Разработка и оптимизация плоско-параллельных камер для системы измерения времени пролета заряженных частиц эксперимента ALICE

Тип работы:
Диссертация
Предмет:
Приборостроение
Страниц:
76


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Актуальность темы

Изучение эволюции Вселенной иллюстрирует фундаментальные физические законы в диапазоне энергий, охватывающем 25 порядков величины: от теории великого объединения до масштабов атомной физики. После Большого Взрыва остывающая Вселенная последовательно проходила через состояния, соответствовавшие разным масштабам энергий, что, как предполагается в современной космологии и Стандартной модели, сопровождалось несколькими фазовыми переходами и нарушениями фундаментальных симметрий природы [1]. Последний такой фазовый переход — адронизация, конфайнмент, — предсказываемый квантовой хромодинамикой (КХД), характеризовался энергией Акхд ~ 200 МэВ и произошел, когда возраст Вселенной составлял ~ 10 мкс [2]. В соответствии с КХД, кварки и глюоны асимптотически свободны [3]: при температурах Т < Акхд они пребывают в связанном состоянии в составе адронов, а при Т > Акхд они освобождаются и образуют так называемую кварк-глюонную плазму (КГП)1. При Т ~ Акхд-, таким образом, имеет место фазовый переход по схеме кварки + глюоны < -> адроны, или декон-файнмент конфайнмент.

Масса кварка зависит от степени его взаимодействия с другими кварками (антикварками). Эффективные массы связанных легких кварков оцениваются как одна треть массы нуклона и составляют около 300 МэВ. С ростом шкалы энергий массы кварков резко уменьшаются- масса и-кварка оценивается при этом в 5 МэВ, а d-кварка — в 7 МэВ. В теоретическом пределе, когда массы легких кварков исчезают, в рамках 2-ароматной модели КХД говорят о восстановлении киральной симметрии SU (2)l х SU (2)r. При движении вниз по шкале температур, в точке, примерно совпадающей с температурой перехода деконфайнмент -> конфайнмент, киральная симметрия спонтанно нарушается. Масса & laquo-свободного»- s-кварка сравнима с температурой перехода и потому играет важную роль в этом процессе. Расчеты с участием s-кварка предсказывают, что при нулевой барионной плотности адронизация плазмы происходит в узком интервале темпера

•2 тур вблизи Тс~ 190 МэВ [4], что соответствует плотности энергии sc ~ 1 ГэВ/фм.

Для экспериментального изучения тех областей фазовой диаграммы материи, в которой ожидается образование КГП, используются взаимодействия ультрарелятивистских тяжелых ионов во встречных пучках или с фиксированными ядерными мишенями (АА-столкновения). В процессе реакции энергии сталкивающихся ядер преобразуются в многочисленные кванты с высокими поперечными импульсами, а размеры системы остаются достаточно большими для того, чтобы ожидать образования квази-однородной термодинамически-равновесной материи. Расче

1 Названную так по аналогии с электродинамической плазмой, в которой электрические заряды электронов и ионов соответствуют цветовым зарядам кварков и глюонов в КГП. ты предсказывают, что плотности энергии при столкновениях ионов на ускорителях RHIC (BNL, США) и LHC (CERN) могут в области взаимодействия превосходить по2 рог & pound-с, составляя 4−5 ГэВ/фм в условиях RHIC и 15−40 ГэВ/фм3 в условиях LHC. В этом случае становится вероятным фазовый переход, близкий к сценарию ранней Вселенной. В лабораторных условиях плазма не может существовать долго, она быстро, за времена порядка 5−10 фм/с (~10−23 с), переходит в состояние сильно возбужденного адронного газа. В результате глубоко неупругих процессов образуется большое количество новых частиц, причем по мере охб п? л К предравновесное состояние

Рис. 1. Пространственно-временная диаграмма реакции при столкновении ультрарелятивистских тяжелых ионов (z — продольная координата): а — без образования КГП, б — с образованием КГП [5]. лаждения адронного газа, вследствие распада резонансов и перерассеяния, число адронов еще больше увеличивается. В соответствии с диаграммой на Рис. 1, в каждом событии такие процессы имеют место вне зависимости от того, произошел фазовый переход или нет.

Процесс взаимодействия не может наблюдаться непосредственно — экспериментально измеряемыми являются параметры конечного состояния системы, представленного стабильными частицами. Существуют два основных подхода, позволяющих по конечному состоянию судить о начальной стадии взаимодействия. Один из них связан с исследованием свойств тех объектов, которые рождаются на ранней стадии реакции и сразу покидают область взаимодействия, неся с собой информацию об ее термодинамических свойствах. К таким объектам относятся фотоны и лептонные пары (а также, в некотором приближении, жесткие адронные струи). Другой подход основан на изучении химического и спектрального состава & laquo-мягких»- (с поперечными импульсами ~ 1−5 ГэВ/с) адронов, являющихся основными продуктами взаимодействия.

Если ограничиться вторым, & laquo-адронным»-, подходом, то КХД указывает на несколько основных признаков деконфайнмента [6]. Прежде всего, к ним относятся термодинамические параметры системы, связанные с глобальными измеряемыми характеристиками взаимодействия в центральной области быстрот: среднего поперечного импульса & lt-рт>-, множественности заряженных частиц на единицу быстроты dN^/dy и плотности поперечной энергии dEj/dy. Степень термодинамического равновесия взаимодействующей системы может быть оценена с помощью измерения эллиптического потока V2, определяемого, как второй коэффициент Фурье-разложения азимутального спектра частиц относительно плоскости реакции- суть этого метода состоит в том, что если ранняя система находится в равновесном состоянии, то ее пространственная анизотропия, обусловленная нецентральностью АА-столкновений, переносится на конечное состояние. Пространственно-временные размеры системы на конечном этапе взаимодействия могут исследоваться путем измерения узких парных корреляций пионов и каонов. Отношен& trade- выходов разных сортов частиц связаны, на основании статистических моделей, с температурой Т и барио-химическим потенциалом jub взаимодействующей системы- малая величинав свидетельствует о низкой барионной плотности, что в свою очередь может указывать на существование фазы де-конфайнмента. Измерения импульсных спектров и коллективного радиального потока адронов позволяют получить информацию о температуре и давлении в системе на конечном этапе взаимодействия.

С экспериментальной точки зрения, указанные измерения требуют наиболее полного описания системы адронов в конечном состоянии. Как максимум, может потребоваться идентификация и определение кинематических параметров всех адронов с умеренными поперечными импульсами в центральной области псевдобыстрот при каждом АА-столкновении. Именно так формулируется задача, которая ставится перед системой идентификации частиц (PID2) в эксперименте ALICE на ускорителе LHC.

Множественность адронов в условиях ядерных коллайдерных экспериментов крайне высока: так, при центральных столкновениях встречных пучков Au-Au с энергией yJsNN = 200 ГэВ в эксперименте PHOBOS на ускорителе RHIC измеренное значение множественности заряженных частиц составило около dNcJd?] | п=о ~ 600 (7 — псевдобыстрота) [7]. Следует ожидать, что в условиях эксперимента ALICE, где энергия столкновений Pb-Pb будет достигать = 5.5 ТэВ, эта величина возрастет по меньшей мере в несколько раз [8]. При таких условиях идентификация адронов становится технически сложной задачей и требует создания эффективной системы PID с хорошим трехмерным разрешением, закрывающей большой телесный угол.

Распространенным приемом идентификации частиц является совокупное измерение их времени пролета (TOF) вдоль известного отрезка траектории, а также импульса по кривизне траектории в магнитном поле. В соответствии с этой идеей, при начальной разработке экспериментальной установки ALICE было предложено создавать большую систему TOF, выполненную в форме соосного пучку барреля, расположенного на расстоянии около 4 м от линии пучка и за

2 Particle Identification.

3 Time-of-Flight. крывающего полярный угол ±45°. Для успешного разделения адронов с поперечными импульсами до 2. 5−4 ГэВ/с эта система должна состоять из -100 ООО каналов размером около 5×5 см и обеспечивать временное разрешение на уровне 100 пс при эффективности регистрации частиц с минимальной ионизацией (MIP4), близкой к 100%. Предполагалось, что центральная часть установки будет помещена в слабое однородное магнитное поле ~0.1 Тл, с тем, чтобы измерения импульсов и разделение треков частиц осуществлялись с помощью время-проекционной камеры.

Традиционной методикой для измерения времени пролета являются сцинтилляционные счетчики с регистрацией света фотоэлектронными умножителями. Они обеспечивают временное разрешение на уровне 50−80 пс при 100%-ой эффективности регистрации MIP. Однако их использование в составе таких больших систем, как ALICE-TOF, вряд ли возможно — прежде всего, по соображениям стоимости. Кроме того, эксплуатация фотоумножителей в магнитном поле является технически сложной задачей. На этом этапе возникла необходимость создания принципиально нового надежного и относительно недорогого метода измерения TOF, пригодного для условий ALICE. В качестве возможной альтернативы сцинтилляционным счетчикам было предложено исследовать газонаполненные детекторы плоско-параллельной геометрии, работающие в различных режимах газового усиления. Простейшим образцом такого детектора стала плоскопараллельная камера (ППК), эксплуатирующая режим ограниченной электронной лавины. Этот метод TOF никогда не применялся раньше, и его успешная реализация стала важным изобретением в методике ядернофизического эксперимента. Результатам создания, разработки и последовательной оптимизации ППК, как одиночного детектора и элемента многоканальных систем, посвящена данная диссертационная работа.

Цели диссертационной работы

В диссертации описаны первые этапы развития новой методики TOF, осуществленные в рамках исследований для эксперимента ALICE, во время которых изучались многочисленные опытные образцы ППК. Обнадеживающие результаты испытаний одиночных ППК позволили довести эту работу до создания функциональных прототипов многоканальных модулей TOF, удовлетворяющих требованиям эксперимента, пригодных для массовой сборки и оптимизированных для интеграции в большую систему.

Основные цели настоящей работы: • Подтверждение принципиальной возможности использования газовых детекторов плоскопараллельной геометрии, работающих в ограниченно-лавинном режиме газового усиления, для эффективного и высокоточного измерения времени пролета ионизующих частиц.

4 Minimum-Ionizing Particle

• Моделирование работы ППК на основе простейшей теории лавинного газового разряда в условиях однородного электрического поля. Использование результатов моделирования для уточнения методов обработки сигналов с камеры и для оптимизации различных ее параметров.

• Поиск оптимальных параметров ППК, удовлетворяющих требованиям эксперимента ALICE, что включает в себя геометрию камеры, материалы электродов, точность изготовления механических деталей, технологию производства, состав газовой смеси, напряженность электрического поля, конструкцию электронного канала и пр.

• Создание и реализация методов обработки сигналов с ППК.

• Разработка, создание и испытания прототипов многоканальных систем TOF на основе ППК.

• Выявление основных недостатков ППК и обсуждение путей их преодоления. Научная новизна и практическая ценность работы

Целенаправленные усилия экспериментальной группы, в составе которой работает диссертант, привели к созданию современных надежных и недорогих детекторов, позволяющих осуществлять эффективную идентификацию частиц в условиях ядерных ускорительных экспериментов при счетных загрузках до 25 кГц/см2. На ППК были получены первые обнадеживающие результаты по измерению TOF, отработаны приемы считывания и обработки сигналов, исследованы процессы развития электронных лавин в различных газовых смесях и при различных напряжен-ностях электрического поля, изучена возможность интеграции камер в большие системы.

За последовавшие годы идея использования ограниченной электронной лавины в плоскопараллельном газовом зазоре для измерений TOF активно разрабатывалась и полностью подтвердила свою состоятельность. Работы с ППК положили начало созданию целого поколения детекторов, работающих по этому принципу (DRPC, GRPC, MRPC, подробнее см. Заключение). Помимо эксперимента ALICE, новая методика используется или планируется к использованию в нескольких разномасштабных установках, требующих прецизионных измерений времени пролета — в частности, в экспериментах STAR (RHIC, США) и СВМ (GSI, Германия).

Создание газовых детекторов TOF потребовало разработки специальной быстродействующей и высокочувствительной электроники, что несомненно имеет самостоятельное значение. Основные достижения настоящей работы:

• Впервые продемонстрирована принципиальная возможность использования ограниченно-лавинного режима газового усиления для получения точной временной привязки при регистрации ионизующего излучения.

• Детально измерены амплитудные и временные спектры одно- и двухзазорных модификаций ППК при различных условиях.

• Впервые на опыте продемонстрирована зависимость эффективности плоско-параллельных газовых детекторов от количества газовых зазоров.

• Впервые, на примере ППК, получено временное разрешение плоско-параллельного газового детектора на уровне 200 пс при эффективности регистрации не ниже 95%, намечены пути улучшения этих характеристик.

• Собраны и испытаны прототипы многоканальных модулей TOF на основе ППК, продемонстрирована их работоспособность, изучена вероятность наводок между каналами внутри модулей.

Результаты, выносимые на защиту

• Результаты многочисленных испытаний различных модификаций ППК и сборок из них, проводившихся на ускорителях в ИТЭФ и CERN.

• Результаты моделирования газового разряда в плоско-параллельном зазоре, их сравнение с результатами испытаний, оптимизация параметров ППК на основе результатов моделирования.

• Амплитудные и временные спектры, полученные с помощью различных модификаций ППК при использовании разнообразных газовых смесей и при разных условиях.

• Существенное увеличение эффективности ППК за счет введения электроотрицательных добавок в газовую смесь.

• Существенное увеличение эффективности ППК за счет использования двух и более газовых зазоров.

• Успешное применение метода Т-А-коррекции при обработке сигналов с ППК для получения наилучшего временного разрешения.

• Вероятность и происхождение & laquo-больших»- сигналов в ППК.

• Оптимальные параметры ППК и электронного канала, соответствующие требованиям эксперимента ALICE.

• Конструкция и результаты испытаний 32- и 512-канальных пришшюв модулей TOF, собранных из ППК.

Личный вклад диссертанта

• Диссертант сделал основной вклад в создание методов обработки результатов испытаний ППК, включая выбор оптимального способа Г-Л-коррекции.

• Диссертант участвовал в сборке и эксплуатации тестового пучка для испытаний ППК в ИТЭФ, отвечал за обслуживание газового стенда.

• Диссертант впервые произвел компьютерное моделирование флуктуаций развития электронной лавины ППК с целью предсказания ее временных свойств.

• Диссертант участвовал в многочисленных методических сеансах по испытанию ППК в ИТЭФ и CERN, занимался обработкой и анализом данных. 9

• Диссертант принимал непосредственное участие в подготовке выносимых на защиту результатов к публикации.

Апробация работы и публикации

Основой содержания диссертации являются материалы двух статей, опубликованных в российском журнале & laquo-Приборы и техника эксперимента& raquo- ([31], [34]). Кроме того, история развития ППК изложена в инженерно-техническом отчете (TDR) системы TOF эксперимента ALICE [15]. Результаты, представленные в диссертации, частично докладывались на семинаре ИТЭФ 13 ноября 2002 г.

Представленная работа была выполнена в лаборатории 211 Института теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ) в сотрудничестве с другими лабораториями ИТЭФ, на ускорителе У-10 в ИТЭФ, на ускорителях PS и SPS в CERN. Работа выполнена при финансовой поддержке Росатома. Часть работы выполнена при поддержке грантов РФФИ № 99−02−18 377 и 0302−16 574.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Основные выводы диссертации приведены в заключении. Объём диссертации составляет 76 страниц, она содержит 47 рисунков, 4 таблицы и 41 наименование цитируемой литературы.

Заключение

В результате многолетних исследований, проведенных группой ИТЭФ, была создана новая технология TOF на основе лавинных ППК. Успешная поэтапная деятельность позволила развить новый детектор от уровня идеи до работоспособных прототипов многоканальных модулей. С 1998 года все усилия по разработке системы TOF в рамках эксперимента ALICE были направлены на развитие плоско-параллельных газовых детекторов, работающих в режиме ограниченной электронной лавины. Характеристики ППК, как одиночного детектора и элемента небольших многоканальных систем, превзошли прогнозы, существовавшие в начале исследований, как по временному разрешению, так и по эффективности. К тому же, благодаря проводящим электродам, ППК способна работать без ухудшения характеристик при загрузках до 25 кГц/см2, что делает эти камеры привлекательным решением для реализации систем TOF при высоких загрузках.

Полученные результаты стали несомненным открытием в методике, положившим начало многочисленным дальнейшим работам. В настоящее время новый метод измерения времени пролета используется и планируется к использованию в десятках разномасштабных экспериментов и практических приложений, среди которых ныне действующий эксперимент STAR на ускорителе RHIC в BNL (США) и будущий эксперимент СВМ на проектируемом ускорительном комплексе FAIR (Германия).

Недостатки ППК и пути их преодоления

Несмотря на обнадеживающие итоги испытаний 32-канального прототипа модуля на основе ППК, возможность построения полновесной системы TOF, рассчитанной на примерно 150 ООО каналов, по-прежнему не очевидна. Главным недостатком ППК остаются & laquo-большие»- сигналы, возникающие с небольшой, но заметной вероятностью ~ 10"4. Амплитуды таких сигналов превосходят рабочие сигналы на 6 порядков величины, что может приводить к повреждениям электродов камер и измерительной электроники, а также становится причиной высоких перекрестных наводок в составе многоканальных систем. Для уменьшения вероятности & laquo-больших»- сигналов приходится ограничивать напряжение на камере, что в свою очередь сказывается на амплитудах рабочих сигналов и эффективности.

Даже после существенной оптимизации камеры амплитуда среднего сигнала на выходе ППК составляет всего около 100 фКл. Для регистрации столь малых сигналов требуется электроника, обладающая высокой чувствительностью и низким уровнем собственных шумов. Такой электронный канал удалось разработать для одиночной ячейки ППК и даже для небольшого модуля. Однако создание чувствительной электроники в составе полномасштабной системы затруднено, приводит к усложнению конструкции системы и к ее нестабильному поведению.

Повышение чувствительности электронного канала достигается в ущерб его собственному временному джиттеру. Электроника с параметрами, необходимыми для работы большой сборки из ППК, не может позволить временному разрешению модуля TOF стать ниже 150−200 пс. Улучшение характеристик большой системы возможно только за счет использования многослойного дизайна, в котором модули располагаются по меньшей мере в четырех плоскостях. Такая конструкция заметно удорожает стоимость системы, делает ее тяжелой, громоздкой и увеличивает общее количество материала.

Во время испытаний 512-канального модуля стало понятно, что преодоление описанных трудностей возможно только за счет качественного изменения самого детектора. Решение проблемы было известно и состояло во введении различных типов резистивности в электроды камеры. В дальнейшем были собраны и испытаны различные варианты резистивных плоскопараллельных камер (РПК). В РПК используется тот же принцип газового усиления, что и в ППК, — режим ограниченной электронной лавины. Однако в случае & laquo-больших»- сигналов рези-стивные электроды позволяют локализовать область быстро растущего разряда, уменьшить напряженность поля в месте пробоя и тем самым погасить стример или искру17. В результате РПК оказываются способны работать при более высоких электрических полях, а значит, обладают лучшим временным разрешением и эффективностью. В то же время, рабочая загрузка РПК становится ограничена временем рассасывания заряда с резистивного электрода, и поэтому счетные характеристики резистивных камер хуже, чем у ППК.

Варианты РПК, текущий статус системы ALICE-TOF

Первые же испытания опытных образцов одиночных 4-зазорных РПК оправдали ожидания: средний заряд, собираемый предусилителем с камеры площадью 4×4 см, вырос до 1. 5−2 пКл, временное разрешение камеры составило 100−120 пс при эффективности к MIP свыше 98%. Частота стримеров выросла до 2% от всех событий, но резистивный стеклянный анод позволял удерживать амплитуду & laquo-больших»- сигналов в пределах 20 пКл [39].

В рамках дальнейших исследований времяпролетной методики группой ИТЭФ, при участии ЦПТА, была разработана диэлектрически-резистивная плоско-параллельная камера (DRPC), считывающие аноды которой имели трехслойную структуру металл-резистор-полупроводник (MRS). Конструкция камеры, представленная на Рис. 47а, позволила объединить в одном детекторе свойства ППК и РПК, сочетая возможность подавления стримеров с высокими счетными характеристиками [40]. Это достигалось за счет того, что трехслойный электрод обладал не только резистивностью, но и емкостью, причем оба этих параметра могли независимо изменяться в широких пределах. Временное разрешение камеры достигло 80 пс при эффективности > 97%, ширина плато эффективности по высокому напряжению составила 400−800 В. DRPC работала без заметного ухудшения счетных характеристик при загрузках до 4.5 кГц/см2.

17 Похожая идея реализована в искровых счетчиках Пестова, но для другого режима газового усиления.

Cross section of double-stack MRPC

— 130 mm — active area 70 mm

PCB with anode pickup pads

Silicon sealing compound tat cable connector differential signal sent from > strip ro interface caid honeycomb panel (10 mm thick)

PCB with cathode pickup pads external glass plates V 0. 55 mm thick internal glass plates (0.4 mm thick)

Mylar film (250 micron thick)

5 gas gaps of 250 micron

PCB with cathode pickup pads

M5 nylon screw to hold fishing-line spacer honeycomb panel (tomm thick) connection to bring cathode signal to central read-out PCB 4

Рис. 47. Варианты резистивных камер для TOF: а — DRPC, разработанная ИТЭФ и ЦПТА [40], б — MRPC, вошедшая в окончательный дизайн системы ALICE-TOF [15].

В основу окончательной версии системы TOF эксперимента ALICE легли многозазорные резистивные плоско-параллельные камеры (MRPC), разработанные в INFN-Bologna (Италия) при активном участии группы ИТЭФ [15]. В соответствии со схемой на Рис. 476, MRPC представляет собой два стека стеклянных пластин с объемным сопротивлением ~ 1013 Ом-см, между которыми сформированы газовые зазоры шириной 250 мкм. Количество зазоров может изменяться и в окончательной версии составляет 2 стека * 5 зазоров = 10. К камере прилагается дифференциальное высокое напряжение (12−13 кВ на стек). Считывание сигналов происходит с катодных и анодных падов, соответственно расположенных с внешних сторон камеры и между стеками. Ширина зазоров формируется нейлоновой рыболовной леской, проложенной между стеклами, промежуточные стекла стеков не имеют электрического подключения. В качестве рабочего газа используется & laquo-стандартная»- смесь 90% C2H2F4 + 5% SF6 + 5% i-C4H)0, применявшаяся в ППК. MRPC выполнены в виде стрипов с размером чувствительной зоны 120×7.4 см, при этом размер считывающих падов составляет 2.5×3.7 см, так что на один стрип приходится 96 падов. Стрипы MRPC укомплектовываются в модули по 15−19 стрипов. Стрипы, предназначенные для работы в более периферийных модулях барреля, устанавливаются с наклоном таким образом, чтобы прямые треки из области взаимодействия в ALICE пересекали их под углом в 90°. MRPC обладают рекордными характеристиками среди времяпролетных детекторов нового типа: временное разрешение < 50 пс, эффективность регистрации MIP 99. 9%, При этом ширина бес-стримерного плато по эффективности и временному разрешению составляет около 1.5 кВ [41].

Из модулей MRPC формируются супермодули (5 модулей на супермодуль), каждый из которых должен закрывать азимутальный угол 20° в барреле TOF. В момент написания диссертации 2 супермодуля установлены в экспериментальную зону ALICE, еще 12 супермодулей собраны и готовы к установке. Окончательную инсталляцию системы TOF планируется закончить в марте 2008 года. Запуск проекта ALICE, как и запуск LHC, намечен на лето 2008 года.

Результаты диссертационной работы

• На опыте подтверждена принципиальная возможность высокоточного и эффективного измерения времени пролета ионизующих частиц с помощью камер плоско-параллельной геометрии, эксплуатирующих ограниченно-лавинный режим газового усиления. Положено начало новому поколению времяпролетных детекторов.

• Впервые тщательно измерен амплитудный спектр ППК. Распределения с двухзазорной камеры имеют отстоящий от нуля и превосходящий порог чувствительности электроники максимум. В результате эффективность ППК к MIP удалось поднять до 95% и выше.

• Разработан метод измерения времени пролета с помощью плоско-параллельных газовых детекторов, который включает в себя Т-А-коррекцию при обработке сигналов с камеры. Наилучшее значение временного разрешения двухзазорной ППК составило около 200 пс.

• Подобраны оптимальные параметры двухзазорных ППК для использования в составе крупномасштабных систем TOF. Оптимальная ширина газового зазора составила 0. 6−0. 65 мм. Состав & laquo-стандартной»- газовой смеси: 85% C2H2F4 + 5% i-C4Hio + 10% SF6.

• Измерена вероятность & laquo-больших»- сигналов (искр), представляющих опасность для электроники и электродов камеры. Она составила около 10"4, что является существенной величиной в рамках большой системы.

• Впервые собраны и испытаны прототипы многоканальных модулей TOF на основе ППК, продемонстрирована их работоспособность, изучена вероятность и последствия наводок между каналами, подтверждена принципиальная возможность интеграции ППК в многоканальные системы. Характеристики 32-канального модуля мало отличались от свойств одиночных двухзазор-ных ППК. В большом 512-канальном модуле наблюдалось ухудшение характеристик, связанное со сложностью конструкции и электроники.

• Изучены уровни наводок между соседними каналами модулей в случае нормальных и & laquo-больших»- сигналов. Соответствующие значения составили 0. 5−1. 5% и 20−70%.

Благодарность

Я благодарю всех своих коллег из ИТЭФ, CERN и INFN, вместе с которыми я участвовал в разработке ППК в разные годы и на разных этапах исследований. Проделать столь огромную работу было возможно только совместными усилиями большой экспериментальной группы. Особую признательность я выражаю В. Акимову, А. Акиндинову, А. Арефьеву, И. Ветлицкому, Л. Воробьеву, Ю. Гришуку, Б. Загрееву, М. Кацу, С. Киселеву, Ю. Киселеву, Г. Лексину, А. Ма-линину, А. Мартемьянову, И. Мельникову, В. Плотникову, В. Пожидаеву, П. Полозову, В. Серову, В. Сурину, М. Чумакову, Е. Шумилову, А. Юмашеву. Отдельную благодарность я адресую научному руководителю этой работы С. Кулешову за его поддержку и за множество тех ценных советов и замечаний, которые я получил от него во время подготовки диссертации.

С самого начала исследований группу ИТЭФ в эксперименте ALICE возглавлял Александр Смирнитский (1953−2006), бывший моим научным руководителем с момента моего прихода в ИТЭФ студентом в 1990 году. Все достижения и успехи группы, в том числе представленные в диссертации, в неоценимой степени связаны с его личностью. Во многом благодаря его научному таланту, оптимизму, обаянию и умению находить оригинальные решения сложных задач, группа существовала, активно работала и добивалась новых результатов на протяжении полутора десятков лет.

Я благодарен своему отцу. Надеюсь, что закончив эту работу, я отдаю один из многих своих долгов перед его памятью.

ПоказатьСвернуть

Содержание

Актуальность темы.

Цели диссертационной работы.

Научная новизна и практическая ценность работы.

Результаты, выносимые на защиту.

Личный вклад диссертанта.

Апробация работы и публикации.

Объем и структура диссертации.

1 Система идентификации частиц эксперимента ALICE.

1.1 Программа эксперимента ALICE.

1.2 Общее описание детектора ALICE.

1.3 Идентификация адронов на основе измерения времени пролета.

1.4 Требования к системе TOF.

2 Методы измерения времени пролета заряженных частиц.

2.1 Системы сцинтилляционных счетчиков с фотоумножителями.

2.2 Сцинтилляционные счетчики с фотодиодами.

2.3 Искровые счетчики Пестова.

2.4 Плоско-параллельные камеры в режиме лавинного усиления.

3 Плоско-параллельная камера как детектор для TOF.

3.1 Регистрация ионизующего излучения с помощью ППК.

3.2 Моделирование газового разряда в ППК.

3.3 Методика исследований.

3.4 Корреляция времени и амплитуды.

3.5 Эффективность измерений времени пролета.

3.6 Основные итоги изучения однозазорной ППК.

4 Двухзазорная ППК, оптимизация параметров.

4.1 ППК с двумя газовыми зазорами.

4.2 Ширина газового зазора.

4.3 Газовая смесь.

4.4 Конструкция ППК, материалы электродов.

4.5 Краевые и поверхностные эффекты.

4.6 Электроника.

4.7 Проблема & laquo-хвостов»- в спектре времени пролета ППК.

4.8 Вероятность и происхождение & laquo-больших»- сигналов.

4.9 Оптимальные параметры ППК.

4. 10 Основные итоги изучения двухзазорной ППК.

5 Прототипы многоканальных модулей TOF на основе ППК.

5.1 Мозаичная структура системы TOF.

5.2 Компоненты модуля TOF на электронных печатных платах.

5.3 Конструкция 32-канального модуля TOF.

5.4 Испытания 32-канального модуля TOF.

5.5 Перекрестные наводки.

5.6 Прототип модуля TOF площадью 1 м².

5.7 Основные итоги изучения многоканальных систем.

Список литературы

1. D. Boyanovsky, H. J. de Vega and D. J. Schwarz, Phase transitions in the early and present Universe, Annu. Rev. Nucl. Part. Sci. 56 (2006) 441.

2. D. d’Enterria, Quark-gluon matter, J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 34 (2007) S53.

3. И. M. Дремин, А. Б. Кайдалов, Квантовая хромодинамика и феноменология сильных взаимодействий, УФН, 176 № 3 (2006) 275.

4. М. Cheng, N. Н. Christ, S. Datta, et al., Transition temperature in QCD, Phys. Rev. D74 (2006) 54 507.

5. B. Tomasik, Ultrarelativistic heavy ion collisions: Exploring the phase diagram of QCD, arXiv: nucl-th/610 042 (2006).

6. I. Tserruya, Relativistic Heavy-Ion Physics: Experimental Overview, Pramana 60 4 (2003) 577.

7. I. G. Bearden, D. Beavis, C. Besliu, et al., Pseudorapidity Distributions of Charged Particles from Au + Au Collisions at the Maximum RHIC Energy, y]sm = 200 GeV, Phys. Rev. Lett. 88 (2002) 202 301.

8. A. Akindinov, A. Alici, K. Voloshin, et al., Multiplicity studies and effective energy in ALICE at the LHC, Eur. Phys. J. С 50 (2007) 341.

9. О. S. Briining, P. Collier, P. Lebrun, et al., LHC Design Report, Volume I: the LHC Main Ring, CERN-2004−003-V-1 (2004).

10. ALICE Collaboration, ALICE Physics Performance Report, Volume I, J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 30 (2004) 1517.

11. ALICE Collaboration, ALICE: Technical Proposal for a Large Ion Collider Experiment at the CERN LHC, CERN-LHCC-95−71 (1995).

12. A. Akindinov, A. Alici, K. Voloshin, et al., Study of QGP signatures with the ф -> 1С К signal in Pb-Pb ALICE events, Eur. Phys. J. С 45 (2006) 669.

13. ALICE Collaboration, Technical Design Reports of the ALICE subsystems, ALICE TDRs 1−12, CERN/LHCC (1998−2004).

14. W. Klempt, Review of particle identification by time of flight techniques, Nucl. Instr. and Meth. A 433 (1999) 542.

15. ALICE Collaboration, Technical Design Report of the Time of Flight System, ALICE TDR 8, CERN/LHCC 2000−12 (2000).

16. A. Akindinov, A. Alici, K. Voloshin, et al., Particle identification with the ALICE TOF detector at very high particle multiplicity, Eur. Phys. J. С 32, s02 (2004) si 65. 18

17. Полужирным шрифтом выделены публикации автора по теме диссертации. Фамилия автора также выделена в тех работах, соавтором которых он является.

18. S. Afanasiev, Т. Alber, H. Appelshauser, et al., The NA49 large acceptance hadron detector, Nucl. Instr. and Meth. A 430 (1999) 210.

19. M. Aizawa, Y. Akiba, R. Begay, et al., PHENIX central arm particle ID detectors, Nucl. Instr. and Meth. A 499 (2003) 508.

20. А. В. Акиндинов, Г. Б. Бондаренко, К. Г. Волошин и др., Регистрация импульсов света при помощи матричного лавинного фотодиода со структурой металл-резистор-полупроводник, Приборы и техника эксперимента № 3 (2005) 90.

21. P. Buzhan, В. Dolgoshein, Е. Garutti, et al., Timing by silicon photomultiplier: A possible application for TOF measurements, Nucl. Instr. and Meth. A 567 (2006) 353.

22. V. V. Parkhomchuk, Yu. N. Pestov and N. V. Petrovych, A spark counter with large area, Nucl. Instr. and Meth. 93 (1971) 269.

23. Yu. N. Pestov, Development of spark counters for particle identification, Proceedings of the 4th San Miniato Topical Seminar, World Scientific (1991) 156.

24. E. Badura, J. Eschke, H. Gaiser, et al., Pestov spark counter prototype development for the CERN-LHC ALICE experiment, Nucl. Instr. and Meth. A 372 (1996) 352.

25. Э. Д. Лозанский, О. Б. Фирсов, Теория искры, М., Атомиздат (1972).

26. Н. Raether, Electron avalanches and breakdown in gases, London, Butterworths (1964).

27. A. Peisert, The parallel plate avalanche chamber as an endcap detector for time projection chambers, Nucl. Instr. and Meth. 217 (1983) 229.

28. A. Peisert and F. Sauli, A two-dimensional parallel-plate chamber for high-rate soft X-ray detection,.

29. P. Fonte, V. Peskov, F. Sauli, Feedback and breakdown in parallel-plate chambers, Nucl. Instr. and Meth. A 305 (1991) 91.

30. Yu. Galaktionov, Yu. Kamyshkov, A. Malinin, V. Pozhidaev, The parallel plate chamber as a detector for fast, radiation resistive calorimetry, Nucl. Instr. and Methods A 317 (1992) 116.

31. F. Sauli, Principles of operation of multiwire proportional and drift chambers, Preprint CERN 77−09(1977).

32. В. А. Акимов, А. В. Акиндинов, К. Г. Волошин и др., Плоскопараллельная камера как детектор для времяпролетных измерений, Приборы и техника эксперимента № 4 (2002) 63.

33. A. Arefiev, G. Bencze, A. Bizzeti, et al., Parallel plate chambers: a fast detector for ionizing particles, Nucl. Instr. and Meth. A 348 (1994) 318.

34. W. Riegler, C. Lippmann, The physics of Resistive Plate Chambers, Nucl. Instr. and Methods A 518 (2004) 86.

35. В. А. Акимов, А. В. Акиндинов, К. Г. Волошин и др., Изучение характеристик и оптимизация параметров плоскопараллельной камеры как детектора для времяпролетных измерений, Приборы и техника эксперимента № 5 (2004) 24.

36. М. Abbrescia, A. Colaleo, G. Iaselli, et al., Properties of C2H2F4-based gas mixture for avalanche mode operation of resistive plate chambers, Nucl. Instr. and Methods A 398 (1997) 173.

37. V. Akimov, R. D’Alessandro, K. Voloshin, et al., Electronic channel for PPC time-offlight measurements, Preprint ITEP 50−95 (1995).

38. Report from the ALICE PID Panel, 19. 02. 1998.

39. K. Voloshin, B. Zagreev, Design and efficiency of the ALICE TOF system, CERN internal note ALICE-INT-1994−16 (1994).

40. P. Fonte, A. Smirnitski, M. C. S. Williams, A new high-resolution TOF technology, Nucl. Instr. and Methods A 443 (2000) 201.

41. A. Akindinov, V. Golovine, K. Voloshin, et al., Dielectric resistive plate chamber — the first step in new high-resolution TOF technology, Nucl. Instr. and Methods A 494 (2002) 474.

42. A. Akindinov, A. Alici, K. Voloshin, et al., Latest results on the performance of the multigap resistive plate chamber usedfor the ALICE TOF, Nucl. Instr. and Methods A 533 (2004) 74.

Заполнить форму текущей работой