях, на поиск новых форм адронной материи Для проведения таких исследований необходимы детекторы нового поколения, способные к идентификации большого числа частиц. Важным элементом систем идентификации являются детекторы времени пролета Разработка и создание детектора, обладающего такими свойствами как высокая гранулярность при большой площади способность работать в сильных магнитных полях высокая эффективность регистрации хорошее временное разрешение являются актуальной задачей

1.2 Цель диссертационной работы

Диссертация посвящена исследованию свойств газовых Резистивных Плоско- Параллельных Камер (РГТПК) и возможности их использования для идентификации частиц методом времени пролета Первой целью работы являлось получение высокого временного разрешения (о < 100 пс ) в камерах с плоско-параллельной геометрией, работающих в режиме насыщенной лавины Для этого было изучено влияние на временные характеристики конструкции камеры, материала электродов, величины и количества зазоров, состава газовой смеси Второй целью исследования было повышение загрузочной способности и радиационной стойкости РППК путем использования различных низкорезистивных материалов Третья цель работы - поиск оптимальных способов интеграции РППК в большие модули и измерение характеристик больших времяпролетных систем

1.3 Научная новизна и практическая ценность

До середины 90-х годов не существовало иной технологии времяпролетных измерений для идентификации частиц кроме использования сцинтилляционных счетчиков на основе ФЭУ Для проведения экспериментов на новых ускорителях, таких как LHC [1], SIS-100/300 (FAIR-проекг) [2], RICH, необходима принципиально новая методика, позволяющая создавать идентификационные плоскости площадью не менее 100 м2 и работающая в

сильном магнитном поле с временным разрешением лучше 100 псек Изложенные в диссертации результаты исследований показали, что РППК, работающие в режиме насыщенной лавины, полностью удовлетворяют требованиям, предъявляемым к времяпролетным системам нового поколения

Успешно решены вопросы интеграции детектора в большие системы, найдены способы увеличения загрузочной способности и радиационной стойкости РППК На основе этой методики создается времяпролетная система установки ALICE [3-6] Использование аналогичных систем планируется в экспериментах СВМ и STAR

1.4 Положения, выносимые на защиту

1 Методика и результаты измерений временного разрешения и эффективности РППК для различных типов конструкций камер и газовых смесей

2 Результаты исследований различных низкорезистивных материалов, направленных на повышение загрузочной способности и радиационной стойкости РППК

3 Модульный принцип организации больших идентификационных плоскостей и результаты измерений параметров двух различных модулей-прототипов, реализация времяпролетной системы для эксперимента ALICE

1.5 Личный вклад диссертанта

Диссертант внес существенный вклад в развитие методики временных измерений Газовыми Плоско-Параллельными Камерами Он участвовал в организации пучков для тестирования РППК в ИТЭФ и CERN, в сборке различных типов детекторов и модулей прототипов Диссертантом проведена значительная часть измерений и обработки их результатов, подготовка публикаций и докладов на конференциях.

1.6 Апробация работы и публикации

Результаты работа докладывались на 5-й, 7-й и 8-й международных конференциях «Resistive Plate Chambers and Related Detectors» (Бари, Италия 28-29 октября 1999г, Клермон-Ферране, Франция 26-27 июля 2003г, Сеуле, Корея 10-12 октября 2005г) и на VIII международной конференции «Instrumentation for Colliding Beam Physics» (Новосибирск, Россия, 28 февраля-6 марта 2002года)

Диссертация основана на результатах работ, опубликованных в период с 2000 по 2007 год в журналах «Nuclear Physics В», «Nuclear Instruments and Methods ш Physics Research», в материалах международных конференций и проектной документации экспериментов ALICE и СВМ

1.7 Объем и структура диссертации

Работа изложена на 52 страницах, состоит из введения, четырех глав и заключения, включает 38 рисунков Список цитируемой литературы содержит 20 наименований

2. Содержание работы

Во введении к диссертации изложены основные направления исследований ядро-ядерных взаимодействий на современных и строящихся ускорителях [1] На примере детектора ALICE показана необходимость эффективной регистрации и надежной идентификации максимального числа вторичных частиц, несущих важную информацию о свойствах и динамике систем, образованных в ион-ионных столкновениях; эволюции их температуры и плотности, о возможном фазовом переходе адронной материи в кварк-глюонную плазму

Создание новой времялролетной методики продиктовано требованиями высокого временного разрешения, значительного увеличения площади и гранулярности идентификационных систем, возможностью их использования в сильных магнитных полях Применение традиционного метода временных измерений на основе сцинтилляторов и фотоумножителей в этих условиях становится невозможным как по техническим, так и финансовым причинам Времяпролетные модули установки ALICE с общей площадью 150 м2, содержащие 158000 ячеек РППК, позволят с высокой эффективностью регистрировать до 15000 частиц и идентифицировать их в диапазоне импульсов от 0.8 до 2.5 ГэВ/с [1]

В первой главе кратко описаны основные режимы работы газовых камер с плоской геометрией Рассмотрен механизм образования электронной лавины, ее переход в стример и анализируются факторы, влияющие на эффективность и временное разрешение детектора Обсуждаются требования, предъявляемые к газовым смесям и механическим характеристикам камер Показано, что использование резистивных слоев обеспечивает в широком диапазоне напряженности электрического поля режим насыщенной лавины с минимальным процентом стримеров и позволяет создать высокоэффективные камеры с временным разрешением менее 100 псек

На рис 1 показана схема ППК с одним газовым зазором, который образован двумя плоскопараллельными электродами, и развитие разряда в ней После прохождения ионизующей частицы через газовый зазор вдоль её трека образуются кластеры первичной ионизации Под воздействием внешнего электрического поля из первичной ионизации начинает развиваться лавинный разряд Это приводит к возникновению индуцированного заряда на электродах ППК Количество электронов п при развитии лавины будет возрастать по

направлению от катода к аноду в результате ударной ионизации, характеризуемой коэффициентом ударной ионизации а и убывать вследствие захвата электронов с коэффициентом /} Соответственно будут изменяться количества положительныхр и отрицательных /V ионов:

Полное число ЭВДСтронов при прохождении расстояния д: - v* t, где v скорость развития лавины и t время развития лавины, будет определяться как:

ф)a eL" '»', р{х) = --—-(е'а "" -1) N - р-н . (2)

(а-7})

Индуцированная быстрая компонента тока (движением ионов за время развития лавины пренебрегается) и индуцированный заряд за время дрейфа из точки образования кластера Хд с Nn электронами первичной ионизации будет выражаться в виде:

Г" = -v£ qJ-'^N., Q = \r"dl = 41 -1), 7' = ^—^ . (3)

i (a-V) v

Разброс време)! сбора порядка ((l'v)

Полный сигнал будет определяться суммой от всех кластеров, распределенных в зазоре по вероятности Пуассона со средним числом X*d, где X ■- плотность первичных кластеров. Плотность вероятности распределения заряда Q для j кластера, считая от катода, дается формулой:

р(о)~ В«Г—Л—Й = (4)

U a-tj)J

Для реальных условий высоких напряженностей поля (а-//)»Я вклад в детектируемый сигнал дает лишь один кластер, ближайший к катоду, поэтому ■зона детектируемых сигналов не превышает примерно половины зазора. Это обстоятельство значительно улучшает временное разрешение, но создает проблему с эффективностью. Распределение сигналов и временное разрешение в этом случае имеют вид:

/(с'Ьг-Ц^тг (5)

Q т- ЧР Q«r

гд.е K=f(d,X) Дополнительной) улучшения характеристик можно добиться, суммируя сигналы с нескольких зазоров. Это полностью решает проблему С эффективностью и улучшает временное разрешение за счет усреднения точки образования первого кластера.

Работы группы ИТЭФ по ПИК полностью подтвердили сделанные выше выводы. Для двухзазорвой камеры с размером зазора 0.6 мм. было получено разрешение на уровне 200 не. и эффективность регистрации более 93 % (рис. 2.).

TOF Resolution, А > 29 ДОС di, б 44.4%

" ' —'" ,/■■: к» ai

°si®rpc= 244 - ЕГ - Nigli volmgc

/

- lov peec

V

\ \

\

D

I - spíÍщ ж

у.. -a

! \ i

0

- High voltage 7

V-CJD J- ■!—|l

Tiirc, ps

Рис. 2. Временное разрешение и эффективность регистрации для двухзазорной

ППК с зазором 0.6 мм

Дальнейшее улучшение разрешения возможно при дальнейшем увеличении приложенного поля и уменьшении величины зазора, но в этом случае при величине (а(1)--20 происходит переход разряда в искровой режим,

приводящий к пробою электроники и появлению по л и м ери зац ион н о й пленки на поверхности электродов.

Решением проблемы пишется использование резистивных электродов с наличием локального НС контура, который не позволяет развиться искре. Данная камера может работать как в режиме насыщенной лавины, когда поле объемного заряда сравнимо с внешним, так и стримерном. Но для стримерного режима, несмофн на высокое временное разрешение а < 30 псек. (скорость развития лавины на порядок больше лавинного режима), во временном спектре справа появляется длинный «хвост», связанный с разбросом времени лавшшо-¡.'три мерного перехода Па рис. 3. показан временной спектр детектора Пестов а и два импульса, соответствующие разным временам перехода лавинного импульса (малый предимпульс на нижней осциллограмме) в стримерныв. Это обстоятельство делает невозможным использование зтого режима для разделения двух различных частиц с одинаковыми импульсами и близкими массами, когда количество частиц с большей массой составляет 1015 % от количества частиц с меньшей массой (л и К мезоны). Руководствуясь этим, с ¡998 года все работы по созданию детектора для времяпролетных измерений ведутся только с детекторами в насыщенной лавинной моде, предложенными группой ИТЭФ.

-1 -0.5 0 0.5 1 1.5 ДЦПЗ)

Рис. 3. Временной спектр детектора Нестова и эффект, приводящий к появлению «хвостов» (порог регистрации выставлен но сгримерному

импульсу).

Неизменность ноля в зазоре, обеспечивающая постоянство скорости дрейфа и отсутствие стримеров на локальных неоднородностях, накладывает требования к материалам электродов. При работе в полях более 50 кВ/мм

а = 1О0р5

а г^Ора |а|| = № (£*)

£ КГ-*.,17КУ

а г130|»

плоскостность и шероховатость поверхности должны быть не хуже 5 микрон для камеры с зазором менее 400 микрон. Данному требованию отвечают только электроды, выполненные на стеклянных и керамических подложках. Это определяет две возможные конструкции камеры, представленные на рис. 4. В первом случае само иол у про водящее стекло (Ю130м*см) содержит локальный RC контур (RPC, РППК), во втором контур создается иапылением резистивного материала SiC (DRPC, ДРПК) [3,7,8].

(я) HV

Gas Gap

HV

Рис. 4. Два метода создания локального гасящего RC контура: слева ДРППК, справа два варианта Р1ШК с резистивныМ (а) и металлическим катодами (Ь).

Во второй главе описываются методика и результаты измерений эффективности регистрации и временного разрешения РППК со стеклянными электродами в зависимости от величины и количества зазоров, состава газовой смеси. По результатам измерений выбран оптимальный детектор с точки зрения величины разрешения, эффективности, точности сборки и стоимости. Измерение характеристик камер проводилось в ИТЭФ на пучке 223 и в ЦЕРН на пучке 'ПО. Пучки были оборудованы стартовыми системами на основе сцин'тилляционных детекторов для получения опорного временного сигнала с разрешением 50 нсек. в ИТЭФ и 30 пеек*. в ЦЕРН, тригерными счетчиками и пропорциональными камерами для мои итерирования положения пучка и сбора координатной информации. Камера, схематично изображенная на рис. 5, была помещена в алюминиевый боке с тонкими входными с тенками из фольги [4]. Толщина внешних стекол составляла 620 микрон, внутренних 350 микрон. Зазор задавался с помощью отрезков рыболовной лески толщиной от 300 до 200 микрон. Количество зазоров варьировалось от 2 до 3 в каждой половине

füii pick-up dccítode

(anode)

foil high-voltage electrode

(cathode)

/

thin layer of semi conducive ceramics SiCurTiC

камеры. По графитовой пленке подавалось симметричное биполярное напряжение общей величиной до 13 кВ [3 |.

са(Ьнй

сахЬои tape

¡?арз саШснк

ЬооеусотЬ

51фрСЧП

(стйоПтс

620 |1Ш

350

:"г,1:'1.}' !||'с

!Т:)!;'[ *

Рис 5. Конструкция и фотография тестовой РППК.

Сигнал с камеры поступал на быстрый усилитель с временным джиггером менее 15 псек. во всем диапазоне входных зарядов. Усиленный сигнал раздваивался: один сигнал подавался на »ход АЦП, другой после дискриминатора с регулируемым порогом - на вход ВЦП, Эффективность регистрации минимально ионизирующих частиц измерялась как отношение количества событий во временном окис 5 не. к полному числу событий.

Полиноминальная коррекция по зарядовому спектру использовалась для восстановления временного разрешения РППК. Разрешение стартовой системы квадратично вычиталось из полученного разрешения. Камера наполнялась смесью ЗС/оСгНгЕ) + 5% ¡бо-СДц + 5 % На рис 6, приведены

эффективность и временное разрешение для всех испытанных вариантов камеры.

1«! К

„ 90

¡S &

•1 во е

Ш 75 70 65

100 95 _ 90

е

Г

75 70 65

1111

-а

f

J -

f

рбх 2001ЕТП

i г ti й X 310 fjm хЗЮ^т .

■ —- — J 6 J

7.5 8.0 8,5 9.0 9.5 10.0 10.5 11,0 11.5 12.0 Б [kV/mro]

л

Л 1

г. 1 <

л

■ ú х 200 irnn | 6 х 220 цт

—

13) [10 1ГО

40

■зг

а ео о

70 60 50 40

7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11,0 11.5 12.0 ü [kV'miYi}

1S0 ПО 100 90 : 80 70 Ш 50 40

¡ в 6 x 200 ^¿т

й х 260 Jim

ч.

\

*

!

7.5 S.O 8.5 90 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 Б [kV/mmJ

- -ТГ-1-г--X 6х220цгп i.4 х 200 Jim + 2 х 220 рлг

\

7.5 Я.0 8.5 9,0 9,5 10.0 10.5 11.0 11.5 12,0 E IkV/ram]

Рис. 6. временное разрешение и эффективность регистрации для различных

типов РППК.

Из рис. 6. видно, что оптимальными с точки зрения величины разрешения и ширины плато (до 1 кВ/мм) являются шестизазорные камеры с величинами зазоров 230-260 микрон.

Для выяснения влияния точности сборки на временное разрешение во второй серии измерений были повторно собраны: камера с зазором 200 мкм, с зазором 220 мкм и камера, в каждой половине которой один из зазоров имел величину 220 мкм, а два других имели зазор 200 («гибридная» камера). На рис. 6. представлено временное разрешение для трех вариантов камер. Временное разрешение для камер с зазором 200 и 220 мкм совпало с результатами предыдущих измерений с точностью лучше 10 пс. «Гибридная» камера из-за различных величин (a-tj) и v имела худшее разрешение и, что более важно, у нее отсутствовало плато во временном разрешения. Результаты измерения

показали, что точность сборки камер должна быт ь ¡re хуже 10 микрон. Чтобы избежать трудностей, связанных с контролем толщины лески при массовом производстве камер дня эксперимента ALICE, было решено увеличить число зазоров в каждой половине камеры до 5.

С целью оптимизации газовой смеси для камер эксперимента AL1CF, (10 зазоров с величиной 250 микрон) по аналогичной методике были проведены испытания с различными концентрациями отдельных компонентов. На рис. 8 представлены эффективность и временное разрешение РПГТК в зависимости от концентрации СгНгК), iso-QHw и SFfi [9].

HV|V) HV(KV)

Рис. 8. Временное разрешение и эффективность для различных газовых смесей.

Измерения показали [9], что за счет небольшого увеличения рабочего напряжения можно без ухудшения характеристик камер отказаться от использования горючего iso-CiH]», что существенно удешевляет газовую систему и крайне важно с точки зрения безопасности.

После выбора газовой смеси камера была облучена дозой эквивалентной 10 годам работы эксперимента ALICE. Тесты после облучения не выявили изменений эффективности регистрации и временного разрешения в пределах систематических ошибок.

В третьей главе приведены результаты исследований, направленных на улучшение загрузочной способности и радиационной стойкости РППК. Для коммерчески выпускаемого стекла с резистивностмо 10 Ом*см. эффективность и разрешение камер быстро ухудшается уже при загрузках 1 кГц/оц\ Решением является использование ДРППК, где в зависимости от толщины напыления SiC возможно получить резистивность от 103 до 10'2 Ом/а. На рис. 9. приведена зависимость величины временного разрешения ДРПК (4 зазора по 300 микрон) с резистивностъю 10ю Ом/п от загрузки.

Использование ДРППК (4 зазора по 300 мкм) позволяет разделить я и К мезоны на уровне За при временном различии между ними 800 псск. Материалы ДРГ1К обладают высокой радиационной стойкостью, что является дополнительным аргументом при использовании ее в экспериментах с высокой загрузкой [7|.

ьЗда t

Е'ш ■I

Ью {5щ

m Щ

<л 40 !0 0

О о.}

а

2.S

1

I»» — .1SII ;

srn;

4Я> ;■ Ml '

ш ■

JOC ■■

ISO

Ж

3.5 4 U 5 Kelt, Ш-Jaf

¿00 н'Ш ЫК1 Ш

Amplitude 1 at сftoncft

!'ис. 9. Временное разрешение в зависимости от загрузки для камер со стеклянными электродами (2* 10 * Ом*см.) и ДРППК (10 Ом/а) и разделение л и К мезонов ДРПК при загрузке 5 кГц/см2.

В юи

!<С

0л н C[kV]

1

I 140

I 120 Ё

р 10(1 N11 «1

100 98

4 I, S 10 12 14 1« 20

Пли [VHtcnrJ

1 I £

г 3

Рис. 10. Зависимость сопротивления низкорезистивного фосфатного стекла от поданного на электрод напряжения и эффективность регистрации, временное разрешение и процент событий вне гауссова пика в зависимости от загрузки.

В качестве альтернативного подхода была также испытана аналогичная камера на экспериментальном фосфатном стекле с низкой резисгивностью. Камера дала худшие результаты (о > 100 псек) при высоком уровне собственных шумов (рис. 10.) [10].

13 отличие от коллайдерных экспериментов, в экспериментах с фиксированной мишенью загрузки возрастают на несколько порядков.

Поэтому ДРПК и камеры на основе низкорезестивного стекла на сегодняшний день являются наиболее реальными кандидатами для использования в центральной части время пролетной системы детектора СВМ.

В четвертой главе описываются результаты измерений характеристик модулей на основе РППК, и приводится общий вид врем я пролет ной системы, построенной для эксперимента ALICE.

Были проведены исследования двух типов организации системы: в виде отдельных ячеек и в виде сплошных стекол со считывающими палами. Первый 32 - канальный модуль (рис 11) был собран в виде двухслойной шахматной структуры из отдельных РППК (4 зазора по 300 мкм) [8]. Интеграция не привела к существенному ухудшению характеристик по сравнению с одиночными камерами (90 псск. в модуле и 75-80 псск. для одиночной камеры). Временное разрешение и вероятность появления перекрестных наводок (cross-talks) приведены па рис. 11.

1.25 1.5 1.75 2 2.25 percent

Croyst<i!k

1 1 I ' 1 ' ! 1 ' 1 I"'"1 1 I 1 1 " Г1"1

Меал 69рв

г—р

Мекш Sigma

4

2 О

60 70 80 90 100 resolution

0.97 0.98 0 99 ]

Рис. 11. Временное разрешение, эффективность, перекрестные наводки и фотография расположения камер в нервом слое 32-каналыюго модуля РППК

Значение наводок не превысило 1%. Это значение крайне важно при проводке треков в системе, работающей в режиме срабатывания большого числа каналов в каждом событии. Данный вариант интеграции камер предложен для центральной части времяпролетной системы детектора СВМ.

Второй вариант интегрированного модуля представлен на рис. 12. Он Представляет собой камеры на сплошных стеклянных электродах размером 70

на 1200 мм, аналогичные испытанным ранее (на рис 5). Для создания зазора через каждые 2.5 см. проложена рыболовная леска толщиной 250 мкм. Дифференциальное считывание осуществляется с анодных и катодных падов размером 2,5 х 3.5 см2. Для предотвращения краевых пробоев внешние стекла имеют размер 80 мм [4].

Рис 12. Конструкция и общий вид расположения падов во втором модуле на

РППК.

По сравнению с предыдущей, данная конструкция имеет значительно больший процент перекрестных наводок из-за разделения заряда между налами, но более проста в сборке. На рис 13. приведены данные по временному разрешению в зависимости от поданного напряжения (30 падов модуля) и временное разрешение для 152 падов модуля (и-12.5 кВ) [1 Г|. На рис 14 приведены поведения временного разрешения, эффективности регистрации и перекрестных наводок в области между падами [9].

105

11S 12.5 135 Hk|h Voltage (kV)

Constant

182 6082 SZ.94 ВЛ17

. ■ -Jt..

75 100

Resolution (ps)

Рис 13 Зависимость временного разрешения от напряжения для 30 падов модуля и типичное временное разрешение для 152 падов модуля при напряжении и=12 5 кВ

I

а. 8

100 . 80 i ео

40 20 о 100 96 92 88 84 80

~ (а> \i j <Ь)_1

1 1 1 1 — 1 1 1 1 - 1 | \ 1 1 ) 1 1 1 1 1 i!l!i 1 1 1 i 1 1 j (dxl ill

-10 О 10 -10 О 10 Distance from the border (mm)

140 120 100 80 60 40 100 80 60 40 20 О

Рис 14 Зависимости эффективности (а), разрешения (Ь), вероятности сигнала «ИЛИ» (с) и перекрестных наводок при сканировании области между падами

Полученная эффективность регистрации более 95 процентов, временное разрешение ~ 60-70 псек и перекрестные наводки на уровне 16% признаны удовлетворяющими для времяпролетной системы детектора ALICE [4-6] В настоящее время собрано все 1680 модулей и идет тестирование и установка системы в детектор (рис 15) [11]

OulürmtKlick

Рис. 15. Общий вид расположения модулей в супермодуле детектора ALICE и установка супермодуля в магнит L3.

В заключении кратко изложены основные результаты работы: 1. Проведена работа по оптимизации конструкции камеры, числа зазоров и газовой смеси. Результаты измерений дали возможность выбрать конструкцию с наилучшими параметрами'. 6-10 зазоров с размером 230-260 микрон, газовая смесь 93% CjHhK» + 7 % SIv,. Данные камеры имеют

эффективность регистрации более 98% и временное разрешение на уровне 50 пс

2 Для улучшения загрузочной способности РППК была разработана камера на основе керамических электродов с напыленным низкорезистивным слоем SiC Данная камера позволяет получать временное разрешение лучше 100 пс при загрузках выше 5 кГц/см2

3 Изучены системные аспекты интеграции РППК в большие времяпролетные системы Разработаны и испытаны два типа организации модулей в виде отдельных ячеек и на основе сплошных стекол Оба типа модулей имеют высокое временное разрешение (меньше 100 псек) Первый тип имеет низкий уровень перекрестных наводок (меньше 1%), â второй при более высоком уровне (до 16%) более прост при сборке На основе второго варианта построена времяпролетная система детектора ALICE, находящаяся в стадии установки и запуска

Тенденцией в современной экспериментальной физике является замещение технологией РППК традиционной методики времяпролетных измерений с использованием ФЭУ. На основе РППК созданы времяпролетные системы детекторов ALICE и HARP и планируется создание аналогичных систем в детекторах STAR и СВМ

Список публикаций.

1 ALICE Collaboration, Technical Proposal, CERN/LHCC 95-71,

2. Letter of Intent for the CBM Experiment, The CBM collaboration Darmstadt, January 2004

3. ALICE Collaboration, Time-of-fhght system, ALICE TDR 8, CERN/LHCC 2000-12,

4. ALICE Collaboration, Time-of-flight system, Addendum to ALICE TDR 8S CERN/LHCC 2002-16

5 A Akindmov, S Alessandnni, A. Alici, et al., Nuclear Physics В 158 (2006) 7882

6 A Akindmov, S Alessandnni, A Alia, et al. Nuclear Physics В 158 (2006) 6065

7 A Akmdmov, V Golovme, A Martemianov, et al, Nucí Instr, and Meth, A 494 (2002) 474-479

8 A Akindmov, P Fonte, F Formenti, et al., IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE, VOL 48, NO. 5, pp. 1658-1663,2001

9, A Akmdinov, A Alici, F. Anselmo, et al, Nucí Instr. and Meth. A 533 (2004) 93-97

10 A Akindmov, V Ammobov, V. Gapienko, et al., Nucl. Instr. and Meth. A 572 (2007) 676-681

11 А АкшЛпоу, А А1ю], Б Апзе1то, е1 а], №ю1 Ьей- апё МеЛ А 532 (2004) 611-621

Подписано к печати 13 07.07 Формат 60x90 1/16

Уел Печ л 1,15 Уч -изд л 0,73 Тираж 100 экз. Заказ 533

Отпечатано е ИТЭФ, 117218, Москва, Б Черемушкинская, 25

Введение

Глава 1 Режимы работы Плоско-Параллельных газовых детекторов. Зависимость временного разрешения от параметров газовой смеси и газового зазора.

1. Основные режимы работы газовых детекторов с плоскопараллельной геометрией.

2. Формирование и временные параметры импульса в ПлоскоПараллельных газовых детекторах.

1) Формирование сигнала в режиме «чистой лавины» (на примере ППК) и достижимое временное разрешение

2) Использование локального гасящего контура для подавления стримерных и искровых сигналов (РППК)

3) Возникновение искровых и стримерных сигналов и искажение временных характеристик камеры при наличии стримерного и искрового пробоя

3. Основные материалы и требования к точности изготовления детекторов.

1) Керамические и стеклянные подложки

2) Диапазон резистивности материалов, применяемых в РППК

3) Основные конструкции камер и способы съема сигнала

4. Замечания.

Глава 2 Изучение влияния параметров РППК на временное разрешение и эффективность.

1. Конструкция тестовой камеры.

2. Измерение основных параметров камеры

1) Методика измерений

2) Зависимость эффективности регистрации и временного разрешения от параметров камер

3) Зависимость временного разрешения от состава газовой смеси

4) Измерение радиационной стойкости рппк на основе стеклянных электродов

3. Замечания

Глава 3 Повышение загрузочной способности РППК

1. Загрузочная способность РППК для эксперимента ALICE и пути ее увеличения для эксперимента СВМ

2. Введение поверхностной резистивности и использование поликристаллических резистивных материалов.

1) Идея применения поверхностной резистивности

2) Измерение эффективности и временного разрешения в зависимости от загрузки.

3) Пример разделения частиц при больших загрузках.

3. Использование экспериментального низкорезистивного стекла.

1) Измерение резистивности фосфатного стекла

2) Измерение эффективности и временного разрешения в зависимости от загрузки.

4. Замечания.

Глава 4 Модульный принцип организации больших идентификационных систем на основе РППК.

1. Два типа модульной организации системы.

2. 32 канальный модуль на основе одиночных ячеек.

1) Эффективность и временное разрешение

2) Перекрестные наводки

3. Прототип модуля для эксперимента ALICE на основе сплошных электродов.

1) Эффективность и временное разрешение

2) Граничные эффекты и перекрестные наводки

4. Время пролетная система эксперимента ALICE на основе модулей со сплошными электродами

5. Замечания.

Актуальность проблемы

Основными целями исследований ядро-ядерных взаимодействий на современных и строящихся ускорителях являются [1,2]:

• Исследование динамики развития системы после ядеро-ядерного столкновения, эволюции температуры и плотности.

• Получение сигналов о возможном фазовом переходе ядерного вещества в новое состояние - кварк-глюонную плазму.

• Изучение изменений фундаментальных свойств элементарных частиц при высоких температурах и плотностях.

Для наиболее полной реализации этих исследований детектор должен иметь идентификационную систему, позволяющую регистрировать максимальное количество частиц в диапазоне импульсов от 100 МэВ/с до 3 ГэВ/с в режиме "событие-за-событием" («event-by-event»), что требует значительного улучшения чистоты разделения сортов частиц. Кроме того, по сравнению с экспериментами в области физики высоких энергий, в ядерных экспериментах множественности частиц существенно больше, что требует увеличения гранулярности идентификационных систем. В дополнении к этому, все детекторы должны быть нечувствительны к магнитным полям величиной до 1 Тл.

Примером такой идентификационной системы является центральная часть (|г||<0.9) установки ALICE на БАК [1] (сходную структуру имеют другие установки PHENIX и STAR на RIHC). Идентификационная система включает в себя четыре основные детекторные системы (рис. 1): t ri ttuviy Ф игг

07-m 7C0E Cff* мклжи

Рис. 1. Общий вид установки ALICE и основные детекторы идентификационной системы.

1. Внутренний координатный детектор (ITS) - для определения координаты вершины взаимодействия, определения координат распада короткоживущих частиц и идентификации частиц с малыми импульсами (<100 МэВ/с) по потерям энергии. Методика данной подсистемы на основе пиксельных, дрейфовых и стриповых полупроводниковых детекторов хорошо отработана и позволяет получать необходимые разрешения.

2. Основной координатный детектор (ТРС) - для определения импульса частицы по кривизне трека в магнитном поле и идентификации частиц с импульсом <700 МэВ/с по потерям энергии. Данная подсистема реализуется на основе отработанной методики создания дрейфовых камер большого объема.

3. Идентификатор электронов и дополнительный трековый детектор (TRD) для разделения электронов и адронов и получения дополнительной координатной информации о треке частицы. Методика данной подсистемы реализована на многослойных детекторах переходного излучения со считыванием пропорциональными камерами. i 4. Времяпролетный идентификатор частиц (TOF) - обеспечивает идентификацию сорта частицы с известным импульсом по времени пролета в диапазоне от 0.5 до 2.5 ГэВ/с на базе в 3.8 метра (разрешение менее 100 л псек.). Общая площадь системы более 140 м , общее число каналов 150 000.

Все детекторные подсистемы уникальны по числу каналов, объему и требованиям к разрешению, но для реализации детектора времени пролета к началу 90-х годов существовала лишь методика, основанная на традиционных фотоумножителях и сцинтилляторах. Эта методика дает принципиальную возможность получения требуемого временного разрешения, но не реализуема по причинам больших финансовых затрат и трудностей при работе в сильном магнитном поле. Создание новой методики TOF детекторов стало основной методической задачей для идентификационных систем современных ядерных экспериментов.

Основной целью данной работы явилось создание новой методики детекторов времени пролета с рекордным временным разрешением (менее 100 псек.) на основе газовых Резистивных Плоско-Параллельных Камер (РППК) и их интеграция в идентификационные системы большой площади для современных экспериментов.

Основными целями диссертационной работы являются:

• Первой целью работы являлось получение высокого временного разрешения (а < 100 псек.) в камерах с плоско-параллельной геометрией, работающих в режиме насыщенной лавины. Для этого было изучено влияние на временные характеристики конструкции камеры, материала электродов, величины и количества зазоров, состава газовой смеси.

• Второй целью исследования было повышение загрузочной способности и радиационной стойкости РППК путем использования различных низкорезистивных материалов.

• Третья цель работы - поиск оптимальных способов интеграции РППК в большие модули и измерение характеристик больших времяпролетных систем.

На защиту автор выносит следующие результаты:

1. Методика и результаты измерений временного разрешения и эффективности РППК для различных типов конструкций камер и газовых смесей.

2. Результаты исследования различных низкорезистивных материалов, направленных на повышение загрузочной способности и радиационной стойкости РППК.

3. Модульный принцип организации больших идентификационных плоскостей и результаты измерений параметров двух различных модулей-прототипов для эксперимента ALICE.

Научная новизна работы:

Впервые было получено уникальное временное разрешение для РППК и определено влияние на него качества сборки и количества зазоров.

Впервые проведено детальное изучение влияние состава рабочей газовой смеси на временное разрешение РППК.

Впервые разработаны и испытаны радиационно стойкие РППК с поверхностным слоем SiC для работ в условиях высоких загрузок.

Впервые испытаны многоканальные времяпролётные системы для двух способов интеграции РППК, на основе которых создан детектор TOF для ALICE и разрабатывается времяпролетная система для СВМ.

Апробация работы и публикации

Результаты работы докладывались на 5-ой, 7-ой и 8-ой международных конференциях «Resistive Plate Chambers and Related Detectors»:

Бари, Италия 28-29 октября 1999г; Клермон-Ферран, Франция 26-27 июля 2003г;

Сеул, Корея 10-12 октября 2005г, и на VIII международной конференции

Instrumentation for Colliding Beam Physics», Новосибирск, Россия, 28 февраля-6 марта 2002года.

Диссертация основана на результатах работ, опубликованных в период с 2000 по 2007 год в журналах «Приборы и техника эксперимента», Nuclear Physics В, «Nuclear Instruments and Methods in Physics Research», препринтах ИТЭФ и материалах международных конференций.

Структура диссертации:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Каждая из глав содержит краткие замечания и пояснения. Основные выводы диссертации приведены в заключении. Объём диссертации 52 страницы, 38 рисунков, и 20 наименований цитируемой литературы.

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Проведена работа по оптимизации конструкции камеры, числа зазоров и газовой смеси. Результаты измерений дали возможность выбрать конструкцию с наилучшими параметрами: 6-10 зазоров с размером 230-260 микрон, газовая смесь 93% C2H2F4 + 7 % SF6. Данные камеры имеют эффективность регистрации более 98% и временное разрешение на уровне 50 псек.

2. Для улучшения загрузочной способности РППК была разработана камера на основе керамических электродов с напылённым низкорезистивным слоем SiC. Данная камера позволяет получать временное разрешение лучше 100 псек. л при загрузках до 5 кГц/см .

3. Изучены системные аспекты интеграции РППК в большие время пролетные системы. Разработаны и испытаны два типа организации модулей: в виде отдельных ячеек и на основе сплошных стекол. Оба типа модулей имеют высокое временное разрешение (меньше 100 псек.). Первый тип имеет низкий уровень перекрестных наводок (меньше 1%), а второй при более высоком уровне (до 16%) более прост при сборке. На основе второго варианта построена времяпролетная система детектора ALICE, находящаяся в стадии установки и запуска.

Тенденцией в современной экспериментальной физике является замещение технологией РППК традиционной методики время пролетных измерений с использованием ФЭУ. На основе РППК созданы времяпролетные системы детекторов ALICE и HARP и планируется создание аналогичных систем в детекторах STARhCBM.

В заключение, считаю своим приятным долгом искренне поблагодарить научного руководителя д.ф.-м.н. Ю.Т. Киселева за руководство и помощь в написании работы.

Выражаю благодарность сотрудникам группы ИТЭФ в эксперименте ALICE за помощь в проведении измерений и плодотворное обсуждение результатов работы. Хочу также поблагодарить иностранных коллег группы ALICE TOF и в целом эксперимента ALICE за помощь в работах, выполненных в ЦЕРН.

Особую признательность хотел бы выразить основателю и, вплоть до трагического ухода из жизни, бессменному руководителю группы ИТЭФ в эксперименте ALICE A.B. Смирнитскому за неоценимый вклад, который он вносил в моё научное образование. Данную работу я посвящаю его памяти.

Заключение

Данная диссертационная работа посвящена исследованию различных типов РППК для создания детекторов с высоким временным разрешением и высокой эффективностью регистрации их интеграции в большие идентификационные системы современных экспериментов.

1. ALICE Collaboration, Technical Proposal, CERN/LHCC 95-71.

2. ALICE Collaboration, Time-of-flight system, ALICE TDR 8, CERN/LHCC 2000-12;

3. ALICE Collaboration, Time-of-flight system, Addendum to ALICE TDR 8, CERN/LHCC 2002-16.

4. A. Akindinov, A. Alici, F. Anselmo, et al., Nucl. Instr. and Meth. A 456 (2000) 16-22.

5. A. Akindinov, A. Martemiyanov, V. Plotnikov, et al., Preprint ITEP 16-04

6. A. Akindinov, A. Alici, F. Anselmo, et al., Nucl. Instr. and Meth. A 533 (2004) 93-97.

7. Technical Status Report for the Compressed Baryonic Matter Experiment Darmstadt, February 2005

8. A. Akindinov, A. Martemiyanov, V. Plotnikov, et al., Preprint ITEP 45-98 14.A. Akindinov, A. Martemiyanov, V. Plotnikov, et al., Preprint ITEP 13-02 15. A. Akindinov, V. Golovine, A. Martemianov, et al., Nucl. Instr. and

9. Meth. A 494 (2002) 474-479 16. A. Akindinov, V. Ammosov, V. Gapienko, et al., Nucl. Instr. and Meth. A 572 (2007) 676-681

10. A. Akindinov, P. Fonte, F. Formenti, et al., IEEE TRANSACTIONS ON

11. NUCLEAR SCIENCE, VOL. 48, NO. 5, pp. 1658-1663, 2001 18. A. Akindinov, A. Alici, F. Anselmo, et al., Nucl. Instr. and Meth. A 532 (2004)611-621.

12. A. Akindinov, S. Alessandrini, A. Alici, et al., Nuclear Physics B (Proc. Suppl.) 158 (2006) 78-82

13. A. Akindinov, S. Alessandrini, A. Alici, et al., Nuclear Physics В (Proc. Suppl.) 158 (2006) 60-65