Специалисты Санкт-Петербургского государственного университета создали и внедрили в работу экспериментальную установку, предназначенную для изучения и совершенствования методов газового охлаждения тонких и изогнутых кремниевых пиксельных детекторов, отличающихся большой площадью. Данная схема охлаждения может найти применение в экспериментах на коллайдере NICA — меганаучном проекте, который реализуется при содействии Министерства науки и высшего образования РФ. Исследование, которое было поддержано грантом РНФ, опубликованы в международном научном журнале Instruments and Experimental Techniques.
В современных экспериментах на ускорителях кремниевые пиксельные детекторы выполняют важную функцию, обеспечивая точное восстановление траекторий заряженных частиц. Их использование особенно необходимо для определения точек распада нестабильных частиц, что обуславливает применение тонких детекторов с минимальным количеством материала и высокой пространственной разрешающей способностью.
Текущие инновации в данной сфере направлены на создание монолитных активных пиксельных сенсоров, характеризующихся минимальной толщиной и повышенной устойчивостью к радиации. Однако внедрение этих перспективных технологий сопряжено со значительными инженерными трудностями. Электронные компоненты детекторов чрезвычайно восприимчивы к перегреву — их оптимальная рабочая температура не должна превышать +30 °C, так как повышение температуры приводит к резкому увеличению шумов, что ухудшает точность измерений. Более того, эффективное удаление тепла осложняется хрупкостью самих детекторных модулей большой площади, поэтому ученые предъявляют повышенные требования к системам охлаждения и защиты.
Специалисты в области ядерной физики из Санкт-Петербургского университета создали систему газового охлаждения для тонких кремниевых детекторов большой площади, применяющую холодный азот. Направляемые на сенсоры пары азота с небольшим расходом и скоростью обеспечивают повышение эффективности теплопередачи, поддерживают рабочую температуру детекторов и стабилизируют температурный градиент на обширной площади расположенных вплотную слоев. Благодаря крайне низкой скорости газового потока исключаются вибрации чувствительных к нагрузке детекторных слоев.
«Наша установка обладает уникальной возможностью исследования процессов и механизмов охлаждения тонких кремниевых пиксельных детекторов с использованием потока газа. Была разработана оптимальная схема охлаждения слоев подобных тонких детекторов, что позволило получить новые данные об использовании паров жидкого азота и инновационных термоизоляционных материалов. Благодаря этому, предложенная система охлаждения может быть использована в экспериментальных исследованиях при создании многодетекторных комплексов в области физики высоких энергий», — отметил заведующий учебной лабораторией ядерных процессов СПбГУ Владимир Жеребчевский.
Разработанная специалистами Санкт-Петербургского государственного университета установка получила наименование TICA-4 — Thermal Investigations of Cold-gases Arrays (тепловые исследования массивов холодных газов). Это уже четвертое поколение подобных систем. Она выполнена в виде универсальной, многомодульной и разборной конструкции, что обеспечит возможность обновления системы подачи холодного азота и увеличения числа температурных датчиков для проведения дальнейших исследований с применением новых ультратонких детекторных слоев.
В дальнейшем эта разработка позволит проводить исследования протяженных, тонких и ультратонких пиксельных детекторов, размеры которых могут достигать 580 мм. Эти детекторы будут применяться в будущих MPD-экспериментах, которые проводятся в Дубне, в рамках мегасайенс-проекта — коллайдере NICA, а также в модернизированной внутренней трековой системе ALICE на Большом адронном коллайдере.
Информация и фото предоставлены пресс-службой СПбГУ