Design, Performance, and Calibration of CMS Hadron-Barrel Calorimeter Wedges

Extensive measurements have been made with pions, electrons and muons on four production wedges of the Compact Muon Solenoid (CMS) hadron barrel (HB) calorimeter in the H2 beam line at CERN with particle momenta varying from 20 to 300 GeV/c. Data were taken both with and without a prototype electromagnetic lead tungstate crystal calorimeter (EB) in front of the hadron calorimeter. The time structure of the events was measured with the full chain of preproduction front-end electronics running at 34 MHz. Moving-wire radioactive source data were also collected for all scintillator layers in the HB. These measurements set the absolute calibration of the HB prior to first pp collisions to approximately 4%

Synchronization and Timing in CMS HCAL

The synchronization and timing of the hadron calorimeter (HCAL) for the Compact Muon Solenoid has been extensively studied with test beams at CERN during the period 2003-4, including runs with 40 MHz structured beam. The relative phases of the signals from different calorimeter segments are timed to 1 ns accuracy using a laser and equalized using programmable delay settings in the front-end electronics. The beam was used to verify the timing and to map out the entire range of pulse shapes over the 25 ns interval between beam crossings. These data were used to make detailed measurements of energy-dependent time slewing effects and to tune the electronics for optimal performance

Energy Response and Longitudinal Shower Profiles Measured in CMS HCAL and Comparison With Geant4

The response of the CMS combined electromagnetic and hadron calorimeter to beams of pions with momenta in the range 5-300 GeV/c has been measured in the H2 test beam at CERN. The raw response with the electromagnetic compartment calibrated to electrons and the hadron compartment calibrated to 300 GeV pions may be represented by sigma = (1.2) sqrt{E} oplus (0.095) E. The fraction of energy visible in the calorimeter ranges from 0.72 at 5 GeV to 0.95 at 300 GeV, indicating a substantial nonlinearity. The intrinsic electron to hadron ratios are fit as a function of energy and found to be in the range 1.3-2.7 for the electromagnetic compartment and 1.4-1.8 for the hadronic compartment. The fits are used to correct the non-linearity of the e pi response to 5% over the entire measured range resulting in a substantially improved resolution at low energy. Longitudinal shower profile have been measured in detail and compared to Geant4 models, LHEP-3.7 and QGSP-2.8. At energies below 30 GeV, the data, LHEP and QGSP are in agreement. Above 30 GeV, LHEP gives a more accurate simulation of the longitudinal shower profile

Design, Performance and Calibration of the CMS Forward Calorimeter Wedges

We report on the test beam results and calibration methods using charged particles of the CMS Forward Calorimeter (HF). The HF calorimeter covers a large pseudorapidity region (3\l |\eta| \le 5), and is essential for large number of physics channels with missing transverse energy. It is also expected to play a prominent role in the measurement of forward tagging jets in weak boson fusion channels. The HF calorimeter is based on steel absorber with embedded fused-silica-core optical fibers where Cherenkov radiation forms the basis of signal generation. Thus, the detector is essentially sensitive only to the electromagnetic shower core and is highly non-compensating (e/h \approx 5). This feature is also manifest in narrow and relatively short showers compared to similar calorimeters based on ionization. The choice of fused-silica optical fibers as active material is dictated by its exceptional radiation hardness. The electromagnetic energy resolution is dominated by photoelectron statistics and can be expressed in the customary form as a/\sqrt{E} + b. The stochastic term a is 198% and the constant term b is 9%. The hadronic energy resolution is largely determined by the fluctuations in the neutral pion production in showers, and when it is expressed as in the electromagnetic case, a = 280% and b = 11%

Design, Performance, and Calibration of CMS Hadron Endcap Calorimeters

Detailed measurements have been made with the CMS hadron calorimeter endcaps (HE) in response to beams of muons, electrons, and pions. Readout of HE with custom electronics and hybrid photodiodes (HPDs) shows no change of performance compared to readout with commercial electronics and photomultipliers. When combined with lead-tungstenate crystals, an energy resolution of 8\% is achieved with 300 GeV/c pions. A laser calibration system is used to set the timing and monitor operation of the complete electronics chain. Data taken with radioactive sources in comparison with test beam pions provides an absolute initial calibration of HE to approximately 4\% to 5\%

Design, Performance, and Calibration of the CMS Hadron-Outer Calorimeter

The CMS hadron calorimeter is a sampling calorimeter with brass absorber and plastic scintillator tiles with wavelength shifting fibres for carrying the light to the readout device. The barrel hadron calorimeter is complemented with an outer calorimeter to ensure high energy shower containment in the calorimeter. Fabrication, testing and calibration of the outer hadron calorimeter are carried out keeping in mind its importance in the energy measurement of jets in view of linearity and resolution. It will provide a net improvement in missing \et measurements at LHC energies. The outer hadron calorimeter will also be used for the muon trigger in coincidence with other muon chambers in CMS

Розробка електродугових псевдосплавних покриттів для зміцнення мідних стінок кристалізаторів

On the basis of the requirements for protective coatings of molds, the materials of pseudoalloys were determined for applying coatings from two wires. One of the wires is copper, which provides maintaining a sufficient thermal conductivity of the layer, and the second one consists of a material, which provides wear resistance of a coating. As the second wire, the wires NiCr, Mo, Ti and a flux-cored wire were used, consisting of a steel sheath and a filler – FeB powder. Based on the calculation data on the thermal conductivity of coatings, taking into account the coefficients of heat transfer, the estimation of the influence of these coatings on the thermal processes in the mold (temperature of the wall surface, intensity of heat removal from the wall) was performed. Applying electric-arc spraying, the pseudoalloy coatings with a uniform distribution of components were produced, one of which is copper with a hardness of 1,320–1,460 MPa, and the second one is the strengthening component NiCr, with a hardness of 2,440 MPa; Mo, with a hardness of 5,350 MPa; Ti, with a hardness of 7,540 MPa; FeB, with a hardness of 7,050 MPa.As a result of measurements of the coefficient of thermal expansion of coatings, it was found that the coating Cu-NiCr is the closest to the coefficient of thermal expansion of copper. Then it is followed by Cu-FCW (FeB), Cu-Ti and Cu-Mo. The abrasive wear resistance of pseudoalloy coatings at a room temperature exceeds pure copper 1.4–2.3 times. The tests of pseudoalloy coatings for resistance to wear during heating to 350 °C showed that the wear resistance of Cu-NiCr and Cu-FCW (FeB) coatings exceeds the resistance of pure copper 4.5 and 22 times, respectively. The hot hardness of the coating Cu-NiCr in the range of 20–400 °C exceeds the hardness of pure copper 3 times.На основании требований, предъявляемых к защитным покрытиям кристаллизаторов, были определены материалы псевдосплавов для нанесения покрытий из двух проволок. Одной из проволок является медная, которая обеспечивает поддержание достаточной теплопроводности слоя, а вторая состоит из материала, обеспечивающего износостойкость покрытия. В качестве второй проволоки использовались проволоки NiCr, Mo, Ti и порошковая проволока, состоящая из стальной оболочки и наполнителя – порошка FeB. На основании расчетных данных по теплопроводности покрытий с учетом коэффициентов теплоотдачи, выполнена расчетная оценка влияния этих покрытий на тепловые процессы в кристаллизаторе (температуру поверхности стенки, интенсивность отвода тепла от стенки). Электродуговым напылением получены псевдосплавные покрытия с равномерным распределением компонентов, одним из которых является медь, твердостью 1320–1460 МПа, а вторым – упрочняющий компонент NiCr, твердостью 2440 МПа; Mo, твердостью 5350 МПа; Ti, твердостью 7540 МПа; FeB, твердостью 7050 МПа.В результате измерений коэффициента термического расширения покрытий установлено, что наиболее близким к коэффициенту термического расширения меди является покрытие Cu-NiCr, далее Cu-ПП(FeB), Cu-Ti и Cu-Mo. Стойкость псевдосплавных покрытий к абразивному изнашиванию при комнатной температуре превышает чистую медь в 1,4–2,3 раза. Испытания псевдосплавных покрытий на сопротивление износу при нагреве до 350 оС показали, что износостойкость покрытий Cu-NiCr и Cu-ПП(FeB) превышает стойкость чистой меди в 4,5 и 22 раза, соответственно. Горячая твердость покрытия Cu–NiCr в диапазоне температур 20–400 оС превышает твердость чистой меди в 3 разаНа підставі вимог, що пред'являються до захисних покриттів кристалізаторів, були визначені матеріали псевдосплавів для нанесення покриттів з двох дротів. Одним з дротів є мідний, який забезпечує підтримку достатньої теплопровідності шару, а другий складається з матеріалу, що забезпечує зносостійкість покриття. В якості другого дроту використовувалися дроти NiCr, Mo, Ti і порошковий дріт, що складається з сталевої оболонки та наповнювача – порошку FeB. На підставі розрахункових даних по теплопровідності покриттів з урахуванням коефіцієнтів тепловіддачі, виконана розрахункова оцінка впливу цих покриттів на теплові процеси в кристалізаторі (температуру поверхні стінки, інтенсивність відводу тепла від стінки). Електродуговим напиленням отримані псевдосплавні покриття з рівномірним розподілом компонентів, одним з яких є мідь, твердістю 1320–1460 МПа, а другим – зміцнюючий компонент NiCr, твердістю 2440 МПа; Mo, твердістю 5350 МПа; Ti, твердістю 7540 МПа; FeB, твердістю 7050 МПа.В результаті вимірювань коефіцієнта термічного розширення покриттів встановлено, що найбільш близьким до коефіцієнта термічного розширення міді є покриття Cu-NiCr, далі Cu-ПП (FeB), Cu-Ti і Cu-Mo. Стійкість псевдосплавних покриттів до абразивного зношування при кімнатній температурі перевищує чисту мідь в 1,4–2,3 рази. Випробування псевдосплавних покриттів на опір зношуванню при нагріванні до 350 °С показали, що зносостійкість покриттів Cu-NiCr і Cu-ПП (FeB) перевищує стійкість чистої міді в 4,5 і 22 рази, відповідно. Гаряча твердість покриття Cu-NiCr в діапазоні температур 20–400 оС перевищує твердість чистої міді в 3 раз

Розробка електродугових псевдосплавних покриттів для зміцнення мідних стінок кристалізаторів

On the basis of the requirements for protective coatings of molds, the materials of pseudoalloys were determined for applying coatings from two wires. One of the wires is copper, which provides maintaining a sufficient thermal conductivity of the layer, and the second one consists of a material, which provides wear resistance of a coating. As the second wire, the wires NiCr, Mo, Ti and a flux-cored wire were used, consisting of a steel sheath and a filler – FeB powder. Based on the calculation data on the thermal conductivity of coatings, taking into account the coefficients of heat transfer, the estimation of the influence of these coatings on the thermal processes in the mold (temperature of the wall surface, intensity of heat removal from the wall) was performed. Applying electric-arc spraying, the pseudoalloy coatings with a uniform distribution of components were produced, one of which is copper with a hardness of 1,320–1,460 MPa, and the second one is the strengthening component NiCr, with a hardness of 2,440 MPa; Mo, with a hardness of 5,350 MPa; Ti, with a hardness of 7,540 MPa; FeB, with a hardness of 7,050 MPa.As a result of measurements of the coefficient of thermal expansion of coatings, it was found that the coating Cu-NiCr is the closest to the coefficient of thermal expansion of copper. Then it is followed by Cu-FCW (FeB), Cu-Ti and Cu-Mo. The abrasive wear resistance of pseudoalloy coatings at a room temperature exceeds pure copper 1.4–2.3 times. The tests of pseudoalloy coatings for resistance to wear during heating to 350 °C showed that the wear resistance of Cu-NiCr and Cu-FCW (FeB) coatings exceeds the resistance of pure copper 4.5 and 22 times, respectively. The hot hardness of the coating Cu-NiCr in the range of 20–400 °C exceeds the hardness of pure copper 3 times.На основании требований, предъявляемых к защитным покрытиям кристаллизаторов, были определены материалы псевдосплавов для нанесения покрытий из двух проволок. Одной из проволок является медная, которая обеспечивает поддержание достаточной теплопроводности слоя, а вторая состоит из материала, обеспечивающего износостойкость покрытия. В качестве второй проволоки использовались проволоки NiCr, Mo, Ti и порошковая проволока, состоящая из стальной оболочки и наполнителя – порошка FeB. На основании расчетных данных по теплопроводности покрытий с учетом коэффициентов теплоотдачи, выполнена расчетная оценка влияния этих покрытий на тепловые процессы в кристаллизаторе (температуру поверхности стенки, интенсивность отвода тепла от стенки). Электродуговым напылением получены псевдосплавные покрытия с равномерным распределением компонентов, одним из которых является медь, твердостью 1320–1460 МПа, а вторым – упрочняющий компонент NiCr, твердостью 2440 МПа; Mo, твердостью 5350 МПа; Ti, твердостью 7540 МПа; FeB, твердостью 7050 МПа.В результате измерений коэффициента термического расширения покрытий установлено, что наиболее близким к коэффициенту термического расширения меди является покрытие Cu-NiCr, далее Cu-ПП(FeB), Cu-Ti и Cu-Mo. Стойкость псевдосплавных покрытий к абразивному изнашиванию при комнатной температуре превышает чистую медь в 1,4–2,3 раза. Испытания псевдосплавных покрытий на сопротивление износу при нагреве до 350 оС показали, что износостойкость покрытий Cu-NiCr и Cu-ПП(FeB) превышает стойкость чистой меди в 4,5 и 22 раза, соответственно. Горячая твердость покрытия Cu–NiCr в диапазоне температур 20–400 оС превышает твердость чистой меди в 3 разаНа підставі вимог, що пред'являються до захисних покриттів кристалізаторів, були визначені матеріали псевдосплавів для нанесення покриттів з двох дротів. Одним з дротів є мідний, який забезпечує підтримку достатньої теплопровідності шару, а другий складається з матеріалу, що забезпечує зносостійкість покриття. В якості другого дроту використовувалися дроти NiCr, Mo, Ti і порошковий дріт, що складається з сталевої оболонки та наповнювача – порошку FeB. На підставі розрахункових даних по теплопровідності покриттів з урахуванням коефіцієнтів тепловіддачі, виконана розрахункова оцінка впливу цих покриттів на теплові процеси в кристалізаторі (температуру поверхні стінки, інтенсивність відводу тепла від стінки). Електродуговим напиленням отримані псевдосплавні покриття з рівномірним розподілом компонентів, одним з яких є мідь, твердістю 1320–1460 МПа, а другим – зміцнюючий компонент NiCr, твердістю 2440 МПа; Mo, твердістю 5350 МПа; Ti, твердістю 7540 МПа; FeB, твердістю 7050 МПа.В результаті вимірювань коефіцієнта термічного розширення покриттів встановлено, що найбільш близьким до коефіцієнта термічного розширення міді є покриття Cu-NiCr, далі Cu-ПП (FeB), Cu-Ti і Cu-Mo. Стійкість псевдосплавних покриттів до абразивного зношування при кімнатній температурі перевищує чисту мідь в 1,4–2,3 рази. Випробування псевдосплавних покриттів на опір зношуванню при нагріванні до 350 °С показали, що зносостійкість покриттів Cu-NiCr і Cu-ПП (FeB) перевищує стійкість чистої міді в 4,5 і 22 рази, відповідно. Гаряча твердість покриття Cu-NiCr в діапазоні температур 20–400 оС перевищує твердість чистої міді в 3 раз

Development of Electric­arc Pseudoalloy Coatings for the Strengthening of Copper Walls of Molds

On the basis of the requirements for protective coatings of molds, the materials of pseudoalloys were determined for applying coatings from two wires. One of the wires is copper, which provides maintaining a sufficient thermal conductivity of the layer, and the second one consists of a material, which provides wear resistance of a coating. As the second wire, the wires NiCr, Mo, Ti and a flux-cored wire were used, consisting of a steel sheath and a filler – FeB powder. Based on the calculation data on the thermal conductivity of coatings, taking into account the coefficients of heat transfer, the estimation of the influence of these coatings on the thermal processes in the mold (temperature of the wall surface, intensity of heat removal from the wall) was performed. Applying electric-arc spraying, the pseudoalloy coatings with a uniform distribution of components were produced, one of which is copper with a hardness of 1,320–1,460 MPa, and the second one is the strengthening component NiCr, with a hardness of 2,440 MPa; Mo, with a hardness of 5,350 MPa; Ti, with a hardness of 7,540 MPa; FeB, with a hardness of 7,050 MPa.As a result of measurements of the coefficient of thermal expansion of coatings, it was found that the coating Cu-NiCr is the closest to the coefficient of thermal expansion of copper. Then it is followed by Cu-FCW (FeB), Cu-Ti and Cu-Mo. The abrasive wear resistance of pseudoalloy coatings at a room temperature exceeds pure copper 1.4–2.3 times. The tests of pseudoalloy coatings for resistance to wear during heating to 350 °C showed that the wear resistance of Cu-NiCr and Cu-FCW (FeB) coatings exceeds the resistance of pure copper 4.5 and 22 times, respectively. The hot hardness of the coating Cu-NiCr in the range of 20–400 °C exceeds the hardness of pure copper 3 times