Кремниевые пиксельные детекторы играют ключевую роль в современных экспериментах на ускорителях, позволяя с высочайшей точностью восстанавливать траектории заряженных частиц. Они особенно важны для определения точек распада короткоживущих частиц, что требует применения исключительно тонких детекторных систем с минимальным количеством материала и высоким пространственным разрешением.
Современные разработки в этой области сосредоточены на создании монолитных активных пиксельных сенсоров, которые отличаются рекордно малой толщиной и высокой радиационной стойкостью. Однако эти передовые технологии сталкиваются с серьезными инженерными сложностями. Электроника детекторов крайне чувствительна к перегреву — их рабочий диапазон не должен превышать + 30 °C, поскольку с ростом температуры резко возрастают шумы, снижающие точность измерений. Кроме того, проблема эффективного теплоотвода усугубляется хрупкостью самих детекторных модулей большой площади, в связи с чем к системам охлаждения и защиты ученые предъявляют особые требования.
Физики-ядерщики Санкт-Петербургского университета разработали систему газового охлаждения тонких кремниевых детекторов большой площади с использованием холодного азота. Его пары, направляемые с минимальным потоком и скоростью на сенсоры, дают возможность увеличить теплопередачу, удержать температуру детекторов в рабочем диапазоне и стабилизировать градиент температур на большой площади близкорасположенных друг к другу детекторных слоев. За счет почти близкой к нулю скорости газового потока удается избежать вибраций хрупких детекторных слоев.
«Особенность нашей установки в том, что она позволяет изучать процессы и механизмы охлаждения тонких кремниевых пиксельных детекторов потоком газа. Мы разработали оптимальную схему охлаждения слоев таких тонких детекторов и получили новые результаты по использованию паров холодного азота и новых термоизоляционных материалов. Это позволило применять предложенную систему охлаждения в экспериментальных исследованиях при создании многодетекторных комплексов в физике высоких энергий», — объяснил заведующий учебной лабораторией ядерных процессов СПбГУ Владимир Жеребчевский.
Установка, разработанная экспертами СПбГУ, получила название TICA-4 — Thermal Investigations of Cold-gases Arrays (тепловые исследования массивов холодных газов). Это четвертое поколение такого рода установок. Она представляет собой универсальную и многомодульную разборную конструкцию, что позволит модернизировать систему напуска холодного азота и увеличить количество температурных сенсоров для проведения дальнейших исследований с новыми ультратонкими детекторными слоями.
С помощью этой разработки в дальнейшем планируется проводить исследования протяженных тонких и ультратонких пиксельных детекторных структур с размерами до 580 мм. Такие детекторы будут использовать в будущих экспериментах MPD в подмосковной Дубне в проекте класса мегасайнс — коллайдере NICA, а также в модернизированной внутренней трековой системе ALICE на Большом адронном коллайдере.
