Координатные детекторы
на основе тонкостенных дрейфовых трубок

Поощрительной премией ОИЯИ за 2020 год был награжден коллектив авторов в составе: Е.В.Васильева, П.В.Волков, Ю.В.Гусаков, Т.Л.Еник, И.А.Жуков, Г.Д.Кекелидзе, В.А.Крамаренко, В.М.Лысан, Д.В.Пешехонов, А.В.Солин за работу "Разработка и создание координатных детекторов на основе тонкостенных дрейфовых трубок для эксперимента NA64 в ЦЕРН".

Газовые координатные детекторы уже много десятилетий являются основой трековых систем современных физических установок, но, несмотря на это, продолжают активно развиваться. В последние годы получили широкое распространение такие их модификации, как время-проекционные детекторы (TPC) и детекторы с регистрирующими элементами субмиллиметрового размера на основе газовых электронных умножителей (GEM и Micromegas). Интерес к этим детекторам связан с их способностью работать в условиях высоких загрузок, хорошей радиационной стойкостью и пространственным разрешением порядка 100 мкм. Классические дрейфовые камеры на основе металлических дрейфовых трубок, способные эффективно перекрывать большие площади, также переживают второе рождение с появлением технологии строу-трубок, позволяющих использовать более гибкие конструкторские решения, которые отличаются невысокой стоимостью единицы чувствительной площади и обладают таким важным достоинством, как малое количество вещества в активной зоне. Эти особенности строу-трубок привели к их активному использованию в поисковых экспериментах по регистрации сверхредких распадов и поиску проявлений новой физики, где предъявляются особые требования к "прозрачности" и эффективности трековых систем.

В работе, представленной на конкурс Объединенного института ядерных исследований, описаны характеристики и свойства созданных в ОИЯИ трековых детекторов, изготовленных по технологии клееных строу-трубок для эксперимента NA64 на выведенном пучке электронов SPS ЦЕРН.

Группой Лаборатории физики высоких энергий были разработаны и изготовлены двухслойные строу-камеры с рабочей зоной 20х20 см², 50х50 см² и 120х60 см². Каждая двухслойная камера состоит из двух раздельных плоскостей строу-трубок, склеенных между собой со сдвигом на половину диаметра трубки. Строу-трубки имеют внутренний диаметр 6 или 2 мм, толщина стенки строу-трубки составляет 62 мкм. Анодом служит позолоченная вольфрамовая проволока диаметром 20 (для 2 мм трубок) либо 30 мкм.

Учитывая требования эксперимента, была разработана оригинальная система подачи газа в рабочий объем камер с размером рабочей зоны 20х20 см² через боковые стенки строу, что позволило расположить считывающую электронику в непосредственной близости от анодов, существенно уменьшив паразитные индуктивно-емкостные связи. Для ее реализации использовался инновационный метод прожигания пленочных стенок строу-трубок лазерным лучом, предложенный сотрудниками творческого коллектива.

Для работ на мюонном пучке проекта NA64 разработаны и изготовлены семь двухкоординатных камер размером 120х60 см². Для создания этих камер была предложена новая технология сборки камер, позволяющая исключить влияние влажности окружающей среды на механические свойства детекторов.

Впервые созданные камеры строу диаметром 2 мм в ходе лабораторных испытаний с помощью радиоактивных источников продемонстрировали возможность получения пространственного разрешения ~100 мкм и высокую эффективность (неэффективные зоны у анода и катода не превышают 100 мкм) при работе с избыточным давлением рабочей смеси в три атмосферы.

Считывание информации со всех представленных строу-детекторов производится через 32-канальные усилители, разработанные в Белорусском государственном университете. Далее информация анализируется время-цифровыми преобразователями, созданными в Мюнхенском университете.

Исследование характеристик строу-камер проводилось на стендах, созданных в ОИЯИ, а также на пучке Н4 ускорителя SPS в ЦЕРН в ходе сеансов 2017-2018 гг. Станции со строу-камерами диаметром 6 мм были включены в состав трековой части экспериментальной установки NA64 (на снимках).

Целью исследований на установке NA64 является поиск векторного бозона А' (темный фотон), который может осуществлять связь между темным сектором и видимой материей. Вероятность рождения темного фотона чрезвычайно мала, поэтому в этом эксперименте предъявляются особые требования к чистоте первичного пучка, количеству вещества по оси пучка и к учету различных фоновых процессов. Важной частью обработки экспериментальной информации, позволяющей выполнить предъявляемые требования, является полная реконструкция событий, в том числе треков и кинематических параметров как первичного пучка, так и вторичных частиц, рожденных на мишени установки с минимальными неопределенностями. Это определяет критерии выбора используемых трековых детекторов и требований к их характеристикам - малое содержание вещества, высокая эффективность и пространственно-временное разрешение, способность работать в условиях требуемых (высоких) загрузок.

Результаты сеансов показали, что строу-камеры имеют существенное преимущество перед другими трековыми детекторами, используемыми в эксперименте NA64: Micromegas, GEM и сцинтилляционными счетчиками. В частности, высокое пространственное, временное разрешение и аксептанс строу-камер позволили эффективно выделять и подавлять в процессе анализа фоновые взаимодействия, происходящие в веществе Micromegas и в вакуумной зоне между магнитом и электромагнитным калориметром установки. Это определило выбор строу в качестве основного детектора для анализа и подавления фона.

Начальник отделения физики на встречных пучках ЛФВЭ
Дмитрий ПЕШЕХОНОВ