Разработка, создание и использование газоразрядных детекторов частиц для экспериментов в физике высоких энергий

• Автор: Крившич, Анатолий Григорьевич
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Гатчина
• Количество страниц: 277 с. : ил.

Введение
Экспериментальное исследование сложных физических процессов и явлений в области физики высоких и сверхвысоких энергий автоматически подразумевает создание сложной и, как правило, всегда дорогостоящей экспериментальной установки, оптимально сочетающей в себе различные типы детекторов частиц. Основная проблема, которая в этом случае должна быть решена, заключается в правильном выборе методики ядерно-физического эксперимента. Базовым компонентом подобных экспериментальных установок являются трековые системы, созданные на базе газоразрядных детекторов частиц с различными методами съема информации. При этом, как правило, для получения физически красивых экспериментальных результатов требуется детально проанализировать и минимизировать влияние комплекса зачастую взаимно противоречивых факторов влияющих на работу этих детекторов, с целью реализации их предельно достижимых параметров.
Цель настоящей работы заключается в том, чтобы на примере нескольких физических экспериментов продемонстрировать методы (или, можно сказать, стратегию) создания и оптимизации сложных экспериментальных установок основным (или существенным) компонентом которых являются трековые газонаполненные детекторы частиц. Надежда на то, что эта цель может быть достигнута, базируется на многолетнем опыте успешной работы автора и его коллег по созданию трековых систем для различных экспериментов. Это — эксперименты Е-715, Е-761 и Е-781 в Лаборатории им.Э.Ферми (США); эксперимент по изучению каналлирования протонов изогнутыми монокристаллами в ЛИЯФ (СССР), эксперимент L3 в ЦЕРНе (Швейцария); эксперимент HERMES в DESY (Германия) и т.д.. Речь идет о таких детекторах частиц, как:

- детекторы переходного излучения;

- пропорциональные камеры с анодным и катодным методами съема информации;

- дрейфовые камеры со съемом информации по времени дрейфа и методом де-

ления зарядов;

Все эти детекторы являются одними из основных трековых приборов в современной физике высоких энергий. В ближайшем будущем, несмотря на появление нового поколения полупроводниковых и газовых микростриповых детекторов, они будут продолжать играть ключевую роль в современных экспериментальных установках на ускорителях как со встречными пучками, так и с фиксированными мишениями. Это

обуславливает ряд требований, предъявляемых к трековым детекторам.

Во-первых, при высоких энергиях частицы мало отклоняются в ограниченном объёме магнитного поля экспериментальной установки. Поэтому для точного определения импульса регистрируемых частиц и знака заряда необходимо на большой базе обеспечить многократное измерение координат вдоль трека частицы с достаточно высокой точностью. Причём, учитывая высокую светимость современных коллайдеров (10Э14-1034 см 1 сек'1), регистрация частиц должна осуществляться в условиях высокой загрузки (в том числе и фоновой), что налагает жёсткие требования на временное разрешение детектора.
Во-вторых, образование и последующий распад нестабильных частиц (например, гиперонов, т - лептонов, с и в - мезонов) приводит к появлению вторичных вершин, для реконструкции которых необходимо высокое двухчастичное и пространственное разрешение детектора в широком диапазоне углов вылета продуктов распада.
В-трстьих, для работы детектора в экспериментальной физической установке в течение нескольких лет без доступа персонала требуются высокая надёжность и радиационная стойкость прибора в условиях длительного и интенсивного облучения.
Газонаполненные детекторы частиц, отличающиеся комплексом высоких рабочих характеристик, позволяют эффективно решать перечисленные выше проблемы и получать великолепные физические результаты. В частности:
- создание детектора переходного излучения, работающего в реальном физическом эксперименте, создало принципиальную возможность для проведения в 1983-2000 годах серии успешных экспериментов (Е-715; Е-761; Е-781 в лаборатории Fermi-lab, USA), в которых был получен ряд уникальных физических результатов (Глава 1).
- использование трековой системы с предельно высоким пространственным разрешением (<т<60 pm) позволило обнаружить эффект каналирования протонов с энергией 1 ГэВ изогнутыми монокристаллами, а также экспериментально продемонстрировать эффект угловой фокусировки каналирующих протонов (Глава 2).
- созданный в ПИЯФ торцевой координатный детектор FTC для экспериментальной установки L3, с помощью которой на ускорителе LEP в ЦЕРНе изучались уникальные физические процессы рождающиеся в е+е' столкновениях при энергиях 5 4- 200 ГэВ. Детектор участвовал в наборе статистики и успешно использовался в анализе данных на протяжении всего десятилетнего периода работы установки L3. Разработан и применен алгоритм оптимизации всех рабочих параметров дрейфовых камер в усло-

виях внешних ограничений. Разработан метод электростатической защиты электрических полей в дрейфовых камерах от внешних разрушающих воздействий. (Глава 3).
- исследование импульсного и углового разрешения «коротких» треков с помощью спектрометра на базе пропорциональных камер, размещенного внутри магнита установки HERMES (DESY), дало возможность анализировать события с рождением Л° - гиперонов (Глава 4).
- значительный объем диссертации посвящен результатам изучения физики газового разряда в различных типах детекторов частиц, работающих в интенсивных полях излучений (Глава 5).
Показано, что метод ядерных реакций является очень эффективным при исследовании механизмов старения детекторов. Он позволил впервые в мировой практике получать количественную информацию о поверхностном и глубинном распределении легких элементов, входящих в состав плазмо-химических радикалов, которые образовались в газовых лавинах, и «пришли» на электроды детекторов частиц. Тем самым разработан и реализован новый метод исследования и оптимизации физических процессов, протекающих в детекторах частиц, работающих в интенсивных радиационных полях.
Проведен широкий комплекс исследований по изучению физических механизмов развития старения газоразрядных детекторов частиц в интенсивных полях излучений. Обнаружен принципиально новый тип старения, который был нами назван - эффект распухания анодных проволочек. Показана ключевая роль кислорода в развитии распухания проволочек. Предложена физическая модель развития явления, в основе которого лежат плазмо-химические процессы образования вольфрамо-кислородных соединений. Показано, что в ряде случаев процессы, приводящих к распуханию проволочек, могут идти столь интенсивно, что вольфрамо-кислородные соединения просто «выбрасываются» изнутри проволочки на ее поверхность и распространяются далеко за пределы зоны облучения.
Результатом комплексного исследования старения прототипов мюонных пропорциональных камер для проекта CMS (ЦЕРН) была выработка таких решений, реализация которых позволила гарантировать надежную работу гигантского мюонного спектрометра в течении ЗСН-50 лет в условиях максимальной светимости LPIC. Показано, что рекомендованная к работе газовая смесь обладает уникальными свойствами: позволяет накапливать экстремально высокие дозы облучения (13 Кулон/см) и полностью блокирует предельно негативное влияние кремнийорганических соединений на

Рис. 1.20 Зависимость величины коэффициента режекции л~ - мезонов от порога по числу зарегистрированных кластеров для разных значений порога по числу сработавших камер ДЛИ.
Рис. 1.21. Зависимость неэффективности регистрации электронов от величины коэффициента режекции ГГ - мезонов для двух вариантов отбора событий по числу сработавших камер ДЛИ.
стве детектора РПИ. Был получен коэффициент режекции Рл= 250, а неэффективность регистрации электрона находилась в пределах (0,8 -г 1,6)% и зависела от импульса электрона.
Соотношение коэффициента режекции пионов (Рис. 1.20) и эффективности ре-