Сверхпроводящая магнитная система и жидкокриптоновый калориметр детектора КЕДР тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Детектор КЕДР на ВЭПП-4М.

1.1 Ускорительно-накопительный комплекс ВЭПП-4.

1.2 Детектор КЕДР.Ю

ГЛАВА 2. Основной сверхпроводящий соленоид детектора КЕДР.

2.1 Существующие СП магниты.

2.2 Конструкция и основные параметры СП соленоида.

2.2.1 Расчет магнитного поля.

2.2.2 Выбор сверхпроводящего провода, рабочей точки. Основные параметры СП соленоида.

2.2.3 Конструкция СП соленоида.

2.3 Расчет магнитных сил, действующих на обмотку СП соленоида при нарушении симметрии.

2.3.1 Расчет аксиальной силы.

2.3.2 Расчет радиальной силы.

2.4 Расчеты элементов СП соленоида.

2.4.1 Прочностные расчеты.

2.4.2 Расчет подвесок и растяжек. .'.

2.4.3 Тепловые расчеты.

2.5 Запитка СП соленоида.

2.5.1 Расчет времени запитки.

2.5.2 Газоохлаждаемые токовводы.

2.5.3 Коммутация токоподвода к СП соленоиду и обратный виток.

2.6 Система контроля деформаций и перемещений СП обмотки.

2.7 Результаты испытания СП соленоида.

ГЛАВА 3. Компенсирующие магниты детектора КЕДР.

3.1 Основные характеристики компенсирующих магнитов.

3.2 Конструкция компенсирующих магнитов.

3.3 Прочностные расчеты элементов компенсирующего магнита.

3.4 Тепловые расчеты компенсирующего магнита.

ГЛАВА 4. Жидкокриптоновый электромагнитный калориметр детектора КЕДР.

4.1 Краткий обзор существующих калориметров.

4.2 Физические характеристики и конструктивная схема калориметра.

4.3 Конструкция калориметра.

4.4 Система очистки жидкого криптона.

ГЛАВА 5. Система криогенного обеспечения (СКО) детектора КЕДР.

Первые установки на встречных пучках ВЭПП-1 на энергию 2x160 МэВ, ВЭПП-2 на энергию 2x700 МэВ в Новосибирске и накопитель на энергию 2x550 МэВ в Стэнфорде были сооружены в 60-х годах. На первых е+е~ накопителях использовались простые детекторы с малыми телесными углами, предназначенные в основном для изучения двухчастичных реакций. Но уже на установках первого поколения были выполнены фундаментальные работы по исследованию применимости квантовой электродинамики на малых расстояниях, изучению процессов однократного и двойного тормозного излучения, двухфотонного рождения электрон-позитронных пар, исследованию свойств р, со, ср мезонов, открыты процессы множественного рождения адронов. В 70-х годах началось бурное развитие метода встречных пучков и он стал одним из основных методов в физике частиц. Развитие шло как по пути увеличения энергии, так и светимости установок [1] (рис. 1.1). Для реализации возможностей установок со встречными пучками потребовались более сложные и универсальные детекторы. Основные требования к современным детекторам: максимальный телесный угол по регистрации и идентификации частиц, высокая точность измерения импульса заряженных частиц, возможность измерения энергий нейтральных частиц. Эти требования привели к необходимости создания сильных магнитных полей в большом объеме.

Одним из первых современных детекторов был детектор PLUTO, построенный на накопителе DORIS (~6GeV) в 1974 году [2]. В качестве примера можно привести детектор ALEPH (CERN) на е+е" ускорителе LEP с

32 2 1 энергией 2x100 GeV и светимостью 10 cm" s" [3], который закончил работать в 2000 году. В настоящее время работают две так называемые е'е В-фабрики: РЕР-П (SLAC, USA) с энергией 9 GeV electrons on 3.1 GeV positrons [4] и КЕКВ (КЕК, Japan) с энергией 8 GeV electrons on 3.5 GeV

33 2 1 positrons [41]. Светимость этих установок уже достигла 4x10 cm" s" . На них успешно работают 2 детектора - ВаВаг [4] и BELLE [46], основной задачей которых является изучение несохранения ср - четности в распадах В-мезонов.

2Е, ГэВ

1000

10

DO SIC. LEP (CERN)

TRISTAN (КЕК, Japan) 5ETRA PEP

DESY, Germany) (SLAC) * CESR (Cornell) VEPP-IV

DORIS VEPP4H tanford) (DESY, Germany) (Novosibirsk)

С PRIN- STAN VEPP-il ACO (Si::r:oid) (Novosibirsk) (France

1960

I/O

1980

1990 i Год

2000

Рис.1.1 Развитие ускорителей на встречных пучках.

В ИЯФ СО РАН в 1967 году был создан ускоритель на встречных электрон-позитронных пучках на энергию 2x670 МэВ. Позднее он был модернизирован в ВЭПП-2М с максимальной энергией 2x700 МэВ и

-2 -1 светимостью 3-1030 сгп" 8" , на котором были установлены магнитный детектор КМД-2 [5], нейтральный детектор [6] и сферический нейтральный детектор СНД [7]. В начале 70-х годов был сооружен ускоритель ВЭПП-4 на встречных электрон-позитронных пучках с энергией 2x5,5 ГэВ с детектором

МД-1 [8]. В настоящее время он модернизирован в установку ВЭПП-4М с максимальной энергией 2x6 ГэВ, на которой был установлен детектор КЕДР.

Целью настоящей диссертации является решение задач, связанных с проектированием, изготовлением и запуском в работу магнитной системы, в которую входят основной и два компенсирующих сверхпроводящих магнита, а также электромагнитного калориметра на жидком криптоне детектора КЕДР. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения.

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. Впервые разработан, изготовлен и испытан сверхпроводящий соленоид диаметром 3,24 м и длиной 2,84 м, предназначенный для создания однородного магнитного поля напряженностью до 1,8 Т в центральной части детекторе КЕДР, с частично стабилизированной шиной, впаянной в корпус из нержавеющей стали, который служит защитой при срыве сверхпроводимости.

2. Разработан резистивный датчик перемещения, который отслеживает деформации и перемещения сверхпроводящей обмотки во время захолаживания и в процессе эксплуатации с точностью 0,1 мм.

3. Сконструированы и изготовлены газоохлаждаемые токовводы на ток до 300 А с расходом жидкого гелия 0,8 л/час на пару токовводов.

4. Разработаны и изготовлены компенсирующие магниты на поле до 6,55 Т, которые служит также в качестве крионасоса для создания высокого вакуума в месте встречи.

5. Впервые разработан и изготовлен электромагнитный калориметр на основе жидкого криптона объемом 13 м с малой входной радиационной толщиной для экспериментов на встречных ее пучках.

6. Разработана и смонтирована система очистки жидкого криптона, основанная на пропускании жидкого криптона через оксисорб на основе окислов марганца.

124

В заключение выражаю глубокую благодарность научному руководителю работы Ю.А.Тихонову за руководство и помощь в завершении работы. Я с благодарностью вспоминаю совместную работу с руководителем работы ныне ушедшим из жизни.

Г.М.Колачевым

Выражаю искреннюю благодарность В.В.Анашину, С.П.Демину,

B.Ф.Куликову В.И.Плюснину за совместные обсуждения и помощь при создании сверхпроводящих соленоидов.

Выражаю сердечную благодарность А.П.Онучину, Н.А.Завадскому,

C.В.Пелеганчуку, Р.Г.Снопкову за большое внимание и помощь при обсуждении и проектировании жидкокриптонового калориметра.

Искренне благодарю Л.М.Баркова, Б.И.Хазина, К.К.Шрайнера за оказанное внимание к работе.

Выражаю благодарность А.К.Барладян, А.В.Брагину, С.В.Карпову, В.С.Охапкину, А.И.Рогозину, А.А.Рубан, А.В.Суханову за полезные советы; всем сотрудникам НКО и другим сотрудникам ИЯФ, принимавшим участие в обсуждении, проектировании и изготовлении описанных узлов.

Заключение.

Сверхпроводящие соленоиды больших размеров, применяемые в современных детекторах, являются дорогостоящими изделиями. При проектировании и изготовлении основного сверхпроводящего магнита детектора КЕДР стояла задача минимизировать финансовые затраты, при этом не снижая работоспособности и надежности магнита. Результатом этого стал отказ от применения дорогостоящих стабилизированных сверхпроводящих шин, применяемых в аналогичных конструкциях.

В конструкции основного сверхпроводящего соленоида детектора КЕДР была применена частично стабилизированная сверхпроводящая шина, запаянная на внутреннюю поверхность обечайки из нержавеющей стали. Защита при потере сверхпроводимости обмотки осуществляется за счет низкоомного шунтирующего сопротивления, распределенного равномерно вдоль обмотки. Впервые такая конструкция сверхпроводящего соленоида была опробована и успешно эксплуатировалась в детекторе КМД-2, в разработке и конструировании которого было мое участие. В детекторе КЕДР впервые подобная конструкция применена для соленоидов большого размера, и это позволило существенно уменьшить стоимость изготовления соленоида.

Электромагнитные калориметры являются одной из наиболее важных систем детектора. Использование сжиженных благородных газов позволяет создавать калориметры с энергетическим разрешением, сравнимым с разрешением кристаллических калориметров, и существенно лучшим пространственным разрешением. При создании электромагнитного калориметра детектора КЕДР реализована идея использования жидкого криптона в качестве рабочей среды, впервые предложенная в ИЯФ СО РАН.

123

1. Detector Magnets for High-Energy Physics, IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 28, N0.1, January 1992.

2. U. Timm, PLUTO-Detector, DESY F (33,39)-72/l, Nov. 1972.

3. Aleph Collaboration, Technical Report, CERN/LEPSC/83-2, 1983.

4. Technical Design Report. The BaBar Collaboration, 1995.

5. Г.А.Аксенов, В.М.Аульченко, Л.М.Барков, С.Г.Пивоваров и др. Проект детектора КМД-2 для ВЭПП-2М, Препринт 85-118, ИЯФ, Новосибирск, 1985.

6. В.М.Аульченко и др. Нейтральный детектор, Препринт 82-142, ИЯФ, Новосибирск, 1982.

7. В.М.Аульченко и др. СНД-Сферический нейтральный детектор для ВЭПП-2М, Препринт 87-36, ИЯФ, Новосибирск, 1987.

8. Г.М.Колачев. Диссертация, ИЯФ, Новосибирск, 1984.

9. В.В. Анашип и др. Проект детектора КЕДР. Труды международного симпозиума по координатным детекторам в ФВЭ, ОИЯФ, 1988.

10. В.В.Анаишн и др., Состояние работ на комплексе ВЭПП-4М, Труды XII Всесо-юзного совещания по УЗЧ, Москва,, т.1, с. 295, 1990.

11. И.Я.Протопопов, е+е- встречные пучки в Новосибирске. Состояние дел и планы, Труды XIII Международной конференции по ускорителям частиц высоких энергий, Новосибирск, 1986, т.1, с.63.

12. V.M.Aulchenko, A.G.Chilingarov, G.M.Kolachev, O.B.Lazarenko, V.P.Nagaslaev, L.V.Romanov, "Vertex chamber for the KEDR detector", Nucl. Instr.and Meth. A283(1989)528-531.

13. S.E.Baru, V.E.Blmov, VR.Groshev, G.M.Kolachev et at, "The KEDR drift chamber", Nucl.Instr. and Meth. A323(1992)151-156.

14. SLD Design report, SLAC-Report-273 (1984); W.B.Atwood et al, Nucl. Instr. and Meth., 252 (1986) 295.

15. A.Buzykaev, C.Cherepanov, A.Danilyuk, S.Ganzhur, T.Gorodelskaya, G.Kolachev, E.Kravchenko, V.Mikerov, T.Muraviova, A.Onuchin,

16. A.Shamov, V.Tayursky, V.Teplygin, A.Vorobiov, V.Yurchenko, "Project of aerogel Cherenkov counters for KEDR", Nucl.Instr. and Meth. A379(1996)453-456.

17. КВ.Бедный, А.И.Воробьев. Статус работ по сцинтилляционным счетчикам.Меморандум КЕДР ВП-2. Октябрь 2000.

18. V.M.Aulchenko, B.O.Baibusinov, E.M.Baldm, A.E.Bondar, P.B.Gaidarev,A.S.Kuzmin, L.A.Leontiev, S.B.Oreshm, R.P.Ovechkin,

19. B.A.Shwartz, "Experience with CsI(Na) crystals for calorimetry", Nucl. Instr. and Meth. A379(1996)502-504.

20. V.M.Aulchenko, A.K.Barladyan, G.M.Kolachev, S.V.Peleganchuk, S.G.Pivovarov et al., "Liquidkrypton calorimeter for KEDR detector and last prototype results". Nucl. Instr. and Meth. A379(1996) 475-477.

21. V.M.Aulchenko, B.O.Baibusinov, S.E.Baru et al., "Detector KEDR tagging system for two-photon physics". Nucl. Instr. and Meth. A379(l 996)360-362.

22. Казовский Е.Я.,Карцев В.П., Шахтарин В.Н., Сверхпроводящие магниты, «Наука», JI, 1967.

23. Roger J.M.Y.Ruber. An Ultra-thin-walled Superconduction Solenoid for Meson-decay Physics, Uppsala, 1999.

24. A.Yamamota. Superconducting magnets advanced in particle physics, Nuc. Instr. andMeth. In Phys.Res. A 453 (2000) 445-454.

25. A.Yamamota et al. Development towards Ultra-thin Superconducting Solenoid Magnets for High Energy Particle Detectors, Nucl. Ph. В (Proc. Suppl.) 78 (1999), 565-570.

26. L.M.Barkov, N.S.Bashtovoy, A.V.Bragin, S.V.Karpov, V.S.Okhapkin, S.G.Pivovarov, A.A.Ruban, V.P.Smakhtin, I.G.Snopkov, Superconducting magnet system of the CMD-2 Detector, Budker Institute of Nuclear Physics, Novosibirsk, Russia, 1999.

27. A Thin Superconducting Solenoid Magnet for the WAS A Detector, IEEE Transactions on Magnetics, Vol.32, 1996.

28. Major Detectors in Elementary Particle Physics, LBL-91 Supplement Revised UC-34D, May 1985.

29. Physical Review, D, Particles and Fields, vol. 54, n.l, p.147

30. Уилсон M. Сверхпроводящие магниты. Москва, «Мир», 1992.

31. IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, vol.28, n.l, p. 113 Jan. 1992.

32. Atlas. Technical Proposal for a General-Purpose pp Experiment at the Large Hadron Colliner at CERN, CERRNJ994.

33. Н.М.Беляев. Сопротивление материалов, Москва, 1958.

34. Д.Б.Монтгомери. Получение сильных магнитных полей с помощью соленоидов, «Мир», Москва, 1971.

35. Ю.П.Солнцев, Г.А.Степанов. Материалы в криогенной технике. Справочник. Ленинград, 1982.

36. Б.3.Персов, Э.М.Трахтенберг. Конструирование электромагнитных устройств, Препринт 91-58, ИЯФ, 1991.

37. Н.С.Ачеркан. Справочник машиностроителя, т.З, Москва, 1962.

38. И.А.Биргер и др. Расчет на прочность детелей машин. Справочник, «Машиностроение», Москва, 1993.

39. Г.И.Назаров и др. Конструкционные пластмассы. Справочник, «Машиностроение», Москва, 1973.

40. В.Е.Минайчев. Вакуумные Крионасосы, «Энергия, Москва, 1976.

41. The European Physical Journal С, Particles and Fields, v. 15, №1-4, 2000.

42. K.R.Efferson "HeliumVapor Cooler Current Leads'1. Rev. Sci. Instr., 1967, 38, №12, p. 1776-1779.

43. А.К.Барладян., В.Ф.Куликов В.Ф. Отчет о работе криогенного комплекса детектора "КЕДР'7, ИЯФ, 2000.

44. Г.Брехна. Сверхпроводящие магнитные системы. «Мир», Москва, 1976.

45. CLEO-II. Updated Proposa 1 for Improvements to the CLEO Detector for the Study of e+ e~ Interactions at CESR by the CLEO Collaboration, January, 1985.

46. BELLE. Technical Design Report, KEK Report 95-1, 1995.

47. CERN Courier, Sertember, 1999, p6.

48. A.A.Grebenuk. Instruments and Methods in Physics Research, A 379, 1996, 488-490.

49. A.A.Grebenuk. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A 453,2000, 199-204.

50. М.П.Малков. Справочник по физико-техническим основам криогеники, «Энергоатомиздат», Москва, 1985.

51. С.В.Пелеганчук. Диссертация, ИЯФ, Новосибирск, 1999.

52. А.С.Барбаш, А.И.Болоздыня. Жидкостные ионизационные детекторы, Москва, 1993.

53. V.M.Aulchenko et al.,Proc of 24 Int. Conf. On High Energy Physics, Munich, 1988.

54. V.M.Aulchenko, S.G.Klimenko, G.M.Kolachev et al., "Investigation of electromagnetic calorimeter based on liquid krypton". NIM A289(1990)468.

55. V.M.Aulchenko et al., Proc. of the 5th Int. Conf. On Instr. For Coll. Beam Phys, p.299, Novosibirsk, 1990.

56. V.M.Aulchenko et al., Proc. Int. Conf. On Calorimetry at High Energy Physics, FNAL, 1990.51 .V.M.Aulchenko, A.K.Barladyan, G.M.Kolachev, S. V.Peleganchuk,

57. S.G.Pivovarov et al., "Liquid krypton calorimeter for KEDR detector and last prototype results". Nucl. Instr. and Meth. A379(1996) 475-477.

58. M.Aulchenko, A.D.Bukin, S.G.Klimenko, G.M.Kolachev, S.G.Pivovarov et al., "Liquid krypton electromagnetic calorimeter". Nucl. Instrum. Methods A327 (1993) 193-198.

59. V. V.Anashin et a/.,KEDR. Status report, Novosibirsk, 1990.

60. ОАО "Криогенмаш", Криостат криптоновый ККР-13. Расчет на прочность, Отчет, 1991.

61. П.Н.Евтушенко, А.И.Рогозин, Ю.А.Тихонов. Простой метод измерения скорости дрейфа и времени жизни электронов в газообразном и конденсированном криптоне, Препринт 99-3, ИЯФ, Новосибирск, 1999.

62. ОАО "Криогенмаш". Система термостатирования азотно-гелиевая СТАГ-1200/4,5. Техническое описание, 1991.

63. V.V.Anashin, Yu.A.Tikhonov, G.M.Kolachev, S.G.Pivovarov et al. KEDR detector at VEPP-4M, PROCEEDINGS THE IV ISTC SCIENTIFIC ADVISORY COMMITTEE SEMINAR ON "BASIC SCIENCE IN ISTC ACIVITIES", BINP, Akademgorodok, Novosibirsk, 23-27 April, 2001.

64. Р.Рахметшин, Л.М.Барков,И.В.Журавкое, С.В.Карпов, В.С.Охапкин, А.А. Рубан, В.П.Смахтнн, И.Г.Сиопков. Сверхпроводящий преобразователь для запитки магнитной системы детектора КМД-2, Препринт 96-86, ИЯФ, 1996.