Газовые Резистивные Плоско-Параллельные камеры для идентификации частиц методом времени пролета – Приборы и методы экспериментальной физики Научный руководитель: доктор физико-математических наук Киселев Юрий Тимофеевич Александр Акиндинов Лаб.212, ИТЭФ, Москва

Чем вызван интерес к разработке газовых детекторов для TOF систем идентификации частиц Создание TOF систем идентификации частиц с площадью более 100 м 2 ALICE, CBM, STAR и т.д. (нереализуемо с точки зрения цены на основе сцинтилляторов). Детектор должен быть нечувствительным к сильному магнитному полю до 1 Т (трудно реализуемо на ФЭУ). Появление нового класса высокоинтегрированной высокочастотной электроники с низким уровнем шума. Получение сигналов о возможном фазовом переходе ядерного вещества в новое состояние – кварк-глюонную плазму. Исследование динамики развития системы после ядеро-ядерного столкновения, эволюции температуры и плотности. Изучение изменений фундаментальных свойств элементарных частиц при высоких температурах и плотностях. Новые установки: ALICE, STAR, PHENIX, CBM Основной диапазон систем идентификации: 100 МэВ/с до 3 ГэВ/с

18 x 20° TRD TPC ITS TOF 18 x 20° TRD TPC ITS TOF от 0.5 до 2.5 ГэВ/с на базе в 3.8 метра σ< 100 псек. Общая площадь системы более 140 м 2 общее число каналов (гранулярность 4х4 см) ALICE

Основные цели диссертационной работы Первой целью работы являлось получение высокого временного разрешения (σ < 100 псек.) в камерах с плоско-параллельной геометрией, работающих в режиме насыщенной лавины. Для этого было изучено влияние на временные характеристики конструкции камеры, материала электродов, величины и количества зазоров, состава газовой смеси. Второй целью исследования было повышение загрузочной способности и радиационной стойкости РППК путем использования различных низкорезистивных материалов. Третья цель работы – поиск оптимальных способов интеграции РППК в большие модули и измерение характеристик больших время пролетных систем.

Режимы работы газового ППК детектора 1.Ионизационный режим 2.Пропорциональный режим 3.Режим насыщенной лавины 4.Гейгеровский режим 5.Искровой пробой Дрейф носителей без усиления. Лавинное усиление первичных носителей вплоть до Сигнал пропорционален первичной ионизации. Усиление до 5 * 10 7 в присутствии поля объемного заряда сравнимого с внешним. Потеря пропорциональности между первичной ионизацией и зарядом Q = C * | U-U br |. Усиление до 5*10 8. Возникновение полностью ионизованного столба плазмы c бесконечной проводимостью. Полный разряд емкости детектора Q = C det * U.

Почему плоская геометрия ? Сигнал – сумма отдельных лавин Дрейф до зоны усиления в слабом поле. Сигнал – слившаяся лавина. Высокая скорость дрейфа во всем объеме.

Основные костанты развития лавины 1.λ - Плотность первичных кластеров 2.N 0 - Количество электронов в кластере 3. - Коэффициент ударной ионизации 4. η- Коэффициент прилипания 5.v dr - Скорость дрейфа 6.d - Ширина зазора

Индуцируемый заряд Теорема Рамо Для узких зазоров и сильных полей λ*d < 4 λ

Только часть зазора дает детектируемый сигнал Порог дискриминатора k= – это приводит к улучшению временной привязки и потере эффективности cathode anode Зона, где кластер даст регистрируемый сигнал

Временное разрешение Из приведенных выше предположений можно получить упрощенную формулу временного разрешения для узкозазорных Плоско-Параллельных Камер: Возможно получить

Оценка λ λ > 15 мм -1 DME, C 2 H 2 F 4, iso-C 4 H 10 ??? Увеличение числа зазоров Решение проблемы эффективности для узких зазоров Улучшение формы амплитудного спектра 1/Q спектр с максимумом оторванным от пьедестала Улучшение временной привязки из-за усреднения точки образования первого от катода кластера

Двузазорная ППК

Как улучшить разрешение? E (α-η)*d20 искра

Локальное гашение разряда РППК ДРППК

Методика измерений Т10 или 223 σs1= 30 псек. (ЦЕРН) 50 псек. (ИТЭФ) Смесь 90%C 2 H 2 F 4 + 5% iso-C 4 H % SF 6 Джиттер электроники σ< 15 псек

Влияние параметров камеры на временное разрешение и эффективность (1) От 4 до 6 зазоров каждой половине камеры Величина зазора от 200 до 300 микрон «Гибридная камера» – один зазор в каждой половине изменен для проверки влияния точности сборки

Влияние параметров камеры на временное разрешение и эффективность (2) Высокая эффективность и плато во временном разрешении: 6 зазоров с величиной зазора 230 – 260 микрон

Влияние параметров камеры на временное разрешение и эффективность (3) Решение TOF ALICE: величина зазора 250 микрон, но число зазоров в каждой половине увеличить до 5

Влияние параметров камеры на временное разрешение и эффективность (4) Оптимальный процент SF 6 : 5-7% Исключение iso-C 4 H 10 не приводит к изменению разрешения при небольшом росте напряжения

Радиационная стойкость и загрузочная способность После облучения дозой равной 10 годам работы не произошло существенных изменений параметров камеры Падение эффективности с 700 Гц/см 2 Загрузка в ALICE 50 Гц/см 2

CBM – Эксперимент с фиксированной мишенью Область где детектор на коммерческом полупроводящем (ρ= Ом*см) стекле не реализуем 1.Слои поверхностно резистивностью 2.Экспериментальное стекло с ρ= Ом*см

ДРППК со слоем SiC Слой с сопротивлением ρ= Ом/ Возможность независимого варьирования как R так и C 4 зазора (300 микрон) ρ= Ом/

Сравнение загрузочных способностей ДРППК И РППК на коммерческом стекле Разрешение менее 100 псек. при загрузках более 5 кГ/см2 РППК ДРППК

Разделение частиц при загрузке 5 кГц/см 2 P= 1.3 ГэВ/с База 3.8 метра K/π = 0.1 >5 кГц/см 2 Эффективность К – 97% Примесь π менее 1 %

Загрузочная характеристика камеры на экспериментальном фосфатном стекле ρ= Ом*см Нет электронной проводимости Не производится массово Спектр имеет не гауссовы хвосты

Large matrix design Various sizes with various materials tested Avalanche in MRPC induces charge footprint on pick-up pads Carbon layer for H.V. Два подхода к организации модульной системы

Результаты теста 32-х канального модуля

130 mm active area 70 mm M5 nylon screw to hold fishing-line spacer honeycomb panel (10 mm thick) external glass plates 0.55 mm thick internal glass plates (0.4 mm thick) connection to bring cathode signal to central read-out PCB Honeycomb panel (10 mm thick) PCB with cathode pickup pads 5 gas gaps of 250 micron PCB with anode pickup pads Silicon sealing compound PCB with cathode pickup pads Flat cable connector Differential signal sent from strip to interface card Mylar film (250 micron thick) Вариант модуля на сплошных электродах (1)

Вариант модуля на сплошных электродах (2)

Результаты тестов модуля на сплошных электродах (1)

Сканирование между центрами падов Результаты тестов модуля на сплошных электродах (2) Сканирование с шагом 2 мм Влияние краевых эффектов: На эффективность – мало На разрешение – мало Но «cross-talk» - 16% для соседних ячеек

Решение коллаборации ALICE Принять к реализации вариант системы с модулями на сплошных электродах Считать уровень «cross-talks» допустимым для алгоритма идентификации из-за снижения оценок по множественности

Массовая сборка и тесты модулей на сплошных электродах Собрано 1680 модулей Проверка величины зазораПроверка токов утечек

Окончательный вид детектора TOF ALICE

Scintillator Trigger MODULE TI4 MODULE TC2 MODULE TI3 MODULE TE3 MODULE TE4 Scintillator Trigger Тестирование модулей, сборка супермодулей и установка в детектор ALICE

Результаты работы Проведена работа по оптимизации конструкции камеры, числа зазоров и газовой смеси. Результаты измерений дали возможность выбрать конструкцию с наилучшими параметрами: 6-10 зазоров с размером микрон, газовая смесь 93% C 2 H 2 F % SF 6. Данные камеры имеют эффективность регистрации более 98% и временное разрешение на уровне 50 псек. Для улучшения загрузочной способности РППК была разработана камера на основе керамических электродов с напылённым низкорезистивным слоем SiC. Данная камера позволяет получать временное разрешение лучше 100 пс. при загрузках до 5 кГц/см 2. Изучены системные аспекты интеграции РППК в большие время пролетные системы. Разработаны и испытаны два типа организации модулей: в виде отдельных ячеек и на основе сплошных стекол. Оба типа модулей имеют высокое временное разрешение (меньше 100 пс). Первый тип имеет низкий уровень перекрестных наводок (меньше 1%), а второй при более высоком уровне (до 16%) более прост при сборке. На основе второго варианта построена времяпролетная система детектора ALICE, находящаяся в стадии установки и запуска.