Исследования точных координатных детекторов для экспериментов на встречных пучках тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

\

• Г; д •

13-96-171

На правах рукописи УДК 539.1.074.2

БОНЮШКИН Юрий Евгеньевич

ИССЛЕДОВАНИЯ ТОЧНЫХ КООРДИНАТНЫХ ДЕТЕКТОРОВ ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ . НА ВСТРЕЧНЫХ ПУЧКАХ

Специальность: 01.04.01 —техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследований

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Дубна 1996

■

Работа выполнена в Лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований

Научный руководитель : кандидат физико-математических наук Г. Д Алексеев

Официальные оппоненты : доктор физико-математических наук В. П Кубаровский, ИФВЭ, Протвино кандидат физико-математических наук Л.- В. Куликов, ЛЯП ОИЯИ

Ведущее научно-исследовательское учреждение : Московский инженерно-физический , институт (г. Москва)

Зашита диссертации состоится рЫ-ФсЛЛ^ ^^ г п

_часов на заседании Специализированного совета Д-047.01.03

при Лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований, г. Дубна Московской области.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИЯИ.

- Автореферат разослан " 1996 г.

Ученый секретарь специализированного совета доктор физико-математических наук У Ю. Л. Батусов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Мюонная система играет исключительно пажную роль в детектировании наиболее интересных физических процессов на адронном коллайдере LHC: открытие и исследование Хигтсовского бозона, t-кварка, тяжелых векторных бозонов и субструктуры лептонов и кварков. Выбор типа детектора определяет успешное пыполннение основных функций мюонной системы: идентификация, триггер и спектрометрия мюонов.

Целью работы являлись методические исследоваши различных типов газоразрядных детекторов для точного измерения координат заряженных частиц при большой плошади детекторов в мюонных системах установок на современных коллайдерах и измерения предельных характеристик этих детекторов.

Были изучены различные аспекты работы следуюншх типов детекторов:

1. дрейфовых трубок повышенного давления,

2. стримерных дрейфовых трубок с катодом из алюминиевого профиля,

3. пропорциональных камер с катодным считыванием,

4. трубок Иароччи с внешними емкостными электродами.

Научные результаты и новизна. В диссертации получены следующие результаты, выдвигаемые автором для зашиты:

1. Впервые предложено использовать дрейфовые трубки повышенного давления как пысокоточш.гй координатный детектор мюонной системы, показана принципиальная возможность координатного разрешения лучше 100 мкм при давлении выше 1 атм вначале на малом прототипе на пучке, а затем на полномасштабных прототипах площадью 1 м на 4 м на космических мюонах в большом диапазоне углов падения треков при диаметре трубок около 30 мм.

2. Впервые испытан полномасштабный прототип детектора на дрейфовых трубках с катодом из алюминиевого профиля, работавший в самогасящемся стримерном режиме. Продемонстрировано координатное разрешение около 80 мкм при атмосферном давлении, и предложен быстрый алгоритм определения момента прохождения частицы через детектор с точностью 16 не при эффективности 94%.

3. Па специальной пропорциональной камере с вращающейся анодной рамкой детально изучен эффект магнитного поля, ухудшающего разрешение в пропорциональных камерах с катодным считыванием в торцевых частях установки CMS, и измерен угол компенсации, позволяющий восстановить высокое разрешение. Использована методика сфокусированного пучка ультрафиолетового импульсного лазера для создания ионизации в камере.

4. Впервые показана применимость трубок Иароччи со считыванием внешними емкостными электродами для точного измерения координаты. Создана модель, позволившая изучить влияние неоднородности резисгивного покрытия, режима газового усиления и геометрических параметров камеры на точность определения

координаты при различных способах вычисления центра распределения зарядя на стрипах. Были проведены измерения координатного разрешения в пропорциональном и стримерном режимах с прототипами на рентгеновских у-квантах, сфокусированном лазерном пучке и пучке высокоэнергичных мюонов, где получено координатное разрешение 80 мкм.

Практическая ценность работы. Исследования, положенные в основу диссертации, нашли свое применение в строящихся установках на LHC.

1. На установке ATLAS на LHC главным типом координатного детектора в мюонной системе являются дрейфовые трубки повышенного давления. При тороидальной конфигурации магнитного поля этот вид детектора является единственно приемлемым с точки зрения импульсного разрешения и стоимости.

2. Стримерные дрейфовые трубки рассматривались как дешевая работоспособная альтернатива дрейфовым трубкам повышенного давления в центральной мюонной системе установки GEM.

3. Пропорциональные камеры с катодным считыванием приняты в качестве детектора мюонной системы в торцевых частях установки CMS на LHC. Компенсация эффекта магнитного поля поворотом проволок на определенный угол позволяет значительно улучшить координатное разрешение камер и, следовательно, импульсное разрешение мюонной системы.

4. Трубки Иароччи со считыванием внешними емкостными электродами могут быть использованы в качестве точного координатного детектора большой площади, так как они обладают хорошим координатным разрешением, надежны, просты в сборке и недороги.

Апробация работы. Материалы, вошедшие в диссертацию, докладывались на научных семинарах ЛЯП и SSC, на рабочих совещаниях коллаборапий GEM, ATLAS и CMS, а также на международной конференции по проволочным камерам (Вена, 1995).

Публикации. Результаты, вошедшие в диссертацию, опубликованы в одиннадцати работах в течение 1990-1995 гг. /1-11/.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит ш введения, четырех глав, заключения и содрежит 104 страницы текста, включая 7 таблиц, 73 рисунков и список цитируемой литературы из 102 позиций.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приведены примеры важных физических процессов на адронных коллайдерах, требующих прецизионной мюонной спектрометрии.

Рассмотрено общее устройство универсальной установки, способной детектировать эти процессы. Показана важность высокой точности измерения импульса мюона, указаны основные вклады п ошибку измерения сагитты трека заряженной частицы в магнитном поле.

Fi стандартной мотели частицы приобретают массу в результате Хиггсовского механизма спонтанного нарушения симметрии, которая должна проявить себя как новая физика в области энергий порядка 1 ТэВ. Этим объясняется интерес к алроннымм коллайдерам высоких энергий 14 - 40 ТэВ и светимостей (SSC, LHC). Примеры интересных физических процессов, в которых идентификация и измерение мюоноп играет решающую роль: распады Хиггсовского бозона, физика тяжелых кварков, физика тяжелых бозонов, структура лептонов и кварков.

Для детектирования частиц-продуктов взаимодействия спроектированы универсальные установки — GEM, SDC, ATLAS и CMS, — способные точно измерять энергии и импульсы различию типов частиц. Вокруг точки взаимодействия последовательно расположены трековая система, электромагнитный и адронный калориметры и мюонная система, покрывающие полный телесный угол. Для успешного измерения физических процессов мюонная система должна обладать следующими функциональными тойотами: идентификация мюона, геометрическая эффективность, pt триггер, определение момента взаимодействия, разрешение по поперечному импулы;у и высокая загрузочная стюс:обнсхть в плохо-предсказуемых фоновых условиях.

Для повышения точности измерения импульса мюона необходимо улучшать координатное разрешение мюовных камер и точность взаимной пространственной привязки детекторов в большой системе. Это особенно важно в мюонных системах установок с малым многократным рассеянием — GEM и ATLAS.

Во второй главе дано краткое введение в теорию работы газоразрядных счетчиков: процессы ионизации, дрейфа и диффузии электронов в электрическом и магнитном полях, лавина и режимы газового усиления, развитие электрического сигнала, вопросы выбора газовой смеси и времени жизни детектора.

Заряженная частица оставляет в чувствительном газовом обтеме детект«|>а трек ионизаиии. Среднее энерговыделение в зависимости от заряда частицы, it' скорости Pv=Pc/M. а также вещества, в котором происходит шергонмделение, определяется формулой Бете-Блоха. Эта функция имеет минимум при |!у~3-3.5, где (dE/dx)mi„~ 1-1.5 МэВсм2/г. При энергиях вьппе 100 ГэВ заметную роль в энерговыделении начинают играть электромагнитные прошчхъг: тормозное излучение и образование пар, что снижает эффективность точного шмг[х'нин координаты мккшон и усложняет распознавание треков.

В тонких слоях вещества флуктуации энерговыделения относительно qxuiiero значения приближенно подчиняются распределению Ландау. Длинный хшхт в области больших энерговыделений — за счет энергичных 5-электронов, которые являются eme одним источником ошибок измерения координаты. Электроны

первичной ионизации теряют энергию в упругих и неупрупгх столкновениях, производя вторичные ионные пары. Обшее число электронов на 1 см газа — около 150 и зависит от среднего атомного числа смеси.

Электроны иошгании дрейфуют в электрическом поле к анодной проволоке. Скорость дрейфа зависит от произведения силы электрического поля на время между взаимодействиями, в которых электрон эффективно сбрасывает энергию, и, следовательно, учитывает сечения взаимодействия электрона с молекулами газа в зависимости от энергии (кривая Рамзауэра). Диффузия — мера воздействия случайных столкновений с молекулами газа на движение электрона. Она приводит к флуктуации времени дрейфа электрона к анодной проволоке. Поскольку реально на проволоку приходит не один, а десяток электронов практически одновременно, эффект диффузии на разрешение по времени дрейфа меньше диффузии единичног о электрона, и, в случае временной привязки по первому электрону, o1=:t/2i/31riM'Wx. где ах= V(2D/\,vJ — диффузия одного электрона.

В скрещенных электрическом и магнитном полях сила Лоренца заставляет электроны дрейфовать под углом к силовым линиям электрического поля, назывемым углом Лоренца и определяемым произведением величины магнитного поля на время между взаимодействиями. Таким образом, угол Лоренца тем больше, чем меньше сечение взаимодействия электрона с молекулами газа.

Па расстояниях порядка диаметра проволоки начинается лавинообразное размножение электронов ионизации. Число электронов в лавине, приходящееся на один начальный электрон, есть коэффициент газового усиления. В обшем случае он экспоненциально 'зависит от напряжения на аноде и имеет сильные степенные зависимости от газового зазора и радиуса анодной проволоки. Знание этих зависимостей имеет большое значение для конструкции работоспособной камеры.

В зависимости от газового наполнения поведение детектора различно при увеличении напряжения на аноде, или коэффициента газового усиления. Наличие многоатомноых органических газов, поглошаюших без переизлучения ультрафиолет, образующийся н лавине, ограничивает рапространение разряда по объему детектора и предотвращает пробой.

Большая часть сигнала с детектора в пропорциональном режиме происходит от движения положительных ионов к катоду и определяется зарядом в лавине, геометрией (емкостью) детектора, полем на анодной щюволоке и мобильностью ионов. Эти же факторы определяют скорость натекания заряда на аноде и катоде. При нормальных условиях, за 1 мкс интегрируется около 50% заряда. Увеличение давления уменьшает скорость движения ионов и поэтому уменьшается амплитуда сигнала и увеличивается временная постоянная собирания заряда.

П[>и выборе газовой смеси для детектора мюонной системы важны следующие характеристики смеси: стабильность работы большого числа камер, высокая скорость дрейфа, малый угол Лоренца, медленное старение детектора, безопасность.

Третья глава посвящена дрейфовым трубкам как прибору для точного измерения координаты по времени дрейфа.

Локальное пространственное разрешение дрейфового детектора определяется процессами в газе: флуктуакщш энергетических потерь, дельта-электроны, электромагнитное сопровождение, диффузия электронов ионизации во время дрейфа к анодной проволоке. Повышение давления, уменьшая расстояние между кластерами ионизации, приводит к улучшению разрешения во всем диапазоне дрейфовых расстояний. Улучшается эффективность гашения послеимпульсов в СГС режиме в смесях с органикой, что уменьшает заряд при том же качестве сигнала, — продляется время жизни детектора.

Для измерения сагитты трека мюонным спектрометром важно обеспечить высокое координатное разрешение на большой площади детекторов, помещенных в магнитное поле. Систематические эффекта, вносящие наиболее ощутимые вклады в разрешение: точность знания функции время-расстояние г^) , которая зависит от изменений давления, температуры, магнитного поля (необходимо учесть существенные изменения на длине одной трубки); температурные эффекты, приводящие к изменению геометрии камеры; точность позиционирования нитей; точность взаимной привязки камер.

Использовние сфокусированного внутри детектора пучка импульсного ультрафиолетового лазера для ионизации газа позволяет моделировать трек заряженной частицы без дельта-электронов [1]. На стенде, созданном в ЯЯС Лаборатории, были проведены измерения для нескольких быстрых негорючих газовых смесей на основе Аг, Ср4, СОг и С4Н10, изучена стабильность работы детектора на этих смесях и предельное разрешение [2]. Большинство смесей имеет время дрейфа на расстояние 8 мм от проволоки не более 175 не и пространственное разрешение около 25-30 мкм при атмосферном давлении (рис. 1).

а)

Ь)

1. \

-

Н) Э

3 iü

1

¿J ьо l 1 100 1 1 so i 200 t i 2S0

О 50

5

.а

Л 30

4 25° )Ar- 75°/ >C4f <10

■ • i 2% ^r+e CD '02 ■10° iC4 Ню

- ■

■ , ■

. 1, . 1 ■ . 1. 1 1 1 I 1 111 • 11

Drift Distance, mm

Рис. 1. (а) временной спектр для нескольких положений лазерного пучка относительно анодной проволоки; расстояние между точками — 1 мм; газовая смесь — 25%Ar + 75%i-С4Н10; самогасятийся сгримерный режим. (Ь) Пространственное разрешение около 25 мкм было продемонстрировано с ультрафиолетовым лазером на дрейфовой трубке, наполненной газовыми смесями 25%Ar+75%i-C4H10 и 2%Ar+88%C02+10%i-C4H10.

Группой ОВП ЛЯП ОИЯИ были предложены дрейфовые трубки высокого давления как точный координатный прибор для мюонных систем в установках на адронных коллайдерах [3]. Оборка го 4 трубок диаметром 20 мм была испытана на интенсивном электронном пучке в Протвино в конце 1991 года при давлениях от 1 до 10 атм в СГС режиме на газовой смеси 75%Ar+8%CH4+17%i-C4Hio; продемонстрировано разрешение лучше 100 мкм на давлениях выше 2 атм. Форма сигнала менялась с увеличением давлениея: сигнал становился короче, гашение послеимпульсов было более эффективным. Этот и несколько других малых прототипов были испытаны на мюонном пучке в CERN. Были систематически измерены зависимость от давления таких параметров работы детекторов, как максимальное время дрейфа, средний заряд в лавине и координатное разрешение на "быстрой" смеси 70%Аг+30%С2Нб и "медленной" смеси 45%Аг+45%С02+Ю%СН4. Пространственное разрешение при давлении 3 атм составило 40 мкм для быстрой и 25 мкм для медленной смеси.

В рамках программы по исследованию различных технологий координатных детекторов для мюонной системы GEM в SSC был создан телескоп космических мюонов TTR [4] (рис. 2). Размеры триггерного объема, определяемого шинтилляциошшм годоскопом,— 1.2 м в ширину на 5 м в длину на 5 м в высоту, с железным магнитом 1.5 Т толщиной 1 м и трековыми детекторами, что позволило отбирать относительно высокоэнергичные треки в большом диапазоне углов. IIa TTR было испытано 8 полномасштабных прототипов детекторов различных технологий: как координатных, так и триггерных. Как дрейфовые камеры, так и пропорциональные камеры с катодным считыванием, продемонстрировали разрешение лучше 75 мкм на слой на большой площади.

Рис. 2. Конструкция мюонного телескопа TTR; показано расположение прототипоп.

В частности было продемонстрровано координатное разрешение около 80 мкм на четырехслойной камере LSDT [5] (Limited Streamer Drift Tubes - стримернне дрейфовые трубки) размером 1 м на 4 м с катодом го алюминиевого профиля, образующим квлратнме ячейки с шагом 2.5 см, работавшей в стримерном режиме на смеси 25%Ar+75%i-C4Hi0. На данных с этой камеры был проверен алгоритм вычисления момента взаимодействия по временам дрейфа в шести слоях, работавший с эффективностью лучше. 95% при частоте соударения баичей на SSC 16нс (рис.3).

«- D • •

■ • •

f muon track

-ю о ю

Т0 distribution, ns

Рис. 3. Для трека, проходящего между проволоками, можно легко вычислить момент времени Т0, когда он прошел, если известен угол падения а. Пусть существует приближение для функции расстояние .время Т(г) п виде Т=«г+/;г2, тогда:

Т,+Т,

2 4 "

(Т,-Тд)-

2 2 " (a + bCaf

где Т] и Тг — абсолютные времена срабатывания, C,x=D/2+aD где D — размер трубки. На гистограмме показано экспериментальное распределение Ту, полученное длн каждого трека по 6 возможным комбинациям из 4 слоев трубок е. использованием приведенном формулы.

Изучение систематики, дающей вклад в координатное разрешение дрейфовых трубок повышенного давления, привело к созданию на TTR процедуры автокалибровки модуля, позволяющей при помощи данных о треках заряженных частиц

— независимым образом в off-line калибровать относительные задержки в каналах электроники с точностью около 200 пс;

— методом последовательных приближений находит!, функцию время-расстояние дрейфа r(tdr) с точностью около 10 мкм (рис. 4а,Ь);

— определять относительные сдвиги и пово|ютм слоев проволок и отдельных проволок с точностью 20 мкм и корректировать координату в off-line;

— на смеси 50%Аг+50%С2Нб продемонстрировал, координатор разрешение около 86 мкм при 2.5 атм на модуле размером 1.2 м на 4 м с истин,;¡оилпием простой электроникики [6] (рис. 4 с), и 50 мкм при 4.8 атмосферах, на модуле размером 0.5 м на 4 м, в широком диапазоне углов падения треков.

а)

b)

с)

1.4

1.2

0.1

V

0.2 \J~

o.oj — -0.2(—

0.05

1000

1500

A

-0.05

-0.1

500

0 200 400 600 800 Tdr(ns)

О 200 400 600 800 О Tdr(ns)

-0.8 -0.4 0 0.4 0.8(mm)

Рис. 4. Быстрая устойчивая сходимость итеративной процедуры определения R(t): в случае прототипа MSU за 5 итераций ошибка в R(t) была уменьшена с около 1 мм (а) до около 10 мкм (Ь). Графики показывают зависимость средней по всем слоям невязки по радиусу от времени дрейфа на нулевой и пятой итерациях. Координатное разрешение около 86 мкм (с) получено на прототипе MSU на смеси 50%Аг+50%С2Н6 при давлении 2.5 атм.

Такая процедура имеет большое практическое значение для мюонной системы установки ATLAS, использующей дрейфовые трубки, для корректировки в

условиях неоднородного магнитного поля, градиентов температуры и давления; а также для подтверждения правильной взаимной привязки слоев детекторов.

Четвертая глава посвящена исследованиям влияния различных эффектов на координатное разрешение пропорциональных камер с катодным считыванием.

Рассмот[)ены особенности работы пропорциональной камеры со сплошным катодом: структура электрического поля (комбинация однородного поля вблизи катода и коаксиального вблизи анодной проволоки) и влияние геометрических параметров камеры на коэффициент газового усиления. Показаны сильные степенные зависимости коэффициента усиления от толщины газового зазора анод-катод и диаметра проволоки. Приведена эмпирическая формула Гатти для распределения заряда на катоде.

Рассмотрена специфика точного измерения координаты при помощи стриповых камер, показано влияние различных эффектов на пространственное разрешение [7J.

Вклад шумов электроники и наводок ставит ограничение на коэффициент газового усиления: М>5-104. Влияние коррелированного шума можно подавить применением методов определения положения нентроида по относительным зарядям, например, метода отношения.

Моделирование показало что оптимальная ширина сгрипа с точки зрения оптимизации отношения сигнал/шум — около 0.75-0.8 от полной толщины газового зазора, и минимум достаточно широк как в случае большого разброса углов падения треков, когда положения центроидов в различных плоскостях детектора некоррелированы (рис. 5 а), так и в случае параллельного пучка (рис. 5 Ь).

1.5

1.4

1.3

■о 1.2

1.1

1.0

; (a) i о Gaussian Fit Sigma -.-RMS

\ ; ;

» | 1 О

к i 4 „ !

у .... ¡V. ...г* —T ' т .... i ... .

-0.05 -01

-02 -02}

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

Strip width in units of a Full Gas Gap (w/H)

-0.35 •0.4

Center of Gravity (COG)

V 1 ---5 mm

-No shift

.......25 mm ■Ф /■fi1

vfc- ....... .5 mm

V&-.

■■■y;'

v>0 --1"..... ■ '// /

e

\ о • /

S (N /

a

1.5

1.4

3 1.3

1.2

1.1

1.0 0.0

: \ (M ! о Gaussian Fit Sigma -•»RMS

• .-в

* / «*

1

0.5 1.0 1.5

Strip width in units ol a Full Gas Gap (w/H)

2.0

Integrated SECH(i)

..............................s

s SO N v -------Г- b :

Coordinate accross a strip (in strip width units), X^Jta

Рис.5. Вклад шумов электроники в просгранст- Рис. 6. Чувствительность двух различных пенное разрешение в зависимости от ширины методов нахождения центроида к смеще-сгрипа. Шум считался некоррелированым и бил нию анодной проволоки: (а) метод взве-распрелелен по Гауссу. RMS распределения от- шивания (Center of Gravity); (b) фит из-клонений от фита посчитано для отклонений в начальным распределением сигнала р(х). пределах ±6ст. а) угловой разброс треков велик; Ноль координаты соответствует центру Ь) параллельный пучок. стрипа.

Вклад калибровки электроники незначителен, если ее точность не хуже 1%.

Промоделировано влияние механической точности изготовления детектора (положения анодной проволоки) и флуктуаиий центра тяжести лавины при больших газовых усилениях на измерение дифференциальной нелинейности и соотвесгвуюший вклад в координатное разрешение. Показано, что смещение центра тяжести лавины дает вклад в разрешение более чем в -10 раз меньше самого смещения (рис.6 а,Ь), и что это смещение зависит от метода нахождения центроида

Рассмотрена модель, описывающая вклад в разрешение от наклона трека. Учтено влияние неравномерности энерговыделения в кластерах и флуктуации газового усиления. Последующие измерения детектора на трубках Иароччи со сгрипами подтвердили результаты моделирования (см. ниже).

Вклад от 6-электронов в разрешение превышает 50 мкм в 5% случаев. Вклад диффузия электронов во времы дрейфа к аноду мал.

В магнитном поле появляется систематика, ухудшающая разрешение. В центральной части установки с соленоидальным магнитным полем, где проволоки перпендикулярны силовым линиям, а сгрипы параллельны, электроны ионизации

"растаскиваются" вдоль проволоки, и разрешение ухудшается из-за флуктуации кластеров ионизации и газового усиления, как в случае с наклонным треком. Этот эффект можно компенсировать наклоном камеры под углом к треку и подбором газовой смеси с таким же эффективным углом Лоренца [8]. В торцевых частях силовые линии магнитного поля перпендикулярны камерам, что приводит к сносу трека вдоль проволоки и измеренная сгрипами координата систематически зависит от расстояния дрейфа. Этот эффект компенсируется поворотом анодных проволок по отношению к направлению сгрипов на эффективный угол Лоренца.

Предложен новый метод для прямого измерения угла компенсации Лоренц-эффекта в камерах торцевых частей CMS [9]. Была создана специальная камера с вращающейся анодной рамкой (газовый зазор 5 мм, диаметр анодной проволоки 30 мкм, шаг 2.5 мм) при помощи которой эффект бил измерен в поле 3.4 Т. Импульсный ультрафиолетовый лазер использован для создания трека ионизации в газовом зазоре камеры. Измерения показали, что вклад в ошибку измерения координаты из-за эффекта магнитного поля минимален при угле компенсации (разворота анодных проволок) 26.6±0.5 градусов в поле 3.4 Тесла (рис. 7). Результаты измерений согласуются с предсказаниями моделирования и аналитических вычислений. Для интенсивного лазерного пучка получено предельное разрешение около 20 мкм (рис. 8). Оно ухудшается до 80-90 мкм в точке посередине между проволоками. Метод может быть использован как экономичный инструмент для дальнейшего изучения поведения пропорциональных камер в магнитном поле, и других специальных эффектов в камерах.

.....; -!- г - ;

detween ' ■_____between......[.......

wire wires |

A !.....;.....i.

Wire Frome Tilt Angle <f. degrees Drift Distance, mm

Рис.7. Вклад в ошибку измерения координаты Рис. 8. Предельное пространственное разре-из-за неоптимального угла поворота анодных шение камеры в зависимости от расстояния проволок п отсутствие магнитного поля и в дрейфа. Видно существенное ухудшение раз-мапвггном поле 3.4 Т. Компенсация в магнит- решения в точке посередине между прово-ном поле наблюдается при угле поворота локами. Измерения проподились при высо-26.6°. Пунктир - вычисление ошибки по "на- ком напряжении 2.9 кВ, заряд на аноде был ивной" модели, сплошная линия - результаты около 1.2 пКл. Интенсивность лазера была моделирования, основанные на программе установлена так, что результирующая MAGBOLTZ (S. F. Biagi). ионизация была эквивалентна ионизации иг

6-кэвного -у-кванта.

Группой ОВП ЛЯП, накопившей большой опыт работы с трубками Иароччи [1,7,10], эти трубки в сочетании с внешними емкостными электродами предлагались как координатный детектор для мюонных систем. Такой детектор не требует

2.5

высокой механической точности изготовления, так как ее влияние на разрешение подавлено с фактором 10. Особенностью детектора является рез истинный катод. Раосчеты показывют, что разрешение детекторов с профильным катодом, работающими п пропорциональном режиме, имеет внутренние ограничения не хуже, чем обычные сгриповые камеры при условии, что профиль либо имеет очень низкую резистивность, либо высокорезистипное покрытие с однородностью резистивности лучше 25%.

Были проведены измерения внутреннего разрешения такого типа детектора с рентгеновскими у-квантами, импульсным ультрафиолетовым лазером и на мюонном пучке для трех типов трубок: катод низкой резистивносги без крышки, катод и крышка высокой резистивности, и алюминиевый катод без крышки. Из данных с: лазером можно заключит!,, что в случае равномерной иошгзашш внутреннее разрешение в пропорциональном режиме — около 15 мкм, в то время как в сгримерном режиме — 100 мкм, что, вероятно, определяется пространственными флуктуаииями развития стримера при его протяженности. На мюонном пучке с детектором из четырех слоев трубок/стрипов было получено координатное разрешение около 80 мкм (рис.9), а вычитание вклада шумов электроники приводит к 60 мкм, которые определяются внутренним разрешением, относительными поворотами стрипов и смешением анодных проволок. Измерена зависимость разрешения от угла падения трека (рис. 10), которая хорошо согласуется с резулкгагами моделирования и предыдущих измерений с обычными стрипоными камерами.

RATIO (DATA) COG2+COG1 (DATA) ■ COG2*COGl (CALCULATION)

1—'—I-1—I

ч j -

. / * t \ < . i.i-'i

:M-»4..;.

i-i •

"■i

Fit. a (|iml = 80® (.WVsirxr/v'iosn)

DATA f.t

• DATA

О Оафяи «I al , 1979 (?9hV) О Oarpak al al, 1979 (3 OhV)

(I

lb......

Angle, a (degrees)

Рис. 10. Зависимость разрешения от угла падения трека по отношению к проволоке.

45 Л).4 -02 -01 0 0.1 0.2 01 04 05

Track Coordinate across a Strip (pitch units)

Рис. 9. Зависимость пространственного разрешения от положения на стрипе (мюоны 500 Г: ill). Белые кружки - метод отношений Ratio, черные кружки - метол центра тяжести COG по трем или дпум стрипам. Пунктир — :гго кпарлратичная сумма вклада шумов электроники и 60 мкм. Ноль координаты соответствует центру стрипа.

Г} мюонной лаборатории TTR в SSC было исследонано 4 полномасштабных прототипа пропорциональных камер с катодным считыванием различной конструкции, и продемонстрировали координатное разрешение около 60 мкм на мх.мичеешх

4 00

мюонах. В частности, разрешение около 64 мкм было измерено на трехслойной камере размером 0.5 м на 1 м из трубок Иароччи с высокорезистнвным катодом и стрипами с шагом 5 мм [11]. В настоящее время опыт мюонной фуппы GEM с успехом используется в разработке и сгроител1>стве прототипов мюонной сисгемы торцевых частей CMS.

В конце четвертой главы приведен сравнительный анализ дрейфовых трубок повышенного давления и пропорциональных камер с катодным считыванием с точки зрения их применения в мюонных системах установок на современных адронных коллайдерах.

Координатное разрешение. Как для дрейфовых трубок, так и для камер со считыванием емкостными электродами, предельное пространственное [язрешение, измеренное при помоши импульсного лазера, примерно одинаково, составляет 20-25 мкм и определяется шумами электроники [1,2,7,9] (рис. 1,8).

Исследования полномасштабных прототипов показали, что точность около 50 мкм на спой естественна для камер с катодным считыванием и достижима на дрейфовых трубках при давлении около 5 атм, что адекватно требованиям мюонных спектрометров с малым многократным рассеянием — GEM и ATLAS. Лптокалибровка позволяет находить зависимость координаты от времени дрейфа в трубках [6] (рис. 4) и дифференциальную нелинейность в стриповых камерах, а также относительные сдвиги и повороты слоев в обоих типах детекторов. Относительные задержки временных каналов и положение отдельных проволок в дрейфовых трубках являются величинами коррелироваными, и, следовательно, необходима система независимой калибровки и/или точное позиционирование проволок. В стриповых камерах высокая, лучше 25 мкм, точность нанесении рисунка стрипоп естественна.

Другим преимуществом камер с катодным считыванием является возможность устранения (компенсации) эффекта магнитного поля на приборном уровне путем поворота камер н центральной части соленоидального спектрометра или анодных нитей в торцевых частях, как показали измерения, описанные в [9] (рис. 7).

Временная привязка срабатывания в камере к моменту взаимодействия. Привлекательной особенностью пропорциональных камер является совмещение в одном приборе точного измерения координаты и триггерных качеств, включая временную привязку трека в камере к моменту соударения банчей уже на первом уровне триггера, благодаря малому времени дрейфа — около 40 не.

Па экспериментальных данных, полученных в SSC [4] (рис. 2). было показано [5] (рис. 3), что дрейфовые трубки с дрейфовым промежутком около 15 мм также обладают возможностью определения момента соударения банчей с эффективностью около 95%, но в силу большого разброса времен появления сигнала это невозможно сделать быстро. Поэтом трубки требуют дополнительного триггерного прибора, как, например, резисшвные плоскопараллельные камеры (Resistive Plate Chambers, RPC, в CMS) или узкозазорные камеры (Thin Gap Chambers, TGC, ATLAS) с временным [шрешением порядка нескольких наносекунд и координатной точностью несколько

миллиметров, что необходимо для триггера по поперечному импульсу.

Качество сигнала и сложность электроники. Дня получения высокой точности заряд со сгрипов должен измеряться с точностью около 1%. Это обуславливает использование низкошумяшей электроники с большим динамическим диапазоном и систему прецизионной калибровки. Большое число каналов приводит к высокой стоимости электроники в системе пропорпиональных камерах со стрипами. Увеличение шага считывания в стрипояых камерах торцевой части CMS до 10 мм приводит к ухудшению точности из-за увеличения шума пропорционально емкости стрипа (300 пФ). По в конкретном случае CMS это неважно, так как разрешение доминируется многократным рассеянием в железе ярма соленоида.

Премушеством дрейфовых трубок является больший шаг считывания (30 мм) что означает меньшее число электронных каналов. Электроника для дрейфовых камер идеологически проще, хотя работа п пропорциональном режиме предполагает наличие пизкошумяшего предусилителл, а из-за большого времени дрейфа необходим глубокий pipeline.

Сложность и надежность камеры. Трубка, как основной конструктивный элемент, не требует высоких допусков на размеры и поэтому недорога. Массив трубок образует жесткую самоподдерживающуюся конструкцию.

Ключевым элементом пропорциональных камер является панель, состоящая из сотового материала, на который наклеены листы фольгированного стеклотекстолита. Высокие требования на плоскостность поверхности катода, около 150 мкм п случае CMS, и необходимость нанесения "рисунка" стритов приводят к удорожанию этого конструктивного элемента, и, как следствие, всей камеры.

Проволока в трубках заключена в замкнутом объеме, и ее случайный обрыв не приводит с существенным потерям геометрической эффективности системы. Обрыв проволоки в пропорциональной камере может омертвить значительную область.

Газовая система. Преимуществом пропорциональных камер с катодным считыванием является слабая зависимость точности от колебаний состава газовой смеси. В дрейфовых трубках требования к качеству смеси выше, так как она задает функцию время-расстояние. Система дрейфовых трубок имеет больший газовый объем, особено в случае повышенного давления.

Работа камер в условиях больших загрузок, старение. Фоновые загрузки в мюониой системе оказываются высокими. В торцевых частях CMS, например, частота срабатываний в камерах согласно моделированию составляет около 10 Гц/см2 на внешних радиусах (300 - 700 см) и доходит до 1000 Гц/см2 на внутреннем радиусе (100 см) первого слоя камер. На 90% это — некоррелированный фон, то есть у-кванты от захвата нейтронов. Чувствительность детектора к у-квантам тем больше, чем больше газовый объем, так что трубки находятся в более трудных условиях, чем пропорциональные камеры, где газовый зазор уже. Кроме того, из-за большего шага считывания на проволоке дрейфовой трубки аккумулируется больший заряд, что ускоряет старение детектора.

По этим причинам в торцевых частях установок на адронннх коллайдерах использование пропорциональных камер со стршюпым считыванием более логично, в то время как в центральной части при относительно небольших загрузках дрейфовые детекторы преставляют работоспособный и более экономичный вариант. Технические Предложение показали, что как ATLAS, так и CMS пошли по этому пути.

В заключении кратко сформулированы результаты, положенные в основу диссертации и личный вклад автора в исследования.

• Автором создан первый прототип детектора на дрейфовых трубках высокого давления в стримерном режиме, который был испытан на пучке ускорителя в Протвино и подтвердил принципиальную возможность высокого (лучше 100 мкм для быстрой газовой смеси) разрешения при работе в стримерном режиме при давлении 2 атм и выше. Впоследствии при испытании этого прототипа на пучке в CERN было получено разрешение около 30-40 мкм при давлении 3-4 атм на медленной и быстрой смесях.

• При ведущем участии автора была создана установка для исследования полномасштабных прототипов дегекоров различных технологий, предложенных для мюонной системы GEM, на космических мюонах — Texas Test Rig (TTR) в лаборатории SSC (Dallas, Texas). IIa установке было исследовано 8 полномасштабных прототипов детекторов пяти различных технологий.

В частности, было продемонстрровано координатное разрешение около 80 мкм на четырехслойной камере размером 1 м на 4 м с катодом из алюминиевого профиля, образующим квдратные ячейки с шагом 2.5 см, работавшей в стримерном режиме на смеси 25%Ar+75%i-C4Hi0. IIa данных с этой камеры был проверен алгоритм вычисления момента взаимодействия по временам дрейфа в шести слоях, работавший с эффективностью лучше 95% при частоте соударения банчей 16 не.

Разрешение около 50 мкм было измерено на стриповой камере с трубками Иароччи размером 1 м на 0.5 м.

На основании результатов, полученных на TTR, коллаборания выбрала пропорциональные камеры с катодным считыванием как детектор мюонной системы установки GEM.

В непосредственные обязанности автора входило:

1. проектирование, моделирование и оптимизация параметров установки TTR;

2. разработка, наладка и эксплуатация газовой системы TTR; газовая система

обеспечила возможность одновременного тестирования всех прототипов;

3. сборка, тестирование и калибровка аштилляпионного годоскопа;

результирующая точность временной привязки на TTR была около 300 пс;

4. сборка реперной трековой системы на пластиковых стримерных трубках,

измерение ее эффективности и наладка системы приема информации;

5. координация работы нескольких групп во время тестов прототипов на TTR.

• Автором на TTR создан измерительный стенд для исследования малых прототипов различных типов детекторов при помощи источников и сфокусированного пучка ультрафиолетового лазера.

IIa этом стенде автором получены рекордные результаты для предельного

пространственного разрешения дрейфовой трубки в стримерном режиме на нескольких газовых смесях при атмосферном давлении — около 25 мкм на сфокусированном лазерном пучке. Были исследованы временные сгойства быстрых смесей с небольшим, менее 10%, содержанием органической добавки.

Были также проведены предварительные исследования газовых смесей для пропорциональных камер с катодным считыванием для установки GEM с точки зрения стабильной работы, оптимизации пространственного разрешения в магнитном поле и скорости дрейфа. Смет» 45%Ar+45%CF4+10<7ri-C4Hio была рекомендована для мюонной системы.

• В ходе обработки данных измерений прототипов на TTR автор принял участие в создании процедуры автокалибровки модуля дрейфовых трубок. Эта программна« процедура, используя треки заряженных частиц, позволяет значительно уменьшить вклад в координатное разрешение следующих систематических эффектов:

1. ошибка в определении относительных временных задержек в различных

каналах; результирующая точность определения mix задержек была 0.2 не

(вклад в разрешение около 10 мкм);

2. определение функции премя-расстошше с точностью лучше 10 мкм;

3. поправка на относительные повороты слоен и отдельных проволок;

4. поправка на сдвиги слоев и отдельных прополок.

В результате на прототипе плошадью 1.2 м на 4 м, изготовленном в университете штата Мичиган и оснащенном простои электроникой (дискриминатор-ВЦП, 96 каналов), автором получено разрешение около 85 мкм при давлении 2.5 атм на смеси 50%Аг+50%С2Н6.

• Автором предложен метод измерения компенсации эффекта магнитного поля в пропорциональных камерах с катодным считыванием для торцевых частей установки CMS. Компенсация достигается поворотом анодной рамки на определенный угол, прямое измерение которого проводилось впервые. Автор принял ведущее участие в создании специальной камеры с вращающейся анодной рамкой и измерениях с: ней. Для создания ионизации, подобной треку заряженной частицы, использовался импульсный ультрафиолетовый лазер. Камера была устаноштена внутри сверхпроводящего магнита Ml на установке RD5 в CERN, где был измерен угол компенсации 26.6 градусов в магнитном поле 3.4 Тесла.

• Было проведено моделирование сигнала, наведенного на стрипак в пропорциональных камерах с катодным считыванием и в камерах на трубках Иароччи, для оптимизации геометрических параметров камер с точки зрения шумоп, режима работы по газовому усилению, дифнелинейности и пространственного разрешения. Измерения показали правильность результатов моделирования.

• При ведущем участии автора создан прототип и исследованы возможшхти использования трубок Иароччи с внешними емкостными электродами дли точного измерения координаты. Было измерено координатное разрешение прибо[>а такого типа при помоши рентгеновских у-кшттов, лазера и на пучке мюонов энерти 0.5 ТэВ, где было продемонстрировано разрешение около 80 мкм при щботе п пропорциональном режиме. Эти исследования доказали применимость этого недорогого и надежного типа детектор;! для точного измерения координаты.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Yu. Bonushkin, N. Khovansky, A. Korytov, V. Malyshcv, Yu. Scdykh, V. Tokmcnin, (JINR, Dubna); H. W. Kendall, L. S. Osborne, G. D. Ross, A. Sodickson and R. Vcrdicr, (MIT); "Studies of Drift And Strip Readouts for a Large Scale Muon System", NIM A315 (1992) 55-64.

2. Yu. Bonushkin, C. Milncr, J. Pryor, "Study of Gas Mixtures for Large Muon Detectors", GEM TN-94-606.

3. Г. Д. Алексеев, С. Л. Баранов, Ю. Е. Бонюшкин, Г. А. Шелков, Б. Фиаловски, Г. В. Карпенко, II. II. Хованский, 3. В. Крумштейн, В. Л. Малышев, 10. В. Седых, В. В. Токменин, "Изучение дрейфовых трубок повышенного давления в качестве точного детектора для мюонньгх систем", Краткие сообщения ОИЯИ No.5[56]-92, Август 1992.

4. L. Barabash, Yu. Bonushkin, М. Botlo, I. Chow, V. Glcbov, A. Gonzalez, R. Guthrie, M. Jagielsky, K. McFarlane, C. Milncr, G. Mitselmakher, A. Morclos, P. Murat, U. Nixdorf, R. Pierce, C. Pricc, O. Prokofiev, T. Reagan, A. Romero, V. Sarantsev, F. Stocker, V. Tchistilin, A. Vanyashin, L. Villascñor, H. Villcgas-Brcna, R. Wollcy, G. Yost, V. Zhukov, E. Zimmcr- Nixdorf, (SSC); B. Mayes, D. Parks, J. Pyrlik, R. Weinstein, (Univ. of Houston); "Texas Test Rig Laboratory - A Facility for Chamber Studies", GEM TN-94-610

5. H. W. Kendall, J. Kclsey, A. Korytov, D. McCurlcy, L. S. Osborne, L. Roscnson, G. D. Ross, F. E. Taylor, R. Verdier, B. Wadsworth, (MIT); L. S. Barabash, Yu. Bonushkin, V. Glcbov, G. Misclmakher, P. Murat, L. Villascñor, G. Yost, (SSC); "Tests of A Muon Chamber Prototype Based on Limited Streamer Drift Tubes", NIM A 343 (1994) p. 447

6. GEM Muon Group, "The RDT-RPC Technology Option for GEM", GEM TN-93-288.

7. N. Khovansky, V. Malyshcv, V. Tokmcnin, Yu. Scdykh (JINR, Dubna, Russia); A. Korytov, L. S. Osborne, G. D. Ross, R. Vcrdicr (MIT, Cambridge, MA, USA); Yu. Bonushkin, G. Mitselmakher (SSC, Dallas, TX, USA); "Spatial Resolution of Profile-based Detectors with External Pick-up Strips", NIM A351 (1994) 317.

8. Yu. Bonushkin, I. Golutvin, O. Prokofiev, "Choosing A Gas Mixture with 12 Degree Lorcntz Angle for The New Layout of The GEM Muon Barrel", GEM TN-93-500, Oct.1993.

9. Yu. Bonushkin, D. Chrisman, J. Mauser, D. Joycc, Th. Miillcr, (UCLA); G. Mitselmakher, O. Prokofiev, (Fcrmilab); A. Gordccv, V. Gratchev, D. Stcphani, V. Tcherniatine, (BNL); J. Shank, G. Varncr, S. Whitakcr, (Boston Univ.); "A UV Laser Technique for The Lorcntz Effcct Compensation Studies in End Cap CSC'c", NIM A367(l995)311; доложено на Венской Конференции по Проволочкам Камерам, Февраль 1995.

10. Yu. Ye. Bonushkin, А. V. Korytov, V. L. Malyshcv and S. Nova, "Spatial Resolution of Plastic Streamer Tubes with Wide Strip Readout", NIM A300 (1991) 268.

U.K. Lau, B. Mayes, J. Pyrlik and R. Weinstein (Univ. Houston) Yu. Bonushkin, A. Gonzalez, L. Villascñor and G. Yost (SSCL), "TTR Test Results of a UH CSC Prototype" , GEM TN-93-392.

Рукопись поступила в издательский отдел 20 мая 1996 года.