Группа ученых НИТУ «МИСиС» разработала новую технологию производства абсорбера для электромагнитного калориметра эксперимента LHCb в CERN (Женева, Швейцария). Цель эксперимента — объяснить и понять, почему в ходе эволюции Вселенной исчезло антивещество. Уникальные свойства особого свинцово-сурмянистого сплава и кассетная технология замены светоиспускающих волокон позволят соблюсти строгие технические требования, упростить обслуживание и продлить срок службы калориметра.
Для ответа на вопрос, почему Вселенная состоит в основном из материи, а не из равных частей материи и антиматерии, ученые разгоняют пучки протонов до скоростей близких к скорости света и сталкивают их. Во время столкновении пучков при гигантских энергиях рождаются множество частиц и античастиц. При этом картина их распадов слегка отличается и именно эту разницу и стремятся найти ученые. Для этого каждую частицу при распаде нужно обнаружить, а потом отследить ее трек и измерить энергию.
Для этого потоки частиц пропускают сквозь ряд различных детекторов, в том числе калориметров (приборов для измерения энергии электронов и адронов), входящих в состав детекторного комплекса LHCb в CERN. Современный электромагнитный калориметр LHCb —- представляет собой модули типа «шашлык» — чередующиеся слои пластикового сцинтиллятора — вещества, которое поглощает и переизлучает энергию в световую вспышку и свинцового поглотителя.
Введение программы повышенной светимости Большого адронного коллайдера эксперимента LHCb предполагает сбор статистики в режимах повышенной радиоактивности из-за увеличения количества соударений частиц в секунду. Это накладывает ряд серьезных требований по нагрузке и радиационной стойкости систем эксперимента, а также материалов, из которых они изготовлены.
Для улучшения радиационной стойкости и увеличения срока службы калориметра исследователи предложили использовать новую геометрию типа «спагетти», которая представляет собой сцинтилляционные волокна, ориентированные по направлению движения вторичных частиц. Волокна заключены в поглощающую матрицу — металлический абсорбер.
Группа исследователей и инженеров из НИТУ «МИСиС» разработала и создала прототип нового абсорбера типа «спагетти», поглотитель которого изготовлен из сплава на основе системы легирования свинец —сурьма-олово методом литья.
«Уникальность состава сплава обеспечивает нулевую литейную усадку, минимальную вязкость и необходимые прочностные характеристики, при сохранении высокой плотности, которая необходима для локализации электронного ливня в абсорбере. Литейная термоусадка — очень важный параметр, поскольку производственные допуски на подобное изделия очень малы —не более 50 микрометров. В результате мы изготовили предельно точный и монолитный блок», — рассказал один из основных разработчиков технологии старший научный сотрудник лаборатории многофункциональных магнитных наноматериалов, доцент кафедры ФНиВТМ к.ф.-м.н Дмитрий Карпенков.
Научной группой было изготовлено изделие квадратного сечения с длиной стороны 30.25 мм и общей длиной 320 мм, представляющее собой металлическую матрицу со 121 продольным каналом диметром Ø 2.2 мм. Толщина стенки между этими каналами должна быть по всей длине строго 0.55 мм. Как подчеркивают разработчики, проведенное детальное моделирование позволило оптимизировать шаг между волокнами, для достижения требуемого энергетического разрешения порядка 10%/√E.
Разработанная технология заключается в заполнении графитовой изложницы с металлическими стрежнями жидким расплавом. Использование сплава на основе системы легирования свинец — сурьма-олово, который обладает минимальной для данной системы вязкостью и практически нулевой литейной усадкой, обеспечило заполнение всех технологических пустот заготовки и выдерживание строжайших требований по допускам, средней плотности и форме итогового изделия. После заливки стержни были удалены механическим путем. Для облегчения данного процесса каждый из стержней предварительно был покрыт графитовой смазкой.
«Предложенная технология и материал абсорбера позволяет значительно ускорить время производства и сборки модулей подобного типа. Кроме нового материала было разработано принципиально новое техническое решение — кассетная схема сборки — позволит производить оперативную замену деградировавших сцинтилляционных волокон в электромагнитном калориметре во время ежегодной технической остановки экспериментального комплекса», — рассказал один из основных разработчиков технологии ведущий инженер кафедры ОМД НИТУ «МИСиС» Сергей Мишуров.
Разработанный прототип модуля калориметра на основе свинцового поглотителя был испытан на тестовом пучке электронов от ускорителя SPS в CERN. Во время испытаний он был заполнен сцинтилляционными волокнами на основе полистирола, производства НИЦ «Курчатовский институт» ИФВЭ, г. Протвино.
«Свойства и характеристики созданного прототипа были протестированы на лабораторных пучках в CERN. Результат: прототип модуля типа „спагетти“ может эффективно использоваться в новом электромагнитном калориметре LHCb. В настоящий момент требуется решить еще ряд конструкторских задач, но уже сейчас можно сказать что концепты „шашлык“ и „спагетти“, имеющие принципиально разную конструкцию, могут эффективно дополнять друг друга в экспериментах LHCb», — заключил ведущий научный эксперт эксперимента Андрей Голутвин.
