Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Описание эксперимента GlueX 12
1.1) Постановка эксперимента 12
1.2) Центральные цилиндрические дрейфовые камеры 15
1.3) Многопроволочные плоские дрейфовые камеры 16
1.4) Сверхпроводящий магнит 16
1.5) Жидководородная мишень 17
1.6) Баррель калориметр 18
1.7) Форвард калориметр 19
1.8) Стартовый счетчик 20
1.9) Время - пролетная система 21
1.10) Триггер и система сбора данных эксперимента GlueX 22
Глава 2. Многопроволочные дрейфовые камеры FDC в эксперименте GlueX 25
Введение 25
2.1) Расположение детектора в составе спектрометра GlueX 25
2.2) Проволочная плоскость 27
2.3) Катодная плоскость 28
2.4) Электроника расположенная непосредственно на корпусе детектора 28
2.5) Модули сбора данных с дрейфовых камер
2.5.1) Аналого-цифровые преобразователи 29
2.5.2) Время-цифровые преобразователи
2.6) Газовая система 32
2.7) Система охлаждения 33
2.8) Высоковольтное питание 34
2.9) Низковольтное питание 35
Заключение 35
Глава 3. Сборка, установка в магнит и тестирование детектора FDC 36
Введение 36
3.1) Сборка детектора и первичные тесты 36
3.1.1) Схема сборки пакета камер в чистой комнате 36
3.1.2) Съем информации с катодных стрипов камеры 39
3.1.3) Тест камер с радиоактивным источником и на комическом излучении
3.1.4) Исследование и решение проблемы шумов 43
3.1.5) Ислледование и решение проблеммы коррозии 44
3.2) Подключение детектора 50
3.2.1) Схемы подключения низковольтных разъемов 50
3.2.2) Схемы подключения сигнальных кабелей 50
3.2.3) Заземление детектора 50
3.3) Тестирование детектора с DAQ системой 52
3.3.1) Схема экспериментальной установки 52
3.3.2) Решение проблемы “пропадающих” каналов 53
3.3.3) Измерение эффективности и пространственного разрешения на космическом излучении 3.3.4) Коррекция коэффициентов усиления катодных стрипов 56
3.3.5) Калибровка пакета камер на мюонах космического излучения 58
3.4) Транспортировка, подключение и установка детектора в сверхпроводящий магнит 60
Заключение 62
Глава 4. Работа камер в составе установки GlueX на пучке ускорителя 63
4.1) Калибровка катодных стрипов на пучке ускорителя 63
4.2) Первые результаты работы системы камер в составе экспериментальной установки GlueX 66
Заключение 68
Глава 5. Модифицированные дрейфовые камеры как детектор для идентификации частиц 69
Введение 69
5.1) Модифицированные дрейфовые камеры 71
5.2) Измерение коэффициента диффузии электронов в модифицированной дрейфовой камере 71
5.3) Тест камер на мюонах космического излучения с использованием осциллографа 76
5.4) Эксперимент на мюонах космического излучения с DAQ системой 77
5.5) Garfield моделирование системы детекторов 79
Заключение к главе 5 80
Заключение 81
Список литературы
- Баррель калориметр
- Модули сбора данных с дрейфовых камер
- Тест камер с радиоактивным источником и на комическом излучении
- Измерение коэффициента диффузии электронов в модифицированной дрейфовой камере
Баррель калориметр
Понимание роли глюонов в конфайнменте кварков – одна из важнейших и сложнейших задач современной физики частиц. Наиболее эффективным способом решения этой задачи является экспериментальное наблюдение мезонов, квантовые числа которых JPC запрещены кварковой моделью. Cпектр этих состояний и отличие их масс от масс обычных мезонов дают уникальную информацию о конфайнменте. Такими состояниями могут быть: глюболы, тетракварки, гибридные мезоны.
К настоящему времени н а - пучке зарегистрированы три экзотических резонанса с квантовыми числами 1-+ : (1(1400), 1(1600) и 1(2015). Резонанс 1(1400) с распадом на 0 не согласуется с ожидаемой модой распада гибридного мезона, кроме того, масса резонанса меньше ожидаемой. Резонанс 1(1600) в большей степени совместим с гибридным мезоном. Он наблюдался коллаборациями VES [17-18] и E852 [19]. Однако канал является спорным. Впервые он был обнаружен в эксперименте E852, но был исключен дальнейшим анализом. Тем не менее, коллаборация COMPASS [20] подтвердила существование этого распада. Распад этого резонанса на три пиона в эксперименте CLAS [21] в реакции фоторождения не обнаружен. Третий кандидат в гибридные мезоны 1(2015) наблюдался в эксперименте E852 на недостаточной статистике.
Таким образом, проведения новых экспериментов для объяснения природы наблюдаемых экзотических состояний остается актуальным.
Образование экзотических мезонов существенно выше в реакции фоторождения с использованием линейно поляризованных фотонов. В результате могут сформироваться экзотические состояния 0--, 0+-, 1-+, 2+-. Поскольку сечение реакции 1 мкб, т.е. на 4 порядка меньше сечения неупругого сильного взаимодействия, нужен высокоинтенсивный пучок линейно поляризованных фотонов. Такой фотонный зонд является виртуальной кварк-антикварковой системой с параллельными спинами.
Пучок продольно поляризованных фотонов получается при когерентном тормозном излучении электронов ускорительного комплекса CEBAF на ориентированной структуре тонкого алмазного радиатора. Продукты взаимодействия линейно поляризованного фотонного пучка с жидководородной мишенью регистрирует магнитный спектрометр GlueX. Аппаратурную часть эксперимента GlueX можно разделить на две основные составляющие. Первой составляющей является линия формирования пучка линейно поляризованных фотонов, второй - спектрометр GlueX, регистрирующий взаимодействие фотонного пучка с жидководородной мишенью. Принципиальная схема линии фотонного пучка изображена на (Рис.1).
Ускоритель CEBAF позволяет получить пучок поляризованных электронов энергией с 12 ГэВ и током до 3 мкA. Электроны взаимодействуют с алмазным радиатором, толщина которого составляет 20 мкм. В результате когерентного торм озного излучения в радиаторе, расположенном под определенным углом к пучку электронов, небольшая часть (0,01%) электронов испускает фотоны. Электроны, пролетевшие без взаимодействия, отклоняются магнитом полем величиной 1.5 Т л и поглощаются в свинцовом блоке. Энергия фотонного пучка измеряется спектрометром меченых фотонов, состоящим из отклоняющего магнита, широкополосного годоскопа и микроскопа электронов. Электроны, передавшие часть своей энергии фотону, отклоняются магнитом и попадают в область экспериментального зала, где расположен широкополосный годоскоп. Годоскоп представляет собой набор из 217 счетчиков, состоящих из сцинтилляторов различной толщины, соединенных с фотоэлектронными умножителями. Годоскоп позволяет измерять энергию фотонов в области (3-9) ГэВ с разрешением 0.1%.
Загрузка годоскопа составляет до 2.5 108 электронов в секунду. Данные, полученные с помощью спектрометра меченых фотонов, позволяют фокусировать электронный пучок с помощью сверхпроводящих магнитов на алмазный радиатор [22-23].
За годоскопом расположен микроскоп электронов, позволяющий измерять энергию электронов с разрешением 5 МэВ в энергетическом интервале (8.4-9.1) ГэВ. Конструкция микроскопа позволяет перемещать детектор вдоль годоскопа, обеспечивая высокое энергетическое разрешение во всем диапазоне измеряемой энергии электронов. Микроскоп состоит из двумерного массива сцинтилляционных волокон с поперечным сечением 2 2 мм2. Волокна расположены в виде 102 рядов, соответствующих разным углам отклонения электронов. Каждый ряд состоит из 5 волокон. Прозрачные волоконные световоды, прикрепленные к концам сцинтилляционных волокон, передают свет в область с низким радиационным фоном, где располагаются кремниевые фотоумножители (SiPM) [24].
Фотоны, образованные при тормозном излучении, пролетают около 70 метров из зала мишени в экспериментальный зал. В экспериментальном зале, пучок проходит через систему коллиматоров. Первый (или активный) коллиматор позволяет измерять профиль пучка и его положение по координатам X и Y. Второй коллиматор, с отверстием размером 3.4 мм, подавляет неполяризованную составляющую пучка, летящую под большими углами. За системой коллиматоров расположена защита, поглощающая электромагнитный фон. За свинцовой защитой расположен конвертор и магнитный спектрометр электрон-позитронных пар. Магнитный спектрометр позволяет измерить энергетический спектр линейно поляризованного фотонного пучка с разрешением 30 МэВ. За спектрометром расположен дополнительный слой защиты от фонового излучения. Далее пучок фотонов попадает на жидководородную мишень длиной 30 см, расположенную внутри сверхпроводящего магнита спектрометра.
Установка GlueX представляет собой герметичный магнитный спектрометр, позволяющий регистрировать с высокой эффективностью, как заряженную компоненту продуктов распада, так и фотоны от распада кандидатов в экзотические состояния. Спектрометр состоит из сверхпроводящего магнита, с магнитным полем 1,8 Тл, системы регистрации треков заряженных частиц, электромагнитных калориметров и времяпролетной системы. На (Рис.2) изображена принципиальная схема установки. Система регистрации треков состоит из двух подсистем дрейфовых камер разного типа, расположенных внутри магнита. Трековая система спектрометра перекрывает угол в 4 в широком диапазоне импульсов частиц и одновременно обладает достаточно высоким импульсным разрешением( 3%) для идентификации частиц.
Задачей калориметров является детектирование и измерение энергии фотонов от О распада и , которые могут быть продуктами распада экзотических или обычных мезонов, а также возбужденных барионов (ЛРили Л ). Положение и энергия фотонов измеряются с высокой точностью для кинематического восстановления события. Времяпролетная система позволяет идентифицировать заряженные частицы в диапазоне импульсов до 1.5 ГэВ/с.
Модули сбора данных с дрейфовых камер
Каждая секция состоит из шести независимых плоских дрейфовых камер, повернутых под углом 1200 по отношению друг к другу (Рис.16). Одна из секций многопроволочной дрейфовой камеры В дрейфовой камере проволочная плоскость с чередующимися сигнальными и полевыми проволочками расположена между двумя плоскостями катодных стрипов, Рис.17. Пространственное разрешение в зависимости от угла поворота стрипов относительно проволочек повернутых на ±75 по отношению к проволочкам. Выбор этих углов обусловлен следующим: координатная точность в плоскости перпендикулярной проволочкам может быть определена по времени дрейфа электронов к анодным проволочкам. В связи с этим, точность определения координаты вдоль проволочки, полученная только с помощью двухстороннего катодного съема данных, играет определяющую роль по сравнению с точностью определения координат перпендикулярно проволочке. Компьютерный расчет зависимости координатного разрешения вдоль и поперек проволочек в зависимости от угла поворота стрипов относительно проволочек изображен на (Рис.17). Угол поворота выбран таким образом, что информация со стрипов обеспечивает наиболее точное определение координаты вдоль проволочки, оставляя возможность камерам измерять координату перпендикулярно проволочке.
Расположенная между катодными плоскостями проволочная плоскость (Рис.18) состоит из 96 сигнальных проволочек диаметром 20 мкм, чередующихся с 97 полевыми проволочками диаметром 80 мкм. Сигнальные проволочки изготовлены из позолоченного вольфрама, полевые - позолоченная бериллиевая бронза. Расстояние между проволочками двух типов 5 мм. Расстояние между катодной и проволочной плоскостями - 5 мм. Проволочки смонтированы на раме толщиной 5 мм, состоящей из трех колец разного материала. Кольцо из утолщенного 0.8 мм G10 [45] материала , кольцо ROHACELL и кольцо печатной платы склеены вместе. Внутренний диаметр рамы 100 см, внешний 120 см. Кольцо печатной платы склеивается из шести частей. Две части составляют сигнальную область, две части обеспечивают подачу высокого напряжения, еще две части, расположенные с противоположных сторон, обеспечивают круглую геометрию. Положительное напряжение, подаваемое на сигнальные проволочки, обеспечивает усиление 5 10 . Отрицательное напряжение, приложенное к полевым проволочкам, улучшает круговую симметрию электрического поля внутри слоя.
В центре камеры, в области прохождения высокоинтенсивного пучка, детектор не чувствителен за счет искусственного утолщения сигнальных проволочек до 80 мкм. 2.3) Катодная плоскость
Важным требованием к конструкции камеры является минимальное количество вещества не только в активной области, но и на периферии. Конверсия гамма-квантов вне электромагнитного калориметра приводит к неверному восстановлению их положения из-за отклонения электронов и позитронов конверсии магнитным полем в промежутках, не заполненных веществом.
Для минимизации вещества в объеме камеры катодные плоскости изготовлены из каптона толщиной 25 мкм. На катодную плоскость нанесены 216 стрипов из чистой меди длинной от 29 см до 100 см. Толщина стрипа 2 мкм (Рис.19). Ширина стрипа составляет 4 мм, а расстояние между соседними стрипами 1 мм. Пленка из каптона, состоящая из трех частей, склеивается и натягивается на круглую раму, сделанную из материала G-10.
Съем информации с анодных и катодных каналов осуществляется при объединении каналов в группы по 24 канала в каждой. Объединение осуществлено с помощью специальных разъемов для вывода информации. Разъемы располагаются вне рабочего объема камеры на катодных либо анодных плоскостях. В каждый разъем помещен предусилитель. Специально для дрейфовых детекторов эксперимента GlueX группой быстрой электроники разработаны 24х канальные быстрые предусилители GASII–ASIC [46]. На (Рис.20) представлен внешний вид такого предусилителя. Рис.20.Предусилителъ GASII-ASIC
Конструкция предусилителей выбрана таким образом, что они могут работать как для анодных, так и для катодных каналов, с различными конфигурациями формирователей и диапазонами усиления, как в режиме аналогового съема, так и в режиме дискриминации сигналов (Табл.1). Напряжение питания предусилителя составляет 3.2 В. Aнодныe каналы предусилителя работают в р ежиме дискриминаторов, так как анодные сигналы несут временную информацию. Величина порога меняется и определяется величиной дополнительного низкого напряжения, подаваемого на данный предусилитель.
Информация на выходе модулей представлена в формате 32-битных слов. Стандарт выходных данных оптимизирован под требования группы сбора данных (JLAB DAQ group). АЦП может работать как в формате записи всех необработанных «сырых» данных (raw mode), так и в импульсном формате. В импульсном формате выходные данные содержат следующее: суммарное время импульса, амплитуду, интеграл заряда и пьедестал в одной паре «слов» данных. Такой формат возможен потому, что FPGA АЦП можно запрограммировать на дополнительный быстрый анализ данных, выполняемый непосредственно в модуле. Дополнительная возможность АЦП позволяет получить формат данных называемый комбинационным. Это означает, что выходные данные являются комбинацией «сырых» данных с рассчитанным временем импульса и интегралом заряда.
В дрейфовой камере FDC каналы из катодных стрипов после предусилителя подключаются к модулям АЦП. Каждый модуль содержит 72 канала в трех разъемах по 24 канала в каждом. Данные с катодных стрипов используются в процедуре определения центра масс наведенного на стрипы заряда. В этой процедуре используются сигналы с амплитудой выше заданного порога, и именно такие сигналы имеют статистический вес. Тем не менее, результат сильно зависит от уровня шумов, и хорошее разрешение получается лишь в случае, когда в качестве входных данных используется сумма вокруг первого максимума, либо максимальная амплитуда в зависимости от уровня шума сигнала. Для отбора полезных событий используется сопоставление времени сигнала на катодах с временной информацией, снятой с анодных проволочек.
Тест камер с радиоактивным источником и на комическом излучении
В процессе сбороки первых пакетов детектора было установленно, что шумы некоторых каналов составляют несколько килогерц. Данные каналы не были ранее идентифицированы, так как частота событий в случае работы с источником на порядок выше, либо сопостовима с чатотой шума. Было отмечено, что шумят каналы в одних и тех же областях детектора. Определить причину стало возможным после того, как была снята зависимость частоты и амплитуды шума от номера канала. По центру распределения заряда была определена область на катодной плоскости, где, возможно, находился источник шумов. Следует отметить, что шум присутстововал как на нижних, так и на верхних катодах. В ходе исследований и тестов, была выявлена область, генерирующая шум. Область соотвествовала месту прохождения высоковольтной линии печатной платы на проволочной плоскости. Высовольтная линия находится с внутренней стороны печатной платы и заклеена слоем ROHACELL. Оказалось, что в процессе склеивания проволочной плоскости были допущены технические ошибки, приводящие к появлению царапин на высоковольтной линии, которые создавали короткое замыкание и создавали шум. После произведенных модификаций в технологии сборки проволочных плоскостей, проблема была устранена и не проявляла себя в последующих сборках детектора. Тем не менее, в первых сборках детектора шум присутсвует. Данная проблема не может быть устранена, так как технически доступ к высоковольтной линии без повреждения печатной платы невозможен.
Для герметизации объема камеры между разделительным кольцом проволочной камеры и катодной плоскостью располагается прокладка из эластичной резины «о-ринг». Очистка резиновых прокладок перед установкой в камеру не проводилась. Первоначально выбранный в качестве уплотняющей прокладки материал EPDM (этилен пропиленовый каучук) не обеспечивал достаточной герметичности камеры. Кроме того, наблюдалось нарушение проводимости проводящей дорожки под уплотняющей прокладкой. Под прокладкой после демонтажа камеры наблюдался ярко выраженный след коррозии медного покрытия катодного слоя (Рис.34). Замена материала прокладки на не уступающий по пластичности материал VITON [53], в сочетании с вакуумной смазкой Apiezon L [54], полностью обеспечивает герметичность камеры. При этом вопрос о коррозии медных дорожек оставался открытым и для его изучения были проведены дополнительные исследования.
Уплотняющая прокладка пересекает все медные дорожки от катодных стрипов к картам для считывания сигналов. След, оставленный прокладкой, является результатом процесса коррозии меди в области соприкосновения материала о-ринга и медного слоя.
Для выяснения причины коррозии образец пострадавшего катода был изучен на электронном микроскопе, а также методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (ЭРС), позволяющей проводить элементный анализ твердого вещества. Метод основан на анализе энергии эмиссии рентгеновского спектра. Анализ химического состава выявил присутствие серы (Рис.35) в области соприкосновения материала о-ринга и медного слоя. Попадание серы в данную область можно объяснить наличием этого вещества в материале о-ринга. Установлено, что искусственное утолщение проволочек (полученное за счет электрохимического процесса осаждения меди на проволочку из раствора медного купороса) не содержит серу, а следовательно не может влиять на образование коррозии.
Результат ЭРС анализа образца меди в поврежденной области Для более подробного изучения природы коррозии меди были проведены исследования химического процесса. Скорость химических реакций зависит от влажности и температуры окружающей среды. Используя это свойство, можно ускорять старение медных пленок, что позволяет в короткие сроки изучить процесс воздействия различных материалов о -ринга на медь. Поместив экземпляры для изучения в среду с высокой влажностью и температурой около 100 C, можно увеличить скорость реакции приблизительно на порядок.
В соответствии с данной методикой, о -ринг укладывался в паз разделительного кольца, так же, как в случае реального детектора. Перпендикулярно о -рингу располагались медные образцы. Давление обеспечивалось медной пластинкой, прижатой зажимами. Давление, с которым о -ринг прижат к меди, максимально приближено к реальным условиям. Экземпляры помещались в изолированный от внешней среды объем и нагревались до температуры 100 С инфракрасными лампами. Внутри объема находился резервуар с дистиллированной водой, обеспечивающий высокую влажность за счет испарения (Рис. 36).
Измерение коэффициента диффузии электронов в модифицированной дрейфовой камере
Существует несколько методов, позволяющих идентифицировать частицы. Обычно измеряют два из трех параметров: импульс, скорость и энергию частицы. Импульс определяется кривизной траектории в магнитном поле, от скорости зависит время пролета заданного расстояния, угол черенковского излучения и величина удельной ионизации в веществе. Релятивистский рост ионизационных потерь в газе играет большую роль в идентификации частиц высоких энергий. Энергию измеряют в электромагнитных или адронных калориметрах. Возможны следующие варианты измерения ионизационных потерь в веществе:
1) Измерение полной удельной ионизации частицы в газовой среде. Флуктуации полных энергетических потерь описываются распределением Ландау, присутствие пологого спада (“длинный хвост”) в котором связано с образованием энергичных б-электронов. Данное явление размывает величину среднего значения энергетических потерь, и, следовательно, ухудшает идентификационную способность.
2) Измерение первичной удельной ионизации, флуктуации которой описываются Пуассоновским распределением. Основным преимуществом пуассоновского распределения является то, что гауссовский предел достигается, как только среднее значение первичных ионизационных столкновений приближается к значению, примерно равному двадцати. Это условие достигается на длине трека порядка одного сантиметра для большинства, из наиболее часто используемых в современном эксперименте, газовых смесей [64].
Трек заряженной частицы в веществе представляет собой последовательность кластеров разной величины. Кластер - это сгусток вторичных электронов на следе первичной заряженной частицы, образованный первичным электроном ионизации. Число кластеров на единице длины следа частицы соответствует первичной удельной ионизации dNt и флуктуирует в соответствии с пуассоновским распределением. В области dx релятивистского роста удельной ионизации, = 4-200, измерение первичной ионизации в газе обеспечивает существенно лучшую идентификацию частиц, чем измерение полной ионизации [65]. Впервые метод счета кластеров для измерения первичной ионизации в дрейфовых камерах предложен в 1979 г. Валента [66]. До этого первичная ионизация измерялась только с помощью конденсационных и стримерных камер, а также газоразрядных детекторов с низкой эффективностью регистрации частиц [67].
Условиями реализации метода счета кластеров для измерения первичной ионизации являются: 1) небольшая скорость дрейфа при достаточно большой напряженности поля; 2) малый коэффициент продольной диффузии; 3) отсутствие в газе электроотрицательной примеси и 4) достаточное число кластеров на единице длины трека. Первое условие следует из необходимости иметь достаточно большой временной интервал между импульсами от соседних кластеров при высокой эффективности регистрации одноэлектронных кластеров. При наполнении дрейфовой камеры смесью Ar/CO2, -1 первичной удельной ионизации 30 см и скорости дрейфа электронов 1 см/мкс средний интервал между импульсами от кластеров составит 30 нс, что доступно для регистрации быстрой электроникой. С другой стороны, поскольку доля кластеров, состоящих из одного электрона, в аргоне составляет 80%, необходимость эффективной регистрации одноэлектронных событий требует достаточно высокой напряженности поля, обеспечивающей коэффициент газового усиления порядка 10 . Дальнейшее увеличение создает проблему, связанную с накоплением пространственного заряда вблизи проволочки.
При медленном дрейфе существенна диффузия электронов, которая может привести либо к слиянию кластеров, либо к их дроблению вплоть до кластеров из отдельных электронов. В итоге распределение числа кластеров уширяется до уровня ширины распределения Ландау.
Присутствие в газе электроотрицательной примеси влияет на число зарегистрированных кластеров, так как захват одного электрона часто означает потерю кластера.
В эксперименте GlueX предполагается наблюдать экзотические мезоны в реакции фоторождения при энергии продольно поляризованных фотонов 9 ГэВ. Основными модами распада экзотических гибридных состояний, являются распады в четыре квазистабильные частицы. Диапазон импульсов таких частиц находится в пределах о нескольких сотен МэВ/с до 8 ГэВ/с. Основной детектор GlueX использует время-пролетную информацию для идентификации пионов и каонов. Однако, это не позволяет идентифицировать частицы с импульсом, превышающим 2 ГэВ/c. Дополнением к уже существующей системе идентификации частиц могут служить дрейфовые многопроволочные камеры, работающие в режиме подсчета кластеров первичной ионизации.