ФИАН, группа Лаборатории Элементарных Частиц.

  • Руководитель – А.Шмелева,
  • ответственные исполнители:
    • по hardware – С.Муравьев,
    • по software – В.Тихомиров и И.Гавриленко.
   Эта группа (7 физиков) вместе с группой проф, Б.Долгошеина из МИФИ начала сотрудничество с ЦЕРН в 1978 г. 
  Для эксперимента R-808 на ускорителе JSR нами был сделан g-спектрометр на кристаллах NaI, а для эксперимента HELIOS на ускорителе SPS – детектор 
переходного излучения.
  В 1989 г. группа МИФИ-ФИАН предложила оригинальную концепцию трекового детектора переходного излучения для эксперимента на будущем коллайдере LHC. 
  В 1991 г. нашей группе совместно с другими российскими (ОИЯИ, МГУ, ПИЯФ), а также европейскими и американскими институтами, было доверено 
создание одного из субдетекторов для эксперимента АТЛАС на LHC – трекера переходного излучения 
(TRT).
  Развернулась исследовательская по созданию детектора.  TRT является одним из трех детекторов Внутреннего Детектора(Inner Detector) установки АТЛАС.
  Внутренний Детектор располагается в цилиндре длиной 7 м и радиусом 1.15 м вокруг точки пересечения пучков. Детектор помещен в соленоидальное магнитное поле 2 Т и состоит из трех частей: 
  • центральной (баррель) длиной 160 см
  • и двух торцевых (end-cap) длиной по 2.7 м.
Начиная от оси пучков располагаются:
  • пиксельный полупроводниковый детектор на расстоянии от 4 до 22 см. Он дает по три пространственные точки на треках частиц.
  • Далее по радиусу до 56 см располагается стриповый полупроводниковый детектор (SCT), который дает четыре точки на трек.
  • Далее от 60 см до 1 м по радиусу располагается TRT, дающий в среднем 36 точек измерения на треке.
Таким образом, TRT существенно улучшает импульсное разрешение и пространственное распознавание треков во Внутреннем Детекторе.
   В качестве регистрирующих элементов в TRT
применяются тонкостенные цилиндрические газовые 
пропорциональные камеры (straw).
Диаметр камер – 4 мм, анодная нить имеет 
толщину 30 мкм. 
  Газовая смесь Xe(70%) CO2(27%) O2(3%) 
обеспечивается циркуляционной газовой системой. 
Использование ксенона облегчает регистрацию 
фотонов переходного излучения, образующихся
при прохождении заряженных частиц через 
полипропиленовые радиаторы, расположенные между 
слоями straw. 
  Баррельная часть TRT содержит 50000 straw, 
располагающихся в виде концентрических цилиндров 
вокруг оси пучка. Две торцевые части TRT содержат
по 160000 радиально ориентированных straw со 
считыванием сигнала по наружному радиусу.
  Торцевые straw имеют длину 50 см и расположены 
в виде колес, перпендикулярных оси пучка.
Straw закрепляются между внутренними и внешними
кольцами из композитного материала.
  Отверстия для крепления straw изготовлены с допуском 20 мкм. Такая точность должна поддерживаться
в течение 10 лет эксплуатации LHC при исключительно высоких дозах облучения.
Число частиц на расстоянии одного
метра от точки пересечения пучков 
составляет: 
  заряженных ~105 частиц/см2/сек
  гамма-квантов ~106 частиц/см2/сек
  нейтронов ~106 частиц/см2/сек
Скорость счета на одну straw камеру
TRT составляет до 20 МГц.
  Полное число каналов электроники
для съема информации с TRT
составляет 420 000.
  Каждый канал позволяет измерять 
время дрейфа следа зараженной 
частицы к аноду, что обеспечивает 
координатную точность
150 мкм на straw. 
Существуют два независимых 
настраиваемых порога по амплитуде
сигнала со straw, что позволяет
отделять сигнал заряженной частицы
от сигнала переходного излучения.
  Главная роль TRT в АТЛАС – это идентификация частиц (выделение электронов от адронов) и трекинг 
в магнитном поле 2 Т. Сигнал от электрона, который дает переходное излучение, превышает второй, более
высокий, порог дискриминации. 
   Начиная с 1991 года, различные прототипы TRT детектора испытывались в пучках электронов 
и пионов при энергиях 20-200 ГэВ на ускорителе SPS в ЦЕРН.
Проводились детальные исследования координатных и идентификационных возможностей
детектора.
Результаты, полученные с помощью этих 
прототипов:
  1. Используя информацию о наличии переходного излучения, был измерен фактор режекции пионов от электронов. Он составил ~100 при эффективности регистрации электронов 90%
  2. Стало ясно, что для успешного распознавания треков частиц требуется большое число точек на треке, т.е. большое число straw, пересекаемых траекторией частицы (і36 точек).
  3. Измерена пространственная точность определения координаты походящей частицы относительно анодной нити straw – 150 мкм.
Существенную роль в обработке результатов этих тестовых измерений сыграл В.Тихомиров (ФИАН). В 1994 году был построен инженерный прототип TRT. Он представлял собой полномасштабный сектор торцевого колеса с 9600 straw, распределенными по 16 плоскостям. Работа с этим прототипом дала опыт сборки, сведения о механической точности и стабильности, обеспечении высоковольтным питанием, о газовой циркуляционной системе и др. Была разработана методика укрепления жесткости straw.
  Внутренние и внешние кольца, в которых крепятся радиальные straw, изготавливались российской
промышленностью (Пермский завод). Квалификационные испытания под механической нагрузкой показали
исключительно хорошее качество. Производство полного количества колец (почти полмиллиона отверстий!)
заняло четыре года. Финансовая поддержка этого заказа была обеспечена Международным
Научно-Техническим Центром (МНТЦ). Массовое производство straw и сборка TRT колес началась в 2001 г.
в ОИЯИ (Дубна) и ПИЯФ (Гатчина). Собранные колеса транспортировались в ЦЕРН. Последнее колесо было
привезено в феврале 2006 года. Все это время в ЦЕРН производились приемочные измерения с помощью
специально созданной тестовой установки.
Основные тесты: 
  • на прямолинейность straw,
  • на степень натяжения анодной нити,
  • на герметичность по газу (отсутствие утечек),
  • на стабильность высоковольтного питания.
Целью этих измерений была сертификация каждого модуля TRT до того, как он будет интегрирован в структуру торцевых частей Внутреннего Детектора. Все измерения вносились в базу данных и доступны через Интернет. В базе данных находится паспорт каждого колеса со всеми данными о нем. Эта работа продолжалась 5 лет. Одним из ответственных исполнителей за нее был С.Муравьев (ФИАН). Фаза интеграции TRT с Пиксельным и Стриповым детекторами во Внутренний Детектор происходит в настоящее время. Размещение отдельных частей АТЛАС детектора в подземную шахту LHC было начато в конце 2005 года. Проектный график указывает на то, что полностью АТЛАС детектор должен быть готов к началу работы в пучках ускорителя LHC к концу 2007 года. Последние 15 лет проводилась работа по компьютерному моделированию физических процессов в АТЛАС детекторе. И.Гавриленко (ФИАН) разработал пакет программ для Внутреннего Детектора АТЛАС, который описывает глобальное распознавание картины события и восстановление треков – "xKalman program". Программа позволяет производить реконструкцию треков как отдельно для Пиксельного, Стрипового и TRT детекторов, так и комбинированных треков Внутреннего Детектора. В 2003 году программа была адаптирована для новой объектно-ориентированной модели программного обеспечения АТЛАС. Алгоритм реконструкции треков в TRT будет также использоваться для выработки триггера второго уровня.

Ссылки на опубликованные работы:

  1. T. Akesson, et al., Straw tube drift-time properties and electronics parameters for the ATLAS TRT detector. Nucl.Instrum.Meth.A449:446-460,2000.
  2. T. Akesson, et al., Particle identification using the time-over-threshold method in the ATLAS Transition Radiation Tracker. Nucl.Instrum.Meth.A474:172-187,2001.
  3. T.Akesson, et al. Aging studies for the ATLAS Transition Radiation Tracker (TRT). Nucl.Instrum.Meth.A515:166-179,2003.
  4. T. Akesson, et al., Tracking performance of the transition radiation tracker prototype for the ATLAS experiment. Nucl.Instrum.Meth.A485:298-310,2002.
  5. T.Akesson, et al. An X-ray scanner for wire chambers. Nucl.Instrum.Meth.A507:622-635,2003.
  6. T.Akesson, et al. Operation of the ATLAS transition radiation tracker under very high irradiation at the CERN LHC. Nucl.Instrum.Meth.A522:25-32,2004.
  7. T.Akesson, et al. ATLAS transition radiation tracker test-beam results. Nucl.Instrum.Meth.A522:50-55,2004.
  8. T.Akesson, et al. Status of design and construction of the transition radiation tracker (TRT) for the ATLAS experiment at the LHC. Nucl.Instrum.Meth.A522:131-145,2004.
  9. M.Capeans, et al. Recent aging studies for the ATLAS transition radiation tracker. IEEE Trans.Nucl.Sci.51:960-967,2004.
  10. T.Akesson, et al. Acceptance tests and Criteria of the ATLAS TRT. IEEE Trans.Nucl.Sci.52:2911,2005.