CC BY
36
Участие научных и производственных предприятий Беларуси в создании многоцелевого детектора NICA-MPD
В лаборатории физики высоких энергий Объединенного института ядерных исследований (ЛФВЭ ОИЯИ) на ускорительном комплексе NICA [1] ведутся масштабные работы по созданию многоцелевого детектора (MPD) для изучения свойств горячей и плотной ядерной (барионной) материи в столкновениях тяжелых ионов. Эти процессы будут проводиться в области энергий в системе центра масс 4-12 ГэВ при светимости до величины 1027 см-2 с-1. К задачам первой очереди относятся поиск сигналов возможных фазовых переходов, обнаружение смешанной кварк-адронной фазы сильно взаимодействующей материи, изучение свойств адронов в среде.
Комплекс NICA, представленный на рис. 1, включает инжекционный комплекс; сверхпроводящие синхротроны - бустер и нуклотрон; коллайдер, состоящий из двух сверхпроводящих колец с двумя точками встречи пучков; две установки: многоцелевой детектор MPD и детектор
Рис. 1. Схема комплекса NICA:
1 - здание инжекционного комплекса, бустера и нуклотрона,
2 - здание для экспериментов на фиксированной мишени,
3 - коллайдер, 4, 5 - MPD и SPD детекторы,
6 - система электронного охлаждения Коллайдера
для экспериментов по физике спина частиц
(SPD); каналы транспортировки пучков.
Один из основных детекторов - установка
MPD (рис. 2). В ее состав входят следующие
основные элементы и субдетекторы:
■ соленоидальный магнит со средним радиусом обмотки 2,479 м и длиной 7535 м, имеющий напряженность магнитного поля 0,66 Тл с однородностью в центральной части AB/B< 10-4;
■ тороидальные магниты на торцах детектора;
■ времяпроекционную трековую камеру - субдетектор TPC;
■ времяпролетный субдетектор идентификации частиц (TOF-RPC), калориметр вторичных частиц, вылетающих под малыми углами пучка (ZDC);
■ электромагнитный калориметр (ECal), обеспечивающий в сочетании с TPC идентификацию электронов;
■ внутренний трекер (IT) для восстановления вторичных вершин и идентификации сравнительно редких событий образования гиперонов со странностью 2 и 3;
Рис. 2. Детектор MPD для экспериментов на комплексе NICA
19
Рис. 3.
Старший научный сотрудник НИИ ЯП А.В.Литомин (слева) и директор «Артмаш» С.Н. Савицкий (справа) рядом с макетом MPD
Рис. 4. Финальная обработка, контрольные измерения и складирование готовых корпусов считывающих ROC камер для детектора TPC
Рис. 5. Макет фланца детектора TPC. На снимке: старший инженер А.А. Рыбаков, инженер А. В. Борщевский и директор «Артмаш» С.Н. Савицкий
Рис. 6. Прототип корпуса для времяпролетного детектора TOF
Q.
VQ
О
Рис. 7. Прототипы 7-канального (слева) и 14-канального (справа) интерфейсного модуля питания TPC (платы LVDB и LVCM)
■ трекеры частиц, вылетающих под малыми углами, для изучения фундаментальных эффектов, связанных
с несохранением P- и CP-инвариантности;
■ торцовые детекторы, также используемые для идентификации частиц, вылетающих под малыми углами, и для восстановления плоскости реакции.
Создаваемая установка имеет систему сбора, хранения и обработки данных, производящую оцифровку сигналов, их считывание и обработку для восстановления полной топологии события.
Прототипы субдетекторов разрабатывались и исследовались в период с 2009 по 2014 г. с целью оптимизации технических характеристик установки MPD для достижения требуемой эффективности регистрации и точности восстановления параметров, рожденных во всем диапазоне телесных углов. Научные и производственные белорусские предприятия принимали участие в этих работах и выиграли тендеры ОИЯИ на разработку и производство уникальных систем и конструктивных элементов MPD.
НИИ ядерных проблем БГУ активно участвует в оснащении установки MPD по следующим основным направлениям:
■ макетирование основных узлов и установки в целом;
■ изготовление силовых конструктивных элементов и приспособлений;
■ создание прототипов узлов и специализированных микросхем для использования в составе комплекса электронных средств обеспечения установки, считывания и обработки данных.
В создании MPD принимают участие специалисты различных предприятий и научных учреждений Беларуси, среди которых необходимо отметить производственные предприятия «Артмаш» и «Интеграл», кафедру микро- и нано электроники БГУИР, а также НИИ ЯП БГУ. Так, под руководством С.Н. Савицкого («Артмаш») разработан и изготовлен полномасштабный макет установки MPD (рис. 3). С его помощью предполагается проверить и оптимизировать укладку реальных кабелей и трубопроводов по каждому из 12 кабель-каналов установки.
Также следует отметить и уникальные совместные разработки НИИ ЯП БГУ и предприятия «Артмаш» в области силовых конструктивных элементов и приспособлений. К их числу относятся рамы для считывающих камер ROC (рис. 4), а также сборный вариант фланца TPC для обеспечения его неплоскостности на уровне не хуже 50 мкм на базе 2600 мм. Полномасштабный прототип фланца TPC, а также корпуса для времяпролетного детектора TOF изготовлены на предприятии «Артмаш» (рис. 5, 6).
Большой вклад в разработку, изготовление и испытание опытных образцов интерфейсных модулей низковольтного питания в составе двух плат LVDB и LVCM, предназначенных для использования в составе накамерной электроники TPC, внес НИИ ЯП БГУ (рис. 7). Модуль
монтируется на камеру в непосредственной близости от нагрузки для обеспечения карт считывания ROC уровнями питающих напряжений. Такое решение позволяет уменьшить количество внешних линий питания, подводимого к каждой камере, повысить гибкость управления питанием электроники детектора и уменьшить паразитные наводки.
В зависимости от типа исполнения модули содержат от 7 до 14 групп линейных регуляторов, обеспечивающих по три выходных уровня напря жения в группе: 3,0; 3,8 и 5,0 В. Разработанные схемы имеют уникальные особенности: регулируемое выходное напряжение, защита от перегрева, защита входов/выходов от перегрузки по напряжению/току, наличие ручного управления и светодиодной сигнализации, средства контроля рабочей температуры регуляторов. Устройство позволяет дистанционно включать/ выключать любую из групп регуляторов (каналов), контролировать величину входных/выход-ных напряжений и токов.
На «Интеграле» по биполярно-ПТУП-техно-логии с проектными нормами 1,5 мкм изготовлена опытная партия 8-канальных интегральных схем первичной обработки сигналов камер считывания TPC/MPD. ИМС предназначена для методических и наладочных работ в составе считывающей электроники детектора для оптимизации основных параметров и сравнения полученных результатов с существующими опциями его построения. Ее особенность заключается в буферных усилителях, позволяющих передать аналоговый сигнал на расстояние до 1 м по дифференциальной линии связи для АЦП. ИМС имеет электронные регулировки важнейших параметров, включая коэффициент усиления и форму АЧХ. Эскиз топологии металлизации, фото кристалла и форма отклика на стандартный сигнал тестирования показаны на рис. 8.
На стадии разработки топологии находится и другая уникальная микросхема для считывания сигналов TPC/MPD. ИМС «MSK-MS» предназначена для методических и наладочных работ в составе считывающей электроники трекового детектора для оптимизации основных параметров и сравнения полученных результатов с существующими опциями его построения. ИМС использует биполярно-полевую технологию с проектными нормами 180 нм. Общая ее структура (рис. 9) включает восемь идентичных аналого-цифровых каналов, цифровой мультиплексор «8-1-10» бит, логическую схему управления. Особенностью MSK-MS является наличие
Рис. 8. Прототип 8-канального интегрального предусилителя для считывающей электроники детектора TPC. Чертеж и фото полупроводникового кристалла. Стандартный выходной сигнал одного канала в режиме калибровки
Рис. 9.
Общая структура ИМС «MSK-MS»
схемы тестирования, обеспечивающей возможность проводить контроль функционирования отдельного канала и имитировать фрагменты треков в рабочем объеме TPC. Управление с помощью JTAG-интерфейса, входные/выходные логические сигналы которого будут совместимы с уровнями LVDS. ИМС разрабатывается совместно специалистами лаборатории ЭМСЭ НИИ ЯП БГУ и лаборатории CAD БГУИР [2, 3]. О
Олег Дворников,
главный научный сотрудник Института ядерных проблем БГУ, доктор технических наук, профессор
Владимир Чеховский,
завлабораторией Института ядерных проблем БГУ
Александр Литомин,
старший научный сотрудник Института ядерных проблем БГУ Сергей Мовчан,
начальник сектора ОИЯИ, кандидат физико-математических наук
Сергей Савицкий,
директор ЧУП «Артмаш»
http://innosfera.by/2017/10/multipurpose_detector
ЛИТЕРАТУРА
1. NICA White Paper // http://theor0.jinr.ru/twiki-cgi/view/NICA/WebHome.
2. Агапов Н.Н. и др. Релятивистская ядерная физика в ОИЯИ: от синхрофазотрона к коллайдеру NICA // Успехи физических наук. 2016, Т. 186. № 4.
3. Дворников О., Чеховский В., Дятлов В., Прокопенко Н. Двухканальная аналоговая ИС с программируемыми параметрами // Современная Электроника. 2015, № 7. С. 34-37.
