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

• Автор: Волошин, Кирилл Геннадьевич
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 76 с. : ил.

УДК 539.1.074

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 «хвостов» в спектре времени пролета ППК
4.8 Вероятность и происхождение «больших» сигналов

4.9 Оптимальные параметры ППК
4.10 Основные итоги изучения двухзазорной ППК
5 Прототипы многоканальных модулей ТОР на основе ППК
5.1 Мозаичная структура системы ТОР
5.2 Компоненты модуля ТОР на электронных печатных платах
5.3 Конструкция 32-канального модуля ТОР
5.4 Испытания 32-канального модуля ТОР
5.5 Перекрестные наводки
5.6 Прототип модуля ТОР площадью 1 м2
5.7 Основные итоги изучения многоканальных систем
Заключение
Недостатки ППК и пути их преодоления
Варианты РПК, текущий статус системы АЫСЕ-ТОР
Результаты диссертационной работы
Благодарность
Литература

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 Лкхд ~ 200 МэВ и произошел, когда возраст Вселенной составлял ~ 10 мкс [2]. В соответствии с КХД, кварки и глюоны асимптотически свободны [3]: при температурах Т < Лкхд они пребывают в связанном состоянии в составе адронов, а при Т > /1к.хд они освобождаются и образуют так называемую кварк-глюонную плазму (КГП)1. При Т -Лкхд, 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 «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 температур вблизи Тс~ 190 МэВ [4], что соответствует плотности энергии ес ~ 1 ГэВ/фм3.
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. Расче1 Названную так по аналогии с электродинамической плазмой, в которой электрические заряды электронов и ионов соответствуют цветовым зарядам кварков и глюонов в КГП.

Материал Особенности дизайна
Керамика Дизайн керамических электродов изображен на Рис. 30а. Материалом служил оксид алюминия АЬОз, достаточно жесткий для обработки полировочными машинами с точностью 5 мкм. По краям электродов были выполнены металлизированные до середины круглые канавки с целью предотвращения пробоев из-за краевых возрастаний напряженности электрического поля.
Стекло Использовалось доступное недорогое оптическое стекло. Дизайн был схож с керамической версией. Стекло оказалось достаточно гладким и плоским и не требовало дополнительной полировки.
Металл Несколько версий металлических электродов были выполнены из пластин алюминия и нержавеющей стали. Для предотвращения внутренних трещин в больших пластинах во время производства алюминиевых электродов применялось электрохимическое травление.
Пластик Чтобы избежать полировки и сохранить качество поверхности, пластиковые электроды штамповались из полисульфона и поликарбоната при давлении более 100 атм в соответствии с чертежом на Рис. 306. Упоры были частью самих электродов. Применялась специальная технология низкотемпературного напыления металла, предохраняющая материал от деформации. Пластиковая версия детектора оказалась недорогой и простой в изготовлении и сборке.
Табл. 3. Особенности дизайна ППК при изготовлении пластин электродов из разного типа
материалов.
Размер чувствительной области камеры влиял на время прохождения наведенного электрического сигнала вдоль поверхности электрода к предусилителю, обычно размещавшемуся в углу ячейки. Специальные измерения показали, что задержка распространения сигнала внутри камеры составляла примерно 50 пс/см (см. Рис. 32) и дала незначительный вклад в собственное временное разрешение ППК.
4.6 Электроника
Для работы с ППК исследовались различные типы электронных измерительных каналов, в которых была реализована идея одновременного измерения амплитуды и времени прихода сигнала, в соответствии с диаграммой, изображенной на Рис. 18. Предусилитель располагался как можно ближе к камере, при этом считывание сигнала осуществлялось из угла ячейки. От предусилителя сигнал передавался к главному усилителю, один из выходов которого подключался к дискриминатору (формирователю) и затем к TDC, а другой — к зарядо-чувствительному ADC. Испытывались многочисленные типы низкопороговых формирователей (дискриминаторов) как с постоянным (ФПП), гак и со следящим (ФСП) порогом.
Джиттер электронного канала, влиявший на полное временное разрешение ППК, определялся дрейфом величины порога дискриминатора со временем, шумами на входе дискриминатора и зависимостью времени срабатывания дискриминатора от амплитуды сигнала.