Многоканальные системы высоковольтного питания для газовых детекторов переходного излучения в экспериментах по физике высоких энергий

Abstract

Актуальность темы Предметом диссертации являются: 1. исследование критических условий работы трекового детектора переходного излучения; 2. разработка соответствующего высоковольтного источника питания; 3. исследование опытных образцов и отработка методики тестирования многоканальной системы высоковольтного питания для трекового детектора переходного излучения (TRT); 4. установка системы в эксперимент ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) на Большом адронном коллайдере LHC, внедрение в единую систему контроля эксперимента. Трековый детектор переходного излучения TRT является одним из важнейших элементов внутреннего детектора (Inner Detector) в эксперименте ATLAS и выполняет две функции: детектора переходного излучения и координатного детектора. TRT расположен вблизи точки взаимодействия пучков коллайдера и поэтому практически недоступен для обслуживания в течение всего времени эксплуатации. В связи с этим очень остро стоит проблема надежности функционирования всего детектора в целом. TRT состоит из пассивного радиатора (стопки полипропиленовых фольг в торцевых частях и полииимидных волокон в центральной части) и детектирующих элементов, называемых straw (от англ. straw - соломинка). Это цилиндрические пропорциональные дрейфовые трубки диаметром 4 мм и длиной 370 мм для торцевых частей детектора и 1440 мм для центральной части. Всего таких трубок в детекторе 298 304. Каждая straw подключается к высоковольтному источнику питания напряжением 1530 В. Количество таких трубок столь велико, что было довольно трудно обеспечить каждую отдельным источником питания. В связи с этим было предложено сгруппировать их по высоковольтному питанию, обеспечив каждую группу отдельным предохранителем, тем самым сократив количество высоковольтных каналов до 2000. Трековый детектор переходного излучения будет выполнять свои функции при наибольшей светимости ускорителя 2*1034 см"2с"'. Это обеспечено за счет использования самых передовых технологий в производстве детектора и обеспечения его работы. Детектор позволяет восстанавливать трек заряженной частицы, имея в среднем 36 координат частицы при пересечении трубок. В пространстве между слоями straw размещены высокоструктурированные радиаторы, обеспечивающие переходное излучение заряженных частиц при пересечении ими границ раздела сред. Фотоны переходного излучения регистрируются дрейфовыми трубками наряду с сигналами от релятивистских частиц. Эффективная регистрация переходного излучения позволяет выделять электроны на высоком адронном фоне (режекция пионов). Совмещение в трековом детекторе переходного излучения функций измерения координат проходящей релятивистской частицы и идентификации электронов требует высокой стабильности коэффициента газового усиления в straw. А это, в свою очередь, требует прецизионной установки и стабилизации во времени высоковольтного напряжения питания дрейфовых трубок (менее 0.1%). Также важным требованием к высоковольтной системе питания является'необходимость точной диагностики состояния straw по количеству допустимых пробоев в камере в единицу времени и своевременное быстрое отключение высоковольтной линии. Отказ в работе системы диагностики пробоев может привести к прожиганию тонкой катодной стенки трубки, утечке дорогостоящего газа Хе и выходу из строя всего детектора переходного излучения. Такого высоковольтного источника не было найдено среди существующих промышленных образцов. Такие источники питания не соответствовали тем или иным требованиям TRT -6В связи с этим была разработана, изготовлена и установлена в эксперимент новая многоканальная высоковольтная ситема питания. Цель диссертационной работы • Определение критических условий работы straw в реальном эксперименте на коллайдере. Анализ возможностей современных промышленных источников питания с целью использования их в TRT для надежной идентификации электронов. • Исследование характеристик straw с целью определения требований к высоковольтному источнику питания. • Разработка требований и изготовление нового источника высоковольтного питания, удовлетворяющего специфическим требованиям трекового детектора и обеспечивающего высоковольтным питанием ~ 2000 каналов TRT. • Разработка методики тестирования и калибровки каждого канала системы высоковольтного питания. Научная новизна работы 1. Исследованы критические режимы работы трекового детектора переходного излучения. 2. Определение набора требований к источнику высоковольтного питания, на основании которого изготовлен новый высоковольтный источник питания, обеспечивающий работу TRT в критических условиях на ускорителе LHC. 3. Разработана методика тестирования уникальной многоканальной системы высоковольтного питания. 4. Предложена оригинальная схема подачи высокого напряжения на дрейфовые трубки, обеспечивающая компромисс между общим количеством каналов высоковольтного питания и минимальным количеством отключаемых трубок, в случае обнаружения дефектной straw. 5. Разработана методика калибровки каждого канала высоковольтной системы питания, обеспечивающая необходимую точность установки и измерения выходных параметров (напряжения и тока) каналов питания. 6. В результате разработки нового высоковольтного источника питания и методик его тестирования, а также калибровки получена уникальная, высоконадежная и недорогая система высоковольтного питания, обеспечивающая необходимую стабильность напряжения для идентификации электронов. Система уже более четырех лет работает в реальных уловиях эксперимента. За это время не было ни одного серьезного отказа в ее работе. Практическая ценность работы В ходе выполнения настоящей работы была разработана и создана высоковольтная система питания трекового детектора переходного излучения экперимента ATLAS на Большом адронном коллайдере LHC. Результаты этой работы могут быть использованы в физических экпериментах на ускорителях заряженных частиц и космофизических экспериментах. Основные результаты, представленные к защите • Результаты исследований критических режимов работы straw в трековом детекторе переходного излучения. • Разработка структуры и организация многоканальных систем высоковольтного питания с числом каналов питания порядка 2000 и количеством питаемых элементов порядка 300 000. • Разработка уникальной высоковольтной системы питания трекового детектора переходного излучения в эксперименте ATLAS, обеспечивающей высокую надежность работы straw и стабильную режекцию пионов. • Разработка методики исследования, тестирования и калибровки высоковольтных источников питания для физики высоких энергий. Апробация работы Основные результаты и выводы, содержащиеся в диссертации, докладывались и обсуждались на рабочих совещаниях коллаборации ATLAS, научных конференциях и сессиях по физике элементарных частиц в России, а также международных конференциях. Публикации Сущность и новизна исследований, выполненых по теме данной диссертации, изложены в статьях, опубликованных в журналах «Приборы и техника эксперимента», Journal of Instrumentation, в трудах российских и международных конференций по физике элементарных частиц. Всего по теме диссертации опубликовано 10 работ, из них 3 - в реферируемых журналах, рекомендованых ВАК РФ. Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, а также двух приложений. Научная библиотека диссертаций и авторефератов disserCat http://www.dissercat.com/content/mnogokanalnye-sistemy-vysokovoltnogo-pitaniya-dlya-gazovykh-detektorov-perekhodnogo-izluchen#ixzz4IGRtJtc