Проекты XXI века

Об MPD - с места событий

Multi-Purpose Detector - многоцелевой детектор, один из основных элементов проекта NICA. И если о строительстве зданий, международном сотрудничестве по флагманскому проекту мы рассказываем подробно и довольно часто, то эту часть до поры до времени обходили стороной - требовалось много предварительной подготовки, создания прототипов, организации научных коллективов, оборудования помещений. Зато сейчас есть значительные достижения по каждому из направлений.

Детектор MPD предназначен для изучения процессов, происходящих при столкновении ускоренных пучков ионов: от протонов до золота. Анимационный ролик, демонстрирующий, как устроен MPD, можно посмотреть по ссылке http://nica.jinr.ru/projects/mpd.php. Детектор представляет собой комплекс подсистем, каждая из которых выполняет определенную задачу. Ввод в эксплуатацию MPD предполагается в два этапа. О том, как это будет происходить и о том, что представляет собой каждая из больших подсистем, - серия репортажей нашего корреспондента.

Структура и возможности многоцелевого детектора

"На первом этапе, который будет проходить с 2019 по 2021 годы, - рассказывает научный сотрудник научно-экспериментального отдела многоцелевого детектора MPD Вадим Бабкин, - в MPD будут установлены только несколько базовых элементов для решения основных физических задач. В первую очередь TPC (Time-Projection-Chamber, времяпроекционная камера) - основной трековый детектор, который восстанавливает траектории частиц, разлетающихся от точки взаимодействия. По кривизне траектории в магнитном поле, которое создает специальный сверхпроводящий соленоидальный магнит, определяется импульс этой частицы. Кроме того, будет установлена времяпролетная система TOF (Time-of-Flight system), система идентификации заряженных частиц по времени пролета. При столкновении ионов высоких энергий, как известно, рождаются вторичные частицы, такие как мезоны, барионы и др. Чтобы разделить эти частицы, и нужна такая система. Она позволяет измерить время пролета частицы от момента рождения до пересечения детекторов системы. Зная время, длину траектории и импульс, можно определить массу частицы, то есть ее тип. Третья система - электромагнитный калориметр ECal, предназначенный для регистрации частиц, которые участвуют в электромагнитных взаимодействиях, в основном это фотоны и электроны.

Получается так, что практически все, что образуется в результате столкновения частиц, мы регистрируем в этих трех системах. Кроме того, на первом этапе будут еще задействованы такие детекторы, как FHCal - передний адронный калориметр, позволяющий определить центральность и плоскость взаимодействия сталкивающихся ядер, и FFD - быстрый передний детектор, который с большой точностью регистрирует фотоны, летящие от точки взаимодействия ядер.

На втором этапе, чтобы более точно проследить процессы, происходящие при столкновении ядер, добавляется система внутреннего трекера IT, которая состоит из кремниевых полупроводниковых пиксельных и микростриповых детекторов. И затем добавятся торцевые детекторы. Все эти системы позволят регистрировать до 95 процентов частиц".

На участке создания TOF

MPD, образно говоря, будет окружать точку столкновения пучков коллайдера несколькими "оболочками". Все они находятся в разной степени разработки и готовности. Над созданием каждой из них работают специалисты, обустроены помещения, в которых обеспечиваются технологические параметры температуры, влажности, чистоты воздуха, приобретено оборудование, созданы производственные линии. Вадим Бабкин продолжает рассказ, теперь уже непосредственно об участке для создания времяпролетной системы идентификации заряженных частиц (TOF):

"Времяпролетная система TOF базируется на технологии, которая называется MRPC (Multi-Gap Resistive Plate Chamber, многозазорные резистивные плоские камеры). Технология RPC была предложена довольно давно. По сути, это так называемая искровая камера. Ее недостаток - в длительном восстановлении после пробоя искры. Принцип работы искровой камеры состоит в том, что в газовом объеме создается разность потенциалов, чтобы при пролете частицы образующиеся электроны могли разгоняться и выбивать другие электроны. Так возникает лавина. В зависимости от разности потенциалов она может переходить сначала в стример, потом в разряд. Если использовать более узкие промежутки между электродами, можно ограничить заряд и таким образом регистрировать больше частиц. В наших детекторах используется специальная газовая смесь, которая состоит из тетрофторэтана, 6-фтористой серы и изобутана. Это ускоряет работу детектора и "гасит" ненужные электроны, которые могут вызвать очень большой разряд. Большое количество узких зазоров делают для того, чтобы получить высокое временное разрешение и не потерять эффективность регистрации частиц. Временное разрешение наших MRPC составляет приблизительно 50 пикосекунд, что позволяет идентифицировать частицы с большой точностью".

Фоторепортаж с участка сборки

Это половина одного из 14 секторов. Вместе они будут собраны в цилиндр (на снимке В.Бабкин и М.Румянцев у прототипа). Внутри каждого полусектора будут располагаться по 10 детекторов MRPC. Всего для системы их нужно сделать 280 штук. Сигналы от детекторов будут поступать на усилитель, затем на время-цифровой преобразователь, из которого цифровые данные будут сохраняться в файл.

Для производства MRPC используется специальное стекло. Его необычность заключается в толщине, она составляет 280 микрон. Стекло тончайшее, тем не менее сохраняет свои изоляционные свойства. Перед тем как начать производство, стекло нужно очистить. Для этого применяется ультразвуковая ванна. В нее помещается стекло, идеально очищается ультразвуком, потом промывается специальной деионизированной суперчистой водой. Далее сушилка - печь, в которой стекла обдуваются. Затем в качестве проводника на некоторые стекла наносится краска, измеряется сопротивление. Сейчас на сборочном участке есть специальная машина-распылитель с вытяжным шкафом, которая равномерно распределяет краску по поверхности стекла. Чередование таких стеклянных плоскостей и обеспечивает газовый зазор. В каждом детекторе их 15. Зазор между стеклами составляет 200 микрон и обеспечивается обычной рыболовной леской.

Чистая комната, оборудованная ионизирующей обдувкой, которая убирает со стекол мельчайшие пылинки. Здесь молодые сотрудники занимаются сборкой детекторов.

На каждый стек детектора подается высокое напряжение. Сигналы считываются с двух сторон электродов в виде полосок, так называемых "стрипов". С каждой стороны для считывания сигнала используется 24 канала электроники. На всем детекторе TOF, который будет установлен в MPD, будет примерно 14 тысяч каналов. На один вывод используется 4 проводка, то есть для всего детектора предстоит припаять примерно 56 тысяч проводков.

Новый испытательный стенд для тестирования модулей на космических частицах. Сейчас создан только каркас, к концу года здесь будут установлены электроника, стойки с оборудованием. Работа начнется, когда будет запущено массовое производство детекторов, их можно будет испытывать до 100 штук одновременно. После этих испытаний детекторы отправятся на постоянное место в помещение MPD.

Галина МЯЛКОВСКАЯ,
фото автора