Введение
Глава 1. Задачи и структура мюонного детектора LHCb-спектрометра. Теоретические положения и принципы построения высокоэффективных быстродействующих мюонных камер 23
1.1. Задачи мюонного детектора LHCb-спектрометра 23
1.2. Cтруктура и принципы построения мюонного детектора LHCb спектрометра 27
1.2.1. Временное разрешение мюонного детектора – определение 33
1.2.2. Пространственное разрешение мюонного детектора – определение 34
1.2.3. Требования к быстродействию мюонного детектора 34
1.3. Многопроволочная пропорциональная камера – базовая технология для создания высокоэффективных мюонных камер 35
1.4. Принципы построения мюонных камер с падовой структурой различной гранулярности 37
1.5. Выбор рабочего зазора камеры 39
1.5.1. Удвоение ионизации в рабочем зазоре – ключевая концепция для построения высокоэффективных быстродействующих мюонных камер с высоким временным разрешением 43
1.5.2. Эффективность регистрации частицы на временнм интервале t 25 нс – специальная норма 47
1.5.3. Двухслойная мюонная камера как модуль и его свойства 49
1.5.4. Четырехслойная мюонная камера – повышение надежности 53
1.5.5. Другие схемы с увеличением числа кластеров первичной ионизации в зазоре 55
1.6. Пространственная гранулярность и ширина пространственного кластера – специальная характеристика и ее норма 56
1.6.1. Емкостные кросстоки в падовых камерах различной гранулярности 58
1.7. Оценка влияния на быстродействие многопроволочной камеры пространственного заряда положительных ионов, накапливаемых в зазоре при высоких загрузках 60
1.8. Статистика просчетов из-за мертвого времени канала регистрации 62
1.8.1. Неэффективность мюонных камер, обусловленная просчетами 66
Приложение 1 68
1.1. Электрические поля на электродах многопроволочной пропорциональной камеры 68
1.2. Выбор диаметра сигнальных проволочек 69
1.3. Выбор диаметра охранных проволочек 69
1.4. Выбор шага проволочек 70
1.5. Выбор длины проволочек 70
1.6. Чувствительность камеры к конструктивным несовершенствам.. 71
1.7. К оценке влияния на газовое усиление пространственного заряда 73
1.8. Аналитическая формула пространственного распределения индукции заряда лавины на катод 74 Положения главы 1 диссертации, выдвигаемые на защиту 76
Глава 2. Исследование на пучках прототипов и опытных образцов многослойных камер с падовой структурой различной гранулярности длямюонного детектора эксперимента LHCb 78
2.1. Апробация проводно го объединения двух слоев для удвоения ионизации 78
2.2. Исследование на пучках прототипов двухслойных симметричных камер с проволочными падами с удвоением ионизации в зазоре
2.2.1. Конструкция камер-прототипов и условия измерения основных характеристик 81
2.2.2. Результаты измерения временнго разрешения и эффективности регистрации частиц на временно м интервале At 25 не 83
2.2.3. Время ухода электронов из рабочего зазора камеры 88
2.2.4. Результаты измерения ширины пространственного кластера и электрических кросстоков 92
2.3. Исследование на пучках прототипов двухслойных симметричных камер с катодными падами различной гранулярности с удвоением ионизации в зазоре 95
2.3.1. Минимизация емкостных связей в конструкции камер 95
2.3.2. Ограничение размеров катодного пада принятой нормой ширины пространственного кластера 101
2.3.3. Измерение ширины пространственного кластера 102
2.3.4. Четырехслойные камеры-прототипы с катодными падами 103
2.3.4.1. Особенности конструкции
2.3.5. Результаты измерения временно го разрешения и эффективности регистрации на временно м интервале At 25 не 106
2.3.6. Время ухода электронов из рабочего зазора камеры 113
2.4. Исследование на пучках прототипов двухслойных симметричных камер комбинированного (смешанного) типа с удвоением ионизации в зазоре 114
2.4.1. Особенности конструкции исследуемых камер-прототипов 115
2.4.2. Основные характеристики двухслойной камеры 115
2.4.3. Основные характеристики четырехслойной камеры 120
2.4.4. Результаты измерения эффективности регистрации мюонов высоких энергий камерами комбинированного (смешанного) типа при высоких фоновых загрузках 126
2.5. Сравнительное исследование на пучке двухслойной асимметричной камеры и суперсимметричной камеры с катодными падами.. 127
2.5.1. Особенности конструкции камеры-прототипа 127
2.5.2. Обсуждение результатов сравнительных измерений и выводы
2.6. Сравнительное исследование двух- и трехкаскадного детектора заряженных частиц на основе газового электронного умножителя (ГЭУ) 134
2.7. Результаты исследования радиационного старения камер мюонного детектора 142
2.8. Увеличение шага проволочек и уменьшение добавки CF4 к газовой смеси в окончательной конструкции мюонных камер – проверка основных характеристик 145
2.8.1. Комментарий к работе [73] 151
Положения главы 2 диссертации, выдвигаемые на защиту 153
Глава 3. Массовое производство камер мюонного детектора. Аппаратура и методы контроля качества производства 155
3.1. Особенности конструкции камер внутренних регионов мюонного детектора 156
3.2. Элементы конструкции и технологии производства четырехслойных камер 158
3.3. Элементы конструкции и технологии производства двухслойных камер 164
3.4. Технологическое оборудование и оснастка для массового производства камер
3.4.1. Аппаратура контроля шага проволочек 165
3.4.2. Приборы контроля натяжения проволочек 167
3.4.3. Контроль герметичности камер 173
3.5. Ускоренный вывод новых камер в область рабочих и максимальных напряжений 175
3.6. Обнаружение и подавление паразитной эмиссии с катодав некоторых камерах 183
Приложение 3 193
3.1. Панели с пенополиуритановым наполнением 193
3.2. Технологическое оборудование и технологическая оснастка 194
3.3. Проверка однородности газового усиления 199 П3.
3.1. Измерение тока, созданного гамма-источником 137Cs 199
3.3.2. Измерение амплитудных спектров, созданных источником 241Am 200
3.4. Хранение камер 201 Положения главы 3 диссертации, выдвигаемые на защиту 202
Глава 4. Разработка электроники, обеспечивающей высокое временно е разрешение камер мюонного детектора и близкую к 100% эффективность регистрации частиц на временно м интервале 25 нс 204
4.1. 16-канальная плата детекторной электроники ASDQ++ 205
4.1.1. Результаты измерения радиационной стойкости ASDQ++ 209
4.2. Cпециализированная радиационно стойкая 8-канальная микросхема CARIOCA 210
4.2.1. Микросхема CARIOCA–GEM 214
4.3. Специализированная радиационно стойкая 16-канальная микросхема DIALOG 215
4.4. 16-канальная плата детекторной электроники CARDIAC 217
4.4.1. Зарядовая чувствительность канала регистрации CARDIAC 218
4.5. Новый метод реконструкции шумовых распределений в ядерной электронике 222
4.5.1. Частота Райса – интенсивность шумового счета при нулевом пороге 224
4.5.2. Определение частоты Райса через эквивалентную шумовую полосу частот 226
4.5.3. Аналитическое определение частоты Райса для зарядо-чувствительного усилителя с формированием CR-RC2 228
4.5.4. Определение параметров шумовых распределений на входе предусилителя и на выходе дискриминатора
4.5.4.1. Метод фитирования 230
4.5.4.2. Метод линеаризации и центрирования 233
4.5.5. Пример наилучшего согласования усилителя с детектором 234
4.6. Результаты измерения эквивалентного шумового заряда усилителей микросхемы CARIOCA в лаборатории 235
Приложение 4 238
4.1. Сигналы в цепях анодных и катодных каналов проволочной камеры 238
4.2. Метод формирования сигнала с подавлением ионного хвоста 240
4.3. Стабилизация базовой линии канала регистрации при высоких загрузках 242
4.4. Спектральные характеристики двух схем съема сигнала в проволочной камере – с катода и c анода 244
4.5. Оптимальное формирование для временных измерений 246
4.6. Зарядовая чувствительность, пиковое время, баллистический дефицит, сигнальная полоса частот, эквивалентная шумовая полоса частот... 251 П4.7. Схемотехника узлов микросхемы CARIOCA 252
4.8. Радиационно стойкие стабилизаторы питания детекторной электоники 256 П4.9. Формулы Райса 257
Положения главы 4 диссертации, выдвигаемые на защиту 262
Глава 5. Предустановочные тесты мюонных камер. Оптимизация режима работы мюонного детектора в шахте 264
5.1. Экспериментальная установка для тестирования камер на космических лучах в лаборатории 265
5.2. Экспериментальная установка для тестирования камер на интенсивном источнике гамма излучения 267
5.3. Предустановочные измерения и тесты камер M2R1, M3R1, M2R2,
M3R2, M4R1, M5R1 внутренних регионов мюонного детектора 269
5.3.1. Четырехслойные камеры M4R1 и M5R1 с катодными падами 269
5.3.1.1. Основные параметры конструкции камер 269
5.3.1.2. Измерение емкостей Сдет 269
5.3.1.3. Измерение шумовых характеристик 272
5.3.1.4. Тесты на космических лучах 273
5.3.1.5. Тесты на интенсивном гамма-источнике 276
5.3.2. Четырехслойные камеры комбинированного (смешанного) типа M2R1 и M3R1 с катодными падами и проволочными стрипами 279
5.3.2.1. Основные параметры конструкции камер 279
5.3.2.2. Измерение емкостей Сдет 281
5.3.2.3. Измерение шумовых характеристик 282
5.3.2.4. Тесты на космических лучах 284
5.3.2.5. Тесты на интенсивном гамма-источнике 286
5.3.3. Четырехслойные камеры комбинированного типа M2R2 и M3R2
с катодными падами и проволочными стрипами 288
5.3.3.1. Основные параметры конструкции камер 288
5.3.3.2. Измерение емкостей Сдет 290
5.3.3.3. Измерение шумовых характеристик 290
5.3.3.4. Тесты на космических лучах 292
5.3.3.5. Тесты на интенсивном гамма-источнике 295
5.3.4. Двухслойные камеры M1R2 с катодными падами 296
5.3.4.1. Основные параметры конструкции камер 296
5.3.4.2. Измерение емкостей Сдет и шумовых характеристик 296
5.3.4.3. Тесты на космических лучах 299
5.3.4.4. Тесты на интенсивном гамма-источнике 300
5.4. Результаты измерения шумовых характеристик каналов в шахте 302
5.4.1. Устранение несовершенств экспериментальной установки. 308
5.4.2. Анализ результатов измерения эквивалентного шумового заряда в шахте 311
5.5. Оптимизация режима работы камер мюонного детектора в шахте 314
5.5.1. Минимизация газового усиления 314
5.5.1.1. Баллистический дефицит усилителя микросхемы CARIOCA 316
5.5.2. Определение рабочих напряжений 318
Приложение 5 324
П5.1. Результаты прецизионного измерерния газового усиления камер 324
Положения главы 5 диссертации, выдвигаемые на защиту 326
Глава 6. Характеристики мюонного детектора, полученные на встречных протонных пучках Большого адронного коллайдера с энергией 3.5 – 4 ТэВ на пучок. Основные выводы первой сессии эксперимента LHCb 328
6.1. Результаты измерения основных характеристик мюонного детектора в шахте на космических мюонах 330
6.2. Основные характеристики мюонного детектора, полученные при энергии сталкивающихся протонов 3.5 ТэВ в сеансах 2010-2011 гг 334
6.3. Основные характеристики мюонного детектора, полученные при энергии сталкивающихся протонов 4 ТэВ в 2012 году 338
6.4. Результаты измерения эффективности и мертвого времени наиболее загруженных каналов мюонного детектора в специальных сеансах с повышенной светимостью коллайдера 341
6.5. Особенности работы эксперимента LHCb в период 2010-2012 гг.. 345
6.6. Основные выводы первой сессии эксперимента LHCb 348
Приложение 6 350
6.1. Результаты наблюдения редкого распада Bs и Bj мезонов на /л /л. 350
6.2. Планы предстоящей модернизации мюонного детектора для продолжения LHCb эксперимента при повышенной светимости Большого адронного коллайдера 353 Положения главы 6 диссертации, выдвигаемые на защиту 355
Заключение 356 Литература
