Отчет группы ToF MPD/NICA и ToF-400 BM@N за 2010

Отчет группы ToF MPD/NICA и ToF-400 BM@N за 2010-2015 годы.
В. Бабкин, М. Буряков, С. Волгин, В. Головатюк, П. Дулов,
С. Лобастов, В. Петров, М. Румянцев.
1. Пэдовый прототип.
В качестве первого прототипа для создания времяпролетной системы детектора MPD
была произведена многозазорная резистивная плоская камера (МРПК), практически
аналогичная используемой в эксперименте ALICE. Детектор имеет активную область 140х70
мм и состоит из двух стеков, в каждом из которых по 5 газовых зазоров шириной 220 мкм
разделены резистивными электродами из стекла толщиной 550 мкм (рис.1, 2). Считывание
дифференциального сигнала производится с прямоугольных электродов размером 35х16 мм.
Рис.1. Схема устройства пэдовой МРПК.
Рис.2. «Пэдовый» прототип МРПК в газовом боксе.
Детектор был протестирован на пучке дейтронов Нуклотрона с кинетической энергией
2 ГэВ/нуклон. Для испытаний использовалась накамерная электроника на базе чипа NINO и
считывающие TDC на базе чипа HPTDC (оба чипа спроектированы для время-пролетной
системы ToF ALICE). Стартовый сигнал для вычисления времени пролета генерировался
быстрым кварцевым детектором на базе микроканального ФЭУ с временным разрешением
~38 пс. Суммарное временное разрешение время-пролетной системы (старт - стоп) составило
примерно 70 пс (рис.3). Таким образом, для прототипа МРПК со считывающими электродами
в виде пэдов (площадок) удалось получить временное разрешение в районе 60 пс (включая
«джиттер» электроники) при эффективности регистрации частиц около 99% (рис.4).
Рис.3. Распределение разницы времен между Рис.4. Эффективность и временное разрешение
стартовым детектором и «пэдовой» МРПК.
«пэдовой» МРПК от высокого напряжения.
2. Двухстековый стриповый прототип МРПК.
Для оптимизации числа каналов считывающей электроники в баррельной части
времяпролетной системы MPD вместо «пэдового» считывания было решено использовать
детекторы со «стриповым» считыванием. В соответствии с конструкцией системы ToF MPD
был спроектирован детектор с активной областью 600х300 мм (рис.5). Основной
отличительной особенностью данной МРПК является считывающий электрод. Для
считывания на стеклотекстолите размером 610х360 были вытравлены 24 полосы шириной 10
мм и длиной 600 мм с расстоянием между «стрипами» 1.25 мм. Сигнал в данном случае
снимается с обеих сторон стрипового электрода. Для улучшения эффективности детектора 12
газовых зазоров шириной 220 мкм, формируемых резистивными электродами толщиной 400
мкм так же, как и в детекторе с пэдовым считыванием, располагались в двух стеках по 6
зазоров в каждом. Стеки разделены 5-милиметровой прокладкой из сотовой панели для
выравнивания волновых свойств внутреннего и внешнего стрипа. Сигнал снимается отдельно
с каждого стека витой парой (рис.6) и на входе усилителя объединяется.
Рис.5. Устройство стрипового прототипа МРПК.
Рис.6. Считывание сигнала с электродов.
Данный полноразмерный детектор был испытан на космических частицах и пучке
дейтронов Нуклотрона. Зависимости эффективности и временного разрешения для
стрипового MRPC от поданного на него высокого напряжения показаны на рисунке 7.
Эффективность, за счет большого числа газовых зазоров, быстро достигает плато 99.8%.
Наилучшее временное разрешение ~65 пс наблюдается при напряжении около 16.5 кВ. При
дальнейшем повышении напряжения резко возрастает число стримеров и разрешение
деградирует. Временное разрешение детектора практически не меняется от положения пучка
вдоль стрипа (рис.8).
Рис.7. Эффективность и временное разрешение Рис.8. Временное разрешение вдоль стрипа.
«стриповой» МРПК от высокого напряжения.
3. Загрузочные способности МРПК.
При создании торцевых TOF детекторов нужно иметь ввиду, что в областях, близких к
оси пучка в периферических событиях ожидается большая множественность частиц (до
3000 ч/см2·с). Известно, что МРПК с обычным стеклом толщиной 550 мкм эффективно
работают при загрузках до 1 кГц/см2, поэтому необходимо было создать детекторы,
работающие при высоких интенсивностях частиц. Были выбраны два варианта решения
задачи: уменьшение толщины стекла и уменьшение его проводимости.
В 47 сеансе Нуклотрона совместно с группой физиков из университета Цинь-Хуа
(Пекин) проводились испытания МРПК на пучке высокой интенсивности. На загрузочные
способности были испытаны детекторы с низкорезистивным «цветным» стеклом с объёмным
сопротивлением 1010 Ом·см и детекторы с различной толщиной стекла. Результаты испытаний
приведены на рисунках ниже.
Прототипы с тонким обычным стеклом испытывались для использования их в
областях, где поток частиц не превышает 3 кГц/см2. Была обнаружена очень сильная
зависимость загрузочных способностей от толщины резистивных электродов из обычного
стекла. Лучшим был результат для прототипа с 350-микронным стеклом. При загрузке чуть
больше 3000 частиц/см2·с эффективность его составила 90% а временное разрешение было в
районе 70 пс (рис.9).
Прототип с низкорезистивным стеклом, как и ожидалось, показал отличные
загрузочные свойства. Его эффективность была выше 90% при загрузках до 100 кГц/см 2. При
этом временное разрешение было не хуже 80 пс. При низких загрузках разрешение детектора
достигало 50 пс (рис.10).
Рис.9. Изменение эффективности и временного Рис.10. Изменение эффективности и временного
разрешение МРПК со стеклом различной разрешения МРПК с низкорезистивным стеклом
толщины от интенсивности пучка.
от интенсивности пучка.
По результатам этих исследований было опубликовано 2 статьи:
1) A real-size MRPC developed for CBM-TOF. WeiPing Zhu, Yi Wang, ShengQin Feng, JingBo
Wang, XinJie Huang, Li Shi, V. Babkin, V. Golovatyuk, M. Rumiantcev., Science China
Technological Sciences, Изд:Springer Berlin Heidelberg, 57, 9, 2013.
2) A thin float glass MRPC for the outer region of CBM-TOF wall. Zhu Weiping, Wang Yi, Feng
Shengqin, Wang Jingbo, Huang Xinjie, Shi Li, V. Babkin, V. Golovatyuk, M. Rumiantсev, G. Eppley,
T. Nussbaum, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: 735, 277–282, 2014.
4. Трехстековый прототип МРПК.
Изучение свойств прохождения сигнала в «стриповой» МРПК показало, что для
улучшения временных характеристик детектора очень важно учитывать волновые
характеристики всей линии прохождения аналогового сигнала от места его возникновения до
усилителя. Для получения чистого (минимально искаженного) сигнала на входе усилителя
важно, чтобы все элементы линии были максимально согласованы друг с другом. Это
решается подбором кабеля и оптимизацией конструкции детектора. Не менее важно, чтобы
анодный и катодный стрипы находились в электрически равных условиях, чтобы избежать
дисперсии сигнала при различных скоростях его распространения. Лучше всего таким
условиям удовлетворяет одностековая конструкция МРПК с большим количеством газовых
зазоров. Но при большом количестве зазоров уменьшается емкость стриповой линии, что при
фиксированной ширине стрипа значительно увеличивает её импеданс и становится
проблематично подобрать кабель для считывания сигнала. Так же, для эффективной
регистрации частиц таким детектором без потери временного разрешения на высоковольтные
электроды необходимо подавать очень большую разность потенциалов (до 20 кВ), что
зачастую технически сложно.
Для решения этих задач была предложена трехстековая конструкция детектора
(рис. 11). Основной особенностью трехстековой МРПК является то, что считывающие
«стрипы» располагаются только во внутреннем стеке. Таким образом, высокая эффективность
детектора будет обеспечиваться и при небольшом количестве газовых зазоров в стеке. Одну
пару стрипов легко согласовать с кабелем, поэтому в данной конструкции практически
отсутствует проблема отражения сигнала от края стрипа. И, самое главное, катодный и
анодный стрип находятся в среде одинаковых диэлектриков. В такой линии скорость
распространения сигнала по электродам равная, поэтому отсутствует дисперсия
дифференциального сигнала.
Рис.11. Принципиальная схема трехстековой
конструкции МРПК.
Рис.12. Внешний вид трехстекового детектора для
системы ToF-400 установки BM@N.
К февральскому сеансу 2015 года было собрано несколько трехстековых стриповых
МРПК. В каждом стеке детектора по 5 газовых зазоров шириной 200 мкм разделены стеклами
толщиной 280 мкм. Такая толщина стекла была выбрана по двум причинам. Во-первых, это
уменьшает радиационную длину детектора, а, во-вторых, улучшает его загрузочные
характеристики. Активная область детектора определялась размерами стекла (300х600 мм).
Сигналы считывались с двух сторон 24 стрипов шириной 10 мм при помощи двойного витого
плоского кабеля.
Детекторы испытывались на космическом стенде и на установке «Тестовый канал
MPD» Нуклотрона. В настоящее время данные с эксперимента обрабатываются.
Предварительные результаты тестирования трехстекового прототипа представлены на
рисунке 13. Видно, что при такой конструкции детектора, его временное разрешение
значительно лучше, чем в двухстековом варианте и достигает 45 пс при напряжении 12 кВ.
Дальнейшее повышение напряжения вызывает рост числа стримеров и резкое ухудшение
временного разрешения.
Рис.13. Временное разрешение и эффективность трехстековой МРПК с стеклом толщиной
280 мкм в зависимости от высокого напряжения.
5. Компоновка детекторов в барреле MPD.
Цилиндрическая часть ToF MPD располагается в барреле между время-проекционной
камерой (TPC) и электромагнитным калориметром (ECal). Время-пролетная система будет
разделена на 12 секторов (супермодулей), расположенных вокруг оси пучка так, чтобы
геометрическая эффективность ToF была максимальной (рис.14). Каждый сектор состоит из
4-х модулей с индивидуальным газоснабжением и электропитанием. В одном из 4-х модулей
сектора TOF должно располагаться по 6 МРПК (рис.15).
Рис.14. Компоновка супермодулей ToF Рис.15. Вариант расположения детекторов МРПК в одной
(секторов) в барреле MPD.
четверти (модуле) супермодуля ToF.
Рис.16. Расположение усилителей на крышке Рис.17. Установка детекторов в газовом объеме
газового бокса модуля ToF.
одной четверти супермодуля.
Детекторы закрыты в герметичном газовом объеме. Активные области детекторов
должны пересекаться друг с другом для увеличения эффективности и для уменьшения
влияния краевых эффектов на конечный результат. Сигналы с детекторов будут выводиться
на внешнюю крышку, где будут располагаться усилители-дискриминаторы NINO. Всего в
барреле будет 288 детекторов, т.е. 13824 канала электроники. Дифференциальные сигналы с
усилителей выводятся специальными высокочастотными кабелями на края системы (рис.16),
где устанавливаются TDC, регистрирующие время пролета. Сектор должен устанавливаться в
баррель по два модуля с каждой стороны. На настоящее время изготовлены два тестовых
модуля ToF (рис.17). На этих модулях отрабатывается процедура установки детекторов и
оптимизируется общая компоновка системы.
6. Стенд для изучения прохождения сигнала через МРПК и калибровки тестирования
считывающей электроники. Считывающая электроника.
Для изучения особенностей распространения высокочастотного сигнала по стрипам
МРПК был создан стенд (рис.18). Основными элементами стенда являются быстрый
генератор AVTECH AVP-2SA-P с фронтом импульса <500пс и осциллограф LeCroy
WaveRunner 640Zi с полосой пропускания 4 ГГц. С помощью стенда были измерены
импеданс стрипов и скорость распространения сигнала при различных конфигурациях МРПК.
По результатам измерений было предложено решение проблемы согласования кабеля со
стрипами.
Рис.18. Стенд для испытания электроники во время измерения волнового сопротивления
стрипа прототипа МРПК.
Так же, на стенде тестируются новые образцы считывающей электроники для
определения их основных характеристик. К примеру, здесь были исследованы особенности
работы чипа NINO в зависимости от загрузки, напряжения питания, амплитуды и других
явлений.
Специально для установки на модули TOF BM@N и MPD были разработаны 8канальный и два типа 24-канальных предусилителя-дискриминатора на базе интегральной
схемы специализированного назначения (ИССН) NINO v2, которая была разработана для
МРПК в системе ToF ALICE. Для эксперимента MPD усилители пришлось адаптировать под
стриповые МРПК.
Рис.19. 24-х канальный усилитель на базе NINO Рис.20. 24-х канальный усилитель на базе NINO с
с разъемом VHDCI.
разъемом CXP.
–
–
–
–
–
–
Особенности предусилителя:
стабилизированное напряжение питания;
дифференциальные вход и выход;
защита от перегрузок входных каналов;
возможность использовать как триггер;
контроль и управление порогом чувствительности;
индикация питания.
Вход усилителя специально адаптирован под используемый вид камер для
согласования тракта предусилитель – камера, предупреждая отражения. Наличие защитных
резисторов на каждом канале позволяет менять предусилитель «на горячую». Выходной
сигнал стандарта LVDS. Размер 24-х канального предусилителя – 200 мм х 120 мм, 8-ми
канального – 42х47 мм. Вход и выход предусилителей полностью дифференциальные.
Выходной сигнал в стандарте LVDS. 24-канальный предусилитель сделан в двух вариантах. С
выходными разъемами типа: VHDCI (рис.19) и CXP (InfiniBand) (рис.20). На усилитель
установлен стабилизатор напряжения, что позволяет исключить дополнительную
погрешность измерений и падение напряжения на кабеле. Питание предусилителя может
напряжением от 3 В до 6 В. Джиттер между двумя каналами усилителя около 6 пс.
Для оцифровки сигналов LVDS, поступающих с выходов усилителей в отделе
НЭОАФИ были разработаны и произведены специальные 72-канальные время-цифровые
конвертеры TDC72VHL (рис.21) на основе чипа HPTDC с временной дискретизацией меньше
25 нс. Как и усилители, TDC изготавливались под оба типа разъема. В один такой модуль
VME TDC можно подключать 3 усилителя. В один крейт VME можно установить до 19 таких
TDC. Микросхема HPTDC имеет очень сильную интегральную нелинейность, поэтому для
использования в DAQ-системе были получены таблицы калибровок, после применения
которых временное разрешение одного канала TDC оказалось около 15 пс.
InfiniBand TDC
Рис.21.
Время-цифровой
преобразователь Рис.22. Электроника системы сбора данных в
TDC72VHL с разъемом VHDCI.
крейте VME.
7. Установка для тестирования детекторов на «космике».
Для тестирования детекторов в промежутках между сеансами Нуклотрона в корпусе
202 ЛФВЭ была организована лаборатория с стендом для испытания детекторов на
космическом излучении. Конструкция установки позволяет испытывать различные детекторы
с габаритами до 2х0.7 м2. Лаборатория для тестирования детекторов оснащена всем
оборудованием для быстрой проверки и модернизации детекторов.
Космический стенд включает:
– опорная конструкция из профиля Bosch-Rexroth для установки на ней системы детекторов;
– сцинтилляционный телескоп (S1-S8) по всей рабочей области испытываемых камер;
– 4-х канальная газовая система MKS-Instruments;
– быстрая считывающая электроника на базе VME (TDC, TQDC…), осциллограф с полосой
пропускания 4 ГГц;
– рентгеновская трубка;
– быстрый стартовый детектор (FFD);
– Систему медленного контроля (температура, поток газа, токи и напряжения высоковольтного
и низковольтного питания).
Рис.19. Схема установки для тестирования Рис.20. Общий вид установки в 202 корпусе ЛФВЭ.
детекторов на «космике».
8. Установка «Тестовый канал MPD».
Все детекторы для будущего эксперимента MPD необходимо постоянно тестировать на
пучках частиц для последующей оптимизации и модернизации. До конца 2013 года
приходилось использовать для тестирования существующие установки на выведенных
пучках, что было неудобно как для основного пользователя установки, так и для групп
тестирующих детекторы. К началу декабрьского сеанса 2013 года в 205 корпусе на канале 4В
была подготовлена к работе и сдана в эксплуатацию установка для испытания детекторов для
эксперимента MPD.
Установка «Тестовый канал MPD» представляет собой полную систему оборудования
и устройств для изучения детекторов на пучке. Она включает в себя:
• два «стола» из алюминиевого профиля для фиксации и юстировки детекторов и другого
оборудования вдоль оси пучка;
• прецизионное устройство позиционирования для перемещения и поворота испытываемого
детектора относительно оси пучка, управляемое удалённо;
• 3 пропорциональных камеры с 6 плоскостями (по 2 X,U,V) проволочек для трекинга и
определения профиля пучка c точностью определения координаты пролета частицы лучше 1
мм;
• сцинтилляционный телескоп из 5 быстрых счётчиков для триггерных целей и для
определения интенсивности пучка;
• газовая система, состоящая из двух газовых пультов, позволяющих создавать газовые смеси
для продува пропорциональных камер, и различных газонаполненных детекторов (MRPC,
GEM, DC и др.);
• современная система сбора данных (DAQ) на базе стандарта VME, позволяющая
контролировать работу детекторов «он-лайн», а так же записывать массивы данных для
дальнейшей обработки;
• как домик пучка, так и домик персонала полностью оборудован для комфортной и
продуктивной работы.
Первый запуск установки состоялся 29 ноября в 48 сеансе Нуклотрона. На настоящее
время установка стабильно отработала в трех сеансах. Оборудование установки постоянно
модернизируется и дополняется.
Рис.21. Общий вид установки «Тестовый канал MPD» во время работы в 51 сеансе Нуклотрона.
9. Установка BM@N. Результаты работы системы ToF-400 в первом сеансе.
На установке BM@N в 51 ускорительном сеансе тестировался элемент стенки ToF-400.
Между анализирующим магнитом СП-41 и дрейфовыми камерами была установлена
компактная алюминиевая ферма для установки детекторов. Ферма имеет возможность
перемещать систему влево/вправо относительно направления пучка. На ферме смонтирован
алюминиевый стол с профилем BOSCH, что позволяет с легкостью устанавливать и
конфигурировать детекторы на ферме.
В качестве дополнительного трекового детектора использовались 3 многопроволочные
пропорциональные камеры (MWPC) с установки TestMPD. В зависимости от периода работы
установки BM@N (на d или C12) MWPC были установлены по-разному. На дейтронах было
установлено две MWPC перед магнитом и одна после магнита. На углеродном пучке одна
MWPC стояла перед магнитом и две после магнита для определения трека вторичных частиц
входящих в детекторы ToF-400.
В качестве элементов ToF-400 были установлены две трехстековые многозазорные
резистивные плоские камеры в индивидуальных газовых боксах. Активная область
детекторов 300х600 мм2, считывающие электроды выполнены в виде стрипов (полос)
шириной 10мм и длинной 600мм. В качестве дополнительного стартового счетчика была
установлена быстрая 20 зазорная MRPC с пэдовым считыванием и активной областью
140х40 мм2. В сеансах на углероде детекторы сдвигались на 60 см влево от оси пучка для
регистрации вторичных частиц.
В 51 сеансе были использованы новые предусилители для MRPC на базе чипа NINO
двух модификаций (под кабель InfiniBand и Amphenol VHDCI). Усилители показали
стабильную работу, низкий уровень шумов и наводок в условиях реального эксперимента.
Были испытаны новые TDC72 под кабель InfiniBand разработанные в НЭОАФИ.
MWPC
MRPC TOF400
Start MRPC
Рис.22. Элементы стенки TOF400 на установке BM@N.
10. Участок для массового производства и испытания детекторов ToF.
В конце 2014 года начата сборка детекторов MRPC в корпусе №42. В мастерской по
сборке детекторов предусмотрены все условия для чистой и быстрой поэтапной сборки
детекторов. Полностью запущены в работу участки ультразвуковой мойки стекла, сушки
стекла и сборки элементов детекторов. Мойка стекол осуществляется в два этапа. Сначала
стекло моется в ультразвуковой ванне со специальными ПАВ, а после этого тщательно
промывается деионизованной водой, которая проходит очистку в специальной системе
отчистки. После мойки стекло сушится в специальном сушильном шкафу откуда поступает на
участок сборки детекторов. Такая процедура в итоге позволяет собирать детектор высокого
уровня чистоты. На участке сборки детекторов столы изготовлены из массивных гранитных
плит, что позволяет избежать деформации элементов детектора при склейке и сборке.
Детекторы для первого сеанса BM@N были полностью произведены в этой
мастерской. В 2015 году планируется ввести в эксплуатацию участок покраски стекла, а так
же участок сборки и тестирования супермодулей ToF для MPD.
Рис.23. Участок ультразвуковой мойки стекла.
Рис.24. Участок автоматической сушки стекла.
Рис.25. Чистая комната для сборки детекторов.
Рис.26. Участок сборки «супермодулей».