Проекты XXI века

Об MPD с места событий

Часть 2

Продолжаем начатый в 8-м номере газеты рассказ о том, как устроен многоцелевой детектор MPD для проекта NICA. Сегодня речь пойдет о TPC. Time-Projection-Chamber, или время-проекционная камера, является "сердцем" многоцелевого детектора, главным прибором для регистрации треков заряженных частиц, рожденных в столкновениях тяжелых ионов.

Как рассказал руководитель работ по TPC начальник сектора Сергей Александрович МОВЧАН, реализация проекта находится на стадии производства составляющих компонентов детектора. В сентябре 2019 года детектор должен быть протестирован и помещен в установку MPD. Для реализации проекта задействованы высокотехнологические промышленные предприятия России, а также технологии, развитые в ОИЯИ. Например, на производственном участке, который организовал в ЛФВЭ профессор Ю.В.Заневский, будут изготавливаться пропорциональные камеры для считывания информации с ТРС. Так что в каком-то смысле используются старые, надежные технологии, масштабы применения которых только увеличиваются, а также усовершенствуются некоторые элементы. Подробнее о том, как создается TPC, рассказали сотрудники, отвечающие за определенные этапы.

Руководитель работ по TPC С.А.Мовчан рассказывает о принципе работы время-проекционной камеры.

Время-проекционная камера

Ведущий научный сотрудник Степан Васильевич Разин: "Первая время-проекционная камера была изобретена в середине восьмидесятых годов и создана в Беркли для эксперимента на электрон-позитронном коллайдере в Стэнфорде. В последующие годы ТРС использовались в ряде экспериментов, где исследовались события с небольшой множественностью вторичных частиц. Время-проекционная камера представляет собой объединение дрейфовой и пропорциональной камер - большой цилиндрический дрейфовый объем, заполненный рабочей газовой смесью, в котором с помощью системы электродов вдоль оси цилиндра создается однородное электрическое поле. На торцах цилиндрического объема располагаются пропорциональные камеры. Когда частица проходит через газовый объем, ее закрученный магнитным полем пространственный след, а именно электроны первичной ионизации, дрейфует к торцам цилиндра, сохраняя пространственную форму трека, и регистрируется пропорциональными камерами с пэдовым катодным считыванием. По центру тяжести наведенного сигнала на пэдах определяются радиальные и угловые координаты кластеров с трека частицы, а измеряя время дрейфа кластеров от момента столкновения пучков, мы получаем и третью координату. Благодаря этому удается восстановить трехмерную картину движения частиц.

В экспериментах по изучению столкновений тяжелых ионов (STAR в Брукхейвене, ALICE в ЦЕРН и ряде других) показана возможность использования ТРС и для регистрации взаимодействий ионов с большой множественностью вторичных заряженных частиц. Когда началась реализация проектов NICA и MPD, где TPC будет основным трековым прибором, возникла необходимость создать такую камеру впервые у нас, в России. Мы начали проект "своей" TPC, основываясь на опыте STAR и ALICE, и ответственность за ее создание полностью лежит на ОИЯИ. Здесь следует отметить, что все работы выполняются в коллаборации с другими институтами и лабораториями.

Конструкция TPC представляет собой несколько больших цилиндров (длина TPC составляет более трех метров), вложенных один в другой. Стенки этих цилиндров должны иметь как можно меньше вещества с точки зрения радиационной длины. Для их создания мы использовали технологии, развитые в Институте специального машиностроения в Хотьково. В результате сотрудничества мы создали свою технологию, которая в принципе отличается от той, что использовалась в STAR и ALICE: в нашем случае цилиндры изготавливаются как отдельная конструкционная единица и в процессе сборки объединяются с помощью торцевых фланцев для создания изолированного по газу дрейфового объема. Камеры считывания информации потом располагаются на фланцах. Чтобы определить импульс частицы, нужно всю эту конструкцию поместить в однородное магнитное поле, а затем по степени кривизны трека определить величину импульса. Тип частиц определяется по ее ионизационным потерям".

"Наша специфика, - поясняет далее С.А.Мовчан, - большая множественность регистрируемых заряженных частиц. Это обусловлено особенностями реакций при соударении тяжелых ионов. В каждом событии в среднем до 300 треков, а максимальное количество треков может доходить до 1000, их следы необходимо сначала зарегистрировать, а потом восстановить. В TPC пропорциональные камеры будут располагаться в виде секторов на торцах цилиндра. У нас будет 24 сектора - по 12 с каждой стороны. Каждый сектор содержит около 4 тысяч каналов считывания информации. В ходе реализации проекта предстоит обеспечить работу порядка 100 тысяч каналов регистрации".

"Уникальность детектора, - продолжает С.В.Разин, - заключается в том, что для решения поставленной физической задачи мы должны обеспечить высокое разрешение по потерям энергии, чтобы с высокой достоверностью идентифицировать тип частицы. Нам предстоит работать с ионами с энергией 11 ГэВ на нуклон. Кроме того, на коллайдере NICA будет большая светимость. Частота событий порядка 5-7 кГц, в то время как на STAR, например, только 1,5 кГц. Работа наша ведется в сотрудничестве с несколькими институтами и организациями. Институт ядерных проблем НИИЯП БГУ (Беларусь) изготавливает для нас механические компоненты, такие как корпуса считывающих камер, фланцы, которые будут вклеены в цилиндры, высоковольтный электрод. По электронике коллеги делают многое - от стабилизаторов питания с системой медленного контроля до разработки и изготовления специализированных микросхем. Петербургский институт ядерной физики имени Б.П.Константинова в Гатчине разрабатывает нам систему газового обеспечения".

Пока мы переходили к следующему участку, Сергей Александрович, отвечая на вопрос о молодых кадрах, рассказал, что проблема существует, но решается. Так, заключено соглашение с МИФИ о направлении студентов на практику и на работу. Программа только началась, конкретных примеров еще нет, но основа заложена. И, возвращаясь к производству, а точнее, к очередному этапу, Сергей Александрович озвучил такие цифры: предварительная оценка стоимости TPC составляет 8 млн долларов, где порядка 70 процентов стоимости приходится на электронику.

Старший инженер сектора Александр Олегович Колесников демонстрирует макет элемента,
изготовленного на 3d-принтере.

Электроника определяет качество данных

"Электроника для время-проекционной камеры очень существенный элемент, - рассказывает старший научный сотрудник Сергей Алексеевич Запорожец, - можно сказать, она определяет качество восстанавливаемых треков, так как, чтобы выполнить физическую программу, требуется накопить много событий и среди них выбрать наиболее "интересные". Электроника как раз определяет возможность наиболее быстро и точно "увидеть" эти треки. Традиционный способ детектирования ионизации - это усиление в пропорциональных камерах. Это значит, что сгустки электронов, которые возникли в результате ионизации газа заряженной частицей, проецируются на торцы бочек, которые выложены пропорциональными камерами, способными усиливать эти электронные сгустки. После газового усиления они детектируются на пэдовых плоскостях (так называются регистрирующие площадочки), то есть на электродах. Каждая площадочка - отдельный канал регистрации. Как известно, у нас многоканальная система, и 100 тысяч каналов считывающей электроники, в свою очередь, предполагают 100 тысяч усилителей, формирователей, буферов памяти и так далее.

Итак, каждый из 24 секторов TPC будет оснащен каналами регистрации, обеспечивающими на аппаратном уровне предусиление, формирование, оцифровку и цифровую обработку (фильтрацию) сигналов, после чего данные по каналу связи передаются во внешние носители информации для последующего анализа. Здесь следует подчеркнуть, что специфика детектора TPC заключается в том, что приходится работать с очень большим объемом информации.

Старший научный сотрудник С.А.Запорожец (справа)
и специалист-разработчик электроники считывания из Белоруссии С.В.Верещагин.

Сейчас на эксперименте ALICE идет обновление электроники, разрабатываются новые специализированные микросхемы ASIC. Мы участвуем в этом процессе, потому что являемся потенциальными потребителями. Работа идет уже два года. У нас есть опытный образец для испытания - более функциональная микросхема, заменяющая две старые микросхемы и имеющая 32 канала регистрации, а не 16, как раньше. В настоящее время мы тестируем эту схему, и если все закончится успешно, то будет разработана плата, которая послужит основой для новой электроники. Систему низковольтного питания для плат разрабатывают наши коллеги из Белоруссии. К каждой такой системе будет подключаться до 5 карт и затем соединяться с управляющим устройством. Дальше добавляется программное обеспечение для обслуживания многоканальной системы считывания пропорциональных камер. В будущем пропорциональные камеры могут быть заменены на камеры другого типа (на основе GEMов), и как раз эти новые микросхемы позволят работать с обоими типами камер. Это еще один дополнительный аргумент в пользу новых микросхем, которые в течение двух лет будут дорабатываться, испытываться, тестироваться и только после этого применяться".

Производство пропорциональных камер

Фрагмент проволочных плоскостей пропорциональной камеры.

Как уже отмечалось, важной частью время-проекционной камеры TPC являются многопроволочные пропорциональные камеры. Еще в 2004 году в корпусе N№ 40 ЛФВЭ был оборудован участок по созданию детекторов на основе многопроволочных камер. О нем рассказывает ведущий научный сотрудник Олег Владимирович Фатеев: "Данный участок оснащен чистыми помещениями общей площадью около 120 кв. м, специализированным оборудованием для изготовления и тестирования созданных детекторов. Здесь были изготовлены и протестированы более 130 детекторов переходного излучения для эксперимента ALICE. Кроме того, мы принимали активное участие в разработке конструкции и создании многослойных дрейфовых камер с малым количеством вещества для трековой системы спектрометра HADES (GSI). Все эти детекторы успешно работают в своих установках на протяжении многих лет. Таким образом, определенный уровень культуры и накопленный опыт в создании подобного рода детекторов позволяют нам создавать ROC (Read Out Chambers) для TPC.

ROC-камера представляет собой многопроволочную пропорциональную камеру с пэдовым считыванием информации. Она включает в себя пэдовую катодную плоскость и три проволочные плоскости: анодную, катодную и запирающую сетку. Для анодной плоскости используется золоченая проволока диаметром 20 мкм, а для остальных плоскостей проволока диаметром 80 мкм. По толщине проволоки сравнимы и даже меньше толщины человеческого волоса. Это требует очень деликатного обращения с ними. Обрыв одной проволоки - и вся работа насмарку. Каждая проволока натягивается с определенным усилием, что приводит к суммарной нагрузке более 80 кг на раму камеры. Чтобы обеспечить механическую стабильность, ROC-камера располагается на алюминиевом каркасе. Конструкция ROC-камеры разрабатывалась таким образом, чтобы обеспечить стабильность ее работы при минимальном количестве вещества в конструкции и максимальной чувствительной области.

Инженер Александр Александрович Рыбаков тестирует заготовку для будущей пропорциональной камеры.

В процессе изготовления камер очень важно проверить размеры всех компонентов, поскольку механические погрешности напрямую влияют на характеристики работы ROC-камеры и точность регистрации частиц. Первый этап изготовления камер заключается в подготовке каркаса камеры и приклейке пэдовой плоскости. Эта работа выполняется на вакуумном столе.

Следующий этап - перенос проволочных плоскостей. Все работы с проволочными плоскостями проводятся в чистых помещениях. Автоматизированный намоточный станок позволяет подготовить проволочные плоскости с заданным расстоянием между проволоками и их натяжением. Затем проволочный массив переносится на камеру. Специальный стенд для переноса проволок позволяет поставить проволочки в нужное положение. С помощью камеры на основе ПЗС-матрицы просматривается положение проволочек в плоскостях. По выведенной на монитор картинке можно оценить расстояния между соседними проволочками и положение первой и последней проволочки относительно реперных отверстий, и, если потребуется, внести изменения в процесс юстировки и поправить положение проволок. Затем проволочки фиксируются с помощью эпоксидной смолы и распаиваются.

Ведущий научный сотрудник О.В.Фатеев и инженер А.А.Рыбаков на подготовительном этапе работ по склейке.

Поскольку для склейки используется эпоксидная смола, чистые комнаты оборудованы климат-контролем, позволяющим поддерживать заданную температуру и влажность в помещении. Кроме того, все рабочие столы, на которых проводятся какие-либо работы с камерами, оборудованы фильтрами тонкой очистки воздуха, которые обеспечивают в рабочей зоне класс чистоты 1000.

Ведущий научный сотрудник О.В.Фатеев около автоматизированного стенда для тестирования камер.

На заключительном этапе камера помещается в специальный бокс и отправляется на автоматизированный стенд тестирования. Он включает в себя газовую систему, обеспечивающую подачу газовой смеси, высоковольтные блоки, регистрирующую электронику, систему перемещения источника ионизирующего излучения по двум координатам и управляющий компьютер. Здесь проверяются такие параметры, как токи утечки, величина сигналов от источников ионизирующего излучения, однородность газового усиления, стабильность работы во времени. Если какие-то параметры нас не устраивают, камеру извлекаем из бокса и ищем, где что не так. Чтобы собрать такую камеру, нужен примерно месяц. После того как все 24 камеры будут изготовлены и проверены, они будут оправлены в большое чистое помещение для их окончательного монтажа в TPC".

С.А.Мовчан и О.В.Фатеев около прототипа время-проекционной камеры, выполненного в масштабе 1:3.

Галина МЯЛКОВСКАЯ,
фото автора