Калориметры детектора ATLAS

    Измерение струй в калориметре в области энергий нескольких ТэВ требует, чтобы толщина калориметра в единицах длин поглощения λ_вз для адронов составляла около 11 λ_вз, а в единицах радиационной длины Х₀ для электронов и фотонов около 30 Х₀ (ПДГ). Кроме того, калориметры должны обеспечить эффективное снижение фонового потока мюонов, достигающих мюонной системы. Внешний воздушно-зазорный тороид детектора ATLAS имеет достаточное внутреннее пространство для размещения калориметров с такими параметрами. Схема расположения калориметров детектора ATLAS приведена на рис. 4.1.

Рис.4.1. Система калориметров детектора ATLAS.

    Все калориметры детектора ATLAS являются составными. Они перекрывают область псевдобыстрот |η| < 4.9. Их конструкции удовлетворяют условиям, предъявляемых физическими задачами эксперимента и радиационными условиями среды. Электромагнитный калориметр (ЕМ) имеет высокую степень сегментирования в области псевдобыстрот, перекрываемых Внутренним детектором, для прецизионного измерения электронов и фотонов. Радиальная структурированность остальных калориметров обеспечивает необходимое разрешение при измерении струй и недостающей энергии Е_тmis.
    Полная толщина ЕМ калориметра детектора ATLAS составляет > 22 Х₀ в центральной части (барреле) и > 24 Х₀ в торцевых частях. Толщина адронного калориметра составляет 9,7 λ_вз в барреле и 10 λ_вз на торцевых участках. Вместе с толщиной механических креплений 1,3 λ_вз это составляет необходимые 11 λ_вз для эффективного поглощения фона мюонов и надежного измерения недостающей энергии.
    Последнее особенно существенно при поиске суперсимметричных частиц.
    Количественные характеристики калориметров детектора ATLAS приведены в Приложении Б.
    Ниже приведено описание основных элементов калориметрии ATLAS.

Жидкоаргоновый (LAr) электромагнитный калориметр (ЕМ)

    Электромагнитный LAr калориметр ATLAS состоит из центрального блока (барреля), соответствующего области псевдобыстрот |η| < 1.475, и двух торцевых блоков, перекрывающих области 1,375 < |η| < 3.2. Каждый их этих трех элементов размещен в собственном криостате. Как уже отмечалось, соленоид ATLAS находится внутри барреля ЕМ калориметра и в целях уменьшения количества вещества перед калориметром он помещен в единый вакуумный корпус с калориметром. Центральный блок электромагнитного калориметра состоит из двух идентичных частей, разделенных в центре при z = 0 промежутком в 4 мм. Каждый торцевой калориметр состоит из двух коаксиальных колес: внешнего, перекрывающего область 1,375 < |η| < 2,5, и внутреннего, соответствующего области 2,5 < |η| < 3,2.
    Активным веществом ЕМ калориметра служит жидкий аргон, находящийся при температуре около 160 К, веществом поглотителя служит свинец. Слои поглотителя и электродов, выполненных из каптона, имеют ребристую форму аккордеона. Это обеспечивает полную симметрию калориметра по азимутальному углу и быстрый сбор сигнала на электроды. Толщина слоя абсорбера оптимизирована в зависимости от значения псевдобыстроты |η| с целью обеспечения наилучшего энергетического разрешения калориметра. Слой LAr в торцевых блоках увеличивается с радиусом калориметра. В области, отвечающей прецизионной физике и использованием Внутреннего детектора |η| < 2,5, ЕМ калориметр разделен на три секции по глубине. Внутреннее колесо торцевого калориметра состоит из двух секций по глубине и имеет большую коаксиальную гранулярность, чем остальной калориметр.

    На рисунке 4.2 показана форма считывающих электродов в разных частях ЕМ калориметра.

Рис.4.2. Рисунок расположения электродов ЕМ калориметра ATLAS. Размеры приведены в мм. Два верхних электрода для барреля, нижний слева для внутреннего колеса, справа для внешнего. Видны два или три разных слоя по глубине. Масштаб всех рисунков одинаков.

    На рисунке 4.3 приведена схема сектора барреля ЕМ калориметра. Фотографии секторов ЕМ калориметра показаны на рис.4.4.

Рис.4.3. Рисунок модуля барреля ЕМ калориметра. Видны его три слоя и расходимость электродов по азимутальному углу φ. Вес половины барреля 57 т.

     Фотографии секторов ЕМ калориметра показаны на рис.4.4.

Рис.4.4. Фотографии секторов барреля (справа) и торцевого (слева) ЕМ калориметра детектора ATLAS. Ось пучка на левом снимке направлена вверх. На правом снимке видны семь структур механической поддержки конструкции калориметра.

    Электроды считывания представляют собой три медные пластины, разделенные изолирующими полиимидными слоями. Каждая половина барреля содержит 1024 абсорбера в форме аккордеона. Электроды размещены посередине расстояния между абсорберами. Дрейфовый промежуток с каждой стороны электрода равен 2,1 мм, что соответствует полному времени дрейфа 450 нс при рабочем напряжении 2000 В.
    В области псевдобыстроты |η| < 1,8 перед калориметром помещен детектор пресемплер. Его задачей является определение поправки на энергию, потерянную электронами и фотонами до калориметра. Он состоит из активного слоя LAr толщиной 1,1 см в барреле и 0,5 см в торцевых областях. Суммарное количество каналов электроники считывания ЕМ калориметра с пресемплером составляет 173 тысячи, 14 тысяч каналов электроники предназначены для калибровки калориметра.

Адронный Тайл-калориметр

Рис.4.5. Схема сектора центрального блока тайл-калориметра детектора ATLAS.

    Адронный Тайл-калориметр размещается снаружи корпуса ЕМ калориметра. Это составной калориметр с абсорберами из стали и сцинтиллятором в качестве активного вещества. Он состоит из трёх блоков барреля. Центральный блок длиной 5,8 м соответствует параметрам псевдобыстроты |η| < 1,0. Боковые блоки расширенного барреля имеют длину 2,6 м и перекрывают области
0,8 < |η| < 1,7. По азимутальному углу калориметр состоит из 64 модулей. Его внутренний радиус составляет 2,28 м, внешний 4,25 м. По радиусу калориметр сегментирован на области с толщиной 1,5 λ_вз, 4,1 и 1,8 λ_вз в центральном блоке. В боковых блоках он разделен радиально при толщинах 1,5 λ_вз, 2,6 λ_вз и 3,3 λ_вз.
    Две стороны сцинтилляционной пластины считываются оптическими волокнами со сдвигом по длине волны в два независимых фотоумножителя. Ячейки считывания, сгруппированные оптическими волокнами в фотоумножители, по η проектируются в направлении области соударения пучков. На рисунке 4.5 показан чертеж модуля тайл-калориметра, где отмечено положение стальных пластин и пластин сцинтиллятора, оптических волокон и фотоумножителей. Диаметр оптических волокон 1 мм. Для считывания сигналов с помощью 450 тысяч оптических волокон с пластин сцинтилляторов и формирования ячеек калориметра была разработана новая технология. Оптические волокна, по четыре нити в центральном барреле и по три в боковых модулях, заключены в тонкие пластиковые трубки. Они обеспечивала сегментацию считывания сигналов по глубине калориметра.
    На рис. 4.6 приведена схема продольной сегментации тайл-калориметра.

Рис.4.6. Продольная сегментация тайл-калориметра центрального блока (слева) и боковых блоков.

    Пластины сцинтиллятора сделаны из полистирола, имеют толщину 3 мм, размер по азимуту варьируется от 200 до 400 мм, по радиусу от 97 до 187 мм. При пересечении заряженной частицей сцинтиллятора в его веществе продуцируется ультрафиолетовое излучение, конвертируемое в видимый свет специальными добавками в составе сцинтиллятора. Свет собирается и от каждой пластины сцинтиллятора транспортируется оптическими волокнами к фотоумножителям.
    Сцинтилляторы тщательно проверялись по стабильности световыхода и длины поглощения света. Все размеры конструкции выдерживались с допуском ± 0,1 мм. Испытания показали, что после 10 лет работы потери световыхода в самой радиационно загруженной области калориметра составят менее 10%.

Торцевой LAr адронный калориметр

    Торцевой адронный LAr калориметр (HEC) расположен за торцевым ЕМ калориметром в одном с ним LAr криостате и состоит из двух колес. Он перекрывает область псевдобыстрот 1,5 < |η| < 3,2. Он перекрывает область Тайл-калориметра на интервал псевдобыстроты 0,2 и захватывает на 0,1 область псевдобыстрот переднего калориметра. Каждое колесо состоит по азимуту из 32 идентичных модулей и состоит из двух секций по глубине. Ближайшие к области соударений секции имеют поглотитель в виде медных параллельных пластин толщиной 25 мм, в удаленных секциях медные пластины имеют толщину 50 мм. Внешний радиус пластин 2,05 м, внутренний 0,475 м. В области перекрытия с передним калориметром он меньше и составляет 0, 372 м. Зазор между пластинами, заполненный жидким аргоном в качестве активного вещества, составляет 8,5 мм. Рисунок 4.7 показывает структуру модуля HEC.

Рис.4.7. Структура модуля торцевого жидкоаргонного калориметра ATLAS.

    Фотография на рис.4.8 показывает колесо калориметра после полной сборки. На внешней стороне видны блоки электроники. Торцевой адронный LAr калориметр имеет 5 632 каналов электроники считывания. Предусилители электроники считывания HEC выполнены на основе GaAr электроники и в условиях низкой температуры обеспечивают оптимальное отношение сигнал/шум. С каждой ячейки регистрируется отдельный сигнал.

Рис.4.8. Колесо торцевого LAr адронного калориметра после сборки.

    Важной особенностью HEC является его способность измерять мюоны и любые иные ионизационные потери. Ионизационные потери мюонов и их треки измеряются в HEC и в тайл-калориметре.

Передний LAr калориметр

Рис.4.9. Структура торцевого криостата, в котором заключены модули электромагнитного и адронного LAr торцевых калориметров и передний LAr калориметр. Внешний радиус криостата 2,25м, длина 3,17м.

    Передний жидкоаргоновый калориметр интегрирован в торцевой криостат, изображенный на рис.4.9, что создает однородность калориметрии и поглощает фон перед мюонными камерами. Для уменьшения альбедо нейтронов в объеме внутреннего детектора плоскость переднего калориметра сдвинута на 1,2 м относительно передней плоскости электромагнитного торцевого калориметра и находится на расстоянии 4,7 м от области соударений. Это уменьшает его возможную толщину и повышает требования к его плотности. Передний калориметр имеет толщину 10 λ_вз и состоит из трёх модулей в каждом торце. Передний модуль, выполненный из меди, оптимизирован для измерения электромагнитных каскадов. Два последующих модуля, выполненные из вольфрама, предназначены для измерения адронных взаимодействий. Каждый модуль представляет собой металлическую матрицу с отверстиями, в которых размещены стержни и трубки электродов, параллельные оси пучка. Жидкий аргон в промежутках между стержнями и трубками создает активную среду калориметра. Технология позволяет строго контролировать промежуток между электродами, толщина которого в первом модуле составляет всего 0,27 мм и 0,5 мм в последнем. Малая толщина промежутка позволяет избежать проблем с ионными загрузками. Полное время электронного сигнала в электромагнитном модуле составляет 60 нс.

Рис.4.10. Структура модуля переднего калориметра. Матрица, трубки и стержни внутри трубок, с которых снимается сигнал.

    Структура модуля переднего калориметра показана на рис. 4.10. Область псевдобыстрот переднего калориметра 3,1 < |η| < 4,9. Количество каналов считывающей электроники 1762.
    В создание калориметров ATLAS большой вклад внесли российские физики и ОИЯИ. Изготовление и сборка секторов тайл-калориметра, его сцинтилляторов и оптической системы считывания и калибровки, изготовление электродов считывания, дизайн и создание торцевого адронного LAr калориметра – области их вклада.