WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 ||

В пятой главе рассмотрены конструкция и результаты испытаний прототипов многоканальных модулей TOF на основе ППК. Наиболее подробно изучен 32-канальный модуль, для которого сканировались эффективность и временное разрешение, а также измерялись перекрестные наводки. Представлены результаты испытаний 512-канального модуля. Сформулированы сложности интеграции ППК в большие системы.

В основу разработки первых прототипов многоканальных модулей была положена идея мозаичной структуры, собранной из независимых двухзазорных ППК. Для улучшения эффективности и временного разрешения TOFсистемы, а также для уменьшения площади «мертвых зон» предполагалось впоследствии строить систему из нескольких (до четырех) слоев модулей, сдвинутых друг относительно друга по принципу шахматной доски.

Основой пилотных модулей стали 16-канальные 8-слойные электронные печатные платы, служившие также механической опорой конструкции. Платы обеспечивали подачу и распределение высокого и низкого напряжений, а также быструю передачу сигналов от сработавших ячеек к разъемам на краю пла ты. С одной из сторон платы в два ряда крепились 16 ячеек ППК, а с обратной стороны располагались 16 предусилителей, подсоединенных к соответствующим камерам. Быстрые передаточные линии, направленные вдоль платы, не вносили заметных искажений в амплитуду и форму импульсов.

Рис. 9. Конструкция 32-канального прототипа модуля TOF на основе ППК.

Первый прототип модуля TOF содержал 32 ППК и был собран из двух 16канальных плат с камерами, помещенными в общий газовый объем на расстоянии 5 см друг от друга (см. рис. 9). В модуле были установлены двухзазорные ППК размером 50 50 мм с хромированными керамическими электродами, ширина газовых зазоров составляла 0.63 мм. Временное разрешение модуля оказалось однородным и составило в среднем около 250 пс, что включало в себя внутренний джиттер ППК, вклад измерительной электроники, разброс времен распространения сигналов по сигнальным линиям и пр. С увеличением высокого напряжения у большинства ячеек модуля наблюдался выход на плато по эффективности > 90%, ширина плато составила около 100 В (см. рис. 10).

Это обстоятельство сделало возможной подачу единого высокого напряжения на весь модуль TOF без ущерба для эффективностей отдельных ячеек.

Применимость модуля в составе большой системы TOF ограничивается уровнем перекрестных наводок (кросс-токов) между соседними ячейками, обусловленных, прежде всего, общим заземлением ячеек и (или) сигнальных линий. Как видно из рис. 11, в случае обычных сигналов порог в 20 мВ обеспечивал уровень кросс-токов (ложных срабатываний) в ближайших ячейках на уровне 1.5%, а в остальных ячейках – на уровне 0.5%. В случае же «больших» сигналов кросс-токи в ППК, расположенных в одной плоскости с той камерой, где возник пробой, находились в пределах от 70% в ближайших ячейках до 20% в самых удаленных, а уровень кросс-токов в другой плоскости заметно не 3.10 3.15 3.20 3.25 3.30 3.35 3.40 3.Рис. 10. Результаты сканирования эффективностей десяти ячеек ППК в 32канальном модуле TOF.

а б Рис. 11. Уровень кросс-токов (в процентах) внутри 32-канального модуля TOF:

а – при нормальных событиях; б – в случае «больших» сигналов.

отличался от нормальных событий. Таким образом, в случае появления «большого» сигнала в одной из плоскостей модуля информация о времени могла быть получена из другой плоскости.

В прототипе полномасштабного модуля TOF общей площадью около 1 мбыла сохранена идея расположения камер на печатных платах. Пятьсот двенадцать ячеек ППК, имевших для сравнения и керамические, и металлические электроды, были размещены в четыре слоя с мозаичным сдвигом, причем каждый слой включал в себя две печатные платы, каждая из которых имела размер 0.5 0.5 м и обслуживала 64 ячейки. Нечувствительные элементы плат имели минимально возможные размеры для увеличения рабочей площади модуля.

Расстояние между соседними слоями камер составляло 0.5 см. Принципиаль.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

115.6 / 1400 Constant 1352.

100 Mean.1677E+Sigma 301.-1000-750 -500 -250 0 250 500 750 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 ADC а б Рис. 12. Типичные характеристики одной ячейки ППК большого прототипа модуля TOF: а – амплитудный спектр, б – разрешение времени пролета.

ные параметры электроники были сохранены такими же, как в случае 32канального модуля. Механической опорой модуля служила алюминиевая рама размером 1 1 м, обеспечивавшая замкнутый газовый объем (на ней же располагались все разъемы для подключения газовых, электрических и сигнальных линий). Пучковые испытания большого модуля стали последним и одним из самых трудоемких этапов исследований возможности использования ППК как основного элемента времяпролетной системы эксперимента ALICE. В большом модуле наблюдалось плато эффективности, однако порог дискриминатора в 40 мВ гарантировал лишь 90%-ную эффективность модуля, а дальнейшее уменьшение порога приводило к резкому возрастанию шумов (вдвое при 35 мВ). Типичные результаты измерений характеристик ППК, установленных в большом модуле, оказались хуже тех, что были измерены в 32-канальном прототипе (см. рис. 12): временное разрешение увеличилось до примерно 280 пс. Поскольку в большом модуле использовались те же ячейки ППК, что и в 32-канальном модуле, то этот эффект следует связывать с конструкцией большого модуля и со свойствами считывающей электроники (эта техническая проблема была решена в дальнейшем при разработке модулей из диэлектрически-резистивных плоско-параллельных камер).

В заключении подводятся главные итоги многолетней работы по развитию времяпролетной методики с использованием ППК, перечислены основные результаты исследований, достоинства и недостатки ППК; намечены пути решения обнаруженных проблем. В общих чертах описано современное состояние системы TOF эксперимента ALICE, построенной на основе многозазорных резистивных плоско-параллельных камер.

Характеристики ППК, как одиночного детектора и элемента небольших многоканальных систем, превзошли самые оптимистичные прогнозы, существовавшие в начале исследований. Этот результат стал несомненным открытием в методике, положившим начало многочисленным дальнейшим работам. В настоящее время новый метод используется и планируется к использованию в десятках разномасштабных экспериментов и практических приложений. Следует также отметить, что благодаря проводящим электродам ППК способна работать без ухудшения характеристик при загрузках до 25 кГц/см2, и ее быстродействие ограничено только условием относительной малости объемного заряда ионов в рабочем газовом объеме.

Тем не менее, несмотря на хорошие результаты, полученные при испытаниях отдельных камер и прототипов модулей, возможность построения полномасштабной системы TOF на основе ППК пока не исследована в полной мере. Главным недостатком ППК остаются «большие» сигналы, возникающие с малой, но заметной, вероятностью ~ 10–4. Такие сигналы опасны для материалов камеры и измерительной электроники, а также приводят к высоким (до 70%) перекерестным наводкам внутри многоканальных модулей. Решение этой проблемы требует создания эффективного способа гашения или подавления «больших» сигналов.

Одним из таких способов является качественное изменение самого детектора, а именно – введение различных типов резистивности (объемной и поверхностной) в электроды камеры. В случае «больших» сигналов резистивные электроды позволяют локализовать область разряда, уменьшая напряженность поля в месте пробоя и тем самым гася разряд. Как следствие, резистивные камеры могут работать при более высоких напряжениях, обладают лучшим временным разрешением и эффективностью, однако имеют ограничения по загрузочной способности. В рамках дальнейших работ испытывались многочисленные варианты резистивных плоско-параллельных камер (DRPC, GRPC и пр.) В окончательном варианте системы ALICE-TOF нашла воплощение многозазорная концепция (MRPC), в которой сигнал с камеры является суммой сигналов с нескольких узких зазоров, позволившая довести эффективность детектора до 100% при временном разрешении на уровне 50 пс.

Сравнение систем TOF, использующих различные варианты времяпролетных детекторов, приведено в табл. 1.

В заключении перечислены основные результаты диссертации.

1. На опыте подтверждена принципиальная возможность высокоточного и эффективного измерения времени пролета ионизующих частиц с помощью камер плоско-параллельной геометрии, эксплуатирующих ограниченнолавинный режим газового усиления. Положено начало новому поколению времяпролетных детекторов.

2. Впервые тщательно измерен амплитудный спектр ППК. Распределения с двухзазорной камеры имеют отстоящий от нуля и превосходящий порог чув ствительности электроники максимум. В результате эффективность ППК к MIP удалось поднять до 95% и выше.

3. Разработан метод измерения времени пролета с помощью плоскопараллельных газовых детекторов, который включает в себя T–A-коррекцию при обработке сигналов с камеры. Наилучшее значение временного разрешения двухзазорной ППК составило около 200 пс.

4. Подобраны оптимальные параметры двухзазорных ППК для использования в составе крупномасштабных систем TOF. Оптимальная ширина газового зазора составила 0.6 – 0.65 мм. Состав «стандартной» газовой смеси:

85% C2H2F4 + 5% i-C4H10 + 10% SF6.

5. Измерена вероятность «больших» сигналов (искр), представляющих опасность для электроники и электродов камеры. Она составила около 10-4, что является существенной величиной в рамках большой системы.

6. Впервые собраны и испытаны прототипы многоканальных модулей TOF на основе ППК, продемонстрирована их работоспособность, изучена вероятность и последствия наводок между каналами, подтверждена принципиальная возможность интеграции ППК в многоканальные системы. Характеристики 32-канального модуля мало отличались от свойств одиночных двухзазорных ППК. В большом 512-канальном модуле наблюдалось ухудшение характеристик, связанное со сложностью конструкции и электроники.

7. Изучены уровни наводок между соседними каналами модулей в случае нормальных и «больших» сигналов. Соответствующие значения составили 0.5 – 1.5% и 20 – 70%.

Публикации автора по теме диссертации [1] В. А. Акимов, А. В. Акиндинов, С. В. Бояринов, К. Г. Волошин и др., Плоскопараллельная камера как детектор для времяпролетных измерений, Приборы и техника эксперимента, №4 (2002) с. 63.

[2] В. А. Акимов, А. В. Акиндинов, С. В. Бояринов, К. Г. Волошин и др., Изучение характеристик и оптимизация параметров плоскопараллельной камеры как детектора для времяпролетных измерений, Приборы и техника эксперимента, №5 (2004) с. 24.

[3] ALICE Collaboration, Time of Flight System, Technical Design Report, CERN/LHCC 2000-12, ALICE TDR 8, 16 February 2000.

Pages:     | 1 | 2 ||






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»