КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 16-12-10221

НазваниеРазработка пикосекундного детектора на основе микроканальных пластин для эксперимента CMS

РуководительБлинов Владимир Евгеньевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет", Новосибирская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 2016 г. - 2018 г. 

Конкурс№13 - Конкурс 2016 года на получение грантов по приоритетному направлению деятельности РНФ «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-101 - Физика элементарных частиц

Ключевые словафизика высоких энергий, большой адронный коллайдер, эксперимент CMS, детектор элементарных частиц, микроканальная пластина, черенковское излучение, фотокатод, временное разрешение

Код ГРНТИ29.05.81


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
К середине 2020-x годов планируется в несколько раз повысить светимость Большого адронного коллайдера (БАК). На высокой светимости среднее число взаимодействий протонов за одно столкновение пучков возрастёт до 140-200. Большое число фоновых взаимодействий затрудняет привязку частиц к первичной вершине и выделение из фона изучаемого процесса. Измерение времени регистрации частицы с точностью 20-30 пс позволит разделять по времени частицы, относящиеся к различным вершинам, и тем и самым повысить качество экспериментальных данных. Реализация точных временных измерений в эксперименте CMS поможет наиболее полно и эффективно использовать потенциал БАК на высокой светимости. Данный проект посвящён разработке детектора заряженных частиц с временным разрешением порядка 10 пс для применения в торцевых частях эксперимента CMS. Помимо высокого временного разрешения этот детектор должен обладать высокой скоростью счёта, длительным сроком службы в жёстких радиационных условиях, работать в магнитном поле 4 Тл и покрывать площадь около 10 квадратных метров. В настоящее время не существует приборов, удовлетворяющих всем этим требованиям. Мы намерены разработать и испытать прототип детектора размером 10-20 см, состоящий из радиатора черенковского света, ультрафиолетового CsI фотокатода и электронного усилителя на основе микроканальных пластин с малым диаметром канала.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта будет разработан детектор заряженных частиц, по своим характеристикам значительно превосходящий существующие сегодня детекторы. Это откроет возможность реализации пикосекундных временных измерений в эксперименте CMS, что позволит повысить качество результатов по физике элементарных частиц, полученных в этом эксперименте. Также это будет способствовать дальнейшему развитию экспериментальных методов физики высоких энергий. Разработанные в ходе выполнения проекта методы и подходы могут быть использованы при создании отечественных фотоэлектронных приборов для гражданского и военного применения. Например, при разработке быстрых фотоумножителей большой площади для медицинской диагностики методом позитронно-эмиссионной томографии.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Несколько опытных образцов ФЭУ с тремя и четырьмя микроканальными пластинами (МКП) различной конфигурации испытаны на пучке электронов в ИЯФ СО РАН. Для лучшего образца эффективность регистрации минимально-ионизирующей частицы посредством МКП составляет 88%. Проведены испытания данных образцов в магнитном поле напряжённостью до 4 Тл. Разработана концептуальная конструкция многоанодного детектора большой площади на основе МКП: в герметичном металло-керамическом корпусе размещается радиатор черенковского света с нанесённым на него полупрозрачным CsI фотокатодом, шевронные сборки микроканальных пластин размером 54x54 мм укладываются матрицей 2x2, рабочая площадь прибора составляет 108x108 мм, анод разделён на площадки размером 10x10 мм. Проведены расчёты числа фотоэлектронов, образованных в CsI фотокатоде при прохождении релятивистской заряженной частицей через черенковские радиаторы из различных материалов: кварц, MgF2, CaF2, Al2O3, LiF. Наиболее привлекательными с точки зрения временного разрешения и эффективности регистрации частицы оказались радиаторы из LiF и MgF2 толщиной 5 мм. Начато моделирование электронного усиления в МКП методом Монте-Карло, ведётся настройка программы моделирования. Проводятся расчёты электрического поля в зазоре фотокатод - МКП и коэффициента сбора фотоэлектронов в каналы МКП. Исследована прозрачность и электрическое сопротивление тонких металлических плёнок, напыляемых на подложку перед нанесением CsI для обеспечения проводимости фотокатода. Прозрачность лучших плёнок толщиной 2 нм достигает 80% при поверхностном сопротивлении менее 100 кОм на квадрат. Подготовлен стенд для отработки технологии изготовления и тестирования CsI фотокатодов. Проведена доработка установки вакуумного напыления. Изготовлен пробный образец CsI фотокатода, ведётся его тестирование.

 

Публикации


Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В программу моделирования микроканальных пластин (МКП) добавлен учёт краевого электрического поля в районе выхода из канала МКП, что позволило повысить согласие результатов моделирования с экспериментальными результатами. Проведено моделирование зависимости коэффициента усиления МКП от величины и направления внешнего магнитного поля. Получено удовлетворительное согласие с экспериментальными данными. Проведено моделирование временного разрешения различных конфигураций МКП. Полученное временное разрешение соответствует результатам измерений. Проработана конструкция детектора размером 130x130 мм, содержащего 4 шевронных сборки МКП размером 54x54 мм каждая. Изготовлен макет детектора. Ведётся прототипирование основных элементов детектора. Установка для изготовления CsI фотокатодов была оснащена электронно-лучевым испарителем для напыления тонких металлических слоёв с контролем прозрачности и проводимости напыляемого слоя. Изготовлено несколько полупрозрачных CsI фотокатодов на подложках из кварцевого стекла КУ-1 и фторида магния. Измерена квантовая эффективность изготовленного CsI фотокатода на длине волны 185 нм, которая составила примерно 0.02%. Исследована стабильность CsI фотокатода в атмосфере. После пребывания на воздухе в течение 30 минут чувствительность фотокатода на длине волны света 185 нм уменьшилась на 36±10%. На пучке релятивистских электронов проведены испытания прототипа детектора с CsI фотокатодом на подложке из фторида магния толщиной 3 мм и двумя МКП с рабочим диаметром 18 мм. Получено в среднем 0.4 зарегистрированных черенковских фотона на одну частицу. По результатам работы сделано пять докладов на международных научных конференциях и опубликовано пять статей в резензируемых журналах.

 

Публикации

1. Барняков А.Ю., Барняков М.Ю., Блинов В.Е., Бобровников В.С., Быков А.В., Иванов В.Я., Катцин А.А., Мамошкина Е.В., Овтин И.В., Пивоваров С.Г., Присекин В.Г., Пята Е.Э. Conceptual design of MCP based particle detector Journal of Instrumentation, Volume 12, Issue 8, Article number C08024 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1088/1748-0221/12/08/C08024

2. Барняков А.Ю., Барняков М.Ю., Брианза Л., Каваллари Ф., Чириоло В., Дель Ре Д., Джелли С., Гецци А., Готти Ч., Говони П., Катцин А.А., Малберти М., Мартелли А., Марзоки Б., Меридиани П., Органтини Г., Параматти Р., Пигацини С., Присекин В.Г., и др. Micro-channel plates in ionization mode as a fast timing device for future hadron colliders Journal of Instrumentation, Volume 12, Issue 8, Article number C08014 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1088/1748-0221/12/08/C08014

3. Барняков А.Ю., Барняков М.Ю., Карпов С.В., Катцин А.А., Присекин В.Г. Microchannel plates phototubes in high magnetic field Journal of Instrumentation, Volume 12, Issue 9, Article number C09013 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1088/1748-0221/12/09/C09013

4. Барняков А.Ю., Барняков М.Ю., Цыганков Д.А., Катцин А.А., Кононов С.А., Онучин А.П. Measurement of the photoelectron collection efficiency in MCP PMT Journal of Instrumentation, Volume 12, Issue 3, Article number P03027 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1088/1748-0221/12/03/P03027

5. Иванов В., Барняков А., Барняков М., Бобровников В., Овтин И. Numerical simulation of fast photo detectors based on microchannel plates Journal of Instrumentation, Volume 12, Issue 9, Article number P09024 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1088/1748-0221/12/09/P09024


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Организован стенд для измерения квантовой эффективности CsI фотокатодов в диапазоне длин волн от 120 до 300 нм. Стенд основан на вакуумном монохроматоре McPherson 334/302, освещаемом дейтериевой лампой. Измерена квантовая эффективность изготовленного CsI фотокатода в диапазоне длин волн 130 — 200 нм. Квантовая эффективность в максимуме на длине волны 160 нм составила около 2%. Начато изготовление полноразмерного прототипа детектора на основе квадратных МКП размером 54.5x54.5 мм. Основные керамические элементы прототипа выполнены по промышленной технологии изготовления керамических печатных плат. В ООО ВТЦ «Баспик» (г.Владикавказ) разработана технология изготовления микроканальной пластины МКП 54x54-6 со следующими характеристиками: - размер пластины 54.5x54.5 мм, - диаметр канала 6 мкм, - толщина пластины не более 390 мкм, - прозрачность не менее 59%, - коэффициент усиления не менее 10^3. Изготовлено 10 опытных образцов МКП 54x54-6. Насколько нам известно, МКП с такими параметрами нигде в мире серийно не выпускаются.

 

Публикации

1. Барняков А.Ю., Барняков М.Ю., Блинов В.Е., Бобровников В.С., Быков А.В., Иванов В.Я., Катцин А.А., Мамошкина Е.В., Овтин И.В., Петрухин К.Г., Пивоваров С.Г., Присекин В.Г., Пята Е.Э. Development of a picosecond MCP based particle detector Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, - (год публикации - 2019)

2. Барняков А.Ю., Барняков М.Ю., Брианза Л., Каваллари Ф., Чиприани М.,Чириоло В., Дель Ре Д., Джелли С., Гецци А., Готти Ч., Говони П., Катцин А.А., Малберти М., Мартелли А., Марзоки Б., Меридиани П., Органтини Г., Параматти Р., Пигацини С., и др. Response of microchannel plates in ionization mode to single particles and electromagnetic showers Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, Volume 879, Pages 6-12 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1016/j.nima.2017.10.002

3. Иванов В., Барняков А., Барняков М. Calibration procedure in microchannel amplifiers design Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, Volume 903, Pages 170-174 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1016/j.nima.2018.05.046


Возможность практического использования результатов
не указано