Разработка, создание и использование газоразрядных детекторов частиц для экспериментов в физике высоких энергий тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

004613924

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

13-2010-128 На правах рукописи УДК 539.107.4

Анатолий Григорьевич

РАЗРАБОТКА, СОЗДАНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ДЕТЕКТОРОВ ЧАСТИЦ ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ В ФИЗИКЕ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ

Специальность: 01.04.01 — приборы и методы экспериментальной физики

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

ч ЗЙН3 2011

Дубна 2010

004618924

Работа выполнена в Отделении физики высоких энергий Учреждения Российской Академии наук Петербургский институт ядерной физики им. Б.П.Константинова.

Официальные оппоненты: доктор физико - математических наук,

профессор И.А.Голутвин, ОИЯИ, Дубна

доктор физико - математических наук, профессор А.М.Зайцев, ИФВЭ, Протвино

доктор физико - математических наук,

Г.В.Федотович

ИЯФ СО РАН, Новосибирск

Ведущая организация: Национальный исследователький ядер-

ный университет (МИФИ), Москва

Защита состоится "_"_2011г. в_часов на заседании Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 720.001.02 при Объединенном институте ядерных исследований 141980 Дубна Московской обл.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Объединенного института ядерных исследований.

Автореферат разослан "_"_2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета: кандидат физико-математических наук

В.А.Арефьев

Введение.

Экспериментальное исследование сложных физических процессов и явлений в области физики высоких энергий подразумевает создание сложной и, как правило, всегда дорогостоящей экспериментальной установки, оптимально сочетающей в себе различные типы детекторов частиц. Основная проблема, которая в этом случае должна быть решена, заключается в правильном выборе методики ядерно-физического эксперимента. Базовым компонентом подобных экспериментальных установок являются трековые системы, созданные на базе газоразрядных детекторов частиц с различными методами съема информации. При этом, как правило, для получения физически красивых экспериментальных результатов требуется:

во-первых, детально проанализировать и минимизировать влияние комплекса зачастую взаимно противоречивых факторов влияющих на работу этих детекторов, с целью реализации их предельно достижимых параметров;

во-вторых, исследовать и оптимизировать алгоритмы их взаимодействия с другими детекторами, входящими в состав экспериментальных установок.

Основная цель работы

Цель настоящей работы заключается в том, чтобы на примере нескольких весьма уникальных и совершенно различных по идеологии физических экспериментов продемонстрировать способы (или, можно сказать, стратегию) создания и оптимизации сложных экспериментальных установок основным (или существенным) компонентом которых являются трековые газонаполненные детекторы частиц. Уверенность в том, что эта цель может быть достигнута, базируется на многолетнем опыте успешной работы автора и его коллег по созданию трековых систем для различных экспериментов. Это - эксперименты Е-715, Е-761 и Е-781 на гиперонных пучках в Лаборатории им.Э.Ферми (США); эксперименты по изучению каналирования протонов изогнутыми монокристаллами в ЛИЯФ РАН; эксперимент L3 в ЦЕРНе (Швейцария); эксперимент HERMES в DESY (Германия); эксперименты CMS, ATLAS и LHCb в ЦЕРНе (Швейцария) и т.д.. Речь идет о таких детекторах частиц, как детекторы переходного излучения различных модификаций; пропорциональные камеры с анодным и катодным методами съема информации; дрейфовые камеры со съемом информации по времени дрейфа и методом деления зарядов.

Актуальность темы

Все вышеупомянутые детекторы являются одними из основных трековых приборов в современной физике высоких энергий. В будущем, несмотря на появление нового поколения полупроводниковых и газовых микрострипо-вых детекторов, газоразрядные детекторы будут продолжать играть ключевую

роль в современных экспериментальных установках на ускорителях как со встречными пучками, так и с фиксированными мишенями.

Для того, чтобы информация о вторичных частицах была максимально детальной, создаются спектрометры, состоящие из различного типа детекторов, каждый из которых использует определённую технологию и решает свои специфические задачи. Поэтому чрезвычайно важным и актуальным представляется создание газоразрядных трековых детекторов, которые позволяют реализовать следующие требования.

Во-первых, образование и последующий распад нестабильных частиц (например, гиперонов, т - лептонов, с и в - мезонов) приводит к появлению вторичных вершин, для реконструкции которых необходимо высокое пространственное и двухчастичное разрешения детектора в широком диапазоне углов вылета продуктов распада. Детектирование продуктов распада требует создания систем идентификации частиц в условиях, когда традиционные методы становятся мало эффективными.

Во-вторых, при высоких энергиях частицы мало отклоняются в ограниченном объёме магнитного поля экспериментальной установки. Поэтому для точного определения импульса регистрируемых частиц и знака заряда необходимо обеспечить многократное измерение координат вдоль трека частицы с высокой точностью. Причём, учитывая высокую светимость современных коллайдеров (1031-И034 см'-1 сек-1), регистрация частиц должна осуществляться в условиях высокой загрузки (в том числе и фоновой), что одновременно налагает серьезные требования на временное разрешение детектора.

В-третьих, для работы детектора в экспериментальной физической установке в течение нескольких лет без доступа персонала требуются высокая надёжность и радиационная стойкость прибора в условиях длительного и интенсивного облучения.

Научная новизна работы

Разработаны и созданы сложные экспериментальные установки, одними из ключевых элементов которых были газонаполненные детекторы частиц, отличающиеся комплексом высоких рабочих характеристик, позволяющие эффективно решать перечисленные выше проблемы и получать великолепные физические результаты. В частности:

- Создание детектора переходного излучения, работающего в реальном физическом эксперименте, создало принципиальную возможность для проведения в 1983-1998 годах серии успешных экспериментов на гиперонных пучках (Е-715; Е-761; Е-781; Fermilab, USA) с энергией от 250ГэВ до бООГэВ, в которых была получена целая серия уникальных физических результатов (Глава 1).

- Использование трековых систем, одна из которых имела предельно высокое пространственное разрешение (а<60 цт) позволило обнаружить эффект

каналирования протонов с энергией 1 ГэВ и эффект их фокусировки изогнутыми монокристаллами (Глава 2).

- Созданный в ПИЯФ торцевой координатный детектор FTC для экспериментальной установки L3, с помощью которой на ускорителе LEP в ЦЕРНе изучались уникальные физические процессы рождающиеся в е+е~ столкновениях при энергиях 5 -г 200 ГэВ. Детектор участвовал в наборе статистики и успешно использовался в анализе данных на протяжении всего десятилетнего периода работы установки L3. Разработан и применен алгоритм оптимизации всех рабочих параметров дрейфовых камер в условиях внешних ограничений. Разработан метод электростатической защиты электрических полей в дрейфовых камерах от внешних разрушающих воздействий (Глава 3).

- Исследование импульсного и углового разрешения «коротких» треков с помощью спектрометра на базе пропорциональных камер, размещенного внутри магнита установки HERMES (DESY), дало возможность анализировать события с рождением А° - гиперонов (Глава 4).

- Значительный объем диссертации посвящен результатам изучения физики газового разряда в различных типах детекторов частиц, работающих в интенсивных радиационных полях излучений (Глава 5).

Показано, что метод ядерных реакций является очень эффективным при исследовании механизмов старения детекторов. Он позволил впервые в мировой практике получать количественную информацию о поверхностном и глубинном распределении легких элементов, входящих в состав плазмо-химических радикалов, которые образовались в газовых лавинах, и «пришли» на электроды детекторов частиц.

Проведен широкий комплекс исследований по изучению физических механизмов развития старения газоразрядных детекторов частиц в интенсивных полях излучений. Обнаружен принципиально новый тип старения, который был нами назван - эффект распухания анодных проволочек. Показана ключевая роль кислорода в развитии распухания проволочек. Предложена физическая модель развития явления, в основе которого лежат плазмо-химические процессы образования вольфрамо-кислородных соединений. Показано, что в ряде случаев процессы, приводящие к распуханию проволочек, могут идти столь интенсивно, что вольфрамо-кислородные соединения просто «выбрасываются» изнутри проволочки на ее поверхность и распространяются далеко за пределы зоны облучения.

Результатом комплексного исследования старения прототипов мюонных пропорциональных камер для проекта CMS (ЦЕРН) была выработка таких решений, реализация которых позволила гарантировать надежную работу гигантского мюонного спектрометра в течении не менее 30 лет в условиях максимальной светимости LHC. Показано, что рекомендованная к работе газовая смесь обладает уникальными свойствами: позволяет накапливать экстремапь-

но высокие дозы облучения (13 Кулон/см) и полностью блокирует предельно негативное влияние кремнийорганических соединений на работу камер.

Научная н практическая ценность работы.

Практически все, полученные в настоящей работе результаты, имеют несомненную научную и практическую ценность. В частности, был сформулирован (и реализован в ряде уникальных физических экспериментов) общий подход к созданию координатных детекторов для физических экспериментов. В основе этого лежит комплексный анализ факторов, определяющих основные параметры детекторов, и реализация на основе результатов этого анализа предельно достижимых параметров детекторов.

В настоящей работе обсуждаются результаты исследований свойств детекторов переходного излучения и анализируются особенности их применения в серии ядерно-физических экспериментов, позволивших получить уникальные физические результаты. Исследованы и оптимизированы алгоритмы их взаимодействия с другими детекторами, входящими в состав экспериментальных установок.

Демонстрируется сколь широким и разнообразным может быть диапазон ядерных реакций, которые могут быть исследованы на экспериментальной установке, в основу которой положен комплексный и взаимосогласованный набор методов детектирования и идентификации частиц.

Полученные результаты исследований позволили разработать методику исследования и оптимизации физических процессов, протекающих в детекторах частиц, работающих в интенсивных полях излучений.

Проведенные исследования и разработки создали основу для создания в ПИЯФ широкого спектра экспериментальных установок на базе детекторов переходного излучения, пропорциональных и дрейфовых камер с различными типами съема информации (поканальный съем; метод деления заряда; метод измерения времени дрейфа; съем информации на линию задержки; катодный съем информации и т.д.). Эти детекторы надежно работали (и продолжают работать) практически во всех ядерно-физических экспериментах, проводимых ПИЯФ в области физики высоких энергий, как в России, так и в международных научных центрах.

Апробация работы

Материалы, изложенные в настоящей диссертации, докладывались на различных конференциях и совещаниях.

1. Vienna Conference on Instrumentation, Vienna, Austria, 22-27 Feb 2007.

2. Vienna Conference on Instrumentation, Vienna, Austria, 22-27 Feb 2004.

3. 8th International Conference on Instrumentation for Colliding Beam Physics (INSTR02), Novosibirsk, Russia, 28 Feb - 6 Mar 2002.

4. Vienna Conference on Instrumentation, Vienna, Austria, 19-23 Feb 2001.

5. International Workshop on Aging Phenomena in Gaseous Detectors, Hamburg, Germany, 2-5 Oct 2001.

6. International Conference of High-Energy Physics (ICHEP-98), Vancouver, British Columbia, July 23-30, 1998.

7. Symposium on Particle Identification at High Luminosity Hadron Colliders, FNAL, Batavia, Illinois, April 5-7, 1989.

8. Международном совещании no пропорциональным и дрейфовым камерам, Дубна, 1988г.

9. 56(LVI) Международная конференция "ЯДРО-2006" по проблемам ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра" Россия, Саров, 4-8 сентября 2006 г.

а также публиковались в журналах: Nuclear Instruments and Methods Nuclear Physics Physical Review Letters Physics Letters

Письма в ЖЭТФ

Вопросы атомной науки и техники Известия РАН

Личный вклад автора в полученные результаты.

Все приведенные в диссертации работы были выполнены А.Г.Крившичем либо непосредственно под его научным руководством, либо при его самом активном участии (руководство рядом ключевых направлений).

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и выводов, которые выносятся на защиту. Общий объем диссертации - 278 страница. В ней содержится 174 рисунков и 13 таблиц и список статей автора, на которых основана диссертация, включающий 42 наименования. Список ссылок на работы других авторов содержит 98 наименований.

Краткое содержание диссертации

Введение содержит формулировку основной цели работы и проблем, возникших при её реализации, а также включает в себя краткое описание содержания всех глав представленной работы.

Глава 1. Применение детекторов переходного излучения в экспериментах на гиперонных пучках Лаборатории им.Энрнко Ферми (США).

Исторически так сложилось, что в начале 80-х годов экспериментальное исследование свойств гиперонов получило мощный толчок в связи с созданием интенсивных пучков гиперонов на протонных ускорителях Европейского центра ядерных исследований (далее - ЦЕРН) и американской Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (далее - ФНАЛ). В частности,

во ФНАЛ был запущен первый в мире ускоритель протонов высокой энергии (400 ГэВ) на сверхпроводящих элементах. Рост энергии протонов привел как к существенному увеличению выхода гиперонов, рождающихся при взаимодействии протонов с ядрами мишени, так и к значительному Лоренцевскому увеличению наблюдаемого времени жизни гиперонов. Это открывало новые возможности в изучении гиперонов и продуктов их распада.

Однако для практической реализации этих возможностей необходимо было применить в методике ядерно-физического эксперимента новый класс детекторов, позволяющих идентифицировать частицы в области высоких энергий, где традиционные методы (черенковские счётчики, детекторы ионизационных потерь) становятся менее эффективными. Такими приборами могли бы стать детекторы переходного излучения (далее - ДПИ), которые в начале 80-х годов находились еще на стадии лабораторных исследований. Работы, выполненные в МИФИ под руководством проф. Б.А.Долгошеина, предложившем метод регистрации "ионизационных кластеров", открыли возможность практического использования ДПИ в методике ядерно-физического эксперимента. Проведенный нами анализ проблемы позволил провести предварительные оценки, необходимые для создания и оптимизации ДПИ. В итоге, созданные в ПИЯФ детекторы переходного излучения позволили предложить и успешно провести во ФНАЛ серию успешных экспериментов по изучению свойств гиперонов. Существенно отметить, что в этих экспериментах детекторы переходного излучения, являясь одним из ключевых элементов экспериментальных установок, решали совершенно различные физические задачи.

1.1. Эксперимент Е715. Прецизионное измерение р-распада поляризованных Е- - гиперонов.

Началом сотрудничества ПИЯФ-ФНАЛ стало предложение ПИЯФ о постановке эксперимента по изучению (3 - распада поляризованных ХГ - гиперонов. Эксперимент (Е-715) был принят и успешно завершен в течение 19811986гг. Детальное описание ДПИ приводится в [1-3]. Существовавшие тогда экспериментальные данные по асимметрии распада 2Г - гиперонов находились в резком противоречии с предсказаниями модели Кабиббо, тогда как [3 - распад других членов барионного октета хорошо описывались этой моделью.

Для распада ТГ —» пеЛ» модель предсказывает следующее отношение ак-сиапьно-вектррного форм фактора к векторному: = - 0.28±0.02, что соответствует большой отрицательной электронной ассиметрии ае = - 0.51 ± 0.04. Абсолютная величина этого отношения была определена в ряде экспериментов с неполяризованными - гиперонами с суммарной статистикой около 10000 событий: |§1/П| = 0.36±0.04. Это значение удовлетворительно согласуется с предсказаниями теории Кабиббо. Для определения знака отношения §1/П было выполнено четыре эксперимента по измерению ассиметрии вылета

Рис.1. Экспериментальная установка по исследованию Р распада 2 гиперонов.

Пропорциональная Радиатор камера

210 слоев пленки СН2

е

7Т~

йД5

ехидиэт

-Х£>сн< -сог

о ' 8 12 16 го И Ег. кэб

Амплитудный спектр у-квантов переходного излучения электронов с энергией 30 ГэВ.

Рис.2. Модуль ДПИ

электронов в распаде поляризованного 2 - гиперона. Величина электронной ассиметрии усредненная по всем четырем экспериментам составила (ае = + 0.26 ± 0.19), что резко противоречит предсказаниям теории Кабиббо, а знак ассиметрии оказался противоположным ожидаемому. Существенно отметить, что суммарная статистика в этих экспериментах составляла 352 события,

что не давало возможности надежно контролировать величину систематических ошибок.

Большой поток гиперонов в пучках ФНАЛ давал нам возможность изучать Р-распад гиперонов на статистическом уровне значительно превышающим всю статистику, полученную во всех предыдущих экспериментах.

Основной проблемой в этом эксперименте было выделение исследуемой реакции IГ —> ne~v на фоне в 1000 раз более интенсивной реакции —> пя~. Различить эти реакции, опираясь только на кинематические критерии, было невозможно. Поэтому необходимо было разработать систему идентификации частиц, способную эффективно выделять электроны на большом фоне - мезонов. Для решения этой проблемы группа ПИ.ЯФ предложила использовать детектор переходного излучения, который должен был быть чувствительным к электронам и мало чувствительным к л~ - мезонам. Это предложение не было тривиальным, поскольку до этого такие детекторы практически не использовались в подобных экспериментах.

В работе приводится описание экспериментальной установки (Рис.1). Пучок протонов с энергией 400 ГэВ из Тэватрона направлялся на медную мишень, помещенную в начале гиперонного канала. Магнит Ml отбирал вторичные частицы с импульсом 250 ГэВ/с, образовавшиеся в мишени в телесном угле ДГ2 = I мкстер и с импульсным разбросом ±7%. Энергия детектируемых электронов (и 7i~ - мезонов) была в диапазоне 9-^95 ГэВ. Этот диапазон энергий является оптимальным для использования ДПИ. ХГ- гипероны составляли только ~ 10% частиц в пучке. Доминирующими же частицами были - мезоны, и их интенсивность составляла —2x1051/с.

Детектор переходного излучения (ДПИ) располагался между магнитным спектрометром и счётчиками SM1 SM4, предназначенными для определения числа заряженных частиц, прошедших через детектор. ДПИ имел полную длину по пучку 360см и состоял из 12 одинаковых модулей, каждый из которых имел пропорциональную камеру и радиатор (схематически отдельный модуль показан на Рис.2). Чувствительная область ДПИ была 1,0><0,6метра. Полное количество ДПИ вещества на пучке составляло 0,1 радиационной длины и 0,06 ядерной длины. Каждый радиатор состоял из 220 слоев полипропилена толщиной 17мкм разделенных воздушным зазором 1мм. Анод каждой пропорциональной камеры состоял из 512 анодных проволочек толщиной 25 мкм (золоченный вольфрам) с шагом 2мм. Анод располагался симметрично между двумя катодами из алюминизарованного майлара. Расстояние между анодом и каждым катодом — 8мм. Рабочая газовая смесь - 70%Хе+30%СН4. При рабочем напряжении 4,6кВ максимальное время дрейфа электронов составляло 330нс.

Электромагнитный калориметр LG состоял из 72 блоков свинцового стекла SF5, собранных в 4 слоя общей толщиной 26 радиационных длин, В

нейтронном калориметре N0 измерялась энергия и координата нейтрона из распадов 1Г -» пе~у, иГ-> пл" .

В эксперименте необходимо было обеспечить высокую степень режек-ции л~- мезонов (на уровне «105). Получить столь высокий коэффициент режекции л~- мезонов при £с > 99%, используя только ДПИ, очень трудно.

Поэтому было решено использовать комбинацию: ДПИ + электромагнитный калориметр (ЭМК) на основе блоков из свинцового стекла. При этом требования к ЭМК были довольно скромными (Ял- ~ 102, £е =96%). Возможность

использования ДПИ в комбинации с ЭМК - одно из положительных качеств этого детектора.

Поскольку в эксперименте речь шла о прецизионном (с точностью в 1%) измерении электронной асимметрии, то основным требованием к создаваемому детектору была высокая эффективность регистрации электронов (£с >

99%). В последнем случае вариации неэффективности (1-£е) регистрации

электронов по площади детектора на уровне - £ е)!{\ - £ с) <20% не могли бы

привести к заметной ложной асимметрии.

Для того, чтобы одновременно обеспечить высокую эффективность регистрации электронов (ес > 99%) и необходимую режекцию л~ - мезонов (Ял-> 103), основное внимание при разработке и конструировании пропорциональных камер ДПИ уделялось получению высокой однородности коэффициента газового усиления (КГУ) по всей площади камеры.

Практическая реализация результатов расчётов ДПИ предъявила жёсткие требования к конструкции и работе пропорциональных камер.

1. Камеры не должны иметь "мёртвой" газовой зоны между входным майларовым окном и катодом.

2. Высокая однородность коэффициента газового усиления (КГУ) по площади камеры, максимальные флуктуации которого не должны были превышать |ДМ/М < 15%.

Были выделены три основные группы факторов, вызывающие в ДПИ флуктуации КГУ по площади камеры: «гидростатическая», конструкционная и гальваническое объединение проволочек в группы. Детальный анализ выше указанных факторов, их взаимосвязь между собой, характерные особенности и масштаб влияния позволил разработать методы минимизации их влияния на флуктуации коэффициента газового усиления.

Особое внимание было уделено решению проблемы, которую мы условно назвали «гидростатической», для решения которой нами был предложен и реализован метод компенсации [1], который впоследствии нашел практическое применение во многих подобных экспериментах с применением ДПИ. Идея метод заключалась в том, что в конструкцию камеры с плёночными ка-

тодами вводятся два симметрично расположенных буферных слоя газа между катодами и атмосферным воздухом (Рис.2). Эти буферные объёмы наполнялись газом с молекулярным весом равным молекулярному весу рабочей газовой смеси и одновременно имеющим малое сечение поглощения квантов переходного излучения (близким к соответствующему коэффициенту для воздуха). Принципиальным и наиболее привлекательным моментом в этом методе является то, что не надо знать закон распределения прогиба катода по высоте камеры, вызванного рабочим газом камеры. Дело в том, что практически по такому же закону, но в противофазе действует на катод газ буферного объема, что в основном и обеспечивает пространственную стабилизацию катода. В качестве газа для наполнения буферного объема был выбран углекислый газ.

В целом пространственная форма (профиль) катода определяется не только «гидростатическими», но и электростатическими силами. Расчеты показали, что при совместном действии этих сил катод приобретает Б-образную форму и его прогиб не превышает | АЬК|< 50 мкм, что соответствует

Рис.3. Распределение по числу зарегистрированных кластеров для л~ - мезонов (Рис.За) и для электронов (Рис.Зб).

Значение параметра А, используемое для построения распределения Пуассона, получено из соотношения Л= - 1пР(0), где Р(0) - вероятность не зарегистрировать ни одного кластера на одну прошедшую частицу.

|ДМ/М|макс.< 5%.

Проведенные измерения флуктуаций КГУ по площади всех пропорциональных камер, входящих в состав ДПИ, подтвердили результаты расчётов и показали обоснованность выбора и оптимизации всех использованных конструктивных и технологических решений. Максимальные флуктуации КГУ в любой из камер ДПИ полностью удовлетворяют требованиям эксперимента и не превышают 12% как вдоль оси X, так и вдоль оси У.

В ходе эксперимента были детально исследованы отклики ДПИ на прохождение как л" - мезонов, так и электронов. Были разработаны и реализованы алгоритмы работы ДПИ в составе экспериментальной установки, обеспечившие максимально высокий коэффициент режекции к'- мезонов (на уровне

Неэффективность регистрации электронов около 0,3%

Рис.4. Неэффективность регистрации электронов (Рис.4а) и величина коэффициента режекции тГ - мезонов (Рис.4б) как функция от порога по числу зарегистрированных кластеров для разных значений порога по числу сработавших камер ДПИ.

Я,-«! О5).

В качестве критерия для выделения электронов использовалось полное число ионизационных кластеров N0, измеренных для всех модулей ДПИ. Применение дополнительного критерия - число «активных» камер N8 (где возник хотя бы один кластер) позволило увеличить коэффициент режекции пионов еще в 5-6 раз.

На Рис.3 приведены распределения событий для тг мезонов (Рис.За) и электронов (Рис.3 б) по числу зарегистрированных ионизационных кластеров N0 в интервале энергий 9 -ь 55 ГэВ. На обоих рисунках даны распределения как для событий с одиночными частицами, так и для событий, в которых отбор по множественности не производился. Показано, что адронные и электромагнитные ливни, образующиеся в материале ДПИ, существенно искажают пуас-соновские распределения в области больших значений N0 как для тг мезонов, так и для электронов. Демонстрируется эффективность работы предложенного алгоритма отбора событий, не содержащих электромагнитных ливней, вызванных взаимодействием с материалом детектора.

Видно (Рис.За), что оценка коэффициента режекции п~ - мезонов в данном детекторе по распределению Пуассона со средним числом, равным числу б-электронов с энергией выше некоторого порога, приводит к существенно завышенному результату». Адекватный учет обсуждавшихся выше эффектов возможен только в расчёте по методу Монте-Карло. Результат такого расчёта согласуется с полученными данными (Рис.За).

Из Рис.36 следует, что экспериментальное распределение числа зарегистрированных кластеров для событий, в которых электрон не образовал ливня, хорошо описывается распределением Пуассона со средним (N0) = 26,92 ± 0,04. Расчёт по методу Монте-Карло даёт очень близкую величину (N0) = 27,04 ± 0,16.

Неэффективность регистрации электронов и величина коэффициента режекции к' - мезонов как функция от порога по числу зарегистрированных кластеров для разных значений порога по числу сработавших камер ДПИ приведены соответственно на Рис.4а и 46. На основании этих данных легко вычисляется взаимосвязь коэффициента режекции пионов и эффективности регистрации электронов, которая, по существу, является базовой характеристикой детектора переходного излучения.

Видно, что выбранному условию триггера на электрон - число срабатываний детектора ^ 12 и число сработавших камер № > 7 - соответствует неэффективность регистрации электронов (1-£е) = 0.3% и коэффициент режекции тг~ мезонов 1,8x103. Эффективность найденных алгоритмов выделения электронов на фоне мощного фона адронных распадов наглядно представлена на Рис.5.

300

200

^

J3 l£) О U

100

a)

V

0.7

события с признаком л-триггера

2400

1600

800

б)

события распада 5 —ne~J

фон

адронных распадов 2"—пЯ~

1.2

0.9 1.0 1.1 1.2 0,7 0.8 0.9 1.0 I е/р е/р

Рис.5. Распределение событий по величине Е/р (где Е - энергия частицы, измеренная в Ьв - каллориметре, р - ее импульс) для распадов —» пе"у и Г-> птГ без идентификации е~ (а) и с идентификацией е~ с помощью ДПИ и калориметра Ьв (б).

Рис.6. Электронная ассиметрия как функция от величины gl/fl. Заштрихованные области показывают результаты, полученные в ряде предыдущих экспериментов. Сплошная линия - результаты расчетов в соответствии с предсказаниями теории Каббибо.

^^ --САВ1ВВ0

_i_._1_L__1 ■ I . I

-0.8 -0.-1 0 0.4 0.8

Vf,

В нашем эксперименте удалось реализовать максимально высокий коэффициент режекции пионов с помощью ДПИ по сравнению с другими экспериментами, в которых использовались ДПИ (Б.А.Долгошеин, NIM А А252 (1986) 137-144).

В эксперименте Е-715 было накоплено около 90000 ß-распадов IT- гиперонов. Было показано (Рис.6), что полученная величина электронной ассимет-рии очень близка к предсказанной и составляет ае = -0.5310.14. В результате дальнейшего анализа всех накопленных событий ß-распада поляризованных

0.4

-0.4

-п.а

Эксперимент Е-715. а. = - 0.53 ± 0.14

Е - гиперонов были окончательно определены знаки и абсолютное значение коэффициентов асимметрии в угловом распределении продуктов распада:

ае = -0.519±0.104; а„ = -0.509±0.102; ау = -0.230±0.061.

Этот результат отлично согласуется с теоретическими предсказаниями (ае = -0.51±0.004) и разрешает в пользу теории существовавшее долгое время противоречие между гипотезой Кабиббо и экспериментом.

Высокие параметры детектора переходного излучения, продемонстрированные в эксперименте Е-715, его надежная работа и простота считывающей электроники позволили уверенно планировать использование этого класса детекторов в физике высоких энергий.

1.2. Эксперимент Е-761. Исследование радиационных распадов гиперонов.

После завершения Е-715 был предложен и принят новый эксперимент Е-761 (1986-1995г.г.), в котором предлагалось решить еще одну проблему в физике гиперонов [4].

Мотивация. Радиационные распады гиперонов представляют класс редких барионных распадов, которые требуют вклада как слабых, так и электромагнитных взаимодействий. В своей фундаментальной теореме Хара У. Нага, (Phys.Rev.Lett., 12 (1964) 378) утверждает, что, коэффициенты ассиметрии в радиационных распадах £+ -» ру иН"->Гу в пределах БШ - симметрии равны нулю. Более того, имевшиеся в то время экспериментальные результаты трех работ, указывали на существование большой отрицательной ассиметрии в распаде —> ру и этот факт не могла объяснить ни одна из существовавших тогда теорий. Существенно отметить, что экспериментальные данные были основаны на очень малой статистике (около 300 событий) и были серьезные сомнения в достоверности этих результатов. В новом эксперименте предполагалось не только многократное увеличение статистики, но и, что самое главное, надежное выделение реакции Х+ ру на фоне в 400 раз более интенсивной реакции £+ рп° -> р2у, кинематика которого подобна кинематике исследуемого процесса, а в конечном состоянии образуются одни и те же частицы. К тому же коэффициент ассиметрии в фоновом распаде Е+ —> ря° как раз имеет большую отрицательную величину ап = -0.980 ± 0.016, которая может имитировать наблюдаемую ассиметрию в изучаемом распаде —> ру. Таким образом, возникла необходимость в постановке нового эксперимента (Е-761), целью которого явилось бы измерение парциальных вероятностей и параметра ассиметрии для распада £+ -» ру с высокой статистической точностью и малыми систематическими ошибками. Коллаборация Е-761 избрала руководителем эксперимента директора ПИЯФ РАН А.А.Воробьева.

Из нашего опыта, полученного в ходе подготовки и проведения эксперимента Е-715, мы поняли, что научились достаточно хорошо просчитывать отклик детектора и понимать диапазон его возможностей. Поэтому в этом эксперименте было предложено использовать ДПИ в необычном качестве - как гамма детектор с высоким пространственным разрешением. [4].

Фотонный спектрометр был выполнен на базе ДПИ. Координатная часть фотонного спектрометра (Рис.7.) состояла из двух независимых секций, каждая из которых имела стальной конвертор, пропорциональную камеру (PWC) и два ДПИ (TRD). Главная идея состояла в том, чтобы из электромагнитного ливня выделить высокоэнергичные электроны (позитроны), которые хорошо сохраняют исходное направление движения падающих фотонов, в то время как низкоэнергичные электроны (позитроны) имеют значительно более широкое распределение. ДПИ был выбран для этой цели еще и потому, что это -пороговый детектор. Он детектирует с высокой эффективностью электроны (позитроны) с энергиями выше 2.5 ГэВ/с и является практически нечувствительным к электронам энергией менее 1 ГэВ/с. Средняя энергия фотонов из реакции -> ру распада составляет 50 ГэВ/с. Фотоны конвертировались в одной из двух стальных плит толщиной 2.54см (1.54 радиационной длины ка-

30 cm

:й>ю i

Фотонный спектрометр

Р ^

у ^

50 cm

Фотонный калориметр

1(ма glass 2 array wilíi 2 НСО Jino.1 nolfi

a U

Í i. i L

ДПИ

IX и 1Y

j

ч «

H

U

i i i к

ДПИ

2Х и 2Y

Рис.7. Фотонный спектрометр. Положение электромагнитного ливня в стальном конверторе измеряется пропорциональными камерами (Р\УС) и ДПИ (ТЯБ). Энергия фотонов измеряется в фотонном калориметре.

ждая).

Энергия фотонов измерялась фотонным калориметром, который имел достаточно стандартную гранулярную структуру и состоял из тяжелого стекла и кристаллов ЕЮС) (В14СезО|2). Так как полная энергия, наблюдаемая в калориметре, примерно одинакова для обоих процессов —» ру и —> рл° -» р2у , то, при попытке разделить эти распады, пространственное разрешение ДПИ становится наиболее важным критерием отбора, по-сравнению с энергетическим разрешением.

На Рис.8а представлена Х-проекция координаты заряженной частицы в электромагнитном ливне, которая была измерена в камерах (Р\УС) и ДПИ (Т1Ю). Это событие интерпретируется как ливень, созданный одиночным фо-

Сталь ДПИ ПК

Сталь

В

211 в /а В507

PLAN

ДПИ

ПК

Сталь

ДПИ

ПК Сталь

Рис.8. Отклик ДПИ для

(A) 1+^ру (ДПИ х2 = 0.15; М],„ = 7.43 х 10-4 ГэВ2/с4);

(B) Е+->ртг° (ДПИ х2 ~ 50.0; М\„ = 0.0164 ГэВ2/с4).

тоном из 5Г радиационного распада в первом стальном конверторе. Р^МС детектируют все заряженные частицы в ливне. При этом структура сработавших проволочек в Р\УС имеет широкое и равномерное распределение, что подтверждает предположение о приходе одного гамма кванта. ДПИ чувствителен к наиболее энергичной заряженной компоненте электромагнитного ливня и поэтому сигналы, пришедшие с проволочек, группируются в пик, центр тяже, сти которого соответствует оси ливня. При этом амплитуда события в ДПИ соответствует числу импульсов, детектируемых каждой проволочкой. Важно отметить, что ДПИ нечувствителен к протонам, в то время как Р\¥С их регистрирует.

| На Рис.86 представлен сигнал с ДПИ для распада, который интерпрети-

руется как —> ря0. Можно видеть, что при этом возникают два широких кластера с каждой стороны от предсказанного положения трека я0, которые образуются от двух гамма квантов.

Результаты, полученные после проведения вышеупомянутых отборов, представлены на Рис.9, где возможность эффективного отбора полезных событий представлена в виде трехмерного распределения событий. Видно, что отбор событий по энергии и координате фотона, измеренной в детекторе переходного излучения, позволил надежно выделить радиационный распад

£+ —> ру (белый эллипс) на фоне адронного распада 2+ —» ртсО.

В результате анализа около 35000 событий радиационного распада £+ —> ру была получена следующая величина параметра асси-метрии распада:

ау = - 0.720 ± 0.086(ста т.) ± 0.045(сист.), и на основе анализа примерно 32000 событий -величина вероятности распада В(£+ —> ру) = (1.20 ± 0.08) х Ю'3 (указана суммарная ошибка). Таким образом, результаты, полученные в эксперименте Е-761, подтвердили, что

т „о ^Р,-?,'-1 £Р'> £ В"* ос у опг у $

Рис.9. Распределение х~ ДПИ как функция от величины Л^д.о в виде трехмерного распределения полученных событий.

в радиационном распаде действительно наблюдается большая по величине и отрицательная по знаку ассиметрия, а наблюдаемая вероятность распада не содержит вклада от примеси событий интенсивной адронной моды распада 2Г р71°. В эксперименте, в дополнение к основной программе, была измерена поляризация различных гиперонов.

1.3. Эксперимент Е-781. Исследование рождения С-барионов и их спектроскопия.

Дальнейшее изучение свойств очарованных барионов было продолжено в эксперименте SELEX (Е-781) в 1996-98г.г. во ФНАЛ.

Мотивация. Созданный спектрометр не был ориентирован на решение (исследование) какого-то одного или нескольких физических процессов, как это было в предыдущих экспериментах Е-715 и Е-761. Накопленный опыт работы в этих экспериментах позволил предложить создание сложнейшей экспериментальной установки SELEX - спектрометр (Segmented Large-X Barion Spectrometer) [5], позволяющей проводить систематические исследования широкого класса ядерных реакций, связанных с рождением очарованных барионов и их распадами.

Рис.10. Блок-схема экспериментальной установки. BTRD - пучковый детектор переходного излучения (ДПИ); ETRD - электронный детектор переходного излучения (ДПИ); EMCL - электромагнитный калориметр; PWC - пропорциональные камеры; DC - дрейфовые камеры; RICH - черенковский детектор; NCAL - нейтронный калориметр; Ml, М2 и МЗ -анализирующие магниты.

Спектрометр предполагал отход от базового подхода, связанного с рождением необходимых частиц непосредственно в мишени (central production), и ориентировался на регистрацию частиц, вылетающих в переднюю полусферу (leading production). Это позволяло работать не только с гиперонами, родившимися в мишени, но и с теми частицами, которые являются продуктами их распада. Для этого структура спектрометра предусматривала возможность реконструкции двух вершин с хорошим пространственным и, соответственно, угловым разрешениями.

Спектрометр разрабатывался исходя из того, что он должен содержать широкий набор методов идентификации частиц и позволял осуществлять надежное триггерирование необходимых событий. Работа с частицами, вылетающими в переднюю полусферу, означала, что в рассмотрение включаются новые физические процессы, регистрация которых требует идентифицировать частицы с достаточно большим поперечным импульсом Хр > 0.25.

В работе приводится описание экспериментальной установки (Рис.10) Чрезвычайно важной особенностью спектрометра БЕЬЕХ явилось наличие системы полной идентификации частиц, которая базировалась на созданных в ПИЯФ РАН детекторах:

- пучковый ДПИ для разделения частиц на уровне входного пучка (2Г/я~, р/л+);

- электронный ДПИ для того, чтобы идентифицировать вторичные электроны (е*);

- трековую систему, которая состоит из: трех анализирующих магнитов; 26 плоскостей пропорциональных камер (Р\УС) с пространственным разрешением около 0.8мм; трех станций дрейфовых камер (ОС), каждая из которых содержала 26 плоскостей с пространственным разрешением около 100 микрон

Электроника пучкового ДПИ обеспечивала выработку быстрого триггера для идентификации 5Г или за время менее 100 нсек. Этот ДПИ позволил очень надежно идентифицировать барионы и мезоны пучка. Электронный ДПИ успешно использовался при изучении процессов, требующих идентификации электронов в конечном состоянии.

На установке БЕЬЕХ были получены уникальные физические результаты. Это - выходы очарованных гиперонов, измерены зарядовые радиусы Е~ гиперонов, измерены полные сечения рассеяния £-, я- и протонов на ядрах вблизи 600 ГэВ/с и т.д. Детальное обсуждение алгоритмов и методики обработки полученных результатов можно найти в работах [6-14].

Глава 2. Трековые системы для исследования эффектов каналирования протонов монокристаллами.

Впервые экспериментальная реализация идеи управления траекториями заряженных частиц с помощью изогнутого кристалла была, осуществлена в 1979г. в Дубне на синхрофазотроне ЛВЭ ОИЯИ (Е.Н.Цыганов и др.): пучок протонов с энергией 8,4 ГэВ с помощью изогнутого кристалла кремния длиной 2 см был повернут на угол 26 мрад.

В данном разделе диссертации обсуждаются два эксперимента, выполненные в 1981-82 г.г. в ЛИЯФ РАН (сейчас - ПИЯФ РАН), в результате которых: было доказано существование эффекта объемного захвата; показано вы-

полнение принципа обратимости для частиц в процессе объемного захвата; обнаружен эффект угловой фокусировки частиц. Именно начиная с этих экспериментов, в ЛИЯФ РАН начались широкие исследования эффектов канали-рования частиц монокристаллами.

В экспериментальных установках были применены два взаимодополняющих метода: первый метод - это использование изогнутого монокристалла выделяющий каналирующие частицы и идентифицирующий такие частицы по их энергетическим потерям; второй метод - это трековая система, детектирующая факт поворота (или фокусировки) частиц. Это позволило:

- осуществлять предварительный отбор частиц в монокристалле по их энергетическим потерям и изучать их распределение в трековой системе;

- используя инверсный метод, можно было взять уже отобранные трековой системой частицы и изучить их энергетические потери и поведение в монокристалле более детально.

Целью нашего первого эксперимента являлась проверка гипотезы о возможности захвата частиц в режим каналирования как на торце, так и в объеме изогнутого кристалла [15-18].

В работе детально описывается экспериментальная установка. Пучок протонов (р) с энергией 1ГэВ проходил через пропорциональные камеры ПК1, ПК2 и сцинтилляционный счетчик Б1 и попадал на изогнутый монокристалл (С). Из прямого пучка выделялись те протоны, которые попадают на торец кристалла, и измерялись углы их входа в кристалл (угловое разрешение 0.19 мрад). Пропорциональная камера ПКЗ регистрировала угловое распределение выходящих из кристалла частиц с угловым разрешением 0.41 мрад. Изогнутый монокристалл (С) был изогнут по цилиндру с радиусом 11=46 см. Его вырезка была такова, что его большая грань была параллельна плоскости (111) и изогнута по цилиндрической поверхности. Пучок падал на грань параллельную плоскости (011). На изогнутом монокристалле толщиной 0.4 мм, шириной -25мм и длиной по пучку - 10мм, изготовленном из полупроводникового кремния, были реализованы три независимые детектирующие структуры (ПД1, ПД2, ПДЗ), являющимися поверхностно-барьерными полупроводниковыми детекторами. Это позволяло контролировать движение частиц в кристалле на всех стадиях: захват, каналирование, деканалирование по величине ионизационных потерь, оставляемых в этих чувствительных областях.

Процесс измерения (Рис.11) заключался в определении спектра ионизационных потерь частиц на различных участках кристалла (в областях ПД1-ПДЗ) и в наблюдении угловых распределений частиц, выходящих из кристалла, в зависимости от угла поворота ф. Каналирующими считались частицы, имеющие аномально малые ионизационные потери в детекторах ПД1-ПДЗ (меньше 0.74 от наиболее вероятных потерь для "прямого" пучка). В качестве второго критерия, подтверждающего тот факт, что частицы с малыми удель-

Рис.116. Амплитудные спектры частиц в ПД 1 и ПД2.

Отбор событий - по ПД 3.

ными потерями являются каналированными частицами, служило наличие отклоненной фракции пучка с малой угловой расходимостью при выходе из кристалла.

На основе полученных экспериментальных данных можно однозначно заключить, что выделяемые частицы являются каналирующими. Из этих данных также следует существование объемного захвата в режим каналирования. Характерным признаком каналирования является появление пика в области малых амплитуд (соответствует приблизительно половине амплитуды наиболее вероятных потерь неканалирующих частиц), что и наблюдается особенно отчетливо для ПД2.

Видно (Рис.11), что многие частицы, попавшие в область пиков I или II, не были каналированными в ПД1 (имели большие ионизационные потери) и

Рис.11а. Угловые распределения частиц, прошедших кристалл с отбором по критерию малой амплитуды. Угол поворота ф = 11 мрад.

были захвачены в режим каналирования только на больших глубинах в кристалле. Впервые было показано, что область захвата частиц в режим каналирования изогнутым кристаллом отнюдь не сосредоточена только вблизи ее входного торца, а может реализоваться по всей длине кристалла, так как суммарный угловой интервал захвата частиц составил ~ 20 мрад, тогда как угол Лнндхарда равнялся ~ 0.12 мрад при угловой расходимости пучка ~ 1 мрад, что соответствует захвату практически на всей длине кристалла (1см). Этот физический процесс авторы назвали "эффектом объемного захвата" в режим каналирования.

Таким образом, в ходе этого эксперимента, впервые удалось продемонстрировать возможность поворота пучка протонов с энергией 1 ГэВ на угол 11 мрад. Высокое угловое разрешение экспериментальной установки позволило разделить эффекты для различных кристаллографических плоскостей и оценить значение вероятности объемного захвата в режим каналирования для 1 ГэВ протонов в канал плоскости (111), изогнутой по радиусу R=46 см ((30 =9.2 ±1.4%), и, соответственно, длину деканалирования (X =1.26 ± 0.09мм).

Во втором эксперименте [19-21] была исследована возможность использования изогнутого кристалла, являющегося одновременно полупроводниковым детектором, в качестве фокусирующего коллиматора каналирующих частиц. Использовался монокристалл кремния, изогнутый по цилиндру (R = 2 м), с кристаллографическими плоскостями (111), перпендикулярными к вогнутой (выпуклой) грани кристалла, являющейся одновременно поверхностно-барьерным детектором (ПД1 и ПД2).

На кристалл направлялся широкий (во весь кристалл) пучок с угловой расходимостью 7,2 мрад. Использование кристалла в качестве полупроводникового детектора позволяло выделять ("метить") каналирующие частицы по величине их аномально малых ионизационных потерь. Поскольку при изгибе по цилиндру кристаллографические плоскости, нормальные к граням, разворачиваются веерообразно с центром на расстоянии радиуса изгиба кристалла, то каналирующие между ними частицы будут фокусироваться в точку «О». Предварительные оценки показали, что ширина фокуса должна составлять от 50 до 600 мкм.

Для наблюдения таких пространственных распределений необходимо было создать новую трековую систему, базирующуюся на позиционно-чувствительных детекторах, имеющих пространственное разрешение практически предельное для газоразрядных приборов. В связи с этим было решено использовать пропорциональную камеру (ПК) с аналоговым съемом информации с катода на линию задержки, потенциальные возможности которой позволяли обеспечить требуемое пространственное разрешение (о <100 мкм). Проведенные исследования показали, что разработанные камеры обладают высокими измерительными характеристиками: в рабочей области камеры (30x30

мм) пространственное разрешение не хуже g » 40 мкм, а дифференциальная нелинейность не превышает 3%.

Это позволило осуществить экспериментальное наблюдение узкого пика (см. Рис.12, кривая 1) в распределении частиц в фокальной плоскости с «включением» отбора по малым амплитудам, что ясно демонстрирует существование нового эффекта: изогнутый монокристалл может работать как фокусирующий коллиматор каналирующих частиц. Пик хорошо обеспечен статистически и имеет ширину FWHM= 0.65 ± 0.05мм, что соответствует угловой расходимости, определяемой углом Линдхарда (0.12 мрад) для данной кристаллографической плоскости (111).

В работе детально обсуждается влияние различных факторов на пространственное разрешение детекторов с катодным съемом информации, входящих в трековую систему, с точки зрения того, как они влияют на собственное (внутреннее) разрешение газоразрядного детектора частиц как такового. Оптимизируя эти факторы можно оценить то предельное пространственное

Nch

Si,(111)

_ПК 3, Х-плоскость 1 канал=0.048 мм

/

^ Рис.12. Пространственное 1Чг (х10 ) расположение пучка на X плоскости (ПКЗ): 1 — с отбором по критерию малой амплитуды сигнала с детектора (в интервале 0.3-^-0.6 от наиболее вероятного значения для хаотической фазы), 2 — без отбора (прямой пучок).

800 каналы

разрешение, которое может быть достигнуто для данного класса детекторов. Поскольку речь идет о пространственном разрешении на уровне лучше 100 мкм, то для проведения подобных исследований необходимо уметь создавать «пробные заряды» размерами в десятки микрон, что само по себе является весьма серьезной проблемой, и исследовать отклик прибора на них.

Для этого был применен метод измерения предельного пространственного разрешения камер с помощью эффекта фокусировки ионного облака. Идея метода заключается в том, чтобы изучать внутреннее пространственное разрешение детектора, измеряя положение и пространственное распределение «пробного заряда», который является облаком ионов. Предлагается исследовать положение и точность локализации в пространстве центра тяжести ионного заряда лавины, образованной вблизи анодной проволочки. Этот заряд хорошо сфокусирован в пространстве электрическим полем самой камеры и

по своей физической природе имеет минимальные пространственные размеры, которые и определяют предельное разрешение детектора.

Измерения показали, что эффект фокусировки заряда настолько силен, что при размерах исходного пучка стпучка <120 мкм, размеры регистрируемого зарядового облака сжимаются до величины о < 20 мкм.

В итоге, был предложен и успешно применен метод, в результате реализации которого:

- разработана методика оптимизации измерительных характеристик камеры, позволившая довести ее внутреннее разрешение практически до физического предела, обусловленного физическими размерами ионного облака лавины, которое использовалась в качестве «пробного заряда».

- показано, что можно добиться, чтобы внутреннее пространственное разрешение детектора составляло: не хуже ст«20 мкм (для у-квантов с энергией Еу=5.9 кэВ); не хуже ст » 50 мкм (для заряженных частиц).

Глава 3. Разработан и создан торцевой координатный детектор FTC для экспериментальной установки L3

Третья глава диссертации посвящена описанию экспериментальной установки и задач эксперимента L3. Представлено описание каждого из основных детекторов в установке L3, включая торцевой координатный детектор FTC, ответственность за разработку и создание которого была возложена на группу, возглавляемую соискателем.

Установка L3 предназначена для проверки предсказаний и параметров Стандартной Модели. Все детекторы установки находятся внутри магнита (диаметром «Ими длиной 12 м), создающего магнитное поле 0,5 Тл. Начиная от точки взаимодействия е+е' пучков в L3 находятся: центральный вершинный детектор на основе дрейфовой камеры "растянутого времени" - ТЕС, электромагнитный калориметр BGO., состоящий из кристаллов ортогерманата висмута ВЦСезОп, урановый адронный калориметр и мюонный спектрометр, состоящий из набора дрейфовых камер.

Торцевому координатному детектору FTC было отведено место (всего 72 мм по оси пучка Z) в зазоре между ТЕС и калориметром BGO. Детектор предназначался для регистрации и измерения треков частиц, входящих в торцевую часть калориметра BGO в диапазонах полярных углов 14° < 9 < 35° и 145° <0< 166°, не перекрываемых детектором ТЕС. Необходимость точного определения координат и направления частиц обуславливалась многократным кулоновским рассеянием частиц в алюминиевом фланце ТЕС. Для выполнения этой задачи FTC должен был обеспечивать:

• пространственное и угловое разрешение координат и направлений треков частиц а < 150 мкм и 10 мрад, соответственно;

• одновременную регистрацию треков 5-^7 частиц;

• надёжную работу в течение не менее 2^-3 лет без ремонта;

Выбор конструкции детектора жёстко обуславливался условиями его размещения в установке L3. Во-первых, замкнутость и ограниченность пространства в зазоре TEC-BGO создали крайне серьезные трудности в реализации требуемых рабочих характеристик FTC. Этот же фактор ограничил пространство для установки предусилителей, прокладки кабелей и систем газообеспечения, что обусловило необходимость минимизации числа каналов электроники. Невозможность размещения системы охлаждения потребовало предельно минимизировать тепловыделение придетектороной электроники. Во-вторых, конструкция детектора должна была обеспечить высокую надёжность и радиационную стойкость в течение нескольких лет работы без доступа персонала.

Детектор FTC был создан [22-28] на базе дрейфовых камер (модулей) скомпонованных в две пары дисков диаметром 1метр, развернутых друг относительно друга на 90 градусов, что обеспечивает одновременное измерение X и Y координат трека частицы с обеих сторон от точки е+е- взаимодействия. Общее число модулей в каждом диске равно 26. Для защиты от электромагнитных наводок со стороны электроники и высоковольтного питания ТЕС и BGO диски FTC закрыты заземлёнными экранами из фольгированного стеклопластика G10.

.ДШВВШ-

жраны

XV«

Оюй 1

К» ru 1

1Л«ч t

Рис. 13а. Рис.136.

Поперечное сечение модуля FTC и идеальная структура эклектического поля в нем приведены на Рис. 13а и 136, соответственно. Там же показаны катод , полеформирующие (FW) и сигнальные анодные проволочки (SW). По-

лосковые электроды - стрипы (Слой 1 и Слой 2) задают электрическое поле в рабочем объёме детектора и обеспечивают его защиту от разрушающего влияния соседних заземлённых экранов.

В каждом модуле с каждой 8\У проволочки несколько раз измерялись две (X и У) координаты трека частицы: точно (вдоль направления дрейфового поля) - методом измерения времени дрейфа и вдоль проволочки ЭХУ - методом деления заряда. Реализация подобного решения позволило успешно решить комплекс проблем: во-первых, точно измерять обе координаты трека частицы; во-вторых, измерять угол наклона трека частицы; в-третьих, обеспечить регистрацию многотрековых событий за счет предсказания координат треков частиц для точного их измерения модулями соседнего диска.

В работе проведен комплексный анализ структуры взаимосвязей основных факторов, влияющих на обеспечение линейности координатно-временной зависимости в РТС и его пространственного разрешения. Для создания одинаковых условий дрейфа электронов в дрейфовых ячейках (зоны регистрации проволочек модуля необходимо было обеспечить однородное электрическое поле в дрейфовом промежутке, одинаковые коэффициенты газового усиления (КГУ), стабильную температуру рабочего газа и минимизировать механические погрешности. Оптимизация влияния всех вышеперечисленных факторов на ожидаемую погрешность определения координаты трека частицы

У, тт

РУ/ 7.5 БАУ 10.0 Г« 12.5 5 15.0 17.5

ту 2

Рис.14. Компьютерная симуляция структуры электрического поля в модуле РТС при наличии двух слоев полеформирующих стрипови заземлённого защитного экрана, установленного в 3,5 мм от границы внутреннего объёма. Внешний слой стрипов смещён на 1мм вниз относительно внутреннего.

20.0

позволила довести итоговое пространственное разрешение до ~ 120 мкм, что соответствовало требованиям L3.

Влияние магнитного поля установки L3 (В = 0,5 Т) на FTC учитывать не требовалось благодаря поперечному расположению проволочек SW по отношению к вектору В.

Значительное внимание было уделено формированию однородного электрического поля в модулях детектора FTC. Расчётным путём были выполнены:

- выбор оптимальной геометрии полеформирующих стрипов и их потенциалов, при которых неоднородность электрического поля в зоне дрейфа не должна превышать | АЕ/Е | < 2%;

- расчёт структуры полеформирующих стрипов, обеспечивающей электростатическую защиту электрического поля в модуле от Разрушающего воздействия внешних заземлённых экранов.

Решение задач оптимизации конструкции и обеспечение требуемых характеристик FTC крайне осложнялось тем, что пространство, отведённое для размещения детектора, составляло всего 72мм по оси пучка. Поэтому для формирования однородного электрического поля внутри рабочего объёма модуля потребовалось одновременно минимизировать краевые неоднородности создаваемые полеформирующими стрипами и предотвратить искажающее влияние внешних заземленных электродов.

Наиболее оптимальной оказалась геометрия с шириной стрипа а = 0,5 мм и шагом Sst = 2 мм, которая уже в 2 мм от боковой стенки (X/Sst = 1) обеспечивает высокую однородность электрического поля (|дЕу/Еу0|< 1%) при минимальном градиенте и абсолютной величине напряжённости поля на краях стрипа и посередине между стрипами. Это, практически, исключают микропробои между стрипами и возникновение самоподдерживающихся разрядов на их кромках.

Проведенные измерения и расчеты показали, что внешние заземленные экраны практически полностью разрушают однородную структуру электрического поля в модуле.

Детальный анализ показал, что эту проблему можно решить применив специальную структуру полеформирующих стрипов, приведенную на Рис.14. Расчёты показали, что при этом в зоне дрейфа электронов с координатами |Х| < 12 мм 5 < Y < 22 мм (заштрихованная область) электрическое поле становится, практически однородным (|ДЕ /Е| < 0,5%), что обеспечивает постоянство скорости дрейфа на уровне | Д Удр/Удр | < 0,08%.

Рабочие характеристики FTC полученные на протонном пучке с энергией Ер = 1 Гэв синхроциклотрона ПИЯФ и в ходе эксперимента L3 практически совпали. На Рис. 15а приведена типичная зависимость координатного разрешения отдельной проволочки SW от времени дрейфа электронов, измеренная в ходе эксперимента L3. В данном случае отбирались треки частиц, выле-

s t>"

и +

Метод времени дрейфа.

++

++,+ +

-ris-

Время дрейфа, нсек

тевшие из точки взаимодействия е+ е~ в диапазоне углов захвата FTC. Видно, что величина пространственного разрешения не хуже ctSw ^175 мкм во всём дрейфовом промежутке.

Показано (Рис.156), что требуемое разрешение метода адз /X « 1 % достигается в рабочей точке, которая соответствует заряду Qe = 5 х 106е~, образованному в дрейфовой ячейке треком минимально ионизирующей частицы, при газовом усилении М = 8х104. В условиях эксперимента L3 пространственное разрешение координаты трека методом деления заряда оценивалось по распределению величины разницы между координатами, измеренными ТЕС и методом ДЗ (Рис.15в). При этом среднеквадратичное отклонение распределения для большинства модулей не превысило ст»22 мм, а относительное разрешение |AL/L|< 2%.

Измерения показали,

что достигнутая зависимость Y-T линейна почти во всём дрейфовом промежутке, кроме участка | Y | = 1 мм вблизи проволочек. При этом, нелинейность в диапазоне | Y | = 2н-22 мм не превышала 70 мкм.

Детектор FTC, как один из компонентов установки L3 постоянно участвовал в наборе данных. Так, использование детектора FTC при определении знака заряда частиц иллюстрируется на примере распада Z° Другой

пример использования FTC приводится в работе по исследованию предсказаний квантовой электродинамики для реакции е+е" -» уу. Отбор событий этой

Ш 15 14

Номер модуля Рис.15. Пространственное разрешение FTC.

реакции осуществлялся с помощью детекторов ТЕС и FTC, перекрывавших интервалы косинусов углов вылета частиц | cos(9) | < 0,883 и 0,833< | cos(8) | <0,97 , соответственно. Причём три точки значений сечения реакции в области малых углов были получены исключительно с помощью FTC. Информация о треках заряженных частиц в ТЕС и FTC использовалась для идентификации у-квантов в качестве "вето". Полученная эффективность "вето" составила 99,98% ± 0,02%.

Глава 4. Трековая система на базе «магнитных» камер в эксперименте HERMES (DESY).

Основной задачей эксперимента HERMES является изучение спиновой структуры нуклонов путем исследования инклюзивных и полуинклюзивных процессов глубоко-неупругого рассеяния поляризованных позитронов (электронов) на поляризованных мишенях из водорода, дейтерия и гелия-3. Эксперимент, в отличие от предыдущих, позволяет изучать полуинклюзивные процессы, используя детектирование адронов в совпадении с рассеянным лепто-ном. Для существенного упрощения анализа данных, полученных в установке HERMES, предусмотрена возможность идентификации типа адронов (протоны, пионы, каоны).

Эксперимент HERMES проводится на ускорителе HERA в исследовательском центре DESY в г. Гамбурге, Германия. Ускоритель HERA представляет собой позитрон-протонный коллайдер. Поляризованный позитронный пучок имеет энергию 27.5 ГэВ, протонный пучок не поляризован и его энергия - 920 ГэВ. В эксперименте HERMES используется поляризованный позитронный пучок, который рассеивается на газообразной "фиксированной" мишени. Угловой захват установки составляет ±(40-И40) миллирадиан в вертикальном направлении и ±(0-И70) миллирадиан в горизонтальном направлении. Таким образом, полный диапазон углов рассеяния составляет 40-220 миллирадиан. Это задает максимально возможную кинематическую область, в которой анализируются данные.

Детектор HERMES представляет собой магнитный спектрометр, включающий в себя трековые детекторы и детекторы для идентификации частиц. Напряженность магнитного поля составляет В=1,ЗТм. Угловой захват детектора разделен на верхнюю и нижнюю части металлической плитой, которая защищает позитронный и протонный пучки ускорителя от влияния магнитного поля магнита HERMES. В установке существует система идентификации частиц предназначенная для разделения позитронов, пионов, протонов и каонов TRD служит для разделения позитронов и пионов и имеет высокую эффективность такого разделения (90%) при энергии частиц больше 5 ГэВ. Трековая часть детектора состоит из следующих основных элементов (Рис.16): вершинные камеры VC, дрейфовые вершинные камеры DVC, передние дрейфовые камеры FC и задние дрейфовые камеры ВС. Внутри зазора спектрометриче-

ского магнита установлена разработанная и созданная в ПИЯФ трековая система на базе пропорциональных камер (МС-спектрометр).

Треки частиц, которые получаются в результате реконструкции, делятся на 2 группы: «длинные треки» и «короткие треки» (Рис.16).

- «Длинные треки» образованны частицами, прошедшими через весь спектрометр HERMES. Они реконструируются вершинными камерами VC и дрейфовыми камерами, установленными как до, так и после магнита DVC, FC, ВС.

- «Короткие треки» реконструируются с помощью входных трековых детекторов, установленных перед магнитом, и МС-спектрометра, размещенного в зазоре спектрометрического магнита.

МС-спектрометр

являлся одним из принципиально важных компонентов детектора HERMES [29,30], который позволяет:

- разделять многотрековые процессы при реконструкции событий;

- осуществлять импульсный анализ низкоэнергетичных продуктов распада за счет детектирования и реконструкции треков частиц с малыми импульсами, которые выходят за пределы магнита, не попадая в заднюю трековую систему HERMES(a).

Это позволяет изучать полуинклюзивные реакции, которые требуют детектирования и определения траекторий продуктов распада нестабильных частиц, которыми, например, могут быть пионы или протоны от распада А° гиперонов.

Каждый МС блок состоит из трех модулей: MCI, МС2 и МСЗ. Отдельный модуль содержит трех плоскости, в которых анодные проволочки имеют три различные ориентации в пространстве U(-30°), Х(0°) и V(+30°). Проволочки в Х-плоскости натянуты вертикально с шагом 2мм. Камеры располагаются в зазоре магнита детектора HERMES и охватывают угловой диапазон 40 < |9верт.| < 140 миллирадиан по направлению вертикальной оси "У" и 0 <

длинных и коротких треков.

I

о

□

Короткие треки (ЭУС+РС+МС) Длинные треки (ОУС+РС+ВС) Короткие треки (РС+МС) Длинные треки (РС+ВС)

*> f >£

» «

|9гориз. | < 170 миллирадиан по направлению горизонтальной оси "X", что соответствует входному углу детектора HERMES.

То, что МС-спектрометр размещался внутри магнита, наложило жесткие требования на конструкцию M С. В частности, требование эксперимента обеспечить максимальный вертикальный захват частиц «магнитными камерами» в условиях ограниченного пространства между полюсами магнита с неизбежностью приводило к необходимости резкого уменьшения ширины несущих алюминиевых рам камер. Их длинные стороны были очень узкими и поэтому не обеспечивали требуемой жесткости, а значит - механической устойчивости МС. В результате рамы прогибались в вертикальном направлении на такую большую величину, которая с точки зрения устойчивости работы МС совершенно недопустима. Проблема оказалась очень серьезной и от ее решения зависела реальная возможность создания качественного спектрометра на основе МС внутри магнита.

Решение было найдено путем разработки специального метода компенсации деформации рам. Для того, чтобы минимизировать разрушающее влияние деформаций наружных рам на работу МС, была предложен и реализован компенсационный метод, включающий в себя статическую и динамическую составляющие. Было подтверждено экспериментально, что разработанный метод компенсации деформации тонких поддерживающих рам МС эффективно предотвращает практически любые механические не стабильности рам и гарантирует стабильную работу детекторов без доступа в течение многих лет.

В ходе эксперимента было показано, что эффективности плоскостей МС для реконструированных событий, выделенных установкой HERMES для частиц с энергией более 3 ГэВ, находятся в диапазоне 96.8%-^99.6%. При этом эффективность регистрации «МС камерами» коротких треков, которые детектировались передней трековой системой установки HERMES, составляет практически 100%. Кроме этого, в работе заметное место отведено методике

2 гл

Г, Ое\7с

Рис.17. Импульсное и угловое разрешения, полученные для коротких и длинных треков, при различных комбинациях использования информации с различных трековых детекторов.

эксперимента, а именно, исследованию характеристик работы пропорциональных камер, установленных в зазоре спектрометрического магнита, которые позволяют реконструировать треки низкоэнергетичных частиц. Проведено исследование угловых и импульсных характеристик спектрометра для треков, реконструируемых с помощью «МС камер».

На Рис.17 показаны импульсное и угловое разрешения, полученные для длинных и коротких треков частиц при различных методах учета информации с передней части трековой системы установки HERMES. Видно, что наилучший результат достигается, если в реконструкции участвуют «МС камеры» совместно с трековыми детекторами, размещенными перед магнитом (DVC+FC+MC). В этом случае импульсное и угловое разрешения для коротких и длинных треков очень близки.

В частности, короткие треки играют важную роль для анализа событий с рождением А°-гиперонов. Пион, образованный при распаде А°-частицы, имеет меньший импульс чем протон, и часто (приблизительно в 50% случаев), проходит только через переднюю часть спектрометра и пропорциональные камеры, после чего из-за сильного отклонения магнитным полем "вылетает" из установки и его трек может быть реконструирован только с использованием МС. Важно отметить, что вклад коротких треков детектируемых МС, становится еще более существенным при изучении других процессов, в которые вовлечены частицы более массивные, чем Л-гипероны.

Глава 5. Исследование процессов старения детекторов частиц, работающих в интенсивных полях излучений

Сегодня, в эпоху Большого Адронного Коллайдера (LHC) радиационная стойкость стала чрезвычайно важной рабочей характеристикой газоразрядного детектора, сопоставимой по важности с его эффективностью, быстродействием и пространственным разрешением. Это обусловлено тем, что радиационная стойкость современных детекторов должна быть, по крайней мере, на порядок выше величины, достигнутой в ранее выполненных экспериментах. Таким образом, исследование эффектов старения этих новых детекторов является принципиально важным и своевременным.

В этой главе анализируется опыт создания радиационно-стойких детекторов, накопленный нами в ходе создания и исследования различных типов газоразрядных детекторов для таких экспериментов, как ATLAS, CMS, LHCb в ЦЕРНе (Швейцария) за 1996-2004годы. На основании этого опыта была предложена и реализована методика проведения исследований (и оптимизации) радиационных свойств газоразрядных детекторов путем их «быстрого старения» и экстраполяции полученных результатов на параметры детекторов при обычной (в десятки раз более низкой) скорости набора дозы облучения. Реализация подобного подхода позволяет оптимизировать радиационную стойкость детекторов на этапе их проектирования и исследования.

В работе анализируются результаты исследований свойств различных типов детекторов при их работе с различными газовыми смесями, обсуждаются результаты исследования влияния пространственного заряда на величину коэффициента газового усиления (КГУ) детектора при осуществлении ускоренного старения современных газовых детекторов находящегося в радиационных полях различной плотности. Анализируются особенности измерения КГУ для газовых смесей, в которых возникает стримерный разряд и т.д. [3133].

5.1. Применение ядерно-физических методов для исследования процессов старения детекторов.

Впервые в мировой практике нами был успешно применен метод ядерных реакций (метод NRA) для исследования развития процессов старения детекторов путем анализа распределения концентрационных профилей легких элементов по глубине анодных проволочек диаметром от 20 до 50 микрон, которые предполагалось применить для различных детекторов в ЦЕРНе в экспериментах CMS, ATLAS, LHCb и т.д. Принципиально важным достижением было то, что метод позволил осуществлять количественную оценку распределения элементов, приходящих из газовой лавины (кислород, углерод, азот, фтор и т.д.) на электроды детектора, как по их поверхности, так и по глубине.

Для детектирования и количественной оценки углерода, кислорода и азота в золотом покрытии анодных проволочек в зависимости от глубины были использованы следующие ядерные реакции элементов с дейтронами и протонами:

12С + d 13С + р + 2.722 МэВ 160 + d -> 170 + р + 1.049 МэВ

l4N + d -> 15N + р + 1.305 МэВ ,9F + р |бО + а + QR,

где Qr - энергия, выделяемая в реакции

Принципиальное преимущество метода NRA (по сравнению с другими) заключается в том, что детектируемые продукты ядерных реакций имеют энергию значительно выше энергии частиц, которые упруго рассеиваются назад от тяжелой матрицы основного вещества. Таким образом, сигналы от легких элементов детектируются в той области энергетического спектра, где фон практически отсутствует.

Методика применения метода ядерных реакций для исследования развития процессов старения детекторов была реализована и отработана на электростатическом ускорителе ПИЯФ РАН с максимальной энергией частиц 1.7 МэВ. Полученные нами экспериментальные результаты, ясно демонстрирующие высокую эффективность применения метода ядерных реакций для исследования процессов старения детекторов, представлены в работах [34-37].

Разработан метод NRA, позволивший при исследовании радиационной стойкости детекторов:

- детектировать и проводить количественный анализ всех легких элементов (кислород, углерод, фтор, азот), которые приходят из газовых смесей, применяемых в газонаполненных детекторах, на электроды и концентрируются в материале электродов.

- однозначно продемонстрировать ключевую роль кислорода в механизме развития процессов старения (распухания) проволочек;

- детектировать заранее непредсказуемые распределения кислорода и других легких элементов вдоль проволочки (см., например, [36]).

5.2. Эффект распухания анодных проволочек - принципиально новый механизм старения газоразрядных детекторов частиц при больших дозах облучения.

Обычно эффекты старения вызывают деградацию поверхности как анодных, так и катодных электродов, которая возникает в виде «осадков». Эти отложения, как правило, представляют собой какие-то виды полимеров или, в отдельных случаях, могут быть элементарным углеродом.

Несколько лет тому назад принципиально новый механизм старения анодной проволоки - распухание проволоки при больших накопленных дозах, был обнаружен и описан в ходе исследований [38-40], выполненных Отделом трековых детекторов ПИЯФ РАН. Это было новое явление, вызывающее существенное ухудшение параметров газовых детекторов. Проведенные исследования показали, что принципиальное различие между обнаруженным явлением «распухания» анодной проволоки и хорошо известным полимеризацион-ным механизмом старения, связано с тем, что при разбухании золотое покрытие разрушается под влиянием сил, действующих изнутри проволочки. В результате такого процесса диаметр проволоки увеличивается. На Рис.18 представлены результаты БЕМ/ХЕМ анализа, полученные для различных для различных координат вдоль проволочки после накопления заряда 0 = 9Кулон/см.

Рис.18. Эффект распухания анодной проволочки. Рис. 18а. Край проволочки. Необлученная зона, Х= -14ст. Диаметр - 35мкм. Рис. 186. Центр проволочки. Центр облученной зоны. Диаметр - 42мкм

Такой анализ проводился как в центре зоны облучения (X = 0 см), так и далеко за ее пределами со стороны входа газа (X = -14 см). Как можно видеть, золоченная поверхность проволоки вне зоны облучения остается гладкой, неповрежденной и без осадков. В центре же зоны облучения золотое покрытие разрушено и диаметр проволоки увеличился на 20% (с 35мкм до 42мкм). Режим облучения: интенсивность - 1.7 мкА/см и доза - 9 Кл/см на проволоку).

БЕМ/ХЕМ анализы, сделанные в нескольких точках вдоль проволоки, показывают, что осадки, обнаруженные за пределами зоны облучения, содер-

0см, центр зоны облучения. + 2см, край зоны облучения. - 4см, по направлению ко входу газа. = + 4см, по направлению к выходу газа. -14см, необлученная проволочка.

з 1.20Е+22

.О

О 1.00Е+22

сз

« 8.00Е+21

О

О 6.00Е+21

о

§ 4.00Е+21

«

Ш 2.00Е+21

Э

= О.ООЕ+ОО

§ 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

^ Глубина, мг/см2

Рис.19. Распределение концентрации кислорода как функция глубины золотого покрытия в различных точках вдоль анодной проволочки. Ориентировочный масштаб: 1 мг/см2 соответствует 0,5мкм по толщине.

жат интенсивные пики вольфрама и кислорода, а также следы фтора.

Чтобы получить количественную оценку распределения легких элементов как в глубину золотого покрытия (Рис.19), так вдоль поверхности проволочки (Рис.20) мы применили метод ядерных реакций (N1^). Из данных, представленных наРис.20 видно, что существует прямая корреляция между диаметром анодной проволоки и распределением концентрации кислорода вдоль проволочки. Причем, положения и формы пиков имеют сильную корреляцию и хорошо согласуются с положением пучка.

Используя метод ЫЯА, мы видим, что пиковая концентрация кислорода, собранного в центре зоны облучения увеличилась более, чем в 25 раз, по сравнению с необлученной проволокой. Далее, количество кислорода в проволоке, измеренное вблизи выходного отверстия газа, оказалось существенно больше, чем количество кислорода, измеренное вблизи входного отверстия газа. Это хорошо согласуется с результатами, полученными при БЕМ/ХЕМ анализе.

Главная идея, объясняющая эффект распухания, заключается в следующем. Кислород приникает через имеющиеся/образующиеся поры в золотом покрытии и, как мы предполагаем, окисляет под ним вольфрам. Мы не можем исключать, что при этом на этом же уровне могут образовываться и другие соединения. В результате, все это вместе взятое приводит к значительному локальному увеличению объема вольфрамовых соединений внутри проволоки, что и создает внутри проволоки силы, вызывающие разрыв золотого покрытия.

Представленный в диссертации широкий спектр экспериментальных данных позволяет утверждать, что обнаруженный нами новый механизм старения - распухание анодных проволочек - не является уникальным явлением, и оно проявляется при работе детекторов в интенсивных радиационных полях. Применение различных газовых смесей и типов анодных проволочек изменяет

только масштаб проявления обнаруженного явления. Детальное изучение процессов старения анодных проволочек, изготовленных из золоченого вольфрама диаметром 25, 30 и 35 микрон, было выполнено при различных величинах накопленных зарядах вплоть до 9Кл/см. В исследованиях использовались различные газовые смеси: Хе+10%С02+20%СР4, Аг+30%С02+Ю%СР4, Аг+40%С02+20%С2Н2Р4 и

Аг+30%С02+1 0%С2Н2Р4.

Впервые экспериментально обнаружено, что при определенных условиях плазмохими-ческие процессы, вызывающие «распухание» проволочки, могут идти столь интенсивно, что вызывают выход значительного количества

31

37,5

а

2 37

в)'

Ч

О а • 36,5

м

& 36

5 3«

Ч.

35

Облучение

' г м г

1

>

-1« -14 .12 -1» -I

• 10 1} 14 16

Рис.20а. Эффект распухания анодной проволочки. Зависимость диаметра проволочки от координаты вдоль проволочки.

я

X

о

1800 1600 1400 1200 1000 >00 600 400 200

1 Кислород Углерод

/ \

ч

г \ 1\

/ V "Л

£ й-. ва= шщш г« в__

-16 -14 >12 -10 -0

10 12 14 16

Координата вдоль проволочки, см Рис.206. Распределения концентрации кислорода и углерода вдоль проволочки, полученные методом ЫЯА.

вновь образованных химических соединений, содержащих кислород и вольфрам, изнутри проволочки на поверхность ее золотого покрытия, причем в значительном количестве за пределами зоны облучения (Рис.21).

Анализ полученных результатов показал, что, несмотря на существенное различие между исследованными эффектами старения, природа сил, вызывающих старение проволочек, одинакова: распухание материала проволочки порождает внутри анодной проволоки силы, которые приводят к образованию трещин в золотом покрытии.

Проведенный анализ экспериментальных данных позволил нам предло-

Д = 11 мкм

Рис.21. Типичные результаты обследования анодной проволоки методом SEM/XEM в точке, расположенной вблизи зоны облучения со стороны выхода газового потока. Очень толстый слой (11мкм) окиси вольфрама хорошо наблюдается поверх золотого покрытия проволоки. Диаметр проволочки - ЗОмкм.

жить модель возникновения и развития «распухания» анодной проволочки, в которой рассмотрена взаимосвязь между главными факторами, вызывающими распухание и, как следствие, старение детектора.

5.3. Исследование процессов старения больших мюонных камер для эксперимента CMS в ЦЕРНе.

Мюонная система в эксперименте CMS состоит из 540 катодных стрипо-вых камер (CSC) шести различных типов, самые большие из которых имеют размеры 3.4x1.5 м2. Все камеры изготавливались из семи трапецеидальных катодных панелей, разделенных шестью зазорами величиной 1см, в центре которых располагались анодные проволочные электроды. Общая площадь, покрываемая камерами, составляет более 1000м2 (или 6000м2, если каждую камеру считать отдельно), а общее число анодных проволочек превышает 2 миллиона.

Ясно, что нельзя было начинать производство такого гигантского объема камер без тщательного исследования и оптимизации их свойств и, в первую очередь, без гарантированного обеспечения необходимого времени их жизни в условиях реального эксперимента. В ходе работ были исследованы различные прототипы камер, которые были изготовлены с использованием именно тех материалов, которые предполагалось применить при производстве камер. В этих исследованиях использовались три различные газовые смеси 30%Ar+50%C02+20%CF4, 30%Аг+70%С02, и 40%Ar+50%C02+10%CF4 [4142].

Экспериментально доказано, что применение газовой смеси 40%Ar+50%C02+10%CF4 (и 20%CF4 тоже) позволяет накапливать экстремально высокие дозы облучения - вплоть до 13 кулон на сантиметр длины анодной проволочки практически без заметного падения величины КГУ. Анализы поверхностей анодов и катодов после проведенных облучений показали, что газовые смеси, имеющие в своем составе CF4, вызывают в камерах катодный тип старения. Задачей исследований с газовой смесью 30%Аг+70%С02 было подтвердить позитивную роль CF4 в предотвращении старения анодных проволочек. Полученные результаты показали, что отсутствие CF4 принципиально изменило химию образования осадков и развития процессов полимеризации по сравнению с той, которую мы наблюдали для газовой смеси 30%Ar+50%C02+20%CF4. В частности, в этом случае в камере развивался анодный тип старения, а время жизни уменьшается в десятки раз.

Автор выносит на защиту следующие результаты:

1. Разработан и создан полномасштабный детектор переходного излучения (ДПИ), который был успешно применен в серии экспериментов (Е-715, Е-761, Е-781), проведенных на гиперонных пучках в Лаборатории им. Э.Ферми (Fermilab, USA) за период с 1981 по 1998годы.

1.1. Многомодульный ДПИ с рабочей апертурой 1,0x0,6м и малыми флуктуациями коэффициента газового усиления по площади (менее 12%) обеспечил рекордную режекцию пи-минус мезонов, которая составила Rtt > 1.8х103 при эффективности регистрации электронов ее > 99,7%. В ходе эксперимента Е-715 были разработаны и реализованы алгоритмы работы ДПИ в составе экспериментальной установки, обеспечивающие максимально высокий коэффициент режекции п~- мезонов. Эти алгоритмы были успешно применены во всех последующих экспериментах с использованием ДПИ. Применение ДПИ в эксперименте Е-715 позволило надежно выделить бета-распады поляризованных сигма-минус гиперонов с импульсом 250 ГэВ/с на фоне в 1000 раз более интенсивного канала распада Е-—> птг . Было показано, что вопреки имеющимся в то время экспериментальным данным, полученная величина электронной ассиметрии в изучаемом распаде очень близка к предсказанной и составляет ас = -0.53+0.14.

1.2. Использование ДПИ в эксперименте Е-761 позволило надежно выделить радиационный распад > PY и исследовать его асимметрию на фоне в 400 раз более интенсивной реакции > Рл° р2у, кинематика которой подобна кинематике исследуемого процесса, а в конечном состоянии образуются те же частицы. В этом эксперименте ДПИ был применен в новом качестве: он являлся ключевым элементом фотонного калориметра и впервые использовался как гамма-детектор с высоким пространственным разрешением (FWHM=2mm). В этом же эксперименте были получены новые данные по радиационным распадам, поляризации и магнитным моментам различных гиперонов, включая Н~ и

1.3. SELEX спектрометр (эксперимент Е-781) был ориентирован на изучение широкого класса ядерных реакций, связанных с рождением очарованных барионов и их распадами. Структура спектрометра предусматривала возможность реконструкции двух вершин с хорошим пространственным и, соответственно, угловым разрешениями. Важнейшей особенностью спектрометра SELEX явилось наличие системы полной идентификации частиц, которая базировалась на созданной в ПИЯФ трековой системе содержащей два ДПИ (пучковый и электронный) и 26 пропорциональных камер. Только за последние несколько лет была получена серия совершенно новых физических результатов. Сюда входят: измерение выходов Лс, Dc, D° и D* на пучках Е , л~ и р; более точное измерение времени жизни Ас; впервые был измерен зарядовый радиус Е ; получены новые данные по поляризации гиперонов и т.д.

2. Для исследования эффектов каналирования и фокусирования протонов с энергией 1 ГэВ монокристаллами были разработаны и созданы две трековые системы на базе пропорциональных камер с различными методами съёма информации, работающие совместно с детектором ионизационных потерь. Проведенный в диссертации анализ показал, что совместное использование этих двух методов (трековая система и детектор ионизационных потерь) значительно увеличивает надежность и качество получаемых результатов.

2.1. Высокое угловое разрешение экспериментальной установки позволило доказать возможность поворота пучка протонов с энергией 1 ГэВ изогнутым монокристаллом на угол 11 мрад, а также разделить эффекты для различных кристаллографических плоскостей и оценить вероятность объемного захвата в режим каналирования для 1 ГэВ протонов в канал плоскости (111).

2.2. За счет предельно высокого пространственного разрешения (о<50рш) камер, входящих в состав новой трековой системы, удалось экспериментально продемонстрировать эффект угловой фокусировки каналирую-щих протонов с энергией I ГэВ изогнутым монокристаллом. В результате, в фокальной плоскости изогнутого кристалла был обнаружен узкий пик шириной 0.65±0.05 мм, что соответствует угловой расходимости, определяемой

углом Линдхарда (0.12 мрад) для данной кристаллографической плоскости (111).

3. Разработан и создан торцевой детектор (FTC) на базе дрейфовых камер для экспериментальной установки L3 (ЦЕРН, Швейцария). Детектор FTC предназначался для регистрации координат частиц в диапазонах полярных углов 14° < 0 < 35° и 145°< 9 < 166°, которые не перекрываются Z-камерами центрального детектора ТЕС.

3.1. В детекторе FTC с каждой из 320 анодных проволочек регистрировались две координаты частицы. Первая координата измерялась по времени дрейфа и обеспечивала пространственное и угловое разрешения FTC на уровне: не хуже ст<150мкм и Д9<10мрад, соответственно. Вторая координата измерялась методом деления заряда. Впервые на низкорезистивной анодной проволочке (100 ом/метр) было реализовано измерение координат треков частиц методом деления заряда с практически предельным для данного метода пространственным разрешением (стх«0,01Ь, где L - длина проволочки).

3.2. Разработан и реализован алгоритм оптимизации всего комплекса рабочих параметров дрейфовых камер в условиях ограниченного пространства для их размещения. Показано, что линейность зависимости координаты трека частицы от времени дрейфа (Y-T) является единственным физическим критерием, включающим в себя весь комплекс факторов, влияющих на работу дрейфовой камеры FTC. Одним из практических результатов применения предложенного метода, явились то, что были достигнуты практически одинаковые условия дрейфа электронов для всех дрейфовых ячеек детектора, что значительно упростило процедуру его калибровки. При этом максимальная погрешность в определении координаты трека частицы, вызванная нелинейностью зависимости «координата-время», не превысила <70мкм.

3.3. Разработан и реализован в конструкции детектора новый метод, позволяющий одновременно формировать в дрейфовом промежутке однородное электрическое поле и защищать его от разрушающего воздействия внешних заземленных экранов. Результирующая неоднородность электрического поля в дрейфовом промежутке модуля FTC составила |ДЕ /Е| < 0,5%, что обеспечило постоянство дрейфовой скорости электронов на уровне | ДУдр/Удр | < 0,08%.

3.4. Детектор более 10 лет успешно участвовал в наборе статистики и использовался в анализе данных на ускорителе LEP в ЦЕРНе при изучении физических процессов с участием электронов, фотонов, мюонов и адронов, рождающихся в е+е~ - столкновениях при энергиях до Vi = 200ГэВ. Данные, получаемые непосредственно с детектора FTC, оказались принципиально важным и при определении знака заряда частиц в распаде Z0 —> ц+|д~ и при исследовании предсказаний квантовой электродинамики для реакции е+е~ уу.

4. Разработан и создан на базе пропорциональных камер координатный детектор низкоэнергичных частиц (МС-детектор), более 10 лет успешно работавший в составе экспериментальной установки HERMES (DESY, Германия).

4.1. Размещение МС-камер внутри спектрометрического магнита экспериментальной установки позволило реконструировать многотрековые события и, что принципиально важно, дало возможность осуществлять импульсный анализ низкоэнергетичных продуктов распада, которые вообще не могли быть зарегистрированы без информации, поступающей от МС камер. Импульсное и угловое разрешение для этих событий (короткие треки) оказалось почти таким же, как и для длинных треков, прошедших через всю трековую систему HERMES. Способность реконструировать короткие треки сделала МС-детектор принципиально важным прибором при изучении полуинклюзивных каналов реакций. В частности, это дало возможность изучать распады барионов, таких как А°.

4.2. Предложен и успешно реализован метод, позволивший использовать в конструкции МС-камер нежесткие наружные рамы. Это позволило максимально расширить кинематическую область анализа данных в установке HERMES.

5. Разработана и реализована методология исследования и оптимизации радиационной стойкости детекторов частиц, позволяющая анализировать воздействие как отдельных факторов (состав газа, материал электродов, условия облучения, скорость продува газа и т.д.), так и конструкции детектора в целом на его радиационную стойкость. Проведен широкий комплекс исследований по изучению радиационной стойкости детекторов частиц, которая в эпоху LHC стала ключевым параметром детекторов.

5.1. Предложено и продемонстрировано, что метод ядерных реакций является очень эффективным инструментом при исследовании механизмов развития радиационной стойкости детекторов. Впервые в мировой практике использован метод ядерных реакций для количественных измерений распределения легких элементов (кислород, углерод, азот), приходящих из газовой лавины на анодную проволочку вдоль ее поверхности, а также проследить динамику движения этих элементов в глубину проволочки и их обратное движение в составе новых химических соединений на поверхность проволочки.

5.2. Впервые обнаружен и исследован принципиально новый механизм старения анодных проволочек, который назвали - «эффектом распухания» проволочек.

5.3. Принципиальным отличием обнаруженного «эффекта распухания» от ранее известных «полимеризационных» механизмов старения состоит в том, что силы, вызывающие деформацию анодной проволочки, развиваются внутри проволочки, разрывая её золотое покрытие изнутри.

5.4. Экспериментально было доказано, что кислород играет ключевую роль в развитии процесса старения при больших накопленных дозах облуче-

ния. Показано, что существует прямая корреляция между величиной диаметра проволочки и распределением концентрации кислорода вдоль проволочки.

5.5. Впервые экспериментально обнаружено, что при определенных условиях плазмохимические процессы, вызывающие «распухание» проволочки, могут идти столь интенсивно, что вызывают выход значительного количества вновь образованных химических соединений, содержащих кислород и вольфрам, изнутри проволочки на поверхность ее золотого покрытия.

5.6. Проведены детальные исследования процессов развития старения прототипов «мюонных камер» для установки CMS в ЦЕРНе.

5.6.1. Эксперименты показали, что применение газовой смеси 40%Ar+50%C02+10%CF4 позволяет накапливать экстремально высокие дозы облучения - вплоть до 13 кулон на сантиметр длины анодной проволочки практически без заметного падения величины КГУ.

5.6.2. Найденная газовая смесь оказалась настолько эффективной, что практически полностью блокировала экстремально негативное влияние паров кремнийсодержащих материалов, применяемых в технологии изготовлении детекторов частиц, на их работу. Экспериментально было доказано, что ключевую роль в механизме блокирования играет фреон CF4. В частности, при его отсутствии в составе газовой смеси, камера выходила полностью из строя уже при накопленной дозе менее 0.1 кулона/см длины анодной проволочки. Причиной этого явилось интенсивное оседание кремнийсодержащих осадков на анодные проволочки.

5.6.3. Получены результаты были реализованы в финальной конструкции полномасштабных камер, что позволило гарантировать их надежную работу в течение ~30 лет в условиях номинальной светимости ускорителя LHC

6. Суммируя все вышесказанной, необходимо отметить, что проведенные исследования и разработки создали основу для создания в ПКЯФ широкого спектра экспериментальных установок на основе пропорциональных и дрейфовых камер с различными типами съема информации (по-канальный съем; метод деления заряда; метод измерения времени дрейфа; съем информации на линию задержки; катодный съем информации и т.д.). Эти детекторы надежно работали (и продолжают работать) практически во всех ядерно-физических экспериментах, проводимых ПИЯФ в области физики высоких энергий, как в России, так и в международных научных центрах в течении последних 25 лет.

По теме диссертации опубликованы следующие работы

1.В. А. Андреев, А. А. Воробьев,... А.Г.Крившич, В. А. Щегельский, Детектор переходного излучения электронов в эксперименте по измерению асимметрии в ß-распаде поляризованных

- гиперонов, Препринт ЛИЯФ АН СССР № 1186 (апрель 1986).

2. В.А. Андреев, Г.Е. Гаврилов, А.Г. Крившич, С.К. Патричев и др., "Пропорциональные камеры с высокой однородностью коэффициента газового усиления для детектора переходного

излучения", Материалы международного совещания по пропорциональным и дрейфовым камерам, Дубна, (189-193) 1988.

3. V.T.Grachev, A.G.Krivshcih, V.A.Schegelsky, N.N.Smirnov, N.K.Terentyev, A.A.Vorobyov, P.S.Cooper, J. Lacli and M.Fouclier, Transition radiation detectors in hyperon experiments at Fermilab, Proceedings of the Symposium on Particle Identification at High Luminosity Hadron Colliders, FNAL, Batavia, Illinois, April 5-7, 1989,415-433

4.P.S.Cooper, .... E.Jastrazembski, A.Krivshich, ... A.Vorobyov, Fermilab proposal 761, An elec-troweak enigma: hyperon radiative decays, April 3,1985.

5.R.Edelstein, ... A.Krivshich, ... P.S.Cooper, Frmilab proposal 781, A proposal to construct SE-LEX - Segmented Large-X baryon spectrometer, November 8, 1987.

6. A.Krivshich, Efficiency of PNP1 proportional chambers under the real beam conditions of E-781, H-note 742, June 1995, FNAL

7.V.Maleev, N.Bondar, A.Krivshich, S.Patrichev, N.Terentyev, Description and test results for DPWC and TRD in E-781, H-note 747, Sept. 1995, FNAL.

8.J.Russ, G.AIkhazov, ... A.Krivshich, ..., et al. Int. Conf. HEP-2000, "Recent results from SE-LEX" Osaka 2000, High Energy Physics, vol.2,820-821"; Fermilab-Conf-00-252E.

9. F.G.Garcia, G.AIkhazov, .... A.Krivshich,..., et al. Hadronic production of Lambda С from 600-Gev/c pi-, sigma-, and p- beams, Femiilab-Pub-01-258E, Sep. 2001, 6pp, Phys.Lett.B528: 49-57,2002.

10. l.Eschrich, H.Kruger, J.Simon, ... A.Krivshich, ..., et al., "Measurements of the sigma-charge radius by sigma-electron elastic scettering", Phys. Lett. B522 (2001) 233-239

11. . U.Dersch, N.Akchurin, ... A.Krivshich, ..., et al. Total cross-section measurements with pi-, sigma-, and protons on nuclei and nucleons around 600-Gev/c, Nuclear Physics 579 (2000) 277-312.

12. M.Matson, G.AIkhazov,.... A.Krivshich, ..., et al., First observation of the doubly charmed

baryon Phys.Rev.Letter. 89(2002) 112001.

13. S.Y.Jun, N.Akchurin, ... A.Krivshich, ..., et al., "Observation of the Cabibbo-suppresed decay S+ —» pK + " Phys.Rev.Letter. vol.84, num.9 (2000) 1857-1861.

14. A.Kushnirenko, G.AIkhazov..... A.Krivshich, .... et al., "Precision measurements of the

Л*. and D° lifetimes", Phys.Rev.Letter. vol.86, num.23 (2001) 5243-5246.

15. В.А.Андреев, А.А.Воробьев,.... А.Г.Крившнч, ... В.М. Самсонов, ... О.И.Сумбаев. Проект эксперимента по обнаружению объемного захвата протонов в режим канапирования изогнутым кристаллом. Предложение эксперимента. JL, (1980) 1-31.

16. В.А.Андреев, А.А.Воробьев. .... А.Г.Крнвшнч, ... В.М. Самсонов, О.И.Сумбаев. Установка для исследования каналирования протонов с энергией 1 ГэВ. Вопросы атомной науки и техники. Серия: Общая и ядерная физика, выпуск 4(18), 1981, 96-99.

17. В.А.Андреев, ... А.Г.Крившнч, ... В.М. Самсонов. ... В. А. Щегельский, Экспериментальное обнаружение объемного захвата протонов в режим каналирования изогнутым монокристаллом. Письма в ЖЭТФ 36 (1982) 340-343.

18. В.А.Андреев, ... А.Г.Крившнч, ... В.М.Самсонов, ... В.В.Сулимов. О выполнении принципа обратимости для процесса «объемного» захвата частиц в режим каналирования в изогнутом кристалле. Письма в ЖЭТФ44 (1986) 101-103.

19. В.А.Андреев, ... А.Г.Крнвшнч, ... В.М.Самсонов, ... В. А.Щегельский. Фокусировка пучка 1-Гэв-ных протонов при объемном захвате в режим каналирования изогнутым монокристаллом. Письма в ЖЭТФ (1984) 39, в.2, 58-61.

20. В.А.Андреев, ...А.Г.Крившнч, .... В.М.Самсонов, .... В. А. Щегельский. Пространственная фокусировка 1 ГэВ-ных протонов изогнутым монокристаллом. Письма в ЖЭТФ 41 (1985)408.

21. В.А.Андреев, ... А.Г.Крнвшнч, .... В.М.Самсонов, Прецизионная пропорциональная камера для исследования канапирования частиц высоких энергий в изогнутых кристаллах. Сборник «Методические и прикладные работы ЛИЯФ», (1988) 224-226. Н.Ф.Бондарь, А.Г.Крившнч,

В.П.Малеев, Пространственное разрешение пропорциональной камеры с катодным съемом информации, препринт ПИЯФ№-47-1993 1916.

22. G. Alkhazov,... A. Krivshich et. а!.. Forward tracking chamber (FTC) in L3 detector. Parti. General description. PNPI preprint EP-23-1996,2115.

23. V. Andreev, G. Gavrilov, A. Krivshich.....et al.. Design principles of the end cap drift

chambers in the L3 experiment. Nucl. Instrum. and Methods A430(1999) 245-259.

24. A.B. Андреев, Г.Е. Гаврилов, А.Г.Крившич,..... Воздействие внешних экранов на коэффициенты газового усиления в дрейфовых камерах детектора FTC. Препринт ПИЯФ N1797, май 1992 г.

25. 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.

26. A.B. Андреев, Г.Е. Гаврилов, А.Г.Крившич,..... et al.. Минимизация тока утечки в

дрейфовых камерах. Препринт ПИЯФ N1842, декабрь 1992 г.

27. В.А. Андреев, ...., А.Г.Крившич и др. FTC - детектор в установке L3 (ЦЕРН). сборник работ ПИЯФ "Основные результаты исследований 1990-1991 г. (оперативные результаты), стр. 190-192.

28. А.А. Воробьёв, А.Г. Крнвшич, 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.

29. К. Ackerstaff... A. Krivchitch... H.Zohrabian, the HERMES Spectrometer, Nucl. Instr. and Meth. A 417 (1998) 230-265.

30. V. Andreev ... A. Krivchitch, ... G.M. Urciuoli, Multiwire proportional chambers in the HERMES experiment, Nucl. Instr. and Meth. A 465 (2001) 482-497.

31. T. Ferguson, A. Krivchitch and V. Maleev, Gas gain and space charge effects in aging tests of gaseous detectors, Nucl. Inst and Meth. A 515 (2003) 283-287.

32. G. Gavrilov, A. Krivchitch,...., Aging investigation of ATLAS TRT straws, Preprint PNPI, No.2328, EP-43-1999

33. G. Gavrilov, A. Krivchitch, E. Kuznetsova, V.Maleev, Space distribution of streamers in straw tubes, Inst, and Meth. A 515 (203)278-282.

34. G. Gavrilov, A. Krivchitch and V. Lebedev, Application of nuclear reaction analysis for aging investigations of detectors, Nucl. Inst, and Meth. A 515 (2003) 108-117.

35. A.G. Krivchitch and V.M. Lebedev, Application of nuclear reaction analysis for the fluorine content measurements under the aging investigations of gas-filled particle detectors,, Nucl. Instr. and Meth. 581 (2007) 167-170.

36. G. Gavrilov, A. Krivchitch,...., Aging investigation of straw drift tubes using nuclear reaction analysis, Nucl. Inst, and Meth. A 478 (2002) 259-262.

37. В.М.Лебедев, А.Г.Крившич, В.А.Смолин, Исследование старения газоразрядных детекторов частиц методом ядерных реакций, Известия РАН,серия физическая, 2007, том 71, №9, 1360-1366. В.М.Лебедев, А.Г.Крившич, В.А.Смолин, Исследование старения газоразрядных детекторов частиц методом ядерных реакций, Вопросы атомной науки и техники, выпуск 2, Москва (2006) 48-55.

38. T.Ferguson, G.Gavrilov, A.Egorov, A.Krivchitch,.... et al., "Anode wire swelling - a possible phenomenon in the anode wire aging under high accumulated dose", Nucl. Inst, and Meth. A 483 (2002)698-712.

39. T. Ferguson, G. Gavrilov, V. Gratchev, A. Krivchitch, .... et al., Swelling phenomena in the anode wire aging under the high accumulated dose, Nucl. Instr. and Meth. 515 (2003) 266-277.

40. T.Ferguson, G.Gavrilov, A.Krivchitch, .... et al., The effect of oxygen on anode wire swelling under high-accumulated dose, Nucl. Instr. and Meth. 478 (2002) 254-258.

41. T. Ferguson, G. Gavrilov, A. Korytov, A. Krivchitch, .... et al., Aging studies of CMS muon chamber prototypes, Nucl. Inst, and Meth. A 488 (2002) 240-257.

42. D.Acosta, A. Krivshich, V. Yarba, L. Zhou and Z. Zhu et al., Aging tests of fullscale CMS muon cathode strip chambers, Nucl. Inst, and Meth. A 515 (2003) 226-233.

Получено 13 ноября 2010 г.

Отпечатано методом прямого репродуцирования с оригинала, предоставленного автором.

Подписано в печать 15.11.2010. Формат 60 х 90/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 2,94. Уч.-изд. л. 3,55. Тираж 100 экз. Заказ № 57154.

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

Введение.2

1 Глава 1. Применение детекторов переходного излучения в экспериментах на гиперонных пучках Лаборатории им. Энрико Ферми (США).б

1.1. Эксперимент Е715. Прецизионное измерение Р-распада поляризованных Е~-гиперонов.8

1.1.1. Экспериментальная установка.9

1.1.2. Требования, предъявляемые к ДПИ.11

1.1.3. Конструкция ДПИ.12

1.1.3.1. Конструкция пропорциональной камеры ДПИ.13

1.1.3.2. Анализ причин, вызывающих флуктуации КГУ.14

1.1.3.3. Гидростатический фактор. Оптимизация величины «мертвой» зоны ДПИ и ее влияния на флуктуации КГУ.15

1.1.3.4. Конструкционный фактор.17

1.1.3.5. Объединение проволочек в группы.17

1.1.3.6. Результаты измерений характеристик камер ДПИ.20

1.1.4. Регистрирующая электроника.22

1.1.5. Эффективность регистрации электронов ДПИ.24

1.1.6. Измерение коэффициента режекции к- мезонов из распада Е--> п ж-.29

1.1.7. Сравнение измеренной величины выхода переходного излучения с расчетом.'.36

1.1.8. Полученные результаты.37

1.2. Эксперимент Е-761. Исследование радиационных распадов гиперонов.40

1.2.1. Экспериментальная установка.41

1.2.2. Детектор переходного излучения - как прецизионный гамма детектор.43

1.2.2.1. Фотонный спектрометр.43

1.2.2.2. Алгоритм разделения у и л0 на основе информации ДПИ.45

1.2.3. Полученные результаты.50

1.3. Эксперимент Е-781.Исследование рождения С-барионов и их спектроскопия. 51

1.3.1. Экспериментальная установка.52

1.3.2. ДПИ и координатная система на базе пропорциональных камер.54

1.3.2.1. Пропорциональные камеры DPWC 1-3.56

1.3.2.2. Пропорциональные камеры DPWC 4-7.58

1.3.2.3. Электронный детектор переходного излучения ETRD.60

1.3.3. Полученные результаты.64

1.3.3.1. Выходы очарованных гиперонов. (Hadroproduction of charm).64

1.3.3.2. Измерение зарядового радиуса Е- гиперонов.66

1.3.3.3. Измерение полных сечений рассеяния Е- , л~ и протонов на ядрах вблизи ГэВ/с.67

1.4. Основные результаты из Главы 1, выносимые на защиту.70

2 Глава 2. Трековые системы для исследования эффектов каналирования протонов монокристаллами.72

2.1. Эффект объемного захвата в режим каналирования в изогнутом кристалле.73

2.1.1. Экспериментальная установка.74

2.1.2. Экспериментальные результаты.76

2.2. Фокусировка и поворот пучков частиц изогнутыми кристаллами.79

2.2.1. Экспериментальная установка.80

2.2.2. Экспериментальные результаты.83

2.3. Создание пропорциональных камер с высоким пространственным разрешением 84

2.3.1. Оптимизация конструкции.85

2.3.2. Метод измерения предельного пространственного разрешения камер с помощью эффекта фокусировки ионного облака.86

2.3.3. Конструкция пропорциональной камеры.88

2.3.4. Регистрирующая электроника.89

2.3.5. Результаты измерений.91

2.3.5.1. Анодные проволочки ориентированы параллельно катодным стрипам 91

2.3.5.2. Анодные проволочки ориентированы перпендикулярно катодным стрипам 94

2.3.5.3. Регистрация заряженных частиц.95

2.3.6. Выводы.95

2.4. Основные результаты из Главы 2, выносимые на защиту.96

3 Глава 3. Разработка и создание торцевого детектора FTC для эксперимента L3 (CERN).97

3.1. Общее описание детектора L3.97

3.2. Устройство экспериментальной установки L3.99

3.2.1. Центральный трековый детектор.100

3.2.2. Электромагнитный калориметр.101

3.2.3. Адронный калориметр и мюонный фильтр.102

3.2.4. Мюонный спектрометр.103

3.3. Торцевой координатный детектор FTC.103

3.3.1. Проектные требования к детектору.103

3.3.2. Устройство и принцип работы FTC.104

3.3.3. Условия реализации рабочих характеристик FTC.106

3.3.4. Скорость дрейфа и ее влияние на Y-T зависимость.107

3.3.5. Оценка погрешности при измерении координаты трека частицы.109

3.3.6. Право-левая неоднозначность и восстановление многотрековых событий 111

3.3.7. Влияние магнитного поля на измерения координат треков частиц.112

3.4. Конструкция детектора FTC.114

3.4.1. Геометрия и структура детектора.114

3.4.2. Включение детектора FTC в глобальную систему координат L3.116

3.4.3. Геометрия и структура модуля FTC.117

3.4.4. Регистрирующая электроника.119

3.4.5. Высоковольтное питание FTC.121

3.4.6. Система газового снабжения FTC.122

3.4.7. Проблема тепловыделения в FTC.122

3.5. Оптимизация электрического поля в модулях детектора FTC.125

3.5.1. Проблема оптимизации структуры электрического поля.125

3.5.2. Математическая модель расчёта электрического поля в модуле.126

3.5.2.1. Геометрия полеформирующих стрипов.128

3.5.3. Минимизация влияния заземлённых экранов на электрическое поле в модуле 132

3.5.3.1. Влияние внешних заземлённых экранов.132

3.5.3.2. Метод электростатической защиты электрического поля в модуле.133

3.5.3.3. Эффективность метода защиты электрического поля в модуле.135

3.5.4. Минимизация токов утечки.136

3.5.5. Итоги, достигнутые в разделе 3.5.137

3.6. Выбор рабочих параметров для модулей FTC.137

3.6.1. Выбор коэффициента газового усиления в FTC.138

3.6.1.1. Условие одновременного измерения в модуле двух координат трека .138

3.6.1.2. Расстояние между проволочками и рабочая газовая смесь.140

3.6.2. Пространственное разрешение при измерении координат трека методом деления заряда.141

3.7. Испытания детектора FTC на протонном пучке синхроциклотрона ПИЯФ. 143

3.8. Старение детектора FTC.146

3.8.1. Проблема старения газоразрядных детекторов и разработка FTC.146

3.8.2. Эффект старения в детекторе FTC.146

3.9. Работа детектора FTC в эксперименте L3.149

3.9.1. Измерение абсолютной координаты частицы по зависимости « координата-время дрейфа».149

3.9.2. Координатное разрешение метода регистрации по времени дрейфа. Экспериментальные L3 данные.153

3.9.3. Координатное разрешение метода деления заряда. Экспериментальные L3 данные.155

3.9.4. Идентификация знака заряда мюонов в распаде Z° —» .155

3.9.5. Использование FTC в L3 для изучения реакции е+е —> уу.157

3.10. Основные результаты из Главы 3, выносимые на защиту.158

4. Глава 4. Трековая система на базе «магнитных» камер в эксперименте HERMES (DES Y).160

4.1. Эксперимент HERMES.160

4.1.1. Введение.160

4.1.2. Мишень.162

4.1.3. Трековая система.163

4.1.4. Идентификация частиц.163

4.1.5. Триггер.164

4.1.6. Реконструкция треков.164

4.2. Трековая система внутри магнита спектрометра HERMES.165

4.2.1. Мотивация.165

4.2.2. Конструкция камер.167

4.2.3. Расчет «магнитных камер».169

Экспериментальное исследование сложных физических процессов и явлений в области физики высоких и сверхвысоких энергий автоматически подразумевает создание сложной и, как правило, всегда дорогостоящей экспериментальной установки, оптимально сочетающей в себе различные типы детекторов частиц. Основная проблема, которая в этом случае должна быть решена, заключается в правильном выборе методики ядерно-физического эксперимента. Базовым компонентом подобных экспериментальных установок являются трековые системы, созданные на базе газоразрядных детекторов частиц с различными методами съема информации. При этом, как правило, для получения физически красивых экспериментальных результатов требуется детально проанализировать и минимизировать влияние комплекса зачастую взаимно противоречивых факторов влияющих на работу этих детекторов, с целью реализации их предельно достижимых параметров.

Цель настоящей работы заключается в том, чтобы на примере нескольких физических экспериментов продемонстрировать методы (или, можно сказать, стратегию) создания и оптимизации сложных экспериментальных установок основным (или существенным) компонентом которых являются трековые газонаполненные детекторы частиц. Надежда на то, что эта цель может быть достигнута, базируется на многолетнем опыте успешной работы автора и его коллег по созданию трековых систем для различных экспериментов. Это — эксперименты Е-715, Е-761 и Е-781 в Лаборатории им.Э.Ферми (США); эксперимент по изучению каналлирования протонов изогнутыми монокристаллами в ЛИЯФ (СССР), эксперимент L3 в ЦЕРНе (Швейцария); эксперимент HERMES в DESY (Германия) и т.д. Речь идет о таких детекторах частиц, как:

- детекторы переходного излучения;

- пропорциональные камеры с анодным и катодным методами съема информации;

- дрейфовые камеры со съемом информации по времени дрейфа и методом деления зарядов;

Все эти детекторы являются одними из основных трековых приборов в современной физике высоких энергий. В ближайшем будущем, несмотря на появление нового поколения полупроводниковых и газовых микростриповых детекторов, они будут продолжать играть ключевую роль в современных экспериментальных установках на ускорителях как со встречными пучками, так и с фиксированными мишениями. Это обуславливает ряд требований, предъявляемых к трековым детекторам.

Во-первых, при высоких энергиях частицы мало отклоняются в ограниченном объёме магнитного поля экспериментальной установки. Поэтому для точного определения импульса регистрируемых частиц и знака заряда необходимо на большой базе обеспечить многократное измерение координат вдоль трека частицы с достаточно высокой точностью. Причём, учитывая высокую светимость современных коллайдеров (1031-г1034 см сек1), регистрация частиц должна осуществляться в условиях высокой загрузки (в том числе и фоновой), что налагает жёсткие требования на временное разрешение детектора.

Во-вторых, образование и последующий распад нестабильных частиц (например, гиперонов, т - лептонов, с и в — мезонов) приводит к появлению вторичных вершин, для реконструкции которых необходимо высокое двухчастичное и пространственное разрешение детектора в широком диапазоне углов вылета продуктов распада.

В-третьих, для работы детектора в экспериментальной физической установке в течение нескольких лет без доступа персонала требуются высокая надёжность и радиационная стойкость прибора в условиях длительного и интенсивного облучения.

Газонаполненные детекторы частиц, отличающиеся комплексом высоких рабочих характеристик, позволяют эффективно решать перечисленные выше проблемы и получать великолепные физические результаты. В частности:

- создание детектора переходного излучения, работающего в реальном физическом эксперименте, создало принципиальную возможность для проведения в 19832000 годах серии успешных экспериментов (Е-715; Е-761; Е-781 в лаборатории Fermi-lab, USA), в которых был получен ряд уникальных физических результатов (Глава 1).

- использование трековой системы с предельно высоким пространственным разрешением (сг<60 цш) позволило обнаружить эффект каналирования протонов с энергией 1 ГэВ изогнутыми монокристаллами, а также экспериментально продемонстрировать эффект угловой фокусировки каналирующих протонов (Глава 2).

- созданный в ПИЯФ торцевой координатный детектор FTC для экспериментальной установки L3, с помощью которой на ускорителе LEP в ЦЕРНе изучались уникальные физические процессы рождающиеся в е+е" столкновениях при энергиях 5 -т- 200 ГэВ. Детектор участвовал в наборе статистики и успешно использовался в анализе данных на протяжении всего десятилетнего периода работы установки L3. Разработан и применен алгоритм оптимизации всех рабочих параметров дрейфовых камер в условиях внешних ограничений. Разработан метод электростатической защиты электрических полей в дрейфовых камерах от внешних разрушающих воздействий. (Глава 3).

- исследование импульсного и углового разрешения «коротких» треков с помощью спектрометра на базе пропорциональных камер, размещенного внутри магнита установки HERMES (DESY), дало возможность анализировать события с рождением А° - гиперонов (Глава 4).

- значительный объем диссертации посвящен результатам изучения физики газового разряда в различных типах детекторов частиц, работающих в интенсивных полях излучений (Глава 5).

Показано, что метод ядерных реакций является очень эффективным при исследовании механизмов старения детекторов. Он позволил впервые в мировой практике получать количественную информацию о поверхностном и глубинном распределении легких элементов, входящих в состав плазмо-химических радикалов, которые образовались в газовых лавинах, и «пришли» на электроды детекторов частиц. Тем самым разработан и реализован новый метод исследования и оптимизации физических процессов, протекающих в детекторах частиц, работающих в интенсивных радиационных полях.

Проведен широкий комплекс исследований по изучению физических механизмов развития старения газоразрядных детекторов частиц в интенсивных полях излучений. Обнаружен принципиально новый тип старения, который был нами назван - эффект распухания анодных проволочек. Показана ключевая роль кислорода в развитии распухания проволочек. Предложена физическая модель развития явления, в основе которого лежат плазмо-химические процессы образования вольфрамо-кислородных соединений. Показано, что в ряде случаев процессы, приводящих к распуханию проволочек, могут идти столь интенсивно, что вольфрамо-кислородные соединения просто «выбрасываются» изнутри проволочки на ее поверхность и распространяются далеко за пределы зоны облучения.

Результатом комплексного исследования старения прототипов мюонных пропорциональных камер для проекта CMS (ЦЕРН) была выработка таких решений, реализация которых позволила гарантировать надежную работу гигантского мюонного спектрометра в течении ЗСН-50 лет в условиях максимальной светимости LHC. Показано, что рекомендованная к работе газовая смесь обладает уникальными свойствами: позволяет накапливать экстремально высокие дозы облучения (13 Кулон/см) и полностью блокирует предельно негативное влияние кремнийорганических соединений на работу камер.

5.7. Основные результаты из Главы 5, выносимые на защиту.

1. Разработана и реализована методология исследования и оптимизации радиационной стойкости детекторов частиц, позволяющая анализировать воздействие как отдельных факторов (состав газа, материал электродов, условия облучения, скорость продува газа и т.д.), так и конструкции детектора в целом на его радиационную стойкость. Проведен широкий комплекс исследований по изучению радиационной стойкости детекторов частиц, которая в эпоху ЬНС стала ключевым параметром детекторов.

1.1. Предложено и продемонстрировано, что метод ядерных реакций является очень эффективным инструментом при исследовании механизмов развития радиационной стойкости детекторов. Впервые в мировой практике использован метод ядерных реакций для количественных измерений распределения легких элементов (кислород, углерод, азот), приходящих из газовой лавины на анодную проволочку вдоль ее поверхности, а также проследить динамику движения этих элементов в глубину проволочки и их обратное движение в составе новых химических соединений на поверхность проволочки.

1.2. Впервые обнаружен и исследован принципиально новый механизм старения анодных проволочек, который назвали - «эффектом распухания» проволочек.

1.2.1. Принципиальным отличием обнаруженного «эффекта распухания» от ранее известных «полимеризационных» механизмов старения состоит в том, что силы, вызывающие деформацию анодной проволочки, развиваются внутри проволочки, разрывая её золотое покрытие изнутри.

1.2.2. Экспериментально было доказано, что кислород играет ключевую роль в развитии процесса старения при больших накопленных дозах облучения. Показано, что существует прямая корреляция между величиной диаметра проволочки и распределением концентрации кислорода вдоль проволочки.

1.2.3. Впервые экспериментально обнаружено, что при определенных условиях плазмохимические процессы, вызывающие «распухание» проволочки, могут идти столь интенсивно, что вызывают выход значительного количества вновь образованных химических соединений, содержащих кислород и вольфрам, изнутри проволочки на поверхность ее золотого покрытия.

1.3. Проведены детальные исследования процессов развития старения прототипов «мюонных камер» для установки CMS в ЦЕРНе.

1.3.1. Эксперименты показали, что применение газовой смеси 40%Ar+50%C02+10%CF4 позволяет накапливать экстремально высокие дозы облучения - вплоть до 13 кулон на сантиметр длины анодной проволочки практически без заметного падения величины КГУ.

1.3.2. Найденная газовая смесь оказалась настолько эффективной, что практически полностью блокировала экстремально негативное влияние паров кремнийсодер-жащих материалов, применяемых в технологии изготовлении детекторов частиц, на их работу. Экспериментально было доказано, что ключевую роль в механизме блокирования играет фреон CF4. В частности, при его отсутствии в составе газовой смеси, камера выходила полностью из строя уже при накопленной дозе менее 0.1 кулона/см длины анодной проволочки. Причиной этого явилось интенсивное оседание кремнийсодер-жащих осадков на анодные проволочки.

1.3.3. Получены результаты были реализованы в финальной конструкции полномасштабных камер, что позволило гарантировать их надежную работу в течение I

30 лет в условиях номинальной светимости ускорителя LHC.

5.2.4. Заключение.

Метод ЫКА имеет следующие принципиальные преимущества.

1. Возможность исследовать без разрушения тонкие поверхностные слои различных веществ. Метод позволяет осуществлять количественный анализ легких элементов и их распределение их концентрации по глубине.

2. Этот метод позволяет оценить содержание легких элементов не только в золотом покрытии, но и в вольфраме анодной проволочки.

3. Чувствительность метода к углероду, кислороду и азоту - не хуже 5*10"2 %.

4. Точность количественной оценки наличия элементов зависит от точности знания дифференциальных сечений для каждой ядерной реакции, которая не хуже 5%.

5. Применяя метод N1^. в комбинации с 8ЕМ/ХЕМ анализом, мы получаем значительно более точную и полную информации о развитии процессов старения в детекторах.

6. Использую данные, полученные методом МЫЛ в ходе наших исследований процессов старения, мы получили ряд принципиально важных данных. В частности:

- была однозначно продемонстрирована ключевая роль кислорода в механизме развития процессов распухания проволочек (см. раздел 5.3).

- метод дал нам возможность детектировать заранее не предсказуемые распределения концентрации кислорода и других легких элементов вдоль анодных проволочек - см., например, [107].

5.3. Эффект распухания анодных проволочек - принципиально новый механизм старения газоразрядных детекторов частиц при больших дозах облучения.

Обычно эффекты старения вызывают деградацию поверхности как анодных, так и катодных электродов, которая возникает в виде «осадков» [121]. Эти отложения, как правило, представляют собой какие-то виды полимеров или, в отдельных случаях, могут быть элементарным углеродом. Другим типом деградации проволочной (или катодной) поверхности является химическая коррозия на их поверхностях, возникающая под воздействием специфических химических соединений, формируемых в лавине газа. Это может иметь место для непокрытых золотом проволок, которые содержат химически активные элементы в поверхностном материале проволоки [99,100].

Объяснения обоих этих механизмов можно найти в рамках химии плазмы. Дело в том, что различные типы химических радикалов и ионов, формируемых в лавине газа вблизи анодной проволоки, могут вызывать плазмохимические реакции. Полимеры, получающиеся в результате реакций этих радикалов, могут осаждаться и покрывать поверхности соответствующих электродов камеры и даже формировать новые химически различные вещества после взаимодействия с материалом электродов.

Несколько лет тому назад новый механизм старения анодной проволоки — рас/ пухание проволоки при больших накопленных дозах, впервые был обнаружен и описан в ходе исследований [101], выполненных Отделом трековых детекторов ПИЯФ РАН. Эти работы имели своей целью исследовать радиационную стойкость счетчиков типа «straw», на базе которых проектировался детектор TRT для проекта ATLAS (ЦЕРН). В качестве базовой газовой смеси детектора использовалась смесь 70%Хе+10%C02+20%CF4.

Это было новое, неожиданное явление, вызывающее существенное ухудшение параметров газовых детекторов. Проведенные исследования показали. Что принципиальное различие между обнаруженным явлением «распухания» анодной проволоки и хорошо известным полимеризационным механизмом старения, связано с тем, что при разбухании золотое покрытие разрушается под влиянием сил, действующих изнутри проволочки. В результате такого процесса диаметр проволоки увеличивается -Рис. 5.12. При этом также наблюдается интенсивная концентрация кислорода на открытой поверхности вольфрама.

5.3.1. Экспериментальная установка и условия старения

Экспериментальная установка подробно описана в разделе 5.1.1.

5.3.2. Результаты SEM/XEM анализа.

На Рис. 5.12 представлены результаты SEM/XEM анализа, полученные для различных для различных координат вдоль проволочки после накопления заряда Q = 9Кулон/см. Такой анализ проводился как в центре зоны облучения (X = 0 см), так и далеко за ее пределами (см. со стороны входа газа при X = -14 см). Как можно видеть, золоченная поверхность проволоки вне зоны облучения остается гладкой, неповрежденной и без осадков. В центре же зоны облучения золотое покрытие разрушено и диаметр проволоки увеличился на 20% (с 35мкм до 42мкм)

Рис. 5.12а. Край проволочки. Необлу-ченная зона, Х= -14cm. Diameter - 35 цт.

Рис. 5.126. Центр проволочки. Центр облученной зоны. Х= Ост. Diameter - 42 fjm.

X-RfiV! 0-10 KeU Lives 1005 Presets Real: 131s 2ЧУ.

100s Remai rii ng! Dead

О Au

W i w w ы JJ L----------------- i . .1 5.172 keV

FS= ЧК ch 527= 161

МЕРИ8POS С, REP 0, R WIRE, 15/0/SP

X-RRY: 0 - 10 k«U

Live: 100s Preset) 100s Remai ni rigs

Real: 137s 27V. Dead

4.952 keU 10.1 > FS= 4K ch 505« 147 cts MFM1iEDX 2. REF UIRE 1. IN. 2C/T/SP

Золотой слой #1.2 цт

Рис. 5.12. Эффект распухания анодной проволочки. Масштаб показан в виде белой линии (ее длина - 20цш ) отображенной в верхней части Рис. 5.12а и Рис. 5.126. Две стрелки на спектрах указывают на места, где ожидаются пики от углерода. SEM анализ поверхности проволочки позволил провести прямое измерение толщины золотого покрыта поволочки, которое оказалось раавным 1,2мкм.

SEM/XEM анализ поверхности золотого покрытия проволоки показал присутствие только золота. Никаких видимых следов других элементов (например, фтора и углерода), которые могли бы входить в состав радикалов образующихся в процессе развития газовой лавины и осаждающихся на анод, не наблюдалось ни на золотом покрытии, ни на поверхности вольфрама. Однако открытая вольфрамовая поверхность содержала интенсивный пик кислорода (Рис. 5.126).

Поскольку мы не наблюдали никаких заметных полимерных отложений на поверхности золотого покрытия проволоки, то это означает, что мы не можем объяснить увеличение диаметра проволоки в рамках общепринятых механизмов старения.

Полученные экспериментальные данные позволили нам высказать предположение, что в режиме интенсивного облучения (приблизительно, 1.7 мкА/см и доза 9 Кл/см на проволоку) в анодных проволоках имеет место новый механизм старения -распухание проволоки, приводящее к повреждению её поверхности.

Результаты БЕМ/ХЕМ исследования поверхности анодной проволоки, как внутри, так и за пределами зоны облучения, представлены на Рис. 5.12 - 5.14, соответственно. Как можно видеть, в зоне облучения | X | < 1см золотое покрытие разрушается, и диаметр проволоки возрастает, достигая максимального значения 42 мкм в центре облучаемой зоны (X = 0 см). Слой золота в результате облучения становиться сильно пористым, как это можно видеть на Рис. 5.14, где показан БЕМ-снимок облученной поверхности анодной проволоки. Диаметр проволоки уменьшается до начального диаметра проволоки, равного 35 мкм, за пределами зоны облучения (см. Рис. 5.12).

Некоторое количество осадков наблюдалось, но только за пределами зоны облучения (Рис. 5.13). Концентрация осадков распределяется вдоль проволоки, но асимметрично по отношению к направлению газового потока: самая высокая концентрация - по направлению к выходу газа из пропорционального счетчика. Следовательно, можно предположить, что радикалы и полимеры образовались в зоне облучения и затем распространялись вдоль проволоки вместе с потоком газа, создавая осадки на ее поверхности.

Присутствие некоторого количества осадков вблизи входа газа является результатом диффузии радикалов от зоны облучения в обоих направлениях вдоль трубок пропорционального счетчика. Это легко представить, учитывая маленькую скорость движения газа при расходе 0.2см3/мин (скорость 1.6 см/мин). ХЕМ-спектр, полученный в нескольких точках вдоль проволоки, показывает, что отложения за пределами зоны облучения содержат интенсивные пики вольфрама и кислорода, а также следы фтора (Рис. 5.13).

Я-RRV: 0 - 10 keU

Live: 100 г Preset: 100s Remainin9: 0s Real: 131s 245: Dead

Au -.0 2.542 keU 5.1 > FS= 4K eh 264= 170 ct,s MFM1 : b I.IPF, PIV-. i , RFP . ri-Q-'-.F

0 42 fim

Рис. 5.13г. Здесь представлены результаты ХЕМ-анализа осадков проведенного в зоне №1 (Рис. 5.13в). Аналогичные спектры были обнаружены и в других различных точках вдоль анодной проволочки, находящихся за пределами зоны облучения.

0 38 цш в) Х= + 1cm, по направлению к выходу газа

Рис. 5.13. Результаты SEM/XEM анализа поверхности анодной проволочки. б) Центр зоны облучения

Так как единственным источником вольфрама в «straw» является материал анодной проволочки, мы предполагаем следующий механизм образования вольфрамо-содержащих соединений: атомный кислород и другие активные радикалы, распространяются вдоль проволочки с газовым потоком, далее проникают через дефекты золотого покрытия и затем вступают в реакцию с вольфрамом. Вещества, получившиеся в результате этих реакций, «выходят» сквозь золото наружу. Как именно происходит этот процесс пока еще не ясно, и это требует дальнейших исследований. Более детально возможный механизм развития подобных процессов обсуждается ниже в разделе 5.5

Рис. 5.14. SEM микрофотография поверхности анодной проволочки в центре зоны облучения - см. Рис. 5.13в (зона №1) Масштаб показан в виде белой линии (ее длина - 5цт ) отображенной в верхней части рисунка. Диаметр микропор - менее 0.2 цш.

5.3.3. Результаты, полученные методом ядерных реакций.

8ЕМ/ХЕМ анализ результатов старения проволочек дает только качественную картину распределения элементов непосредственно на исследуемых поверхностях. Это не позволяет накопить достаточное количество экспериментальных данных для построения модели развития старения и выработать рекомендации по повышению радиационной стойкости детекторов частиц. Поэтому, чтобы получить количественную оценку распределения легких элементов как вдоль поверхности проволочки, так в глубину золотого покрытия, мы применили метод ядерных реакций (МЯА), детальное описание которого приведено ранее в разделе 5.2.

Полученные результаты представлены на Рис. 5.16 и 5.17 для различных точек вдоль проволочки. Как можно видеть из энергетического распределения протонов, золотое покрытие необлучаемой проволоки содержит некоторое количество кислорода, азота и углерода. После облучения проволоки количество кислорода и углерода значительно возрастает. Можно видеть, что пики увеличиваются и расширяются в сторону более низких энергий.

Из этого можно сделать вполне однозначный вывод, что кислород и углерод проникли внутрь золотого покрытия проволоки. С учетом сечений для 12C(d,p)16C и 160(d,p)170 реакций [105], из полученных данных (Рис. 5.16) можно сделать вывод, что концентрация кислорода внутри золотого покрытия более чем в 10 раз выше концентрации углерода. А это дает основания считать, что кислород играет наиболее существенную роль в процессе распухания проволочки, и поэтому далее мы будем в первую очередь анализировать данные, касающиеся кислорода. Распределение по глубине проволоки концентрации кислорода можно оценить (Рис. 5.17) из анализа спектра протонов из (p,d) реакции (Рис. 5.16). Как демонстрирует Рис. 5.17, с увеличением накопленной дозы кислород глубже проникает в слой золота, и его общее количество резко возрастает.

Можно видеть, что необлученная зона проволоки содержит кислород, который уже проник с поверхности проволоки вглубь слоя золота до 1 мг/см2 (глубина 0.52 мкм). Предполагая, что плотность золота от краев зоны облучения (IX | > 2.0см) до концов проволоки постоянна, коэффициент преобразования [мг/см2] в [мкм] составляет к = 0.52 мкм/мг/см2. Глубина проникновения в [мкм] рассчитывается из уравнения: h = d /(expo) = kxd /с, (5.20) где h - глубина проникновения кислорода в (мкм); d — глубина проникновения кислорода в (мг/см2); ро - плотность золота (ро = 19.3 г/см3); к = 0.52 мкм/мг/см2, если плотность золота является постоянной величиной (ро); (expo) - эффективная плотность поврежденного золота и с - коэффициент, который учитывает уменьшение плотности золота из-за появления дефектов после облучения. Для бездефектной проволоки с = 1.

Аналогичные измерения производились для чистых проволок, прежде чем вставлять их в пропорциональные счетчики. Средняя концентрация кислорода в проволоке после изготовления и перед началом облучения составляла 1х1021 ат/см3.

Рис. 5.16. Протонный спектр от реакции (<1,р), происходящей на проволочке-мишени.

0.5

1.5 2 2.5

Энергия протонов, МэВ

3.5

Рис. 5.17. Распределение концентрации кислорода как функция глубины золотого покрытия в различных точках вдоль анодной проволочки.

1.20Е+22 1

1.00Е+22

8.00Е+21

6.00Е+21

4.00Е+21

2.00Е+21

О.ООЕ+ОО

Х= 0см, центр зоны облучения. Х= + 2см, край зоны облучения. Х= - 4см, по направлению ко входу газа. Х= + 4см, по направлению к выходу газа. Х=- 14см, необлученная проволочка. 0

0.5

1.5 2 2.5

Глубина, мг/см2

3.5

Распределение по глубине кислорода, измеренное в непосредственной близости к краям зоны облучения (X = +2см), имеет один пик, и содержание кислорода значительно больше, чем его содержится в не облучаемой зоне. Как видно из Рис. 5.17, при увеличении накопленной дозы (качественная оценка порядка 2-3 Кл/см), глубина проникновения кислорода также увеличивается и достигает значения 1.5мг/см2, что соответствует примерно Ь=0.9мкм. Однако эта глубина все еще меньше, чем толщина золотого покрытия (1.2 мкм).

Распределение по глубине концентрации кислорода в зоне облучения (X = Осм) имеет два пика, и быстрое падение при 2.1мг/см . Трудно оценить точно глубину проникновения кислорода (в мкм) как в золото, так и в вольфрам из-за присутствия дефектов и микротрещин, которые видны на Рис. 5.136 и 5.14, и которые снижают среднюю плотность каждого из этих материалов. Визуальное исследование золотой поверхности, показанное на Рис. 5.136, позволяет оценить, что трещины покрывают порядка 15% всей площади золотой поверхности. Это означает, что в первом приближении, в уравнении (5.20) следует использовать коэффициент с < 0.85. Таким образом, положение второго пика (1.8 мг/см2) соответствует глубине около 1.1 мкм. Это значение хорошо согласуется с результатами, полученными с помощью ЭЕМ/ХЕМ метода, представленными в Рис.5.12б, где можно прямо измерить толщину слоя золота - 1.2 мкм. Это дает нам основание сделать вывод, что второй пик в графике распределения кислорода (Рис. 5.17) соответствует границе золото/вольфрам, и может быть прямо связан с процессом образования различных кислородосодержащих соединений вольфрама.

Следует отметить, что в центре зоны облучения общее количество кислорода, собранного в золоте, увеличивалось более чем в 20 раз по сравнению с не облучаемой зоной. Кроме того, максимальное значение концентрации кислорода увеличилось почти в 10 раз, достигнув очень высокого значения порядка 1x1022 ат/см3.

Видно (Рис. 5.17), что концентрация кислорода, измеренная вблизи конца проволочки со стороны выхода газа, существенно больше, чем концентрация, измеренная на конце проволочки со стороны входа газа. Это хорошо совпадает с результатами, полученными при БЕМ/ХЕМ анализе (Рис. 5.15). Очевидно, что явление старения, описанное в разделе 5.3.2, может быть объяснено присутствием кислорода, участвующего в процессе старения, при высоких накопленных дозах. С учетом этих результатов мы предложили новый механизм старения анодной проволоки, описанный в разделе 5.5.

1. T.R.Gardello et al., Charged-hyperon production by 400-GeV protons, Phys.Rev.D 32, 32 (1985).

2. Гинзбург В.Л., Франк И.М. ЖЭТФ, 16 (1946) 15.

3. Гарибян Г.М. ЖЭТФ, 37 (1959) 527.

4. Труды Международного симпозиума по переходному излучению частиц высоких энергий, Ереван, ЕФИ, 1977;

5. Материалы II симпозиума по переходному излучению частиц высоких энергий, Ереван ЕФИ, 1984.

6. Гарибян Г.М., Ян Ши. Рентгеновское переходное излучение, Ереван, 1963.

7. Оганесян А.Г. ЭЧАЯ, Дубна, 1965, 16(1), 137.

8. Cherry M. et al. Phys.Rev.D, 10, 3594 (1974); Phys.Rev.D, 17 (1978) 2245 .

9. Fabjan C.W., Struczinski W. Phys.Lett., 57B, 483 ( 1975).

10. Cobb J., Fabjan P. et al. Nucl.Instr.Meth., 140 (1977) 413.

11. Ludlam T. et al. Nucl.Instr.Meth., 180(1981)413.

12. Fabjan C.W. et al. Nucl.Instr.Meth., 185 (1981) 119.

13. M.Bourquin et al., Z.Phys.C 21, 17 (1983); R.W.Tanenbaum et al., Phys.Rev.D 12 (1975) 1817.

14. H.Keller et al., Phys.Rev.lett. 48, 971 (1982); RJ.Ellis et al., Nucl.Phys. B29, 77 (1972); D.Bogeri et al. Phys.Rev.D, 2, 6 (1970); L.K.Gershwin et al., Phys.Rev.Lett. 20, 1270 (1968).

15. Е-715 коллаборация, Phys.Rev.Lett. 54 (1985) 2399.

16. Е-715 коллаборация, Phys.Rev.D 38 (1988) 2056.

17. Е-715 коллаборация, Phys.Rev.D 40 (1988) 1703.

18. E-761 коллаборация, Phys.Rev.Lett. 71 (1993) 2172.

19. E-761 коллаборация, Phys.Rev.D, 50 (1994) 18.

20. E-761 коллаборация, Phys.Rev.Lett. 72, 808 (1994).

21. E-761 коллаборация, Phys.Rev.D, 51 (1995) 4638.

22. A.Atamanchuk, N.Bondar, V.Golovtsov et al., NIMA 425 (1999) 529.

23. A.Krivshich, Efficiency of PNPI proportional chambers under the real beam conditions of E-781, H-note 742, June 1995, FNAL

24. V.Maleev, N.Bondar, A.Krivshich, S.Patrichev, N.Terentyev, Description and test results for DPWC and TRD in E-781, H-note 747, Sept.1995, FNAL.

25. J.Russ, G.Alkhazov, . A.Krivshich, ., et al. Int. Conf. HEP-2000, "Recent results from SELEX" Osaka 2000, High Energy Physics, vol.2, 820-821"; Fermilab-Conf-00-252E.

26. F.G.Garcia, G.Alkhazov,. A.Krivshich, ., et al. Fermilab-Pub-01-258E, Sep. 2001, 6pp.

27. I.Eschrich, H.Kruger, J.Simon, . A.Krivshich, ., et al., "Measurements of the sigma-charge radius by sigma-electron elastic scettering", Phys. Lett. B522 (2001) 233-239.

28. U.Dersch, N.Akchurin, . A.Krivshich, et al. Total cross-section measurements with pi-,sigma-, and protons on nuclei and nucléons around 600-Gev/c, Nuclear Physics 579 (2000) 277-312.

29. M.Matson, G.Alkhazov. A.Krivshich, ., et al., First observation of the doubly charmedbaryon S^c", Phys.Rev.Letter. 89(2002) 112001.

30. S.Y.Jun, N.Akchurin, . A.Krivshich, ., et al., "Observation of the Cabibbo-suppresed decay H+ pK+7T*" Phys.Rev.Letter. vol.84, num.9 (2000) 1857-1861.

31. A.Kushnirenko, G.Alkhazov, . A.Krivshich, ., et al., "Precision measurements of the A^,and D° lifetimes", Phys.Rev.Letter. vol.86, num.23 (2001) 5243-5246.

32. O.I.Sumbaev. Relativistic Channeling, Eds. R.A.Carrigan Jr. and J.A.Ellison, Plenum Press, New York, (1987) 117.

33. V.M.Samsonov. Relativistic Channeling, Kds. R.A.Carrigan Jr. and J.A.Ellison, Plenum Press, New York, (1987) 129.

34. V.V.Baublis, V.M.Samsonov. Preprint PNPI-2119, Gatchina, (1996) 1-35.

35. A.S.Denisov, O.L.Fedin, M.A.Gordeev, M.P.Gur'ev, Yu.P.Platonov, A.I.Schetkovsky, V.V.Skorobogatov, A.I.Smirnov, V.I.Baranov, Yu.A.Chesnokov, V.V.Dudenko, V.N.Zapolsky, Nucl. Instr. andMeth. 1992. V.B69. P.382.

36. В.И.Баранов, В.М.Бирюков, А.П.Бугорский, М.А.Гордеева, М.П.Гуръев, Ю.П.Гуръев, Ю.П.Платонов, А.И.Смирнов, В.И.Котов, М.В.Тараканов, В.И.Терехов, ОЛ.Федин, С.В.Царик, Ю.А.Чесноков. Препринт ИФВЭ 95-15, Протвино, (1995) 1-29.

37. D.Chen, I.F.Albuquerque, V.V.Baublis, N.F.Bondar, R.A.Cai-rigan Jr, P.S.Cooper, Dai Lisheng, A.S.Denisov, A.V.Dobrovolsky, T.Dubbs, A.M.F.Endler, C.O.Escobar, M.Foucher, V.L.Golovtsov,

38. Сумбаев О.И., ЖЭТФ (1968) 54, 1362.

39. J.Chiba, H.Iwasaki, T.Kageyama, S.Kuribayashi, K.Nakamura, T.Sumiyoshi and T.Takeda, Nucl. Instr. and Meth. 206 (1983) 451-463.

40. G.Bencze, et al., Nucl. Instr. and Meth. A 357 (1995) 40-54.

41. А.Е.Бондарь и др., Препринт ИЯФ СО АН ССР (1982) 82-17.

42. G.Charpak et al., Nucl. Instr. and Meth. 167 (1979) 455-464.

43. J.S.Gordon, E.Mathieson, Nucl. Instr. and Meth. (1984) 227, 267-282. J.R.Thompson, et al., Nucl. Instr. and Meth. A (234) (1985) 505-511.

44. Н.Ф.Бондарь, А.Г.Крнвшич, В.П.Малеев, Пространственное разрешение пропорцилналь-ной камеры с катодным съемом информации, препринт ПИЯФ NP-47-1993 1916.

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

46. 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.

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

48. 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.

49. S. Lanzano, B. 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.

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

51. J.A Jaroc. Drift and proportional tracking chambers. SLAC-Pub-2647, 1980.

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

53. 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.

54. 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) 376-382.

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

56. 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.

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

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

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

60. 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.

61. 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.

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

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

64. A.B. Андреев, Г.Е. Гаврнлов, А.Г.Крившич, В.П. Малеев, JT.A. Щипунов. Воздействие внешних экранов на коэффищ!енты газового усиления в дрейфовых камерах детектора FTC. Препринт ПИЯФ N1797, май 1992 г.

65. 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.

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

67. 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.

68. K.A. Connel, 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.

69. 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.

70. 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.

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

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

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

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

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

76. R.M.Barnett, C.D. Carone, D.E. Groom, T.G. Trippe, C.G. Wohl, B. Armstrong et al. Particle physics booklet. American Institute of Physics, July 1996, p. 190.

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

78. K. Ackerstaff. A. Krivchitch. H.Zohrabian, the HERMES Spectrometer, Nucl. Instr. and Meth. A 417 (1998) 230-265.

79. V. Andreev . A. Krivchitch, . G.M. Urciuoli, Multiwire proportional chambers in the HERMES experiment, Nucl. Instr. and Meth. A 465 (2001) 482-497.

80. Trippe Т., Minimum tension requirements for chambers wires, CERN NP Internal Report. 1969, 69-18. В.И.Тельнов, ПТЭ, 1974, №5,46.

81. ATLAS Technical Design Report, Inner detector, ATLAS TDT 5, CERN/LHCC 97-17.

82. CMS Technical Design Report, The Compact Muon Solenoid CERN/LHCC 94-38, LHCC/P1, 15 December 1994.

83. J.A. Kadyk, Anode wire aging tests with selected gases, IEEE Trans. Nucl. Sci. NS-34 (1) (1987)481

84. J.A. Kadyk, Wire chamber aging, Nucl. Inst, and Meth. A 300 (1991) 436.

85. Akesson, et al., The Atlas TRT straw proportional tubes: performance at very high counting rate, Nucl. Inst, and Meth. A 367 (1995) 143-153.

86. T. Ferguson, A. Krivchitch and V. Maleev, Gas gain and space charge effects in aging tests of gaseous detectors, Nucl. Inst, and Meth. A 515 (2003) 283-287.

87. H.W.Werner, R.P.H.Garten, Rep. Prog. Phys. 47 (1984) 221.

88. J.W. Mayer, E. Rimini, Ion Beam Handbook for Material Analysis, New York, Academic Press,1977, p. 488.

89. W.C.Chu, J.W. Mayer, M.A. Nicolet, Backscattering spectrometry, Academic Press, New York1978,

90. G. Gavrilov, A. Krivchitch, E. Kuznetsova, V. Lebedev, L. Schipunov and E. Lobachev, Aging investigation of straw drift tubes using nuclear reaction analysis, Nucl. Inst, and Meth. A 478 (2002) 259-262.

91. G. Gavrilov, A. Krivchitch and V. Lebedev, Application of nuclear reaction analysis for aging investigations of detectors, Nucl. Inst, and Meth. A 515 (2003) 108-117.

92. Application of nuclear reaction analysis for the fluorine content measurements under the aging investigations of gas-filled particle detectors, A.G. Krivchitch and V.M. Lebedev, Nucl. Instr. and Meth 581 (2007) 167-170.

93. G.Amsel, J.P.Nadai, E.D'Artemare, D.David, E.Girard, J.Moplin, Nucl. Instr. and Meth. 92 (1971)481.

94. M.Huez, L.Quaglia, G.Weber, Nucl. Instr. and Meth. 105 (1972) 197.

95. J.A.Davies, T.E.Jackman, H.Platter, I.Bubb, Nucl. Inctr. and Meth. 218 (1983) 141.

96. D.Dieumegard, B.Maurel, G.Amsel, Nucl. Instr. and Meth. 186 (1980) 93.

97. V.M.Lebedev, Yu.G.Lukianov, V.A.Smolin, in Proceedings of the XIHth International Conference on Electrostatic Accelerators, Obninsk, Russia, 25-28 May 1999 (Obninsk, 2000), p. 60.

98. J.F.Janni, Atomic Data and Nuclear Data Tables. 27(4/5) 348, 402 (1973).

99. J.I. Goldstein, D.E. Newburg, P. Echlin "Scanning electron microscopy and X-ray microanalysis", Plenum Press, New York, 1981.

100. WM.J. Veigele, Atomic Data Tables, 5(1) (1973) 51.

101. T.Ferguson, G.Gavrilov, A.Krivchitch, E.Kuznetsova, V.Lebedev, L.Schipunov, The effect of oxygen on anode wire swelling under high-accumulated dose, Nucl. Instr. and Meth. 478 (2002) 254-258.

102. В.М.Лебедев, А.Г.Крнвшич, В.А.Смолин, Исследование старения газоразрядных детекторов частиц методом ядерных реакций, Известия РАН,серия физическая, 2007, том 71, №9, 1360-1366.

103. J.Wise, Plasma chemistry in a Wire Chamber, M.S. Thesis, Report LBL-29033, May 1990.

104. S.P. Kukushkin, A.V. Osipov, Thin films condensation processes, UFN, Vol. 168, N10, 1998, pp. 1083-1116.

105. J.E. Geguzin, Y.U.S. Kaganovski, Diffusion processes on crystal surfaces, Energoizdat Moscow,1984.

106. L.S. Palatnik, et al., Porous films, Energoizdat Moscow, 1982.

107. R.A. Lidin, V.A. Molochko, L.L. Andreeva, Chemical Properties of Inorganic Compounds, Chemistry and Science, Moscow, 1997, p. 252, 299, 393.

108. Dictionary of Inorganic Compounds, Chapman & Hall, London, 1992, p.124, 3188, 3238.

109. D.E. Milligan, D.J. Sears, Am. Chem. Soc. 85 (1963) 823. D.E. Milligan, D.J. Sears., Noble-gas compounds, Am. Chem. Soc., 85, 823 (1963). Chicago and London (republication in Moscow 1965).

110. Langes Handbook of Chemistry, McGraw-Hill, New York, 1985, pp. 4-128.

111. V.N.Nekrasov, Basis of General Chemistry, Vol. 3, Moscow, 1970, p. 50.

112. M.Atac, A.V.Tollestrup, Nucl. Instr. and Meth. 200 (1982) 345.

113. G. Gavrilov, A. Krivchitch, A. Kuznetsova, E. Lobachev, L. Schipunov, Aging investigation of ATLAS TRT straws, Preprint PNPI, No.2328, EP-43-I999.

114. G. Gavrilov, A. Krivchitch, E. Kuznetsova, V.Maleev, Space distribution of streamers in straw tubes, Inst, and Meth. A 515 (203) 278-282.

115. T. Ferguson, G. Gavrilov, A. Koiytov, A. Krivchitch, E. Kuznetsova, E. Lobachev, G. Mitsel-makher and L. Schipunov, Aging studies of CMS muon chamber prototypes, Nucl. Inst, and Meth. A 488 (2002) 240-257.

116. G.Gavrilov, A. Krivchitch, E. Lobachev, L. Schipunov, Aging investigation of CMS Chamber Prototypes, preprint PNPI 2212, 1997.

117. D.Acosta, A. Krivshich, V. Yarba, L. Zhou and Z. Zhu et al., Aging tests of fiillscale CMS muon cathode strip chambers, Nucl. Inst, and Meth. A 515 (2003) 226-233

118. Va'vra, Nucl.Instr. and Meth. A 252 (1986) 547. J.A.Kadyk, Nucl. Inst, and Meth. A, 300 (1991)

119. R. Openshaw, R.Henderson et al., IEEE Trans. Nucl. Sci. 36 (1) (1989).

120. J.Wise, J.A.Kadyk, D.W.Hess, J.Appl.Phys. 74 (9) (1993).

121. L. Maker, Phys. Rev. 50 (1936) 48.7. Благодарности.