Мюонный спектрометр детектора ATLAS

    Детектирующие треки мюонов камеры размещены во внешнем магнитном поле, создаваемом тороидальными магнитами ATLAS (п.2). Спектрометр предназначен для измерения импульсов мюонов с псевдобыстротой |η| < 2,7, что перекрывает область Внутреннего детектора. При |η| < 1,4 мюоны измеряются в центральном тороиде с воздушными зазорами (барреле), в которых размещены камеры спектрометра. Магнитное поле в основном перпендикулярно направлению мюонов, что обеспечивает минимально возможное снижение разрешения за счет многократного рассеяния. Интегральная величина поля составляет 1,5 – 5,5 Тм в барреле и от 1 до 7,5 Тм для 1,6 < |η| < 2,7. В области 1,4 < |η| < 1,6 интеграл поля ниже из-за наложения полей магнитов.
    В центральной области камеры размещены в виде трёх цилиндрических слоёв, ось которых параллельна направлению протонных пучков. На торцах и в переходной области они размещаются на трёх плоскостях, перпендикулярных направлению пучка протонов. Конструкция спектрометра предназначена для работы в условиях больших потоков частиц и обеспечивает необходимые быстродействие, гранулярность и радиационную стойкость при минимальных эффектах «старения» детекторов. Схема размещения камер магнитного спектрометра показана на рис. 5.1. Основные характеристики камер приведены в Приложении В.
    Измерения координат практически во всей области псевдобыстрот проводятся с помощью прецизионных мониторирумых дрейфовых трубок (MDT). Анодные проволоки внутри трубок надежно изолированы и хорошо позиционированы, что гарантирует высокую точность их измерений. В области 1,4 < |η| < 1,6, где существенно больше плотность потока частиц и высокий радиационный фон, измерения осуществляются с помощью многопроволочных пропорциональных камер с сегментированным на стрипы считывания катодом (CSC). Положение камер постоянно строго контролируется методами механической и оптической привязки.

Рис.5.1 Схема мюонного спектрометра ATLAS в разрезе. Обозначены положения и типы камер спектрометра и магниты, создающие внешнее поле.

    Два типа камер (RPC и TGC) обслуживают систему триггера и перекрывают область |η| < 2,4. Их задачей является определение времени пересечения сгустков протонов в области соударений, точные измерения поперечных импульсов в пороговых областях для запуска триггера и определение координат треков мюонов в направлении, перпендикулярном измерениям прецизионных камер. Камеры RPC перекрывают центральную область |η| < 1,05. На торцах при
1,05 < |η| < 2,4 установлены камеры TGC. Оба типа камер обеспечивают поступление сигнала в пределах 15-25 нс, что соответствует периоду столкновения банчей. Оба типа триггерных камер измеряют две координаты: одну в плоскости прогиба траектории (η), другую в азимутальной плоскости (φ) без прогиба траектории.
    Задача спектрометра – обеспечить измерение прогиба траектории мюона с поперечным импульсом 1 ТэВ по оси z, который равен 500 мкм, с точностью ≤ 50 мкм. Нижняя граница спектра поперечных импульсов мюонов определяется величиной потерь энергии в калориметрах (порядка 3 ГэВ) и составляет несколько ГэВ. Выше этой границы мюоны могут измеряться мюонным спектрометром автономно.

Прецизионные камеры MDT

Рис.5.2. Сечение дрейфовой трубки камеры MDT.

    Основным элементом камер MDT являются алюминиевые трубки диаметром 30 мм, заполненные смесью газов Ar/CO₂ (93/7) при давлении 3 бар. Схема трубки приведена на рис.5.2. Анодная проволока из вольфрам-рения диаметром 50 мкм находится под потенциалом 3080 В.
    Максимальное время дрейфа электронов от стенок трубки достигает 700 нс, поэтому за отсчет координаты берется время начала импульса, определяемое дрейфом с ближайшего к аноду расстояния от трека R_мин. Выбор газовой смеси обеспечивает минимальные эффекты «старения», однако не снижает требования высокой чистоты газовой системы от примесей. При планируемой светимости LHC скорость счета дрейфовых трубок может достигать 30 кГц на трубку из-за фонов.
    Слои трубок из трех или четырех рядов образуют единую структуру. Внутри камеры такие слои разделены промежутками высотой от 6,5 мм до 317 мм.

Рис.5.3. Схема камеры MDT.

    На рис.5.3 показана структура камеры с двумя слоями из трёх рядов трубок. Длина камер варьируется в пределах 1 – 6 м, ширина 1-2 м.
    Несмотря на жесткую конструкцию, из-за перепадов температур могут возникнуть деформации камер. Для их компенсации в камерах предусмотрена система контроля взаиморасположения элементов, состоящая из двух параллельных лучей лазера и двух перекрёстных, как показано на рис. 5.3. Система регистрирует деформации масштаба нескольких микрон.
    Измерения в космических лучах и на томографе показали, что положения анодов камер MDT в среднем отклоняется от номинальных на ≤ 20 мкм. Разрешение камер ограничивается внутренним разрешением трубок, составляющим ≤ 80 мкм. Для трека, пересекающего три уровня камер MDT , ожидаемая точность измерения прогиба (сагитты) ΔS = 45 мкм. Соответствующая погрешность измерения импульса составит δр/р = ΔS ∙ р/ 500 мкм, где р измеряется в ТэВ.

Камеры CSC

    Камеры из дрейфовых трубок способны справляться с потоком мюонов частотой примерно до 150 Гц/см². В первом слое камер на торцах детектора при |η| > 2 ожидаемая скорость счета выше. Для того, чтобы справиться с потоком частиц, на этих участках размещены камеры CSC со стриповым катодом. Они обеспечивают высокое пространственное и временное разрешение, способны разделять прохождение двух треков при высокой скорости счёта до 1000 Гц/см² и малой чувствительности к потоку нейтронов. Это делает возможным их работу вплоть до значении
|η| = 2,7. CSC камеры расположены на расстоянии ± 7 м от области столкновений.

Рис.5.4. Размещение восьми больших и восьми малых камер CSC в торцевой части детектора ATLAS.

    Как и камеры MDT, CSC камеры сегментированы на большие и малые по азимутальному углу. Схема их размещения показана на рис.5.4. Система CSC камер состоит из двух дисков, каждый из которых несет восемь камер (восемь больших и восемь малых). Каждая камера имеет четыре CSC плоскости, измеряющие независимо две координаты трека η и φ. Таким образом, на каждом треке измеряется четыре независимых точки. Камера CSC представляет собой многопроволочную пропорциональную камеру, проволоки которой расположены радиально (центральная проволока направлена по радиусу, а остальные параллельны ей). Оба катода имеют стрипы, на одном катоде они направлены перпендикулярно анодным проволокам, на другом параллельно. Они дают поперечные координаты. Положение трека определяется путем интерполяции заряда, наведенного при прохождении частицы на катодных стрипах. Сигнал с анодных проволок не считывается.

Рис.5.5 Схема считывания сигнала CSC камер. Ширина стрипа больших и малых камер составляет величину b = 1,519 и 1,602 мм, соответственно. Межстриповый промежуток 0,25 мм. Шаг электроники считывания а , соответственно, равен а = 5,308 и 5,567 мм. Наведенный сигнал считывается с катодных стрипов.

    Пространственное разрешение камер определяется отношением сигнал/шум и периодом считывания сигнала. Оно составляет 5,31 и 5,56 мм для больших и малых камер по направлению прогиба траектории, обеспечивая разрешение 60 мкм на камеру. В направлении без прогиба траектории разрешение составляет 5 мм. Парное измерение координат позволяет различать две одновременно проходящие частицы. Время дрейфа электронов составляет менее 40 нс, что обеспечивает временное разрешение около 7 нс на плоскость. Низкая чувствительность к нейтронам обеспечивается малым газовым зазором и отсутствием водорода в составе газовой смеси (Ar/CO₂, 80/20). Рабочее напряжение CSC камер 1900 В. Диаметр анодных проволок 30 мкм, они выполнены из позолоченного вольфрама с 3% рения. В малой камере 250 анодных проволок, в большой 402 на одну плоскость. Газовое усиление 6∙10⁴. На пути частицы по нормали создается в среднем 90 ионных пар.
    Уширение сигнала от частицы в камере может вызваться наклонным углом пересечения, испусканием δ-электрона и углом Лоренца.

Система позиционирования прецизионных камер

    В спектрометре ATLAS прецизионные камеры MDT и CSC установлены с точностью 5 мм и 2 мрад по отношению к своим номинальным позициям. Для достижения требуемой точности измерений необходимо знать их положение с точностью ≤ 30 мкм. Задачу повышения точности почти на два порядка выполняет созданная в ATLAS система позиционирования положения камер относительно друг друга и реперов. Она представляет собой плотную жестко связанную решетку, которая с помощью оптических сенсоров позволяет определять положение каждой проволоки MDT камер в пространстве мюонной системы. Общая схема позиционирования мюонного спектрометра ATLAS показана на рис.5.6. Для MDT камер в барреле оптическая система позволяет определять только относительные смещения. Для абсолютной привязки положения камер необходимо использовать алгоритмы с использованием треков.

Рис.5.6. Общая схема позиционирования мюонного спектрометра ATLAS.

    На торцах оптический путь между внутренним и средним слоем камер прерывается оболочкой криостата торцевого тороида. Поэтому используется двухступенчатая система привязки координат. Система сенсоров на торцах в целом переопределена и позволяет восстановить абсолютные координаты камер с точностью 300 мкм, а относительное положение проволок вдоль траекторий с точностью 40 мкм по прогибу. Точность позиционирования CSC камер не хуже, чем камер MDT.
    В качестве сенсоров позиционирования в мюонном спектрометре ATLAS используется три разных системы: RASNIK, BCAM и SaCam. Все они используют точки вершин жесткого треугольника оптических лучей. Оптоэлектронный приемник изображения (ССD или CMOS) отслеживает положение освещенной мишени через систему линз. Изображение на сенсоре анализируется и в результате восстанавливается четыре координаты смещения от номинальной позиции: два смещения поперек оптической оси, вращение вокруг оси и продольное смещение вдоль оси по изменению увеличения изображения.
    На рис.5.7 приведена схема оптического позиционирования трех соседний камер MDT в секторах барреля.

Рис.5.7. Схема оптического позиционирования трех соседний модулей камер в барреле мюонного спектрометра ATLAS.

Триггерные камеры мюонного спектрометра

    Триггерные камеры мюонного спектрометра обеспечивают быстрое получение информации о треках, пересекающих камеру, позволяющей триггеру первого уровня L1 определить их количество и примерную энергию. Они контролируют область |η|≤ 2.4 и всю область азимутальных углов. Это ставит сложную задачу обеспечения необходимого разрешения при измерениях в барреле и на торцах, поскольку при одном и том же значении поперечного импульса полный импульс мюона на торцах увеличивается. Если при псевдобыстроте η = 0 поперечный импульс мюона равен полному, то при |η| = 2,4 полный импульс мюона в 5,8 раз больше, чем его поперечный импульс, а величина магнитного поля увеличивается лишь вдвое. Для решения своих задач триггерные камеры на торцах должны иметь более высокое разрешение и оно должно дополнительно зависеть от |η|. Требование более мелкой структурированности триггерных камер на торцах обусловлено также тем обстоятельством, что они находятся вне магнитного поля и расстояние между их тремя слоями меньше, чем в барреле. Треки здесь не имеют прогиба, подобно трекам самых энергичных частиц с энергией в несколько ТэВ. Следует отметить, что радиационный фон на торцах достигает величины в 10 раз выше, чем в барреле. Другая сложность состоит в том, что магнитное поле в области
1,3 < |η| < 1,65 очень неоднородно. Наложение магнитных полей барреля и торцевого тороида приводит также к появлению компоненты поля по азимутальному углу, что изгибает трек в плоскости без прогиба в условиях барреля. В двух областях по η и φ поле практически падает до нуля, оставляя траектории частиц прямыми. Для того, чтобы исключить поток ложных высокоэнергичных треков из этих областей, используются маски. Это также требует высокого пространственного разрешения для минимизации потерь в триггере.  
    Триггерные камеры имеют два типа, соответственно один для барреля |η| ≤<1,05, другой на торцах 1,05 ≤|η| ≤ 2,4. В барреле используются беспроволочные камеры RPC (Resistive plate chamber). Простые в изготовлении, они обеспечивают необходимые простанственное и временное разрешение и устойчивость к деформациям плоскостей. Для торцевых областей были выбраны камеры TGC (Thin gap chamber), принцип действия которых подобен принципу действия многопроволочных пропорциональных камер.

Рис.5.8. Схема размещения триггерных камер мюонного спектрометра ATLAS.

    Для уменьшения случайных совпадений, вызываемых сигналами фоновых частиц, в триггерных камерах обоих типов предусмотрено требование независимого совпадения сигналов триггера по двум координатам η и φ. В барреле триггерные камеры имеют три слоя, на торцах четыре из-за более сложных условий.
    Схема размещения триггерных камер показана на рис. 5.8. Внешний слой камер RPC (RPC3 на рисунке 5.8) расположен на радиусе 10,2 м. Нижние слои имеют радиусы 7.8 м и 8,4 м. Они окружают средние камеры MDT. Внешние камеры RPC примыкают к последнему слою камер MDT. Всего RPC камер 544. По оси пучка третий слой камер RPC достигает значений |z| = 12,27 м. У камер TGC один слой расположен перед вторым колесом MDT камер, два слоя после него. Четвертый слой TGC находится перед самым внутренним слоем трековой системы.

Камеры RPC

Рис.5.9. Схема камеры RPC. Показаны два детектора камеры (unit).

    Внутренний и внешний слои RPC камер служат триггером мюонов с большими поперечными импульсами 9-35 ГэВ/с. Внутренние слои являются триггером для мюонов с относительно малыми поперечными импульсами 6-9 ГэВ/с.
    Камера состоит из двух детекторов. Каждый детектор имеет два детектирующих слоя, разделенных газовым промежутком в 2 мм. С обоих детектирующих слоев, стрипы которых взаимно ортогональны, считываются сигналы. Каждая RPC камера имеет, таким образом, четыре набора сигналов. Схема камеры показана на рис.5.9. Видны изображения спейсеров для поддержания газового промежутка и сложная структура стенок детекторов камеры.
    Камеры RPC работают в режиме газового усиления (avalanche mode) и производят сигнал с полной шириной на полувысоте в 5 нс и временем джиттера 1,5 нс. Для сбора и передачи такого сигнала стрипы должны иметь хорошие характеристики. Поэтому они выполнены из меди толщиной 17 мкм и имеют ширину 25-35 мм.
    Для срабатывания триггера сигнал каждой камеры проверяется на совпадение с двумя другими слоями камер по пути частицы. Для этого существует система проверки совпадений. Совпадение сигналов от слоев RPC1 и RPC2 (рис.5.8) вызывает срабатывание триггера на мюон с малым поперечным импульсом. Совпадение сигналов во всех трёх слоях RPC вызывает срабатывание триггера на мюон с высоким значением поперечного импульса.

Камеры TGC

Рис.5.10. Схема камеры TGC. Показаны анодные проволоки, графитовые катоды, слои G-10 и катодные стрипы, направленные перпендикулярно проволокам. Диаметр проволоки 50 мкм.

    Задачи камер TGC на торцах системы осуществлять триггер мюонов и измерять дополнительную координату по азимутальному углу в дополнение к измерениям MDT прогиба трека по радиусу. Радиальные измерения прогиба трека измеряются в TGC группами проволок, азимутальная координата измеряется радиальными стрипами. Схема камеры TGC показана на рис.5.10.
    Камеры TGC являются многопроволочными пропорциональными камерами с особенностью в том, что расстояние от анодной проволоки до катода (1,4 мм) меньше, чем расстояния между проволоками (1,8 мм). При использованием газовой смеси с высоким коэффициентом гашения (СО₂ и n-C₅ H₁₂, n-пентан, в пропорции 55/45) такая ячейка позволяет работать в режиме квази - насыщения, и с коэффициентом усиления 3 х 10 5.
    Высокий потенциал электрического поля между близко расположенными анодами (2900 В) обеспечивает хорошее временное разрешение для большинства треков. С вероятностью 99% сигнал от трека приходит в интервале 25 нс.
    Семь слоев камер составляют триггер. Они смонтированы в виде дисков. Внешнее кольцо камер перекрывает область 1,05 ≤ |η |≤ 1,92. Внутреннее кольцо камер перекрывает область 1,92 ≤ |η| ≤ 2,4. Камеры смонтированы в один триплет и два дублета. Структура триплета и дублета показана на рис.5.11.

Рис.5.11. Схема триплетов и дублетов триггерных камер TGC. Видны слои анодных проволок и положение стрипов на катодных плоскостях.

    Фотография большого диска с размещенными на нем TGC камерами приведена на рис.5.12.

Рис.5.12. Смонтированные на большом диске TGC камеры в шахте детектора ATLAS. Поддерживающие структуры выполнены из алюминия.