Калориметры, используемые для измерения энергии частиц, стали неотъемлемой частью экспериментальных установок во всех крупных экспериментах последних десятилетий в области физики высоких энергий. Они являются важнейшей частью ведущихся и готовящихся экспериментов на встречных пучках (эксперименты CDF и DO на коллайдере TEVATRON в лаборатории FNAL, США, эксперименты ATLAS, CMS, LHCb на коллайдере LHC в CERN, Швейцария) и ускорителях с фиксированными мишенями (эксперименты СВМ и PANDA на ускорителе FAIR лаборатории GSI в Германии и опыты на будущем высокоинтенсивном протонном ускорителе J-PARC в лаборатории КЕК, Япония).
Все достоинства данного класса приборов хорошо известны, широк спектр их реализаций, позволяющий достаточно быстро решать сложные задачи, выдвигаемые новыми экспериментами. Основным достоинством этих детекторов является улучшение их точностных характеристик с ростом энергии частиц и струй. Современные калориметры обладают как правило высокими быстродействием и сегментацией, что позволяет использовать информацию с них не только для измерения энергии, но и для идентификации частиц и определения их координат, а также формировать высокоселективный триггер на события с интересующей топологией, что важно в экспериментах с высокими загрузками.
Но устойчивая тенденция роста числа каналов съема информации до сотен тысяч, ужесточение противоречивых требований на повышение быстродействия и точности, а также использование их в сильных магнитных полях при высоких радиационных нагрузках из-за постоянного роста энергии и интенсивности ускорителей например, в коллайдере LHC плановая светимость должна составлять 1.0×1034cm" 2c1 с последующим увеличением на порядок при энергии пучков 7ТэВ и интервалом между взаимодействиями 25нс) требует поиска новых решений при создании калориметров. По этим же причинам становится практически невозможно рассматривать калориметр без учета дальнейшего тракта съема полезного сигнала, так как оптимальные точностные характеристики, необходимые в конкретном эксперименте, могут быть достигнуты при откликах калориметров значительно больше интервала между событиями.
Существует множество типов калориметров, созданных для различных экспериментов в физике высоких энергий, но вышеперечисленным требованиям удовлетворяют далеко не все. В частности, особенно высокой радиационной стойкостью обладают кварцевые и ионизационные калориметры. Именно поэтому на коллайдере LHC в качестве переднего калориметра установки CMS используется кварцевый вариант, а в эксперименте ATLAS-жидкоаргонный, радиационная нагрузка которых за десять лет должна составить более 1Град.
Одним из перспективных направлений в калориметрии являются детекторы на базе газовых ионизационных камер, так как подвижность носителей заряда в газах на порядок выше, чем в жидкостях. Газовые ионизационные калориметры обладают хорошим энергетическим и временным разрешением, а также высокой радиационной стойкостью. Поэтому разработки в этом направлении являются важными и актуальными.
В настоящей диссертации представлены результаты разработок и исследований газовых ионизационных адронных калориметров. Так как основные точностные характеристики данного типа приборов энергетическое, пространственное, временное разрешения, уровень шумов и др.) во многом определяются электронным трактом и, в первую очередь, предварительным усилителем, особое внимание в диссертации уделено вопросам электроники.
Настоящая диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. В первой главе дана классификация калориметров и описаны физические процессы, определяющие их характеристики, а также приведены различные реализации в современных экспериментах и дан их сравнительный анализ. В ней рассмотрены также вопросы, связанные с работой калориметров при высоких радиационных нагрузках и оценены пределы радиационной стойкости различных типов калориметров. Вторая глава посвящена вопросам разработки и измерения характеристик газового ионизационного адронного калориметра с плоскопараллельной геометрией электродов. Особое внимание в ней уделено оптимизации характеристик регистрирующей электроники. В частности, было показано, что при кабельном соединении между детектором и предварительным усилителем, уровень шумов определяется током через головной элемент усилителя с фиксированным входным сопротивлением и не зависит от схемы его включения, что позволяет вынести регистрирующую электронику из радиационно опасной зоны без потери быстродействия детектора. Указанные исследования были проведены впервые. Результаты исследований характеристик тяжелого фреона-218 как.
Заключение
.
В настоящей диссертации представлены результаты исследований адронных газовых ионизационных калориметров с плоскопараллельной геометрией электродов, выполненных на пучках адронов и электронов ускорителя ИФВЭ в области энергий до 60 ГэВ. Измерения проводились для двух типов калориметров: с единым (общим) газовым объемом и с модульной структурой. В качестве активного вещества использовались газовые смеси Аг+СБд и чистый фреон С3р8 при различных давлениях. Пассивными поглотителями-конверторами служили пластины из урана и стали различной толщины.
Основной характеристикой калориметров является энергетическое разрешение. Для калориметра с урановыми пластинами толщиной ^=6.5мм, наполненного смесью Аг+СР4 при давлении 40 атмосфер, оно оказалось равным: с (Е)/Е = 3.3/Е 0 (0.69Л/Е + 0.016), Е в ГэВ, причем стохастический член практически не зависит от давления в интервале от 5 до 40 атмосфер. Тонкая продольная сегментация данного калориметра позволила изучить зависимость параметра В в стохастическом члене от толщины одного поглотителя:
ВЛ/Е = 0.57^Е © 0.37Л/Е, где I представлено в единицах ^.
Другой важной характеристикой калориметров является отношение е/Ь откликов на электроны и адроны. Для калориметра с 6.5мм урановыми поглотителями с рабочим газом 95%Аг+5%СР4 при 40 атмосферах получено близкое к единице значение е/Ъ=1.17±0.03. При добавлении в рабочий газ метана, содержащего атомы водорода, это отношение уменьшилось до 1.07±0.03. Было показано, что е/Ъ зависит от длительности строб-импульса АЦП и его положения относительно сигнала с калориметра и может оказаться даже меньше единицы. Возможность получения близкого к 1 значения е/Ь является важным достоинством ионизационных газовых калориметров.
Ключевыми проблемами при создании газовых ионизационных калориметров являются уровень шума регистрирующей электроники, возможность электрического объединения ячеек по глубине без потери быстродействия и снижение давления газа без ухудшения отношения сигнала к шуму. Представленный в диссертации анализ характеристик быстрых токовых усилителей с фиксированным входным сопротивлением 50 Ом для адронных калориметров с сосредоточенной емкостью показал, в частности, что уровень шума определяется током головного элемента, не зависит от схемы его включения и может быть доведен до 8ке при емкости ячейки 290пФ. Продемонстрировано также, что объединение ячеек по глубине калориметра при условии согласования детектора с каналом регистрации позволяет достичь длительности выходного сигнала 40 не при скорости дрейфа электронов в рабочем газе 0.1мм/нс, характерной для «быстрых» газов, включая фреон С3Р8 и смеси Аг+СР4, без потери сигнала.
Прямой способ понижения давления рабочего газа без потери амплитуды сигнала — применение газов с высокой плотностью. К таким газам относится фреон С3Р8, плотность которого в 4.4 раза выше, чем у смеси Аг+СР4, при примерно одинаковой скорости дрейфа электронов: Выполненные измерения показали низкий уровень собственной электроотрицательности этого газа при используемых в ионизационном режиме напряженностях электрического поля: средний пробег электрона в С3Р8 при атмосферном давлении и чистоте 0.9999 составляет 2.25 см и значительно превышает ширину газового промежутка в исследованных калориметрах.
Другой способ решения «проблемы» давления рабочего газаиспользование модульной структуры калориметра, в которой произведение объема газа в данном модуле на его давление является достаточно малой величиной, допускающей эксплуатацию детектора без специальных мер безопасности. Такой модуль был спроектирован, изготовлен и исследован в пучке электронов с энергией 26.6 ГэВ. Разрешение по энергии для сборки из двух модулей, каждый из которых содержит шесть 30 мм стальных конвертора и заполнен фреоном СзРв, оказалось близким к 7% после вычитания шумового вклада, что согласуется с результатами моделирования. Эта величина почти не зависит от давления рабочего газа в интервале от 2 до 6 атмосфер.
Таким образом, в диссертационной работе впервые проведены детальные исследования газовых ионизационных калориметров для измерения энергии адронов, включая регистрирующую электронику. Основными достоинствами данного типа детекторов являются:
• хорошее энергетическое разрешение;
• высокие быстродействие и временное разрешение, связанные с высокой скоростью дрейфа электронов в рабочих газах;
• хорошая однородность для плоскопараллельной геометрии электродов, что нашло отражение в малой величине постоянного члена в формуле для разрешения по энергии;
• высокая стабильность, обусловленная слабой зависимостью скорости дрейфа от высокого напряжения и отсутствием внутреннего усиления;
• очень высокая радиационная стойкость, основанная на возможности использовать только материалы, выдерживающие большие радиационные нагрузки, и быстро и часто менять активную среду, если это необходимо;
• простая относительная электронная калибровка, позволяющая быстро и с высокой точностью выравнивать отклики каналов;
• высокая надежность и низкая стоимость.
В заключении считаю своим приятным долгом поблагодарить С. П. Денисова за предложение участвовать в исследованиях газовых ионизационных калориметров, руководство диссертационной работой и помощь при подготовке диссертации, И. В. Котова, В. И. Кочеткова, Ю. В. Михайлова, С. А. Мухина, В. А. Онучина, А. П. Солдатова, A.A. Спиридонова, Д. Ю. Струздюмова, В. В. Сытника, H.H. Федякина,.
К.Е. Шестерманова за большой вклад в многолетние исследования свойств газовых ионизационных калориметров, А. Ю. Душкина, В. Н. Михайлина, И. В. Шеина за активное участие в создании и эксплуатации установки, И. Н. Белякову, В. В. Волкову, О. Н. Ромашову, Т.В.
Закорючкиной, С. А. Звягинцеву, Н. Е. Филимонову за вклад в создание и тестирование прототипов калориметров и регистрирующей электроники. I.