Разработка и оптимизация плоско-параллельных камер для системы измерения времени пролета заряженных частиц эксперимента ALICE тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

Государственный научный центр Российской Федерации Институт Теоретической и Экспериментальной Физики им. А. И. Алиханова

На правах рукописи

Волошин Кирилл Геннадьевич

РАЗРАБОТКА И ОПТИМИЗАЦИЯ ПЛОСКО-ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ КАМЕР ДЛЯ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ ПРОЛЕТА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ЭКСПЕРИМЕНТА ALICE

Специальность 01 04 01 — приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

-"О i. гь-45 1

МОСКВА 2007 г

003176451

УДК 539 1 074 2

Работа выполнена в ГНЦ РФ «Институт теоретической и экспериментальной физики им А И Алиханова»

Научный руководитель кандидат физ -мат наук С В Кулешов

(ГНЦ РФ ИТЭФ, г Москва)

Официальные оппоненты доктор физ -мат наук С В Семенов

(ГНЦ РФ ИТЭФ, г Москва)

кандидат техн наук В А Канцеров (МИФИ, г Москва)

Ведущая организация Научно-исследовательский институт

ядерной физики им Д В Скобельцына (НИИЯФМГУ,г Москва)

Защита состоится 18 декабря 2007 года в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 201 002 01 в копференц-залс ГНЦ РФ ИТЭФ по адресу г Москва, ул Б Черемушкинская, д 25

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ ИТЭФ

Автореферат разослан 14 ноября 2007 года

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук В В Васильев

1. Общая характеристика работы

1.1. Актуальность темы

Единственным доступным способом лабораторного исследования свойств ядерной материи при высокой (> 1 ГэВ/фм) плотности энергии является столкновение ультрарелятивистских тяжелых ионов во встречных пучках или с фиксированными ядерными мишенями Главной задачей таких экспериментов является поиск и исследование кварк-глюонной плазмы (КПТ) — особого состояния вещества, которое характеризуется большим количеством степеней свободы, представленных свободными кварками и глюонами Глубоко неупругие процессы, происходящие во время столкновений тяжелых ядер, могут приводить к образованию очень большого числа частиц (адронов, фотонов, электронов) с высоким поперечным импульсом Для идентификации этих частиц должны быть использованы установки, способные эффективно и точно работать в условиях крайне высокой множественности В частности, идентификация заряженных адронов методом измерения времени пролета (TOF) требует создания большой по площади высокогранулярной эффективной системы с временным разрешением на уровне 100 пс.

В 2008 году в Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН, Швейцария-Франция) стартует эксперимент ALICE, который продолжит научные программы экспериментов, проводившихся ранее на ускорителе SPS в ЦЕРН и ныне действующих экспериментов на ускорителе RHIC в BNL (США) Установка ALICE использует возможности Большого Адронного Кол-лайдера (БАК) и оптимизирована для изучения столкновений встречных пучков ионов свинца с энергией 5.5 ТэВ на нуклонную пару в с ц.м Ожидаемая множественность заряженных адронов при этом составляет dN/dtj < 8000 (г/ -псевдобыстрота). Для успешной их идентификации система AL1CE-TOF, имеющая форму барреля с внутренним радиусом 3 7 м и закрывающая диапазон \t]\ < 0.9, должна состоять примерно из 150 000 каналов, обладать временным разрешением на уровне 100 пс и эффективностью регистрации частиц с минимальной ионизацией (MIP), близкой к 100% Создание такой системы на основе сцинтилляторов и фотоумножителей труднореализуемо - прежде всего, по соображениям стоимости В качестве альтернативы в рамках эксперимента ALICE детально изучались различные варианты плоско-параллельных газовых детекторов искровые счетчики Пестова с электродами из низко-резистивного стекла, заполненные электрически-перенапряженным газом под давлением 12 атм, и разработанная группой ИТЭФ абсолютно новая методика TOF, использующая камеры, работающие в ограниченно-лавинном режиме газового

усиления После многолетних исследований выбор был сделан в пользу последнего варианта

1.2. Цели диссертационной работы

Диссертация посвящена первым этапам развития новой методики TOF, выполненным в рамках R&D для эксперимента ALICE на основе опытных образцов плоско-параллельной камеры (ППК) Обнадеживающие результаты испытаний одиночных ППК позволили довести эту работу до создания функциональных прототипов многоканальных модулей TOF, удовлетворяющих требованиям эксперимента, пригодных для массовой сборки и оптимизированных для интеграции в большую систему

Основные цели настоящей работы

1 Подтверждение принципиальной возможности использования газовых детекторов плоско-параллельной геометрии, работающих в ограниченно-лавинном режиме газового усиления, для эффективного и высокоточного измерения времени пролета ионизующих частиц на примере ППК,

2 Моделирование работы ППК на основе простейшей теории лавинного газового разряда для уточнения методов обработки сигналов с камеры и для оптимизации различных ее параметров;

3 Поиск оптимальных параметров ППК для системы ALICE-TOF, включая геометрию камеры, материалы электродов, точность изготовления механических деталей, технологию производства, состав газовой смеси, напряженность электрического поля, электронный канал и пр ,

4 Разработка и реализация методов обработки сигналов с ППК,

5 Разработка, создание и испытания прототипов многоканальных систем TOF, основанных на ППК,

6 Выявление основных недостатков ППК и обсуждение путей их преодоления

1.3. Научная новизна и практическая ценность работы

Целенаправленные усилия экспериментальной группы, в составе которой работает диссертант, привели к созданию современных надежных и недорогих детекторов, позволяющих осуществлять эффективную идентификацию частиц в ядерных ускорительных экспериментах Помимо эксперимента ALICE, эта методика, безусловно, найдет применение во многих будущих установках, требующих прецизионных измерений времени пролета в условиях высокой множественности частиц и при высоких загрузках

Основные достижения настоящей работы

1 Впервые продемонстрирована принципиальная возможность использования ограниченно-лавинного режима газового усиления для получения точной временной привязки при регистрации ионизующего излучения,

2 Детально измерены амплигудные и временные спектры одно- и двухза-зорных модификаций ППК при различных условиях;

3. Впервые на опыте продемонстрирована зависимость эффективности плоско-параллельных газовых детекторов от количества газовых зазоров;

4. Впервые, на примере ПГ1К, получено временное разрешение плоскопараллельного газового детектора на уровне 200 пс при эффективности регистрации не ниже 95%, намечены пути улучшения этих характеристик,

5 Собраны и испытаны проготипы многоканальных модулей ТОР на основе ППК, продемонстрирована их работоспособность, изучена вероятность наводок между каналами внутри модулей.

1.4. Результаты, выносимые на защиту

1 Результаты многочисленных испытаний различных модификаций ПГ1К и сборок из них, проводившихся на ускорителях в ИТЭФ и ЦЕРН

2 Результаты моделирования газового разряда в плоско-параллельном зазоре, их сравнение с результатами испытаний, оптимизация параметров ППК на основе результатов моделирования

3 Амплитудные и временные спектры, полученные на различных модификациях ППК с использованием разнообразных газовых смесей.

4 Существенное увеличение эффективности ППК за счет введения электроотрицательных добавок в газовую смесь

5 Существенное увеличение эффективности ППК за счет использования двух и более газовых зазоров.

6 Успешное применение метода Г-Л-коррекции при обработке сигналов с ППК для получения наилучшего временного разрешения

7 Вероятность и происхождение «больших» сигналов в ППК

8 Оптимальные параметры ППК и электронного канала, соответствующие требованиям эксперимента ALICE

9 Конструкция и результаты испытаний 32- и 512-канальных прототипов модулей TOF, собранных из ППК

1.5. Личный вклад диссертанта

1 Диссертант сделал основной вклад в создание методов обработки результатов испытаний ППК, включая выбор оптимального способа Т-А-коррекции

2 Диссертант участвовал в сборке и эксплуатации тестового пучка для испытаний ППК в ИТЭФ, отвечал за обслуживание газового стенда.

3 Диссертант впервые произвел компьютерное моделирование флуктуа-ций развития электронной лавины в ППК с целью предсказания ее временных свойств

4. Диссертант участвовал в многочисленных методических сеансах по испытанию ГГПК в ИТЭФ и ЦЕРН, занимался обработкой и анализом данных.

5 Диссертант принимал непосредственное участие в подготовке выносимых на защиту результатов к публикации

1.6. Апробация работы и публикации

Основой содержания диссертации являются материалы двух статей, опубликованных в российском журнале «Приборы и техника эксперимента» Кроме того, история развития ППК изложена в инженерно-техническом отчете (TDR) системы TOF эксперимента ALICE Часть результатов, представленных в диссертации, докладывалась на семинаре ИГЭФ 13 ноября 2002 г

Представленная работа была выполнена в лаборатории 211 ИТЭФ в сотрудничестве с другими лабораториями ИТЭФ, на пучке 212 ускорителя У-10 в ИТЭФ, на ускорителях PS и SPS в ЦЕРН Работа выполнена при финансовой поддержке Росатома Часть работы выполнена при поддержке гранта РФФИ № 99-02-18377

2. Краткое содержание диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы Основные выводы диссертации и итоги работы приведены в заключении Объем диссертации составляет 76 страниц, она содержит 47 рисунков, 4 таблицы и 41 наименование цитируемой литературы

Во введении обобщенно рассматривается феноменология релятивистской физики тяжелых ионов, описан фазовый переход материи из КГП в адронное состояние, проанализированы перспективы воспроизведения и изучения де-конфайнмента в лабораторных условиях

Согласно КХД, фазовый переход кварки + глюоны —* адроны характеризовался энергией Jqcd ~ 200 МэВ и произошел, когда возраст Вселенной составлял ~ 10 мкс Этот переход сопровождался спонтанным нарушением ки-ральной симметрии - фундаментальным явлением, ответственным за наличие масс у связанных кварков. Расчеты в трехкварковой модели предсказывают, что при нулевой барионной плотности адронизация плазмы происходит в узком интервале температур вблизи Тс ~ 190 МэВ, что соответствует плотности энергии et ~ 1 ГэВ/фм3 При столкновениях ионов на ускорителях RHIC и БАК плотности энергии в области взаимодействия могут превосходить порог вь на времена порядка 5-10 фм1с (~10~23 с) В этом случае становится вероятен фазовый переход, близкий к сценарию ранней Вселенной

К основным признакам деконфайнмента следует отнести термодинамические параметры и их флуктуации, наблюдаемые через пособытийные измерения множественности заряженных частиц dN/dy, среднего поперечного им-

пульса <рт> и плотности поперечной энергии cLET/dy | v=0; степень термодинамического равновесия и вязкость среды, наблюдаемые через эллиптический поток v2; размер взаимодействующей системы, наблюдаемый через узкие корреляции пионов и каонов; бариохимический потенциал, наблюдаемый через изменение отношения выходов я/К/р; рождение струй с большим поперечным импульсом и их подавление в плотной ядерной среде; изменение масс и ширин мезонов, рожденных в плотной среде (в частности, изменение ширины распада ф —> К+К ); модификации спектров прямых фотонов из области взаимодействия; подавление рождения тяжелых кваркониумов и др. Установка ALICE разработана для регистрации совокупности этих признаков.

В первой главе дано общее описание физической программы эксперимента ALICE, а также конструкции и предназначения основных детекторных систем установки. Рассмотрен метод идентификации заряженных адронов на основе измерения времени пролета. Перечислены требования, предъявляемые к системе ALICE-TOF.

Эксперимент ALICE - единственный из экспериментов на БАК, специально посвященный изучению столкновений тяжелых ионов высоких энергий.

Он оптимизирован для работы со встречными пучками ионов свинца с энергиями до 5.5 ТэВ на нуклонную пару в с ц м , что в 30 раз выше энергий, доступных ныне действующему ускорителю RHIC Большую часть продуктов столкновений в ALICE будут составлять мягкие адроны с поперечной кинетической энергией <2ГэВ В рамках существующих моделей верхняя оценка множественности адронов в центральной области установки составляет dAZ/dy | max = 8000

Система ALICE-TOF предназначена для пособытийной идентификации адронов в среднем диапазоне импульсов, а именно пионов и каонов с импульсами до 2 5 ГэВ/с и протонов с импульсами до 4 ГэВ/с Как показано на рис 1, система, выполненная в форме барреля, будет покрывать полный азимутальный угол в центральной части ALICE (диапазон псевдобыстрот \г)\ < 0 9), площадь детектора составиг 140 м2 с общим числом каналов около 150 000 при размере отдельного канала около 3 х 3 см Временное разрешение системы должно находиться в пределах 120 пс при эффективности регистрации МЕР, близкой к 100%

Во второй главе проведено сравнение известных методов измерения времени пролета заряженных частиц сцинтилляционных счетчиков с ФЭУ, счетчиков с кремниевыми фотодиодами, искровых счетчиков Пестова и плоско-параллельных камер

Традиционный метод TOF на основе сцинтилляторов и фотоумножителей (Sei + РМТ) получил самое широкое распространение в экспериментальной физике и применяется, в частности, почти во всех пучковых установках для формирования триггеров. Временное разрешение сцинтилляционных счетчиков находится на уровне 50 - 80 пс, эффективность регистрации MIP составляет 100% В ядерных экспериментах используются массивы таких счетчиков с числом каналов до тысячи и выше, однако создание сцинтилляционных систем с сотнями тысяч каналов вряд ли возможно — прежде всего, из-за крайне высокой стоимости Кроме того, использование фотоумножителей в магнитном поле является технически сложной задачей

С недавнего времени исследуется возможность использования для время-пролетных измерений сцинтилляционных и черенковских счетчиков, в которых считывание света осуществляется кремниевыми лавинными фотодиодами, работающими в гейгеровском режиме (Sei + SiPM) Первые данные свидетельствуют о том, что сцинтилляционные счетчики с поперечным сечением 3 х 3 мм способны обеспечить временное разрешение на уровне 30 - 40 пс Эффективность таких детекторов определяется множеством факторов, систематизированные данные пока не публиковались

Искровые счетчики Пестова были изобретены в 1970-х годах и активно исследовались в рамках R&D для ALICE-TOF. Принцип их работы основан на возникновении искрового пробоя в перенапряженном газе, находящемся под высоким давлением (10-12 атм) в сильном однородном электрическом поле

Для локализации разряда и подавления послеимпульсов электроды счетчиков Пестова изготавливаются из низко-резистивного стекла; в газовой смеси присутствует высокая концешрация квенчирующих добавок, абсорбирующих ультрафиолет во избежание фотоэффекта на катодах Повышенное давление и высокое напряжение представляют собой основные технические трудности при эксплуатации больших систем на основе счетчиков Пестова Временное разрешение счетчиков составляет около 30 пс, однако их временной спектр содержит заметную примесь задержанных сигналов («хвостов»), что крайне критично для условий ALICE.

Ограниченно-лавинный метод TOF был впервые изучен в рамках представленной работы и R&D для ALICE-TOF Предпосылкой к его изучению стало соображение, что электронная лавина, развивающаяся в газе при напряженности электрического поля, не достаточной для возникновения искры, в принципе может обеспечивать хорошую привязку во времени, поскольку в плоской геометрии сигнал, наведенный на электродах, возникает сразу с началом движения электрического заряда в газе Небольшая (по сравнению с искрой) величина разряда в этом случае должна приводить к улучшению счетных характеристик детектора, замедлять процесс старения, а также позволять обойти многие технологические проблемы, свойственные искровой методике С другой стороны, малая амплитуда сигнала требует разработки высокочувствительной и быстродействующей электроники, что невозможно без хорошего представления о форме импульса с камеры, которого к началу исследований не существовало Работу, таким образом, следовало строить последовательно, сочетая изучение и моделирование лавинного сигнала с оптимизацией конструкции камеры и конструированием электронного канала. Отправной точкой для исследований предложенного метода стал простейший вариант камеры - ППК.

Тип детектора TOF Эффективность к MIP, % Характерное временное разрешение, IIC Ориентировочная стоимость массива 1 м2, к$ США

Sei + РМТ 100 50-80 200 (размер канала 5><5 см)

Счетчики Пестова 100 30 80

ПИК 95 200 30 (размер канала 5x5 см)

MRPC 99 50 80 (размер канала 3 5 х 2 5 см)

Sei + SiPM — 30-80 —

Табл 1 Сравнение основных варианюв времяпролетных детекторов в контексте большой системы 'ГОР Стоимость включает измерительную электронику

Сводное сравнение основных параметров систем ТОР, основанных на разных вариантах времяпролетных детекторов, приведено в табл. 1.

В третьей главе описана конструкция и принцип работы ППК, произведено моделирование сигнала с камеры на основе элементарной теории электронной лавины, описан первый этап исследований образцов ППК на тестовой пучковой установке в ИТЭФ и его основные результаты, включая введение Т— /¡-коррекции и использование электроотрицательных добавок в газовой смеси.

ППК Ш --Я

Рис. 2. Схематическая конструкция и принцип работы ППК.

сигнал

-НУ »-!--

В простейшем варианте ППК представляет собой однозазорный газонаполненный детектор, работающий в ограниченно-лавинном режиме газового усиления при атмосферном давлении (см. рис. 2). Он состоит из двух проводящих электродов, удерживаемых на расстоянии 0.5 - 2 мм друг от друга. Плоскостность и параллельность внутренних поверхностей электродов выдерживаются с точностью 5 — 10 мкм - тем аккуратнее, чем уже зазор. Общая толщина камеры зависит от материала и дизайна и, как правило, составляет несколько миллиметров. Высокое электрическое поле (напряженностью 2 — 6 кВ/мм, выбираемое в зависимости от используемой газовой смеси и ширины зазора) способствует немедленному усилению начальной ионизации в любой точке рабочего объема камеры. Движение и рост электронной лавины мгновенно наводит быстрый (с временем роста ~ 1 не) сигнал на электродах, за которым в течение нескольких микросекунд следует сигнал, вызванный дрейфом положительных ионов. В зависимости от выбранного газа можно достичь величины газового усиления 103- 104, сохраняя при этом низкую вероятность пробоя.

Если отвлечься от объемных зарядов внутри камеры, то развитие электронной лавины в однородном электрическом поле описывается уравнением

где п0 - количество электронов в кластере первичной ионизации, а - первый коэффициент Таунсенда, - средняя скорость дрейфа электронов, с1 - ширина газового зазора, а хй - расстояние от катода до места возникновения кластера. Сигнал, наведенный между электродами в процессе развития лавины, определяется выражением

где де - элементарный заряд. Компьютерное моделирование работы ППК учитывало флуктуации количества и размера пар первичной ионизации в газе, их расположения в объеме детектора, а также статистические флуктуации ионизующих столкновений на начальном этапе развития лавины, которые оказывают основное влияние на амплитуду сигнала и, следовательно, на время его регистрации. Время срабатывания ППК определялось, как момент, когда интегральный заряд от тока во внешней цепи превышает порог чувствительности формирователя (составлявший не менее 3 фКл, что обусловлено уровнем шумов на входе усилителя). В качестве рабочего газа предполагался чистый изо-бутан, напряженность поля равнялась 5 кВ/мм. На рис. 3 представлены характерные результаты моделирования работы камеры. Независимые расчеты со-

/(0 = _££^*ехр (avdri)) а

300

100

Entries 1342 jf/ndf 14.67/12 Constant 238.3 Mean 2.355

Sigma 0.2225

200

60

40

100

20

0 2 4 6 8 10 Время, не

0

0

2

4 6 8

10

Время, не

а

б

Рис.3. Результаты моделирования работы ППК: а - временное разрешение, б - зарядово-временное распределение сигналов.

тлись в том, что собственное временное разрешение ППК должно составлять около 100-250 пс. Эти данные вошли в инженерно-технический отчет (ПЖ) системы АЫСЕ-ТОБ

Пилотные образцы ППК имели металлические и металлизированные (Сг, Аи, Си) керамические электроды, кроме того была сконструирована камера с ре1улируемой извне (от 0 5 до 2 мм) шириной зазора Размеры камер колебались от 20 х 20 до 50 х 50 мм Многокомпонентные газовые смеси были основаны на С02,1-С4Н10, Аг, имели различные рабочие диапазоны напряженности электрического поля и различные абсорбции к собственному ультрафиолету Быстрое усиление сигнала с камеры осуществлялось в две стадии, посредством предусилителя и главного усилителя Испытания ППК проводились на пучке 212 протонного синхротрона ИТЭФ, в качестве ионизующих частиц использовались пионы и протоны с импульсами в диапазоне 1.6-10 ГэВ/с, интенсивность пучков достигала 105с"', размер пучка в области камеры составлял несколько квадратных сантиметров

Анализ двумерного распределения в координатах времени пролета Т и заряда А выявил устойчивую нелинейную корреляцию между Т и А, которая делает возможной автономную коррекцию результатов измерений На рис. 4 показано одно из первых надежных наблюдений Т-А-зависимости в ППК. При полной ширине распределения ТОР порядка 1 не введение -коррекции улучшило результат примерно до 400 пс Эта величина включала в себя разрешение измеригельной электроники, которая на тот момент составляла 200 -250 пс Собственное разрешение камеры, таким образом, оказалось равным 280 - 320 пс, что согласуется с результатами моделирования Впоследствии, Т-

о Г — ■ ■ . I ■■■■!. , ■ ■ 1 , .... '-. ...

36 39 42 45 48 51

Время, не

Рис 4 Т—А-распределение сигналов с ППК Заметна возможность визуальною разделения частиц с разной ионизационной способностью

/¡-коррекция стала обязательным этапом анализа данных с разнообразных вариантов газонаполненных де текторов, работающих по принципу ППК.

В четвертой главе описаны конструкция и испытания двухзазорной ППК, рассказано о систематическом подборе оптимальных параметров камеры (ширина зазоров, материал электродов, состав газовой смеси, характеристики электронно-измерительного канала, рабочее напряжение и пр.), рассмотрены краевые и поверхностные эффекты, а также происхождение и вероятность сигналов с большой амплитудой.

Каналы ADC

Рис. 5. Амплитудный спектр двухзазорной ППК (канал ADC = 0.25 фКл).

С целью улучшения характеристик ППК группой ИТЭФ была предложена симметричная двухзазорная конструкция камеры со съемом сигнала с центрального электрода. Согласно расчетам, амплитудный спектр двухзазорной ППК должен иметь отстоящий от нуля максимум, и с помощью подбора порога можно, таким образом, отсечь шумы камеры и электроники без значительной потери эффективности. Уже первые измерения подтвердили это заключение: рис. 5 показывает амплитудный спектр ППК, измеренный с использованием смеси аргона и изобутана с небольшой добавкой CF3Br.

Из принципа работы ППК следует, что чем уже газовый зазор, тем лучше собственное временное разрешение камеры. С другой стороны, уменьшение газового зазора приводит к меньшей величине сигнала и, как следствие, к падению эффективности. Компенсация этого эффекта за счет увеличения напря-

женности поля ограничена условием сохранения низкой вероятности пробоя, которая становится существенной при ас1~ 20. В результате специальных испытаний, проведенных в ИТЭФ и ЦЕРН, ширина зазора 0.6 - 0.65 мм была признана лучшей, поскольку обеспечивала эффективность регистрации выше 90% при временном разрешении вблизи 200 пс во всем амплитудном диапазоне сигналов.

.о 100

О4

Л

5 90

х

м

к

Ё »О

о

60 50 40

3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7

Напряжение, кВ

Рис. 6. Значения эффективности двухзазорной ПГОС с шириной зазора 0.6 мм, полученные на смеси ПМН и С?1 ЬР4 в различных пропорциях.

Рабочая газовая смесь должна обладать максимальной пробивной напряженностью электрического поля в сочетании с высокой плотностью первичной ионизации. При этом основная компонента смеси должна иметь большое сечение поглощения резонансного ультрафиолета, необходимое для снижения вероятности образования стримеров. Было обнаружено, что использование ди-метилового эфира БМЕ и негорючего газа С2Н2Р4 вместо ¡-С4Н10, а позднее и вместо Аг, значительно увеличивало отношение сигнал-шум и эффективность регистрации М1Р, которая достигла 95 - 98% в пределах высоковольтного плато шириной более 200 В (см. рис. 6). Кроме того, важным свойством газовой смеси является наличие и концентрация электроотрицательной компоненты, от которой зависят эффективность и работоспособность камеры. Первоначально в качестве такой добавки использовался фреон СН3Вг, однако в соответствии с европейскими экологическими стандартами он был заменен на 8Р6. В дальнейшем пришлось отказаться и от использования ОМЕ, оказывавшего вредное влияние на материалы камеры и газовой системы. Окончательный выбор был остановлен на смеси 85% С2Н2Р4 + 5% ¡-СфНю + 10% 8Р6 (процентное соотношение может незначительно изменяться), которая в дальнейшем тексте упоминается, как «стандартная».

А 10% ОМЕ + 90% еда, ■ 25% ОМЕ + 75% еда • 50% ОМЕ + 50% СДО,,

Специально для работы с ППК был разработан электронный канал с передним фронтом на выходе усилителя около 2 нс и с общим усилением 12В/пКл Уровень шумов, приведенный ко входу усилителя, составил менее 5000 электронов и слабо (на уровне 80 электронов/пФ) зависил от емкости детектора. Полный вклад электроники во временное разрешение камеры был доведен примерно до 120 пс Амплитуда заряда, собираемого с ППК при использовании «стандартной» газовой смеси, при этом составила в среднем 100 фКл, что привело к примерно двукратному выигрышу в отношении сигнал-шум

При выборе материала для изготовления пластин ППК исследовались керамика, стекло, пластик и металл. Все типы электродов, за исключением пластиковых, дистанцировались друг от друга упорами из кварцевых волокон, упоры же пластиковых электродов были заложены в их конструкцию Результаты измерений показали, что камеры с электродами из всех указанных мате-

100

90

И О

CD

80

70

60

Г У о*- 50

s

1 g 101

li

vo С г Я ю2

!" 103

1 10"

« 105

ю"

♦ . ♦

iilililllIlilllllillSIIliyillllSiliillilill

tzzzzzjzzzzzzçzzzzztzzizzf.zzzzzçzzzzzzzzzzz

rilllllllllilllllllillissiisilisissililililii

iliSiilliiliMIiilîïlIililiilillSSSIIslilIii

iiiiiiiisniiîiiiiii|iiiii|iiiiii|isiiilisiis ------.,------,------r—-,------r—r—

5 1 52 5 3 54 5 5 5 6 5 7 5 8

Высокое напряжение, кВ

Рис 7 Эффективность ППК и вероятность «больших» сигналов в зависимости от высокого напряжения для смеси 68% Аг + 30% 1-С4Н10 + 2% fréon

риалов обладают примерно одинаковыми характеристиками

Основным недостатком ППК является возникновение редких событий с большими амплитудами, которые могут приводить к повреждению поверхности электродов и к выходу из строя измерительной электроники Энерговыде-

100 200 300 400 500 каналы ADC

300 400 500 каналы ADC

500

[xJ/ndf 2040/20

Constant 1045

Mean 1872E+05

Sigma 244 3

°Sl»Dnit = 244 nc

ОдШС — 187 пс

1000

1500

Рис 8 Результаты пучковых испытаний двухзазорной Г1ПК а - распределение событий в плоскости Т-Л (канал ADC = 0 25 фКл, канал TDC = 50 пс), б -временное разрешение ППК в зависимости от А (после вычитания временного разрешения стартовой системы), в - общее временное разрешение

ление во всех случаях «больших» сигналов примерно одинаково и равняется энергии плоского конденсатора (каковым является ППК), заряженного до 100 нКл Естественно предположить, что «большие» сигналы являются результатом искр, полностью разряжающих камеру. Основным виновником возникновения «больших» сигналов являются проводящие электроды, не обеспечивающие эффективного механизма гашения сильных разрядов Результаты исследований «больших» сигналов для двухзазорной камеры с шириной каждого зазора в 1 5 мм приведены на рис 7 Видно, что даже в области высокой эффективности вероятность «больших» сигналов составляет лишь около 10"4, что, тем не менее, представляет собой серьезную проблему в контексте многоканальной системы

В результате Ы&О были подобраны оптимальные параметры камеры, обеспечивающие наилучшие эффективность и временное разрешение, а также работоспособность, адаптируемость под массовое производство и стоимость Окончательный размер ячейки составил 50 х 50 мм, ширина зазора — 0 6 мм Типичные результаты пучковых испытаний двухзазорной ППК приведены на рис 8 Путем квадратичного вычитания джиттера электронного канала из полного разрешения детектора было получено, что неопределенность, связанная с собственным джиттером лавины, достигла уровня 100-150 пс. Эти данные согласуются с результатами компьютерной симуляции газового разряда в ППК. Таким образом, разработан простой и надежный детектор ТОР с временным разрешением на уровне 200 пс и с более чем 90%-ной стабильной эффективностью регистрации М1Р Совокупность параметров и характеристик ППК позволила в 1998 году менеджменту эксперимента отдать предпочтение именно этим детекторам в сравнении с искровыми счетчиками Пестова и назначить их основной опцией для реализации проекта АЫСЕ-ТОР.

В пятой главе рассмотрены конструкция и результаты испытаний прототипов многоканальных модулей ТОР на основе ППК Наиболее подробно изучен 32-канальный модуль, для которого сканировались эффективность и временное разрешение, а также измерялись перекрестные наводки. Представлены результаты испытаний 512-канального модуля Сформулированы сложности интеграции ППК в большие системы.

В основу разработки первых прототипов многоканальных модулей была положена идея мозаичной структуры, собранной из независимых двухзазор-ных ППК Для улучшения эффективности и временного разрешения ТОР-системы, а также для уменьшения площади «мертвых зон» предполагалось впоследствии строить систему из нескольких (до четырех) слоев модулей, сдвинутых друг относительно друга по принципу шахматной доски.

Основой пилотных модулей стали 16-канальные 8-слойные электронные печатные платы, служившие также механической опорой конструкции Платы обеспечивали подачу и распределение высокого и низкого напряжений, а также быструю передачу сигналов от сработавших ячеек к разъемам на краю пла-

ты. С одной из сторон платы в два ряда крепились 16 ячеек ППК, а с обратной стороны располагались 16 предусилителей, подсоединенных к соответствующим камерам. Быстрые передаточные линии, направленные вдоль платы, не вносили заметных искажений в амплитуду и форму импульсов.

Газовый

Первый прототип модуля ТОР содержал 32 ППК и был собран из двух 16-канальных плат с камерами, помещенными в общий газовый объем на расстоянии 5 см друг от друга (см. рис. 9). В модуле были установлены двухза-зорные ППК размером 50 х 50 мм с хромированными керамическими электродами, ширина газовых зазоров составляла 0.63 мм. Временное разрешение модуля оказалось однородным и составило в среднем около 250 пс, что включало в себя внутренний джиттер ППК, вклад измерительной электроники, разброс времен распространения сигналов по сигнальным линиям и пр. С увеличением высокого напряжения у большинства ячеек модуля наблюдался выход на плато по эффективности > 90%, ширина плато составила около 100 В (см. рис. 10). Это обстоятельство сделало возможной подачу единого высокого напряжения на весь модуль ТОР без ущерба для эффективностей отдельных ячеек.

Применимость модуля в составе большой системы ТОР ограничивается уровнем перекрестных наводок (кросс-токов) между соседними ячейками, обусловленных, прежде всего, общим заземлением ячеек и (или) сигнальных линий. Как видно из рис. 11, в случае обычных сигналов порог в 20 мВ обеспечивал уровень кросс-токов (ложных срабатываний) в ближайших ячейках на уровне 1.5%, а в остальных ячейках - на уровне 0.5%. В случае же «больших» сигналов кросс-токи в ППК, расположенных в одной плоскости с той камерой, где возник пробой, находились в пределах от 70% в ближайших ячейках до 20% в самых удаленных, а уровень кросс-токов в другой плоскости заметно не

1 1 8 •

11 1 ♦ ППК 1 а ппк г » гажз ♦ ППК 4 Ж ППК 5 • ППК 6 + ППК 7 - • ППК 8 1 ППК9 -в ППК 10

1 !

ж й 1

• •

3.10 3.15 3.20 3.25 3.30 3.35 3.40 3.45

Высокое напряжение, кВ

Рис. 10. Результаты сканирования чффективностей десяти ячеек ППК в 32-канальном модуле ТОР.

а 5

Рис. 11. Уровень кросс-токов (в процентах) внутри 32-канального модуля ТОР: а - при нормальных событиях; б - в случае «больших» сигналов.

отличался от нормальных событий. Таким образом, в случае появления «большого» сигнала в одной из плоскостей модуля информация о времени могла быть получена из другой плоскости.

В прототипе полномасштабного модуля ТОР общей площадью около 1 м2 была сохранена идея расположения камер на печатных платах. Пятьсот двенадцать ячеек ППК, имевших для сравнения и керамические, и металлические электроды, были размещены в четыре слоя с мозаичным сдвигом, причем каждый слой включал в себя две печатные платы, каждая из которых имела размер 0.5 х 0.5 м и обслуживала 64 ячейки. Нечувствительные элементы плат имели минимально возможные размеры для увеличения рабочей площади модуля. Расстояние между соседними слоями камер составляло 0.5 см. Принципиаль-

W(

к

-1000-750-500-250 0 250 500 750 1000 Время, пс

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 каналы ДОС

а

б

Рис. 12. Типичные характеристики одной ячейки ППК большого прототипа модуля TOF: а - амплитудный спектр, б - разрешение времени пролета.

ные параметры электроники были сохранены такими же. как в случае 32-канального модуля. Механической опорой модуля служила алюминиевая рама размером 1 х 1 м, обеспечивавшая замкнутый газовый объем (на ней же располагались все разъемы для подключения газовых, электрических и сигнальных линий). Пучковые испытания большого модуля стали последним и одним из самых трудоемких этапов исследований возможности использования ППК как основного элемента времяпролетной системы эксперимента ALICE. В большом модуле наблюдалось плато эффективности, однако порог дискриминатора в 40 мВ гарантировал лишь 90%-ную эффективность модуля, а дальнейшее уменьшение порога приводило к резкому возрастанию шумов (вдвое при 35 мВ). Типичные результаты измерений характеристик ППК, установленных в большом модуле, оказались хуже тех, что были измерены в 32-канальном прототипе (см. рис. 12): временное разрешение увеличилось до примерно 280 пс. Поскольку в большом модуле использовались те же ячейки ППК, что и в 32-канальном модуле, то этот эффект следует связывать с конструкцией большого модуля и со свойствами считывающей электроники (эта техническая проблема была решена в дальнейшем ири разработке модулей из диэлектриче-ски-резистивных плоско-параллельных камер).

В заключении подводятся главные итоги многолетней работы по развитию времяпролетной методики с использованием ППК, перечислены основные результаты исследований, достоинства и недостатки ППК; намечены пути решения обнаруженных проблем. В общих чертах описано современное состояние системы TOF эксперимента ALICE, построенной на основе многозазорных резистивных плоско-параллельных камер.

Характеристики ППК, как одиночного детектора и элемента небольших многоканальных систем, превюшли самые оптимистичные прогнозы, существовавшие в начале исследований Этот результат стал несомненным открытием в методике, положившим начало многочисленным дальнейшим работам В настоящее время новый метод используется и планируется к использованию в десятках разномасштабных экспериментов и практических приложений Следует также отметить, что благодаря проводящим электродам ППК способна работать без ухудшения характеристик при загрузках до 25 кГц/см2, и ее быстродействие ограничено только условием относительной малости объемного заряда ионов в рабочем газовом объеме

Тем не менее, несмотря на хорошие результаты, полученные при испытаниях отдельных камер и прототипов модулей, возможность построения полномасштабной системы ТОБ на основе ППК пока не исследована в полной мере Главным недостатком ППК остаются «большие» сигналы, возникающие с малой, но заметной, вероятностью ~ Ю-4. Такие сигналы опасны для материалов камеры и измерительной электроники, а также приводят к высоким (до 70%) перекрестным наводкам внутри многоканальных модулей Решение этой проблемы требует создания эффективного способа гашения или подавления «больших» сигналов

Одним из таких способов является качественное изменение самого детектора, а именно - введение различных типов резистивности (объемной и поверхностной) в электроды камеры В случае «больших» сигналов резистивные электроды позволяют локализовать область разряда, уменьшая напряженность поля в месте пробоя и тем самым гася разряд. Как следствие, резистивные камеры могут работать при более высоких напряжениях, обладают лучшим временным разрешением и эффективностью, однако имеют ограничения по загрузочной способности. В рамках дальнейших работ испытывались многочисленные варианты резистивных плоско-параллельных камер (ОЯРС, вКРС и пр) В окончательном варианте системы А1ЛСЕ-ТОР нашла воплощение многозазорная концепция (М11РС), в которой сигнал с камеры является суммой сигналов с нескольких узких зазоров, позволившая довести эффективность детектора до 100% при временном разрешении на уровне 50 пс

Сравнение систем ТОБ, использующих различные варианты времяпро-летных детекторов, приведено в табл 1.

В заключении перечислены основные результаты диссертации.

1 На опыте подтверждена принципиальная возможность высокоточного и эффективного измерения времени пролета ионизующих частиц с помощью камер плоско-параллельной геометрии, эксплуатирующих ограниченно-лавинный режим газового усиления. Положено начало новому поколению времяпролетных детекторов

2 Впервые тщательно измерен амплитудный спектр ППК Распределения с двухзазорной камеры имеют отстоящий от нуля и превосходящий порог чув-

ствительности электроники максимум В результате эффективность ППК к MIP удалось поднять до 95% и выше

3 Разработан метод измерения времени пролета с помощью плоскопараллельных газовых детекторов, который включает в себя Г-Л-коррекцию при обработке сигналов с камеры. Наилучшее значение временного разрешения двухзазорной ППК составило около 200 пс

4 Подобраны оптимальные параметры двухзазорных ППК для использования в составе крупномасштабных систем TOF. Оптимальная ширина газового зазора составила 0 6 - 0.65 мм Состав «стандартной» газовой смеси 85% C2H2F4 + 5% 1-С4НЮ + 10% SF6

5 Измерена вероятность «больших» сигналов (искр), представляющих опасность для электроники и электродов камеры. Она составила около 10"4, что является существенной величиной в рамках большой системы

6 Впервые собраны и испытаны прототипы многоканальных модулей TOF на основе ППК, продемонстрирована их работоспособность, изучена вероятность и последствия наводок между каналами, подтверждена принципиальная возможность интеграции ППК в многоканальные системы. Характеристики 32-канального модуля мало отличались от свойств одиночных двухзазорных ППК В большом 512-канальном модуле наблюдалось ухудшение характеристик, связанное со сложностью конструкции и электроники

7 Изучены уровни наводок между соседними каналами модулей в случае нормальных и «больших» сигналов Соответствующие значения составили 0 5 —1.5% и 20 - 70%

Публикации автора по теме диссертации

[1] В.А Акимов, А.В.Акиндинов, С В Бояринов, К Г.Волошин и др, Плоскопараллельная камера как детектор для времяпролетных измерений, Приборы и техника эксперимента, №4 (2002) с 63

[2] В А Акимов, А В Акиндинов, С В. Бояринов, К. Г Волошин и др, Изучение характеристик и оптимизация параметров плоскопараллельной камеры как детектора для времяпролетных измерений, Приборы и техника эксперимента, №5 (2004) с 24

[3] ALICE Collaboration, Time of Flight System, Technical Design Report, CERN/LHCC 2000-12, ALICE TDR 8,16 February 2000

Подписано к печати 07.11 07 Формат 60 х 90 1/16

Уел -печ л 1,35_Усл-издл 0,1_Тираж 100 экз_Заказ 536

Отпечатано в ИТЭФ, 117218, Москва, Б Черемушкинская 25

Введение.

Актуальность темы.

Цели диссертационной работы.

Научная новизна и практическая ценность работы.

Результаты, выносимые на защиту.

Личный вклад диссертанта.

Апробация работы и публикации.

Объем и структура диссертации.

1 Система идентификации частиц эксперимента ALICE.

1.1 Программа эксперимента ALICE.

1.2 Общее описание детектора ALICE.

1.3 Идентификация адронов на основе измерения времени пролета.

1.4 Требования к системе TOF.

2 Методы измерения времени пролета заряженных частиц.

2.1 Системы сцинтилляционных счетчиков с фотоумножителями.

2.2 Сцинтилляционные счетчики с фотодиодами.

2.3 Искровые счетчики Пестова.

2.4 Плоско-параллельные камеры в режиме лавинного усиления.

3 Плоско-параллельная камера как детектор для TOF.

3.1 Регистрация ионизующего излучения с помощью ППК.

3.2 Моделирование газового разряда в ППК.

3.3 Методика исследований.

3.4 Корреляция времени и амплитуды.

3.5 Эффективность измерений времени пролета.

3.6 Основные итоги изучения однозазорной ППК.

4 Двухзазорная ППК, оптимизация параметров.

4.1 ППК с двумя газовыми зазорами.

4.2 Ширина газового зазора.

4.3 Газовая смесь.

4.4 Конструкция ППК, материалы электродов.

4.5 Краевые и поверхностные эффекты.

4.6 Электроника.

4.7 Проблема «хвостов» в спектре времени пролета ППК.

4.8 Вероятность и происхождение «больших» сигналов.

4.9 Оптимальные параметры ППК.

4.10 Основные итоги изучения двухзазорной ППК.

5 Прототипы многоканальных модулей TOF на основе ППК.

5.1 Мозаичная структура системы TOF.

5.2 Компоненты модуля TOF на электронных печатных платах.

5.3 Конструкция 32-канального модуля TOF.

5.4 Испытания 32-канального модуля TOF.

5.5 Перекрестные наводки.

5.6 Прототип модуля TOF площадью 1 м2.

5.7 Основные итоги изучения многоканальных систем.

Актуальность темы

Изучение эволюции Вселенной иллюстрирует фундаментальные физические законы в диапазоне энергий, охватывающем 25 порядков величины: от теории великого объединения до масштабов атомной физики. После Большого Взрыва остывающая Вселенная последовательно проходила через состояния, соответствовавшие разным масштабам энергий, что, как предполагается в современной космологии и Стандартной модели, сопровождалось несколькими фазовыми переходами и нарушениями фундаментальных симметрий природы [1]. Последний такой фазовый переход — адронизация, конфайнмент, — предсказываемый квантовой хромодинамикой (КХД), характеризовался энергией Акхд ~ 200 МэВ и произошел, когда возраст Вселенной составлял ~ 10 мкс [2]. В соответствии с КХД, кварки и глюоны асимптотически свободны [3]: при температурах Т < Акхд они пребывают в связанном состоянии в составе адронов, а при Т > Акхд они освобождаются и образуют так называемую кварк-глюонную плазму (КГП)1. При Т ~ Акхд-, таким образом, имеет место фазовый переход по схеме кварки + глюоны <-> адроны, или декон-файнмент конфайнмент.

Масса кварка зависит от степени его взаимодействия с другими кварками (антикварками). Эффективные массы связанных легких кварков оцениваются как одна треть массы нуклона и составляют около 300 МэВ. С ростом шкалы энергий массы кварков резко уменьшаются; масса и-кварка оценивается при этом в 5 МэВ, а d-кварка — в 7 МэВ. В теоретическом пределе, когда массы легких кварков исчезают, в рамках 2-ароматной модели КХД говорят о восстановлении киральной симметрии SU(2)l х SU(2)r. При движении вниз по шкале температур, в точке, примерно совпадающей с температурой перехода деконфайнмент —> конфайнмент, киральная симметрия спонтанно нарушается. Масса «свободного» s-кварка сравнима с температурой перехода и потому играет важную роль в этом процессе. Расчеты с участием s-кварка предсказывают, что при нулевой барионной плотности адронизация плазмы происходит в узком интервале темпера

•2 тур вблизи Тс~ 190 МэВ [4], что соответствует плотности энергии sc ~ 1 ГэВ/фм .

Для экспериментального изучения тех областей фазовой диаграммы материи, в которой ожидается образование КГП, используются взаимодействия ультрарелятивистских тяжелых ионов во встречных пучках или с фиксированными ядерными мишенями (АА-столкновения). В процессе реакции энергии сталкивающихся ядер преобразуются в многочисленные кванты с высокими поперечными импульсами, а размеры системы остаются достаточно большими для того, чтобы ожидать образования квази-однородной термодинамически-равновесной материи. Расче

1 Названную так по аналогии с электродинамической плазмой, в которой электрические заряды электронов и ионов соответствуют цветовым зарядам кварков и глюонов в КГП. ты предсказывают, что плотности энергии при столкновениях ионов на ускорителях RHIC (BNL, США) и LHC (CERN) могут в области взаимодействия превосходить по2 рог £с, составляя 4-5 ГэВ/фм в условиях RHIC и 15—40 ГэВ/фм3 в условиях LHC. В этом случае становится вероятным фазовый переход, близкий к сценарию ранней Вселенной. В лабораторных условиях плазма не может существовать долго, она быстро, за времена порядка 5-10 фм/с (~10-23 с), переходит в состояние сильно возбужденного адронного газа. В результате глубоко неупругих процессов образуется большое количество новых частиц, причем по мере охб п ? л К предравновесное состояние

Рис. 1. Пространственно-временная диаграмма реакции при столкновении ультрарелятивистских тяжелых ионов (z — продольная координата): а — без образования КГП, б — с образованием КГП [5]. лаждения адронного газа, вследствие распада резонансов и перерассеяния, число адронов еще больше увеличивается. В соответствии с диаграммой на Рис. 1, в каждом событии такие процессы имеют место вне зависимости от того, произошел фазовый переход или нет.

Процесс взаимодействия не может наблюдаться непосредственно — экспериментально измеряемыми являются параметры конечного состояния системы, представленного стабильными частицами. Существуют два основных подхода, позволяющих по конечному состоянию судить о начальной стадии взаимодействия. Один из них связан с исследованием свойств тех объектов, которые рождаются на ранней стадии реакции и сразу покидают область взаимодействия, неся с собой информацию об ее термодинамических свойствах. К таким объектам относятся фотоны и лептонные пары (а также, в некотором приближении, жесткие адронные струи). Другой подход основан на изучении химического и спектрального состава «мягких» (с поперечными импульсами ~ 1-5 ГэВ/с) адронов, являющихся основными продуктами взаимодействия.

Если ограничиться вторым, «адронным», подходом, то КХД указывает на несколько основных признаков деконфайнмента [6]. Прежде всего, к ним относятся термодинамические параметры системы, связанные с глобальными измеряемыми характеристиками взаимодействия в центральной области быстрот: среднего поперечного импульса <рт>, множественности заряженных частиц на единицу быстроты dN^/dy и плотности поперечной энергии dEj/dy. Степень термодинамического равновесия взаимодействующей системы может быть оценена с помощью измерения эллиптического потока V2, определяемого, как второй коэффициент Фурье-разложения азимутального спектра частиц относительно плоскости реакции; суть этого метода состоит в том, что если ранняя система находится в равновесном состоянии, то ее пространственная анизотропия, обусловленная нецентральностью АА-столкновений, переносится на конечное состояние. Пространственно-временные размеры системы на конечном этапе взаимодействия могут исследоваться путем измерения узких парных корреляций пионов и каонов. Отношен™ выходов разных сортов частиц связаны, на основании статистических моделей, с температурой Т и барио-химическим потенциалом jub взаимодействующей системы; малая величина ^в свидетельствует о низкой барионной плотности, что в свою очередь может указывать на существование фазы де-конфайнмента. Измерения импульсных спектров и коллективного радиального потока адронов позволяют получить информацию о температуре и давлении в системе на конечном этапе взаимодействия.

С экспериментальной точки зрения, указанные измерения требуют наиболее полного описания системы адронов в конечном состоянии. Как максимум, может потребоваться идентификация и определение кинематических параметров всех адронов с умеренными поперечными импульсами в центральной области псевдобыстрот при каждом АА-столкновении. Именно так формулируется задача, которая ставится перед системой идентификации частиц (PID2) в эксперименте ALICE на ускорителе LHC.

Множественность адронов в условиях ядерных коллайдерных экспериментов крайне высока: так, при центральных столкновениях встречных пучков Au-Au с энергией yJsNN = 200 ГэВ в эксперименте PHOBOS на ускорителе RHIC измеренное значение множественности заряженных частиц составило около dNcJd?] | п=о ~ 600 (7 — псевдобыстрота) [7]. Следует ожидать, что в условиях эксперимента ALICE, где энергия столкновений Pb-Pb будет достигать = 5.5 ТэВ, эта величина возрастет по меньшей мере в несколько раз [8]. При таких условиях идентификация адронов становится технически сложной задачей и требует создания эффективной системы PID с хорошим трехмерным разрешением, закрывающей большой телесный угол.

Распространенным приемом идентификации частиц является совокупное измерение их времени пролета (TOF ) вдоль известного отрезка траектории, а также импульса по кривизне траектории в магнитном поле. В соответствии с этой идеей, при начальной разработке экспериментальной установки ALICE было предложено создавать большую систему TOF, выполненную в форме соосного пучку барреля, расположенного на расстоянии около 4 м от линии пучка и за

2 Particle Identification.

3 Time-of-Flight. крывающего полярный угол ±45°. Для успешного разделения адронов с поперечными импульсами до 2.5-4 ГэВ/с эта система должна состоять из -100 ООО каналов размером около 5 х 5 см и обеспечивать временное разрешение на уровне 100 пс при эффективности регистрации частиц с минимальной ионизацией (MIP4), близкой к 100%. Предполагалось, что центральная часть установки будет помещена в слабое однородное магнитное поле ~0.1 Тл, с тем, чтобы измерения импульсов и разделение треков частиц осуществлялись с помощью время-проекционной камеры.

Традиционной методикой для измерения времени пролета являются сцинтилляционные счетчики с регистрацией света фотоэлектронными умножителями. Они обеспечивают временное разрешение на уровне 50-80 пс при 100%-ой эффективности регистрации MIP. Однако их использование в составе таких больших систем, как ALICE-TOF, вряд ли возможно — прежде всего, по соображениям стоимости. Кроме того, эксплуатация фотоумножителей в магнитном поле является технически сложной задачей. На этом этапе возникла необходимость создания принципиально нового надежного и относительно недорогого метода измерения TOF, пригодного для условий ALICE. В качестве возможной альтернативы сцинтилляционным счетчикам было предложено исследовать газонаполненные детекторы плоско-параллельной геометрии, работающие в различных режимах газового усиления. Простейшим образцом такого детектора стала плоскопараллельная камера (ППК), эксплуатирующая режим ограниченной электронной лавины. Этот метод TOF никогда не применялся раньше, и его успешная реализация стала важным изобретением в методике ядернофизического эксперимента. Результатам создания, разработки и последовательной оптимизации ППК, как одиночного детектора и элемента многоканальных систем, посвящена данная диссертационная работа.

Цели диссертационной работы

В диссертации описаны первые этапы развития новой методики TOF, осуществленные в рамках исследований для эксперимента ALICE, во время которых изучались многочисленные опытные образцы ППК. Обнадеживающие результаты испытаний одиночных ППК позволили довести эту работу до создания функциональных прототипов многоканальных модулей TOF, удовлетворяющих требованиям эксперимента, пригодных для массовой сборки и оптимизированных для интеграции в большую систему.

Основные цели настоящей работы: • Подтверждение принципиальной возможности использования газовых детекторов плоскопараллельной геометрии, работающих в ограниченно-лавинном режиме газового усиления, для эффективного и высокоточного измерения времени пролета ионизующих частиц.

4 Minimum-Ionizing Particle

• Моделирование работы ППК на основе простейшей теории лавинного газового разряда в условиях однородного электрического поля. Использование результатов моделирования для уточнения методов обработки сигналов с камеры и для оптимизации различных ее параметров.

• Поиск оптимальных параметров ППК, удовлетворяющих требованиям эксперимента ALICE, что включает в себя геометрию камеры, материалы электродов, точность изготовления механических деталей, технологию производства, состав газовой смеси, напряженность электрического поля, конструкцию электронного канала и пр.

• Создание и реализация методов обработки сигналов с ППК.

• Разработка, создание и испытания прототипов многоканальных систем TOF на основе ППК.

• Выявление основных недостатков ППК и обсуждение путей их преодоления. Научная новизна и практическая ценность работы

Целенаправленные усилия экспериментальной группы, в составе которой работает диссертант, привели к созданию современных надежных и недорогих детекторов, позволяющих осуществлять эффективную идентификацию частиц в условиях ядерных ускорительных экспериментов при счетных загрузках до 25 кГц/см2. На ППК были получены первые обнадеживающие результаты по измерению TOF, отработаны приемы считывания и обработки сигналов, исследованы процессы развития электронных лавин в различных газовых смесях и при различных напряжен-ностях электрического поля, изучена возможность интеграции камер в большие системы.

За последовавшие годы идея использования ограниченной электронной лавины в плоскопараллельном газовом зазоре для измерений TOF активно разрабатывалась и полностью подтвердила свою состоятельность. Работы с ППК положили начало созданию целого поколения детекторов, работающих по этому принципу (DRPC, GRPC, MRPC, подробнее см. Заключение). Помимо эксперимента ALICE, новая методика используется или планируется к использованию в нескольких разномасштабных установках, требующих прецизионных измерений времени пролета — в частности, в экспериментах STAR (RHIC, США) и СВМ (GSI, Германия).

Создание газовых детекторов TOF потребовало разработки специальной быстродействующей и высокочувствительной электроники, что несомненно имеет самостоятельное значение. Основные достижения настоящей работы:

• Впервые продемонстрирована принципиальная возможность использования ограниченно-лавинного режима газового усиления для получения точной временной привязки при регистрации ионизующего излучения.

• Детально измерены амплитудные и временные спектры одно- и двухзазорных модификаций ППК при различных условиях.

• Впервые на опыте продемонстрирована зависимость эффективности плоско-параллельных газовых детекторов от количества газовых зазоров.

• Впервые, на примере ППК, получено временное разрешение плоско-параллельного газового детектора на уровне 200 пс при эффективности регистрации не ниже 95%, намечены пути улучшения этих характеристик.

• Собраны и испытаны прототипы многоканальных модулей TOF на основе ППК, продемонстрирована их работоспособность, изучена вероятность наводок между каналами внутри модулей.

Результаты, выносимые на защиту

• Результаты многочисленных испытаний различных модификаций ППК и сборок из них, проводившихся на ускорителях в ИТЭФ и CERN.

• Результаты моделирования газового разряда в плоско-параллельном зазоре, их сравнение с результатами испытаний, оптимизация параметров ППК на основе результатов моделирования.

• Амплитудные и временные спектры, полученные с помощью различных модификаций ППК при использовании разнообразных газовых смесей и при разных условиях.

• Существенное увеличение эффективности ППК за счет введения электроотрицательных добавок в газовую смесь.

• Существенное увеличение эффективности ППК за счет использования двух и более газовых зазоров.

• Успешное применение метода Т-А-коррекции при обработке сигналов с ППК для получения наилучшего временного разрешения.

• Вероятность и происхождение «больших» сигналов в ППК.

• Оптимальные параметры ППК и электронного канала, соответствующие требованиям эксперимента ALICE.

• Конструкция и результаты испытаний 32- и 512-канальных пришшюв модулей TOF, собранных из ППК.

Личный вклад диссертанта

• Диссертант сделал основной вклад в создание методов обработки результатов испытаний ППК, включая выбор оптимального способа Г-Л-коррекции.

• Диссертант участвовал в сборке и эксплуатации тестового пучка для испытаний ППК в ИТЭФ, отвечал за обслуживание газового стенда.

• Диссертант впервые произвел компьютерное моделирование флуктуаций развития электронной лавины ППК с целью предсказания ее временных свойств.

• Диссертант участвовал в многочисленных методических сеансах по испытанию ППК в ИТЭФ и CERN, занимался обработкой и анализом данных. 9

• Диссертант принимал непосредственное участие в подготовке выносимых на защиту результатов к публикации.

Апробация работы и публикации

Основой содержания диссертации являются материалы двух статей, опубликованных в российском журнале «Приборы и техника эксперимента» ([31], [34]). Кроме того, история развития ППК изложена в инженерно-техническом отчете (TDR) системы TOF эксперимента ALICE [15]. Результаты, представленные в диссертации, частично докладывались на семинаре ИТЭФ 13 ноября 2002 г.

Представленная работа была выполнена в лаборатории 211 Института теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ) в сотрудничестве с другими лабораториями ИТЭФ, на ускорителе У-10 в ИТЭФ, на ускорителях PS и SPS в CERN. Работа выполнена при финансовой поддержке Росатома. Часть работы выполнена при поддержке грантов РФФИ № 99-02-18377 и 0302-16574.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Основные выводы диссертации приведены в заключении. Объём диссертации составляет 76 страниц, она содержит 47 рисунков, 4 таблицы и 41 наименование цитируемой литературы.

Заключение

В результате многолетних исследований, проведенных группой ИТЭФ, была создана новая технология TOF на основе лавинных ППК. Успешная поэтапная деятельность позволила развить новый детектор от уровня идеи до работоспособных прототипов многоканальных модулей. С 1998 года все усилия по разработке системы TOF в рамках эксперимента ALICE были направлены на развитие плоско-параллельных газовых детекторов, работающих в режиме ограниченной электронной лавины. Характеристики ППК, как одиночного детектора и элемента небольших многоканальных систем, превзошли прогнозы, существовавшие в начале исследований, как по временному разрешению, так и по эффективности. К тому же, благодаря проводящим электродам, ППК способна работать без ухудшения характеристик при загрузках до 25 кГц/см2, что делает эти камеры привлекательным решением для реализации систем TOF при высоких загрузках.

Полученные результаты стали несомненным открытием в методике, положившим начало многочисленным дальнейшим работам. В настоящее время новый метод измерения времени пролета используется и планируется к использованию в десятках разномасштабных экспериментов и практических приложений, среди которых ныне действующий эксперимент STAR на ускорителе RHIC в BNL (США) и будущий эксперимент СВМ на проектируемом ускорительном комплексе FAIR (Германия).

Недостатки ППК и пути их преодоления

Несмотря на обнадеживающие итоги испытаний 32-канального прототипа модуля на основе ППК, возможность построения полновесной системы TOF, рассчитанной на примерно 150 ООО каналов, по-прежнему не очевидна. Главным недостатком ППК остаются «большие» сигналы, возникающие с небольшой, но заметной вероятностью ~ 10"4. Амплитуды таких сигналов превосходят рабочие сигналы на 6 порядков величины, что может приводить к повреждениям электродов камер и измерительной электроники, а также становится причиной высоких перекрестных наводок в составе многоканальных систем. Для уменьшения вероятности «больших» сигналов приходится ограничивать напряжение на камере, что в свою очередь сказывается на амплитудах рабочих сигналов и эффективности.

Даже после существенной оптимизации камеры амплитуда среднего сигнала на выходе ППК составляет всего около 100 фКл. Для регистрации столь малых сигналов требуется электроника, обладающая высокой чувствительностью и низким уровнем собственных шумов. Такой электронный канал удалось разработать для одиночной ячейки ППК и даже для небольшого модуля. Однако создание чувствительной электроники в составе полномасштабной системы затруднено, приводит к усложнению конструкции системы и к ее нестабильному поведению.

Повышение чувствительности электронного канала достигается в ущерб его собственному временному джиттеру. Электроника с параметрами, необходимыми для работы большой сборки из ППК, не может позволить временному разрешению модуля TOF стать ниже 150-200 пс. Улучшение характеристик большой системы возможно только за счет использования многослойного дизайна, в котором модули располагаются по меньшей мере в четырех плоскостях. Такая конструкция заметно удорожает стоимость системы, делает ее тяжелой, громоздкой и увеличивает общее количество материала.

Во время испытаний 512-канального модуля стало понятно, что преодоление описанных трудностей возможно только за счет качественного изменения самого детектора. Решение проблемы было известно и состояло во введении различных типов резистивности в электроды камеры. В дальнейшем были собраны и испытаны различные варианты резистивных плоскопараллельных камер (РПК). В РПК используется тот же принцип газового усиления, что и в ППК, — режим ограниченной электронной лавины. Однако в случае «больших» сигналов рези-стивные электроды позволяют локализовать область быстро растущего разряда, уменьшить напряженность поля в месте пробоя и тем самым погасить стример или искру17. В результате РПК оказываются способны работать при более высоких электрических полях, а значит, обладают лучшим временным разрешением и эффективностью. В то же время, рабочая загрузка РПК становится ограничена временем рассасывания заряда с резистивного электрода, и поэтому счетные характеристики резистивных камер хуже, чем у ППК.

Варианты РПК, текущий статус системы ALICE-TOF

Первые же испытания опытных образцов одиночных 4-зазорных РПК оправдали ожидания: средний заряд, собираемый предусилителем с камеры площадью 4x4 см, вырос до 1.5-2 пКл, временное разрешение камеры составило 100-120 пс при эффективности к MIP свыше 98%. Частота стримеров выросла до 2% от всех событий, но резистивный стеклянный анод позволял удерживать амплитуду «больших» сигналов в пределах 20 пКл [39].

В рамках дальнейших исследований времяпролетной методики группой ИТЭФ, при участии ЦПТА, была разработана диэлектрически-резистивная плоско-параллельная камера (DRPC), считывающие аноды которой имели трехслойную структуру металл-резистор-полупроводник (MRS). Конструкция камеры, представленная на Рис. 47а, позволила объединить в одном детекторе свойства ППК и РПК, сочетая возможность подавления стримеров с высокими счетными характеристиками [40]. Это достигалось за счет того, что трехслойный электрод обладал не только резистивностью, но и емкостью, причем оба этих параметра могли независимо изменяться в широких пределах. Временное разрешение камеры достигло 80 пс при эффективности > 97%, ширина плато эффективности по высокому напряжению составила 400-800 В. DRPC работала без заметного ухудшения счетных характеристик при загрузках до 4.5 кГц/см2.

17 Похожая идея реализована в искровых счетчиках Пестова, но для другого режима газового усиления.

Cross section of double-stack MRPC

- 130 mm — active area 70 mm

PCB with anode pickup pads

Silicon sealing compound tat cable connector differential signal sent from > strip ro interface caid honeycomb panel (10 mm thick)

PCB with cathode pickup pads external glass plates V 0.55 mm thick internal glass plates (0.4 mm thick)

Mylar film (250 micron thick)

5 gas gaps of 250 micron

PCB with cathode pickup pads

M5 nylon screw to hold fishing-line spacer honeycomb panel (tomm thick) connection to bring cathode signal to central read-out PCB 4

Рис. 47. Варианты резистивных камер для TOF: а — DRPC, разработанная ИТЭФ и ЦПТА [40], б — MRPC, вошедшая в окончательный дизайн системы ALICE-TOF [15].

В основу окончательной версии системы TOF эксперимента ALICE легли многозазорные резистивные плоско-параллельные камеры (MRPC), разработанные в INFN-Bologna (Италия) при активном участии группы ИТЭФ [15]. В соответствии со схемой на Рис. 476, MRPC представляет собой два стека стеклянных пластин с объемным сопротивлением ~ 1013 Ом-см, между которыми сформированы газовые зазоры шириной 250 мкм. Количество зазоров может изменяться и в окончательной версии составляет 2 стека * 5 зазоров = 10. К камере прилагается дифференциальное высокое напряжение (12-13 кВ на стек). Считывание сигналов происходит с катодных и анодных падов, соответственно расположенных с внешних сторон камеры и между стеками. Ширина зазоров формируется нейлоновой рыболовной леской, проложенной между стеклами, промежуточные стекла стеков не имеют электрического подключения. В качестве рабочего газа используется «стандартная» смесь 90% C2H2F4 + 5% SF6 + 5% i-C4H)0, применявшаяся в ППК. MRPC выполнены в виде стрипов с размером чувствительной зоны 120 х 7.4 см, при этом размер считывающих падов составляет 2.5 х 3.7 см, так что на один стрип приходится 96 падов. Стрипы MRPC укомплектовываются в модули по 15-19 стрипов. Стрипы, предназначенные для работы в более периферийных модулях барреля, устанавливаются с наклоном таким образом, чтобы прямые треки из области взаимодействия в ALICE пересекали их под углом в 90°. MRPC обладают рекордными характеристиками среди времяпролетных детекторов нового типа: временное разрешение < 50 пс, эффективность регистрации MIP 99.9%, При этом ширина бес-стримерного плато по эффективности и временному разрешению составляет около 1.5 кВ [41].

Из модулей MRPC формируются супермодули (5 модулей на супермодуль), каждый из которых должен закрывать азимутальный угол 20° в барреле TOF. В момент написания диссертации 2 супермодуля установлены в экспериментальную зону ALICE, еще 12 супермодулей собраны и готовы к установке. Окончательную инсталляцию системы TOF планируется закончить в марте 2008 года. Запуск проекта ALICE, как и запуск LHC, намечен на лето 2008 года.

Результаты диссертационной работы

• На опыте подтверждена принципиальная возможность высокоточного и эффективного измерения времени пролета ионизующих частиц с помощью камер плоско-параллельной геометрии, эксплуатирующих ограниченно-лавинный режим газового усиления. Положено начало новому поколению времяпролетных детекторов.

• Впервые тщательно измерен амплитудный спектр ППК. Распределения с двухзазорной камеры имеют отстоящий от нуля и превосходящий порог чувствительности электроники максимум. В результате эффективность ППК к MIP удалось поднять до 95% и выше.

• Разработан метод измерения времени пролета с помощью плоско-параллельных газовых детекторов, который включает в себя Т-А-коррекцию при обработке сигналов с камеры. Наилучшее значение временного разрешения двухзазорной ППК составило около 200 пс.

• Подобраны оптимальные параметры двухзазорных ППК для использования в составе крупномасштабных систем TOF. Оптимальная ширина газового зазора составила 0.6-0.65 мм. Состав «стандартной» газовой смеси: 85% C2H2F4 + 5% i-C4Hio + 10% SF6.

• Измерена вероятность «больших» сигналов (искр), представляющих опасность для электроники и электродов камеры. Она составила около 10"4, что является существенной величиной в рамках большой системы.

• Впервые собраны и испытаны прототипы многоканальных модулей TOF на основе ППК, продемонстрирована их работоспособность, изучена вероятность и последствия наводок между каналами, подтверждена принципиальная возможность интеграции ППК в многоканальные системы. Характеристики 32-канального модуля мало отличались от свойств одиночных двухзазор-ных ППК. В большом 512-канальном модуле наблюдалось ухудшение характеристик, связанное со сложностью конструкции и электроники.

• Изучены уровни наводок между соседними каналами модулей в случае нормальных и «больших» сигналов. Соответствующие значения составили 0.5—1.5% и 20-70%.

Благодарность

Я благодарю всех своих коллег из ИТЭФ, CERN и INFN, вместе с которыми я участвовал в разработке ППК в разные годы и на разных этапах исследований. Проделать столь огромную работу было возможно только совместными усилиями большой экспериментальной группы. Особую признательность я выражаю В. Акимову, А. Акиндинову, А. Арефьеву, И. Ветлицкому, Л. Воробьеву, Ю. Гришуку, Б. Загрееву, М. Кацу, С. Киселеву, Ю. Киселеву, Г. Лексину, А. Ма-линину, А. Мартемьянову, И. Мельникову, В. Плотникову, В. Пожидаеву, П. Полозову, В. Серову, В. Сурину, М. Чумакову, Е. Шумилову, А. Юмашеву. Отдельную благодарность я адресую научному руководителю этой работы С. Кулешову за его поддержку и за множество тех ценных советов и замечаний, которые я получил от него во время подготовки диссертации.

С самого начала исследований группу ИТЭФ в эксперименте ALICE возглавлял Александр Смирнитский (1953-2006), бывший моим научным руководителем с момента моего прихода в ИТЭФ студентом в 1990 году. Все достижения и успехи группы, в том числе представленные в диссертации, в неоценимой степени связаны с его личностью. Во многом благодаря его научному таланту, оптимизму, обаянию и умению находить оригинальные решения сложных задач, группа существовала, активно работала и добивалась новых результатов на протяжении полутора десятков лет.

Я благодарен своему отцу. Надеюсь, что закончив эту работу, я отдаю один из многих своих долгов перед его памятью.

1. D. Boyanovsky, H. J. de Vega and D. J. Schwarz, Phase transitions in the early and present Universe, Annu. Rev. Nucl. Part. Sci. 56 (2006) 441.

2. D. d'Enterria, Quark-gluon matter, J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 34 (2007) S53.

3. И. M. Дремин, А. Б. Кайдалов, Квантовая хромодинамика и феноменология сильных взаимодействий, УФН, 176 №3 (2006) 275.

4. М. Cheng, N. Н. Christ, S. Datta, et al., Transition temperature in QCD, Phys. Rev. D74 (2006) 054507.

5. B. Tomasik, Ultrarelativistic heavy ion collisions: Exploring the phase diagram of QCD, arXiv:nucl-th/0610042 (2006).

6. I. Tserruya, Relativistic Heavy-Ion Physics: Experimental Overview, Pramana 60 4 (2003) 577.

7. I. G. Bearden, D. Beavis, C. Besliu, et al., Pseudorapidity Distributions of Charged Particles from Au + Au Collisions at the Maximum RHIC Energy, y]sm = 200 GeV, Phys. Rev. Lett. 88 (2002) 202301.

8. A. Akindinov, A. Alici, K. Voloshin, et al., Multiplicity studies and effective energy in ALICE at the LHC, Eur. Phys. J. С 50 (2007) 341.

9. О. S. Briining, P. Collier, P. Lebrun, et al., LHC Design Report, Volume I: the LHC Main Ring, CERN-2004-003-V-1 (2004).

10. ALICE Collaboration, ALICE Physics Performance Report, Volume I, J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 30 (2004) 1517.

11. ALICE Collaboration, ALICE : Technical Proposal for a Large Ion Collider Experiment at the CERN LHC, CERN-LHCC-95-71 (1995).

12. A. Akindinov, A. Alici, K. Voloshin, et al., Study of QGP signatures with the ф —> 1С К signal in Pb-Pb ALICE events, Eur. Phys. J. С 45 (2006) 669.

13. ALICE Collaboration, Technical Design Reports of the ALICE subsystems, ALICE TDRs 1-12, CERN/LHCC (1998-2004).

14. W. Klempt, Review of particle identification by time of flight techniques, Nucl. Instr. and Meth. A 433 (1999) 542.

15. ALICE Collaboration, Technical Design Report of the Time of Flight System, ALICE TDR 8, CERN/LHCC 2000-12 (2000).

16. A. Akindinov, A. Alici, K. Voloshin, et al., Particle identification with the ALICE TOF detector at very high particle multiplicity, Eur. Phys. J. С 32, s02 (2004) si 65.18

17. Полужирным шрифтом выделены публикации автора по теме диссертации. Фамилия автора также выделена в тех работах, соавтором которых он является.

18. S. Afanasiev, Т. Alber, H. Appelshauser, et al., The NA49 large acceptance hadron detector, Nucl. Instr. and Meth. A 430 (1999) 210.

19. M. Aizawa, Y. Akiba, R. Begay, et al., PHENIX central arm particle ID detectors, Nucl. Instr. and Meth. A 499 (2003) 508.

20. А. В. Акиндинов, Г. Б. Бондаренко, К.Г.Волошин и др., Регистрация импульсов света при помощи матричного лавинного фотодиода со структурой металл-резистор-полупроводник, Приборы и техника эксперимента №3 (2005) 90.

21. P. Buzhan, В. Dolgoshein, Е. Garutti, et al., Timing by silicon photomultiplier: A possible application for TOF measurements, Nucl. Instr. and Meth. A 567 (2006) 353.

22. V. V. Parkhomchuk, Yu. N. Pestov and N. V. Petrovych, A spark counter with large area, Nucl. Instr. and Meth. 93 (1971) 269.

23. Yu. N. Pestov, Development of spark counters for particle identification, Proceedings of the 4th San Miniato Topical Seminar, World Scientific (1991) 156.

24. E. Badura, J. Eschke, H. Gaiser, et al., Pestov spark counter prototype development for the CERN-LHC ALICE experiment, Nucl. Instr. and Meth. A 372 (1996) 352.

25. Э. Д. Лозанский, О. Б. Фирсов, Теория искры, М., Атомиздат (1972).

26. Н. Raether, Electron avalanches and breakdown in gases, London, Butterworths (1964).

27. A. Peisert, The parallel plate avalanche chamber as an endcap detector for time projection chambers, Nucl. Instr. and Meth. 217 (1983) 229.

28. A. Peisert and F. Sauli, A two-dimensional parallel-plate chamber for high-rate soft X-ray detection,.

29. P. Fonte, V. Peskov, F. Sauli, Feedback and breakdown in parallel-plate chambers, Nucl. Instr. and Meth. A 305 (1991) 91.

30. Yu. Galaktionov, Yu. Kamyshkov, A. Malinin, V. Pozhidaev, The parallel plate chamber as a detector for fast, radiation resistive calorimetry, Nucl. Instr. and Methods A 317 (1992) 116.

31. F. Sauli, Principles of operation of multiwire proportional and drift chambers, Preprint CERN 77-09(1977).

32. В. А. Акимов, А. В. Акиндинов, К. Г. Волошин и др., Плоскопараллельная камера как детектор для времяпролетных измерений, Приборы и техника эксперимента №4 (2002) 63.

33. A. Arefiev, G. Bencze, A. Bizzeti, et al., Parallel plate chambers: a fast detector for ionizing particles, Nucl. Instr. and Meth. A 348 (1994) 318.

34. W. Riegler, C. Lippmann, The physics of Resistive Plate Chambers, Nucl. Instr. and Methods A 518 (2004) 86.

35. В. А. Акимов, А. В. Акиндинов, К. Г. Волошин и др., Изучение характеристик и оптимизация параметров плоскопараллельной камеры как детектора для времяпролетных измерений, Приборы и техника эксперимента №5 (2004) 24.

36. М. Abbrescia, A. Colaleo, G. Iaselli, et al., Properties of C2H2F4-based gas mixture for avalanche mode operation of resistive plate chambers, Nucl. Instr. and Methods A 398 (1997) 173.

37. V. Akimov, R. D'Alessandro, K. Voloshin, et al., Electronic channel for PPC time-offlight measurements, Preprint ITEP 50-95 (1995).

38. Report from the ALICE PID Panel, 19.02.1998.

39. K. Voloshin, B. Zagreev, Design and efficiency of the ALICE TOF system, CERN internal note ALICE-INT-1994-16 (1994).

40. P. Fonte, A. Smirnitski, M. C. S. Williams, A new high-resolution TOF technology, Nucl. Instr. and Methods A 443 (2000) 201.

41. A. Akindinov, V. Golovine, K. Voloshin, et al., Dielectric resistive plate chamber — the first step in new high-resolution TOF technology, Nucl. Instr. and Methods A 494 (2002) 474.

42. A. Akindinov, A. Alici, K. Voloshin, et al., Latest results on the performance of the multigap resistive plate chamber usedfor the ALICE TOF, Nucl. Instr. and Methods A 533 (2004) 74.