Создание детектора переходного излучения-трекера "В"-типа для установки АТЛАС большого адронного коллайдера тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.23 ВАК РФ

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

СОЗДАНИЕ ДЕТЕКТОРА ПЕРЕХОДНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ — ТРЕКЕРА «В»-ТИПА ДЛЯ УСТАНОВКИ АТЛАС БОЛЬШОГО АДРОННОГО КОЛЛАЙДЕРА

Специальность- 01.04 23 — физика высоких энергий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

13-2007-134

На правах рукописи УДК 539 1 074

КЕКЕЛИДЗЕ Георгий Дмитриевич

Дубна 2007

003066216

Работа выполнена в Лаборатории физики частиц Объединенного института ядерных исследований

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук старший научный сотрудник

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник

Пешехонов Владимир Дмитриевич

Долгошеин Борис Анатольевич

Топурия Тенгиз Петрович

Ведущая организация:

Научно-исследовательский институт ядерной физики Московского государственного университета, Москва

Защита диссертации состоится "_"__2007 г в_ часов на заседании

диссертационного совета Д 720 001 05 в Лаборатории физики частиц Объединенного института ядерных исследований, г Дубна Московской области

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЛФЧ ОИЯИ Автореферат разослан "_"_2007 г

Ученый секретарь

диссертационного совета Кривохижин Василий Геннадиевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность

Предназначенная для экспериментов на ускорителе LHC (Большой адронный коллайдер) установка АТЛАС содержит несколько крупных детектирующих систем, в том числе Внутренний Детектор (ВД), работающий в условиях экстремально высокой загрузки В состав ВД входит трекер на основе кремниевых детекторов и детектор переходного излучения - трекер (TRT) на основе тонкостенных дрейфовых трубок (строу) Разработанные совместно с коллаборацией, модули TRT прямого и обратного направлений (end-cup) изготавливались затем в ЛФЧ ОИЯИ (тип «В») и ПИЯФ (тип «А») Число дрейфовых трубок в TRT ATLAS составляет 298 304

Требования высокой эффективности восстановления треков заряженных частиц и разделения электронов от пионов с фактором режекции около 100 в условиях больших загрузок определили основные требования к TRT

- точность позиционирования каждой строу в пространстве не хуже 50

мкм,

- собственное пространственное разрешение строу не хуже 150 мкм,

- однородность параметров всех детектирующих каналов не хуже ± 5%,

- минимальная величина потерь рабочего газа на основе Хе

В процессе исследований были изучены свойства как самих строу, так и материалов, применяемых для изготовления отдельных элементов детектора Были разработаны также методы тестирования детекторов в процессе сборки, использованные при создании высококачественных детекторов типа «В» и пригодные для использования при создании подобных детекторов на основе строу

Цель диссертационной работы

Разработка и создание технологии изготовления и тестирования модулей детектора переходного излучения - трекера, ее применение для создания модулей детектора типа - «В» с полным количеством каналов регистрации (строу) - 104448, а также, связанное с этим, исследование материалов для детекторов, работающих в условиях высоких загрузок

Научная новизна работы

• Разработаны методы тестирования детекторов переходного излучения-трекеров на всех этапах их создания, в частности

- разработан метод проверки прямолинейности строу, основанный на анализе формы светового пятна, образованного проходящим через него параллельным пучком света

- разработана и создана автоматизированная система контроля качества установки строу, обеспечивающая проверку прямолинейности строу, отсутствия замыкания между рамами детектора и строу, а также -соседних строу между собой

- разработан и создан прибор для контроля максимально допустимой

толщины пленочных радиаторов, подготовленных к установке в детектор • Исследована радиационная стойкость органических материалов, используемых при создании координатных детекторов, в частности полисульфона и поликарбоната, а также отечественных эпоксидных клеев-компаундов ЭЛК-5 и ЦМК-5

Практическая ценность работы

1 На основе отработанной технологии был создан детектор переходного излучения - трекер типа «В» на основе строу для внутреннего детектора установки АТЛАС Большого адронного коллайдера

2 Результаты исследования полимеров и клеев показали слабую зависимость механических свойств от поглощенной дозы, что позволило не только использовать их при изготовлении детекторов в рамках проекта ЬНС, но и указало на возможность их применения в других проектах, например, для изготовления детекторов по проекту 1ЬС

3 Разработанный метод проверки прямолинейности строу, также как и методы поэтапного тестирования создаваемых детекторов и их элементов, обеспечивают возможность оперативного устранения дефектов, способных негативно влиять на работу детектора и способствуют тем самым более качественной сборке детекторов

4 Разработана технология сборки и тестирования модулей ТЯТ типа «В», которая частично может быть использована при создании подобных детекторов на основе строу

5 Результаты тестирования детекторов показали соответствие созданного детектора требуемым параметрам для эксперимента АТЛАС

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на рабочих совещаниях коллаборации АТЛАС, семинарах Лаборатории физики частиц и опубликованы в работах [1-6]

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, а также основных результатов и выводов Диссертация содержит 103 страницы, включая 63 рисунка, 9 таблиц и список цитируемой литературы из 33 ссылок

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

Первая глава содержит описание многопроволочных газонаполненных детекторов, применяемых в ускорительных экспериментах в радиационных полях высокой интенсивности для определения траектории частиц. Такими детекторами являются многопроволочные пропорциональные и дрейфовые камеры. Эти координатные детекторы часто используются и как детекторы переходного излучения для идентификации заряженных частиц большой энергии по переходному излучению, испускаемому ими при пересечении границ раздела сред с различными диэлектрическими проницаемостями. Для организации необходимого числа таких границ перед детекторами размещают радиаторы переходного излучения, содержащие большое число тонких пленок.

Многопроволочная пропорциональная камера регистрирует координаты частицы с точностью о = ± s/Vl2, где s - расстояние между соседними анодными проволочками Типичная величина пространственного разрешения МПК ~ 700 мкм.

Пространственное разрешение дрейфовой камеры обычно около 200 мкм. Частным случаем дрейфозой камеры являются детекторы на основе тонкостенных дрейфовых трубок (строу) [1] Детекторы состоят из набора строу, анодами которых являются обычно проволоки диаметром 20-30 мкм, а катодом является проводящее покрытие внутренней поверхности стенки трубок. Эти детекторы имеют следующие преимущества по сравнению с обычными дрейфовыми камерами.

• пространственное разрешение ~ 150 мкм;

• собственное быстродействие может достигать величины ~ 107 1/с;

• малая радиационная толщина детектора,

• цилиндрическая геометрия каналов регистрации обеспечивает высокую однородность электрического поля и оптимальный временной сбор первых электронов, дрейфующих к анодам,

• достаточно простая конструкция камер позволяет их унифицировать и широко использовать индустриальные возможности для изготовления целого ряда элементов детекторов,

• высокая эксплуатационная надежность детектора, связанная с его дискретностью;

Вторая глава содержит описание конструкции координатного детектора/детектора переходного излучения (TRT ATLAS) на основе тонкостенных дрейфовых трубок Особенностью работы детектора является экстремально высокая его загрузка и отсутствие доступа к детектору в течение всего времени жизни установки, что накладывает жесткие требования на технологичность его создания

Детектор переходного излучения - трекер на основе строу представляет собой набор из 320 плоскостей строу с расположенными перед ними радиаторами переходного излучения В состав детектора входят восемь модулей типа "В" прямого направления, состоящие из 64 строу - плоскостей, и 8-мь модулей обратного направления, также состоящие из 64 плоскостей.

С целью уменьшения габаритных размеров и уменьшения Количества вещества вне чувствительной площади детектора была принята "кольцевая" конструкция модулей end-cap TRT. Каждый модуль состоит из двух идентичных субмодулей, собираемых отдельно. Четыре слоя строу устанавливаются в отверстия двух (внутреннее и наружное) у глеи ластиковых колец, образуя самоподерживающую конструкцию типа "колеса" - субмодуль. Диаметры колец 1268,2 му и 20063 мм, соответственно. Между слоями строу устанавливаются радиаторы переходного излучения. Строу каждого слоя установлены по радиусу колеса с заданные угловым интервалом между ними и смещены относительно строу соседнеш слоя на 3/8 интервала, что обеспечивает полное перекрытие чувствительной площади детектором из 8-и модулей с 64-я слоями строу. Около внутреннего и внешнего несущих угле пластиковых колец, путем установки третьего углепластиков ого кольца диаметром 2058,3 мм, материнских плат считывания информации, а также дополнительных каптоновых и стеклотекстолит«вых сборочных элементов, создаются герметичные газовые объемы, соединенные с внутренним газовым объемом строу. В дальнейшем два четырехсложных субмодуля объединяются в модуль. Внешний вид восьмислойного модуля без экранов показан на рис. 1.

Рис. 1. Внешний вид восьмислойного модуля TRT без мекишпнрошниыч экранов

В детекторе непользуются полнимшшые строу с внутренним диаметром 4,OQ+0,tt2 мм. Внутренняя и наружная поверхности строу содержат проводящее фафитовое покрытие.

Одними из основных элементов субмодуля являются радиаторы переходного излучения, состоящие из слоев полипропиленовой пленки толщиной 15 мкм. Для организации фиксированного зазора между слоями радиатора расположены сетки из ортогональных полипропиленовых нитей диаметром 100 мкм и с ячейками 8x8 мм.

Для прецизионной установим анодных проволок в строу используются пластиковые втулки (end-plugs). Толщина стенок втулок составляет 0,2 ± 0,02 -f

0,3 ± 0,03 мм, что обеспечивает требуемые соосности анода с внутренним диаметром строу

Для обеспечения необходимой радиационной стойкости детектора были исследованы свойства всех материалов, используемых для его изготовления, в том числе механические свойства полисульфона и поликарбоната [2], а также отечественных эпоксидных клеев (ЭЛК-5, ЦМК-5) [3] от величины радиационной дозы

На импульсном реакторе ОИЯИ ИБР-2 проводились облучения образцов потоком быстрых нейтронов до Ю10 см"2 с"1 с энергией выше 100 кэВ на площади 20 х 40 см2 Для оцгнки суммарной поглощенной дозы использовался биологической эквивалент

Для определения предельной, предельно допустимой нагрузки и твердости по Бринеллю в зависимости от поглощенной дозы, 7 групп образцов полисульфона и поликарбоната в виде наборов пластинок подвергались облучению на реакторе Полное время облучения составляло 300 ч и содержало 7 циклов После каждого цикла образцы соответствующей группы вынимались из активной зоны и проводилось исследование их механических свойств Поглощенная за все время облучения у-доза составляла 536 кГр, а сопутствующая ей доза, обусловленная быстрыми нейтронами, составляла 474 кГр

По величине прогиба образца под действием приложенной к его центру силе определялась предельная нагрузка Ртах и предельно допустимая нагрузка Б, равная 0,6 Ргаах Результаты для полисульфона и поликарбоната приведены на рис 2

Р. кГ

20,0

15,0 10,0 5,0 0,0

Поликарбонат

10 В,кГ|> 100

Р, кг

20 0

15,0 100 5,0 00

1

Полисульфон

* А Ала

10 В,кГ|> 100

Рис 2 Зависимость предельной (■) и предельно допустимой ( нагрузок от величины

поглощенной дозы

Зависимости твердости образцов по Бринеллю от поглощенной дозы представлены на рис 3

НВ, кг Полисульфон

30,0

25,0

20,0

15,0

10,0

5,0

0,0

1 10 100 1000 Р.кГр

■ ■ ■ Ч"

Рис 3 Зависимость твердости по Бринеллю от величины поглощенной дозы.

Как видно из полученных зависимостей, полисульфон и поликарбонат практически сохраняют механические свойства после облучения наблюдается небольшое увеличение предельных и предельно допустимых нагрузок при средних дозах и увеличение на 15 % твердости по Бринеллю при больших дозах Контроль плотности образцов показал ее незначительное увеличение (~ 0,25 %) при больших поглощенных дозах

Разработанные в Институте неметаллов ОАО "НПО Композит" двухкомпонентные клеи типа ЭЛК-5 и ЦМК-5 обладают высокой текучестью и хорошей адгезией с майларовыми и полиимидными пленками, что представляет большой интерес

Для определения относительного удлинения и предела прочности при растяжении, из вышеперечисленных клеев были приготовлены образцы в виде пленок толщиной 0,2 - 0,3 мм методом полива на фторопластовой подложке

Результаты определения предела прочности для исследованных клеев приведены на рис 4 Измерения показали слабую зависимость механических свойств исследованных эпоксидных клеев от поглощенной дозы до величины ~ 100 кГр

МПа ЦМЮ5

60,0 ■

50,0 40,0 30,0 20,0

10,0

.II.

0,01 0,1 , 10 100 1000 0,иГр _

МПа

60,0 ■

60,0 40 0 30,0 : 20 0 -10,0 -

0,01 0,1 1 , 10 100 1000 Р, кГп

ЭЛК-5

Рис 4 Зависимость предела прочности при растяжении от величины поглощенной дозы для образцов клеев.

По результатам данных исследований коллаборацией TRT ATLAS было принято решение о применении поликарбоната для изготовления литьевых пластиковых элементов детектора Опытные партии трех типов тонкостенных поликарбонатных втулок в количестве 20 ООО шт каждого типа были изготовлены в России, как для отработки технологии производства высокоточных литьевых изделий, так и для создания прототипов детектора в ОИЯИив ЦЕРНе

Клеи ЭЛК-5 и ЦМК-5 в дальнейшем были также применены для создания строу-детекторов установок COMPASS и «Термализация»

В третьей главе описываются операции сборки детекторов [4]

Процедура сборки делилась на 4 основных этапа

1 Армирование строу

2 Подготовка строу к установке в рамы субмодуля,

3 Сборка четырехслойного субмодуля,

4 Сборка восьмислойного модуля

1 Армирование строу предназначено для обеспечения механической стабильности, жесткости строу и уменьшения зависимости механических свойств строу от влажности С этой целью на строу по всей длине наклеиваются четыре ребра жесткости, состоящие каждое из 1000 углеволоконных нитей диаметров 8 мкм, пропитанных эпоксидной смолой Эта операция проводится с помощью специально разработанной пневмоэлектрической программно-управляемой машины для армирования строу

В процессе работ было армировано 91993 длинных строу. Повреждено в процессе армирования было всего 573 строу Таким образом, на выходе было получено 91420 готовых строу, что составляет 99 4 % от общего количества

2 Подготовка строу к установке в рамы субмодуля состояла из следующих процедур

• резка длинных строу на четыре коротких строу в размер с допуском,

• процедура гальванического объединения токопроводящих внешней и внутренней поверхностей строу на одном их конце,

• вклеивание в строу концевых элементов,

• финальная обрезка строу в размер с точностью ±100 мкм.

Полный выход строу с участка составил 82,7 % от входящих, а с учетом

строу, использованных для тестов, - 86,1 %

3 Сборка четырехслойного субмодуля производилась на специальных металлических столах четырех типов, имеющих плоскостность менее 100 мкм,

и предназначенных для определенных операций каждый Сборка субмодуля состояла из следующих процедур

• приклеивание заземляющих проволочек к углепластиковым кольцам для обеспечения в дальнейшем равного электрического потенциала между ними и "земляной" шиной детектора,

• вклеивание строу в субмодуль и установка пленочных радиаторов между слоями строу,

• кольцевое приклеивание гибких плат считывания информации к торцу внешнего кольца,

• установка анодных проволочек в строу,

• создание двух внешних газовых герметичных объемов и электрическое объединение колец с "землей" плат считывания

4 Сборка восьмислойного модуля содержала следующие процедуры

• герметичное объединение газовых объемов субмодулей,

• установка элементов высоковольтного питания строу,

• установка элементов жидкостной системы охлаждения модуля,

• установка металлизированных экранов и элементов газового охлаждения модуля

В четвертой главе описываются методы поэтапного тестирования создаваемых детекторов, разработанные и созданные для этого приборы, а также представлены результаты тестирования

К детектору переходного излучения - трекеру предъявлялись жесткие требования

• точность позиционирования каждой строу в пространстве не хуже 50 мкм,

• собственное пространственное разрешение строу не хуже 150 мкм,

• однородность параметров всех детектирующих каналов не хуже ±5%,

• минимальная величина потерь рабочего газа на основе Хе Поэтому при создании детектора на всех этапах сборки проводились процедуры тестирования

Для получения требуемого пространственного разрешения требовалось, чтобы кривизна строу в детекторе при длине 40 см не превышала 300 мкм По этой причине, кривизна проверялась несколько раз на разных этапах сборки Первая проверка проводилась после армирования строу, вторая - на участке подготовки строу к установке в детектор Третья проверка проводилась после вклейки строу в субмодуль

Кривизна строу, устанавливаемых в End-cap, допустимая на участке армирования, не должна была превышать 8 мм (для строу длиной 165 см) Для баррельной части детектора TRT ATLAS требования по кривизне строу были более слабые, но их внешний диаметр не должен был превышать 4,2 мм

Все армированные строу проверялись на кривизну, а требуемое для баррельного детектора количество строу - на внешний диаметр Результаты работ по армированию приведены в табл 1

Таблица 1 Результаты работ по армированию строу

Армировано Всего 91993 100% Результаты работ по армированию строу

Выход 91420 99 4%

Кривизна Тест 91420 100% < Змм 3-4 мм 4-8 мм > 8 мм

Выход 91183 99 7% 47590 21604 2029 1691

Внешний диаметр Тест 60731 66 6% 17524 21604 20298 1305

Выход 60692 99 9% 17523 21603 20283 1283

Выход после тестов 91144 99 1% 47589 21603 20283 1669

На участке подготовки строу к установке в рамы субмодуля проводились следующие тесты

• Проверка электрического сопротивления внутренней поверхности длинных строу

Проверка электрического сопротивления поверхности строу проводилась перед их резкой, так как поверхность строу является катодом и ее токопроводящее покрытие не должно иметь разрывов При этом сопротивление внутренней поверхности строу между ее концами не должно было превышать 480 Ом

• Проверка наличия электрического контакта между внутренней и внешней проводящими поверхностями строу проводилась после гальванического объединения поверхностей и заключалась в измерении величины сопротивления между поверхностями строу в точках, наиболее удаленных от места объединения Допустимым являлось сопротивление, не превышающее 10 кОм

• Проверка на герметичность готовых строу производилась для максимально возможного уменьшения утечек рабочего газа из детектора Допускались утечки в пределах 0,1 мбар/мин/бар на строу

• Проверка готовых строу на кривизну и цилиндричность проводилась методом измерения смещения центральной оси строу в пяти равноудаленных позициях по длине строу При этом, вертикально установленное строу вращалось вокруг своей оси Перемещаемая вдоль строу цифровая камера фотографировала строу в семи равноудаленных друг от друга позициях На каждой позиции вращающееся строу фотографировалось 36 раз Годными признавались строу с кривизной менее 200 мкм, а строу с кривизной 200 — 300 мкм считались ограниченно годными

Таблица 2 Результаты работ по подготовке строу

Процедура Всего вошло Брак Использовано для тестов Принято Выход (%)

Проверка резистивности длинных строу 33301 20 1998 31283 93,9

Первый тест резистивности 124875 15 0 124860 100,0

Финальная обрезка строу 123724 201 64 123459 99,8

Второй тест резистивности 123459 205 2046 121208 98,2

Проверка на герметичность 121208 31 0 121177 100,0

Проверка на кривизну 121177 8046 466 112665 93,0

Визуальная инспекция 112665 2538 0 110127 97,7

Всего 12423 4600 110127 82,7

На участке сборки детекторов проводились следующие тесты

1 Для обеспечения требуемой точности установки строу в детектор (точность позиционирования каждой строу в пространстве не хуже 50 мкм) проводился входной контроль углепластиковых колец, состоящий из проверки высоты и толщины колец, диаметра отверстий в кольцах и их позиционирования, деформации кольца под собственным весом и под нагрузкой, а также визуальный контроль колец

2 Для обеспечения заземления углепластиковых колец проводилась проверка качества контакта между углепластиковыми кольцами и заземляющими проволочками Измерялось электрическое сопротивление между соседними проволоками, вклеенными в кольцо, которое не должно было превышать 0,2 Ом для внутреннего кольца субмодуля и 0,15 Ом для двух других

3 Окончательная проверка прямолинейности строу проводилась после их вклейки в субмодуль Эта проверка совмещалась с проверкой отсутствия электрического контакта между соседними строу в слое, а также между строу и кольцами Метод наружного осмотра строу, аналогичный применяемому на участке подготовки строу, бI ш не пригоден к использованию в данном случае Наиболее универсальным и простым методом проверки строу являлось тестирование ПЗС-матрицей светового пятна от проходящего сквозь них пучка света. Этот метод исследовался в ОИЯИ и представлен в работе [5] Световой поток от источника света формировался в параллельный пучок с расходимостью не более 0,2 мрад и проходил через тестируемое строу Интегральное изображение этого строу, после прохождения фокусирующей линзы, проецировалось на ПЗС-матрицу Метод позволял измерять деформацию строу с точностью до 200 мкм, давал возможность выявления

локальных дефектов на внутренней поверхности строу, а также возможность тестирования строу, установленных в субмодуль

На основе этих исследований была разработана и изготовлена автоматизированная система проверки строу, состоящая из двух отдельных устройств с общей системой управления [6] Структурная схема прибора приведена на рис 5

Рис 5 Структурная схема блока управления Г-тактовый генератор, У1-устройство управления шагового двигателя, Т - таймер, У2 - устройство управления двигателя каретки, Ф1, Ф2 - формирователи импульсов, ВЦП - время-цифровой преобразователь, БИТ - блок измерения тока с высоковольтным источником, ШД - шаговый двигатель, ДК - двигатель

каретки, СЗ - схема запуска

Устанавливаемые в субмодуль строу с концевыми пластиковыми элементами имели внутренний диаметр 4,0 мм для одного конца и 1,8 мм для второго Отражаемый от однородного экрана свет попадает через отверстие диаметром 1,8 мм в исследуемое строу с внутренним диаметром 4,00 мм С противоположного конца строу установлена WEB-камера с дополнительной оптической системой, обеспечивающей глубину резкости не менее ± 5 см относительно центра строу WEB - камера фиксирует и передает в компьютер световое изображение в виде набора концентричных колец, степень искажения которых характеризует меру кривизны строу Полученные изображения просматриваются оператором Каждое из них сравнивается с контрольными изображениями от строу, имеющих различную кривизну с шагом в 50 мкм в диапазоне от 0 до 300 мкм

Одновременно с записью в базу данных изображения проверяемой на прямолинейность строу, проводилась проверка отсутствия резистивного контакта другой строу проверяемого слоя с ее соседними и с углепластиковыми кольцами С помощью шагового двигателя обеспечивалось подключение контактов к трем соседним строу, вклеенным в собираемый субмодуль (Рис 6) При этом на поверхность центральной строу подавалось напряжение 1 кВ, соседние - находились под потенциалом "земли"

Рис 6 Схема подключения измерительных контактов к строу для измерения тока между ним 1,2,3 - строу, А, В, С, О -пружинные контакты, Р - реле

4 Контроль максимально допустимой толщины пленочных радиаторов был необходим, так как натянутые радиаторы могли создавать волны, изгибая вклеенные в субмодуль строу Толщина радиаторов не должна была превышать 5 - 6 мм Для измерения толщины радиаторов в ОИЯИ было изготовлено приспособление с набором находящихся под электрическим потенциалам проволок Установленное на сборочном столе, над растянутым радиатором, устройство сигнализировало о несоответствии толщины радиатора нормам замыканием контактов проволоками, изогнутыми при наличии волн на радиаторе, или превышении его толщины другим образом

5 Проверка герметичности детектора производилась измерением утечки газа из закрытого газового объема, заполненного аргоном под давлением, превышающим атмосферное на 20 мБар Тест проводился три раза на разных этапах сборки Величина утечки (мБар/мин/Бар) измерялась по уменьшению давления во времени и рассчитывалась согласно выражению (1)

Течь=рт-р«2)х юоо_

а-12 Р(/1) - Р{атм) О

где Ни ?2 - время начала и окончания измерения (мин), Р(И) и Р(12) - давление (мБар) в газовом объеме за соответствующее время, Р(атм) - атмосферное давление (мБар)

Результаты проведения последнего газового теста приведены на рис 7 Как видно из рисунка, течь в среднем составляла 0,46 мБар/мин на Бар, что более чем вдвое лучше нормативного требования 1 мБар/мин на Бар

1,2

г 1

5

Г'8

а 0,6

л

5 0,2 о

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 № восьмисложного модуля

Рис 7 Газовые течи модулей по результатам финального газового теста

6 В детекторе для защиты от аварийных ситуаций на каждые 8 строу установлен один специальный высоковольтный предохранитель с собственным сопротивлением 91 кОм Контролировалось величина сопротивления предохранителей в допустимых пределах 85 - 95 кОм По результатам тестирования было заменено более 50 предохранителей

7 Высоковольтные тесты проводились на трех этапах сборки субмодулей Высокое напряжение подавалось на катоды субмодуля и доводилось до величин от 1800 до 2100 В в зависимости от этапа сборки, на котором проводился тест Контролировалась токи стекания между анодами и катодами детектора Допустимыми считались "темновые" токи менее 50 нА для 32 подключенных одновременно строу

8 Для обеспечения требуемого пространственного разрешения требовалось убедиться в том, что детектор не имеет провисших или перетянутых анодных проволочек Проверка натяжения анодных проволочек производилась акустическим методом Над субмодулем устанавливался динамик На ячейку из 32 строу подавалось постоянное напряжение ~ 500 В Под воздействием звуковых волн изменяющейся частоты определялась резонансная частота механических колебаний анодных проволок Допустимым являлось натяжение в пределах 55 - 80 г

9 К габаритам модуля предъявлялись жесткие требования

- высота модуля 114±0 4 мм,

- минимальный внутренний радиус колеса модуля И т]П 623,75 мм,

- максимальный внешний радиус модуля 1044 мм

В связи с этим проверялись геомегрические размеры восьмислойного модуля

Для измерения габаритов использовались индикаторы часового типа, установленные на специальной вращающейся оси, укрепленной в центре сборочного стола Два индикатора измеряли внутренний радиус модуля в

районе центров каждого из четырехслойных субмодулей, составляющих модуль. Два других измеряли толщину модуля в районе второго и третьего углепластиковых колец, а пятый - внешний радиус модуля Типичные результаты измерений одного модуля приведены на рис 8.

Нам» ни

Рис 8 Габаритные размеры модуля № 2

10. Измерение веса субмодулей проводилось, чтобы в дальнейшем можно было рассчитать радиационную массу детектора Четырехслойный субмодуль устанавливался на трех калиброванных подставках, расположенных на столе Подставки поочередно заменялись электронными весами, имеющими точность измерения 0,1 г. Полученные веса суммировались Распределение веса субмодулей приведено на диаграмме (Рис 9) Как видно из рисунка, разброс веса субмодулей был в диапазоне от 13700 г до 15000 г

15300

15100

14900

u 14700

3.

g 14500

S 14300

14100

13900

13700

13500

9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 № колеса

Рис 9 Распределение веса субмодулей

11 Тестирование детектора с помощью радиоактивных источников Для автоматизированного тестирования кольцевых модулей ТЯТ был создан стенд, позволяющий набирать данные для каждой из 6144 строу восьмислойного модуля в 6 точках по их длине Использовалась газовая смесь - Аг/С02 (70/30%) Модули детекторов облучались набором коллимированных источников Ре-55, расположенных на радиальных держателях в различной позиции по радиусу модуля для каждого Держатели имели возможность вращаться В зону облучения от каждого коллимированного источника попадало по 8 строу каждого слоя

Результаты тестирования показали, что количество неработоспособных каналов составило 0,2 % от общего числа измеренных каналов (требование по спецификации - 1 %), а количество каналов с неоднородностью величины газового усиления более 9 % (что соответствует возможному изгибу строу более 300 мкм) было менее 0,4 % Таким образом, результаты тестов показали высокое качество изготовленных в ЛФЧ ОИЯИ кольцевых модулей ТЯТ

1 Создан детектор переходного излучения - трекер типа «В» на основе тонкостенных дрейфовых трубок для внутреннего детектора установки ATLAS Большого адронного коллайдера Созданный детектор является одной из наиболее важных систем установки АТЛАС и содержит 17 восьмислойных модулей детектора (16 рабочих и один резервный) с общим числом дрейфовых трубок равным 104448 В настоящее время детектор полностью протестирован в ЦЕРНе, установлен в шахте эксперимента АТЛАС и на нем ведется набор статистики от космических лучей Результаты тестирования показали высокое качество кольцевых модулей детектора переходного излучения - трекера ATLAS Количество неработоспособных каналов всего составляет 0,2 % от общего числа измеренных каналов, что существенно ниже требований по спецификации -1%)

ATLAS

Основные результаты и выводы

2 Для создания детектора разработана методика его производства, которая может быть применена в дальнейшем для создания новых проволочных детекторов разных типов

3 По техническим требованиям Внутренний детектор установки АТЛАС должен работать в течение 10 лет, при этом максимальная доза облучения составит ~ 1000 кГр Для обеспечения этих условий была исследована радиационная стойкость используемых при создании координатных детекторов органических материалов, в частности полисульфона и поликарбоната, а также эпоксидных клеев-компаундов ЭЛК-5 и ЦМК-5 Результаты измерений показали слабую зависимость механических свойств исследованных полимеров и клеев от поглощенной дозы, что позволило использовать их при изготовлении детекторов в рамках проектов LHC, COMPASS, «Термализация» и других

4 Разработаны методы тестирования детекторов переходного излучения - трекеров на всех этапах их создания, в частности

• разработан метод проверки прямолинейности строу, основанный на анализе формы светового пятна, образованного проходящим через него параллельным пучком света,

• разработана и создана автоматизированная система контроля качества установки строу, которая на этапе установки строу в детектор обеспечивает проверку прямолинейности строу, отсутствия замыкания между рамами детектора и строу, а также -соседних строу между собой Применение системы обеспечивает возможность своевременного устранения дефектов, которые могут в дальнейшем повлиять на работу детектора,

• создан прибор для контроля максимально допустимой толщины пленочных радиаторов, подготовленных к установке в детектор

Основные результаты диссертации опубликованы в работах

1. Г Д Кекелидзе, В Д Пешехонов, Прецизионные трековые детекторы на основе тонкопленочных дрейфовых трубок (straw), Физика элементарных частиц и атомного ядра, 2002, Т 33

2 С HayviUer, L S Almaeva, V N Bytchkov, V V Golikov,G D Kekelidze, S P Lobastov, VI Luchikov, V D Peshekhonov, Radiation Hardness of Polysulphone and Polycarbonate Elements for LHC Detectors ОИЯИ, E14-98-245,1998 r, ATL-1NDET-98-218.

3 C.H Гладких, В В Голиков, Г Д Кекелидзе, С В Мишин, В Д Пешехонов, Радиационная стойкость некоторых полимеров и эпоксидных клеев, ОИЯИ, Р13-2001-275

4 И В Богуславский, В H Бычков, КСВирясов, H Григалашвили, Ю В Гусаков, Г Д Кекелидзе, В H Круглое, К А Левтеров, В M Луценко, В M Лысан, С В Мишин, В В Мялковский, В Д Пешехонов, А А Савенков, Е M Хабарова Изготовление детекторов переходного

излучения - трекеров типа «В» в ОИЯИ для внутреннего детектора установки ATLAS LHC. Письма в ЭЧАЯ, 2006 № 3 [132], С 103 -110

5 РА Астабатян, Г Д Кекелидзе, С П Лобастов, В Д Пешехонов, А В Рябов, Л M Смирнов Метод интегрального измерения прямолинейности тонкопленочных дрейфовых трубок ОИЯИ, Р13-98-270, 1998 г

6 АО Годунов, H С Григалашвили, Ю В Гусаков, Г Д Кекелидзе, В В Ливинский, С.В Муравьев, В Д Пешехонов, А А Савенков, Автоматизированная система контроля качества установки тонкостенных дрейфовых трубок в детектор TRT ATLAS Письма в ЭЧАЯ, 2003 № 2 [117]

Получено 12 сентября 2007 г

Отпечатано методом прямого репродуцирования с оригинала, предоставленного автором

Подписано в печать 12 09 2007 Формат 60 х 90/16 Бумага офсетная Печать офсетная Уел печ л 1,25 Уч-изд л 1,59 Тираж 100 экз Заказ № 55880

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

Введение.

1. Многопроволочные детекторы для ускорительных экспериментов в радиационных полях высокой интенсивности.

2. Особенности конструкции координатных детекторов - детекторов переходного излучения на основе тонкостенных дрейфовых трубок (ТКТ) для эксперимента АТЛАС.

2.1. Физико-технические требования к детектору.

2.2. Конструкция модуля детектора и его элементов.

2.3. Электрическая схема субмодуля.

2.4. Радиационные требования к конструктивным материалам.

2.4.1. Радиационная стойкость пластмасс.

2.4.2. Радиационная стойкость клеев.

3. СБОРКА модулей ТКТ «В» типа.

3.1. Процедура армирования строу.

3.2. Подготовка строу к установке в рамы субмодуля.

3.2.1. Резка длинных строу.

3.2.2. Процедура гальванического объединения токопроводящих внешней и внутренней поверхностей строу.

3.2.3. Вклеивание в строу концевых элементов.

3.2.4. Финальная резка строу.

3.3. Сборка 4-слойного субмодуля.

3.3.1. Приклеивание заземляющих проволочек к кольцам.

3.3.2. Вклеивание строу в субмодуль.

3.3.3. Перемещение субмодуля между столами.

3.3.4. Приклеивание плат считывания информации.

3.3.5. Установка анодных проволочек в строу.

3.3.6. Создание газовых объемов.

3.3.6.1. Создание газового объема с внешней стороны субмодуля.

3.3.6.2. Создание газового объема с внутренней стороны субмодуля.

3.3.7. Электрическое объединение третьего кольца из углеволокна с платами считывания информации.

3.4. Сборка восьмислойного модуля.

3.4.1. Герметичное объединение газовых объемов субмодулей.

3.4.2. Установка элементов высоковольтного питания строу.

3.4.3. Установка элементов жидкостной системы охлаждения модуля.

3.4.4. Установка металлизированных экранов и элементов газового охлаждения модуля.

4. Тестирование детектора.

4.1. Проверка армированных строу.

4.1.1. Проверка армированных строу на кривизну.

4.1.2. Проверка внешнего диаметра строу.

Выводы.

4.2. Тестирование при подготовке строу к установке в детектор.

4.2.1. Проверка электрического сопротивления внутренней поверхности строу.

4.2.2. Проверка электрического контакта между внутренней и внешней поверхностями строу.

4.2.3. Проверка герметичности строу.

4.2.4. Проверка кривизны и цилиндричности строу.

4.2.5. Визуальный контроль строу.

Выводы.

4.3. Тесты при сборке детектора.

4.3.1. Входной контроль углепластиковых колец.

4.3.1.1. Проверка высоты колец.

4.3.1.2. Проверка диаметра отверстий.

4.3.1.3. Деформация колец.

4.3.1.4. Проверка толщины колец.

4.3.1.5. Визуальный контроль колец.

4.3.2. Проверка контакта между кольцами из углеволокна и заземляющими проволочками.

4.3.3. Проверка качества установки строу.

4.3.4. Входной контроль радиаторов.

4.3.5. Проверка субмодулей и модулей на герметичность.

4.3.6. Проверка резистивности высоковольтных предохранителей.

4.3.7. Высоковольтные тесты.

4.3.8. Проверка натяжения анодных проволочек.

4.3.9. Проверка геометрических размеров модуля.

4.3.10. Определение веса субмодуля.

4.4. Тестирование модулей детектора на тест станции.

Установка АТЛАС является одной из двух крупнейших установок, создаваемых для экспериментов на ускорителе LHC (Большом адронном коллайдере). АТЛАС содержит несколько крупных детектирующих систем, в том числе Внутренний Детектор (ВД), расположенный в непосредственной близости от области соударения пучков и работающий в условиях экстремально высокой загрузки [1]. В состав ВД входит трекер на основе кремниевых детекторов и детектор переходного излучения - трекер (TRT) на основе тонкостенных дрейфовых трубок (строу). Баррельная часть TRT изготавливалась в США, а модули TRT прямого и обратного направлений (end-cap) изготавливались в ЛФЧ ОИЯИ (тип «В») и ПИЯФ (тип «А»). Число дрейфовых трубок в TRT ATLAS составляет 298 304.

В процессе работы были исследованы свойства как самих строу, так и материалов, используемых для изготовления отдельных элементов детектора. Были разработаны методы тестирования детекторов в процессе сборки, обеспечивающие создание высококачественных детекторов и пригодные для использования при создании новых детекторов на основе строу.

Целью диссертационной работы являлась разработка и создание технологии изготовления и тестирования модулей детектора переходного излучения - трекера, ее применение для создания модулей детектора типа -«В» с полным количеством каналов регистрации (строу) - 104448, а также, связанное с этим, исследование материалов для детекторов, работающих в условиях высоких загрузок.

Научная новизна исследования

• Разработаны методы тестирования детекторов переходного излучения - трекеров на всех этапах их создания, в частности:

- разработан метод проверки прямолинейности строу, основанный на анализе формы светового пятна, образованного проходящим через него параллельным пучком света;

- разработана и создана автоматизированная система контроля качества установки строу, обеспечивающая проверку прямолинейности строу, отсутствии электрического контакта между соседними строу в слое, а также между строу и рамами детектора;

- разработан и создан прибор для контроля максимально допустимой толщины пленочных радиаторов, подготовленных к установке в детектор.

• Исследована радиационная стойкость органических материалов, используемых при создании координатных детекторов, в частности полисульфона и поликарбоната, а также отечественных эпоксидных клеев-компаундов ЭЛК-5 и ЦМК-5.

Практическая ценность работы

• На основе отработанной технологии был создан детектор переходного излучения - трекер типа «В» на основе строу для внутреннего детектора установки АТЛАС Большого адронного коллайдера.

• Результаты исследования полимеров и клеев показали слабую зависимость механических свойств от поглощенной дозы, что позволило не только использовать их при изготовлении детекторов в рамках проекта ШС, но и указало на возможность их применения в других проектах, например, для изготовления детекторов по проекту ИХ.

• Разработанный метод проверки прямолинейности строу, также как и методы поэтапного тестирования создаваемых детекторов и их элементов, обеспечивают возможность оперативного устранения дефектов, способных негативно влиять на работу детектора и способствуют тем самым более качественной сборке детекторов.

• Разработана технология сборки и тестирования модулей ТЯТ типа «В», которая частично может быть использована при создании подобных детекторов на основе строу.

• Результаты тестирования детекторов показали соответствие созданного детектора требуемым параметрам для эксперимента АТЛАС.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, а также списка цитируемой литературы.

Основные результаты и выводы

1. Создан детектор переходного излучения - трекер типа «В» на основе тонкостенных дрейфовых трубок для внутреннего детектора установки ATLAS Большого адронного коллайдера. Созданный детектор является одной из наиболее важных систем установки АТЛАС и содержит 17 восьмислойных модулей детектора (16 рабочих и один резервный) с общим числом дрейфовых трубок равным 104448. В настоящее время детектор полностью протестирован в ЦЕРНе, установлен в шахте эксперимента АТЛАС и на нем ведется набор статистики от космических лучей. Результаты тестирования показали высокое качество кольцевых модулей детектора переходного излучения - трекера ATLAS. Количество неработоспособных каналов всего оставляет 0,2 % от общего числа измеренных каналов, что существенно лучше требований по спецификации -1%.

2. Для создания детектора разработана методика его производства, которая может быть применена в дальнейшем для создания новых проволочных детекторов разных типов.

3. По техническим требованиям Внутренний детектор установки АТЛАС должен работать в течение 10 лет, при этом максимальная доза облучения составит ~ 1000 кГр. Для обеспечения этих условий была исследована радиационная стойкость используемых при создании координатных детекторов органических материалов, в частности полисульфона и поликарбоната, а также эпоксидных клеев-компаундов ЭЛК-5 и ЦМК-5. Результаты измерений показали слабую зависимость механических свойств исследованных полимеров и клеев от поглощенной дозы, что позволило использовать их при изготовлении детекторов в рамках проектов LHC, COMPASS, «Термализация» и других.

4. Разработаны методы тестирования детекторов переходного излучения - трекеров на всех этапах их создания, в частности:

- разработан метод проверки прямолинейности строу, основанный на анализе формы светового пятна, образованного проходящим через него параллельным пучком света;

- разработана и создана автоматизированная система контроля качества установки строу, которая на этапе установки строу в детектор обеспечивает проверку прямолинейности строу, отсутствия электрического контакта между соседними строу в слое, а также между строу и рамами детектора. Применение системы обеспечивает возможность своевременного устранения дефектов, которые могут в дальнейшем повлиять на работу детектора;

- создан прибор для контроля максимально допустимой толщины пленочных радиаторов, подготовленных к установке в детектор.

В заключение автор выражает глубокую благодарность Пешехонову Владимиру Дмитриевичу за постановку задач, помощь и внимание при выполнении исследований и работе над диссертацией. Также автор выражает благодарность своим коллегам: Астабатяну Размику Акоповичу; Богуславскому Игорю Викторовичу; Бычкову Виктору Николаевичу; Вирясову Константину Сергеевичу; Григалашвили Нугзару Сергеевичу; Ливинскому Валерию Васильевичу; Лобастову Сергею Павловичу; Лысану Виктору Михайловичу; Мялковскому Владимиру Владимировичу; Савенкову Андрею Андреевичу и Хабаровой Елене Михайловне за помощь и поддержку при проведении работ, вошедших в материалы диссертации.

1. ATLAS Collaboration, ATLAS 1.ner Detector Technical Design Report, V.2, CERN/CHCC/97-17,1997.

2. Ю.В.Заневский, Проволочные детекторы элементарных частиц. Атомиздат, 1978.

3. G.Charpak et al., Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. 62 (1968) 262.

4. A.H.Walenta, J.Heintze and B.Schiirlein, Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. 92, (1971) 373.

5. G.Charpak, D.Rahm and H.Steiner, Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. 80 (1970) 13.

6. Клаус Групен, Детекторы элементарных частиц, Сибирский хронограф, Новосибирск, 1999.

7. W.W.Ash et al., Nucl. Instr. and Meth. A 261 (1987), 399.

8. Г.Д.Кекелидзе, В.Д.Пешехонов, Прецизионные трековые детекторы на основе тонкопленочных дрейфовых трубок (straw), Физика элементарных частиц и атомного ядра, 2002, Т.ЗЗ.

9. J.Link, Proceedings of the 1997ICFA School on High Energy Instrumentation

10. V.N.Bychkov, ., G.D.Kekelidze et al., The large size straw drift chambers of the COMPASS experiment, Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A 556 (2006) 66-79.

11. И. Б.С. Ишханов, И.М.Капитонов, Э.И. Кэбин. "Частицы и ядра. Эксперимент", М.: Издательство МГУ, 2005.

12. А.Г.Оганесян, Рентгеновское переходное излучение и его применение в эксперименте, Физика элементарных частиц и атомного ядра, 1985, том 16, вып. 1.

13. Денисов С.П., Переходное излучение, СОЖ, 1997, № 3, с. 124-129.

14. B.Dolgoshein, M.Potekhin, A.Romanyuk and V.Sosnovtsev, Nucl.Instr.and Meth.in.Phys.Res., A294 (1990) 473.

15. T. T.Akesson et al, Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A 361 (1995) 440-456.

16. Р.Астабатян, ., Д.Кекелидзе и др., Разработка и исследование охлаждение детектора переходного излучения трекера прямого направления установки ATLAS. ОИЯИ Р13-96-472.

17. С. Hauviller, ., G.D.Kekelidze et al., Radiation Hardness of Polysulphone and Polycarbonate Elements for LHC Detectors, JINR. E14-98-245. Dubna.1998, Internal Note ATL-INDET-98-218.

18. С.Н.Гладких, В.В.Голиков, Г.Д.Кекелидзе, С.В.Мишин, В.Д.Пешехонов, Радиационная стойкость некоторых полимеров и эпоксидных клеев, ОИЯИ, Р13-2001-275.

19. Howell В., Kotlick D., Kobayashi M., Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A289 (1990)185

20. Avery R.E. et al., IEEE Trans.Nucl.Science NS-40.1993. P578.

21. С.А.Воронов и др., Высоковольтные предохранители для трекового детектора переходного излучения в эксперименте АТЛАС. ПТЭ. 2004.№ 2, С.63.

22. DSM-DTMROC. ATLAS TRT Technical Note. 11/14/2003.

23. A.Cheplakov et al., JINR. E13-96-358, Dubna.1996; MPI Munich Report MP-I-PhE/96-15 (1996).

24. V.V.Golikov et al. JINR, Dubna, H13-403,1996.

25. A.Cheplakov et al., JINR, E13-96-358, Dubna, 1996.

26. H.Sconbacher, B.Szeless, M.Tavlet, CERN 96-05, Geneva 1996.

27. И.В.Богуславский, ., Г.Д.Кекелидзе и др. Изготовление детекторов переходного излучения трекеров типа «В» в ОИЯИ для внутреннего детектора установки ATLAS LHC, Письма в ЭЧАЯ, 2006. № 3 132., С 103 -110.

28. В. Berntsen and M.J. Price, Nucl.Instr.and Meth.in.Phys.Res. A364 (1995) 103.

29. Р.А.Астабатян, Г.Д.Кекелидзе и др., Метод интегрального измерения прямолинейности тонкопленочных дрейфовых трубок, ОИЯИ, Р13-98-270. Дубна, 1998.

30. А.О.Голунов, ., Г.Д.Кекелидзе и др., Автоматизированная система контроля качества установки дрейфовых трубок в детектор TRT ATLAS, Письма в ЭЧАЯ, 2003. № 2 117. С.44-51.

31. Е. David et al., "Test of the TRT end-cap wheel", ATLAS Internal Note ATL-INDET-97-169 (1997).

32. Fedin et al., "A measurement station for the ATLAS end-cap TRT calibration", ATLAS Communication ATL-COM-INDET-99-026 (1999).

33. ЗЗ.Ю.В.Гусаков и др. Автоматизированная стендовая проверка кольцевых строу-детекторов TRT ATLAS типа «В», Письма в ЭЧАЯ, 2006. № 3 132., С 111-117.