Регистрация / Вход
Прислать материал

14.610.21.0004

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.610.21.0004
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерных исследований Российской академии наук
Название доклада
Создание сверхвысокочувствительных радиационно-стойких компонентов мюонного супердетектора КМС Большого адронного коллайдера ЦЕРН для экспериментальных исследований высокоэнергетичных столкновений протонов
Докладчик
Андреев Юрий Михайлович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель проекта - создание, испытания и лабораторный запуск компонентов детекторных устройств, предназначенных для использования в составе модернизируемых детекторных установок (супердетектора КМС) Большого адронного коллайдера, в интересах приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации и обеспечения возможности проведения физических экспериментов при повышенных уровнях светимости коллайдера, в рамках реализации сотрудничества Российской Федерации с Европейской организацией по ядерным исследованиям (ЦЕРН).
Задачи проекта - разработка и создание усовершенствованных компонентов детекторных устройств супердетектора КМС, таких как
торцевая мюонная система и мюонный триггер, адронная калориметрическая система, протонные спектрометры высокого разрешения, а также удаленные центры мониторинга, анализа и сертификации данных. Кроме того, это разработка и исследование научно-технических решений для создания следующих усовершенствованных компонентов детекторных устройств супердетектора КМС - радиационно-стойких активных элементов торцевых адронных и электромагнитных калориметров; триггерных детекторов для запуска регистрации мюонов в торцевой части на основе газовых камер с газовым электронным умножением, радиационной защиты супердетектора КМС и интерфейса между ускорителем и КМС, создание специального программного обеспечения для моделирования, обработки и анализа данных, моделирования радиационных полей и остаточной радиоактивности.
Актуальность и новизна исследования
Работа выполняется в рамках модернизации супердетектора КМС на Большом адронном коллайдере (БАК) ЦЕРН. Экспериментальные исследования фундаментальных свойств материи на базе супердетектора КМС, как и других супердетекторов на БАК – это крупномасштабный международный проект, представляющий передовой научно-технический уровень современной физики высоких энергий. Экстремальные условия эксплуатации оборудования на супердетекторах БАК, в том числе на КМС, не имеют аналогов в современной экспериментальной физике высоких энергий. Анализ и практическая реализация существующих технологических и экспериментальных методик в рамках модернизации супердетектора КМС, реализация детальных исследований характеристик создаваемых усовершенствованных компонентов детекторных устройств позволят повысить качество и надежность работы КМС при работе на пучках БАК при номинальной светимости 1х10**34 см-2с-1.
Описание исследования

В рамках реализации проекта исследовалась работоспособность детекторов супердетектора КМС в условиях больших фоновых загрузок, которые ожидаются на модернизированном БАК. В частности, был изготовлен экспериментальный образец катодной стриповой камеры (КСК) мюонной станции торцевой мюонной системы для систематического изучения эффектов «старения»  в газовых координатных детекторах при наличии больших фоновых загрузок гамма-квантами.

В связи с модернизацией считывающей электроники адронного калориметра супердетектора КМС - заменой гибридных фотоумножителей на кремниевые – возникла необходимость замены регистрирующей электроники адронного калориметра. Под физические параметры новой электроники были разработаны экспериментальные образцы каркасов и модулей считывания.

Передний адронный калориметр супердетектора КМС предназначен для измерения энергии частиц с предельно большими для данной установки псевдобыстротами. Как следствие, он находится в условиях наиболее интенсивного радиационного облучения из всех детекторов. Процесс модернизации супердетектора КМС предусматривает перевод  части крейтов электроники на новый стандарт электроники с микроархитектурой для телекоммуникационных вычислений. Для включения  программного  обеспечения системы медленного контроля крейтов в центральную систему контроля на крейтах переднего калориметра был проведен стресс-тест, для чего была разработана специальная программа.

Были изготовлены экспериментальные образцы радиационно-стойких активных элементов торцевых адронных калориметров на основе стриповых сцинтилляторов и проведены исследования деградации света в сцинтилляторах. Исследование образцов с разной шириной позволило сделать выбор оптимальных размеров стриповых сцинтилляторов.

Создание и применение детектора запуска регистрации мюонов в торцевой мюонной системе на основе камер с газовым электронным умножением (ГЭУ), позволяющих регистрировать мюоны с более высокой точностью, повышает эффективность работы мюонной системы при высокой светимости пучков БАК. Важным элементом мюонной системы является система высоковольтного питания. В результате исследований был разработан вариант реализации подачи высоковольтного питания на камеры с ГЭУ с применением активного делителя.

Для обеспечения работы активных элементов торцевых адронных калориметров (АЭТАК) и считывающей электроники в полях повышенной радиации в следующий за модернизацией период работы супердетектора КМС необходимым условием для разработки  радиационно-стойких детекторов супердетектора КМС является детальное знание радиационных полей.  В 2016 г. были выполнены разработки и проведена оптимизация специализированного программного обеспечения моделирования радиационных полей и остаточной радиоактивности (СПО МРП) для моделирования радиационных полей и остаточной радиоактивности во всех возможных вариантах конфигурации супердетектора КМС с использованием распределенной компьютерной инфраструктуры на основе грид-технологий. В частности, была проведена оценка поглощенных доз и потоков частиц для АЭТАК супердетектора КМС. Рассматривалась модернизированная геометрия супердетектора КМС и интегральная светимость 3000 фб-1 при энергии сталкивающихся пучков протонов 14 ТэВ. Было показано, что в худшем случае поглощенная доза может достигать 20 МРад.

Для проверки разработанных программ моделирования и реконструкции струй основным физическим процессом было выбрано рождение бозона Хиггса в процессе слияния векторных бозонов с последующим распадом на тау-лептоны. В конечном состоянии в этом процессе образуются адронные струи различной энергии, направление которых лежит в передней и торцевой области калориметра. Эти адронные струи являются важным триггером для идентификации изучаемого процесса. Исследовалось влияние поперечной сегментации калориметра на реконструкцию струй для нового типа торцевого адронного калориметра - калориметра с высокой сегментацией. Полученные результаты использованы для оптимизации размера сегментации адронного калориметра.

Результаты исследования

В рамках исполнения проекта были разработаны, созданы и исследованы экспериментальные образцы детекторных устройств супердетектора КМС: торцевой мюонной системы, включающей мюонные станции на основе прецизионных газовых катодных стриповых камер; адронной калориметрической системы, включающей цилиндрические калориметры, торцевые калориметры, передние калориметры, малоугловые калориметры и радиационные мониторы передних калориметров; протонных спектрометров высокого разрешения, включающих прецизионные детекторы времени пролета и трековые станции; радиационно-стойких активных элементов торцевых адронных калориметров на основе стриповых сцинтилляторов и радиационно-стойких кремниевых фотоумножителей, а также на основе газовых детекторов «микромегас»; радиационно-стойких торцевых электромагнитных калориметров;  триггерных детекторов для запуска регистрации мюонов в торцевой части на основе газовых камер с газовым электронным умножением, включая систему высоковольтного питания;  радиационной защиты супердетектора КМС и интерфейса между ускорителем и супердетектором КМС. Также было разработано и протестировано новое программное обеспечение для работы всех элементов удаленного центра мониторинга, создано специализированное программное обеспечение для моделирования радиационных полей и остаточной радиоактивности во всех возможных вариантах конфигурации супердетектора КМС и при всех возможных и достижимых в перспективе режимах работы БАК, разработаны и усовершенствованы программы моделирования и реконструкции физических объектов (программа реконструкции струй на основании данных моделирования по методу Монте-Карло для различных светимостей БАК).

 

Практическая значимость исследования
Реализация проекта по созданию сверхвысокочувствительных радиационно-стойких компонентов мюонного супердетектора КМС для работы на пучках БАК при высокой светимости 5х10**34 см-2с-1 привела к созданию новых компонентов детекторных устройств для следующей фазы работы БАК. Проведенные исследования, новые электронные компоненты, технологические разработки могут найти практическое применение на аналогичных экспериментальных установках физики высоких энергий.