Размер шрифта: Больше . Сбросить . Меньше

Установка РИСК

Создание и проведение экспериментов на 5-метровом магнитном спектрометре на основе стримерной камеры

1970-1990

Долгошеин Б. А.
Б. А. Долгошеин
Из личного архива.

В начале 60-х гг. годов две советские группы: в Институте физики АН Грузии в Тбилиси под руководством Георгия Чиковани и в МИФИ под руководством Бориса Анатольевича Долгошеина, — одновременно показали возможность развития детектора 2D (искровой камеры) — в координатный детектор 3D (стримерную камеру). За эту работу авторы в 1970 г. получили Ленинскую премию.

Идею понять не так трудно. Искра под действием электрического поля в межэлектродном объеме искровой камеры начинает формироваться из центра ионизации, созданного пролетающей частицей. Если быстро (за время сравнимое со временем развития искры) убрать высокое напряжение, то вместо искры от электрода до электрода, как в искровой камере, вокруг центра ионизации образуется светящийся стример (начальная фаза развития искры), длина которого определяется длительностью высоковольтного импульса. Возникшую в стримерной камере цепочку светящихся точек вдоль трека заряженной частицы фиксируют, например, на фотопленке. В теории задача кажется вполне понятной. На практике создать стримерный режим в газовом детекторе — технически очень сложная задача. Сложная, прежде всего, из-за требований к высоковольтной системе.

Участники группы РИСК
Группа РИСК у модели стримерной камеры в  техническом корпусе ЛЯП, 1975 г. На снимке: слева направо. Внизу Г. Хемниц, Н. Н. Хованский, У. Кундт, Р. Ляйсте, Г. Бом, В.М. Суворов, Х. Том. Первый ряд сверху: Г. А. Шелков, В. И. Левин, В. И. Петрухин, Д. Позе. Второй ряд сверху: ?, Я. В. Гришкевич, Н. Суворова, Л. С. Вертоградов, Ю. П. Мереков, Й. Шюлер, В. И. Красин, А. И. Шибасов. Из архива ОИЯИ.
Участники совещания РИСК
Участники совещания коллаборации РИСК в Дубне в 1980 г. Из архива ОИЯИ.

Для возникновения стримера необходимо создать в объеме камеры очень высокую напряженность электрического поля — до 30 кВ/см. Скорость движения фронта стримера в таком поле составляет ~106 м/сек (1 мм/нсек). Таким образом, для работы стримерной камеры с размером рабочего зазора 20 см необходимо создать высоковольтную систему, способную подать на электроды камеры импульс амплитудой до 600 кВ и длительностью десятки наносекунд. Магнитный спектрометр РИСК на базе пятиметровой стримерной камеры начал создаваться с 1970 г. и был запущен в ИФВЭ в 1978 г. За это время были разработаны конструкции всех основных узлов, изготовлены и исследованы действующие модели. В 105 корпусе ЛЯП была произведена пробная сборка и запуск всего комплекса стримерной камеры до отправки её в Протвино. Спектрометр РИСК успешно проработал 6 лет (всего!) на пучке У-70. РИСК — это сокращение от релятивистской ионизационной стримерной камеры. Название эпатирующее, и в этом была одна из его задач, но в тоже время отражало основные особенности созданного спектрометра, в котором стримерная камера помещалась в магнитное поле и запускалась сигналом от триггерной системы. Смысл слов «релятивистская ионизационная» разберем позже.

Основные узлы спектрометра РИСК
Основные узлы спектрометра РИСК. Из личного архива.
Т. Ломтадзе
Т. Ломтадзе.
Из личного архива.

Основные узлы спектрометра РИСК:

  1. Пятиметровый магнит с объемом магнитного поля (5×1×1) м3. Величина поля в центре объёма 13 кГс. Создан группой Магнитного искрового спектрометра (МИС).
  2. Стримерные камеры (СК). Было изготовлено две камеры. Одна, объёмом (4,6×0,93×0,8) м3, — в Институте физики АН Грузии в Тбилиси под руководством Таймураза Ломтадзе. Вторая, состоящая из двух объёмов (1,53×0,93×0,8) м3 и (2,93×0,93×0,8) м3, — в  Институте физики АН ГДР в Цойтене под руководством ведущего конструктора Хайнца Тома.
  3. Система наполнения газовой смесью (50% Ne, 50% He) с микропримесью электроотрицательного газа SF6, добавление которого позволяло регулировать (уменьшать) время памяти СК. Общий газовый объём камеры ~3,5 м3. Газовая смесь непрерывно циркулировала и очищалась от попадавших примесей в криогенных угольных ловушках. Необходимый уровень очистки контролировался с помощью газового хроматографа. Неон — дорогой газ, поэтому была создана система спасения и закачки в баллоны (до 100 атм) газовой смеси из СК в случае её вскрытия. Газовая система была разработана и изготовлена в ЛЯП. Запуск в ИФВЭ и обеспечение работоспособности — Я. Гришкевич.
    Стримерная камера РИСК
    Стримерная камера РИСК (Цойтен) в 105 корпусе ЛЯП ОИЯИ перед отправкой в ИФВЭ. Из архива ОИЯИ.
  4. Биполярная высоковольтная система формирующая биполярный высоковольтный импульс амплитудой до ±600 кВ и длительностью 18 нс. Система была разработана и изготовлена в ЛЯП. Состояла из биполярного генератора высоковольтных импульсов (ГИН), системы его наполнения (~2 м3 трансформаторного масла) и формирователя наносекундных импульсов по схеме Blumlein объемом ~10 литров, заполненного касторовым маслом. Разработка оригинальной конструкции ГИН — Г. А. Шелков и Blumlein — Л. С. Вертоградов. Обслуживание в ходе сеансов — А. С. Вертоградов, Т. Ломтадзе и Г. А. Шелков.
    Высоковольтная система РИСК
    Высоковольтная система РИСК. Слева-направо: источник напряжения 50 кВ, ГИН, Blumlein, переходник к стримерной камере. Из архива ОИЯИ.
  5. Оптическая система и быстродействующие фоторегистраторы были разработаны и изготовлены в Институте физики АН ГДР в Цойтене. Обеспечение работы в сеансах — С. Выскочил и Х. Том.
  6. Электронная система постоянного мониторирования качества изображений в СК с использованием электронных усилителей изображений (ЭОП) была спроектирована и изготовлена в ЛВТА ОИЯИ в группе В. И. Приходько.
  7. Жидководородная неметаллическая криогенная мишень в объёме СК. Сконструирована и изготовлена в криогенном отделе ЛВЭ ОИЯИ под руководством Л. Б. Голованова.
  8. Твердотельные мишени, включая металлические, в объёме СК. Сконструированы и изготовлены в ОП ЛЯП по чертежам Л. С. Вертоградова.
  9. Детекторы для контроля качества пучка частиц на входе в камеру. Триггеры в экспериментах — З. В. Крумштейн, З. Цисек, Я. Бэм, К. Шафарик, М. Шавловски и Г. А. Шелков.
  10. Система передачи данных в ЭВМ — Н. Н. Хованский.
  11. Прием и онлайн-обработка данных на ЭВМ БЭСМ-4 — А. С. Вертоградов, Р. Ляйсте, Ю. П. Мереков и Д. Позе.
Кассета
Кассета высоковольтных конденсаторов ГИН. Из архива ОИЯИ.

За время работы на пучке отрицательно заряженных частиц с импульсом 40 ГэВ/с в ИФВЭ было выполнено три эксперимента, для каждого из которых были реализованы соответствующие триггерные системы для отбора исследуемых событий:

  • Множественность событий, образованных в результате взаимодействия отрицательно заряженных частиц (π, κ, р и d)- на установленных внутри стримерной камеры мишенях (в том числе металлических!). Это был первый отладочный эксперимент и простой триггер: просто на взаимодействие частиц пучка в мишенях.
  • Исследование процессов, в которых образуются частицы с большим поперечным импульсом. Триггерная система этой задачи включала несколько плоскостей пропорциональных камер, помещенных над стримерной камерой с мишенями и электронной матрицей совпадений, с помощью которой выделялись нужные события с «большим» по тем временам поперечным импульсом (рт > 1,5 ГэВ/с).
  • Исследование событий c рождением J/Ψ частиц. В этом эксперименте был реализован самый сложный триггер, отбирающий события в результате быстрого анализа данных от 4-х сцинтилляционных годоскопов, собранных из вертикально стоящих стеклянных труб (D = 32 мм; L = 2 м и 3 м), заполненных жидким сцинтиллятором.
Фото событий в камере РИСК
Фото событий в камере РИСК
Фото событий в камере РИСК. Из личного архива.

Чем объяснялся интерес к использованию в экспериментах стримерных камер? Во-первых, это были первые управляемые трековые детекторы большого объема, приходившие, как тогда казалось, на смену неуправляемым пузырьковым камерам. Использование систем предварительного отбора редких событий с последующей их регистрацией в стримерной камере позволяло продвинуться в область эксклюзивного исследования более редких событий.

Система контроля качества
Телевизионная система контроля качества работы стримерной камеры. Из личного архива.

Кроме этого, в работах группы Б. А. Долгошеина была показана принципиально новая возможность СК — идентификация релятивистских заряженных частиц путем измерения их первичной ионизации. Уместно в этом месте напомнить, что измерение «вслепую» полной ионизации включает измерение первичной ионизации, производимой, собственно, «первичной» частицей, и дополнительных ионизационных потерь, образованных энергичными дельта-электронами. В результате у исходного симметричного «Гауссового» распределения потерь энергии на ионизацию среды появляется «хвост Ландау», что делает невозможным надежную идентификацию частиц в области релятивистского роста ионизационных потерь заряженных частиц. На снимках стримерной камеры появляется возможность идентифицировать и отбрасывать треки от упомянутых дельта-электронов, которые выглядят как вторичные треки, вылетающие под углом к треку первичной частицы, или как яркие блобы.

ГИН
Генератор импульсов напряжения (ГИН) РИСК. Из архива ОИЯИ.
Г.А.Шелков и Т.Ломтадзе
Г. А. Шелков и Т. Ломтадзе у ГИН. Из личного архива.

Необходимо подчеркнуть, что предыдущий опыт группы пригодился только при создании трех упомянутых триггерных систем. Все остальные из перечисленных систем были сконструированы, изготовлены и запущены силами участников проекта РИСК. Причем в большинстве случаев это не было копированием уже имеющихся образцов. Почти каждый узел содержал новые или, как минимум, оригинальные решения:

  1. Стримерная камера (СК) и высоковольтная система. Биполярность. К моменту создания РИСК была принята следующая конструкция стримерных камер: сетчатый высоковольтный электрод в центральной плоскости камеры глубиной 4h. В такой схеме невозможно ни пустить пучок частиц по центру камеры, ни разместить по центру внутренние мишени. В биполярной схеме камеры центральный сетчатый электрод вообще отсутствует, но вводится два высоковольтных электрода c зазором между ними 2h, на которые одновременно подаются разнополярные импульсы, что позволяет еще и вдвое снизить требования к в/в системе.
    Идея прекрасная, но как обеспечить одновременность подачи разнополярных высоковольтных наносекундных импульсов? Нами была разработана новая схема. В ней использовались не два независимых ГИН, а единый биполярный генератор V-образной схемы, в которой первый — запускаемый разрядник — был общим для двух плечей ГИН. Соответственно надо было разработать новую конструкцию формирователя наносекундных импульсов по схеме Blumlein.
    Формирователь
    Формирователь наносекундных в/в импульсом Blumlein. Из личного архива.
  2. Внутренние твердотельные мишени. Чтобы размещение в высоковольтном объёме камеры твердотельных (особенно металлических) мишеней не приводило к пробоям, каждая мишень помещалась в индивидуальный контейнер из диэлектрика, заполняемый электроотрицательным газом SF6. Вся конструкция из нескольких (до 10) контейнеров висела на рыболовных лесках в объеме камеры и должна была быть максимально герметичной, поскольку время памяти камеры как раз регулировалось введением в газовую смесь камеры микродобавки того же элегаза SF6.
  3. Впервые в мире была создана электронно-оптическая система постоянного наблюдения регистрируемых в СК событий. Являлась действующей моделью планировавшейся системы безфильмового съёма информации со стримерной камеры.
  4. Для реализации упоминавшейся возможности измерения первичной ионизации были проведены методические работы, которые показали, что адекватным прибором для сканирования в необходимом в данном случае перпендикулярном к направлению трека направлении был созданный в ЛВТА сканер пленки на основе электронно-лучевой трубки (АЭЛТ). Яркость треков в стримерной камере очень сильно зависит от амплитуды высоковольтного сигнала. Было показано, что лучшим методом контроля постоянства условий регистрации от кадра к кадру было измерение среднего поперечного размера стримеров вдоль трека релятивистских частиц. На методических кадрах с прямыми пучковыми треками было продемонстрировано, что после введения такой коррекции стало возможным идентифицировать π-мезоны и антипротоны 40 ГэВ/с для длинных (> 2 м) треков.
Я.В. Гришкевич
Я. В. Гришкевич у газовой системы РИСК. Из архива ОИЯИ.

Спектрометр РИСК проработал на пучке с 1978 по 1984 гг., что крайне мало для такой сложной установки с хорошей перспективой развития в безфильмовый прибор. Полученные за этот период результаты были опубликованы в двух десятках журнальных статей.

В 1984 году РИСК был разобран и на его место вернулся методически устаревший (разработки ~1960 года) спектрометр МИС, регистрирующий на фотопленку треки в 50 искровых оптических камерах. Немалую роль в этом сыграла, по-видимому, гражданская позиция руководителя проекта В. И. Петрухина. Его «преступление» состояло в том, что он находил, хранил и давал читать друзьям «запрещенную» литературу и открыто общался с московскими диссидентами. Подробности можно найти в опубликованных мемуарах высланного из СССР (и позже вернувшегося) писателя Владимира Войновича. Запомнилась формулировка в характеристике партбюро ЛЯП на В. И. Петрухина — «активно пассивен».