Модернизация систем Большого адронного коллайдера в предверии запуска

Об  устройстве мира люди задумываются ещё с древних времён. Попытки приоткрыть завесу тайн Вселенной предпринимались с самого момента появления физики как науки. С её развитием расширялась и картина мира, появлялись новые и новые разделы физики - как, к примеру, физика элементарных частиц, которая открыла совершенно новую страницу в развитии человеческого познания.

В 21 веке весь мир говорит о, наверное, самом масштабном эксперименте за всю историю человечества  - Большом адронном коллайдере (ускорителе на встречных пучках элементарных частиц). Эксперимент этот проводится в Европейском центре ядерных исследований (CERN) на границе Швейцарии и Франции. Сейчас производится модернизация систем ускорителя, что позволит начать новый этап в изучении строения материи. Увеличится энергия протонных пучков с 8 до 13 ТэВ, выходная светимость (количество собранное полезной информации) также возрастет. Все изменения позволят развить существующие физические анализы, такие как изучения бозона Хиггса, так и предпринять новые шаги в неизвестность. Уже  в 2010 году было собрано около 25 петабайт информации, что превышало весь  т.н. «Архив Интернета» (10 петабайт). После модернизации эти цифры вырастут в разы. Чтобы подготовить детекторы и все системы к работе в столь жестких условиях ускоритель был остановлен более чем на год.

Сотрудники кафедры элементарных частиц сейчас работают над усовершенствованием нескольких таких систем для эксперимента в ATLAS : детектора переходного излучения (Transition Radiation Tracker) и системы тестирования мюонного спектрометра ATLAS . Мы попросили рассказать о работе по модернизации в CERN «своих людей»: Константина Воробьёва, Петра Тетерина и Константина Филиппова - чтобы узнать обо всем из первых рук.

Константин Воробьев.  Лаборатория по тестированию детекторов. Женева. CERN.

Константин Воробьёв (инженер каф. № 40) поделился подробностями модернизации. ATLAS TRT– трековый детектор переходного излучения, который является частью внутреннего детектора ATLAS  и предназначен для регистрации треков (следов) частиц, измерения их импульсов и их идентификации на основе явления переходного излучения, возникающего при пересечения релятивистской частицей границы сред с различными диэлектрическими проницаемостями. Детектор TRT не имеет аналогов в мире и является детищем сотрудников НИЯУ МИФИ. TRT это уникальный прибор, поскольку работает в беспрецедентных для подобных детекторов условиях. Каждую секунду на БАК рождается 10 миллиардов частиц, то есть в сотни раз больше, чем в любых других предшествующих экспериментах. Такие условия накладывают суровые требования к быстродействию, координатной точности и надёжности детекторов.

В качестве рабочего вещества в детекторе используются специальные газовые смеси – именно они подверглись модернизации во время остановки ускорителя. Для разбирающихся в этом вопросе ниже со слов Константина мы приведём несколько деталей о данной модернизации курсивом. Ожидается, что данные исследования и модернизация на их основе позволят детектору сохранить свою производительность в экстремальных условиях, ожидаемых на БАК.

Первоначально в TRT предполагалось использовать смесь Xe+CO₂+CF₄. Однако наличие стеклянного держателя проволоки потребовало удаление CF₄ и замены этой добавки. После этого было принято решение об использовании трёхкомпонентной газовой смеси на основе ксенона: Xe+CO₂+O₂ в процентном соотношении 70%/27%/3% соответственно. Кислородная добавка (О₂) играет крайне важную роль: она обеспечивает стабильность работы детектора. Однако под влиянием больших доз облучения в процессе работы детектора возникает озон, что приводит к разрушению газовых труб, изготовленных из материала PEEK, в местах механических напряжений и приводит к потерям рабочего газа. Это явление наблюдалось в процессе работы TRT в первом сеансе набора данных в 2012 году.  Были проведены работы по изучению образования озона в различных газовых смесях (на основе ксенона, аргона и криптона). Был также изучен отклик электроники при работе с этими газами и проведены моделирования работы детектора с помощью программы Garfield.

Другим немаловажным направлением работ, проводимых сейчас в CERN, является разработка и создание методик для тестирования новых детекторов, которые будут использоваться в следующем сеансе работы ускорителя.  Петр Тетерин (к.ф.-м.н., ведущий инженер) и Константин Филиппов (инженер) каф. №40  рассказали про разрабатываемые методики тестирования нового мюонного спектрометра на эксперименте ATLAS .

Пётр Тетерин. Лаборатория по тестированию детекторов. Женева. CERN.

 

Основными преимуществами нового спектрометра является работа при повышенном радиационном фоне с более высокой пространственной точностью, что является очень важной характеристикой в преддверии повышения энергий и светимости на БАК. Группа НИЯУ МИФИ работает над разработкой систем для тестирования новых детекторов. И снова технические подробности про данный этап модернизации приведены курсивом.

В настоящий момент проводятся исследования отклика камер при облучении рентгеновским излучением, составление карты токов, поиск дефектных областей. Все это в итоге должно быть автоматизировано и объединено в единую установку. В данном случае очень интересен результат тестирования: поиск дефектных «горячих» точек, их классификация, а также общее состояние детектора. С помощью построения подобных карт мы можем видеть как изгибаются стенки камеры, разные конструкционные элементы, насколько аккуратно они были сделаны. Это нужно для работы над технологией изготовления детекторов. Что касается «горячих» точек, то среди них существуют и такие, в которых может возникать самоподдерживающийся разряд - когда мы выключаем облучение, а разряд при высоком напряжении все еще горит. Такие точки необходимо находить. В отличие от других, мы исследуем детектор без считывающей электроники (так удобнее), снимая просто токи утечки при облучении.

Константин Филиппов. Лаборатория по тестированию детекторов. Женева. CERN. 
 

Мы проверяем две методики тестирования детектора: непрерывное сканирование, т.е. движение камеры при включенном рентгеновском излучении или поточечное сканирование, т.е. сканирование каждой точки определенное время. Также, когда появится «сканер» (можно сказать, что это стальная рама с движущейся кареткой, на которой будет установлена рентгеновская трубка) можно будет отрабатывать движение каретки, писать программное обеспечение под неё.

Также наши инженеры занимаются вопросом безопасности: это важно, так как разрабатываемые системы будут использоваться другими институтами, лабораториями, и будет необходимо представить заключение по радиационной безопасности, составить карту, где бы указывались все необходимые подробности.

Пожелаем удачи нашим сотрудникам в дальнейшей работе и будем надеяться на скорейший выход БАК на полную мощность и новые открытия.

Подготовила: Екатерина Козлова, гр. Т6-40.