WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |

Полная ITR система HERA-B потребовала изготовления 46 детекторных плоскостей, каждая из которых состояла из четырех камер. Каждая из камер имела 752 анодных стрипа, которые и определяли полное количество считываемых электроникой каналов – в целом около 140000. Этот основной дизайн за время работ по созданию системы не менялся, хотя технология изготовления детекторов несколько раз претерпевала изменения в соответствии с результатами и рекомендациями R&D. Особенно большие изменения в конструкцию камер были внесены после результатов тестов на адронном пучке, когда были обнаружены проблемы с пробоями в МСГК и было принято решение включить ГЭУ в объем МСГК.

Однако МСГК-ГЭУ технология оказалась также уязвимой. Появились проблемы с газовыми пробоями в ГЭУ, которые приводили к выходу как самого ГЭУ, так и к разрушению электродов МСГК. Появились проблемы «старения» из-за следов органических примесей в газовой смеси, которые очень трудно устранить при производстве большой серии и длительной работе камер. В качестве рабочего газа для МСГК CERN рекомендовал газовую смесь Ar-DME, поэтому она первоначально предполагалась как рабочая газовая смесь для внутреннего трекера HERA-B. Но при работе на тестовом пучке и при дополнительных тестах по облучению рентгеновскими лучами больших по площади участков МСГК эта смесь приводила к быстрому старению камер. В результате дополнительных исследований в качестве рабочей смеси для МСГК-ГЭУ камер на эксперименте HERA-B была выбрана газовая смесь Ar-CO2.

В пятой главе описана работа МСГК-ГЭУ детекторов в условиях эксперимента, а также работы по модернизации системы внутреннего трекера HERA-B выполненные в период остановки коллайдера HERA в 2001 г.

В период с июля 1999 г. по май 2000 г. 150 камер были установлены и задействованы в эксперименте HERA-B. Первые несколько месяцев года в основном были посвящены вводу детектора в эксплуатацию. Камеры участвовали в наборе данных, полученных на эксперименте с апреля по августа 2000 г. (плановой остановки набора данных). Пятьдесят шесть камер проработали максимальное время – 1100 часов. В течение последних двух месяцев 90% установленных камер участвовало в наборе физических данных без больших проблем.

Частота взаимодействий пучка с мишенью в этот период изменялась от до 40 MHz. Большинство данных было получено при частоте 5 MHz. Период окончания набора данных был довольно спокойным, однако вначале, т.е.

сразу же после установки и включения детектора было обнаружено, что:

• в четырех камерах сопротивление между электродами ГЭУ упало на несколько порядков и фактически закоротило электроды;

• 43% камер МСГК имеют короткое замыкание между анодом и катодом.

Эти проблемы появились практически сразу и, возможно, были вызваны производственными дефектами.

Рис. 14. Количество камер как функция средней величины разрядов в них.В большинстве камер среднее число разрядов меньше 2 разрядов в день при средней интенсивности на мишени 5 МГц.

Разряды в ГЭУ устранить полностью не удалось, но частота их была мала, порядка одного разряда в день (см. рис. 14). Работа камер в эксперименте показала, что частота разрядов увеличивается экспоненциально от 1 до 5 в день при изменении напряжения на электродах ГЭУ от 400 В до 450 В. Это продемонстрировано на рис. 15 (камеры с необычно высокой частотой разрядов были исключены из рассмотрения). Как и предполагалось, частота разрядов увеличивается при увеличении интенсивности пучка.

Рис. 15. Частота разрядов в зависимости от напряжения на ГЭУ (усредненное по всем камерам в которых количество разрядов в день было не больше 6. Ошибка включает систематическую неопределенность.

При нормальных условиях побочные разряды не нарушали рабочих характеристик детектора, хотя в нескольких камерах и привели к короткому замыканию между электродами ГЭУ в результате появления углерода на поверхности полиимидной пленки в канале отверстия. В некоторых случаях, короткое замыкание ГЭУ удавалось устранить, используя короткий импульс тока, который испаряет медь около поврежденного отверстия. Когда устранить короткое замыкание у ГЭУ было нельзя, камера считалась потерянной.

Проверка камер во время длительной остановки ускорителя HERA для повышения светимости показала, что некоторые замыкания связаны с электродами, которые имели производственные дефекты. Вероятность появления пробоев на этих анодах выше, чем на анодах без дефектов. Чтобы избежать этих проблем, такие электроды во время работ по модернизации были отсоединены от земли. Уменьшением эффективности камер в результате отключения дефектных анодов можно было пренебречь.

Как показал опыт работы с МСГК-ГЭУ системой внутреннего трекера HERA-B большинство проблем в камерах было вызвано в основном пробоями, которые проявились сразу после включения, и которые можно избежать посредством следующих мероприятий:

• проверка работы детектора при повышенном напряжении в течение нескольких дней перед установкой;

• тщательная тренировка камер в пучке в условиях эксперимента перед тем, как подавать полное напряжение;

• контроль напряжения и мониторирование токов, регистрация пробоев;

• использование согласованного поднятия напряжения на различных камерах;

• отключение камер при нестабильной работе пучка.

В период набора данных 2000 года была отработана процедура тренировки камер, которая значительно улучшила надежность детектора.

Напряжение поднималось медленно: в 10 этапов за период 2-:-4 недели (часов пучкового времени), в зависимости от поведения камер. Система контроля, основанная на микропроцессоре установленного в корпус электронного блока, который осуществлял управление напряжениями камеры, была оптимизирована. Эта система непрерывно отслеживала напряжение на ГЭУ, токи дрейфового электрода и катодов. Когда появлялись пробои, напряжение уменьшалось, что позволяло избегать последовательных разрядов. После небольшого перерыва напряжение автоматически поднималось снова. Таким образом, осуществлялось непрерывное управление и слежение за всеми камерами системы. На камерах, которые были подвергнуты предварительной тренировке, проблем с пробоями было существенно меньше.

Несмотря на трудности, возникшие в начале набора данных, можно утверждать, что в период набора данных 2000 г. система внутреннего трекера HERA-B в целом проработала успешно и показала надежность в работе с радиационным излучением, содержащим сильно ионизирующие частицы (более 1000 часов на камеру). Было установлено, что за год работы в условиях эксперимента внутренний трекер HERA-B в результате неизбежных пробоев будет терять не более 1% каналов, что камеры требуют тщательной и осторожной высоковольтной тренировки, заключающейся в постепенном увеличении рабочего напряжения на катодах МСГК и ГЭУ, газовое усиление камер сильно различается, а триггерного сигнала нет из-за сильного шума ( 5000 e-).

В период большой остановки эксперимента в 2001 г. все модули были извлечены и перевезены в тестовую зону DESY для работ по модернизации и ремонту. Основная цель этих работ состояла в замене вышедших из строя камер на новые.

Как отмечалось выше, одной из проблем в работе ITR был довольно высокий уровень шумов. Поэтому было принято решение произвести сборку модулей по новой схеме заземления, с улучшенной экранировкой камер от высокочастотных радиопомех.

Все работы по модернизации были проведены в соответствии с намеченным графиком, и все модули ITR были вновь установлены в спектрометр HERA-B в конце 2001 г.

После работ по улучшению экранировки МСГК-ГЭУ детекторы показали удовлетворительные шумовые характеристики со средним значением уровня шума 2500 е_ (что хорошо согласуется с расчетным значением, полученным по известным значениям емкости стрипа и входного сопротивления усилителя). При пороге 5000 электронов, который в два раза выше среднего уровня шума, средняя величина множественности составила 2.6 (достаточно большое значение множественности вызвано большой величиной поперечной диффузии электронов в газовой смеси Ar-CO2). Пространственное разрешение детекторов было лучше 110 мкм.

На основе полученного опыта работы с детекторами МСГК-ГЭУ внутреннего трекера HERA-B был сделан вывод, что в экспериментах по физике высоких энергий с использованием интенсивных пучков и в жестких радиационных условиях применение МСГК возможно, но проблематично.

Cозданная на основе МСГК-ГЭУ система внутреннего трекера HERA-B оказалась достаточно хрупкой, дорогой и требующей сложного управления высоковольтным питанием. В то же время весьма перспективным представляется использование микроструктурного детектора ГЭУ, который появился в процессе создания детекторов для внутреннего трекера эксперимента HERA-B. В настоящий момент детекторы с тремя ступенями газового усиления на основе ГЭУ размером 31х31 см2 успешно работают в эксперименте COMPASS (CERN).

В шестой главе описаны работы по исследованию детектирующих свойств первых российских CVD алмазов и возможности их использования для регистрации синхротронного излучения и в экспериментах по физике высоких энергий.

В современных экспериментах на ускорителях наряду с газовыми детекторами широко применяются и твердотельные детекторы, которые используются в первую очередь как вершинные детекторы для прецизионной реконструкции точки взаимодействия по трекам зарегистрированных частиц.

В настоящее время для создания вершинных детекторов используются микростриповые или пиксельные кремниевые детекторы, однако их использование становится проблематичным при длительной работе эксперимента, когда радиационные условия становятся выше радиационного допуска стандартной кремниевой технологии (> 1015 частиц на см2). Этим обстоятельством вызван в последнее время интерес к таким полупроводниковым материалам как GaAs и алмаз.

Первые алмазные детекторы ядерных частиц были протестированы в 1940-х годах, но поскольку разброс детектирующих свойств алмаза от образца к образцу сильно менялся, а размер натуральных алмазов мал, то их использование в этих целях оказалось затруднительным, и вскоре алмаз был вытеснен более доступным и дешевым кремнием. Появление алмазных поликристаллических пленок толщиной до 1 мм, выращенных посредством CVD (chemical vapour deposition) процесса, вызвало бурный интерес к исследованиям детекторов, изготовленных из этого материала. Пластина поликристаллического CVD алмаза, которую можно было бы использовать в качестве детектора, может достигать в поперечнике 8 дюймов, и цена такой пластины вполне доступна.

В работах, которые появились в начале 90-х годов, были описаны два типа детекторов заряженных частиц (diamond-tungsten sampling calorimeter и diamond microstrip detector), которые были изготовлены из высококачественных синтетических CVD алмазов, и которые успешно работали на электронном пучке с энергией 0.5 -5 ГэВ. Энергетическое разрешение алмазного калориметра оказалось таким же, как и у идентичного по конструкции калориметра из кремния, что подтвердило возможность использования CVD алмаза в качестве материала для детектора заряженных частиц, а полученное первым алмазным микростриповым детектором позиционное разрешение 25 мкм при отношении сигнал-шум 6:рассматривалось как возможность создания детекторов из CVD алмазов для трекинга.

Рис16. Конструкция детектора из CVD алмаза На рис. 16 показана базовая конструкция и принцип работы детектора из CVD алмаза. К электродам, напыленным на алмазную пленку толщиной в несколько сотен микрон, приложено напряжение в несколько сотен вольт.

Качество детектирующих свойств алмаза характеризуется величиной его длины собирания заряда (CCD - сharge collection distance) d, которая определяется как среднее расстояние между дрейфующими порознь носителями заряда до их рекомбинации.

Измерения по определению длины собирания первых российских образцов CVD алмазов проводились в Отделении ядерной физики и астрофизики Физического института им. П.Н. Лебедева и в Институте физики плазмы (Варшава, Польша). Поликристаллические алмазные пластины толщиной около 250 мкм выращивались в Институте Общей Физики РАН.

Как уже отмечалось, пленки CVD алмаза имеют поликристаллическую структуру, в которой зерна растут в виде колонн нормально к плоскости подложки, как показано на рис.17. Поперечный размер зерен, видимый на ростовой поверхности, увеличивался пропорционально толщине пленки, и для тестовых образцов составлял около 60 мкм. Образцы были достаточно прозрачными, однако рассеивали свет из-за сильной шероховатости поверхности, обусловленной естественной огранкой отдельных кристаллитов.

Рис. 17. Поликристаллическая структура CVD алмаза Спектры комбинационного рассеяния света в образцах показали отсутствие каких-либо не алмазных углеродных фаз типа аморфного углерода или графита. Параметры двух образцов, которые были выбраны для измерения детектирующих свойств, приведены в табл.1.

Таблица 1. Свойства алмазных пластин: t- толщина пластины, td - время осаждения, D - средний размер зерна на ростовой поверхности, - удельное сопротивление, - ширина алмазного пика на частоте 1332 см-1 в спектре КР Образец t, мкм Td, час D, мкм, Омсм, см -О-4 200 70 2,0*10 13 3,0 СВ2 245 53 2,4*10 11 3,4 В ФИАНе при работе с радиоактивным источником Sr90, который испускает электроны с максимальной энергией 2,28 Мэв, и приложенном к электродам напряжении U от 0 до 900 В включительно, что соответствует напряженности поля 36 кВ/см, нам не удалось получить отклик с исследуемых образцов. Собственный уровень шумов (FWHM) электроники совместно с исследуемыми образцами CVD алмазов составлял при этом около 1500 е. Проводя моделирование потерь энергии быстрых электронов ( = 4) в тонких слоях алмаза (плотность 3.5 г/см3), можно было утверждать, что длина собирания исследуемых образцов существенно меньше 40 мкм.

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |






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