Spaghetti am CERN serviert

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The National University of Science and Technology MISIS

Sep 10, 2021, 09:16 ET

Wissenschaftler entwickeln einen neuen Teilchenabsorber für das LHCb-Experiment am CERN, berichtet NUST MISIS

MOSKAU, 10. September 2021 /PRNewswire/ -- Eine Gruppe von Wissenschaftlern von NUST MISIS hat eine neue Technologie für die Herstellung eines Absorbers für das elektromagnetische Teilchenkalorimeter für das LHCb-Experiment am CERN (Genf, Schweiz) entwickelt. Ziel des Experiments ist es, zu erklären und zu verstehen, warum Antimaterie während der Entwicklung des Universums verschwunden ist. Die einzigartigen Eigenschaften einer speziellen Blei-Antimon-Legierung und die Kassettentechnologie für den Austausch von Lichtleitfasern ermöglichen es, strenge technische Anforderungen zu erfüllen, die Wartung zu vereinfachen und die Lebensdauer des Kalorimeters zu verlängern.

Um die Frage zu beantworten, warum das Universum hauptsächlich aus Materie und nicht zu gleichen Teilen aus Materie und Antimaterie besteht, beschleunigen Wissenschaftler Ströme von Elementarteilchen auf Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit und lassen sie in speziellen Kammern zusammenstoßen. Bei der Kollision von Strahlen mit gigantischen Energien entstehen viele Teilchen und Antiteilchen. Gleichzeitig ist das Bild ihrer Zerfälle leicht unterschiedlich, und es ist dieser Unterschied, den die Wissenschaftler zu finden versuchen. Dazu muss jedes Teilchen während des Zerfalls nachgewiesen, seine Spur verfolgt und seine Energie gemessen werden.

Dazu werden die Teilchenströme durch eine Reihe verschiedener Detektoren geleitet, darunter Kalorimeter (Geräte zur Messung der Energie von Elektronen und Hadronen), die Teil des LHCb-Detektorkomplexes am CERN sind. Das moderne elektromagnetische LHCb-Kalorimeter besteht aus „Schaschlik"-Modulen, d. h. aus abwechselnden Schichten eines Kunststoff-Szintillators (einer Substanz, die Energie absorbiert und in Form eines Lichtblitzes wieder abstrahlt) und eines Bleiabsorbers.

Die Einführung des Programms der erhöhten Luminosität des LHCb-Experiments beinhaltet die Sammlung von Statistiken in Modi erhöhter Radioaktivität aufgrund einer Erhöhung der Anzahl von Teilchenkollisionen pro Sekunde. Dies stellt hohe Anforderungen an die Belastbarkeit und Strahlungsresistenz der Experimentiersysteme sowie an die Materialien, aus denen sie gefertigt sind.

Um die Strahlungsresistenz zu verbessern und die Lebensdauer des Kalorimeters zu erhöhen, schlugen die Forscher vor, eine neue „Spaghetti"-Geometrie zu verwenden, die aus Szintillationsfasern besteht, die in der Bewegungsrichtung der Sekundärteilchen ausgerichtet sind. Die Fasern sind in eine absorbierende Matrix - einen Metallabsorber - eingeschlossen.

Eine Gruppe von Forschern und Ingenieuren des NUST MISIS hat einen Prototyp eines neuen „Spaghetti"-Absorbers entwickelt und hergestellt, der aus einer speziellen Blei-Antimon-Garth-Legierung im Gussverfahren gefertigt wird.

„Die einzigartige Zusammensetzung der Legierung sorgt für eine Null-Schrumpfung beim Gießen, eine minimale Viskosität und die erforderliche Härte bei gleichzeitig hoher Dichte, die notwendig ist, um den Elektronenschauer im Absorber zu lokalisieren. Die Wärmeschrumpfung ist ein sehr wichtiger Parameter, da die Fertigungstoleranzen für solche Produkte sehr gering sind - bis zu 50 Mikrometer. Im Ergebnis haben wir einen extrem präzisen und monolithischen Block hergestellt", sagte einer der Hauptentwickler der Technologie, leitender Forscher im Labor für multifunktionale magnetische Nanomaterialien, außerordentlicher Professor der Abteilung für funktionelle Nanosysteme und Hochtemperaturmaterialien, Ph.D. Dmitri Karpenkow.

Die wissenschaftliche Gruppe fertigte einen quadratischen Gegenstand mit einer Seitenlänge von 30,25 mm und einer Gesamtlänge von 320 mm an, der eine Metallmatrix mit 121 Längskanälen mit einem Durchmesser von Ø 2,2 mm hat. Die Wandstärke zwischen diesen Kanälen sollte über die gesamte Länge 0,55 mm betragen. Die Entwickler betonen, dass der Abstand zwischen den Fasern aufgrund der detaillierten Simulation optimiert wurde, um die erforderliche Energieauflösung in der Größenordnung von 10 % / √E zu erreichen.

Die entwickelte Technologie basiert auf dem Füllen einer Graphitform mit den vorinstallierten Metallstäben mit flüssiger Schmelze. Die Verwendung einer Legierung aus Blei und Antimon, die für dieses System eine minimale Viskosität und praktisch keine Wärmeschrumpfung während der Kristallisation aufweist, ermöglichte es, alle technologischen Hohlräume des Werkstücks auszufüllen und den strengsten Anforderungen an die linearen Toleranzen und die Form des Endprodukts gerecht zu werden. Nach der Füllung wurden die Stäbe mechanisch entfernt. Zur Erleichterung dieses Prozesses wurden die Stäbe mit Graphitfett vorbeschichtet.

Die vorgeschlagene Technologie beschleunigt die Produktion und die Montagezeit von Modulen dieser Art erheblich. Dank der neuen Konstruktionslösung - einem Kassettenmontage-Schema - wird ein teilweiser Austausch degradierter Szintillationsfasern in einem elektromagnetischen Kalorimeter während der jährlichen technischen Abschaltung des Experimentalkomplexes möglich sein.

Der entwickelte Prototyp des auf einem Bleiabsorber basierenden Kalorimetermoduls wurde mit einem Testelektronenstrahl aus dem SPS-Beschleuniger am CERN getestet. Während der Tests wurde er mit Szintillationsfasern auf Polystyrolbasis gefüllt, die vom NRC „Kurchatov Institute" IHEP, Protvino, hergestellt wurden.

„Die Eigenschaften und Merkmale des erstellten Prototyps wurden an Laborstrahlen am CERN getestet. Ein Prototyp des ‚Spaghetti'-Moduls kann daher effektiv im neuen elektromagnetischen Kalorimeter des LHCb eingesetzt werden. Im Moment müssen noch einige Designprobleme gelöst werden, aber schon jetzt können wir sagen, dass sich die Konzepte ‚Schaschlik' und ‚Spaghetti', die sich in ihrem Design grundlegend unterscheiden, bei den LHCb-Experimenten effektiv ergänzen können", so der führende wissenschaftliche Experte des Experiments, Andrei Golutvin.

Link zur Quelle https://en.misis.ru/university/news/science/2021-09/7543/.

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