Разработка и исследование гранулированных координатных детекторов на основе тонкостенных дрейфовых трубок тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ГРАНУЛИРОВАННЫХ КООРДИНАТНЫХ ДЕТЕКТОРОВ НА ОСНОВЕ ТОНКОСТЕННЫХ ДРЕЙФОВЫХ ТРУБОК

Специальность: 01.04.01 — приборы и методы экспериментальной физики

13-2011-110

На правах рукописи УДК 539.1.074

ДАВКОВ Красимир Илиев

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 о ноя 2011

Дубна 2011

4859501

Работа выполнена в Лаборатории физики высоких энергий им. В.И. Векслера и A.M. Балдина Объединенного института ядерных исследований.

Научные руководители:

доктор физико-математических наук

ПЕШЕХОНОВ Владимир Дмитриевич

кандидат физико-математических наук

ЧОЛАКОВ Ваню Джанков

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук ТЯГПСИН

Игорь Алексеевич

кандидат технических наук КАНЦЕРОВ

Вадим Абдурахманович

Ведущая организация:

Научно-исследовательский институт ядерной физики Московского государственного университета.

Защита диссертации состоится "_"_2011 г. в _ часов на

заседании диссертационного совета Д 720.001.02 при Лаборатории физики высоких энергий Объединенного института ядерных исследований по адресу: 141980, г. Дубна, Московская область, ул. Жолио-Кюри 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Лаборатории физики высоких энергий.

Автореферат разослан "_

2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук

Арефьев Валентин Александрович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

В последние десятилетия быстрое развитие ускорительной техники привело к значительному повышению как энергии ускоряемых частиц, так и их интенсивности. Созданый в ЦЕРНе Большой Адронный Коллайдер (LHC -Large Hadron Collider) предназначен для расширения понимания природы частиц и их взаимодействий при энергии столкновения протонов до 14 ТэВ в системе центра масс сталкивающихся пучков при светимости до I034 см2 • с"1, со скважностью сгустков протонных пучков в 25 не. При столкновении ускоренных тяжелых ионов образуется ядерная материя с высокой плотностью, при исследовании которой необходима регистрация вторичных частиц с высокой множественностью. Соответствено с этим растут и требования к применяемым в физических экспериментах детекторам частиц, в том числе к их загрузочной способности, временному разрешению и координатной точности.

Одними из наиболее часто применяемых детекторов частиц в современной физике высоких энергий являются координатные газонаполненные детекторы - пропорциональные и дрейфовые камеры, детекторы на основе металлических или тонкостенных пленочных дрейфовых трубок (в дальнейшем - строу (straw)), микроструктурные газовые детекторы (MICROMEGAS, GEM). Несмотря на то, что некоторые из этих камер прекрасно зарекомендовали себя во многих физических экспериментах и стали фактически классикой при создании трекеров, их характеристики все чаще оказываются недостаточными для удовлетворения возникших потребностей современных ускорительных экспериментов. Новые требования привели к поиску новых решений при создании детекторов. Например, необходимость увеличения загрузочной способности строу-камер при регистрации многочастичных процессов привела к попыткам повышения их гранулированности (уменьшения чувствительной площади индивидуальных каналов считывания) за счет разделения анодов на несколько гальванически независимых частей. Так, в барельной части детектора переходного излучения (TRT) - трекера внутреннего детектора установки АТЛАС (LHC), для увеличения загрузочной способности строу последние содержали анодные проволоки, состоящие из двух или трех электрически разделенных частей.

С увеличением загрузки трековых детекторов ухудшаются параметры восстанавливаемых треков регистрируемых частиц. Гранулированность индивидуальных детектирующих каналов должна уменьшаться до нескольких см' или менее. В случае использования детекторов на основе тонкостенных дрейфовых трубок их чувствительные области могут быть заполнены небольшими модулями с короткими строу, но при этом будет не только плохое отношение чувствительной площади детектора к его полной площади, но и увеличена его радиационная толщина за счет внешних рам отдельных модулей.

В диссертационной работе рассмотрена методика создания высокогранулированных строу с N-числом электрически изолированных частей анодной проволоки. Считывание информации осуществляется с двух концов

строу для крайних ее участков, а для промежуточных участков анода - через стенку строу с помощью специальных передаточных линий.

Целью диссертационной работы являлось исследование возможности создания многосегментных анодов и на их основе гранулированных строу-детекторов для работы в условиях высоких загрузок с минимальным увеличением количества вещества.

Научная новизна и значимость работы.

Впервые разработана и проверена методика создания гранулированных строу-детекторов, что позволяет увеличить их загрузочную способность. Изготовлен и исследован многоканальнй прототип детектора на базе строу с сегментированным анодом.

Научно-практическая ценность работы.

Создание строу большой длины с многосегментным анодом и независимое считывание информации с электрически независимых сегментов позволяет обеспечить необходимую гранулированность по всей площади создаваемого детектора и тем самым значительно уменьшить загрузку индивидуальных каналов считывания.

Автор защищает:

• технологию изготовления многосегментных анодов и внутренних элементов для тонкостенных дрейфовых трубок (строу);

• методику установки многосегментных анодов в строу с последующим выводом сигнала с промежуточных анодных сегментов через стенки строу и их подключение к высоковольтному питанию/электронике считывания с помощью специализированных передаточных линий;

• результаты стендовых и пучковых исследований прототипа гранулированного детектора на основе многосегментных строу.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на рабочих совещаниях коллаборации СВМ (Compressed Baryonîc Matter), TRT (Transition Radiation Tracker) ATLAS, на семинарах Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ и опубликованы в 6 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата, 3 из которых опубликованы в реферируемых научных журналах.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, содержит 53 рисунка и список цитируемой литературы из 73 ссылок.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность разработки (исследований), сформулирована цель диссертационной работы, показана научная новизна работы и ее практическая значимость.

В первой главе описаны самые популярные в настоящее время газовые детекторы частиц, работающие на принципе газового усиления, применяемые в физике высоких энергий и элементарных частиц: дрейфовые камеры, тонкостенные дрейфовые трубки и микроструктурные газовые детекторы. Показаны их преимущества, недостатки и возможные применения в ускорительных экспериментах.

Вторая глава посвящена описанию разработки сегментированных строу. Приведена технология сборки многосегментных анодов, схема считывания сигналов с промежуточных анодных сегментов и подача на них высоковольтного напряжения через стенку строу. Рассмотрена хронология развития методики создаваемых на базе сегментных анодов строу-прототипов [1, 2], в том числе рассматривается конструкция и технология сборки прототипа многоканального детектора, обладающего гранулированностью 4 см" [3 - 5]. Также описана методика разработки специальных передаточных линий в виде кабеля считывания с малым количеством вещества для подключении промежуточных анодных сегментов к регистрирующей электронике [6].

Как одно из основных преимуществ строу-детекторов можно отметить их минимальную радиационную толщину, а основным их недостатком является невысокая гранулированность, ограничивающая эффективность регистрации треков при большой множественности проходящих заряженных частиц. Для уменьшения загрузки строу каждая анодная проволока строу в барельном детекторе (Barrel-TRT) установки ATLAS электрически разделена в центре, а считывание сигналов осуществляется независимо с ее концов. Таким простым способом впервые в реальном эксперименте была применена идея гранулированной строу.

Для повышения гранулированности строу в еще большей степени, в ОИЯИ была разработана методика создания сегментированных анодов строу с независимым считыванием информации с каждого сегмента [1, 2]. Одним из основных требований к разрабатываемым детекторам является минимизация допольнительно внесенного количества вещества и минимизация величины нечувствительной области детектора. Создание сегментированного анода осуществляется с помощью специально созданного для этого стенда. Операция происходит следующим образом: в капиллярную трубку из боросиликатного стекла путем ее расплавления, впаиваются две анодные проволоки из позолоченого вольфрама, разделяемые одна от другой изоляционной перемычкой. Схема многосегментного анода и общий вид соединительной трубки показаны на рис. 1. В случае, когда сегментированный анод содержит ряд промежуточных проволок, т.е. количество анодных сегментов N>2, вместе с промежуточными анодными проволоками в капилляр ную трубку впаиваются

Рис. 1. а) и в) Схема многосегментного анода: капиллярная трубка - (1), изоляционная перемычка - (2), (3) - место впаивания проволок, анодные проволоки - (4) и контактная проволока промежуточного анодного сегмента - (5); б) общий вид соединительной трубки; г) общий вид соединительной трубки с двумя контактными проволоками.

и контактные проволоки, которые позже выводятся наружу через стенку строу. Основные требования к объединению проволок в многосегментный анод следующие: сохранение их прямолинейности, сила вытягивания проволоки из капилляра - не менее 90г, обеспечение гальванического контакта между контактными и анодными проволоками и минимальный ток стекания между двумя соседными анодными сегментами.

Вывод контактных проволок через стенку строу осуществляется с помощью устанавливаемого на капиллярную трубку спейсера, изображенного на рис. 2 (слева), который не мешает свободному прохождению рабочего газа вдоль строу. Спейсер, вместе с объединяющей стеклянной трубкой, образует спейсерный узел (СУ), с помощью которого по приведеной на рис. 2 (справа) схеме наружу выводятся контактные проволоки от промежуточных анодных сегментов через вырезанное заранее отверстие в стенке строу. Затем отверстие герметизируется эпоксидным клеем.

Чтобы отработать технологию изготовления строу с многосегментным анодом в максимально сложном варианте, на всех этапах работы применялись строу с наименьшим диаметром - 4+0дмшмм, намотанные двумя каптоновыми

Стенка строу

Выход контактной проволоки

Место впайки контактной проволоки .1

Рис. 2. Слева - общий вид спейсера и спейсер с вставленной проволокой. Справа схематическое изображение спейсерного узла.

-ЕЕ

-1

Рис. 3. Принципиальная схема строу с тремя анодными сегментами.

стрипами. Каптоновая пленка толщиной 25 мкм с одной стороны покрыта алюминием толщиной ~ 0,2 мкм и слоем полиуретана толщиной ~ 6 мкм, являющимся термоклеем. На другой поверхности пленки нанесен проводящий графитосодержащий слой толщиной (6 ± 2) мкм.

В начале работы была изготовлена и проверена строу с трехсегментным анодом (рис. 3), с длиной сегментов ~ !85, 100 и 180 мм. Считывание информации с крайних анодных сегментов осуществлялось с концов строу (выводы I и 4). Информация с центрального сегмента считывается по контактной проволоке 2. Правый анодный сегмент снабжен двумя выводами (3 и 4), по одному из которых подается высоковольтное питание, а с другого снимается сигнал. Исследуемая строу продувалась газовой смесью Аг/ССК (70/30)% и облучалась у-квантами от источника 55Ре через щелевой коллиматор, расположенный перпендикулярно аноду строу. Ширина пучка у-квантов в медианной плоскости строу составляла величину ~ 1 мм. Высоковольтное напряжение подавалось на соответствующий сегмент анода. Токовый усилитель с входным сопротивлением 300 Ом подключался непосредственно к сегменту через проходную емкость величиной 200 пФ.

Сканирование щелевым коллимированным источником области спейсерного узла (СУ) показало, что при использовании капиллярной трубки длиной 7 мм и спейсера диаметром 3,95 мм и длиной 4,15 мм неэффективная область строу составляет величину ~ 7,2 мм.

После проверки строу с трехсегментным анодом была рассмотрена возможность создания и изготовления строу с 10-ю анодными сегментами (рис. 4). Длина отдельных сегментов находилась в пределах (50 250) мм. В тоже время было уменьшено количество спейсерных узлов с 7 до 4: через один объединяющий элемент выводились две контактные проволоки (рис. 4). Так как считывающая электроника детектора должна располагаться вне его чувстви-

50 1 50 200 200 250 250 150 150 100 100

2 3 4 5 6 7 8 9 10

- -Т -^

I I 1 4 4

Рис. 4. Принципиальная схема строу с 10-ю анодными сегментами.

тельной области, то для подключения к ней промежуточных анодных сегментов были созданы и применены на этом же прототипе специальные гибкие передаточные линии (ГШ), служающие одновременно для подачи высокого напряжения и передачи сигналов [2, 4]. Считывание с крайних сегментов строу проводились с ее концов.

Для снижения влияния внешних помех линии были заэкранированы алюминиевой фольгой толщиной -10 мкм. Основные требования к разработанному методу подключения промежуточных анодных сегментов к считывающей электронике с помощью передаточных линий были следующие: передача токовых сигналов величиной порядка микроампера с временем нарастания 3-^-5 не на расстояние до 2-х метров без искажений и потерь, подача по этим же линиям анодного напряжения величиной до 2,0 кВ (при токах стекания <0,1нА/шина при нулевом потенциале на соседних двух шинах), а также сохранение минимальной радиационной толщины детектора.

На базе разработаной методики независимого считывания сигналов с анодных сегментов строу с помощью передаточных линий был изготовлен двухслойный прототип детектора размером 400*200 мм", имеющий 360 каналов регистрации (считывания) с гранулированностью 4 см" (0 4x100 мм") [3-5]. Схема прототипа представлена на рис. 5. Прототип представляет собой двухслойную планарную камеру, каждый слой которой содержит 48 строу диаметром 4 мм и длиной 42 см. Слои сдвинуты между собой на величину радиуса строу. Аноды строу разделены на 4 одинаковые сегмента (Рис. 6), на каждый из которых по индивидуальной шине передаточных линий подается анодное напряжение и по ней же передаются информационные токовые сигналы на расположенные вблизи концов строу аналоговые усилители и формирователи.

Рис. 5. Схематическое изображение прототипа детектора на основе многосегментных строу: 1 — плоскость строу; 2 — субрама прототипа; 3 — газовый объем; 4 — линии передами сигналов; 5 - место расположения электроники считывания; 6 - выводы анодных сегментов.

Рис. 6. Схема 4-х сегментной строу, примененной на прототипе гранулированного детектора.

Радиационная толщина изготовленных для прототипа передаточных линий ~0,15%Х0. Полная радиационная толщина в области установки спейсерного узла размером 8><4 мм2 составила величину - 1,0%Х0. После сборки прототипа были разработаны более тонкие линии с радиационной толщиной ~ 0,06%Х0 и с другим методом соединения контактных проволок сегментов с шинами передаточных линий, при этом полная радиационная толщина в области установки спейсерных узлов уменьшилась до 0,3 ^ 0,4%Хо [6].

Аналоговая электроника считывания располагалась около одного из концов строу и имела плотность расположения 1 канал/мм.

В третьей главе представлены результаты исследования параметров многоканального прототипа гранулированного детектора на основе многосегментных строу, полученные на исследовательском стенде в ЛФВЭ ОИЯИ и на адронном пучке канала Н6 SPS в ЦЕРНе [4, 5].

В стендовых условиях была проверена работоспособность и однородность каналов регистрации (рис. 7), а также величина токов стекания и уровень шумов. Прототип продувался газовой смесью Аг/СОт (80/20), для исследований использовался источник у-квантов "Fe.

Типовая зависимость величины регистрируемого сигнала от анодного напряжения на сегментах строу и типовая счетная характеристика при регистрации излучения источника 3SFe приведены на рис. 8. Зависимости указывают на работоспособность сегментов прототипа до газового усиления

ш

600; 400

<200

•ъЛ])

Tl

№ строу

■ tl III 1'П111 ir

10 20 30 40 50 10 20 30 40 50

Na строу

4

HiHiiilm

10 20 30 40 50 № строу

10 20 30 40 50 Na строу

10 20 30 40 50 Na строу

10 20 30 40 50 Na строу

10 20 30 40 50 N2 строу

10 20 30 40 50 Na строу

Рис. 7. Результаты измерений величин сигналов с сегментов прототипа реперным тестовым усилителем при фиксированном анодном напряжении: а) первая плоскость строу; б) вторая плоскость строу. Номерами обозначены, соответственно, ряды сегментов в плоскостях.

800

ш

2 600 га

^ 400

| 200 <

102

Газовое усиление

103 Ю4

105

0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 Анодное напряжение, кВ

200 400 600 Амплитуда, мВ

800

Рис. 8. Типовая зависимость средней величины сигналов от анодного напряжения (а) и типовая счетная храктеристика для сегмента строу (б). Регистрировались гамма-кванты от источника 5зРе.

~105 при отсутствии собственных шумовых сигналов детектора. Величина порога формирователя составляла -50 мВ. Измерения выполнены с усилителями и формирователями, подготовленными для исследования прототипа на пучке ускорителя.

Результаты проверки всех 360 каналов прототипа показали высокую их однородность. Слева на рис. 9 приведено типичное энергетическое разрешение сегмента, а справа - распределение сегментов по величине амплитуды сигнала (для 55Ре). Количество неработающих каналов составило 3% от общего их числа, около 2% каналов отличалось пониженной амплитудой регистрируемых сигналов. Основной причиной этих дефектов являются ошибки, влияющие на трассировку сигналов от сегментов до регистрирующей электроники, что указывает на необходимость улучшения соединений шин передаточных линий с контактными проволоками сегментов и с шинами плат считывания.

N

5000 т

1000 0

Меап 848 ТОНМ 160

ЙЕ/Е 18.9%

£ 100,

Я Ю

I

20

«I

40 60 80 100 Амплитуда, отн. ед.

Л

) 100 120 140

Рис. 9. Слева - типовое энергетическое разрешение для сегмента прототипа. Анодное напряжение - 1,4 кВ, газовое усиление около 4x104, газовая смесь АгССЬ (80/20). Справа -распределение каналов прототипа по величине регистрируемых с них сигналов оту-квантов с энергией 5,9 кэВ при фиксированных условиях детектирования.

S, S2 Si-плоскости

Si-гоюскости S3 S4

Пучок -►

Рис. 10. Слева - экспериментальная установка на пучке канала Н6 SPS, показывающая расположение детекторов и область, где треки частиц могут регистрироваться. Справа -схема размещения детекторов. Прототип на основе сегментных строу (ПСС) расположен между Si-детекторами. Телескоп содержит 6 плоскостей пиксельных кремниевых детекторов (Si-плоскости) и 4 сцинтилляционных счетчика (Si^S,)).

Тестирование прототипа на пучке было выполнено на канале Н6 SPS в ЦЕРНе. В качестве трекового детектора использовался пиксельный пучковый телескоп, содержащий 6 плоскостей полупроводниковых (Si) детекторов, с размерами пикселей 30x30 мкм" и 4 сцинцилляционных счетчика, чувствительные размеры которых были 6*6 мм3. Прототип на основе сегментных строу (ПСС), установленный по центру телескопа, мог прецизионно перемещаться в направлениях X и Y. На рис, 10 показана схема расположения детекторов на установке.

Основными задачами тестирования прототипа на пучке были: определение эффективности регистрации и пространственного разрешения сегментов, а также измерение нечувствительной длины строу в местах установки в них спейсерных узлов. Прототип продувался газовой смесью АгСО, (80/20)%. Газовое усиление было ~ 6х I О4.

На рис. 11 (слева) показана RT-зависимость для двух соседных строу одного слоя прототипа, расположенных в чувствительной области телескопа. В правой части рисунка приведена зависимость эффективности этих строу от их радиуса. Средняя толщина газового слоя в строу диаметром 4 мм для ~ 70% ее диаметра составляет ~ 3,6 мм и далее уменьшается, поэтому при недостаточно

87%

• #9 '

>) (Тг 2)

»

-2-10 1 2 3

X. мм

Рис. 11. Слева - ИТ-зависимость для двух соседних строу одного слоя прототипа. Справа -эффективности этих строу. Анодное напряжение - 1,55 кВ.

высоких коэффициентах газового усиления или/и при не достаточно низких порогах дискриминации аналоговой электроники возможно некоторое понижение эффективности из-за больших флуктуаций ионизационных потерь для релятивистских частиц. Порог дискриминации (Тг 2) аналоговой электроники строу был ~ 4,5 фКл.

Нечувствительный зазор между соседними трубками каждого слоя составляет (160 ± 5) мкм и определяется толщинами стенок трубок и 20 мкм зазором между их внешними поверхностями. Видимая на рис. 11 неэффективность определяется этой областью и некоторым снижением I эффективности вблизи стенки строу (катода). Изменение эффективности вдоль радиуса трубок (для Тг 2 и при анодном напряжении 1,55 кВ) составляет 50%, 20% и 10% для расстояний от катода ~ 50, - 100 и ~ 300 мкм соответственно.

Чувствительная площадь 81 небольшая и отбираются только треки с ( площади 6x6 мм2. Хиты расположенных слева и справа по пучку 81- детекторов используются для реконструкции треков. Разница между измеренным и реконструированным значениями содержит информацию о пространственном 1 разрешении исследуемого детектора.

На рис. 12 приведено типичное распределение отклонений измеренных координат частиц от треков, восстановленных по данным 8'|-детекторов телескопа. Ширина распределения (а) составляет величину 164 мкм.

Следует отметить различие в геометрических размерах детекторов. Так, площадь сегмента прототипа составляет 4 см", что в 11 раз превышает площадь детекторов телескопа. При высокой загрузке детекторов возрастает вероятность восстановления ложных треков, что приводит к появлению пьедестала у распределения. Измеренные значения демонстрируют, что прототип на основе многосегментных строу имеет типичную величину пространственного разрешения.

При измерениях нечувствительной длины строу возле спейсерного узла [5] прототип перемещался относительно телескопа с шагом 5,6 мм (точность перемещений была не хуже 0,1 мм). Рис. 13 - а) показывает, что нечувствительная длина вдоль оси строу (У-координата) в области спейсерного узла составляет величину около 7 мм. Рис. 13-6) показывает, что разрешение практически сохраняется на всей чувствительной длине строу.

>х X ь з 600 400 - 1

«о о о 300 - ТДТ#0 I 4 сг= 164 мкм

о 5 X X 200 -

100 0 - , 1 ■ . и. 1 ГтН"Г -.1 V ... , „ _ 1._____

-2 -1.6 -1 -0.6 0 0.6 1 1.6 2

X, мм

Рис. 12. Пространственное разрешение строу, полученное на пучке.

1 У, мм У, мм

Рис. 13. а) Распределение эффективности вдоль анода строу. Неэффективная длина (на уровне ~ 0,9 от средней эффективности вне спейсерного узла) составляет величину ~ 7 мм; б) Область ухудшения пространственного разрешения вблизи спейсерного узла составляет величину ~ I мм.

В заключении сформулированы основные результаты работы и выводы диссертации:

1. Впервые разработана технология изготовления многосегментных анодов и внутренных элементов строу.

2. Проверена установка многосегментных анодов в строу с последующим выводом контактных проволок промежуточных анодных сегментов через стенку строу и их подключение к высоковольтному питанию/электронике

1 считывания по специально разработанным для этого передаточным линиям.

3. Проведены стендовые исследования прототипов многосегментных строу. Показана возможность создания на их основе гранулированного детектора.

4. Предложен и исследован метод уменьшения радиационной толщины 1 плоских передаточных линий в местах соединения их выводов с сегментами

анодов. Показано, что толщина линий в этих зонах может быть уменьшена в 5 раз - до величины ~ 0,18%Х0.

5. Стендовые и пучковые исследования характеристик прототипа на основе I многосегментных строу показали, что временные и пространственные

параметры детектора не отличаются от характеристик обычных трековых детекторов на основе строу. Нечувствительная длина строу в области расположения внутренних элементов составляет величину менее 5% от ее полной чувствительной длины. Гранулированность таких строу может варьироваться от 1 см" и более, а их длина может быть до 4 метров.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. К. Davkov, V. Davkov, J. Marzec et al., "Development of straw tubes for high rate capability application" // CBM Progress Report 2006. P. 38,2007.

2. K. Davkov, V. Davkov, R. Geyer et al., "Development of segmented straws for very high-rate capability coordinate detector" // Nucl. Instr. Meth. in Phys. Res. A 584 (2008) 285-290.

3. V. Peshekhonov, S. Bazylev, K. Davkov et al., "Segmented straw tubes for CBM-MuCH" // CBM Progress Report 2008. P. 35,2009.

4. Ю.В. Гусаков, В.И. Давков, К.И. Давков и др., "Многоканальный прототип на основе сегментных строу" // Письма в ЭЧАЯ, 2010, Т.7, № 2(158), с. 223231 (Yu.V. Gusakov et al. "Multichannel Prototype Detector Based on Segmented Straws" IIPart. Nucl. Lett. V. 7, Ия2, 132-137).

5. S.N. Bazylev, K.I. Davkov, I. Gregor et al., "A prototype coordinate detector based on granulated thin-walled drift tubes" II Nucl. Instr. Meth. in Phys. Res. A 632(2011)75-80.

6. К.И. Давков, B.B. Мялковский, В.Д. Пешехонов и A.A. Савенков, "Разработка кабеля считывания с малым количеством вещества для сегментных дрейфовых трубок" // Сообщение ОИЯИ, Р13-2010-105, Дубна, 2010.

Получено 31 октября 2011 г.

Отпечатано методом прямого репродуцирования с оригинала, предоставленного автором.

Подписано в печать 01.11.2011. Формат 60 х 90/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 0,94. Уч.-изд. л. 1,19. Тираж 100 экз. Заказ № 57469.

Издательский отдел Объединенного института ядерных исследований 141980, г. Дубна, Московская обл., ул. Жолио-Кюри, 6. E-mail: publish@jinr.ru www.jinr.ru/publish/

Введение.

Глава 1. Газонаполненные детекторы для ускорительных экспериментов.

1.1. Дрейфовые камеры.

1.2. Тонкостенные дрейфовые трубки.

1.3. Микроструктурные газовые детекторы.

Глава 2. Разработка гранулированных строу.

2.1. Конструктивные особенности и элементы сборки сегментных строу.

2.2. Прототипы детекторов на базе строу с сегментными анодами.

2.2.1. Строу с трехсегментным анодом.

2.2.2. Двухслойный прототип с сегментными строу.

2.2.3. Мультигранулированные строу с применением линии считывания сигналов.

2.2.4. Многоканальный двухслойный прототип на основе сегментных строу.

2.2.4.1. Принципиальная схема детектора.

2.2.4.2. Плоскости строу.

2.2.4.3. Сборка анодов с четырьмя сегментами.

2.2.4.4. Применяемые плоские передаточные линии считывания.

2.2.4.5. Сборка прототипа.

2.2.4.6. Электроника считывания и регистрации

2.2.5. Разработка кабеля считывания с малым количеством вещества.

Глава 3. Результаты стендовых и пучковых исследований многоканального прототипа на основе сегментных строу

3.1. Стендовое тестирование прототипа.

3.2. Тестирование прототипа на пучке.

В последние десетилетия быстрое развитие ускорительной техники привело к значительному повышению как энергии ускоряемых частиц, так и их интенсивности. Созданый в ЦЕРНе Большой Адронный Коллайдер (LHC - Large Hadron Collider) предназначен для рассширения понимания природы частиц и их взаимодействий при энергии столкновения протонов до 14 ТэВ в системе центра масс сталкивающихся пучков при светимости до 1034 см2 • с"1, со скважностью сгустков протонных пучков в 25 не. При столкновении ускоренных тяжелых ионов образуется ядерная материя с высокой плотностью, при исследовании которой необходима регистрация вторичных частиц с высокой множественостью. Соответствено с этим растут и требования к применяемым в физических экспериментах детекторам частиц, в том числе к их загрузочной способности, временному разрешению и координатной точности.

Одними из наиболее часто применяемых детекторов частиц в современной физике высоких энергий являются координатные газонаполненные детекторы - пропорциональные и дрейфовые камеры, детекторы на основе металических или тонкостенных пленочных дрейфовых трубок (в дальнейшем - строу (straw)), микроструктурные газовые детекторы (MICROMEGAS, GEM). Несмотря на то, что некоторые из этих камер прекрасно зарекомендовали себя во многих физических экспериментах и стали фактически классикой при создании трекеров, их характеристики все чаще оказываются недостаточными для удовлетворения возникших потребностей современных ускорительных экспериментов. Новые требования привели к поиску новых решений при создании детекторов. Например, необходимость увеличения загрузочной способности строу-камер при регистрации множественных частиц привели к попыткам повышения их гранулированности (уменьшения чувствительной площади индивидуальных каналов считывания) за счет разделение анодов на несколько галванически независимых частей. Так, в барельной части детектора переходного излучения - трекера Внутреннего Детектора установки АТЛАС (ЬНС) для увеличении загрузочной способности строу, последние содержали анодные проволоки, состоящие из двух или трех электрически разделенных частей [1, 2].

С увеличением загрузки трековых детекторов ухудшаются параметры восстанавливаемых треков регистрируемых частиц. При использовании детекторов с большим аксептансом, гранулированность их индивидуальных детектирующих каналов должна уменьшаться до нескольких см2 или менее. В случае использования детекторов на основе тонкостенных дрейфовых трубок их чувствительные области могут быть заполнены небольшими модулями с короткими строу, но при этом будет не только уменьшаться отношение чувствительной площади детектора к его полной площади, но и ухудшаться его радиационная толщина за счет внешних рам отдельных модулей.

Нами был разработан и исследован метод создания высоко-гранулированных строу с ТчГ-числом электрически изолированных частей его анода и со считыванием информации с двух концов строу для крайних его участков, а для промежуточных участков анода - через стенку строу по специальным передаточным линиям [3-7].

Целью диссертационной работы являлось исследование возможности создания многосегментных анодов и на их основе гранулированных строу-детекторов для работы в условиях высоких загрузок с минимальным увеличением количества вещества.

Научная новизна исследования

Впервые разработана и проверена методика сегментирования строу-детекторов, что позволяет увеличивать их загрузочные способности.

Изготовлен и исследован многоканальный прототип детектора на базе сегментных строу.

Практическая ценность работы

Создание строу большой длины с многосегментным анодом, обеспечивающим независимое считывание информации с электрически независимых сегментов, позволяет обеспечить необходимую гранулиро-ванность по всей площади детектора и тем самым значительно уменьшить загрузку индивидуальных каналов детектирования.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы.

Основные результаты работы и выводы диссертации могут быть сформулированы следующим образом:

1. Впервые разработана технология изготовления многосегментных анодов и внутренных элементов строу, позволяющих осуществлять их гранулированность.

2. Проверена установка многосегментных анодов в строу с последующим выводом контактных проволок промежуточных анодных сегментов через стенки строу и их подключение к высоковольтному питанию/электроники считывания по специальным разработанным передаточным линиям.

3. Проведены стендовые исследования разработанных и созданных прототипов многосегментных строу, показана возможность создания на их основе полномасштабного прототипа детектора.

4. Предложен и исследован метод уменьшения радиационной толщины плоских передаточных линий в местах соединения их выводов с сегментами анодов. Показано, что толщина линий в этих зонах может быть уменьшена в 5 раз - до величины ~ 0,18%Х0.

5. Стендовые и пучковые исследования многоканального прототипа на основе сегментных строу показали, что временные и пространственные параметры детектора не отличаются от характеристик обычных трековых детекторов на основе строу. Достаточно высокий уровень работоспособности каналов прототипа (95%) указывает на возможность сборки подобных детекторов по предложенной технологии. Нечувствительная длина в области внутренних элементов трубок менее

5% от полной его чувствительной площади. Гранулированность трубок таких детекторов может варьироваться от 1 см2, а их длина может быть до 4 метров.

Благодарности

Работа выполнена в Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ им. В.И. Векслера и A.M. Балдина совместно с Пловдивским Университетом им. „Паисия Хилендарского" (Болгария). Автор выражает благодарность дирекции Института и Лаборатории, кафедре, деканату и ректорату Университета за предоставленную возможность проведения данной работы. Автор искренне благодарен научным руководителям В.Д. Пешехонову и В.Д. Чолакову за постановку темы диссертационной работы, большой вклад и постоянное внимание в ходе выполнения работы, многочисленные ценные дискуссии и советы. Автор глубоко признателен своим коллегам В.В. Мялковскому, A.A. Савенкову, И.А. Жукову, Г.Д. Кекелидзе, В.Н. Круглову, В.И. Давкову за плодотворное сотрудничество и эффективное участие в выполнении работ. Также признателен Н. Григалашвили и К.А. Левтерову за полезные научные обсуждения вопросов и поправки. Отдельную благодарность выражаю И. Грегору и Д. Хаасу за помощь с пучковым телескопом в ЦЕРНе, а также С.Ю. Смирнову и В.О. Тихомирову за обработку данных. Автор благодарен всему коллективу Сектора строу детекторов за помощь и всестороннюю поддержку и всем, чья помощь и поддержка сделали возможным появления данного труда.

Заключение

1. ATLAS 1.ner Detector Technical Design Report, CERN/LHCC/97-16. V. I, II.

2. S. H. Oh, С. H. Wang and W. L. Ebenstein, A super high rate straw driftchamber // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 425 (1999) 75-83.

3. V. Davkov, K. Davkov et al. Development of high granulated straw chambers oflarge sizes // Письма в ЭЧАЯ, 2007, T.4, № 4(140), с. 545-551.

4. К. Davkov et al. Development of segmented straws for very high-rate capabilitycoordinate detector II Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 584 (2008) 285-290.

5. K. S. Viriasov et al. Two-wire anodes for the straw detectors // Препринт

6. ОИЯИ, PI3-2005-127, Дубна, 2005.

7. S. E. Vasilyev, V. I. Davkov, К. I. Davkov et al. Signal Transmission Lines for1.rge-Size Segmented Straw Detectors II Instr. Exp. Tech. 2008, 51(6), 820825.

8. K. Davkov et al Development of straw tubes for high rate capability application

9. CBMProgress Report 2006, p. 38.

10. G. Charpak et al. The use of multiwire proportional counters to select andlocalize charged particles II Nucl. Instr. and Meth. 62 (1968) 262-268.

11. G. Charpak, D. Rahm and H. Steiner, Some developments in the operation ofmultiwire proportional chambers // Nucl. Instr. and Meth. 80 (1970) 13-34.

12. Breskin A. et al. The multistep avalanche chamber: A new family of fast, high-rate particle detectors // Nucl. Instr. and Meth. 161 (1979) 19-34.

13. Breskin A. et al. High flux operation of the gated multistep avalanche chamber II Nucl. Instr. and Meth. 178 (1980) 11-25.

14. Bouclier R. et al. Progress in Cherenkov ring imaging: Part 1. Detection and localization of photons with the multistep proportional chamber // Nucl. lnstr. Meth. Phys. Res. 205 (1983) 403-423.

15. Charpak G. et al. A gamma ring-imaging telescope for high-energy photon detection И Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 283 (1989) 596-601.

16. Breskin A., Chechik R. and Sauvage D., A 3-stage gated UV-photon gaseous detector with optical imaging I I Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 286 (1990) 251-261.

17. G. Charpak, Research on Particle Imaging Detectors // World Scientific Series in 20th Century Physics, Singapore, 1995. V. 6.

18. A. H. Walenta, J. Heintze and B. Schurlein, The multiwire drift chamber: A new type of proportional wire chamber // Nucl. Instr. and Meth. 92 (1971) 373-380.

19. Клаус Групен, "Детекторы элементарных частиц", Сибирский хронограф, Новосибирск, 1999.

20. ATLAS Technical Design Report, Muon Spectrometer, "5 Monitored drift tube chambers", 5 June 1997,117-201.

21. F. Bauer et al. The first precision drift tube chambers for the ATLAS muon spectrometer // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 478 (2002) 153-157.

22. Барашков А. В. и др. Краткое описание производства BMS/BMF MDT-камер для мюонного спектрометра эксперимента ATLAS // Сообщение ОИЯИ, Р13-2005-212, Дубна, 2005.

23. Т. Akesson et al. Study of straw proportional tubes for a transition radiation detector/tracker at LHC II Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 361 (1995) 440-456.

24. Г. Д. Кекелидзе, В. Д. Пешехонов, Прецизионные трековые детекторы на основе тонкопленочных дрейфовых трубок (straw) // Физика элементарных частиц и атомного ядра, Т. 33, Вып. 3 (2002) с. 669-671.

25. V. I. Davkov et al. Spatial resolution of thin-walled high-pressure drift tubes // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 634 (2011) 5-7.

26. ATLAS Collaboration, Technical proposal for a general-purpose p p experiment at the Large Hadron Collider at CERN, CERN/LHCC/94-43, Dec 1994.

27. G. Aad et al. The ATLAS Experiment at the CERN Large Hadron Collider, JINST 3: S08003, 2008.

28. Ю. В. Гусаков и др. Детектор переходного излучения трекер установки ATLAS: исследования и разработки, массовое производство модулей типа В // Физика элементарных частиц и атомного ядра, Т.41, Вып. 1 (2010), с. 5-48.

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

30. E. Abat et al. The ATLAS Transition Radiation Tracker (TRT) proportional drift tube: design and performance, JINST 3: P02013, 2008.

31. T. Akesson et al Status of design and construction of the Transition Radiation Tracker (TRT) for the ATLAS experiment at the LHC // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 522 (2004) 131-145.

32. E. Abat et al. The ATLAS TRT end-cap detectors, JINST 3: PI0003, 2008.

33. E. Abat et al. The ATLAS TRT barrel detector, JINST 3: P02014, 2008.

34. S. G. Basiladze et al. A drift tracker of the SVD-2 setup // Instr. Exp. Tech., 2008, 51(3), 336-341.

35. V. N. Bychkov et al. Construction and Manufacture of Large Size Straw-Chambers of the COMPASS Spectrometer Tracking System // Part. Nucl. Lett. 2002. No. 2 111. 64-73.

36. V. N. Bychkov et al. The large size straw drift chambers of the COMPASS experiment II Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 556 (2006) 66-79.

37. P. Abbon et al. The COMPASS experiment at CERN // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 577 (2007) 455-518.

38. Sharpak G. et al. A high-rate, high-resolution asymmetric wire chamber with mustrip readout II Nucl Instr. Meth. Phys. Res. A 346 (1994) 506-509.

39. Sauli F. and A. Sharma, Micro-pattern gaseous detectors // Annu. Rev. Nucl Part. Sci. Vol. 49 (1999) 341-388.

40. M. Д. Шафранов, Микроструктурные газовые координатные детекторы // Физика элементарных частиц и атомного ядра. 2002, Том 33, Вып. 5, 1204- 1231.

41. Y. Giomataris et al. MICROMEGAS: a high-granularity position-sensitive gaseous detector for high particle-flux environments // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 376 (1996) 29-35.

42. Giomataris Y., Development and prospects of the new gaseous detector "Micromegas" IINucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 419 (1998) 239-250.

43. Barouch G. et al. Development of a fast gaseous detector: 'Micromegas' // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 423 (1999) 32-48.

44. J. Derre et al. Spatial resolution in Micromegas detectors // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 459 (2001) 523-531.

45. Giomataris I et al. Micromegas in a bulk // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 560 (2006) 405-408.

46. Sauli F., A new concept for electron amplification in gas detectors // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 386 (1997) 531-534.

47. Бузулуцков А. Ф., Детекторы излучений на основе газовых электронных умножителей (обзор) // ПТЭ, № 3 (2007) с. 5-30.

48. Sauli F., Radiation detector of very high performance // US Patent 6011265, Yan. 4. 2000.

49. COMPASS, CERN/SPSLC 96-14 SPLSLC/P297 and CERN/SPSLC 96--30 SPLSLC/P297 add. 1.

50. F. Kunn et al The gaseous microstrip detector micromegas for the COMPASS experiment at CERN И Nucl Phys. A 721 (2003) C1087-C1090.

51. B. Peyaud, KABES: a novel beam spectrometer for NA48 И Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 535 (2004) 247-252.

52. S. Andriamonje et al. Experimental studies of a Micromegas neutron detector II Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 481 (2002) 120-129.

53. S. Andriamonje et al. A Low Background Micromegas Detector for Axion Searches И Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 535 (2004) 309-313.

54. P. Colas et al. First test of a Micromegas TPC in a magnetic field // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 535 (2004) 181-185.

55. А. Ф. Бузулуцков, Физические основы работы каскадных газовых электронных умножителей (обзор) // Вестник Новосибирского государственного университета. Серия: Физика, 2008, Том 3, № 3, 5973.

56. В. Ketzer et al. Triple GEM Tracking Detectors for COMPASS // CERN-OPEN-2002-004 (17/12/2001).

57. Ketzer B. et al Performance of triple-GEM tracking detectors in the COMPASS experiment IINucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 535 (2004) 314-318.

58. Altunbas С. et al. Construction, test and commissioning of the triple-gem tracking detector for compass // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 490 (2002) 177-203.

59. Alfonsi M. et al. Fast triggering of high-rate charged particles with a triple-GEM detector // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 535 (2004) 319-323.

60. Aulchenko V. M. et al. Upgrade of the KEDR tagging system // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 494 (2002) 241-245.

61. Bozzo M., Oriunno M., Ropelewski L. et al. II IEEE Nuclear Science Symp. Rome, Italy, October 16-22, 2004. Conference Record. V. 1. P. 447.

62. Мялковский В. В., Пешехонов В. Д. и Савенков А. А., Координатный газонаполненный детектор излучения // Патент на изобретение РФ № 2339053 (2008).

63. Ю. В. Гусаков, В. И. Давков, К. И. Давков и др. Многоканальный прототип на основе сегментных строу // Письма в ЭЧАЯ, 2010, Т.7, № 2(158), с. 223-231.

64. S. N. Bazylev, К. I. Davkov et al. A prototype coordinate detector based on granulated thin-walled drift tubes II Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 632 (2011) 75-80.

65. Г. Д. Кекелидзе и др. Аналоговая электроника считывания прототипа на основе сегментных строу // Письма в ЭЧАЯ, 2010, Т.7, № 3(159), с. 342346.

66. К. И. Давков и др. Разработка кабеля считывания с малым количеством вещества для сегментных дрейфовых трубок // Сообщение ОИЯИ, Р13-2010-105, Дубна, 2010.

67. С. Н. Гладких и др. Радиационная стойкость некоторых полимеров и эпоксидных клеев // Препринт ОИЯИ, Р-13-2001-275, Дубна, 2001.

68. И. В. Богуславский и др. Измерение натяжения составного анода сегментных тонкостенных дрейфовых трубок (строу) // Сообщение ОИЯИ, Р-13-2007-129, 2007.

69. P. Jarron and М. Goyot, A fast current sensitive preamplifier (MSD2) for the silicon microstrip detector // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 226 (1984) 156162.

70. URL: http://www.cellpack.de71. URL: http://www.eudet.org

71. K. Davkov et al. Development of straw tubes for high rate capability application" // CBMProgress Report 2006. P. 38, 2007.

72. V. Peshekhonov, S. Bazylev, K. Davkov et al. Segmented straw tubes for CBM-MuCH" // CBM Progress Report 2008. P. 35, 2009.