Многоканальные системы высоковольтного питания для газовых детекторов переходного излучения в экспериментах по физике высоких энергий тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

Учреждение Российской Академии Наук Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН

На правах рукописи

005001744

ЖУКОВ КОНСТАНТИН ИГОРЕВИЧ

Многоканальные системы высоковольтного питания для газовых детекторов переходного излучения в экспериментах по физике высоких энергий.

01.04.01 — приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ ! о Н0Я т

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва-2011

005001744

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук- Физическом институте им. H.H. Лебедева РАН.

Научный руководитель:

кандидат технических наук. Канцеров Вадим Абдурахмацович Физический институт им. ГШЛебедева РАН. г. Москва

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук.

Ры калин Владимир Иванович

Институт физики высоких энергий, г. Протвино

кандидат физико-математических наук, Сомов Сергей Всеволодович Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», г.Москва

Ведущая организации:

Объединенный институт ядерных исследований ОИЯИ, г. Дубна, Московской обл.

Защита состоится «_» _ 2011 г. в _ часов на заседании

диссертационного совета Д 002.023.02 при Физическом институте им. П.Н.Лебедева РАН по адресу: 119991 г. Москва, Ленинский проспект 53, тел. (499) 135 42 64

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физического института им. П.Н.Лебсдсва РАН. С авторефератом диссертации можно ознакомиться на сайте www.lebedcv.ru/.

Автореферат разослан «_»_

2011 г.

Ученый секретарь диссертационного смета Д 002.023.02 доктор фи зико-катсмьтических наук

Я.И. Истомин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Предметом диссертации являются:

1. исследование критических условий работы трекового детектора переходного излучения;

2. разработка соответствующего высоковольтного источника питания;

3. исследование опытных образцов и отработка методики тестирования многоканальной системы высоковольтного питания для трекового детектора переходного излучения (т.д.п.и.);

4. установка системы в эксперимент ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) на Большом адронном коллайдере LHC, внедрение в единую систему контроля эксперимента.

Т.д.п.и. (трековый детектор переходного излучения или TRT) является одним из важнейших элементов внутреннего детектора (Inner Detector) в ATLAS и выполняет две функции: детектора переходного излучения и координатного детектора. Т.д.п.и. расположен вблизи точки взаимодействия пучков коллайдера и поэтому практически недоступен для обслуживания в течение всего времени эксплуатации. В связи с этим очень остро стоит проблема надежности функционирования всего детектора в целом.

Т.д.п.и. состоит из пассивного радиатора (стопки полипропиленовых фолы в торцевых частях и полиимидных волокон в центральной части) и детектирующих элементов, пропорциональных дрейфовых камер, называемых straw (от англ. straw -соломинка). Это цилиндрические пропорциональные дрейфовые камеры диаметром 4 мм и длиной 370 мм для торцевых частей детектора и 1440 мм для центральной части. Всего таких камер в детекторе 298 304.

Каждая камера подключается к высоковольтному источнику питания напряжением 1530 В. Количество таких камер столь велико, что было довольно трудно обеспечить каждую отдельным источником питания. В связи с этим было предложено сгруппировать камеры по высоковольтному питанию, обеспечив каждую группу отдельным предохранителем, тем самым сократив количество высоковольтных каналов до 2000.

Трековый детектор переходного излучения будет выполнять свои функции при наибольшей светимости ускорителя 2*1034 cm'V1. Это обеспечено за счет использования самых передовых технологий в производстве детектора и обеспечения его работы. Детектор позволяет восстанавливать трек заряженной частицы, имея в среднем 36 координат частицы при пересечении камер. В пространстве между слоями straw размещены высокоструктурированные радиаторы, обеспечивающие переходное излучение заряженных частиц при пересечении ими границ раздела сред. Фотоны

переходного излучения регистрируются дрейфовыми камерами наряду с сигналами от релятивистских частиц. Эффективная регистрация переходного излучения позволяет выделять электроны на высоком адронном фоне (режекция электронов).

Совмещение в детекторе т.д.п.и. функций измерения координат проходящей релятивистской частицы и режекции электронов требует высокой стабильности коэффициента газового усиления в straw. А это, в свою очередь, требует прецизионной установки и стабилизации во времени высоковольтного напряжения питания пропорциональных камер (менее 0.1%).

Также важным требованием к высоковольтной системе питания является необходимость точной диагностики состояния straw по количеству допустимых пробоев в камере в единицу времени и своевременное быстрое отключение высоковольтной линии. Отказ в работе системы диагностики пробоев может привести к прожиганию тонкой катодной стенки камеры, утечке дорогостоящего газа Хе и выходу из строя всего детектора переходного излучения. Такого высоковольтного источника не бьио найдено среди существующих промышленных образцов. Подобные источники питания не соответствовали тем или иным требованиям т.д.п.и.

В связи с этим была разработана, изготовлена и установлена в эксперимент новая многоканальная высоковольтная ситема питания.

Цель диссертационной работы

• Определение критических условий работы straw в реальном эксперименте на коллайдере. Анализ возможностей современных промышленных источников питания с целью использования их в т.д.п.и. для надежной режекции электронов.

• Исследование характеристик straw с целью определения требований к высоковольтному источнику питания.

• Разработка требований и изготовление нового источника высоковольтного питания, удовлетворяющего специфическим требованиям трекового детектора и обеспечивающего высоковольтным питанием ~ 2000 каналов т.д.п.и.

• Разработка методики тестирования и калибровки каждого канала системы высоковольтного питания.

Научная новизна и практическая ценность работы

1. Исследованы критические режимы работы трекового детектора переходного излучения.

2. Определение набора требований к источнику высоковольтного питания, на основании которого изготовлен новый высоковольтный источник питания, обеспечивающий работу т.д.п.и. в критических условиях работы на ускорителе LHC.

3. Разработана методика тестирования уникальной многоканальной системы высоковольтного питания.

4. Предложена оригинальная схема подачи высокого напряжения на пропорциональные камеры, обеспечивающая компромисс между общим количеством каналов высоковольтного питания и минимальным количеством отключаемых камер, в случае обнаружения дефектной straw.

5. Разработана методика калибровки каждого канала высоковольтной системы питания, обеспечивающая необходимую точность установки и измерения выходных параметров (напряжения и тока) каналов питания.

6. В результате разработки нового высоковольтного источника питания и методик его тестирования, а также калибровки получена уникальная, высоконадежная и недорогая система высоковольтного питания, обеспечивающая необходимую стабильность напряжения для режекции электронов. Система уже более четырех лет работает в реальных уловиях эксперимента. За это время не было ни одного серьезного отказа в ее работе.

7. Результаты этой работы могут быть использованы в физических экспериментах на ускорителях заряженных частиц и космофизических экспериментах.

Освовные результаты, представленные к защите

Основными результатами, представленными к защите, являются:

• Результаты исследований критических режимов работы straw в детекторе т.д.п.и.

• Разработка структуры и организация многоканальных систем высоковольтного питания с числом каналов питания порядка 2000 и количеством питаемых элементов порядка 300 000.

• Разработка уникальной высоковольтной системы питания трекового детектора переходного излучения в эксперименте ATLAS, обеспечивающей высокую надежность работы straw и стабильную режекцию электронов.

• Разработка методики исследования, тестирования и калибровки высоковольтных источников питания для физики высоких энергий.

Количество публикаций в реферируемых журналах: 3

1. Система высоковольтного питания трекового детектора переходного излучения эксперимента ATLAS. К.И.Жуков, [др.]. Приборы и техника эксперимента. -2009.-Мо.5.-с.66-71.-Библиогр.:8.

2. Приборы для обнаружения электрических пробоев в пропорциональных дрейфовых камерах трекового детектора переходного излучения эксперимента ATLAS. К.И.Жуков, [др]. Приборы и техника эксперимента. Поступила в редакцию 07.04.2010 г.

3. Трековый детектор переходного излучения эксперимента ATLAS. Е.Абат, К.И.Жуков, [др.]. Приборы и техника эксперимента. -2011 год, в печати

Апробация работы

Основные результаты и выводы, содержащиеся в диссертации, докладывались и обсуждались на рабочих совещаниях коллаборации ATLAS, научных конференциях и сессиях по физике элементарных частиц в России, а также международных концеренциях.

Публикации

Сущность и новизна исследований, выполненных по теме данной диссертации, изложены в статьях, опубликованных в журналах «Приборы и техника эксперимента», Journal of Instrumentation, в трудах российских и международных конференций по физике элементарных частиц. Всего по теме диссертации опубликовано 7 работ, из них 3 - в реферируемых журналах, рекомендованых ВАК РФ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, а также приложения и основных результатов и выводов.

Диссертация содержит 120 страниц, включая 63 рисунков, 4 таблицы и список цитируемой литературы из 30 ссылок.

Личный вклад автора

При непосредственном активном участии автора были проведены исследования критических режимов работы трекового детектора переходного излучения, проведен анализ промышленных высоковольтных источников питания на предмет использования их в т.д.п.и. детекторе, предложена новая многоканальная система высоковольтного питания в соответствии с требованиями эксперимента. Автор участвовал в разработке методик тестирования и калибровки всей системы в целом и каждого канала в отдельности перед установкой детектора в шахту эксперимента. Непосредственно автором разработаны стенды для тестирования работы системы внутреннего отключения высоковольтного источника питания, изготовлен имитатор пробоев в камерах детектора. Изготовлены устройства для пережигания специальных предохранителей в линиях высоковольтного питания детектора для исключения из работы дефектных камер. Разработаны методики тестирования и калибровки высоковольтных каналов питания детектора. Автором была проведена калибровка всех 2205 каналов питания (включая запасные).

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность выполненных исследований, сформулирована цель диссертационной работы, показана научная новизна работы и описана структура диссертации.

Первая глава содержит краткое описание основных физических задач, поставленных перед физиками в экспериментах на Большом адронном коллайдере. Одна из главных фундаментальных задач - поиск Хиггс-бозона, последней важной компоненты Стандартной модели. Вторая задача, как дополнение к Стандартной модели, -Суперсимметрия, открытие которой и доказательство существования легчайшей суперсимметричной частицы (вейтралино) сможет дать многообещающего кандидата на темную материю, большую составляющую массы нашей Вселенной.

Здесь же представлено описание установки ATLAS с целью определения роли и места т.д.п.и. детектора в установке и в эксперименте в целом.

ATLAS - это один из четырех крупных экспериментов по физике элементарных частиц на ускорителе LHC, позволяющий исследовать фундаментальную природу материи и основных взаимодействий, формирующих нашу Вселенную.

Эксперимент ATLAS состоит из четырех составных частей:

1. Внутренний детектор (Inner Detector, ID) - измеряет траектории каждой заряженной частицы и обеспечивает идентификацию электронов. Он состоит из пиксельного детектора, полупроводникового трекового детектора (SCT, semiconductor tracker) и трекового детектора переходного излучения (т.д.п.и. или TRT, transition radiation tracker).

2. Соленоид, окружающий внутренний детектор, с магнитным полем 2 Тл, чтобы провести измерения заряда и момента заряженных частиц.

3. Мюонный спектрометр, включающий в себя четыре различных вида детекторов: MDT-детектор (Monitoring Drift Tubes - мониторируемые дрейфовые трубки) и CSC (Cathode Strip Chambers - катодные полосковые камеры) - для высокоточного определения траектории, RPC (Resistive Plate Chambers -резистивные камеры) и TGC-детекторы (Thin Gap Chambers - камеры с тонкими зазорами) - используются в качестве триггера.

4. Магнитная система, состоящая из двух частей: цилиндрический соленоид вокруг внутреннего детектора и электромагнитного калориметра и тороидальный сверхпроводящий торцевой магнит, (магнитное поле 2-8 Тл) для мюонов, проходящих через калориметр.

Далее приведены основные характеристики трехуровневой триггерной системы отбора полезных событий. От частоты пересечения сгустков на LHC в 40 MHz (частоты

взаимодействия ~109 Гц при светимости 1034 см"2с"') необходимо перейти к частоте событий 100 Гц, которую система сбора данных способна записать.

Первый уровень триггера (ЬУЬ 1) работает с информацией от калориметра и мюонных детекторов. Время принятия решения - около 2 мкс.

Второй уровень триггера (1_УЬ 2) отбирает события, используя полную информацию с ячеек всех детекторов, включая внутренний детектор с т.д.п.и. Время принятия решения - около 10 мкс.

Третий уровень работает с использованием процессорных ферм для данных полного события. Количество данных при ожидаемых 10® событиях в год с эквивалентным объемом одного события 1 Мб потребует свыше 1 Петабайта (1015 байт) ежегодно.

Вторая глава посвящена трековому детектору переходного. Т.д.п и., являющийся важнейшей частью Внутреннего детектора (см. рис.1), окружает пиксельный детектор, расположенный ближе всего к оси пучка, и полупроводниковый трековый детектор с его слоями кремниевых полосок-сенсоров.

Т.д.п.и. - это крупномасштабный газовый детектор, обеспечивающий выделение электронов на высоком адронном фоне с возможностью традиционного восстановления треков заряженных частиц (до 36 точек на трек). Современные материалы позволяют ему работать в условиях высокого радиационного фона при максимальной светимости ускорителя 2*1034 см"2с"\ Полная ожидаемая радиационная доза при переводе в ионизационный ток -0,15 мкА/см и равна ~ 10 Кл/см суммарного заряда.

Рис. 1 Общий вид внутреннего детектора

Временной анализ электронного сигнала straw обеспечивает измерение расстояния от трека частицы до анода. Схема временного сигнала приведена на рис.2. Чем ближе к

аноду проходит частица, тем меньше время прихода сигнала с трубки относительно триггерного сигнала. При нормальных условиях время сбора заряда электронов составляет -48 не. Измерение времени дрейфа обеспечивает пространственное разрешение 130 мкм. Сигнал от ионизационных потерь частицы регистрируется при низком пороге энерговыделения в т.д.п.и. ~2,5 кэВ. Для регистрации фотонов переходного излучения используется высокий порог 6-7 кэВ.

Рис.2 Схема прохождения заряженной частицы через straw. Расстояние^ координаты внутри трубки определяется по левому краю времени прихода импульса с низким порогом регистрации

Наведенная радиоактивность Хе и конструктивных материалов затрудняет доступ и техническое обслуживание TRT-детектора. С другой стороны, для эффективной режекции электронов от пионов необходимо обеспечить стабильность коэффициента газового усиления за время проведения всего эксперимента. Это предъявляет особые требования к т.д.п.и., в том числе и к разработке системы высоковольтного питания детектора.

TRT выполняет две функции: режекцию электронов и участвует в распознавании треков. Идентификация электронов происходит в основном в электро-магнитном калориметре, который обеспечивает режекцию на уровне 10-3, однако при участии TRT этот показатель можно улучшить примерно в 50 раз. Основной функцией детектора является все-таки отслеживание треков заряженных частиц. Распознавание треков в области, близкой к точке взаимодествия пучков, нетривиальная задача ввиду большой плотночти частиц. Однако при участии силиконовых полупроводниковых детекторов, которые дают вершины треков, TRT обеспечивает надежную реконструкцию треков с пространственной точностью около 150мкм на радиусах от 1 до 2м от точки взаимодествия.

Далее излагается принцип работы детектора переходного излучения, его координатное разрешение (предельное 132 мкм) и возможность идентификации

сигнал с труЪкл

. 1]1ск ИфяжсннсЦ tr.il. iijia иер^севдюш lyytfiOi

электронов в области энергий 1-100 ГэВ для отделения их от пионов. Дискриминатор с высоким порогом на 6-7 кэВ оптимизирован для разделения электронов и пионов. Выделение энергии в т.д.п.и. является суммой ионизационных потерь заряженной частицы (2.5 кэВ в среднем) и больших потерь вследствие поглощения фотонов переходного излучения (> 5 кеВ) (см. рис.3).

Рис.3 Иллюстрация событий от элекгрон-позтронного и пионного трека (моделирование).

Большие пятна указывают события от конвертации фотонов переходкого излучения, маленькие пятна - от минимально ионизирующих частиц (сверху). Распределение событий с большими выделениями энергии от переходного излучения показаны для электронов и пионов (справа)

Далее подробно рассматривается цилиндрическая пропорциональная камера, являющаяся детектирующим элементом ТЯТ-детектора, ее контруктивные (рис.4) и технологические особенности, достоинства и недостатки. Рабочим газом является смесь Хе-С02-02 (в пропорции 70%-27%-3%), обеспечивающая поглощение у— кванта и образование кластера электронов, регистрируемых пропорциональной камерой.

Выбор газовой смеси на основе Хе при длительной эксплуатации детектора в условиях высокого радиационного фона требует циркуляционной системы подачи газа и, соответственно, непрерывной его очистки. Для этого используется специально разработанная газовая система.

Работа TRT-детектора в условиях больших потоков частиц, высокого радиационного фона приводит к необходимости охлаждения не только front-end (передней) интерфейсной электроники, но также и самих камер. Средняя энергия, выделяемая в камере, — около 2.5 кэВ на частицу для минимально ионизирующего события. Ионизационный ток приводит к общему рассеянию энергии около 10-20 мВт на канал на пиковой светимости ускорителя. Чтобы поддерживать характеристики детектора и сохранять установленный экспериментально градиент температуры в детекторе, необходимо охлаждение детектора. Т.д.п.и. охлаждается вентиляцией СОг. Также СО2 выполняет функцию защиты от влаги.

Стенка пропорциональной дрейфовой камеры

Полиуретановый слой -5 +- 2мкм

Внутри камеры

Углерод-полиимидный

защтный слой -•

6 +-2 мкм

Алюминиевый слой 0.20 +- 0.08 мкм

Каптоновая лента 25.0 -к2.5 мкм

¡SI

Снаружи камеры

Углерод-полиимидный - защитный слой 6 +- 2 мкм

-Алюминиевым слой 0 20 *- 0.08 мкм

- Каптоновая пента 25.0 +-2.5 МКМ

Sr 1 Ж

Рис.4 Многослойная лента (слева) используется для производства straw наматыванием на точный сердечник (справа сверху). Четыре углепластиков волокна снаружи трубочки обеспечивают жесткость (внизу справа).

Большое количество пропорциональных дрейфовых камер (298 304) потребовало новых решений в организации front-end электроники и системы считывания данных. В основе считывающего интерфейса лежат 8-канальный биполярный усилитель -формирователь (ASDBLR) и цифровой чип CMOS (DTMROC). Это уникальная электроника, сделанная по заказу в соответствии с требованиями TRT-детектора. Схема front-end интерфейса и интерфейса базы данных в т.д.п.и. приведена на рис.5.

Лента (150- 180 С)

цилиндр

(150-180 С)

asdblr dtmroc

<--► ч-►

Передний интерфейс Интерфейс базы данных

Рис.5 Схема front-end интерфейса и интерфейса считывания данных в ATLAS

Третья глава посвящена разработке и исследованию оригинальной системы высоковольтного питания для т.д.п.и. эксперимента ATLAS, обеспечивающей выполнение функции режекции электронов, а также измерения координат треков релятивистских частиц.

Характерной особенностью трекового детектора переходного излучения является практически абсолютная недоступность его обслуживания, так как т.д.п.и. представляет собой внутреннюю часть установки (Inner Detector). При этом коэффициент газового усиления должен быть стабильным во времени. Пороги дискриминаторов так близки, что незначительное изменение высокого напряжения может привести к изменению коэффициента газового усиления и затруднить или вовсе сделать невозможной режекцию электронов. Поэтому от высоковольтной системы питания требуется высокая надежность и стабильность Также в функцию высоковольтной системы питания входит исключительно важная задача диагностики состояния камер на наличие электрических пробоев и своевременное отключение высокого напряжения. Признаком неисправности straw является наличие многократных пробоев, количество которых в единицу времени превышает некоторый предел. Опасность такого проявления дефекта состоит в том, что это может привести к прогоранию тонкой стенки катода и, как следствие, к потере герметизации и утечке дорогостоящего газа Хе - основной компоненты рабочего вещества детектора

Все вышеизложенное предъявляет специфические требования к высоковольтной системе питания пропорциональных камер. Были проведены исследования на предмет стабильности высокого напряжения во времени, стабильности калибровок во времени и определения допустимого количества пробоев, при котором straw не выходит из строя.

На первом этапе исследований в качестве источника высоковольтного питания использовался промышленный одноканальный источник питания CAEN 126. В этом источнике питания устанавливаемый порог отключения определяется средним интегральным током нагрузки Это может быть и постоянный ток при коротком замыкании в нагрузке и средний ток от многократных пробоев в камере straw. Осциллограммы тока и напряжения, полученные в условиях пробоев в камере, приведены на рис.6.

Рис.6 Слева - характерная осциллограмма изменения тока нагрузки, полученная в условиях пробоев в straw (chl осциллограммы). Справа - изменение выходного напряжения при наличии пробоев в straw (chl осциллограммы). Нижний луч ch2 - пробои в камере straw

На рис.7 представлены экспериментально полученные зависимости порогового тока (Imp) отключения высоковольтного источника от частоты пробоев и количества пробоев.

500

1000 1500 trip mkA

2000

2500

О 500 1000 1S00 2000 2S0Q

(rip mНА

Рис.7 Представлены зависимости порогового тока (Ilrip) отключения высоковольтного источника от частоты пробоев (сверху) и количества пробоев (внизу).

Дальнейшие исследования показали, что безопасным для работы straw является наличие серии пробоев в количестве 40 в течение 20 мс. В соответствии с этим критерием высоковольтный источник питания должен отключить высокое напряжение полностью или опустить его до безопасного уровня (т.н. StandBy, 500 В). В результате анализа возможных вариантов высоковольтного источника питания первоначально была выбрана система фирмы CAEN SY1527, укомплектованная 12-канальными модулями А1734.

Схема подключения одного из высоковольтных каналов к пропорциональным камерам приведена на рис.8. Такое подключение определяется структурой построения разводки высоковольтного питания к камере.

Поскольку невозможно каждую из 298304 straw подключить к отдельному источнику высоковольтного питания (в основном из-за большого количества высоковольтных кабелей), пришлось объединить камеры детектора в группы, при этом учитывая тот факт, что при обнаружении дефектной straw можно было бы отключить вместе с ней минимальное количество камер, состоящих в группе с дефектной.

Было принято решение объединить по высокому напряжению 192 пропорциональные камеры

Рис.8 Схема подключения одного из высоковольтных каналов к пропорциональным камерам

Чтобы не допустить отключения всех 192 камер из-за одной дефектной, straw детектора были объединены в подгруппы по 8 штук. Каждая из этих подгрупп подключается к высоковольтной линии через специально разработанный предохранитель. При обнаружении высоковольтным источником дефектной straw происходит отключение группы из 192 straw. Затем эта линия подключается к специально разработанному источнику питания, обеспечивающему принудительное пережигание предохранителя в соответствующей подгруппе, так как при электрических пробоях внутри камеры резко падает ее электрическое сопротивление и весь ток от источника идет через предохранитель той группы, где расположена именно эта дефектная straw.

Затем схема питания восстанавливается, но уже для группы из 185 straw (подгруппа из 8 отключена), и детектор готов к продолжению работы. При такой организации системы высоковольтного питания вместе с дефектной камерой отключается еще 7 камер, а не вся высоковольтная линия целиком (192 камеры).

Такое решение является разумным компромиссом между количеством высоковольтных каналов, потребляемой мощностью и количеством отключаемых в случае проблем камер.

В таблице 1 представлено распределение линий высоковольтного питания (каналов) в модулях детектора.

Таблица 1

Торцевая часть (сторона А)

Общее число НУ линий 768

Общее число stгaw-кaмep 147456

Торцевая часть (сторона В)

Общее число НУ линий 512

Общее число .^га\*<-камер 98304

Центральная часть

Общее число НУ линий 704

Общее число эйтт-камер 52544

Общее число высоковольтных линий 1984

Общее число э^ал^камер 298304

В таблице 2 представлены токи, ожидаемые в одном регистрирующем элементе (straw) для модулей разного типа в условиях работы детектора при максимальной светимости ускорителя LHC.

Таблица 2

Кол-во Кол-во straw/ I(mA)/straw при Общий Imax/ли

straws линий линия полной светимости I(mA)/line нии тА

Торцевая часть 147456 768 192 0.0045 0.864 1.7

(сторона А)

Торцевая часть 98304 512 192 0.0045 0.864 1.7

(сторона В)

Центральная часть 10528 192 55 0.02 1.1 1.7

модуль типа 1

Центральная часть 16640 192 87 0.01 0.87 1.7

модуль типа 2

Центральная часть 25376 320 80 0.006 0.48 1.7

модуль типа 3

В таком виде высоковольтная система питания состоит из 2000 высоковольтных каналов (линий). Максимальный ток в отдельной линии при максимальной светимости не более 1.7 мА, максимальное напряжение питания 2000 В (при рабочем 1450-1600 В), полярность отрицательная.

Одним из главных критериев пригодности высоковольтного источника питания для питания straw является надежная система защиты от пробоев при указанных выше критериях (40 пробоев в течение 20 мс). Критическим являются 2-3 таких цикла, после чего тонкая стенка камеры может быть повреждена, вплоть до прогорания

На рис.9 приведены осциллограммы сигналов изменения напряжения на катоде при разных задержках срабатывания trip-логики, отключающей высокое напряжение. Источник питания CAEN имеет фиксированные дискретные значения времени задержки dT 0; 200; 300 мс. Согласно осциллограммам при dT=0 полное отключение высокого напряжения происходит через 100 мс. Это может быть опасным для straw-камеры. Кроме того, при включении высокого напряжения возникает выброс напряжения, в два раза превышающий установленное напряжение и который, несмотря на то, что он довольно короткий (около секунды), может спровоцировать разряд в пропорциональной камере.

Еще одним серьезным недостатком высоковольтной системы питания CAEN является высокая стоимость, связанная с большой избыточностью возможностей системы, рассчитанной на самые различные области применения.

Dubna CAEN 1527

Current

jiu.

Voltage

dT=0

.ILL

О

iiisoilL

dT=Q.2 s

------——- IJ-Г-,------------------

Рис.9 Осциллограммы сигналов для высоковольтных систем слева CAEN (Италия) и справа HVSys (Дубна, Россия)

Для устранения перечисленных недостатков был разработан новый источник высоковольтного питания для т.д.п.и. детектора установки ATLAS.

Совместно со специалистами ОИЯИ была разработана и изготовлена многоканальная система высоковольтного питания для трекового детектора переходного излучения эксперимента ATLAS.

Технические требования к высоковольтному источнику для TRT-детектора ATLAS

Количество HV каналов - 2000. Каждый канал должен иметь независимый контроль и управление. Основные требования к каналу:

1. Максимальная выходная мощность 6 Вт

2. Диапазон выходных напряжений 500-2000 В

3. Полярность отрицательная

4. Точность установки выходного напряжения 0.1% (10 бит)

5. Шаг регулирования напряжения 1.56 В

6. Разброс выходного напряжения от канала к каналу менее 1%

7. Стабильность выходного напряжения 0.1%

8. Пульсация выходного напряжения <50mVpp

9. Рабочий ток на нагрузке <1.5мА

10. Предельный выходной ток ЗмА

11. Точность контроля тока и напряжения 12 бит

12. Время задержки срабатывания Птр-логики 20, 50, 100, 150 мс

13. Управление источником и контроль параметров обеспечивается с помощью PC

через стандартный интерфейс (RS-232, USB).

В соответствии с изложенными требованиями был разработан и изготовлен прототип НУ источника питания, содержащий базовый (силовой) блок питания, обеспечивающий работу 420 каналов (20 модулей по 21 каналу в каждом модуле). Модули размещены в крейте Еиготес11ашса. В опытном образце в крейте был размещен один модуль и контроллер, который через интерфейс 118232 связан с РС, управляющим работой системы Магистраль считывания и управления в крейте - последовательная. Внешний вид опытного образца НУ крейта и высоковольтный модуль на 21 канал представлены на рис.10.

Рис, 10 Опытный образец HV крейга и высоковольтный модуль на 21 канал

На первом опытном образце крейта были проведены тщательные исследования всех параметров системы. Особое внимание было обращено на систему защиты straws от пробоев.

Схема измерений при тестировании высоковольтного канала приведена на рис 11.

J3-

Вбп? straw with discharge

-HV

о-----(¿y

15

W

I

<

<

-3 h

CH*2; Rin= 50 От \

<

100 kOm

Точка #1

—[>

--J load I

4/0 PF \ <T 1000 MOm

\ <

CH#1: Rin= шот

Рис. 11 Схема измерений и методика тестирования trip-логики (защиты от пробоев) была аналогична схеме при исследованиях с CAEN источником

На рис.12 представлены осциллограммы изменения напряжения высоковольтного источника питания в результате отключения высокого напряжения trip-логикой (ch2) при различных задержках. Chi - сигналы от пробоев в камере straw.

Следует отметить четкую зависимость задержки отключения высокого напряжения от задаваемой длительности задержки в диапазоне 0, 50 и 200 мс.

Из рис.9 видно, что вновь разработанный высоковольтный источник питания отключается раньше, чем источник фирмы CAEN (минимальные dT в CAEN 150 мс, а в Дубненском - 50 мс), что является важным положительным отличием новой высоковольтной системы питания.

На рис.12 внизу справа приведена осциллограмма пульсаций в выходном напряжении высоковольтного канала питания при нагрузке 1.5 мА.

г

2 fiV 1 ос -15.80!«

Рис.12 Напряжение 1350 В , ток отключения 3 мА. Слева сверху: задержка срабатывания trip-логики 0 мс, справа сверху - 50 мс, слева внизу - 200 мс. На осциллограмме внизу справа пульсации в выходном напряжении

В результате проведенных исследований характеристик опытного образца крейта был отмечен ряд замечаний и недоработок:

1. Напряжение Uset, устанавливаемое от ПК пользователем, напряжение контроля Umon и выходное напряжение на нагрузке Ureal отличались более чем на 20 В, что не соответствовало требованиям ТЗ.

2. Предельный ток нагрузки каждого канала 2 мА было рекомендовано увеличить до 3 мА.

3. Начальное напряжение в канале 500 В (Stand-By) допустимо, но при включении 500 В источник дает выброс напряжения (вследствие переходного процесса), который достигает 1500 В, что недопустимо.

4. Пульсации составляли ~100 rnB ррт, что не соответствовало требованиям. Кроме того, были выбросы напряжения на выходе с частотой ~100 кГц.

5. Интерфейс связи с PC RS-232 слишком медленный. Рекомендован интерфейс USB.

6. Очень трудоемкая и ненадежная методика тестирования trip-логики.

С учетом этих рекомендаций был изготовлен следующий крейт с полным составом модулей (20 в крейте) с новым силовым блоком, обеспечивающим предельный ток нагрузки в каждом канале 3 мА и с управлением через USB.

Исследование характеристик HV крейта

При исследовании характеристик этого крейта отрабатывалась методика для массового тестирования всех последующих 6 крейтов (всего 2000 HV каналов). Для защиты от пробоев в высоковольтной системе предусмотрена система отключения высокого напряжения при превышении порога по току в цепи нагрузки выше определенной величины (trip-логика). Принцип работы trip-логики представлен на рис.14. В случае возникновения пробоев (верхняя кривая) высоковольтная система переходит в режим стабилизации по току в цепи нагрузки, при этом напряжение на выходе высоковольтного источника понижается до величины, при который ток в цепи нагрузки не превышает заданный предел (нижняя кривая). Если пробои не прекращаются в течение времени ДТ, то высокое напряжение отключается до безопасной величины вплоть до нуля (на рис. 12 эта безопасная величина составляет 500 В).

¿7-Йрг-М 15:33:44 TRIGP-CR SETUP

198 «V 23?B SMRRT

■j, »—tngijôr- on-> Q 2 txt Extiei ¿LL'ne j

--1, 8.59 'J i m ЧГ1™ Iя *—

|0:Н4......................i m I 139 nV j •И-Н- 10 w-йшрПпд 1..... Bj Щ lie i.!-i>e:.! j

V' Ж '^П U î HiJoy i

ir jUjLj tyi ЙИ f - " .•.......hcîdarF........! \Ш 7 i Evtsj 5 iS/s О SIÙPPC0

&J

. 2 Б 1 л U » 2 .5 V DC 1 DC гогл-

Рис. 13 Демонстрация работы системы защиты от пробоев (trip-логика).

Масштаб по горизонтали 0.5 мс/клетка

Полное число высоковольтных выходов высоковольтной системы ATLAS TRT составляет 1984. С учетом запасных ячеек полное число высоковольтных выходов, которые необходимо проверить на предмет соответствия их функциональных параметров технической спецификации, превышает 2400. Для упрощения и ускорения процесса

проверки Нтр-логики была разработана электрическая схема, имитирующая электрические разряды, возникающие в цепи нагрузки высоковольтного питания. Схема имитатора приведена на рис. 14.

Нажатием кнопки К запускается одновибратор, задающий длительность пачки импульсов частотой I кГц. Сформированная пачка импульсов (50 импульсов за 50 мс) управляет высоковольтным ключом НТ530 [].

wbos trapsstcr swtch

Рис.14 Схема имитатора пробоев

Было принято решение обеспечить согласование USM, Umm и U,eai с помощью калибровки и последующей коррекции через PC. Это потребовало калибровки каждого из 2400 каналов и введения калибровочных коэффициентов.

Методика проверки канала высоковольтного источника питания

Проверка системы управления крейтом от PC через USB. Программное обеспечение для согласования крейта с USB интерфейсом предоставлено разработчиком крейта.

1. Проверка работы trip-логики (системы защиты высоковольтного источника питания от пробоев в straw и короткого замыкания анода на катод). Для этого теста выход системы (один канал) подключается к схеме имитатора пробоев (рис.14). Импульсный ток пробоя задается резистором Rvar в нагрузке высоковольтного ключа, постоянный ток нагрузки, эквивалентный току, обусловленному радиационным фоном в рабочих условиях на ускорителе, задается резисторами Rhi и Rh2 (1050 мкА). Ток отключения высокого напряжения 1„р устанавливается ШОмкА. В схеме задается режим, соответствующий 50 пробоям за 50 мс, превышение тока 100 мкА. Нажатием кнопки К имитируются условия, являющиеся критическими для работы пропорциональных камер В системе управления высоким напряжением задается два режима задержки trip-логики: 50 ms и 100 ms. В первом режиме не должно происходить отключение высокого напряжения, во втором - высокое напряжение отключается.

2. В каждом высоковольтном канале измеряются и записываются параметры устанавливаемого напряжения UsM, мониторируемого источником напряжения Umo„ и реального напряжения на выходе Urea| Напряжение Ureai измеряется внешним цифровым вольтметром. На основе полученных результатов определяются поправочные коэффициенты, с помощью которых приводятся к соответствию параметры Usol, Umo„ и игЫ. Эти поправочные коэффициенты вводятся в программное обеспечение, управляющее высоковольтной системой.

3. Проверка величины пульсаций на высоковольтном выходе под нагрузкой (1н=3 мА) осуществляется с помощью осциллографа.

Полученные экспериментальным путем поправочные коэффициенты могут быть использованы для коррекции Us„, итш и U„ai, чтобы привести их к полному соответствию.

Кроме того, измерения Ureai проведены для каждого канала в приближенных к эксперименту условиях путем подключения его к резистивной нагрузке, обеспечивающей ток в канале -1.5 мА. Измерения проводились при 3 значениях напряжения. 1200 В, 15S0 В и 1800 В.

Распределения напряжений U„„i и Um0„ по одному крейту при напряжении 1750 В приведены на рис.15.

Distribution 1750V crate-2

Рис. 15 Распределения напряжений и,ы и и^ по одному крейту при напряжении 1750 В

Как видно из приведенных распределений (рис.15), полный разброс выходного напряжения составляет величину ±0.8 %, что приводит к разбросу коэффициента газового усиления в пропорциональных камерах на уровне ± 20%. Чтобы уменьшить этот разброс, была проведена калибровка всех 1984 высоковольтных линий.

В результате проведенной калибровки и после введения поправочных коэффициентов для каждой высоковольтной линии, разброс значений выходных напряжений и мониторируемых величин выходного напряжения (игеа| и ит(,п) не превышает 0.! % (см. рис. 16).

Ureal End-cap wheels

50 40 30 20 10

" ! ........................................................."

ш 1 ......

тт. ШЩу

....................................................................1.1.111 ж ■ Б

i/i ч; м n ш ^ т со n ф pi ч 2L с- cti <л сч 2 о о с. с*. 3 со гч СП о сг> о ^ 1Л гН сН 1500.6 1501 : 1501.4 -1501.8 [ 1502.2 : 1502.6 ■■ 1503 : 1503.4 -1503.8

Рис. 16 Распределение выходных напряжений Ureal в крейгах торцевых частей детектора после калибровки. Установленное напряжение 1500В

В четвертой главе рассматривается организация тестирования модулей End-cap перед окончательной сборкой TRT-детектора. Всего было разработано и изготовлено четыре стенда, каящый из которых обеспечивал автоматическое или полуавтоматическое тестирование следующих основных параметров модулей:

1 Проверка геометрических точностей изготовления колес детектора.

2. Проверка натяжения проволочек в камерах путем возбуждения колебаний проволочки на звуковой частоте.

3. Проверка прямолинейности трубок straw.

4. Проверка модулей на утечку газа в рабочем объеме.

5. Высоковольтные испытания на напряжении питания 1550 В в течение двух недель.

6. Изготовление приборов по поиску отдельно пробивающейся пропорциональной камеры

Стенд проверки высокого напряжения

Рис. 17 Схематичное изображения помещения для сборки детектора т.д.п.и. и проведения приемки колес

End-cap и модулей Barrel.

Эти проверки были организованы в чистом помещении для сборки детектора т.д.п.и. непосредственно перед ее началом. Схематичный вид помещения показан на рис. 17. Тесты включали в себя проверки на газовую герметичность колес, натяжения нитей и их эксцентриситет внутри трубок straw, их механическая прочность, точность изготовления колес и надежная изоляция по высокому напряжению.

При тестировании в системе управления высоким напряжением возникала проблема поиска отдельно пробивающейся камеры в модуле, содержащем 192 straw. Для быстрого обнаружения места пробоя (конкретной камеры) был разработан специальный тестер, который путем анализа сигналов, возникающих на анодной проволочке при пробое, позволяет локализовать место пробоя с точностью до номера straw. Такой простейший прибор позволил резко сократить время на поиск пробивающейся камеры.

Аналогичный прибор был сделан и для поиска пробоев вне камер в точках подключения высоковольтного питания к группе из 8 камер.

В приложении описаны процессы, протекающие в пропорциональных дрейфовых камерах. Изложены принципы движения электронов в газах и ионизация. Отдельным пунктами объясняются газовое усиление и процессы присоединения в кислороде.

Основные результаты и выводы

1. Исследованы и определены критические условия работы straw под высоким напряжением питания (рабочее 1530 В). Главным критерием аварийной ситуации в работе straw является допустимое количество пробоев: 50 пробоев за 40 мс.

2. На основе выбранного критерия, а также исследования промышленного высоковольтного источника питания фирмы CAEN был определен набор требований к источнику питания и изготовлена новая высоковольтная система питания, удовлетворяющая специфическим требованиям т.д.п.и., обеспечивающая требуемую стабильность коэффициента газового усиления для работы детектора в режиме режекции электронов.

3. Разработана методика калибровки каждого канала высоковольтной системы питания, обеспечивающая необходимую точность установки и измерения напряжения и тока в каждом канале.

4. Разработана методика тестирования уникальной многоканальной системы высоковольтного питания TRT-детектора.

5. Предложена оригинальная схема подачи высокого напряжения на straw, обеспечивающая компромисс между общим количеством каналов высоковольтного питания и минимальным количеством отключаемых камер в случае обнаружения дефектной straw.

Практическая ценность работы

1. В результате разработки нового высоковольтного источника питания, методик его тестирования и калибровки получена уникальная высоконадежная и недорогая многоканальная система высоковольтного питания, удовлетворяющая критическим условиям работы трекового детектора переходного излучения.

2. Практически первые физические результаты установки ATLAS были получены с помощью т.д.п.и. На треках космических мюонов были измерены вероятности образования фотонов переходного излучения для разных значений импульсов мюонов.

Некоторые физические результаты, полученные при помощи детектора TRT

Эксперимент ATLAS продолжается уже 5 лет. Последние три года он работает на сталкивающихся пучках ускорителя LHC За время работы детектор TRT успешно участвует в работе установки. Она дает значительный вклад в идентификацию треков заряженных частиц. На рис. 18 показано пространственное разрешение трекового детектора. В среднем на каждый трек TRT дает около 30 координат, что вместе с полупроводниковыми детекторами обеспечивает хорошее распознавание треков.

' AnAS P'ellminary

'[ösp^aiOAiienmem A TRTbarrel

FWH1/V2.35-124 цт . vs » 7 TeV

»' | Track рт> 15 GeV . « Ï 9

\

Reslöuai [mm|

X103

Autumn 2010 Altgnmenl FWHMia^5-132nm X) Spring 2010 Aligwrwnl FWHMi2.3S.U8um

ATLAS Preliminary TRT end-caps s's-7TeV < ^ Track p > 15 GeV

f \ t i

-0.5

0.5

Residual [mm]

Рис.

18 Пространственное разрешение детектора TRT. Слева - дня центральной части, справа- дая торцевых частей. Энергия сталкивающихся пучков 3.5 ТэВ.

Как видно из приведенных распределений, координатная точность центральной части детектора составляет около 118 мкм, торцевой части - около 132 мкм

Также детектор обеспечивает надежную режекцию электронов. На рис. 19 показана зависимость вероятности высоко-порогового сигнала от величины у фактора частицы. TRT детектор обеспечивает режекцию на уровне 10"2 при эффективности регистрации электронов 90%.

0.3

в

€ o.zs

CL

S 0.2

I 0.15

ê

СП 0.1

iE

0.05

0

ATMS Preliminary TRT end-сарэ • Data 2ои> Ks = 7 iw, о Monte cario

to2

"To1 '

v factor ; 1<f . 105

Pion momenwT, |QcVj EloctW momenlum [GeV|

ATLAS Preliminary Data 2010 TRT ertd-caps 4 < p < 20 GeV

ЩВжйгеп сягк5ЧИ«4 Qpion çsndkteiee

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 High-threshold fraction

Рис. 19 Режекция электронов в детекторе TRT. Слева показана зависимость вероятности прихода сигнала, больше чем высокий порог электроники. Спара показан спектр с разделенными электронами и пионами.

Благодаря детектору TRT, установка ATLAS имеет триггер событий даже на светимости 3*1033см"2с"1. На рис.20 показаны электроны от JЛу распада.

Рис.21 ATLAS позволяет проводить надежную идентификацию треков даже в таких сложных случаях

наложения событий.

Рис.20 Электроны от J/ ц/ распада.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Система высоковольтного питания трекового детектора переходного излучения эксперимента ATLAS. К.И.Жуков, [др.]. Приборы и техника эксперимента. -2009.-Ыо.5.-с.66-71.-Библиогр.:8.

2. Приборы для обнаружения электрических пробоев в пропорциональных дрейфовых камерах трекового детектора переходного излучения эксперимента ATLAS. К.И.Жуков, [др] Приборы и техника эксперимента. 2010. №6 стр. 21-23.

3. Трековый детектор переходного излучения эксперимента ATLAS. Е. Абат, К.Жуков, [др.]. Приборы и техника эксперимента. 2011. Готовиться к публикации.

4. Труды научной сессии МИФИ. 2008 год, Москва, секция 3-4, Физика ядра и элементарных частиц.

5. Труды научной сессии МИФИ. 2009 год, Москва, секция 3-4, Физика ядра и элементарных частиц. «Начало работы эксперимента ATLAS на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН», К.И.Жуков, [др.].

6. Труды научной сессии МИФИ. 2009 год, Москва, секция 3-4, Физика ядра и элементарных частиц. «Тестер для обнаружения пробоев в отдельных straw-камерах трекового детектора переходного излучения эксперимента ATLAS», К.И.Жуков, [др.].

7. THE ATLAS TRT END-CAP DETECTORS, 2008 JINST 3 PI0003 doi: 10.1088/1748-0221/3/10/P10003 K.Zhukov [et all],

8. THE ATLAS TRT ELECTRONICS, 2008 JINST 3 P06007 doi: 10.1088/17480221 /3/06/Р06007 K.Zhukov [et all],

9. THE ATLAS TRANSITION RADIATION TRACKER (TRT) PROPORTIONAL DRIFT TUBE DESIGN AND PERFORMANCE, 2008 JINST 3 P02014 doi: 10.1088/1748-0221/3/02/P02014 K.Zhukov [et all],

10. THE ATLAS TRT BARREL DETECTOR, 2008 JINST 3 P02014 doi: 10.1088/1748-0221/3/02/Р02014 K.Zhukov [et all].

Подписано в печать 19.10.2011 г. Формат 60x84/16. Заказ №74. Тираж 100 экз. П.л 2. Отпечатано в РИИС ФИАН с оригинал-макета заказчика 119991 Москва, Ленинский проспект, 53. Тел. 499 783 3640

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность темы.

Цель диссертационной работы.

Научная новизна работы.

Практическая ценность работы.

Основные результаты, представленные к защите.

Апробация работы.

Публикации.

Структура и объем диссертации.

ГЛАВА 1. БОЛЬШОЙ АДРОННЫЙ КОЛЛАЙДЕР И ЕГО ЭКСПЕРИМЕНТЫ. ЭКСПЕРИМЕНТ ATLAS.

1.1 Ускоритель.

1.2 Эксперименты на LHC.

1.2.1 Физика на ускорителе LHC.

1.2.2 Эксперимент CMS.

1.2.3 Эксперимент ТОТЕМ.

1.2.4 Эксперимент ALICE.

1.2.5 Эксперимент LHCb.

1.3 Эксперимент ATLAS.

1.3.1 Предназначение.

1.3.2 Детектор ATLAS.

1.3.3 Внутренний детектор.

Пиксельный детектор.

Полупроводниковый трековый детектор.

Трековый детектор переходного излучения.

1.3.4 Калориметры.

1.3.5 Мюонный спектрометр.

Мониторируемые дрейфовые камеры (MDT).

Катодные полосковые камеры (CSC).

Резистивные плоские камеры (RPC).

Тонко-зазорные камеры (TGC).

1.3.6 Магнитная система.

1.3.7 Триггер, сбор данных (DAQ) и компьютерные мощности.

ГЛАВА 2. ТРЕКОВЫЙ ДЕТЕКТОР ПЕРЕХОДНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.

Введение.

2.1 Переходное излучение.

2.2 Требования и решения.

Способности восстановления треков.

Идентификация частиц.

2.3 Конструкция детектора.

2.3.1 Модули цилиндрической части и колеса торцевых частей детектора.

2.3.2 Дрейфовая трубка.

2.3.3 Рабочие смеси газов и газовая система.

Компоненты рабочей газовой смеси.

Активная газовая система.

2.3.4 Газовое охлаждение и вентиляция.

2.3.5 Считывающая электроника.

ГЛАВА 3 ВЫСОКОВОЛЬТНАЯ СИСТЕМА ПИТАНИЯ ТРЕКОВОГО ДЕТЕКТОРА

ПЕРЕХОДНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА ATLAS.

3 1 Выбор высоковольтного источника питания для трекового детектора переходного изучения 62 3 2 Технические гребования к высоковольтному источнику для TRT-детектора ATLAS

3 3 Исследование характеристик HV крейта

Методика проверки и калибровки канала высоковольтного источника

ГЛАВА 4. ПРИЕМКА КОЛЕС END-CAP ЧАСТИ ДЕТЕКТОРА ПЕРЕД

ЕГО СБОРКОЙ.

Введение

4 1 Стенд проверки геометрических точностей 82 4 2 Проверка на газовые течи 84 4 3 Стабильность работы колес детектора под высоким напряжением длительное время 85 4 4 Приборы для обнаружения электрических пробоев в straw 86 4 5 Проверка напряжения нити и прямолинейности дрейфовой камеры straw 90 4 5 1 Измерения натяжения вольфрамовой проволочки 90 4 5 2 Изучение прямолинейности пропорциональных камер straw

Актуальность темы

Предметом диссертации являются:

1. исследование критических условий работы трекового детектора переходного излучения;

2. разработка соответствующего высоковольтного источника питания;

3. исследование опытных образцов и отработка методики тестирования многоканальной системы высоковольтного питания для трекового детектора переходного излучения (TRT);

4. установка системы в эксперимент ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) на Большом адронном коллайдере LHC, внедрение в единую систему контроля эксперимента.

Трековый детектор переходного излучения TRT является одним из важнейших элементов внутреннего детектора (Inner Detector) в эксперименте ATLAS и выполняет две функции: детектора переходного излучения и координатного детектора. TRT расположен вблизи точки взаимодействия пучков коллайдера и поэтому практически недоступен для обслуживания в течение всего времени эксплуатации. В связи с этим очень остро стоит проблема надежности функционирования всего детектора в целом.

TRT состоит из пассивного радиатора (стопки полипропиленовых фольг в торцевых частях и полииимидных волокон в центральной части) и детектирующих элементов, называемых straw (от англ. straw - соломинка). Это цилиндрические пропорциональные дрейфовые трубки диаметром 4 мм и длиной 370 мм для торцевых частей детектора и 1440 мм для центральной части. Всего таких трубок в детекторе 298 304.

Каждая straw подключается к высоковольтному источнику питания напряжением 1530 В. Количество таких трубок столь велико, что было довольно трудно обеспечить каждую отдельным источником питания.

В связи с этим было предложено сгруппировать их по высоковольтному питанию, обеспечив каждую группу отдельным предохранителем, тем самым сократив количество высоковольтных каналов до 2000.

Трековый детектор переходного излучения будет выполнять свои функции при наибольшей светимости ускорителя 2*1034 см"2с"'. Это обеспечено за счет использования самых передовых технологий в производстве детектора и обеспечения его работы. Детектор позволяет восстанавливать трек заряженной частицы, имея в среднем 36 координат частицы при пересечении трубок. В пространстве между слоями straw размещены высокоструктурированные радиаторы, обеспечивающие переходное излучение заряженных частиц при пересечении ими границ раздела сред. Фотоны переходного излучения регистрируются дрейфовыми трубками наряду с сигналами от релятивистских частиц. Эффективная регистрация переходного излучения позволяет выделять электроны на высоком адронном фоне (режекция пионов).

Совмещение в трековом детекторе переходного излучения функций измерения координат проходящей релятивистской частицы и идентификации электронов требует высокой стабильности коэффициента газового усиления в straw. А это, в свою очередь, требует прецизионной установки и стабилизации во времени высоковольтного напряжения питания дрейфовых трубок (менее 0.1%).

Также важным требованием к высоковольтной системе питания является'необходимость точной диагностики состояния straw по количеству допустимых пробоев в камере в единицу времени и своевременное быстрое отключение высоковольтной линии. Отказ в работе системы диагностики пробоев может привести к прожиганию тонкой катодной стенки трубки, утечке дорогостоящего газа Хе и выходу из строя всего детектора переходного излучения. Такого высоковольтного источника не было найдено среди существующих промышленных образцов. Такие источники питания не соответствовали тем или иным требованиям TRT

-6В связи с этим была разработана, изготовлена и установлена в эксперимент новая многоканальная высоковольтная ситема питания.

Цель диссертационной работы

• Определение критических условий работы straw в реальном эксперименте на коллайдере. Анализ возможностей современных промышленных источников питания с целью использования их в TRT для надежной идентификации электронов.

• Исследование характеристик straw с целью определения требований к высоковольтному источнику питания.

• Разработка требований и изготовление нового источника высоковольтного питания, удовлетворяющего специфическим требованиям трекового детектора и обеспечивающего высоковольтным питанием ~ 2000 каналов TRT.

• Разработка методики тестирования и калибровки каждого канала системы высоковольтного питания.

Научная новизна работы

1. Исследованы критические режимы работы трекового детектора переходного излучения.

2. Определение набора требований к источнику высоковольтного питания, на основании которого изготовлен новый высоковольтный источник питания, обеспечивающий работу TRT в критических условиях на ускорителе LHC.

3. Разработана методика тестирования уникальной многоканальной системы высоковольтного питания.

4. Предложена оригинальная схема подачи высокого напряжения на дрейфовые трубки, обеспечивающая компромисс между общим количеством каналов высоковольтного питания и минимальным количеством отключаемых трубок, в случае обнаружения дефектной straw.

5. Разработана методика калибровки каждого канала высоковольтной системы питания, обеспечивающая необходимую точность установки и измерения выходных параметров (напряжения и тока) каналов питания.

6. В результате разработки нового высоковольтного источника питания и методик его тестирования, а также калибровки получена уникальная, высоконадежная и недорогая система высоковольтного питания, обеспечивающая необходимую стабильность напряжения для идентификации электронов. Система уже более четырех лет работает в реальных уловиях эксперимента. За это время не было ни одного серьезного отказа в ее работе.

Практическая ценность работы

В ходе выполнения настоящей работы была разработана и создана высоковольтная система питания трекового детектора переходного излучения экперимента ATLAS на Большом адронном коллайдере LHC. Результаты этой работы могут быть использованы в физических экпериментах на ускорителях заряженных частиц и космофизических экспериментах.

Основные результаты, представленные к защите

• Результаты исследований критических режимов работы straw в трековом детекторе переходного излучения.

• Разработка структуры и организация многоканальных систем высоковольтного питания с числом каналов питания порядка 2000 и количеством питаемых элементов порядка 300 000.

• Разработка уникальной высоковольтной системы питания трекового детектора переходного излучения в эксперименте ATLAS, обеспечивающей высокую надежность работы straw и стабильную режекцию пионов.

• Разработка методики исследования, тестирования и калибровки высоковольтных источников питания для физики высоких энергий.

Апробация работы

Основные результаты и выводы, содержащиеся в диссертации, докладывались и обсуждались на рабочих совещаниях коллаборации ATLAS, научных конференциях и сессиях по физике элементарных частиц в России, а также международных конференциях.

Публикации

Сущность и новизна исследований, выполненых по теме данной диссертации, изложены в статьях, опубликованных в журналах «Приборы и техника эксперимента», Journal of Instrumentation, в трудах российских и международных конференций по физике элементарных частиц. Всего по теме диссертации опубликовано 10 работ, из них 3 - в реферируемых журналах, рекомендованых ВАК РФ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, а также двух приложений.

Основные результаты и выводы:

1. Исследованы и определены безопасные условия работы дрейфовой трубочки диаметром 4 мм при газовом усилении ~ 4x104 в условиях высоких загрузок, близких к возникающим при максимальной светимости LHC. Для газовой смеси Хе/С02/02 (70/27/3%) указанное газовое усиление достигается при величине напряжении на катоде 1530 В. Условием безаварийной работы дрейфовой трубочки является ограничение количества пробоев в единицу времени величиной не более 50 пробоев за 50 мс при величине тока 1.5 мА. При этом высоковольтный источник работает в режиме ограничения по току.

2. На основе выбранного критерия, а также исследования промышленного высоковольтного источника питания фирмы CAEN был определен набор требований к источнику питания и изготовлена новая высоковольтная система питания, удовлетворяющая специфическим требованиям TRT, обеспечивающая требуемую стабильность коэффициента газового усиления для работы детектора в режиме идентификации электронов.

3. Разработана методика калибровки каждого канала высоковольтной системы питания, обеспечивающая необходимую точность установки и измерения напряжения и тока в каждом канале.

4. Разработана методика тестирования уникальной многоканальной системы высоковольтного питания TRT-детектора.

5. Предложена оригинальная схема подачи высокого напряжения на straw, обеспечивающая компромисс между общим количеством каналов высоковольтного питания и минимальным количеством отключаемых трубок в случае обнаружения дефектной straw.

БЛАГОДАРНОСТИ

С самого начала этой работы столько людей помогало мне, что совершенно невозможно выразить мою признательность всем им.

Я хотел бы выразить особую благодарность моему первому научному руководителю, к сожалению, безвременно ушедшему, Муравьеву Сергею Вадимовичу. Еще будучи студентом Москвоского инженерно-физического института (МИФИ), мне посчастливилось работать с Сергеем. Под его руководством я участвовал в работах по тестированию трекового детектора переходного излучения в эксперименте АТЛАС и, в особенности, работах по высоковольтному питанию детектора. Сергей Вадимович обладал теми редкими качествами, которые позволяли ему успешно сочетать в себе инженера высокого класса, физика, глубоко понимающего работу детекторов, и отзывчивого человека, готового всегда прийти на помощь советом или делом. Работая с ним, я приобрел бесценный опыт, который позволил мне завершить работу над диссертацией после его ухода.

Также я бесконечно признателен моему второму научному руководителю, человеку, которого я считаю своим учителем, Вадиму Абдурахмановичу Канцерову. Я начал работать с ним так же, еще учась в институте. И на протяжении всех последующих лет всегда работал с нескрываемым удовольствием. Вадим Абдурахманович давал мне не только практические знания, которых я от него почерпнул немало, но так же и житейскую мудрость и опыт, которые зачастую много ценнее теории.

Кроме этого, мне хотелось бы поблагодарить Шмелеву Алевтину Павловну, чья поддержка и помощь позволили мне на протяжении многих лет работать с такими замечательными людьми. Без ее участия выполненная мной работа была бы просто невозможна. Мне очень повезло работать в ее группе, и я надеюсь, что я буду еще долго работать под ее руководством.

Я хотел бы особенно поблагодарить Крамаренко Виктора Алексеевича, Мовчана Сергея Александровича и Сучкова Сергея Ивановича, которые проделали немалый труд при чтении и анализе моей работы, и за их ценные замечания, которые мне очень помогли.

Хочу также выразить особую признательность Пешехонову Владимиру Дмитриевичу, Мялковскому Владимиру Владимировичу, Каюмову Фреду Фатыховичу, Астахову Валерию Ивановичу за помощь в написании этой работы.

Наконец, я хотел поблагодарить замечательных людей, с которыми мне посчастливилось работать в Европейском центре ядерных исследований: Сулина Владимира, Йоланту Ользовска, Кристофа Рембсера, Данилевича Евгения, Красина Илью, Логинова Андрея, Нила Диксона, Франсиско Перес Гомеса, Жерома Бендотти, Ахназарова Валерия.

Считаю своим долгом выразить благодарность всем моим соавторам, друзьям и коллегам за искреннюю, дружескую поддержку при подготовке этой работы.

Я также признателен оппонентам, проделавшим немалый труд при чтении и анализе работы, и за отмеченные, безусловно, ценные замечания, а также всем, написавшим отзыв на автореферат.

Посвящается Сергею Вадимовичу Муравьеву.

Женева, октябрь 2011 года Константин Жуков

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате разработки нового высоковольтного источника питания, методик его тестирования и калибровки получена уникальная высоконадежная и недорогая многоканальная система высоковольтного питания, удовлетворяющая условиям работы трекового детектора переходного излучения. Первые физические результаты установки ATLAS были получены с помощью трекового детектора переходного излучения. На треках космических мюонов были измерены вероятности образования фотонов переходного излучения для разных значений импульсов мюонов.

1. О. Brüning, et al, LHC Design Report Vol.1, CERN-2004-003, CERN, Geneva 2004.

2. ATLAS Collaboration, ATLAS Technical Proposal, CERN/LHCC/94-43, CERN, Geneva, 1994.

3. CMS Collaboration, CMS, the Compact Muon Solenoid: Technical Proposal, CERN-LHCC-94-38, CERN, Geneva, 1994.

4. ALICE Collaboration, ALICE: technical proposal for a large ion collider experiment at the CERN, CERN-LHCC 95-71, CERN, Geneva, 1995.

5. LHCb Collaboration, LHCb: Technical Design Report Reoptimized Detector Design and Performance, CERN-LHCC-2003-030, CERN, Geneva, 2003.

6. The TOTEM Collaboration, TOTEM Technical Design Report, CERN-LHCC-2004-002, 7 January 2004.

7. S. F. Novaes, Standard Model: An Introduction, Proceedings of the 10th Jorge Andre Swieca Summer School: Particle and Fields, World Scientific, Singapore, 2000, hep-ph/0001283, and references therein.

8. R. Barate, et al., Search for the standard model Higgs boson at LEP, Phys. Lett. В 565 (2003) 61.

9. The LEP Electroweak Working Group, <http://lepewwg.web.cern.ch/ LEPEWWG/>

10. S. Martin, A Supersymmetry Primer, contribution to "Perspectives on Supersymmetry", G. Kane (ed.), World Scientific, Singapore, 1998, hep-ph/9709356, and references therein.

11. P. Jacobs and X. Wang, Matter in extremis: ultrarelativistic nuclear collisions at RHIC, Prog. Part. Nucl. Phys. 54 (2005) 443, hep-ph/0405125, and references therein.

12. CMS Collaboration, CMS, the Tracker System Project: Technical Design Report, CERN-LHCC-98-006, CERN, Geneva, 1997.

13. CMS Collaboration, The CMS Tracker TDR: Addendum 1, CERN-LHCC-2000-016, CERN, Geneva, 2000.

14. CMS Collaboration, The Electromagnetic Calorimeter Project: Technical Design Report, CERN-LHCC-97-033, CERN, Geneva, 1997.

15. CMS Collaboration, CMS, the Muon Project: technical design report, CERNLHCC-97-032, CERN, Geneva, 1997.

16. ALICE Collaboration, ALICE: Technical Design Report of the Time Projection Chamber, CERN/LHCC 2000-001, CERN, Geneva, 2001.

17. ALICE Collaboration, A Transition Radiation Detector for Electron Identification within the ALICE Central Detector, CERN/LHCC 99-13, CERN, Geneva, 1999.

18. ATLAS Collaboration, ATLAS Inner Detector Technical Design Report, CERN/LHCC/97-17, ATLAS TDR 5, 30 April 1997.

19. F. Hügging, on behalf of the ATLAS Pixel collaboration, The ATLAS Pixel Detector, IEEE NSS & MIC Conference Record (2004).

20. M. Turala, for the ATLAS SCT collaboration, The ATLAS semiconductor tracker, Nucl. Instr. and Meth. A 466 (2001) 243-254.

21. ATLAS Collaboration, Liquid Argon Calorimeter: Technical Design Report, LHCC-96-41, CERN, Geneva, 1996.

22. ATLAS Collaboration, Tile Calorimeter: Technical Design Report, LHCC-96-42, CERN, Geneva, 1996.

23. Гинзбург В. JI., Франк И. М. Излучение равномерно движущегося электрона, возникающее при его переходе из одной среды в другую (рус.) // ЖЭТФ. 1946. Т. 16. С. 15.

24. T. Âkesson, et al, Aging studies for the ATLAS Transition Radiation Tracker (TRT), Nucl. Instr. and Meth. A 515 (2003) 166-179.

25. T. Âkesson, et al, Straw tube drift-time properties and electronics parameters for the ATLAS TRT detector, Nucl. Instr. and Meth. A 449 (2000) 446-460.

26. T. Âkesson, et al, Operation of the ATLAS Transition Radiation Tracker under very high irradiation at the CERN LHC, Nucl. Instr. and Meth. A 522 (2004) 25-32.

27. T. Âkesson, et al, ATLAS Transition Radiation Tracker test-beam results, Nucl. Instr. and Meth. A 522 (2004) 50-55.

28. T. Âkesson, et al, Status of design and construction of the Transition Radiation Tracker (TRT) for the ATLAS experiment at the LHC, Nucl. Instr. and Meth. A 522 (2004) 131-145.

29. M. Capeans, on behalf of the ATLAS TRT collaboration, The Transition Radiation Tracker of the ATLAS Experiment, IEEE Trans. Nucl. Sei. Vol. 51,994-1000(2004).

30. T. Âkesson, et al, Study of straw proportional tubes for a transition radiation detector/tracker at LHC, Nucl. Instr. and Meth. A 361 (1995) 440-456.

31. A. Romaniouk, Specification for gold-plated tungsten wire, ATL-IT-ES-0012, CERN, March 2000.

32. M. Capeans, Aging and materials: lessons for detectors and gas systems, Nucl. Instr. and Meth. A 515 (2003) 73-88.

33. F. Hahn, et al, The ATLAS TRT (active) Gas System Modules, ATLAS Internal Note, CERN, 2004.

34. R. Hawkings, et al, Inner Detector Thermal Management and Environmental Gas, ATL-IC-EN-0009, CERN, 2003.

35. J. Godlewski and P. Skarby, The Straw Cooling System in the ATLAS TRT, ATL-INDET-2002-022, CERN, 2002.

36. J. Grognuz, H. Danielsson and M. Bosteels, TRT End-Caps C02 Cooling and Ventilation System, ATL-IT-ES-0033, CERN, 2005.

37. В. Bevensee, et al, An Amplifier-Shaper-Discriminator with Baseline Restoration for the ATLAS Transition Radiation Tracker, IEEE Trans. Nucl. Sei. Vol. 43, 1725-1731 (1996).

38. N. Dressnandt, et al, Implementation of the ASDBLR Straw Tube Readout ASIC in DMILL Technology, IEEE Trans. Nucl. Sei. Vol. 48, 1239-1243 (2000).

39. C. Alexander, et al, Progress in the Development of the DTMROC Time Measurement Sei. Vol. 48, 514-519 (2001).

40. V. Ryjov, et al, Implementation of the DTMROC-S ASIC for the ATLAS TRT Detector in а 0.25цт CMOS technology, IEEE NSS & MIC Conference Record (2002).

41. ATLAS TRT Quality Procedure, Procedure for the gas leak test of 4-plane wheels, ATL-IT-QP-0083 v.2, CERN, 2002.

42. M. Capeans, et al, Active gas tightness test, ATL-IT-QP-0083 and addendum ATLIT-TP-0007, CERN, 2002-2004.

43. ATLAS TRT Test Procedure, Long-term HV test, ATL-IT-TP-0009, CERN, 2002.

44. К.И.Жуков, В.А.Канцеров и др. Приборы для обнаружения электрических пробоев в пропорциональных дрейфовых камерах трекового детектора переходного излучения эксперимента ATLAS. Приборы и техника эксперимента. №6 стр. 21-23. 2010.

45. Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

46. К.И.Жуков, др.. Система высоковольтного питания трекового детектора переходного излучения эксперимента ATLAS. Приборы и техника эксперимента. -2009.^о.5.-с.66-71.-Библиогр.:8.

47. К.И.Жуков, др. Приборы для обнаружения электрических пробоев в пропорциональных дрейфовых камерах трекового детектора переходного излучения эксперимента ATLAS. Приборы и техника эксперимента. 2010. №6 стр. 21-23.

48. К.И.Жуков, др.. Труды научной сессии МИФИ. 2009 год, Москва, секция 3-4, Физика ядра и элементарных частиц. «Начало работы эксперимента ATLAS на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН»,

49. К.И.Жуков, др.. Труды научной сессии МИФИ. 2009 год, Москва, секция 3-4, Физика ядра и элементарных частиц. «Тестер для обнаружения пробоев в отдельных straw-камерах трекового детектора переходного излучения эксперимента ATLAS»,

50. K.Zhukov et all. The ATLAS TRT end-cap detectors, 2008 JINST 3 P10003 doi: 10.1088/1748-0221/3/10/P10003

51. K.Zhukov et all. The ATLAS TRT electronics, 2008 JINST 3 P06007 doi: 10.1088/1748-0221/3/06/P06007

52. K.Zhukov et all. The ATLAS transition radiation tracker (TRT) proportional drift tube design and performance, 2008 JINST 3 P02014 doi: 10.1088/1748-0221/3/02/Р02014

53. K.Zhukov et all. The ATLAS TRT barrel detector, 2008 JINST 3 P02014 doi : 10.1088/1748-0221/3/02/Р020141. Список аббревиатур

54. ACCESS Эксперимент для космической станции по изучению состава космических лучей

55. ALICE Эксперимент на коллайдере LHC в ЦЕРН

56. AMS Эксперимент на международной космической станции

57. ASDBLR Базовый чип считывающей электроники в детекторе TRT

58. ATLAS Тороидальная установка на LHC, эксперимент на коллайдере ЦЕРН

59. CERN Европейский центр ядерных исследований, ЦЕРН, г. Женева, Швейцария

60. CMS Компактный мюонный соленоид, эксперимент на коллайдере LHC в ЦЕРН

61. CSC Катодная полосковая камера (от англ. Cathode Strip Chamber)

62. DTMROC Чип считывающей электроники для измерения времени дрейфа

63. ECAL/ECal Электромагнитный калориметр

64. HCAL/HCal Адронный калориметр1.r Жидко-аргоновый калориметр (от англ. Liquid argon)

65. C Большой адронный коллайдер (от англ. Large Hadron Collider)

66. Cb Эксперимент на коллайдере LHC в ЦЕРН

67. MDT Мониторирующая дрейфовая трубка (от англ. Monitored Drift Tubes)

68. PAMELA Эксперимент по исслежованию темной материи и астрофизики легких ядерот англ. A Payioad for Antimatter Exploration and Light-nuclei Astrophysics) RICH Черенковский счетчик (от англ. Ring-Imaging CHerenkov counter)

69. RPC Резистивные плоские камеры (от англ. Resistive Plate Chamber)

70. SCT Полупроводниковый трекер эксперимента ATLAS (от англ. Semiconductor1. Tracker)

71. SEM Сканирующий электронный микроскоп (от англ. Scanning Electron1. Microscope)

72. SPD Детектор со сцинтиллирующими площадками (от англ. Scintillator Pad1. Detector)

73. TGC Тонко-зазорная камера (от англ. Thin Gap Chamber)

74. ТОТЕМ Один из экспериментов на коллайдере LHC в ЦЕРН TRT Трековый детектор переходного излучения эксперимента ATLAS

75. UX15 Подземная экспериментальная зона в ATLAS

76. МИП Минимально-ионизующая частица (от англ. Minimum ionizing particle)

77. ОИЯИ Оъединенный институт ядерных исследований, г. Дубна ПИЯФ Петербургский институт ядерной физики им. П.Н.Константинова, г. Гатчина