В Петербурге разработали схему газового охлаждения для коллайдера NICA
Физики-ядерщики Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ) разработали и запустили в эксплуатацию экспериментальную установку для исследования и оптимизации процессов газового охлаждения тонких и изогнутых кремниевых пиксельных детекторов большой площади. Новая схема охлаждения может быть использована для экспериментов на коллайдере NICA — мегасайнс-проекте, реализуемом при поддержке Минобрнауки России.
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.
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 — верхняя граница их рабочего диапазона не должна 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 предъявляются особые требования.
Ученые СПбГУ 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 близко расположенных друг к другу детекторных слоев. Благодаря тому, что скорость газового потока близка к нулю, удается избегать 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 один из авторов разработки, заведующий учебной лабораторией ядерных процессов СПбГУ Владимир Жеребчевский.
Разработка получила название TICA-4 — Thermal Investigations of Cold-gases Arrays (Тепловые исследования массивов холодных газов). Это четвертое поколение такого рода установок — многомодульных разборных конструкций, которое планируют использовать в будущих экспериментах MPD (Multi-Purpose Detector) на коллайдере NICA в подмосковной Дубне, а также в модернизированной внутренней трековой системе ALICE на Большом адронном коллайдере в Женеве.
Исследование выполнено при поддержке гранта РНФ.