Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Физико-математические науки
Физика приборов, элементов и систем

Диссертационная работа:

Брандин Андрей Владимирович. Ультрафиолетовые лазерные калибровочные системы в физике частиц высоких энергий : Дис. ... канд. физ.-мат. наук : 01.04.01 Москва, 2006 127 с. РГБ ОД, 61:06-1/785

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 4

I. Основные принципы построения лазерных калибровочных систем
детекторов заряженных частиц 11

  1. Физические основы. Двухфотонная ионизация 11

  2. Технические основы. Импульсные ультрафиолетовые лазеры для лазерных калибровочных систем 16

  3. Методы формирования тонких лазерных треков 23

  4. Геометрический профиль тонкого лазерного луча 26

  5. Внешний фотоэффект как способ калибровки газовых детекторов заряженных частиц 29

  6. Выводы 30

II. Лазерная калибровочная система время-проекционной камеры
спектрометра STAR 31

  1. Общая схема и основные элементы лазерной калибровочной системы спектрометра STAR 31

  2. Оптика лазерной калибровочной системы время-проекционной камеры 39

  3. Детектор FTPC 50

  4. Выводы 53

III. Разработка метода контроля управления положением лазерных лучей в
объеме детектора 54

  1. Постановка задачи автоматизированного контроля и управления 54

  2. Анализ методов распознавания изображений 56

  3. Метод контроля положения лазерных лучей в объеме детектора на основе корреляционно-экстремальной системы 59

  1. Система формирования изображения лазерного луча 61

  2. Обоснование выбора метода корреляционной обработки изображения 71

  3. Алгоритм работы системы оцифровки изображения 77

  1. Выбор порога определения информативных кадров 78

  2. Методика корреляционной обработки изображений с увеличенной производительностью вычислений 79

  3. Система синхронизации лазерной калибровочной системы 82

  4. Система управления лазерной калибровочной системы 84

3.4. Экспериментальные результаты работы лазерной калибровочной
системы спектрометра STAR 88

3.5. Выводы 91

IV. Применение ультрафиолетовых лазеров для прикладных и методических
исследований 92

  1. Импульсное ультрафиолетовое излучение как источник свободных электронов 93

  2. Экспериментальная установка на базе импульсной ионизационной камеры и ультрафиолетового лазера для исследования корреляций физических и канцерогенных характеристик химических соединений 96

  1. Ионизационная камера 98

  2. Газовая система установки 99

  3. Система сбора и обработки данных 101

4.3. Тестирование и оптимизация установки 108

4.4. Выводы 113

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 114

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 116

Введение к работе:

Современная экспериментальная физика элементарных частиц базируется на крупных установках, состоящих из большого числа трековых, координатно-чувствительных и спектрометрических детекторов различного типа, содержащих десятки и сотни тысяч каналов съема, обработки и анализа информации. В создании и эксплуатации подобных установок исключительно важную роль играют вопросы надежности, калибровки и периодического контроля функционирования как отдельных детекторов, так и всей установки в целом. При этом возникает ряд специфических задач, для решения которых затруднительно или вообще невозможно использовать радиоактивные источники, частицы космического фона или собственно пучок ускорителя. Так, в широко применяемых в настоящее время больших дрейфовых и время -проекционных камерах с объемом ~ 10 м практически невозможно обеспечить идеальную однородность электрического и магнитного поля по всему чувствительному объему детектора. Это приводит к различной скорости дрейфа электронов в различных частях детектора и, соответственно, к искажению реальной картины взаимодействия. В действующих и планируемых в настоящее время экспериментах с большой множественностью вторичных частиц возникают также проблемы с двухчастичным разрешением и с искажениями электрического поля внутри детектора вследствии накопления объемного ионного заряда в чувствительной области [1, 2]. Это становится особенно важным на ускорителях релятивистских тяжелых ионов, где множественность может достигать ~2000 для Au-Au столкновений при энергиях до 200 ГэВ.

В установках, использующих стримерные и пузырьковые камеры, также существует задача координатной привязки треков частиц к мишени, возникающая вследствие неконтролируемого смещения треков частиц из-за дрейфа электронов (всплывания пузырьков) за время между моментами прохождения частицы и визуализации трека.

Поэтому в детекторах больших размеров необходимы «реперные» треки,

лучшими из которых были бы треки частиц с бесконечно большим импульсом, имеющие заранее известное с высокой точностью положение.

В связи с этим с конца 70-х годов велись активные поиски способов имитации треков быстрых заряженных частиц с помощью направленного электромагнитного излучения. Подобный подход представлялся чрезвычайно привлекательным, особенно в газовых детекторах с размерами ~ (1-Ю) м3, помещенных в магнитное поле, поскольку узкий пучок электромагнитного излучения, ионизируя рабочее вещество детектора, имитирует заряженную частицу с бесконечно большим импульсом. Такая имитация позволяет исключить влияние рассеяния заряженной частицы в веществе детектора, не требует, за некоторыми исключениями, специальных входных окон, позволяет калибровать одновременно несколько детекторов, разнесенных на большие расстояния.

На сегодняшний день наибольшие успехи в решении задачи прецизионной калибровки больших детекторов заряженных частиц направленным электромагнитным излучением достигнуты при использовании ультрафиолетового (и, отчасти, рентгеновского) диапазонов электромагнитного излучения. Основа лазерных калибровочных систем была заложена в начале 80-х годов [3-7]. Такие системы с помощью двухфотонной ионизации компонент рабочего газа излучением импульсных ультрафиолетовых лазеров формируют в объеме детектора лазерные треки, аналогичные трекам заряженных частиц [8-10]. При этом, меняя мощность лазерного излучения, можно в широком диапазоне менять плотность электронов вдоль лазерного трека, то есть имитировать треки частиц с практически любой ионизирующей способностью. Положение лазерного луча в пространстве и во времени, а также его мощность существующими методами могут быть измерены с хорошей точностью, а сами лазерные треки не испытывают многократного рассеяния и нечувствительны к магнитным полям. Поэтому лазерные системы обеспечивают высокую точность пространственной, энергетической и временной калибровки детектора.

В качестве наиболее важных задач, решаемых с помощью таких систем,

можно указать следующие:

пространственная калибровка трековых детекторов с точностью —200 мкм;

измерение двухтрекового пространственного разрешения;

- энергетическая калибровка детекторов с шириной амплитудного
распределения менее 0,1 ширины распределения Ландау для ионизационных
потерь;

измерение скорости дрейфа и коэффициентов диффузии электронов и ионов;

измерение угла Лоренца;

-исследование влияния конструкции и геометрии многопроволочных детекторов больших размеров на их пространственные и энергетические характеристики.

Помимо этого лазерные системы являются прекрасным инструментом для наладки сложных детекторов в отсутствии пучка ускорителя.

Импульсные ультрафиолетовые лазеры могут быть с успехом использованы для создания электронов, вылетающих с поверхности различных материалов в результате поверхностного фотоэффекта. Этот метод был применен в спектрометре STAR, а также в методических исследованиях большой дрейфовой камеры спектрометра KLOE [11], при разработке RICH-детектора для эксперимента ГИНЕС (ИФВЭ, Протвино), в исследовании газовых процессов, происходящих в узкозазорных резистивных плоскопараллельных камерах [12], и в установке, предназначенной для исследования физико-биологических корреляций, разработанной при участии автора в рамках проекта МНТП, №832 «Определение мутагенной и канцерогенной опасности физико-химическим методом» и грантов Минобразования РФ по программам «Государственная поддержка региональной научно-технической политики высшей школы и развитие ее научного потенциала» (2001 г.) и «Федерально-региональная политика в науке и образовании» (2003 г.).

Целью диссертационной работы является исследование основных принципов применения ультрафиолетовых лазеров, как в физике частиц высоких энергий, так и в детекторах ионизирующих излучений, используемых в лабораторных, в частности, физико-биологических исследованиях.

В соответствии с поставленной целью определены задачи исследования:

  1. Исследование и развитие основных принципов построения лазерных калибровочных систем больших газовых координатно-чувствительных детекторов элементарных частиц.

  2. Разработка основных принципов контроля и управления лазерных калибровочных систем газовых координатно-чувствительных детекторов объемом -10 м3 с высокой точностью (погрешность позиционирования —200 мкм).

3. Разработка системы регистрации и обработки информации с
установки, предназначенной для исследования корреляций физических и
биологических (канцерогенных) характеристик химических соединений.

4. Проведение экспериментальных исследований фотоэмиссии
электронов под действием излучения лазеров на молекулярном азоте (Иг-лазер).

Научная новизна.

Впервые разработана и смонтирована многолучевая лазерная система калибровки основной (Time Projection Chamber (ТРС)) и дополнительных (Forward Time Projection Chamber (FTPC)) время-проекционных камер спектрометра STAR на коллайдере релятивистских тяжелых ионов (Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC)). Показано, что ее использование позволяет с высокой точностью измерять скорость дрейфа электронов в газовой смеси детектора, проводить коррекцию искажений регистрируемых треков элементарных частиц, связанных с искажениями электрического и магнитного полей в объеме детектора.

Впервые разработано уникальное оборудование для программно-аппаратного комплекса лазерной системы калибровки детектора объемом -10 м3 и теоретически обоснованы принципы его работы и управления.

Разработан программно-аппаратный комплекс для оригинальной установки на базе ионизационной камеры (ИК) с лазерной фотоионизацией катода, предназначенной для исследования корреляций между физическими и медико-биологическими характеристиками веществ, который способен значительно ускорить и удешевить детектирование потенциальной канцерогенности.

Практическая значимость.

Разработанные методики, алгоритмы и программное обеспечение лазерной калибровочной системы в настоящее время успешно функционируют в составе эксперимента STAR во время сеансов 2000-2006 гг. Они позволяют повысить достоверность восстановления треков элементарных частиц и таким образом оградить от возможных ошибок при исследованиях фундаментальных свойств материи.

Работы в области разработки физического метода детектирования канцерогенности химических веществ позволят в перспективе создать службу канцерогенной безопасности, аналогичной службам радиационной безопасности, существующей в развитых странах.

На защиту выносятся:

1. Развитие принципов построения высокоточных ультрафиолетовых
лазерных калибровочных систем детекторов в физике частиц высоких энергий.

2. Принципы и методики контроля и управления лазерных
калибровочных систем больших газовых координатно-чувствительных
детекторов объемом ~ 10 м3 с высокой точностью (~200 мкм).

3. Методика и алгоритмы определения координат положения лазерного
луча в объеме детектора с использованием корреляционно-экстремальных
методов.

4. Методы регистрации и обработки информации в ионизационной
камере с ультрафиолетовой фотоионизацией катода для детектирования
канцерогенной опасности химических соединений.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: IX Международная конференция по проволочным камерам (Вена, Австрия, 2001); II Всероссийская конференция «Университеты России - фундаментальные исследования. Физика элементарных частиц и атомного ядра», Москва (2001 г.); III Всероссийская конференция «Университеты России - фундаментальные исследования. Физика элементарных частиц и атомного ядра», Москва (2002 г.); Научная Сессия МИФИ-2003.

Личный вклад автора.

Цель и задачи исследования реализованы автором самостоятельно. Экспериментальные исследования проведены в соавторстве. Автор принимал непосредственное участие при монтаже и настройке лазерной калибровочной системы STAR, при проведении физических экспериментов на спектрометре STAR, при разработке экспериментальной установки для исследования корреляций физиких и биологических характеристик химических соединений.

Результаты проведенных исследований изложены в 9 публикациях.

В I главе рассматриваются основные принципы построения лазерных калибровочных систем детекторов заряженных частиц на базе импульсных ультрафиолетовых лазеров.

Во II главе описана лазерная калибровочная система время-проекционной камеры спектрометра STAR. Высокоточная лазерная калибровочная система предназначена для измерения скорости дрейфа электронов в объеме детектора и определения искажений треков в детекторе, вызванных несоосностью магнитов детектора, накоплением пространственного заряда из-за высокой множественности в Au-Au столкновениях и существованием ЕхВ эффекта.

В III главе рассматриваются разработанные методы контроля и
управления положением лазерных лучей в объеме детектора. Формулируются
принципы контроля и управления лазерными калибровочными системами на
основе корреляционно-экстремальной системы. Приводятся

экспериментальные результаты, полученные на спектрометре STAR с помощью лазерной калибровочной системы.

В IV главе рассматривается применение ультрафиолетовых лазеров для исследования корреляций канцерогенной опасности веществ, определенной в медико-биологических экспериментах, с константой захвата свободных электронов. Описана разработанная система регистрации и обработки информации в установке на базе плоскопараллельной ионизационной камеры с лазерной ионизацией катода.

В заключении представлены основные результаты, полученные в диссертационной работе.

Подобные работы
Куликов Анатолий Владимирович
Методы построения и реализации систем отбора событий по характерным параметрам пар частиц в конечном состоянии в экспериментах в ГэВ-ной области энергий
Виноградов Юрий Иванович
Разработка и применение автоматизированных систем измерений, контроля и управления для исследований в области ядерной физики низких энергий
Головцов Виктор Леонтьевич
Специализированные устройства первичной обработки информации в экспериментах по рассеянию частиц высоких энергий на малые углы
Образцов Владимир Федорович
Изучение К+К-По-системы, образованной в реакциях перезарядки при энергии 33 ГэВ
Игнатенко Николай Михайлович
Дисперсная система магнитных частиц как преобразователь энергии переменного магнитного поля в упругие колебания
Селезнёв Владимир Сергеевич
Унифицированные детекторы пучков заряженных частиц высоких энергий и их применение в системах диагностики каналов и ускорителей
Федотов Юрий Сергеевич
Исследования динамики заряженных частиц при выводе пучков из ускорителей высоких энергий, разработка и совершенствование высокоэффективных систем вывода на ускорительном комплексе ИФВЭ
Токарев Виктор Пантелеевич
Энергетические характеристики деления актинидных ядер альфа-частицами энергий 20-100 МэВ
Скаляух Ольга Вячеславовна
Дефектообразование в кремнии при облучении альфа-частицами с энергией 5,4 МэВ
Хоконов Азамат Хазрет-Алиевич
Электромагнитные процессы при прохождении частиц высоких энергий через кристаллы и интенсивные внешние поля

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net