Структура элементов детектора ATLAS

Магнитная система ATLAS

Рис.2.1. Схема элементов магнитной системы детектора ATLAS.

    Магнитная система ATLAS является уникальной гибридной системой четырех сверхпроводящих магнитов: соленоида и трёх тороидов, одного центрального и двух торцевых. Она имеет диаметр 22 м и длину 26 м. Объем, который заполняет магнитное поле величиной более 50 мТ, составляет гигантскую величину 12 000 м³. Магнитная система установки разделяется на две компоненты: внешнюю, состоящую из тороидальных магнитов, и внутреннюю в виде соленоида. Общая схема магнитной системы показана на рис. 2.1. Внешние крылья составляют восемь секций центрального тороида. По краям между этими секциями размещены секции торцевого тороида. В центре расположен соленоид.

Внешняя магнитная система детектора ATLAS

Рис.2.2. Внешний вид секций центрального тороида детектора ATLAS в октябре 2004г.

    Сверхпроводящий тороид из восьми секций в центральной части (барреле) и двумя торцевыми частями создает поле со средним значением индукции порядка 0,5 для барреля и 1Т на торцах. Внутренний и внешний радиусы центрального тороида составляют 4,7 и 9,75 м, его длина 26 м. Для торцевого тороида эти радиусы равны 0,825 и 5,35 м соответственно, его длина 5 м. В воздушных зазорах центрального тороида размещены мюонные камеры мюонного спектрометра, осуществляющие как функции быстрого запуска системы регистрации событий (триггера), так прецизионного измерения координат и импульсов мюонов. На рис.2.2 приведена фотография секций центрального тороида детектора ATLAS, сделанная в процессе сборки детектора до размещения других элементов мюонного спектрометра, калориметров и Внутреннего детектора (октябрь 2004 г.). Это изображение служит визитной карточкой эксперимента ATLAS.
    Каждая из восьми катушек центрального тороида находится в отдельной емкости из нержавеющей стали, охлаждается кипящим гелием, заливаемым в верхней части системы. Обмотки выполнены из проводника Nb/Ti/Cu, стабилизированного алюминием Al. Охлаждение массы тороида в 360 тонн до температуры 4,6 К было проведено за 5 недель. Номинальный ток магнита составляет 21,0 кА. Величина номинального тока достигается в магните за 2 часа. Выключение тока может быть выполнено в течение 2-х часов, но может быть осуществлено в быстром режиме за 2 минуты.
    Конструкция центрального тороида весом 890 т вместе с мюонными камерами, вес которых составляет 400 т, после удаления опор сохранила строго цилиндрическую форму. Общий прогиб составил величину 22 мм, близкую к расчетной.

Рис.2.3. Силовые линии магнитного поля тороидальных магнитов детектора ATLAS в плоскости, перпендикулярной оси пучка. Размеры по осям приведены в мм. Частицы, вылетающие из точки соударения пучков (0,0) в поперечном направлении к оси пучка, испытывают максимальное воздействие на траекторию своего движения.

    Торцевые тороиды представляют собой жесткие цельные структуры весом 240 т. Это наиболее тяжелые элементы, которые пришлось опускать в шахту детектора ATLAS. Торцевые тороиды можно передвигать по рельсам вдоль направления пучка. Это обеспечивает доступ к внутренним элементам детектора при монтаже и обслуживании.
    Вакуумная изоляция тороидов создавалась диффузионными насосами. Утечка вакуума составила малую величину 10^-4 мбар×л/с.
    На рисунке 2.3 показано расположение силовых линий магнитного поля тороида ATLAS. В зависимости от радиуса R и азимутального угла φ величина поля изменяется от 0,15Т до 2,5Т со средним значением 0,5Т для барреля и от 0,2Т до 3,5Т на торцах со средним значением 1Т. Хорошая величина изгибающей силы достигается до значений псевдобыстроты |η| ≈ 2,6. В области |η| ≈ 1,4 - 1,6 интеграл поля имеет меньшую величину, так как соответствующие траектории проходят в плоскостях катушек, где их поля взаимно компенсируются.
    Детальный расчет карты магнитного поля с учетом всех металлических конструкций, мюонных камер и калориметра представляет сложную задачу. Магнитный спектрометр оснащен 1840 датчиками поля. Расчеты на основе их показаний позволяют реконструировать величину поля в каждой точке магнитного спектрометра с точностью ~1 мТ и его направление в пределах ±3 мрад. Создание и уточнение карты магнитного поля будет проводиться в период эксплуатации детектора ATLAS.

Фотография начала монтажа элементов баррель тороида ATLAS в подземной шахте.

Фотография барреля с установленными камерами магнитного спектрометра и торцевым калориметром.

Внутренний соленоид детектора ATLAS

    Ось соленоида расположена вдоль направления оси пучка и обеспечивает аксиальное магнитное поле 2Т во Внутреннем детекторе. Конструкционная задача соленоида состоит в том, чтобы минимизировать количество вещества перед электромагнитным калориметром, следующим за Внутренним детектором. Достигнутая толщина вещества составляет ~0,66 радиационных длин по нормали. При этом обмотка соленоида и жидко-аргоновый калориметр, следующий за соленоидом, размещены в общей вакуумной емкости, что позволяет избежать двойной стенки вакуумных емкостей. Внутренний и внешний диаметр соленоида составляют, соответственно, 2,46 м и 2,56 м. Длина соленоида 5,8 м. Рабочий ток в обмотке соленоида составляет 7, 730 кА. Вес катушки соленоида 5,4 т, запасенная энергия составляет 40 МДж. Отношение энергия/масса при номинальном токе составляет всего 7,4 кДж/кг (у CMS оно выше 10!). Эта величина показывает, что конструкция соленоида очень легкая, как это требуется условиями детектора. Детальное сравнение этой величины с параметрами других магнитов приведено в следующем разделе.

Рис.2.4. Внутренний соленоид детектора ATLAS в производственном помещении после завершения намотки катушек.

    На рисунке 2.4 проведена фотография соленоида в производственном помещении после завершения создания обмотки магнита.
    Соленоид включается и выключается в течение примерно 30 минут. В случае квенчинга запасенная энергия магнита поглощается энтальпией его холодной массы. Температура этой массы при этом поднимается до безопасной величины 120 К. Повторное охлаждение до рабочей температуры 4,5К осуществляется за один день.
    Обратный поток поля соленоида поглощается адронным калориметром. Магнитная карта поля внутри соленоида определяется расчетами и измерениями датчиков. Четыре сенсора размещены внутри соленоида при z ~ 0 вблизи точки соударения пучков на равном расстоянии по азимутальному углу. Точность их показаний составляет ~0,01 мТ. Они будут работать весь период функционирования детектора ATLAS.
    Возможности магнитных полей можно оценить по следующим примерам. Характерный мюон от распада W-бозона с поперечным импульсом 40 ГэВ/с имеет прогиб траектории во Внутреннем детекторе 1 мм. Мюон с импульсом 1ТэВ имеет прогиб в мюонном спектрометре 0,5 мм. Эти величины показывают, насколько важно прецизионное знание карты магнитного поля в соленоиде и детальное знание градиента магнитного поля внутри мюонного спектрометра на всей траектории мюона.

Сравнительный анализ магнитной системы детектора ATLAS

Рис.2.5 Соотношение толщин стенок соленоидов в единицах радиационных длин и величины B2R. [PDG, Phys.Lett.B 667,2008]

    Радиус соленоида ATLAS составляет 1,25 м, длина 5,3 м, магнитное поле 2Т. В установке DELPHI соленоид имел радиус 2,8 м и длину 7,4 м, но поле было 1,2Т. Только установка D0 имеет магнитное поле соленоида 2Т, но при существенно меньших размерах соленоида: радиус 0,6 м и длина 2,73 м. Количество вещества в стенках соленоида ATLAS, выраженное в относительных радиационных длинах Х/Х₀, составляет всего 0,66, минимальное среди существующих установок: CDF и D0 имеют Х/Х₀ равными соответственно 0,84 и 0,9 при радиусах 1,5 и 0,6 м. Даже небольшие отличия в количестве вещества существенны. Они определяют эффективность регистрации фотонов и разрешение при измерении их энергии в электромагнитном калориметре, расположенном за пределами соленоида. На рисунке 2.5 показано соотношение толщин стенок соленоидов в единицах радиационных длин и величины B²R, где R – радиус соленоида. Видно, что соленоид ATLAS соответствует предельным значениям по тонкости стенок при большом объеме магнитного поля.
    Магнитное поле соленоида позволяет измерить импульс заряженной частицы p по радиусу r ее траектории из выражения р = q r B , где q – величина электрического заряда частицы, или по прогибу ее траектории s = q B L² / 8p , L – длина пути в поле. В условиях коллайдера для повышения точности измерения импульса эффективнее увеличивать магнитный объем, чем величину поля: dp/p ~ p/BR² , где R соответствует радиусу соленоида. В поле тороида импульс определяется по соотношению угла отклонения и величины прогиба s. Структура поля более сложная, поскольку действует радиальное уменьшение поля ~1/R. Оптимальной структурой тороида для лучшего качества измерений служит соотношение внешнего и внутреннего радиусов равное 3-4, что реализовано в структуре тороида ATLAS.

Рис.2.6. Отношение величины энергии Е, запасенной в соленоиде, к величине холодной массы соленоида М в зависимости от величины запасенной энергии Е. [PDG, Phys.Lett.B 667,2008]

    Большие объемы магнитных полей, созданные в ATLAS, обеспечивают прецизионное измерение импульсов заряженных частиц до 1 ТэВ. Интеграл от величины поля по объему определяет величину запасенной в поле энергии. Для соленоида CMS величина запасаемой энергии составляет гигантское значение 2600 МДж, которое можно сравнить с соответствующим значением 32 МДж для соленоида ATLAS. При этом отношение величины запасенной энергии к величине холодной массы магнита Е/М максимально по отношению ко всем созданным ранее соленоидам и составляет 7 кДж/кг для ATLAS и 12 кДж/кг для CMS. Чем больше величина отношения Е/М, тем выше скачок температуры при насыщении магнита. Значения этого отношения для разных соленоидов приведены на рис.2.6.
    Магнитная система ATLAS позволяет измерять импульсы мюонов в широком диапазоне углов без использования Внутреннего детектора. Платой за это служат большие размеры установки и более высокая стоимость.