Разработка и создание торцевого координатного детектора для эксперимента L3 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. УСТАНОВКА ЬЗ.

1.1. Назначение и основные характеристики.

1.2. Устройство экспериментальной установки ЬЗ.

1.2.1 Магнит.

1.2.2 Центральный трековый детектор.

1.2.3 Электромагнитный калориметр.

1.2.4 Адронный калориметр и мюонный фильтр.

1.2.5 Мюонный спектрометр.

1.2.6 Торцевой координатный детектор РТС - назначение.

ГЛАВА 2. ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ ДЕТЕКТОРА РТС.

2.1. Многопроволочные пропорциональные камеры.

2.1.1 Пропорциональные камеры с цифровым съёмом информации.

2.1.2Метод наклонныхМПК.

2.1.3 Пропорциональные камеры с катодным считыванием информации.

2.2. обпщеособешоста применения МПК для ЕГС.

2.3. Дрейфовая камера - устройство и принцип работы.

2.4. Условия реализации рабочих характеристик РТС.

2.4.1 Обеспечение линейности координатно-еременной зависимости.

2.4.2 Оценка погрешности при измерении координаты трека частицы.

2.4.3 Право-левая неоднозначность и восстановление многотрековых событий.

2.4.4 Влияние магнитного поля на измерения координат треков частиц.

ГЛАВА 3. КОНСТРУКЦИЯ ДЕТЕКТОРА РТС.

3.1. Геометрия и структура детектора.

3.2. Включение детектора РТС в глобальную систему координат ЬЗ.

3.3. Геометрия и структура модуля РГС.

3.4. Системы обеспечения РТС.

3.4.1 Регистрируюгцая электроника.

3.4.2 Высоковольтное питание РТС.

3.4.3 Система газового снабжения РТС.

3.4.4 Монитор газовой смеси РТС.

3.5. Проблема тепловыделения в РТС.

3.6. Итоговые характеристики конструкции ЕГС.

ГЛАВА 4. ОПТИМИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В МОДУЛЯХ ДЕТЕКТОРА РТС.

4.1. Проблема оптимизации структуры электрического поля.

4.2. Выбор геометрии полеформирующих стрипов.

4.2.1 Математическая модель расчёта электрического поля в модуле.

4.2.2 Геометрия полеформирующих стрипов.

4.3. Минимизация влияния заземлённых экранов на электрическое поле в модуле.

4.3.1 Влияние внешних заземлённых экранов.

4.3.2 Метод защиты электрического поля в модуле.

4.3.3 Эффективность метода защиты электрического поля в модуле.

4.4. Минимизация токов утечки.

4.4.1 Источники и причины возникновения токов утечки в модулях FTC.

4.4.2 Высоковольтный контроль чистоты поверхности деталей.

ГЛАВА 5. ВЫБОР РАБОЧИХ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ МОДУЛЕЙ FTC.

5.1. Стенд для исследования КГУ и метода ДЗ в модуле FTC.

5.2. Выбор коэффициента газового усиления в FTC.

5.2.1 Условие одновременного измерения в модуле двух координат трека.

5.2.2 Расстояние между проволочками и рабочая газовая смесь.

5.3. Пространственное разрешение при измерении координат трека методом деления заряда.

5.4. Испытания детектора FTC на протонном пучке синхроциклотрона ПИЯФ

ГЛАВА 6. СТАРЕНИЕ ДЕТЕКТОРА FTC.

6.1. Проблема старения газоразрядных детекторов и разработка FTC.

6.2. Эффект старения в детекторе FTC.

6.2.1 Испытание модуля FTC в ПИЯФ.

6.2.2 FT С после 10 лет эксплуатации в эксперименте L3.

ГЛАВА 7. РАБОТА ДЕТЕКТОРА FTC В ЭКСПЕРИМЕНТЕ L3.

7.1. Основные рабочие характеристики.

7.1.1 Зависимость координата - время дрейфа.

7.1.2 Координатное разрешение метода регистрации по времени дрейфа.

7.1.3 Координатное разрешение метода деления заряда.

7.2. Идентификация знака заряда мюонов в распаде Z0 ¡1+цГ.

7.3. Пример использования FTC в L3 для изучения реакции е+е уу(у).

ВЫВОДЫ.

Торцевой координатный детектор FTC для эксперимента L3 на электрон-позитронном коллайдере LEP был разработан и изготовлен в Петербургском Институте Ядерной Физики. Детектор представляет собой многомодульную конструкцию из дрейфовых камер и предназначен для регистрации частиц в диапазонах полярных углов 14° < 0 < 35° и 145° < б < 166° по отношению к оси пучка.

В диссертационной работе представлен метод оптимизации взаимосвязанных параметров детектора в соответствии с внешними условиями, вызванными особенностью размещения FTC. Из-за своего расположения внутри экспериментальной установки L3 детектор оказался под воздействием целого комплекса факторов, влияющих на его рабочие характеристики. Показано, что учет воздействия каждого из факторов позволил получить практически линейную координатно-временную зависимость и требуемое пространственное разрешение.

Первая глава работы посвящена общему описанию экспериментальной установки и цели эксперимента L3. Представлено описание каждого из основных детекторов в установке L3, включая торцевой координатный детектор FTC.

Вторая глава посвящена выбору и последующему анализу конструкции детектора FTC. Рассмотрен ряд альтернативных конструктивных решений. Показано, что выбранный тип детектора - дрейфовая камера, и его конструктивная схема оптимально соответствуют назначению FTC и условиям его размещения в установке L3.

В третьей главе описывается устройство детектора FTC и его основные системы: регистрирующая электроника, высоковольтное питание, газовое обеспечение и устройство мониторирования газовой смеси. Обсуждается тепловыделение, вызванное работой детектора, и связанные с этим проблемы обеспечения однородности температуры газовой смеси.

Описание формирования электрического поля в модулях FTC дано в четвертой главе. Решение этой задачи, традиционной для дрейфовых камер, было осложнено необходимостью установить вплотную к модулям защитные заземленные экраны. Защитные экраны оказывают искажающее воздействие на однородность электрического поля в модулях. Поэтому при формировании электрического поля в модулях FTC это влияние пришлось подавлять.

В пятой главе описывается методика выбора рабочего напряжения, при котором информация о координате трека может бьггь одновременно получена по величине времени дрейфа и методом деления заряда. Демонстрируются результаты измерений пространственного разрешения детектора и зависимость координата-время дрейфа, измеренные на протонном пучке синхроциклотрона ПИЯФ.

Шестая глава посвящена проблемам старения детектора. Описаны основные критерии выбора компонент газовой смеси и материалов конструкции, определяющие время жизни детектора. Приведены результаты испытаний модуля FTC на старение. Показано, что после 10 лет эксплуатации детектора на пучке LEP, признаков старения в модулях FTC не обнаружено.

В седьмой главе обсуждаются рабочие характеристики детектора FTC в эксперименте L3. На примере реакции двухчастичного распада > ¡л/Г демонстрируется возможность определения знака заряда мюонов. Описан пример использования детектора FTC при изучении ограничений квантовой электродинамики в реакции е+е -»• уу(у) .

Выводы

1. Разработан и построен для эксперимента L3 (CERN) торцевой координатный детектор на основе модулей дрейфовых камер FTC (Forward Tracking Chambers), позволяющий регистрировать треки заряженных частиц в диапазонах полярных углов 14° < 9 < 35°и 145° < 0 < 166° и азимутальных углов 0 < ср <2л.

2. Разработан и применён алгоритм оптимизации всех рабочих параметров детектора в условиях ограниченного пространства для его размещения. В результате одинаковые условия дрейфа электронов получены во всех дрейфовых ячейках модулей, что упростило процедуру калибровки детектора.

3. Разработан и реализован в конструкции модулей FTC метод формирования однородного электрического поля и его электростатической защиты от искажающего воздействия внешних электродов.

4. Впервые на низкорезистивной анодной проволочке (100 Q/метр) реализовано измерение координат трека частиц по времени дрейфа электронов и методом деления заряда. При этом пространственное разрешение метода деления заряда

ДЗ) составило Од/Х,« 1%, где X - длина проволочки, что близко к лучшим результатам при измерениях на высокорезистивной проволочке.

5. Пространственное разрешение детектора при регистрации трека частицы дрейфовой ячейкой FTC составило Ох< 150 мкм. Угловое разрешение детектора Ge < 10 мрад. Обе величины были измерялись в ПИЯФ и CERN, результаты совпадают друг с другом и удовлетворяют требованиям эксперимента L3.

6. После 10 лет работы в составе установки L3 детектор FTC набрал суммарную дозу 0,2 Кл/см без ухудшения рабочих характеристик в результате процессов старения и находится в рабочем состоянии.

Благодарность

В заключение я хотел бы выразить благодарность своему научному руководителю А.Г. Крившичу за помощь и поддержку в работе. Я очень признателен также О.В. Миклухо, В.Н. Батурину и А.Ю. Залите за добрую помощь и терпение, проявленные при обсуждении результатов работы. Создание FTC есть результат труда большого коллектива сотрудников ПИЯФ и я благодарю всех и каждого, кто принимал участие в этой работе.

1. U. Becker, G. von Dardel, A. Walenta, К. Luebelsmeyer, L. Montanet, P. Spillantini, J. A. Rubiaatal. L3 Technical Proposal. May, 1983.

2. J.J. Aubert, U. Becker, P.J. Biggs, J. Burger, M. Chen, G. Everhart et al. .Experimental observation of a heavy particle J. Phys.Rev.Lett., 33(1974) 1404-1406.

3. J.E. Augustin, A. Boyarski, Martin Breidenbach, F. Bulos, J. Т. Dakin, G.J. Feldman at al. Discovery of a Narrow Resonance in eV annihilation. Phys.Rev.Lett., 33(1974) 1406-1408.

4. S.W.Herb R.D. Kephart, R.J. Engelmann, R.J. Fisk, M.L. Good, A.S. Ito et al. Observation of a Dimuon Resonance at 9.5 Gev in 400-Gev Proton-Nucleus Collisions. Phys.Rev.Lett.,v. 39, N5(1977) 252-256.

5. G. Arnison, A. Astbury, B. Aubert, C. Bacci, G. Bauer, A. Bezaguet et al. Experimental observation of lepton pairs of invariant mass around 95 Gev/c at the CERN SPS collider. Phys. Rev. Lett. 126B(1983) 398-410.

6. P. Bagnaia, M. Banner, R. Battiston, P. Bloch, F. Bonaudi, К. Borer et al. Evidence for Z0-» e+e~ at the CERN p"p Collider. Phys. Lett. 129(1983) 130-140.

7. G. Viertel, H. Anderhub, H. Anders, S. Ansari, A. Böhm, M. Bourquin et al. Operating experience with MARK-J time expansion chamber. Nucl. Instrum. and Methods A265(1985)50-59.

8. B. Bleichert, F. Lurken, K. Lubelsmeyer, H.U. Martyn, H.G. Sander, W. Wallraff et al. Test results from uranium hadron calorimeter using wire chamber readout. Nucl. Instrum. and Methods A254(1987) 529-534.

9. J. Allison, R.J. Barlow, C.K. Bowdery, J. Duerdoth and P.G. Rowe. An electrodeless drift chamber. Nucl. Instrum. and Methods 201 (1982) 341-350.

10. L.E. Preice, J. Dow son, D. Ayres and R.St. Denis. Investigation of long drift chambers for a nucleon decay detector. IEEE Trans. Nucl. Sei., NS-29,1982 p. 383-386.

11. D. Antreasyan, U. Becker, J. Branson, P. Mcbride, M. Cerrada, P. Duinker et al. The L3 high-resolution muon drift chambers: systematic errors in track position measurements. Nucl. Instrum. and Methods A252 (1986) 304-310.

12. G. Chiefari, B. Adeva, M. Aguilar-Benitez, D. Antreasyan, U. Becker, J. Berdugo et al. Muon detection in L3 experiment at LEP. Nucl. Instrum. and Methods A277 (1989) 187-193.

13. S. Lanzano, В. Adeva, M. Aguilar-Benitez, A. Aloisio, M.G. Alviggi, D. Antreasian et al. Test results of the L3 precision muon detector. Nucl. Instrum. and Methods A289 (1990) 335-341.

14. G. Charpak, R. Bouclier, T. Bressani, J. Favier and C. Zupanchich. The use of multiwire proportional counters to select and localize charged particles. Nucl. Instrum. and Methods 62(1968) 262-268.

15. G. Charpak, D. Rahm and H.Steiner. Development in the operation of multiwire proportional chambers. Nucl. Instrum. and Methods 80(1970) 13-34.

16. M. Pernicka, M. Regler, S.Sychkov. Drift time relations in rotated multiwire proportional chambers and their advantages in practice. Nucl. Instrum. and Methods 156(1978) 219-225.

17. G. Charpak, G. Petersen, A. Policarpo and F. Sauli. Progress in high-accuracy proportional chambers. Nucl. Instrum. and Methods 148(1978) 471-503.

18. A.H. Walenta. Lefit-Right assignment in drift chambers and MWPC's using induced signals. Nucl. Instrum. and Methods 151(1978)461-472.

19. G. Tonelli, G. Apollinari, F. Bosi, S. Belforte, E. Focardi, R. Paoletti, F. Zetti. Silicon detectors for p-p" small-angle physics. Nucl. Instrum. and Methods A277(1989) 138-146.

20. F. Sauli. Principles of Operation of Multiwire Proportional Chambers. CERN, Yellow preprint 77-09, 3 May 1977.

21. S.F. Biagi. MAGBOLT. Version 2.2 , University Liverpool.

22. G.A. Erskine. Electrostatic problems in multiwire proportional chambers. Nucl. Instrum. and Methods 105(1972)565-573.

23. B. Adeva, M. Aguilar-Benitez, H. Akbari, J. Alcaraz, A. Aloisio, J. Alvarez-Taviel,.G. Gavrilov et al. The construction of the L3 experiment. Nucl.Instrum. and Methods A289 (1990) 35-102.

24. J.A Jar ос. Drift and proportional tracking chambers. SLAC-Pub-2647,1980.

25. F. Lapique, F. Piuz. Simulation of the measurement by primary cluster counting of the energy lost by a relativistic ionizing particle in argon. Nucl. Instrum. and Methods 175(1980)297-318.

26. A. Peisert, F. Sauli. Drift and Diffusion of Electrons in Gases: a compilation" CERN Yellow preprint 84-08,1984.

27. G. Schultz, J. Gresser. A study of transport coefficients of electrons in some gases used in proportional and drift chambers. Nucl. Instrum. and Methods 151 (1978) 413-431.

28. S. Bobkov, V. Cherniatin, B. Dolgoshein, G. Evgrafov, A. Kalinovsky, V. Kantserov, P. Nevsky et al. Drift precision imager. Nucl. Instrum. and Methods 226 (1984) 376382.

29. P. Villa. Dimethylether: a low velocity, low diffusion drift chamber gas. Nucl. Instrum. and Methods 217(1983)273-276.

30. К Radeka. Signal, noise and resolution in position-sensitive detectors. IEEE Trans. Nucl. Sci., NS-21, №1,1974, p. 51-64.

31. M. Atac, N.A. Filatova, T.S. Nigmanov, V.P. Pugachevich, V.D. Riabtsov, F. Sauli et. al. Study of drift chamber system for a K- e" scattering experiment at the Fermi National Accelerator Laboratory. Nucl. Instrum. and Methods 143(1977)17-28.

32. Б. Ситар. Новые направления в развитии дрейфовых камер. Физика элементарных частиц и атомного ядра, том 18, вып. 5,1987, стр.1103-1124.

33. W. Blum, L. Rolandy. Particle detection with drift chambers. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1993

34. G. Alkhazov, V.Andreev, A. Atamanchuk, G. Gavrilov, V. Ivochkin, A. Krivshich et. al. Forward traking chamber (FTC) in L3 detector. Parti. General description. PNPI preprint EP-23-1996,2115.

35. V. Andreev, G. Gavrilov, A. Krivshich, V. Maleev, A. Nadtochy, S. Patrichev, S. Volkov. Design principles of the end cap drift chambers in the L3 experiment. Nucl. Instrum. and Methods A430(1999) 245-259.

36. M. Atac. Wire chamber aging and wire material. IEEE Trans. Nucl. Sci., NS-34, 1987, p. 476-499.

37. I. Juricic, J. A. Kadyk.Anode wire aging measurements and a search for remedies. IEEE Trans. Nucl. Sci., NS-34,1987, p. 481-486.

38. A.Weltin. Analytic solution of the potential and electric field of a jet type drift chamber. Nucl. Instrum. and Methods A264(1987) 213-218.

39. А. В. Андреев, Г.Е. Гаврилов, А.Г.Крившич, В.П. Малеев, JI.A. Щипунов. Воздействие внешних экранов на коэффициенты газового усиления в дрейфовых камерах детектора FTC. Препринт ПИЯФ N1797, май 1992 г.

40. G.Gavrilov, A.Krivshych and M.Jarmarkin. Influence of external grounded screens on electric field structure in a drift chamber. Nucl. Instrum. and Methods A356(1995) 189-195.

41. C.W. Fabjan, J. Lindsay, F. Pius., F. Ranjard, E. Rosso et. al. A drift chamber vertex detector for intersecting storage rings. Nucl. Instrum. and Methods 156(1978) 267-274.

42. K.A. Cornel, R.A. Cunningam, M. Edwards, E. Gabathuler, P.R. Norton, R.P. Walker. Development of a large area drift chamber with copper strip cathode planes. Nucl. Instrum. and Methods 144(1977) 453-464.

43. R Veenhof. GARFIELD manual v.4.18. CERN (1993).

44. A.B. Андреев, Г.Е. Гаврилов, А.Г. Крившич, В.М. Кузьмин, Т.В. Николаева. Минимизация тока утечки в дрейфовых камерах. Препринт ПИЯФ N1842, декабрь 1992 г.

45. Ch. Becker, W. Weihs, G. Zech. Effects of space charge, leakage currents and diffusion in large planar electrodeless drift chambers. Nucl. Instrum. and Methods 213(1983) 243-249.

46. Yu. Budagov, V. V. Glagolev, KM Korolev, A.A. Omelyanenko, A.A. Semenov, S. V. Sergeev et. al. How to use electrodeless drift chambers in experiments at accelerators. Nucl. Instrum. and Methods A255(1987) 493-500.

47. H. Drumm, B. Granz, J. Heintze, G. Heinzelmann, R.D. Heuer, J. von Krogh, et. al. Experience with the Jet-chamber of the JADE detector at PETRA and pattern recognition programs for the JADE Jet chamber. Nucl. Instrum. and Methods 176(1980) 333-344.

48. D. Cockerill, C.W. Fabjan, P. Frandsen, A. Hallgren, B.Heck, H.J. Hilke et.al. Operation of a drift chamber vertex detector at the ISR. Nucl. Instrum. and Methods 176(1980) 159-162.

49. J. L. Alberi, V. Radeka. Position sensing by charge division. IEEE Trans. Nucl. Sci., NS-23,1976, p. 251-258.

50. К Radeka. Second coordinate readout in drift chambers by charge division. IEEE Trans. Nucl. Sci., NS- 25, №1,1978, p. 46-52.

51. J. Vavra. Rewiew of wire chambers aging. Nucl. Instrum. and Methods A252(1986) 547-563.

52. J. Kadyk. Wire chamber aging. Nucl. Instrum. and Methods A300(1991) 436-479.

53. Proceedings of Workshop on Radiation Damage to Wire Chambers, Lawrence Berkeley Laboratory, Berkley, CA, LBL-21170 (1986)

54. R. Openshaw, R. Henderson, W. Faszer, D. Murphy, M. Salomon and G. Sheffer.

55. Tests of wire chamber aging with CF4/isobutane (80:20), Argon/Ethane (50:50) and Argon/Ethane/CF4 (48:48:4). IEEE Trans. Nucl. Sei., Vol NS36, No.l, p.567-572, March 1989.

56. R. Kotthaus. A laboratory study of radiation damage to drift chambers. Nucl. Instrum. and Methods A252(1986) 531-544.

57. D. Prokofiev, V. Schegelsky, A. Tsaregorodcev, A. Vorobiov, A. Zalite, I. Zalite. Forward Traking Chamber (FTC) in L3 Detector. Part 2 The FTC Performance and Alignment in L3 Setup. PNPI preprint EP-23-1996, 2116.

58. A.A. Воробьёв, А.Г. Крившич, В.А. Щегельский. Исследования на большом электрон-позитронном коллайдере ЦЕРНа эксперимент L3. Сборник ПИЯФ. " XXV Основные направления научной деятельности ОФВЭ". 1996 год, стр. 67-68.

59. RM.Barnett, C.D. Сагопе, D.E. Groom, T.G. Trippe, C.G. Wohl, В. Armstrong et al. Particle physics booklet. American Institute of Physics, July 1996, p.190.

60. О. Adriani, M. Aguilar-Benitez, S.P. Ahlen, J. Alcaraz, A. Aloisio, G. Alverson et al. A test of quantum electrodynamic in the reaction eV -» yy(y). Phys. Lett. В 288 (1992), p. 404-411.