6.2 構造


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6.2.1 ワイヤー構成

我々はBelleのCDCの正方形のセルとスーパーレイヤーワイヤー構造を引き継いだ.6つの層があり,それらのスーパーレイヤーによって軌跡を見つけやすくなっている.これはとりわけステレオスーパーレイヤーに価値がある.(Belleではたった3,4層のステレオスーパーレイヤーしかなかった.)最も内側に位置するスーパーレイヤーはアクティブガイドワイヤーを含む2つの追加のレイヤーを持つ.たとえこれら2つのレイヤーの性能をビームバッググラウンドと壁の効果からの高い占有率のために妥協したとしても,残りの6つのレイヤーが最も内側のスーパーレイヤーの性能および他のスーパーレイヤーの性能を保証する.最も内側,外側のスーパーレイヤーは,内側と外側のシリンダーに適合するようにアキシャルレイヤー(A)含んでいる.それ以外のスーパーレイヤーはステレオレイヤー(U,V)とアキシャルレイヤーが交互に現れる.合計で9つのスーパーレイヤー(AUAVAUAVA)と56のがある.放射状のセルのサイズは,最も内側のスーパーレイヤーが10mm,他のスーパーレイヤーでは18.2mmとなっている.
トリガーグループの3Dトリガーのシミュレーション調査によって,それらが隣接しているステレオスーパーレイヤー(AUVAUVAUVA)のワイヤー構造の代わりを使い,より高いZ軸解像度を見出そうとした.もしこの結果が変わらず,Z軸トリガーの性能が不可欠であるならば我々はワイヤー構造の全体を考え直す必要があるだろう.加えてバレルPIDグループはすぐに最終的なPID構造を決め,それは定められたCDCの外半径を許すだろう.これは結果によっては最終的なワイヤー構造を僅かに修正することになりかねない.
各層のセルの数は下記の議論にしたがって選ばれた.我々は32の倍数個のエレクトロニクスチャンネルとトリガーセグメントを要求した.最も内側に位置するスーパーレイヤーにおける小型の方位セルサイズは大きなビームバッググラウンドの表面において占有率を減らすことが要求された.下限はフィードスルーのサイズから決められた.最適な構造にはたった7mmのサイズの160の最小方位セルをもつものが選ばれた.そのような小さなサイズのセルを実現するために,最も内側のスーパーレイヤーはCDCの他の部分のいわゆるスモールセルチェンバーで別々に実行された.ワイヤー構造の全体像は表6.2と図6.1に示した.
ステレオ角は表6.2に挙げた.大きなステレオ角はより高いZ軸解像度を与えるが,Z軸方向に沿った放射セルの大きな差異はアキシャルスーパーレイヤーとステレオスーパーレイヤーの間の境界で起こる.60mradのステレオ角を確保するために,センサー部分を追加しない特殊な技術を採用した.(我々は半分のステレオ角の変わり目にワイヤーを張り,変わり目付近のエンドプレートも放射位置を調整した.)このような方法がBelleのCDCで使われている[3].信号ワイヤーは,この場合,大きな変動を避けるため電場ワイヤー同士の距離は1mmしかない.センサーと電場ワイヤーの特性とその数については表6.3に示した.電場ワイヤーの特性は10年以上の活動中大きな問題のなかったBelleのCDCを継承している.電場ワイヤーの数はBelleのCDCよりも1.7倍増えている.直径30μmの信号ワイヤーはドリフト領域の強い電場が最大ドリフト時間を減らすようにわずかに電圧を高くして作動される予定である.アルミニウム電場ワイヤーは不要な原料を避け,コストを抑えるためにメッキは施されない.




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6.2.2 機械的デザイン


CDCは主に3つの要素から構成されている(図6.2).それは薄いカーボンファイバーで補強されたプラスチック(CFRP)でできた内側のシリンダー,2枚のアルミニウムのエンドプレート,そしてBelleのCDCのものによく似たCFRPの外側のシリンダーである.


外側のシリンダーは厚さ5mmでおよそ4tのワイヤー張力の殆どを支えている.内側のシリンダーは厚さ0.5mmで最小限の原料からできているが,これもまたスモールセルチェンバー(すなわち最も内側のスーパーレイヤー)のワイヤー張力を支えており,またこれはメインチェンバーにインストールされる前は独立にワイヤーを支えている.外部の,先がだんだん細くなっているアルミニウム製エンドプレートは,ワイヤー張力による歪みを抑えるために用いられているのに対して,内部の,円錐状アルミニウム製エンドプレートは,検出器軸に対して17度から150度に適合させるよう用いられている.(なお,スモールセルチェンバーのエンドプレートは円錐型である)外部の先がだんだん細くなっている形は,BelleのCDCと比べ歪みが少なくなっている.
図6.3で示されているような段状の構造は機械で加工する際に3つ全てのエンドプレート部分の沢山のワイヤーフィードスルーのための穴をより正確に開けることを容易にする.これはBelleのCDCが直面した,円錐型エンドプレートにおいて深く貫通した穴を空けることが非常に難しく,時間がかかっていた問題を防いでいる.この段状の構造は
エンドプレート部分それぞれに10mmの深さの穴を与えており,これを図6.3と6.4に示す.メイン部分と円錐部分のエンドプレートは別々に,機械で加工され穴を開けられる.ワイヤーをつるす直前に双方はボルトで結合され,これを図6.3と6.5に示す.前部と後部のエンドプレートは外側のCFRPシリンダーに取り付けられ(図6.3),そのときそれらのエンドプレートは正確に並べられる.




信号ワイヤーの張力はBelleのCDCと同じ(50g)である.しかし,電場ワイヤーの張力はエンドプレートの歪みを軽減するために120gから80gに変更された.信号ワイヤーと電場ワイヤーの重力によるたるみは85μm異なる.我々はGarfieldシミュレーションを用いてx-t相関関数から最大のたるみを推定し,セル側面において最大20μmのずれを見つけた.合計のワイヤー張力は4.1t(BelleのCDCは3.4t)である.このワイヤー張力とすでに述べられた構造を用いると,有限要素法の計算によれば,最大圧力はエンドプレート外縁部での31MPaであり,これは最大許容圧力の107MPaよりも小さい.加えて,ゆがみはエンドプレート内側での3mm(BelleのCDCは4mm)が最大である.我々はスモールセルチェンバーの設計のこのゆがみを考慮した.エンドプレートのセッチングはメイン部分と円錐部分でワイヤーを張るために無くてはならない.薄いCFRPの内側のシリンダーは370kgのワイヤー張力を支ており,これは座屈荷重2300kgの6分の1である.
ワイヤーを張る作業はメインチェンバーとスモールセルチェンバーとで別々に行われる.スモールセルチェンバーは外側のシリンダーが無く小さいため,ワイヤーを特殊なジグを使わずに作業台の上で内側から水平に張ることが容易である.メインチェンバーのワイヤーを張る作業のほうが腕の見せ所である.外側のシリンダーは,ワイヤーを張る作業の時点ですでに,大きなワイヤー圧力を支え運転中のガスの圧力を完全に一定に保つために十分強い部品を組み立てていることになる.しかし我々はそれぞれのワイヤーが強められていることに直接気づく必要がある.ワイヤーを外から垂直に張るが,一方でワイヤーが設置されるのをみて必要な調整をするために内側にも人がいる.
フィードスルーはワイヤーを固定し,高電圧のワイヤーとエンドプレートのグラウンド間を確実に絶縁するために用いられる.フィードスルーの形状はBelleのCDCのものと同じである.しかしながら,フィードスルーの原料はデルリンからノリルに変わり,これは高電圧に対するより高い絶縁能力が期待されている.ノリルは2003年にインストールされたBelleのスモールセルチェンバーでも用いられ,成功を収めている.スモールセルチェンバーにおいて,我々は電場ワイヤーのフィードスルーを扱う十分な空間がない(アルミニウムピンだけはワイヤー張力を持っている).このピンはエンドプレートに直接取り付けられていて,Belleのスモールセルチェンバーで使われた.
それぞれのエンドプレートの間に空間があり,その薄いアルミニウムはフィードスルー,高電圧ケーブル,信号ケーブル,読み出し電子機器を含んでカバーしている.全てのフロントエンドの電子機器は前方の原料を減らすため,後方に置かれている.前方は高電圧ケーブルを繋げるためだけに使われている.もし我々がzトリガーのために電荷分割法を採用していたら前方にも少し電子機器が追加されていただろうが,検出器の外側を採用した.
CDCは外側の検出器を支えている.我々は前方についてBelleの内部検出器サポート(IDS)のような巨大なシリンダーを考えた.それはCDCの前方のエンドプレートをECLの内部シリンダーバレルにある前方の内部検出器のサポートフランジに繋いでいる.後方のCDCを支える部分はもう少し複雑である.同様に後方のサポートシリンダーは先にインストールされているCDCのエンドプレートに繋げられている.このサポートシリンダーの外板系はPIDバレルの内半径よりも小さい.このサポートシリンダーは後方の内部検出器のフランジに取り付けられるが,いくつかのセパレートジグはCDCのすぐあとにインストールされた.この詳細はPIDバレルオプション選択の後に固定される.

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