Разработка и создание регистрирующей электроники адронного торцевого калориметра установки ATLAS для экспериментальных исследований на LHC

• Автор: Ладыгин, Евгений Александрович
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Дубна
• Количество страниц: 109 с. : ил.

Оглавление
Введение

1. Устройство жидкоаргонового калориметра

1.1 Принцип электростатического трансформатора

1.2 Заряд и ток в ячейке считывания

1.3 Скорость дрейфа заряда в аргоне, время сбора заряда

1.4 Особенности устройства НЕС-калориметра

1.5 Энергетическое разрешение калориметра

2. Электроника считывания с калориметров

2.1 Архитектура системы считывания жидкоаргоновой калориметрии ATLAS
2.2 Радиационная стойкость FEE
2.3 Особенности системы считывания НЕС-калориметра
3. Предварительный усилитель
3.1 Схемотехника усилителя
3.2 Экспериментальные данные
3.3 Зависимость электронного шума от емкости детектора
3.4 Радиационная стойкость предварительного усилителя
3.5 Потребляемая мощность и образование пузырьков
3.6 Испытания на надежность
4. Предварительный формирователь сигналов
4.1 Необходимость разработки и предъявляемые требования
4.2 Моделирование предварительного формирователя
4.3 Результаты лабораторных испытаний
4.4 Радиационная стойкость предварительного формирователя
5. Основной формирователь сигналов
5.1 Теоретическое обоснование применения формирователя
5.2 Генератор калибрационных сигналов
5.3 Прототип формирователя для НЕС
5.4 Сумматор сигналов для триггера
6. Модули считывания сигналов FEB для НЕС
7. Повторителыриггерных сигналов TDB
7.1 Принципы построения триггерной системы от НЕС-калориметра
7.2 Основные технические характеристики модуля TDB

7.3 Конструкция модуля и результаты измерений
7.4 Радиационная стойкость модуля ТОВ
8. РвРЮЕ модели НЕС-калориметра
8.1 Электронная модель канала считывания
8.2 Модель ячейки калориметра
8.3 Моделирование ложных сигналов в калориметре.
9. Эксперимент с высокой светимостью
Заключение
Список сокращений и условных обозначений
Словарь используемых терминов
Список литературы

Введение
Экспериментальная установка ATLAS (A Toroidal LPC Apparatus) Щ создана и успешно работает на Большом Адронном Коллайдере (Large Hadron Collider, LHC) в Европейском Центре ядерных исследований, ЦЕРН (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, CERN), в Женеве, Швейцария.
Несколько поколений физиков-экспериментаторов пыталось обнаружить новую элементарную частицу - так называемый «бозон Хиггса». С помощью установок ATLAS и CMS при энергиях протон-протонных (рр-) взаимодействий 7-8 ТэВ и и светимости LHC —7-1033 см"2 сек'1 это стало возможным. Физики также намереваются найти экспериментальное подтверждение некоторых теорий, таких как суперсиммегрия, квантовая гравитация и других.
К установке ATLAS ещё на этапе её создания предъявлялись более высокие требования, чем к уже существующим на тот момент установкам:
• установка должна иметь полный набор всех типов детекторов - трековые детекторы, калориметры, мюонные камеры, время-пролетные детекторы;
• детекторы должны сохранять высокую разрешающую способность в широком диапазоне загрузок и энергий в течение длительного времени;
• детекторы должны обладать высоким быстродействием для исключения потерь информации за счет «мертвого» времени и наложения событий, поскольку в LHC в среднем происходит около 30 рр-взаимодействий с частотой 40 МГц.
Для обеспечения этих требований необходимо иметь специальную обслуживающую детекторы электронику. Она должна иметь высокую интеграцию из-за большого числа каналов считывания (в калориметрах ATLAS имеется около 200000 каналов), высокую надежность в сильном магнитном и радиационном полях, высокую скорость усилительных и обрабатывающих устройств.
В установке ATLAS используются высокоскоростные жидкоаргоновые калориметры, где торцевой адронный калориметр (Hadronic End-Cap, НЕС) является одним из них. Основной задачей, стоящей перед автором данной диссертационной работы, было разработка и создание НЕС-калориметра и комплекса высоконадёжных радиационно-стойких узлов регистрирующей электроники для него. Для успешного достижения этих целей требовалось решение следующих задач:
• необходимо было разработать методы совместного электронного моделирования НЕС-калориметра и усилительных устройств к нему,

Так включение диодов ХсЫ-Хйб не только обеспечило сдвиг постоянного уровня, но и помогло достичь хорошей температурной стабильности входного каскада.
Усилитель Драйвер
Рис.4. Принципиальная схема одного канала твердотельного усилителя и одного
канала драйвера.
Температурная стабилизация основана на том факте, что температурная зависимость напряжения прямо смещенного диода и температурная зависимость напряжения отсечки транзистора имеют разную полярность. В схеме напряжение отсечки транзисторов мониторируется сопротивлением Кб, далее усиливается на Я5 и компенсируется напряжением на последовательно включенных диодах Хс14-Хс16, что приводит к стабилизации рабочей точки транзистора Х6 в широком диапазоне температур.
Для того, чтобы обеспечить высокую линейность при суммировании сигналов после усиления, выход усилителя сделан как токовый с большим выходным сопротивлением. Это позволяет осуществлять суммирование, используя внешний резистор с достаточно большим номиналом.
Достичь необходимого входного сопротивления усилителя 50 Ом оказалось задачей непростой. На этот параметр усилителя влияют практически все параметры компонентов. Важно было зафиксировать расчетное усиление каскада без обратной связи. Моделирование программой Р8Р1СЕ не дает четкого ответа, потому что параметры реальных транзисторов