6.2 構造


※上記の広告は60日以上更新のないWIKIに表示されています。更新することで広告が下部へ移動します。

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.




+...
We retain the square cell and the superlayer wire configuration of the Belle CDC. There are six layers in each superlayer to make track segment finding easier; this is particularly valuable for the stereo superlayers. (There are only 3 or 4 layers in a Belle stereo superlayer.) The innermost superlayer has two additional layers that contain active guard wires. Even though the performance of these two layers is compromised by the high occupancy from beam backgrounds and the wall effect, the remaining six layers ensure that the innermost superlayer performs as well as the others. The innermost and outermost superlayers contain axial (“A”) layers, to match the shape of the inner and outer cylinders. The intervening superlayers alternate between stereo (“U” or “V”) and axial layers. In total, there are 9 superlayers (AUAVAUAVA) and 56 layers. The radial cell size is 10 mm for the innermost superlayer and ∼ 18.2 mm for the other superlayers.
From the trigger group’s simulation studies of the 3D trigger, they find a better z resolution using an alternate wire configuration (AUVAUVAUVA) in which the stereo superlayers are adjacent. If this result is confirmed and is essential for the z-trigger performance, we will re-consider the overall wire configuration. In addition, the barrel PID group will soon decide the final PID configuration, which will allow the outer radius of the CDC to be fixed. It is likely that the final wire configuration will be slightly modified as a result.
The number of cells in each layer is chosen according to the following considerations. We require multiples of 32 to match the number of electronics channels and trigger segments. For the innermost superlayer, a smaller azimuthal cell size is required to reduce the occupancy in the face of the large beam background. The lower limit is determined by the size of the feedthroughs. The optimal configuration has 160 cells are selected with the minimum azimuthal cell size of only 7 mm. To realize such a small cell size, the innermost superlayer is implemented separately as a so-called small-cell chamber that is then attached to the rest of the CDC. The overall wire configuration is shown in Table 6.2 and Fig. 6.1.
The stereo angles are listed in Table 6.2. A larger stereo angle provides better z resolution, but a large variation in the radial cell size along the z direction occurs in the boundary region between axial and stereo superlayers. To obtain a 60 mrad stereo angle, a special technique is adopted without adding insensitive regions: we string field wires in the transitions with half of the stereo angle and we adjust the radial positions at both endplates around the transitions. The same method is used in the Belle CDC [3]. The sense wire is only ∼ 1 mm closer to the field wire in this case, so that a large gain variation is avoided. The sense and field wire properties and counts are shown in Table 6.3. The properties are inherited from the Belle CDC, where there were no serious problems during more than ten years of operation. The counts are about a factor of 1.7 greater than in the Belle CDC. The 30 µmdiameter sense wires will operate at a slightly higher operating voltage so that the stronger electric field in the drift region reduces the maximum drift time. The aluminum field wires are unplated to avoid unnecessary material and to lower the cost.


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.

+...
There are three main structural components of the CDC (Fig. 6.2): a thin carbon-fiber reinforced plastic (CFRP) inner cylinder, two aluminum endplates, and a CFRP outer cylinder similar to the one in the Belle CDC.
The outer cylinder, with a thickness of 5 mm, supports most of the wire tension of about 4 tonnes. The inner cylinder should be thin (0.5 mm thickness) to minimize material, but it should also support the wire tension for the small-cell chamber (i.e., the innermost superlayer), which has its wires strung independently before installation into the main chamber. Tapered aluminum endplates are used for the outer region to reduce the deformation caused by wire tension, while conical aluminum endplates are used for the inner region to match the detector’s polar angular acceptance of 17°–150°. (The endplates of the small-cell chamber are conical as well.) The tapered shape in the outer region reduces the deformation by a factor of two compared to the Belle CDC.
As shown in Fig. 6.3, a step structure is machined in all three endplate sections to allow easier and more precise drilling of the many holes for the wire feedthroughs. This avoids the difficulty encountered in the Belle CDC, where it was quite hard and time-consuming to drill the holes through the long depth in its conical endplate. The step structure here gives a drilling depth of 10 mm for every endplate section; this is shown in Figs. 6.3 and 6.4.
The endplates for the main and conical parts are machined and drilled separately. Just before the wire stringing, the two parts bolted together, as shown in Figs. 6.3 and 6.5. The forwardand backward-connected endplates are attached on the outer CFRP cylinder (Fig. 6.3), at which time these endplates are precisely aligned.
The tension for the sense wires is the same (50 g) as in the Belle CDC. However, the tension of the field wires is reduced to 80 g from 120 g to reduce the deformation of the endplates. The gravitational sags for the sense and field wires differ by 85 µm. We estimated the maximum distortion in the x–t relation function using a Garfield simulation, and found a difference of at most 20 µm at the cell edge. The total wire tension is 4.1 tonnes (vs 3.4 tonnes for the Belle CDC). Using this wire tension and the described structure, a Finite Element Method calculation shows that the maximum stress of 31 MPa at outer edge of the endplate is smaller than the allowed limit of 107 MPa. In addition, the maximum deformation is 3 mm (vs 4 mm for the Belle CDC) at the inner edge of the endplate. We take account of this deformation in the design of the small cell chamber. Pre-stressing of the endplates is necessary when stringing the wires for the main and conical parts. The thin CFRP inner cylinder supports 370 kg of wire tension, which is a factor of six lower than the buckling load of 2300 kg.
The wire stringing is performed separately for the main chamber (including its conical part) and the small-cell chamber. The small-cell chamber has no outer cylinder and is small, so it is easy to string its wires horizontally from the inside on a table without any special jigs. The wire stringing for the main chamber is more challenging. The outer cylinder, already in place during the stringing operation, is constructed in one piece to be strong enough to support the large wire tension and to maintain the operating gas pressure absolutely constant. However, we need to observe directly each wire as it is being strung. We will string the wires vertically from the outside, while a person stands inside the chamber to observe each wire as it placed and to make any needed adjustments.
The feedthrough is used to fix the wires and to ensure insulation between the wire’s high voltage and the endplate’s ground. The shape of the feedthrough is the same as in the Belle CDC. However, the feedthrough material is changed from Delrin to Noryl due to the latter’s more reliable insulation performance at high voltage. Noryl is used successfully in the Belle small-cell chamber, installed in 2003. For our small-cell chamber, we do not have enough space to use feedthroughs for the field wires: only aluminum pins are used to hold the wire tension. The pin is attached directly on the endplate, as was done in the Belle small-cell chamber. There is space between each endplate and its thin aluminum cover to contain the feedthroughs, high voltage cables, signal cables, and readout electronics. All front-end electronics are located on the backward side to reduce the material in the forward side. The forward side is used only for the connection of high voltage cables. If we adopt the charge-division method for the z trigger, a small amount of additional electronics will be located on the forward side, but just outside the detector acceptance.
The CDC is supported by the outer detector. We are considering a huge cylinder, like the Belle inner detector support (IDS), for the forward side. It connects the CDC forward endplate to the forward inner-detector support flange, which is located inside the barrel ECL’s inner cylinder. For the backward side, the support of the CDC is slightly more complicated. A similar backward support cylinder is connected to the CDC backward endplate prior to installation. The outer radius of this support cylinder is smaller than inner radius of the barrel PID. This support cylinder is attached to the backward inner-detector flange though several separate jigs just after the CDC has been installed. The details will be fixed after the barrel PID option is selected.

コメント

訳についておかしな点などあればお知らせください
名前:
コメント: