Актуальность проблемы.
Основными целями исследований ядро-ядерных взаимодействий на современных и строящихся ускорителях являются [1,2]:
• Исследование динамики развития системы после ядеро-ядерного столкновения, эволюции температуры и плотности.
• Получение сигналов о возможном фазовом переходе ядерного вещества в новое состояние — кварк-глюонную плазму.
• Изучение изменений фундаментальных свойств элементарных частиц при высоких температурах и плотностях.
Для наиболее полной реализации этих исследований детектор должен иметь идентификационную систему, позволяющую регистрировать максимальное количество частиц в диапазоне импульсов от 100 МэВ/с до 3 ГэВ/с в режиме «событие-за-событием» («event-by-event»), что требует значительного улучшения чистоты разделения сортов частиц. Кроме того, по сравнению с экспериментами в области физики высоких энергий, в ядерных экспериментах множественности частиц существенно больше, что требует увеличения гранулярности идентификационных систем. В дополнении к этому, все детекторы должны быть нечувствительны к магнитным полям величиной до 1 Тл.
Примером такой идентификационной системы является центральная часть (|г||<0.9) установки ALICE на БАК [1] (сходную структуру имеют другие установки PHENIX и STAR на RIHC). Идентификационная система включает в себя четыре основные детекторные системы (рис. 1): t ri ttuviy Ф игг.
07-m 7C0E Cff* мклжи.
Рис. 1. Общий вид установки ALICE и основные детекторы идентификационной системы.
1. Внутренний координатный детектор (ITS) — для определения координаты вершины взаимодействия, определения координат распада короткоживущих частиц и идентификации частиц с малыми импульсами (<100 МэВ/с) по потерям энергии. Методика данной подсистемы на основе пиксельных, дрейфовых и стриповых полупроводниковых детекторов хорошо отработана и позволяет получать необходимые разрешения.
2. Основной координатный детектор (ТРС) — для определения импульса частицы по кривизне трека в магнитном поле и идентификации частиц с импульсом <700 МэВ/с по потерям энергии. Данная подсистема реализуется на основе отработанной методики создания дрейфовых камер большого объема.
3. Идентификатор электронов и дополнительный трековый детектор (TRD) для разделения электронов и адронов и получения дополнительной координатной информации о треке частицы. Методика данной подсистемы реализована на многослойных детекторах переходного излучения со считыванием пропорциональными камерами. i 4. Времяпролетный идентификатор частиц (TOF) — обеспечивает идентификацию сорта частицы с известным импульсом по времени пролета в диапазоне от 0.5 до 2.5 ГэВ/с на базе в 3.8 метра (разрешение менее 100 л псек.). Общая площадь системы более 140 м, общее число каналов 150 000.
Все детекторные подсистемы уникальны по числу каналов, объему и требованиям к разрешению, но для реализации детектора времени пролета к началу 90-х годов существовала лишь методика, основанная на традиционных фотоумножителях и сцинтилляторах. Эта методика дает принципиальную возможность получения требуемого временного разрешения, но не реализуема по причинам больших финансовых затрат и трудностей при работе в сильном магнитном поле. Создание новой методики TOF детекторов стало основной методической задачей для идентификационных систем современных ядерных экспериментов.
Основной целью данной работы явилось создание новой методики детекторов времени пролета с рекордным временным разрешением (менее 100 псек.) на основе газовых Резистивных Плоско-Параллельных Камер (РППК) и их интеграция в идентификационные системы большой площади для современных экспериментов.
Основными целями диссертационной работы являются:
• Первой целью работы являлось получение высокого временного разрешения (а < 100 псек.) в камерах с плоско-параллельной геометрией, работающих в режиме насыщенной лавины. Для этого было изучено влияние на временные характеристики конструкции камеры, материала электродов, величины и количества зазоров, состава газовой смеси.
• Второй целью исследования было повышение загрузочной способности и радиационной стойкости РППК путем использования различных низкорезистивных материалов.
• Третья цель работы — поиск оптимальных способов интеграции РППК в большие модули и измерение характеристик больших времяпролетных систем.
На защиту автор выносит следующие результаты:
1. Методика и результаты измерений временного разрешения и эффективности РППК для различных типов конструкций камер и газовых смесей.
2. Результаты исследования различных низкорезистивных материалов, направленных на повышение загрузочной способности и радиационной стойкости РППК.
3. Модульный принцип организации больших идентификационных плоскостей и результаты измерений параметров двух различных модулей-прототипов для эксперимента ALICE.
Научная новизна работы:
Впервые было получено уникальное временное разрешение для РППК и определено влияние на него качества сборки и количества зазоров.
Впервые проведено детальное изучение влияние состава рабочей газовой смеси на временное разрешение РППК.
Впервые разработаны и испытаны радиационно стойкие РППК с поверхностным слоем SiC для работ в условиях высоких загрузок.
Впервые испытаны многоканальные времяпролётные системы для двух способов интеграции РППК, на основе которых создан детектор TOF для ALICE и разрабатывается времяпролетная система для СВМ.
Апробация работы и публикации.
Результаты работы докладывались на 5-ой, 7-ой и 8-ой международных конференциях «Resistive Plate Chambers and Related Detectors»:
Бари, Италия 28−29 октября 1999гКлермон-Ферран, Франция 26−27 июля 2003 г;
Сеул, Корея 10−12 октября 2005 г, и на VIII международной конференции.
Instrumentation for Colliding Beam Physics", Новосибирск, Россия, 28 февраля-6 марта 2002 года.
Диссертация основана на результатах работ, опубликованных в период с 2000 по 2007 год в журналах «Приборы и техника эксперимента», Nuclear Physics В, «Nuclear Instruments and Methods in Physics Research», препринтах ИТЭФ и материалах международных конференций.
Структура диссертации:
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Каждая из глав содержит краткие замечания и пояснения. Основные выводы диссертации приведены в заключении. Объём диссертации 52 страницы, 38 рисунков, и 20 наименований цитируемой литературы.
Основные результаты работы состоят в следующем:
1. Проведена работа по оптимизации конструкции камеры, числа зазоров и газовой смеси. Результаты измерений дали возможность выбрать конструкцию с наилучшими параметрами: 6−10 зазоров с размером 230−260 микрон, газовая смесь 93% C2H2F4 + 7% SF6. Данные камеры имеют эффективность регистрации более 98% и временное разрешение на уровне 50 псек.
2. Для улучшения загрузочной способности РППК была разработана камера на основе керамических электродов с напылённым низкорезистивным слоем SiC. Данная камера позволяет получать временное разрешение лучше 100 псек. л при загрузках до 5 кГц/см .
3. Изучены системные аспекты интеграции РППК в большие время пролетные системы. Разработаны и испытаны два типа организации модулей: в виде отдельных ячеек и на основе сплошных стекол. Оба типа модулей имеют высокое временное разрешение (меньше 100 псек.). Первый тип имеет низкий уровень перекрестных наводок (меньше 1%), а второй при более высоком уровне (до 16%) более прост при сборке. На основе второго варианта построена времяпролетная система детектора ALICE, находящаяся в стадии установки и запуска.
Тенденцией в современной экспериментальной физике является замещение технологией РППК традиционной методики время пролетных измерений с использованием ФЭУ. На основе РППК созданы времяпролетные системы детекторов ALICE и HARP и планируется создание аналогичных систем в детекторах STARhCBM.
В заключение, считаю своим приятным долгом искренне поблагодарить научного руководителя д.ф.-м.н. Ю. Т. Киселева за руководство и помощь в написании работы.
Выражаю благодарность сотрудникам группы ИТЭФ в эксперименте ALICE за помощь в проведении измерений и плодотворное обсуждение результатов работы. Хочу также поблагодарить иностранных коллег группы ALICE TOF и в целом эксперимента ALICE за помощь в работах, выполненных в ЦЕРН.
Особую признательность хотел бы выразить основателю и, вплоть до трагического ухода из жизни, бессменному руководителю группы ИТЭФ в эксперименте ALICE A.B. Смирнитскому за неоценимый вклад, который он вносил в моё научное образование. Данную работу я посвящаю его памяти.
Заключение
.
Данная диссертационная работа посвящена исследованию различных типов РППК для создания детекторов с высоким временным разрешением и высокой эффективностью регистрации их интеграции в большие идентификационные системы современных экспериментов.
