Проекты XXI века

Уникальный детектор для NA62

Изображение нового детектора - строу-модуля для работы в вакууме, можно увидеть в новостных сюжетах об ОИЯИ и фотоотчетах о пребывании представительных делегаций на территории ЛФВЭ. Однако по сравнению с масштабными преобразованиями для ускорительного комплекса NICA/MPD разработка и создание этого оборудования остается немного в тени. Тем не менее о ней следовало бы рассказать, поскольку здесь используются как новейшие технологии, так и опыт конструкторов, физиков, инженеров ОИЯИ, приобретенный не одним поколением ученых.

Предназначен строу-модуль для использования в магнитном спектрометре (Straw Tracker) эксперимента NA62 (ЦЕРН), продолжающего исследования сверхредких распадов каонов. Напомним, что основные результаты серии предыдущих экспериментов - NA48, NA48/1 и NA48/2 (лидер проекта в ОИЯИ и споксмен эксперимента NA48/2 профессор В.Д.Кекелидзе) вошли в число лучших экспериментальных достижений ЦЕРН и отличались высокой точностью измерений. В продолжение традиции высокоточных экспериментов был предложен эксперимент NA62 по исследованию так называемой "золотой" моды распада заряженного каона на пион и два нейтрино.

- Статистика событий распадов каонов в NA62 должна быть на два порядка больше, чем мы получали в NA48, - говорит заместитель директора ЛФВЭ Юрий Потребеников. - Относительная вероятность такого распада - несколько единиц на 10^-11, и для его выделения необходимо различными методами подавить фон. За два года эксперимента мы хотим получить порядка 100 распадов, а фон должен быть не более 10 процентов. То есть аппаратура должна сработать по максимуму, остальное сделает математика. Поэтому, хотя новый эксперимент считается продолжением NA48, было решено сменить всю аппаратуру, и даже название проекта поменяли, поскольку из всего основного оборудования остается только жидкокриптоновый калориметр, созданный, кстати, при участии ОИЯИ. Всего нужно сделать 4 новых базовых детектора. Первый и основной - Straw Tracker, чтобы измерить пион, образующийся после распада каона, точнее, его импульс и угловые параметры.

Straw Tracker представляет собой набор из 8 строу-модулей, образующих попарно 4 четырехкоординатных строу-детектора, которые будут работать в вакууме. Базовый элемент строу-модуля - строу-трубки из майлара диаметром 9,8 мм и длиной 2320 мм, в которые подается газ. Они вклеиваются с высокой точностью (±100 микрон) индивидуально в 4 слоя на координату в прямоугольную раму и должны обеспечить реконструкцию пространственной координаты трека, проходящего через спектрометр, с точностью порядка 80 микрон в каждом строу-детекторе. Трудно представить, какой труд стоит за этими цифрами. Выбору параметров и технологий предшествовала огромная работа по разработке предложений, подбору материалов, заказчиков. Например, было необходимо поместить в вакуум тонкостенную дрейфовую трубку, и это оказалось не так просто осуществить, поскольку растягивается материал, из которого изготовлены трубки, и они деформируются. Готовые трубки от известных изготовителей не подходили, пришлось разработать собственную технологию их производства с помощью ультразвуковой сварки. Работы шли в течение четырех лет, и теперь шов 36-микронной майларовой трубки выдерживает 9 атм давления (сам майлар такой толщины, к слову, выдерживает 10 атм), то есть шов по своей надежности максимально приближен к материалу.

- Трубку нужно делать очень качественно, - продолжает Юрий Константинович, - потому что если она порвется, возможно, придется даже остановить эксперимент (конечно, в реальном детекторе сделана защита от такой критической ситуации), а только для восстановления необходимого вакуума требуется до 15 дней. За это время может и сеанс закончиться. Это неэффективное использование работы ускорителя, и результатов не получить. Поэтому, чтобы убедиться в качестве трубок, мы проводим целый ряд тестов. Финальный тест - три месяца трубка держится под избыточным давлением 1,5 атм, она закрывается с двух сторон, за это время трижды делается измерение давления внутри. Трубки, которые "текут" больше, чем допуск, мы отбраковываем, и только те, что прошли испытание, ставим внутрь детектора. На начальном этапе, пока мы разрабатывали технологию, у нас было до 10 процентов брака, а в конце, когда за 2,5 года уже было сделано порядка 6000 трубок, брак уменьшился до 2 процентов. Кроме того, очень жесткое требование предъявляется к точности диаметра трубок (±25 микрон). Это связано с последующим креплением. Еще одна из трудностей - плохая адгезия (сцепление поверхностей разнородных твердых или жидких тел - Г.М.) майлара. Поэтому майлар, произведенный на фирме DuPont, был специально обработан с одной стороны, чтобы улучшить адгезию к эпоксидному клею, а сам клей подобран по максимальной адгезии и оптимальной текучести из нескольких десятков образцов. Нанесение золота (золотое покрытие служит для предотвращения газовой течи, а также является катодом дрейфовой трубки) было сделано в Швейцарии, поскольку в России такие работы не проводят из-за сложностей организационного характера.

Что было сделано в плане организации производства?

Мы прежде всего создали участок в Модульном корпусе ЛФВЭ - поменяли систему вентиляции, фильтры заменили, двери и так далее. И здесь уже изготовили более 6500 трубок практически трехметровой длины. Сборку детектора начинали в ЦЕРН, первый модуль собирался объединенной командой ОИЯИ-ЦЕРН более 1,5 лет. Затем, чтобы уложиться в определенные проектом эксперимента сроки, организовали участок и здесь. Сейчас в ЦЕРН нашими техниками закончена сборка четвертого модуля. Первый модуль испытан в вакууме на реальном пучке SPS ЦЕРН и показал свою работоспособность. В мире еще не было такого большого детектора, работающего в вакууме, были только прототипы. Первый модуль, собранный в Дубне, в октябре этого года был отправлен в ЦЕРН. Его отправка тщательно готовилась: проектировалась, изготавливалась и исследовалась специальная оснастка, тщательно подбирался автомобиль для транспортировки. После поставки наши сотрудники поехали в ЦЕРН, проверили. Все работает, все нормально. Сборку второго модуля мы закончили в начале декабря, теперь будут проводиться проверки на течи, высоковольтные испытания. Третий модуль сейчас установлен на сборочной оснастке, начата вклейка трубок, на которую должно уйти не более двух месяцев. Дальше в каждую трубку будет продета анодная 20-микронная проволока. В ЦЕРН на эту процедуру для одного модуля уходит месяц, мы же разработали и используем свою технологию, которая позволяет справиться за две недели.

Готовый первый модуль, сделанный в Дубне, и команда, которая его создала.

Этот детектор, ответственность за который легла на ОИЯИ и ЦЕРН, считается базовым в NA62. Что представляют собой три других и кто занимается их созданием?

Очень сложный детектор, над которым работают много специалистов высокого класса из ЦЕРН и ряда итальянских институтов, - Гигатрекер, будет измерять параметры исходного каона в пучке. Частиц в пучке будет 780 млн в секунду, из них примерно 6-7 процентов каонов, но мерить нужно все. Детектор будет стоять прямо в пучке и должен измерить параметры каждой из частиц, причем два раза, с очень высокой точностью. Это принципиально новые технологии. Следующий детектор - RICH - будет обеспечивать идентификацию вторичных частиц и мерить второй раз импульс пиона, чтобы отсеять случайные ошибки. Детектор создается итальянскими учеными. Четвертый детектор - Вето. Нам нужно зарегистрировать в исследуемом распаде только одну заряженную частицу и доказать, что в это время никаких других вторичных частиц не было. Основная его часть будет окружать вакуумную трубу диаметром более 2,5 метра и представляет собой кольца из специальных сцинтилляционных стекол, которые должны обеспечивать регистрацию любой частицы, прошедшей через них. Новые элементы Вето создаются специалистами из Италии и Болгарии, мюонное "вето" делается специалистами из Германии. Частью полного Вето-детектора будет служить и жидкокриптоновый калориметр эксперимента NA48.

Галина МЯЛКОВСКАЯ,
фото Павла КОЛЕСОВА