ATLAS TRT (трековый детектор переходного излучения в эксперименте ATLAS)

Коллаборация ATLAS TRT включает в себя 18 университетов и научных центров.

Страны-участницы коллаборации: Франция, Швейцария, Дания, Германия, Канада, Польша, Россия, США, Турция, Швеция.

Руководитель проекта ATLAS TRT : проф. А.С. Романюк.

ATLAS TRT (Transition Radiation Tracker) – 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 нашего института. Многие разработки нашли применение в других международных экспериментах в области физики высоких энергий и астрофизики, где наши сотрудники принимали активное участие: детектор переходного излучения для эксперимента HERA-B (DESY), детектор переходного излучения для эксперимента TRT AMS (Международная Космическая Станция), передний трековый детектор для эксперимента ZEUS (DESY) и других.

Переходное излучение было открыто в 50-е годы ХХ столетия отечественными учёными, впоследствии академиками, В.Л. Гинзбургом (лауреат Нобелевский премии 2003 года) и И.М. Франком, а его теория в применении к детекторам частиц была развита сотрудником Ереванского физического института Г.М. Гарибяном. В рентгеновской области зависимость интенсивности переходного излучения от гамма-фактора частиц имеет пороговый характер, что позволяет идентифицировать их по массе (чаще всего отличить электроны от других частиц).

Пионерские работы по разработке детекторов переходного излучения, начатые в МИФИ под руководством проф. Б.А. Долгошеина в начале 70-х годов прошлого столетия, заложили основы их использования в областях физики высоких энергий и космофизики.

В 1989 году группа МИФИ предложила оригинальную концепцию трекового детектора переходного излучения для экспериментов на будущих коллайдерах SSC и LHC. На основе этого предложения в 1990 году была создана международная коллаборация RD6, которую до 1994 года возглавлял Б.А. Долгошеин. В 1994 году проект TRT победил в жёсткой конкурентной борьбе с другими предложениями и был включён в состав эксперимента ATLAS.

TRT это уникальный прибор, поскольку работает в беспрецедентных для газовых детекторов условиях. Каждую секунду на БАК рождается 10 миллиардов частиц, то есть в сотни раз больше, чем в любых других предшествующих экспериментах. При этом все частицы должны быть зарегистрированы и идентифицированы по «сортам», а их треки необходимо восстанавливать с точностью от 10 до 100 микрон (в зависимости от расстояния до точки пересечения пучков). Такие условия накладывают суровые требования к быстродействию, координатной точности и надёжности детекторов. Нужно сказать, что прибор должен работать без ухудшения характеристик в условиях экстремально высоких радиационных полей излучений (на грани устойчивости лучших материалов) более 15 лет при отсутствии доступа к нему. Кроме того, TRT работает в условиях газового разряда в сильных электрических полях. За всё время эксплуатации трубка должна зарегистрировать 10¹⁵ частиц при полном интегральном заряде 1000 Кулон, что превращает детектор в своего рода «плазменный реактор». Отсюда становится понятна беспрецедентная для газовых детекторов сложность задачи по его разработке, созданию и эксплуатации.

Рис. 1. Пропорциональные дрейфовые трубки ATLAS TRT

Основой TRT является газовая дрейфовая трубка диаметром 4 мм (всего их в TRT приблизительно 300000), а длина может меняться от 40 до 150 см в зависимости от её местоположения. Уникальная технология изготовления этих трубок на основе многослойной полиимидной плёнки была разработана в МИФИ совместно с НПО «Пластик» (Москва).

Рис. 2. Принцип работы TRT

Рис. 3. Треки пионов и электронов в TRT

Трубка сваривается путём наложения двух плёнок толщиной по 32 микрона. Каждая плёнка состоит из четырёх слоёв: углерод - полиимидная смесь (4 микрона), алюминий (800 Å), полиимид (25 микрон) и полиуретан (3 микрона). Последний слой служит для соединения двух плёнок путём плавления при 200°С. Трубка заполнена газовой смесью на основе ксенона (Xe/CO₂/O₂), а в её центре натянута тонкая проволока (диаметром 30 микрон), которая является анодом. Сложная структура плёнки для стенки-катода и состав рабочего газа обеспечивают способность трубок работать в условиях экстремально высоких радиационных нагрузок без ухудшения характеристик – т.н. «старения» – при интегральных дозах облучения заряженными частицами до 50 Мрад и нейтронами до 3*10¹⁴ см^-2. Кроме этого, трубка устойчива к электрохимическим процессам, происходящим внутри газа и способна выдержать нагрузку, соответствующую полному собранному линейному заряду более 20 Кулон/см (более 20 лет работы БАК).

В TRT промежуток между трубками заполнен радиатором переходного излучения (либо слоями полипропиленовой плёнки либо полипропиленовым волокном). Принцип работы детектора заключается в следующем. Частица, проходя через трубку, ионизирует газ, и образовавшиеся электроны движутся к аноду. Фотоны переходного излучения регистрируются дрейфовыми трубками наряду с сигналами от ионизационных потерь. Возникающий сигнал регистрируется и определяется время его прихода с точностью около 1 нс, что соответствует координатной точности около 100 микрон. Кроме этого, регистрируются сигналы с амплитудой выше порога, который соответствует переходному излучению.

В TRT каждая частица пересекает в среднем 36 трубок, таким образом имеется 36 измерений положения треков, что существенно улучшает импульсное разрешение и пространственную реконструкцию событий во внутреннем детекторе эксперимента ATLAS. На рис. 3 трубки, в которых амплитуда сигнала превысила высокий порог, отмечены красным. Число трубок на треке частицы со сработавшим высоким порогом позволяет отличить электроны от других частиц.

В рамках проекта RD6 группа МИФИ внесла решающий вклад в разработку базовой концепции TRT, в разработку новых технологий пропорциональных камер и радиаторов переходного излучения. Также были проведены исследования газов и процессов в них, исследованы процессы старения детектора в высоких радиационных полях. За этот период времени в МИФИ с участием сотрудников ФИАН и ОИЯИ были разработаны и созданы прототипы будущих частей TRT, которые были всесторонне изучены на пучках частиц.

Рис 4. Прототип торцевой части TRT (1994)

Рис 5. Прототип центральной части TRT (1992)

МИФИ координировал все исследования коллаборации TRT на пучках частиц и анализ данных, полученных в этих тестах. Он был ведущим в разработке программ моделирования детекторов переходного излучения, а также координировал работу российских институтов (МИФИ, ПИЯФ, ФИАН) по разработке программного инструмента нового типа для мониторинга работы ТRT (TRTViewer). Эта программа в настоящее время является базовой для быстрой диагностики и визуализации данных с детектора, имеющего 350 000 рабочих каналов. В МИФИ были разработаны уникальные, не имеющие аналогов, высоковольтные предохранители, которые являются критическим элементом, обеспечивающим безопасную и эффективную работу детектора в условиях отсутствия доступа. Сотрудники МИФИ также принимали активное участие в разработке высоковольтной и газовой систем.

Рис 6. Торцевая (End-Cap) часть внутреннего детектора эксперимента ATLAS

Рис 7. Центральная (Barrel) часть внутреннего детектора эксперимента ATLAS

Как уже говорилось, ТRT является составной частью внутреннего детектора эксперимента ATLAS, схематическое устройство которого показано на рис. 6 и 7. Внутренний детектор размещён внутри герметичного цилиндра, образованного жидко-аргоновым электромагнитным калориметром, симметричного относительно центра пересечения пучков и занимает область ±3,512 метров вдоль пучка и 1,150 метров в радиальном направлении. Он содержит три различных дополняющих друг друга типа детекторов. Внутреннюю часть, наиболее близкую к оси столкновений, занимают прецизионные пиксельные и микростриповые кремниевые детекторы. В центральной части (барреле) они размещаются на цилиндрах с осями вдоль направления пучка, в торцевых частях смонтированы на дисках, плоскости которых перпендикулярны пучку. Пиксели и микростриповые кремниевые детекторы составляют дискретную трековую систему внутреннего детектора, тогда как ТRT представляет собой «непрерывную» трековую систему благодаря большому числу индивидуальных измерений. TRT конструктивно состоит из трёх частей: центральной цилиндрической (barrel) и двух торцевых (end-cap). Баррельная часть TRT содержит 52544 трубки длиной около 150 см, ориентированных вдоль оси пучков и располагающихся на расстоянии от 56 до 107 см вокруг оси пучков. Анодная нить этих камер в середине разделена изолятором, и сигнал снимается с обеих концов трубки.

Каждая из торцевых частей имеет 122000 трубок длиной 37 см каждая, которые расположены радиально в пространстве между радиусами R от 644 мм до 1004 мм. Собственное координатное разрешение трубки составляет около 100 мкм. Полное количество каналов считывания сигналов детектора составляет 351000.

Сборка ТRТ осуществлялась в трёх университетах Америки и в России (в ПИЯФ и ОИЯИ). Сотрудники МИФИ координировали работу коллаборации по приёмке частей детектора, системному тестированию после окончательной сборки в ЦЕРН, интеграции с другими трековыми детекторами, установке детектора в эксперимент ATLAS, а также работы по запуску и эксплуатации детектора.

В настоящее время основные работы группы МИФИ по проекту TRT связаны с обеспечением его успешной работы в будущих сеансах набора статистики Run 2 (2015-2018 годы) и Run 3 (2019-2022 годы). Работа сложная и имеет крайне высокий приоритет для всего эксперимента ATLAS, поскольку при всё возрастающей мощности БАК требования, предъявляемые к TRT, выходят за пределы расчётных. Цель работы - обеспечение 100%-ой эффективности набора данных и их высокого качества вплоть до 2023 года. Это требует больших усилий со стороны всей коллаборации TRT.

Группа МИФИ работает в следующих направлениях:

1. Руководство проектом и координация работ коллаборации в различных областях деятельности.

2. Исследование процессов в газах при высоких дозах облучения и их влияние на рабочие характеристики TRT.

3. Оптимизация рабочих характеристик детектора и исследование возможностей его работы с газовыми смесями на основе аргона.

4. Исследование характеристик TRT в условиях больших нагрузок в p-p, p-Pb и Pb-Pb столкновениях (трековые свойства и идентификация электронов).

5. Оптимизация работы электроники при частоте триггеров до 100 кГц.

6. Поддержание работоспособности и модернизация программы мониторирования TRTViewer.

7. Поддержка и развитие баз данных параметров TRT и ATLAS в целом.

УЧАСТИЕ КАФЕДРЫ В ОБНОВЛЕНИИ КОМПОНЕНТОВ ATLAS ЭКСПЕРИМЕНТА