Содержание к диссертации
Введение
1. Микростриповая газовая камера 7
1.1 Принцип действия 7
1.2 Конструктивные особенности 8
1.3 Характеристики детектора 9
1.4 Выводы 17
2. Тонкостенные пленочные дрейфовые трубки (ТДТ) 21
2.1 Конструкционные особенности и принцип действия . 22
2.2 Считывание координатной информации 23
2.2.1 Анодное считывание 23
2.2.2 Катодное считывание 27
2.3 Исследование тонкостенных дрейфовых трубок 28
2.3.1 Конструкция и механические характеристики строу 29
2.3.2 Влияние влажности и температуры 32
2.3.3. Влияние смещения анодной проволочки 38
2.3.4 Длинные ТДТ 40
3. Камеры с катодным считыванием на основе тонкостенных дрейфовых трубок 43
3.1 Камера с катодным считыванием на основе ТДТ с продольным окном 43
3.1.1 Особенности конструкции 43
3.1.2 Исследование характеристик 46
3.1.3 Выводы 50
3.2 Детекторы на основе ТДТ с высокорезистивным катодом 51
3.2.1 Каптоновые 4 мм строу 53
3.2.2 Майларовые 10 мм строу 55
4. Разработка и исследование охлаждения модулей трекера TRT ATLAS 63
4.1 Технико-физические особенности детекторов TRT прямого направления установки ATLAS 63
4.2 Секторный прототип 64
4.2.1 Конструкция прототипа 64
4.2.2 Схема газового охлаждения 66
4.2.3 Теплообменник 68
4.3 Внутренние термоэлементы и датчики 69
4.3.1 Нагревательные элементы 69
4.3.2 Датчики температуры 71
4.3.3 Датчики давления 73
4.4 Экспериментальная установка 73
4.5 Результаты измерений 75
4.5.1 Предварительные измерения 75
4.5.2 Процедуры и параметры исследований охлаждения 78
4.5.3 Влияние скорости продува охлаждающего газа. 79
4.5.4 Влияние конвекции газа внутри трубок 80
4.5.5 Влияние теплообменника 82
4.5.6 Оптимизация теплообменника 84
4.6 Выводы 86
Заключение 88
Литература 90
- Конструктивные особенности
- Исследование тонкостенных дрейфовых трубок
- Детекторы на основе ТДТ с высокорезистивным катодом
- Внутренние термоэлементы и датчики
Введение к работе
Существующие в настоящее время многочисленные методы регистрации частиц не являются универсальными. Чтобы сделать правильный выбор между различными методами, необходимо учитывать их практическую реализуемость, точность и ограничения применений в тех или иных условиях. Одним из наиболее востребованных методов в современной физике высоких энергий является метод регистрации частиц с помощью газонаполненных координатных детекторов - многопроволочных пропорциональных и дрейфовых камер. Несмотря на то, что эти камеры прекрасно зарекомендовали себя во многих физических экспериментах и стали фактически классикой при создании трекеров, их характеристики все чаще оказываются недостаточными для удовлетворения всех потребностей современных задач. Особый толчок в развитии новых типов газонаполненных детекторов для физики высоких энергий дало в конце 80-х годов прошлого столетия начало строительства новейших суперколлайдеров в Европе, США и Советском Союзе. Поиски решений для удовлетворения появившихся требований привели к появлению новых типов газонаполненных детекторов, таких как микростриповая газовая камера (MSGC), газовый электронный умножитель (GEM), детекторы на основе тонкостенных дрейфовых трубок (строу).
Целью диссертационной работы являлась разработка и исследование новых типов газонаполненных координатных детекторов для современных экспериментов на ускорителях.
Научная новизна исследования Одной из первых в России была изготовлена и исследована микростриповая газовая камера.
Проведены исследования механических и электрофизических характеристик новых элементов газонаполненных детекторов -тонкостенных дрейфовых трубок (ТДТ).
Разработаны и исследованы прототипы 2-х типов камер на основе ТДТ с катодным считыванием. Показана перспективность развития данного направления детекторов.
Впервые разработана, изготовлена в натуральную величину и исследована тепловая модель модулей TRT (Transition Radiation Tracker) прямого направления установки ATLAS LHC. Отработана система газового охлаждения детектора.
Практическая ценность работы Результаты исследований характеристик тонкостенных дрейфовых трубок легли в основу разработки и создания строу-трекеров для экспериментов COMPASS, «Термализация» СВД и могут быть использованы для создания других детекторов на основе ТДТ.
Разработанные двухкоординатные детекторы на основе ТДТ с катодным считыванием могут быть использованы при создании высокоточных трекеров для современных физических установок. Результаты исследований термометрии прототипа TRT модуля легли в основу разработки и создания системы газового охлаждения TRT детекторов установки ATLAS LHC.
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы.
Первая глава содержит результаты исследования характеристик микростриповой газовой камеры.
Во второй главе представлены результаты исследования характеристик тонкостенных дрейфовых трубок и рекомендации по их применению.
В третьей главе представлены прототипы двух видов детекторов на основе ТДТ с катодным считыванием, дано описание конструктивных особенностей и достигнутых координатных точностей.
В четвертой главе описана установка для проверки предлагаемой схемы газового охлаждения TRT модулей установки ATLAS LHC, представлены результаты исследований и даны рекомендации для разработки системы охлаждения детектора.
В заключении сформулированы основные результаты диссертации.
Апробация работы
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на рабочих совещаниях коллаборации ATLAS, семинарах Лаборатории физики частиц и опубликованы в работах [1-7].
Конструктивные особенности
Видно, что амплитуда сигнала с заднего катода почти в 3 раза больше, чем с верхнего. В общем случае, отношение амплитуд этих сигналов находится в соответствии с отношением величин собственных (конструкционных) межэлектродных емкостей между катодами и анодными стрипами. Значение емкостей, в свою очередь, зависит от расстояния между катодом и микростриповым электродом. Однако, если величину дрейфового промежутка мы не можем уменьшать до «бесконечности» из-за увеличения вероятности пробоев в рабочем газе, а также из-за возможной потери в эффективности регистрации частиц, то, уменьшая толщину подложки до десятков микрон и менее, можно получить наведенный на задний катод сигнал с хорошим отношением сигнал/шум и практически равный по величине амплитуды с сигналом от анодного стрипа. В нашем случае максимальное отношение сигнал/шум составляло 15-г20.
Таким образом, задний катод может быть использован не только для старта считывающей электроники, но и для получения второй координаты с достаточно хорошим пространственным разрешением, например, при изготовлении заднего катода в виде линии задержки, стриповой или пэдовой структур [9,13].
Амплитудный спектр сигналов с анодных стрипов при регистрации -квантов с энергией 8 кэВ показан на рис. 1.8. Полученное энергетическое разрешение составляет 23 %. Загрузочная способность детектора исследовалась с помощью пучка -квантов с энергией 8 кэВ от рентгеновской трубки с медным анодом. Диаметр пучка составлял 0,6 мм.
График зависимости амплитуды сигнала от величины загрузки показан на рис. 1.9, где А/А0 - отношение амплитуды сигнала при данной загрузке к амплитуде сигнала при малой интенсивности пучка. Для сравнения, на графике дана загрузочная способность для многопроволочной пропорциональной камеры с шагом сигнальных проволочек 2 мм (кривая 2) [10]. Видно, что по загрузочной способности МСГК существенно превосходит многопроволочную пропорциональную камеру. Для микростриповой камеры при регистрации квантов с энергией 8 кэВ 20%-ное уменьшение амплитуды сигнала с анодных стрипов наблюдалось при загрузках не менее чем 5-10 7-см "2-сек "1. Уменьшение амплитуды сигнала с МСГК связано с тем, что при больших загрузках образовавшиеся в области газового усиления положительные ионы не" успевают полностью разойтись к катодным стрипам, «оседая» между катодными и анодными стрипами на поверхности подложки из изоляционного материала.
Накопившийся заряд способствует экранированию электрического поля между катодными и анодными стрипами, уменьшению напряженности поля в области газового усиления и, как результат, приводит к понижению коэффициента газового усиления. Для уменьшения этого эффекта необходимо использовать подложки, обладающие некоторой поверхностной проводимостью. Установлено, что наилучший результат достигается при поверхностной резистивности подложки порядка 10 4-10 Ом/П [11]. Время рассасывания положительных ионов в микростриповои газовой камере зависит и от величины напряжения на заднем катоде [11, 12, 13], так как часть силовых линий электрического поля, исходящих от анодных стрипов, замыкаются не на соседние катодные стрипы, а на задний катод (рис. 1.10) [13], тем самым уменьшая напряженность электрического поля вблизи поверхности подложки и способствуя эффекту поверхностного накопления заряда между стрипами.
Исследование тонкостенных дрейфовых трубок
Техника считывания второй или обеих координат с использованием катодов из резистивных пластиков или из пластиков с резистивными покрытиями хорошо известна и используется в детекторах на основе пластиковых стримерных трубок, многопроволочных и микростриповых дрейфовых камерах [19, 20]. Аналогичные способы считывания координаты регистрируемой частицы в направлении оси проволочки можно организовать и для тонкопленочных дрейфовых трубок. Наиболее известными являются метод разделения тока на резистивном катоде (по отношению к точке прохождения частицы), а также различные способы определения координаты с помощью внешних электродов считывания.
В случае метода разделения тока наилучшее пространственное разрешение достигается при ограниченном стримерном режиме и составляет в лучшем случае 0,1 % (r.m.s) от длины трубки [21]. Для трубки длиной 3 м это будет не лучше 3 мм. К тому же ограниченный стримерный режим не позволяет работать при больших загрузках и вызывает опасения (для случая использования его в ТДТ) в возможности обеспечения надежности детектора во времени. Пропорциональный режим гораздо предпочтительнее в отношении использования строу при высоких загрузках и для обеспечения временной надежности детектора, однако, пространственное разрешение в случае метода разделения тока существенно хуже и составляет около 1 % (r.m.s) от длины трубки [21].
Считывание с помощью внешних катодных электродов, как уже было описано выше, возможно в случае, когда стенки строу обладают «прозрачностью» для наведения электрического заряда. В качестве внешних электродов обычно используются разнообразные структуры, состоящие из проводящих стрипов, пэдов и т.п. Восстановление координаты производится путем анализа амплитуд сигналов с соседних электродов [22]. Метод внешних катодных электродов позволяет получить продольную координату с точностью, сравнимой с точностью получения координаты в направлении дрейфа (лучше, чем 200 мкм), и не зависит от длины трубки. Простейшими вариантами организации такого считывания координаты являются: считывание сигнала через "окна", изготовленные в катодном покрытии с высокой проводимостью [4] или считывание сигнала благодаря использованию в качестве катода покрытия с низкой проводимостью [5,6].
Одной из характеристик газонаполненных координатных детекторов является постоянство коэффициента газового усиления во всей чувствительной области детектора. Неоднородность коэффициента газового усиления, как правило, не должна превышать 10%. Для тонкопленочной дрейфовой трубки однородность коэффициента газового усиления во многом определяется величинами отклонения ее от цилиндрической формы, т.е. кривизной, эллиптичностью, непостоянством диаметра и т.д. Способности трубок сохранять свои линейные размеры в основном определяются их конструктивными особенностями, такими как: материал, из которого они изготовлены; способ изготовления трубок; толщина стенок; диаметр; длина. Однако, несмотря на разнообразие ТДТ, можно выделить типичные проблемы, возникающие при использовании строу как элементов детекторов.
Строу изготавливались из каптоновой пленки, на одну из сторон которой был нанесен проводящий слой алюминия толщиной 10004-3000 А, покрытый 4 мкм слоем углерода, а на другую термосклеивающии слой из термопластического полиуретана толщиной 6+8 мкм [2]. Принцип изготовления трубок заключался в следующем. Пленка нарезалась на ленты шириной 8 мм. Затем, две таких ленты при температуре около 200 С спирально навиваются термосклеивающим слоем друг к другу и со смещением примерно в Уг ширины на специально изготовленный прецизионный стержень (рис. 2.2). На рис. 2.3 показана стенка такой трубки в разрезе. Результирующая толщина стенки составляла порядка 70 мкм. Лента (180-200)
Исследования показали, что при изготовлении детекторов, в общем случае невозможно использовать такие строу без предварительного натяжения. Для того чтобы трубка длиной 50 см была прямой, ее необходимо натягивать с усилием не менее 200 г [2,23]. При большом количестве трубок это накладывает определенные требования к жесткости несущей рамы детектора. Другой проблемой, которая в этом случае может возникнуть, является изменение параметров ТДТ из-за возможной текучести материала стенок строу. Текучесть материала может привести к ослаблению первоначального натяжения трубок и стать основной причиной нестабильности детекторов во времени, что совершенно недопустимо в случае их использования в больших установках, рассчитанных на долговременные эксперименты.
Детекторы на основе ТДТ с высокорезистивным катодом
Для изучения характеристик стрипового считывания координаты в ТДТ с высокорезистивным катодом были собраны несколько прототипов с различными типами строу [6]. Исследовались амплитудные характеристики для трубок, изготовленных из пленок с углеродным покрытием резистивностыо от 0,5 до 70 кОм/D. Схематическое изображение конструкции прототипов показано на рис. 3.7. Трубки длиной 16 см устанавливались на подложку из листового материала- G10 толщиной 2 мм на расстоянии St друг от друга. На наружной поверхности трубок имелись кольцевые стрипы шириной Ас, расположенные с шагом Sc. Стрипы гальванически соединялись соответствующим образом со считывающими шинами, находящимися на нижней стороне подложки. Шины представляли собой медные стриповые проводники длиной 72 см и шириной 3 мм, расположенные с шагом 7 мм.
В качестве анодов использовалась позолоченная вольфрамовая проволока диаметром 50 мкм. Продув строу осуществлялся рабочей смесью Аг/СН4 (50/50) со скоростью 5 см3/мин. Регистрация сигналов производилась с анодов и с центральной стриповой шины. Для этого использовались быстрые токовые усилители с малым входным сопротивлением. Неиспользуемые считывающие шины заземлялись через резисторы номиналом 62 Q, соответствующим величине входного сопротивления усилителей. Снаружи прототипы экранировались тонкой медной фольгой. Облучение проводилось пучком у-квантов диаметром 1,5 мм и энергией 8 кэВ от рентгеновской трубки через узкие окна, изготовленные в экране. Специальные приспособления позволяли перемещать рентгеновскую трубку в пределах выбранного окна с высокой точностью.
Амлитудные характеристики для всех типов строу исследовались в двух режимах: когда использовалась только одна трубка, подключенная к коротким шинам считывания длиной в несколько сантиметров и когда были подключены все трубки прототипа. трубок с внутренним и внешним углеродным покрытием резистивностью порядка 0,5 кОм/П, предложенных для TRT ATLAS [30], были установлены с шагом , = 8 мм. Кольцевые стрипы Ас = 0,1 мм, изготовленные из медной проволоки и размещенные непосредственно на наружном проводящем покрытии трубки с шагом 14 мм, соединялись с соответствующими проводниками считывающей шины, расположенными через один шаг
На рис. 3.8 представлены зависимости амплитуды сигнала со стрипа от положения пучка вдоль трубки для режима единичной строу и для всего прототипа. Нижняя кривая есть результат возрастания кросс-токов между соседними шинами считывания за счет увеличения количества подключенных к ним трубок. Этим же объясняется и сильное затухание сигналов вдоль считывающей шины (нижняя кривая на рис. 3.9).
Некоторое улучшение дает изолирование кольцевых стрипов между собой (см. рис. 3.10). Распределения амплитуд были получены с небольшого (всего 15 трубок) прототипа, собранного аналогичного предыдущему, с той разницей, что у трубок на наружной поверхности путем удаления углеродного покрытия были изготовлены кольцевые разделительные дорожки с шагом около 15 мм и шириной 1+1,5 мм.
Зависимости амплитуд катодных сигналов от положения пучка у-квантов вдоль трубки для каптоновых 4 мм строу с кольцевыми разделительными дорожками. ( ) - единичная трубка; (А) - 15 трубок.
Следует заметить, что изготовление таких трубок оказалось весьма Сборка строу производилась следующим образом. Из май л ара толщиной 20 мкм с односторонним проводящим покрытием изготавливались 2 вида трубок с продольным швом. Один вид трубок имел на внутренней поверхности углеродное проводящее покрытие с резистивностями 0,5, 30 и 70 кОм/П. Другой .вид трубок имел на наружной поверхности алюминиевое покрытие, из которого делались кольцевые стрипы шириной Ас с шагом Ас+1,5"мм, и обладал слегка большим диаметром. Далее трубка меньшего диаметра ( с углеродным покрытием) вставлялась в трубку большего диаметра (из алюминизированного майлара). Зазор между углеродным катодом и алюминиевыми кольцевыми стрипами в строу получался около 90 мкм (40 мкм майлара плюс примерно 50 мкм воздуха), а емкость - порядка 10 пФ на миллиметр длины.
На рис. 3.11 даны графики зависимости амплитуды катодных сигналов от ширины кольцевого стрипа для разных поверхностных резистивностей катода. Сигналы снимались для одиночных трубок. В каждом случае пучок у-квантов находился строго посередине центрального кольцевого стрипа. Графики показывают, что прозрачность катода для наведения заряда на стрип в случае 0,5 кОм/П почти в 3 раза хуже, чем при 30 кОм/О, а у катодов с резистивностями 30 кОм/0 и 70 кОм/П разница в прозрачности практически отсутствует и составляет не более 10 %.
Внутренние термоэлементы и датчики
Для проведения термометрических измерений и проверки схемы газового охлаждения детектора был создан полномасштабный прототип модуля типа С в виде сектора размером 42 -[7]. Сектор содержал 1100 строу длиной 575 мм и состоял из 17 плоскостей радиаторов переходного излучения между которыми располагались 16 плоскостей трубок. Расстояние между плоскостями трубок было 8 мм. Каждый радиатор имел толщину 2 мм и представлял собой набор из 10 пленок, расположенных на расстоянии 0,2 мм друг от друга. Трубки герметично устанавливались в радиальном направлении между двумя кольцевыми сегментами, внутренним и наружным. Кольцевые сегменты имели ширину 134 мм и радиусы 480 мм и 1030 мм соответственно. В отличие от реального TRT-модуля, кольцевые сегменты были выполнены из стеклотекстолита, а точность позиционирования каждой строу была на порядок хуже и доходила до 0,2 мм.
Для обеспечения жесткости конструкции кольцевые сегменты были склеены между собой с торцов текстолитовыми планками толщиной 2 мм (рис. 4.1а), в которые герметично вклеивались боковые края радиаторов. Введение вещества по краям сектора привело к краевым эффектам по теплопередаче и в дальнейшем потребовало дополнительных исследований.
Сектор помещался в стеклотекстолитовую раму (см. рис. 4.1 а, 4.2) и с обеих сторон через прокладки из пористой резины герметично фиксировался между крышками из пенополиуретана, обладающими малой теплопроводностью и тем самым «имитирующими» наличие соседних модулей.
Зазоры, образованные между крышками и внешними пленочными радиаторами сектора, использовались для входа и выхода охлаждающего газа.
Газовое охлаждение детекторов трекера прямого направления TRT ATLAS предполагается осуществлять по последовательно-параллельной схеме. Модули между собой соединены по последовательной схеме. В первый модуль охлаждающий газ поступает через систему отверстий, расположенных по внешнему радиусу, и через передний зазор проходит по направлению к внутреннему радиусу (рис. 4.2). Далее, газ равномерно распределяется между радиаторами переходного .излучения, проходит вдоль трубок и выводится через задний зазор в котором установлен теплообменник. Равномерное распределение охлаждающего газа обеспечивается специальным порядком установки радиаторов (с изменением площади сечения для прохождения газа). Охлаждение трубок начинается с внутреннего радиуса, где тепловыделение будет максимальным. На выходе нагретый газ попадает в область теплообменника, расположенного по наружному периметру, где восстанавливает начальную температуру перед входом в следующий модуль.
Теплообменник используется для восстановления температуры охлаждающего газа перед входом в следующий модуль. Он должен обладать следующими характеристиками: - обеспечивать необходимую температуру охлаждающего газа, постоянную по входу для всех модулей в цепи последовательного охлаждения; - размещаться внутри модуля в соответствии с требуемыми геометрическими размерами детектора; - материал изготовления теплообменника должен обладать минимальной радиационной длиной и минимальным поглощением фотонов переходного излучения.
Изготовленный теплообменник [7] (рис. 4.3) конструктивно представлял собой плоский охлаждаемый водой радиатор с каналами для прохода газа, изготовленными из гофрированного листового алюминия толщиной 0,5 мм. Каналы для прохода газа имели длину 103 мм и сечение 8x8 мм. Трубка водяного охлаждения (алюминиевая диаметром 8 мм) была припаяна по наружному периметру радиатора для улучшения термоконтакта.
Тепловыделение внутри трубки при прохождении частиц можно оценить следующим выражением [35]: W = N-I-G-q-U, где N - среднее количество образующихся при прохождении частицы пар, / - интенсивность счета, G - коэффициент газового усиления, q - заряд электрона, U - напряжение между анодом и катодом.
Для имитации нагрева были разработаны и изготовлены 1100 нагревательных элемента [7]. Так как нагревательные элементы устанавливались в каждую трубку взамен анодной "проволоки, величина теплопередачи вдоль нагревательного элемента должна была иметь значение близкое к величине теплопередачи вдоль анодной проволоки.
