Детекторный комплекс AMS-02

AMS-02

AMS-02 на МКС

На рисунке – схема AMS-2 со сверхпроводящим магнитом. В космос полетел AMS-2 с постоянным магнитом.

    Детекторный комплекс AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer) создан усилиями международной коллаборации, куда входят 56 организаций из 16 стран (Германия, Дания, Испания, Италия, Китай, Мексика, Нидерланды, Португалия, Россия, Румыния, США, Тайвань, Финляндия, Франция, Швейцария, Южная Корея). Координатор проекта – С. Тинг (MIT, CERN), его заместитель – Р. Баттистон (INFN). Предшественник AMS-02 – AMS-01 был запущен на околоземную орбиту космическим челноком Discovery в июне 1998 г. и пробыл на орбите ~10 дней. AMS-02 существенно модернизирован. Запуск второй версии
(AMS-02) произведён 16 мая 2011 года в рамках миссии STS-134, а 19 мая он был установлен на МКС. Предполагаемое время его работы – 10-15 лет.
    AMS-2 первый большой магнитный спектрометр, работающим в космосе. В спектрометре используются особые, разработанные для физики высоких энергий, радиационно-стойкие сверхбыстрые микросхемы.
    AMS-2 предназначен для сбора информации о космических лучах в широком диапазоне энергии и масс, в том числе о частицах антиматерии.
    В состав AMS-02 входят: постоянный магнит, детектор переходного излучения, система времени пролета, кремниевый трекер, черенковский детектор, электромагнитный калориметр, система антисовпадений, а также GPS и система, позволяющая получать прецизионную информацию об ориентации AMS в пространстве (более точную, чем дает штатная система МКС).

Подсистемы AMS

Магнит.
Благодаря магнитному полю AMS может отделять вещество от антивещества, а по радиусу кривизны траектории оценить импульс частицы. В магнитной системе AMS-2 используется постоянный магнит, по сравнению со сверхпроводящим магнитом не имеющий жестких ограничений по сроку службы.

Детектор переходного излучения Transition Radiation Detector (TRD)

служит для идентификации ультрарелятивистских частиц, в частности для надежной дискриминации протон/позитрон. Детектор состоит из слоев радиатора между которых расположены трубочки газоразрядных детекторов Радиатор представляет из себя слой полипропилен/полиэтиленовых волокон. Переходное излучение возникает при пересечении сред пластик - космический вакуум. Газоразрядные детекторы заполнены смесью Xe:CO₂ и работают в лавинном режиме.

Система времени пролета Time-of-Flight System (ToF)

служит для прецизионного определения времени
(1.5×10^-10 с), а соответственно и скорости частиц, что позволяет различать электроны и позитроны от антипротонов и протонов вплоть до энергии ~(1÷2) ГэВ, совместно с трекером определять абсолютный заряд частиц. Кроме того система времени пролета служит для AMS триггером. Система времени пролета состоит из двух верхних и двух нижних плоскостей сцинтилляционных (поливинилтолуол) детекторов, между которыми ~1.2 м. Каждая плоскость представляет из себя набор полосок сцинтилляторов с подсоединенным к ним ФЭУ.

Кремниевый трекер Silicon Tracker
позволяет определить заряд частицы, знак ее заряда, импульс и направление прилета. Он состоит из восьми тонких (300 мкм) двусторонних микростриповых сенсоров. Стрипы на верхней и нижней поверхностях сенсора взаимно перпендикулярны. Расстояние между стрипами ~50 мкм. Пространствнное разрешение 10 мкм. Две сенсорные пластины размещены в начале и конце спектрометра, остальные находятся в поле магнита.

Черенковский детектор Ring-Imaging Cherenkov Detector (RICH)

служит для прецизионного (0.1%) определения скорости ультрарелятивистских частиц. Кроме того, в сочетании с жесткостью R = p/Z измеренной с помощью трекера, заряда Z, измеренного с помощью трекера, системы времени пролета и скорости β, измеренной с помощью черенковского детектора и системы времени пролета определяется масса

Черенковский детектор состоит из радиатора, в центральной части которого слой NaF (показатель преломления – n = 1.335), окруженный слоем аэрогеля (n = 1.03–1.05). Черенковское излучение регистрируется несколькими тысячами миниатюрных фотонных детекторов. В центре области детекторов – отверстие, которое позволяет регистрируемым в AMS частицам без помех пролететь в электромагнитный калориметр. Черенковский детектор окружен коническим зеркалом. Черенковский конус регистрируется фотонными детекторами в виде эллипса. За счет большего показателя преломления NaF раствор конуса большой и часть фотонов попадает в чувствительную область, несмотря на наличие центрального отверстия. Фотоны отражаясь от зеркала также регистрируются. С помощью алгоритма распознавания образов по зарегистрированным проекциям черенковских конусов можно реконструировать скорости частиц и углы их влета. По ширине линий можно оценить их заряд.

Электромагнитный калориметр Electromagnetic Calorimeter (ECAL)
позволяет измерять энергии электронов, позитронов или гамма-квантов, если они меньше 1 ТэВ. В космических лучах на 1 позитрон приходится 10⁵ протонов. Жесткости низкоэнергетичного протона и высокоэнергетичного позитрона могут быть одинаковы и, соответственно сепарация их в магнитном поле трекера невозможна. Аналогичная ситуация с сепарацией электрон/антипротон. Калориметр позволяет производить сепарацию протон/позитрон и электрон/антипротон. Аналогичную задачу помогает решать и детектор переходного излучения. Кроме того, калориметр позволяет реконструировать направление движения первичной частицы с точностью до нескольких градусов. Электромагнитный калориметр позволяет реконструировать трехмерный профиль ливня на 18 различных глубинах. Калориметр представляет из себя "блинчатый пирог", состоящий из 9 суперслоев. Каждый суперслой состоит из 11 свинцовых фолег толщиной 1 мм с желобками, которые чередуются сцинтиллирующими волокнами с диаметром 1 мм. Волокна сциниллятора последовательно располагаются во взаимно перпендикулярных направлениях.

Система антисовпадений Anti-Coincidence Counter (ACC)
служит для режекции событий, вызванных частицами проникающих в детектор через магнит и отбора событий только от тех частиц, которые попадают в AMS под небольшими углами и могут быть полезны для физического анализа. В AMS попадают 10⁴ частиц в секунду. Система антисовпадении исключает 80% этих событий. В частности система антисовпадений очень полезна при поиске антигелия. Высокоэнергетичные ядра, попавшие в магнит, могут взаимодействовать с его веществом. Такие события могли бы дать существенный вклад в фон. Система антисовпадений состоит из двух тонких слоев пластиковых сцинтилляторов окружающих трекер.

Если частица проходит проходит через верхний и нижний детекторы системы времени пролета (ToF), то данные трекера, TRD, RICH, ECAL, ACC и ToF собираются, обрабатываются и запоминаются.

В эксперименте AMS-01 чувствительность детектора в измерении отношения /He в диапазоне магнитной жесткости 1-40 ГВ была ~10^-6. В эксперименте AMS-02 предполагается достичь чувствительности ~10^-9.