Разработка конструкции и создание модульного ядерного абсорбера адронного тайл-калориметра установки АТЛАС

В современной физике элементарных частиц первостепенное внимание отводится экспериментам нового поколения в ТэВ-ном диапазоне энергий на сооруженном в Европейском Центре Ядерных Исследований Большом I.

Адронном Коллайдере (LHC).

Как известно, принципиально важную часть экспериментальных установок при высоких энергиях неизменно составляют калориметры. Проектные требования к калориметру определены исследовательской программой на коллайдере, предусматривающей решение наиболее актуальных проблем современной теории элементарных частиц в опытах по физике тяжелых кварков, поиску бозонов Хиггса и в других опытах с целью обнаружения новых явлений за пределами Стандартной модели. С помощью калориметров измеряют величину энергии и определяют направление частиц и струй, рожденных в первичном акте взаимодействия. Эти данные необходимы для восстановления процесса столкновения, идентификации вторичных частиц и определения кинематических параметров продуктов взаимодействия.

В монографии Р. Вигманса «Калориметрия"* приведены весьма полные сведения об опыте сооружения калориметров и достигнутых с их помощью фундаментальных результатов в современных экспериментах по физике высоких энергий. Монография дает также анализ перспектив использования калориметров в планируемых экспериментах в ТэВ-ной области на Большом Адронном Коллайдере с помощью установок ATLAS** (рис.1) и CMS***. В проектирование и сооружение этих спектрометрических комплексов крупный.

Richard Wigmans. Calorimetiy. Energy Measurement in Particle Physics. Clarendon Press. Oxford. 2000.

ATLAS-A Toroidal LHC Apparatus.

CMSCompactMuon Solenoid arrel Toroid Inner Detector.

Hddrornc Calorimeter*.

Shi ?elding.

Muon Detector!

Forward.

Detector churiictvmlk^ Width: 44m Did meter: 22m Weight: 7000t.

Са1опте (ег1.

End Сар Тогч^.

Рис. 1. Схематическое изображение установки АТЛАС. вклад внесли лаборатории ОИЯИ (ЛФВЭ, ЛЯП, ЛИТ), ведущие исследовательские центры России (ИЯИ РАН, НИИЯФ МГУ, ИФВЭ и др.), Западной Европы и США.

Названные установки содержат мощные калориметрические системы, различия в которых обусловлены различиями в программах первоочередных экспериментов и долгосрочных физических задач.

Принципиальной отличительной особенностью адронного тайл-калориметра АТЛАС11' является то, что в этом самом крупном из когда-либо сооружаемых калориметров такого типа, достигнуто совмещение характеристик (разрешение, линейность, герметичность.), адекватное исследуемому диапазону ТэВ-энергнй на ЬНС.

Это достижение вытекает из оригинальной принципиальной схемы конструкции (двойная замкнутая арка, расположение пластин абсорберов и сцинтилляторов перпендикулярно пучкам) и ряда специальных конструктивных решений.

Проектное разрешение адронного калориметра установки АТЛАС и его линейность ±2% определены энергетическим диапазоном струй, частиц и величиной «потерянной энергии», обычно ассоциируемой с нейтрино.

Tile Barrai Tile Entended Во ri el рмг.

LAr CM Endcap (EWfCl.

LAr Had ron le.

Cud с up {НЕС) lArEM Borrel.

Calorimeter [rCAl).

Рис. 2. Схема расположения калориметрической системы АТЛАС (слева) — модуль баррельной части адронного калориметра (справа).

Несколько примеров. Разрешение адронного калориметра ДЕЛФИ* было 100%/^? — на CMS** оно составляет100%/7£ ® 5%(для быстрот |tj|<3.2).

Адронный тайл-калориметр установки АТЛАС[2,3] имеет сотовую структуру: сцинтиллируюшие пластины (тайлы) вставлены в стальной поглотитель и считываются спектросмещающими оптическими волокнами (рис.2). Abren P. Et al (1996). Nucl Instr. and Meth. A378, 57. The CMS Hadron Calorimeter Technical Design Reportreport CERN/LHCC/97−33.

Калориметр состоит из трёх секций: центральной (баррель) и двух дополнительныхкаждая секция собрана из 64 модулей клиновидной формыдлина и вес модуля в центральной части калориметра равны соответственно 5.6 м и 20 т, а в дополнительных частях — 2.8м и Ют. Модуль строится из субмодулей, установленных с требуемой относительной линейной и угловой точностью на общем основании — прямой мощной балке.

Необходимо выполнение ряда жёстких проектных требований по точностям к механической сборке модулей. Основное из них — допустимая неплоскостность боковой поверхности модуля (1.9м х 5.6м): она не может превосходить 600 микрон. Эта точность высока и её достижение представляет собой сложную инженерно-техническую задачу, если учесть вес и габариты модуля и специфику его структуры: модуль, по сути дела, набран из стальных пластин (ядерных поглотителей, рис.2), а общее количество абсорберов в калориметре — несколько сот тысяч с производственным допуском на габаритные размеры ±100 мкм и по толщине ±30 мкм. Вес абсорбера в калориметре составляет несколько тысяч тонн. Для достижения наиболее приемлемого сочетания требований физики, технологии и точности производства в конструкции модулей калориметра установки АТЛАС применены комбинации соединений: клеевые, болтовые и сварные.

Принципиальная конструктивная схема калориметра, определяемая физическими требованиями, должна быть обеспечена адекватными технологиями производства компонентов, имеющего промышленный масштаб, равно как и технологией сборки субмодулей, модулей и полномасштабного калориметра. Понятно, что на всех названных стадиях потребовалась разработка и применение соответствующих методов прецизионного метрологического контроля, включая методику лазерного контроля*-4−1, внедренных в современную практику сборки особо крупных детекторов.

Очевидно поэтому, что в задаче выступают 3 ключевых проблемных этапа:

1. Высокоточное промышленное производство ~ 300 000 штук компонент субмодулей: мастерных и спейсерных пластин.

2. Высокоточная сборка субмодулей и их высокоточное позиционирование на общей балке в модуле.

3. Создание и применение методов прецизионной метрологии для контроля точности сборки полномасштабного ядерного абсорбера тайл-калориметра.

Субмодули при сборке модулей должны быть установлены на общую балку так, чтобы положение их оси симметрии было вертикально с точностью 0.15мм /1.6м, что соответствует 8-й степени точности при машинной обработке деталей. Достижение подобной точности (при том, что один модуль содержит 19 субмодулей каждый весом около 1 тонны) стало возможным благодаря разработке и внедрению в ОИЯИ уникального метода лазерного контроля.

Спейсерные пластины (18 шт. На 1 период) шт I г гШа еЫЗ ЕЫЭ 1.1 /| ' Т.

120 101.

А' 'ц' 'ц' У ЧяЖ.

I I г.

I 17 Г.

I!

II.

II.

Мастерныв пластины,.

2.6 А Л йш.

41 отв.

2.6.

Рис. 3. Схематичное изображение одного из 55 периодов метрового прототипа субмодуля.

Разворачиванию в ОИЯИ полномасштабного производства субмодулей и модулей предшествовали принципиально важные этапы научно-исследовательских работ и опытно-конструкторских разработок. Успешное завершение этих этапов продемонстрировало сотрудничеству АТЛАС, что в ОИЯИ имеются необходимые специалисты и техническая база для создания центральной части адронного тайл-калориметра.

Этими этапами были:

• создание в кратчайшие сроки (в течение 3 месяцев в 1994 г.) метрового прототипа субмодуля калориметра с качеством исполнения1−5-1, уверенно поставившим ОИЯИ в число ведущих участников международной коллаборации,.

• создание в ОИЯИ в 1996 г. полномасштабного прототипа модуля, т.н. «модуля-0» (этот факт был отражен на страницах престижного научного журнала «Nature»), высокое качество сборки которого и продемонстрированная методика прецизионного контроля решили вопрос о сборке именно в Дубне всех 65-ти шестиметровых модулей.

Разработка и применение созданной в ОИЯИ методики лазерного контроля точности сборки (~50 мкм) шестиметровых, 20-тонных модулей, кроме достижения нужных точностей позволили наладить высокий темп производства — 2 модуля за месяц. Поддержание данного темпа гарантировало выполнение международного обязательства ОИЯИ в срок: 3 июля 2002 года последний, 65 модуль адронного тайл-калориметра был доставлен в ЦЕРН.

Решив сложную научно-техническую проблему прецизионной сборки модулей калориметра, сотрудничество в последующем экспериментально измерило^ параметры калориметра. При исследовании в тестовых сеансах модулей калориметра было установлено, что калориметр АТЛАС соответствует требованиям эксперимента по.

Л- ?А.-Ж.А'" Л—.'-' энергетическому разрешению 50%/ 4Ё ®-Ъ% и линейности ±2% [3], что ставит его в число наиболее точных устройств подобного типа.

Выводы к диссертации.

1. Предложены принципиально новые решения ряда ключевых структурных элементов ядерного абсорбера адронного тайл-калориметра АТЛАС. Эти решения составили существенную часть раздела «Механика» Технического Проекта (ТБ11) АТЛАС.

2. Подготовлено и реализовано контролируемое массовое производство 300 000 шт. стальных пластин ядерного абсорбера адронного тайл-калориметра АТЛАС.

3. Созданы главные структурные элементы адронного калориметра — субмодули и модули, для чего были разработаны и организованы производственные участки и методика контроля, обеспечившая достижение проектных допусков.

4. Сконструированы и изготовлены транспортные опоры для перевозки в ЦЕРН 20-ти тонных модулей и специализированное подъемно-такелажное оборудование, включая легко монтируемые траверсы.

5. Разработаны технологические схемы и осуществлена сборка трех секций адронного калориметра установки АТЛАС с применением принципа шиммирования, выполнением контрольных измерений и предсказательного расчета эволюции формы баррелей в процессе их сборки с достижением жестких допусков (0,1%) на диаметры и плоскостности (0.02%) торцевых поверхностей.

6. Предложено и реализовано решение ключевой проблемы монтажа баррелей: весом 64-го модуля «ветви» барреля раздвигаются в пределах упругих деформаций.

Благодарности.

Работы по программе ЬНС в ОИЯИ всегда были в центре внимания дирекции ОИЯИ и лично академика РАН А. Н. Сисакяна, что я постоянно ощущал в своей практической деятельности и за что я глубоко признателен Алексею Норайровичу Сисакяну.

Я выражаю глубокую признательность моему научному руководителю проф.Ю. А. Будагову за постоянную научную поддержку в период работы по проекту тайл-калориметра в 1994;2008 г. г. и ценные критические замечания по диссертации.

Результаты, составившие основу данной диссертации, получены по программе исследований, выполняемых в ОИЯИ под общим научным руководством проф. Н. А. Русаковича в соответствии с ПТП Института и Соглашением о сотрудничестве ОИЯИ-ЦЕРН в эксперименте АТЛАС на БАК (ЬНС).

Н.А.Русакович всемерно содействовал достижению выполнения в ОИЯИ плана работ по установке АТЛАС, принципиальной частью которой является адронный тайл-калориметр, в создании которого мне довелось участвовать.

Я выражаю искреннюю благодарность дирекции ЛЯП в лице проф. А. Г. Ольшевского за внимание и всестороннее содействие в работе.

Я глубоко признателен коллаборации АТЛАС за доброжелательность и содействие в моей работе на всех этапах сотрудничества на протяжении более 14-ти лет.

Я ценю годы сотрудничества с Алексеем Норайровичем и Юлианом Арамовичем по проекту ЗБС/БЗС-ЬаЬ, приведшие меня в АТЛАС.

Моя огромная благодарность сотрудникам, принимавшим непосредственное участие в этой работе в ЛЯП, в ЦЕРНе и прочих местах, чей труд, несомненно, способствовал успеху работы. Это.

ОИЯИ: В. А. Аносов, С. П. Баландин, В. Ю. Батусов, П. М. Былинкин, В. И. Данилов, Д. Л. Демин, В. К. Ефимов, Ю. А. Жаднов, В. И. Коломоец, Ю. А. Кульчицкий,^{О.Ф.Ломакин,} М. В. Ляблин, А. Д. Новиков, Н.Д.Новоже-нин, Е. Поминов, В. М. Романов, В. В. Сазонов, В. Г. Сазонов, А. В. Сазонова, Е. В. Сметанина, Ю. А. Сорокина, С. Н. Студенов, Ю. А. Туманов, В. А. Уткин, В. Б. Флягин, Д. И. Хубуа, И.Е.Чириков-Зорин, А. С. Щелчков, С. А. Юхимчук.

Я выделяю В. М. Романова как близкого коллегу, общение с которым на протяжении всех лет было неизменно интересным и ценным.

В решении многочисленных научно-практических и организационных вопросов я всегда встречал поддержку Д. И. Хубуа. ЦЕРН: Б. Брунель, Ж.-К.Гайде, Б. Дютен, А. Енрике, К. Лассер, М. Несси, Л. Роз-Дулсина, Ф. Россе, Б. Станек,.

Россия: В. Афонин, А. Васин, Н. Колесников, Ю. Никитин, А. Б. Фенюк, Беларусь: И. Жих, А. С. Курилин, П. П. Кужир, Н. М. Шумейко, Испания: Давид Кал-Дерон, Диего Кал-Дерон, Л. Мираллес, Х. Феррер, Италия: Т. Дел-Прете, Польша: Я. Блоцки,.

Румыния: Ф. Деак, С. Дита, Г. Попенечиу, И. Райчу, В. Рокаш, Словакия: Л. Адамчик, С. Я. Дубничка, С. Токар, США: В. Гуарино, Д. Проудфут, Н. Хилл, Чехия: Ш. Валкар, Р. Лейтнер, С. Немечек, М.Сук.

На протяжении всего периода создания установки АТЛАС автор работал рука об руку с большим количеством коллег из многих научных центров и производственных коллективов. Большой успех в создании компонент субмодулей и модулейсборка, транспортировка и геометрический контроль модулеймонтаж цилиндров тайл — калориметра АТЛАС как на поверхности, так и под землей, а также проектирование, производство, изготовление и использование многочисленного технологического оборудования были бы невозможны без объединения усилий многих специалистов: физиков, инженеров, техников и механиков. В связи с этим автор выражает огромную благодарность всем коллегам независимо от величины их конкретного вклада в общее дело и приносит искренние извинения всем тем, кто не вошел в этот список по какой-либо причине.