Вершинная камера детектора КЕДР тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

•

ГЪ

$ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им. Г.И. Будкера СО РАН

На правах рукописи

Нагаслаев Владимир Петрович

ВЕРШИННАЯ КАМЕРА ДЕТЕКТОРА КЕДР

01.04.16 - физика ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Работа выполнена в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

Бондарь — кандидат физ.-мат. наук,

Александр Евгеньевич Институт ядерной физики

им. Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Федотович — кандидат физ.-мат. наук,

Геннадий Васильевич старший научный сотрудник,

Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск.

Ефременко — доктор физ.-мат. наук,

Валентин Иванович Институт теоретической и

экспериментальной физики, г.Москва.

ВЕДУЩАЯ — Московский инженерно-физический

ОРГАНИЗАЦИЯ: институт, г.Москва.

Защита диссертации состоится «/Г" hX>JlJJ>'% 1997 г. "// " часов на заседании диссертационного совета Д.002.24.011 Институте ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН.

Адрес: 630090, г. Новосибирск-90,

проспект академика Лаврентьева, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физ.-мат. наук, профессор «пь в B.C. Фади

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Успешная разработка метода встречных пучков , выполненная одно-ременно в Стэнфорде и в Новосибирске в начале 60-х годов, произвела астоягцую революцию в экспериментальной физике элементарных ча-гиц. Особенно плодотворным оказалось использование встречных е+е~ учков. Почти все результаты по физике тяжелых кварков получены «енно в экспериментах со встречными е+е~ пучками. Наиболее значивши экспериментами в области связанных состояний b-аромата, завер-ившимися к настоящему времени, были эксперименты CLEO в Корнел-; и AEGUS в Гамбурге.

Новые задачи требуют совершенствования детекторов и существен->го повышения светимости накопителей. Начал работу новый детектор LEO-2. В Стэнфорде и Цукубе строятся В-фабрики для изучения эф-;ктов нарушения СР-четности в распадах В-мезонов.

В Институте ядерной физики имени Г.И.Будкера в Новосибирске годится к запуску эксперимент КЕДР, особенностью которого является гажая чувствительность к регистрации С-четных состояний в двухфо-ihhom канале.

Цель данной работы состояла в создании вершинной камеры для де-ктора КЕДР.

Научная новизна работы.

1. Создана камера на основе дрейфовых трубок с минимальным кс личеством вещества - толщина лавсановой стенки составляет 20 мкм.

2. Разработана конструкция камеры, сочетающая независимую пода чу избыточного давления в трубки с взаимозаменяемостью элементов : возможностью многократной разборки камеры.

3. Показано, что в холодной смеси СОг + 15% Ю4 Ню время жизн; камеры может быть достаточно большим для длительной эксплуатаци в фоновых условиях ВЭПП-4М.

Научная и практическая ценность работы.

1. Создана вершинная камера для детектора КЕДР. Использова ние холодного газа позволяет получить пространственное разрешение н уровне 50 мкм. Включение вершинного детектора в координатную си стему позволяет в 1.5 раза улучшить импульсное разрешение. Благода ря малому размеру ячейки камера может быть использована в быстро: триггере. Детектор предназначен для реконструирования событий сс вместно с микровершинным детектором, но может быть использован : для самостоятельного восстановления вершин распада короткоживущи частиц.

2. Разработана методика дрейфовых камер с высоким разрешением с легко изменяемой геометрией и высокой надежностью.

3. Разработанная технология ультразвуковой сварки трубок може' быть использована в производстве других приборов.

4. Созданная программа расчета вклада электроники в разрешени может быть использована для произвольной электроники и произвольно: конструкции дрейфовых камер.

5. Предложенный способ измерения коэффициента газового усилени может быть использован в других газовых детекторах, способ измерены цилиндричности может использоваться в тех же целях в подобных каме pax, а также для мониторов интегрального контроля скорости дрейфа произвольных системах.

Структура работы.

Диссертация состоит из введения, десяти глав и заключения.

Апробация работы.

Материалы диссертации докладывались на международном симпо-иуме по координатным детекторам в физике высоких энергий (Дубна, 987), на международной конференции по проволочным камерам (Вена, 989), на семинарах экспериментальных лабораторий ИЯФ СО РАН, опу-ликованы в международных научных журналах и в препринтах ИЯФ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается краткое описание детектора КЕДР. Общий вид детектора КЕДР в осевом разрезе представлен на Рис.1.

У//////////////////////////////////Л

Рис. 1: Детектор КЕДР.

Основная часть детектора помещена в магнитное поле до 1.8 Тесла, здаваемое сверхпроводящей катушкой. Для замыкания магнитного по->ка служит железное ярмо весом 800 тонн. Внутри и снаружи ярма, ужащего также адронным фильтром, размещаются слои стримерных >убок мюонной системы. Торцевая часть мюонной системы располага-ся снаружи полюсов магнита.

Внутри магнита в порядке возрастания радиуса находятся:

- Внутренняя берцллиевая вакуумная камера с минимальным расст< яним до пучка 15 мм.

- Микровершииный детектор на основе полупроводниковых микр( стриповых камер с с разрешением на уровне 10 мкм.

- Внешняя бериллиевая вакуумная камера диаметром 110 мм. Ochoi ное назначение внешней вакуумной камеры - механическая стаб! лизация промежутка.

- Вершинный детектор из дрейфовых трубок.

- Центральная дрейфовая камера, построеная на основе крупной яче ки с постоянным дрейфовым полем и фокусировкой. Среднее г длине дрейфа разрешение лучше 100 мкм. Камера содержит 4 ai спальных и 3 стерео суперслоя. Полное количество чувствительнь проволочек на пути прямолинейного трека равно 42.

- Система аэрогелиевых черенковских счетчиков. При показате*1 преломления п = 1.035 разделение п/К составляет более 2<х в ди пазоне 0.6 - 1.9 ГэВ.

- Сцинтилляционные времяпролетные счетчики с разрешением i времени лучше 300 псек. Система имеет продольную и торцеву части.

- Электромагнитный калориметр для регистрации ливнеобразуюии частиц и идентификации частиц по dE/dx. Калориметр состоит ] жидкокриптоновой цилиндрической и торцевой системы на ochoi кристаллов йодида цезия. Энергетическое разрешение при эаерп Е1 = 1 ГэВ составляет 2% в обеих подсистемах.

Важной особенностью детектора КЕДР является система регистр ции рассеянных электронов с высоким энергетическим разрешением, пр назначенная для изучения двухфотонных процессов.

В первой главе приводится обоснование выбора типа камеры. Пр водятся основные отличия от существующих камер подобного типа.

Во второй главе рассмотрены основные физические процессы в др( фовых камерах. Выделены основные факторы, ограничивающие пр странственное разрешение.

Для проверки методики были проведены испытания прототипа пучке 1 ГэВ-ных позитронов, результаты которых приводятся в треть« главе. Показано, что в холодных газовых смесях может быть получе разрешение лучше 50 мкм, см. Рис. 2.

012345 012345

160 140 120 100 80 60 40 20 0

012345 012345

ис. 2: Предельное разрешение для разных газов, полученное на прото-ипе.

В четвертой главе приводятся результаты исследования радиаци-ешой стойкости дрейфовых трубок. При набранном интегральном за-яде 0.5 К/см, что соответствует примерно 10 годам работы накопителя а высокой энергии, падение коэффициента газового усиления составляет 5%.

В пятой главе обсуждается оптимизация геометрии вершинного де-ектора и рассматриваются его основные характеристики. При выборе иаметра трубки 10 мм, общее число трубок составляет 312. Трубки кладываются в б слоев, составляющих 3 двойных слоя. Такая компонов-а слоев позволяет существенно снизить вероятность потери измерения река в слое из-за близости двух треков. Чувствительная длина тру-эк 67 см, при этом телесный угол, полностью покрываемый камерой, эставляег 95%.

Точность экстраполяции трека частицы с импульсом 1 ГэВ к месту ;тречи при разрешении в трубке 50 мкм составляет 90 мкм. Использо-

вание вершинного детектора для совместного с центральной дрейфовой камерой восстановления треков частиц позволяет на 30% улучшить импульсное разрешение. Благодаря малому размеру ячейки, информация вершинного детектора может быть использована на любом уровне триггера, даже при работе с медленными холодными смесями.

В шестой главе описан процесс производства камеры, начиная от конструирования и заканчивая испытаниями при конечной сборке. Основой конструкции является дрейфовая трубка, полностью независимая от остальных трубок. Трубки вставляются в торцевые фланцы, см. Рис. 3, навстречу друг другу. Точность задания положения проволочек в пространстве обеспечивается прецизионной посадкой пробок в отверстиях фланцев и точной установкой фланцев на вакуумной камере.

Вершинный детектор выполнен в виде двух разъемных полуцилиндров, которые могут быть установлены на вакуумную камеру и сняты раздельно, без разборки промежутка.

Основной особенностью конструкции является очень тонкая стенка камеры - 20 мкм лавсан, и технология изготовления трубки методом ультразвуковой сварки. Эта особенность определяет жесткие требования к точности производства компонент, необходимый уровень точности и его контроль подробно обсуждаются в данной главе.

Другая особенность камеры состоит в ее полной разборности и взаимозаменяемости трубочек, что очень важно для КЕДР, полный запуск которого состоит из нескольких этапов. Полная независимость трубочек позволяет отключать любой канал извне как по высокому напряжению, так и по газу.

Рис. 3: Дрейфовая трубка с пробками.

Производство вершинного детектора состоит из 3 этапов. Особое вни-гае уделено испытаниям готовых трубок на последнем этапе сборки, /бки, не прошедшие все испытания, отбраковывались и заменялись гими.

В седьмой главе описана электроника вершинного детектора. От-ителыго медленный отклик предусилителей в сочетании с транспор-овкой сигнала по длинной линии позволяют собирать больше заряда эменту срабатывания дискриминатора, но приводит к значительной 1симости времени срабатывания от амплитудных флуктуаций. Пока), что в холодных смесях вклад электроники заметен на малых рас-шиях, но незначителен в большей части трубки. 3 восьмой главе приводятся результаты изучения фоновых условий :сте расположения вершинного детектора. Измерения проводились в 1азоне энергий накопителя от 2 до 5 ГэВ. Трубки работали в пропор-1альном режиме с газовой смесью Аг+10% СОг, что позволяло изме-> помимо загрузок также энергию квантов синхротронного излучения, азано, что фон частиц невелик и почти не зависит от энергии. Фон ротронного излучения очень высок на больших энергиях и содержит гмо жесткой компоненты значительную долю квантов с энергией око-КэВ, соответствующую характеристической линии железа. Исходя ¡личины потока СИ была выбрана защита бериллпевого промежут-виде железной фольги толщиной 100 мкм с 10 микронным слоем а. Фоновые загрузки могут быть дополнительно снижены за счет мизации орбиты накопителя. Данные по измерению фона совместно ледованиями радиационной стойкости дрейфовых трубок были ис-зованы для оценок времени жизни камер в условиях эксперимента, девятой главе описаны процедуры реконструкции треков и кали-си основных параметров, использованные при работе с космически-гстицами.

есятая глава посвящена результатам испытания вершинного де->ра на месте встречи ВЭПП-4М с космическими частицами. Ис-ния проводились с газовой смесью Аг+30%Ю4 Ню. Зависимость >енного разрешения от напряжения показана на Рис. 4. Максималь-реднее разрешение в ячейке равняется 125 мкм, что согласуется с ами диффузии и временного разрешения. На Рис. 5 приведена завить эффективности от напряжения, при максимальном напряжении тивность трубки составляет 99.5%.

Anode voltage,V

Рис. 4: Зависимость разрешения от анодного напряжения.

g.1025

S

;g

S i

о.т 0.95 0Ж5 0.9

1650 1700 1750 1800 1850 1900 1950 2000 Anode voltage,V

Рис. 5: Зависимость эффективности от анодного напряжения.

Восстановление треков заряженных частиц позволило измерить гори-нтальные смещения проволочек относительно рассчетных положений, эеднеквадратичный сдвиг составляет 20 мкм, см. Рис. б, что свиде-льствует о высокой точности общей сборки детектора.

АХлпп

Рис. 6: Измеренные горизонтальные сдвиги проволочек.

В заключении приведены основные результаты, полученные в ] боте:

Освоена методика дрейфовых трубок для координатных измерен] Проведенные испытания на пучке показали возможность получения п странственного разрешения лучше 50 мкм.

Разработан проект вершинной камеры для детектора КЕДР.

Разработана конструкция камеры. Камера из дрейфовых трубок лавсановыми стенками толщиной 20 микрон, удерживающих давле! газа, является минимальной по количеству вещества среди детекто] подобного типа в экспериментах на встречных пучках. Впервые реали вана разборная конструкция, позволяющая использовать преимущест независимого монтажа. Особенности конструкции потребовали особо) сокой точности изготовления элементов детектора. Испытания каме на космических частицах показали, что среднеквадратичные сдвиги п Волочек от заложенных положений составляют 20 мкм.

Разработана процедура сборки дрейфовых трубок и их тестирован Способы измерения цилиндричности и коэффициента газового усиле] специфичны и применены впервые.

Проведены измерения фоновых условий вблизи места встречи. Раз ботана схема защиты детектора от синхротронного излучения.

Проведены исследования радиационной стойкости камеры в условн близких к реальным. Показано, что камера может стабильно работ до интеграла 0.5 К/см, что соответствует 10 годам непрерывной рабе накопителя в наиболее жестких фоновых условиях.

Разработаны математические процедуры реконструкции треков, 01 мизации индивидуальных констант и нахождения дрейфовой характе стики.

Проведен анализ отклика и численное моделирование вклада элект ники в пространственное разрешение камеры. Показано, что этот вк. заметен на малых расстояниях, но в холодных смесях в большей ча объема достаточно мал.

Запущена в эксплуатацию вершинная камера универсального дет тора КЕДР. Проведены испытания камеры на космических частицг легкой газовой смесью. Получено среднее разрешение 125 мкм на я* ку. Эффективность регистрации заряженных частиц превышает 999

Эсновные результаты диссертации опубликованы в следующих рабо-

I. В.В.Анашин и др. "Проект детектора КЕДР",Труды международ> симпозиума по координатным детекторам в физике высоких энергий, на, 1988 г.

!. V.V. Anashin et al., KEDR status report. RX-1308 (Novosibirsk), 1990.

. V.M. Aulchenko, A.G. Chilingarov, A.N. Krinitsyn, L.M. Kurdadze, u. Lelchuk, V.P. Nagaslaev, L.V. Romanov, "Mylar tubes for tracking", •rint INP 84-16G.

. V.M. Aulchenko, A.G. Chilingarov, G.M. Kolachev, O.B. Lazarenko, Nagaslaev, L.V. Romanov, "Vertex chamber for the KEDR detector", . Instr. and Meth. A238 (1989) p.528-531.

C.E. Бару, Б.О. Байбусинов, А.Е. Бондарь, А.Н. Кршшцын, Нагаслаев, А.В. Соколов, "Первые результаты испытаний ВД для Р", Препринт ИЯФ 97-68.