Vorwärts-Spurdetektor

Der Vorwärts-Spurdetektor (engl. Forward Tracker - FT) ist dazu vorgesehen, die Impulse der geladenen Teilchen zu bestimmen, die durch das Magnetfeld des Dipolmagneten abgelenkt werden. Der FT deckt dem entsprechenden den durch die Öffnung der Dipolmagneten definierten Winkelbereich von ±10° horizontal und ±5° vertikal bezogen auf die Strahlrichtung ab. Die Impuls-Akzeptanz ist oberhalb von 3% des Strahlimpulses, wobei die Abhängigkeit vom Impuls des Antiprotonenstrahls dadurch entsteht, dass das Feld des Dipolmagneten mit dem Strahlimpuls skaliert. Der FT besteht aus drei Paaren planarer Spurdetektor-Stationen: Ein Paar (FT1, FT2) befindet sich vor, ein zweites (FT5, FT6) hinter dem Dipol-Magnet und zusätzlich befindet sich ein drittes Paar (FT3, FT4) innerhalb der Magnetöffnung, um auch die Spuren von Teilchen mit niedrigen Impulsen, die das Magnetjoch treffen, bestimmen zu können.

Mit einem niedrigen Material-Budget, das 0.3% der Strahlenlänge entspricht, und einer erwarteten Ortsauflösung von σ=0.1 mm pro Dektor-Lage, ist die Impulsauflösung besser als 1%. Die Spurdetektor Stationen sollten hohen lokalen Teilchenströmen von 104 cm-2s-1 in der Nähe des Strahlrohres und hohen Gesamtzählraten von etwa 2·10^7 s-1 im hohen Luminositäts-Modus mit 2·10^7 Antiproton-Proton-Interaktionen pro Sekunde standhalten. Die mittlere Spur-Multiplizität im FT ist etwa 1 pro Interaktions-Ereignis.

Der FT basiert auf wie der STT auf Einzelkanal-Laufzeitröhren mit einem Durchmesser von 10mm. Die Röhren werden aus 30μm aluminisierter Mylar-Folie hergestellt und sind geerdet. Für die Anoden werden 20 μm vergoldeten Wolframat-Drähte verwendet. Der Gas-Druck in den Röhren von 2 bar stabilisiert diese mechanisch und hält die Spannung der Drähte auf einem Level von 50g. Um Alterungseffekte zu vermeiden wird eine Argon-Kohlendioxid-Mischung im Verhältnis 90:10 verwendet.

Die Detektor-Ebenen werden aus verschiedenen Modulen aufgebaut, die jeweils aus 32 in zwei Lagen angeordneten Röhren bestehen. Jedes Modul ist mit einer eigenen Vorverstärker-Diskriminator-Platine ausgestattet und verfügt über eine eigene Spannungs- und Gasversorgung. Jedes Modul ist also eine mechanisch und elektrisch autonome Einheit. Die Module werden nebeneinander in der Halterung montiert und bilden so eine Doppellage genannte Detektor-Ebene. Ein Modul kann in die Halterung montiert oder aus ihr demontiert werden, ohne dass benachbarte Module entfernt werden müssten. Dadurch sind der Zusammenbau und gegebenenfalls Reparaturen der Spurdetektor-Stationen erheblich erleichtert. Ein Halterahmen wird für zwei Doppellagen verwendet.

Jede Spurdetektor-Station besteht aus vier Doppellagen: Die erste und die vierte enthalten vertikal ausgerichtete Röhren und die beiden dazwischen liegenden Doppellagen enthalten um +5° bzw. -5° geneigte Röhren. Die geplante Anordnung der Doppellagen ermöglicht es in jedem Paar von Spurdetektor-Stationen unabhängig die Spur zu rekonstruieren, auch im Falle mehrerer Spuren in einem Ereignis. Die wesentlichen Parameter der einzelnen Spurdetektor-Stationen inklusive der Anzahl der Module und der Röhren, der Distanz zum Target und die Abmessungen der der aktiven Fläche sind in der folgenden Tabelle angegeben. Die Werte ändern sich möglicher Weise noch, da der FT weiterhin optimiert wird.

Station #Module #Röhren z-pos. [mm] Fläche x×y [mm²]
FT1 4×8 = 32 1024 2954 1298×640
FT2 4×8 = 32 1024 3274 1298×640
FT3 4×12 = 48 1536 3945 1944×690
FT4 4×12 = 48 1536 4385 1944×767
FT5 4×25 = 100 3200 6075 4045×1180
FT6 4×37 = 148 4736 7475 5984×1480

Die Gesamtanzahl der Röhren im FT ist 13065.

Die Halterung der Spurdetektor-Stationen FT1, FT2, FT5 und FT6 besteht aus rechtwinkligen Gestellen aus Stahlprofilen und zwei C-förmigen Einschüben, die über Teleskop-Schienen mit dem Gestell verbunden sind. Ein Paar aus einem linken und einem rechten Einschub wird für die Halterung von zwei Doppellagen verwendet. Der Einschub kann senkrecht zum Strahl bewegt werden, so dass die Module leicht zugänglich sind.

Für die Spurdetektor-Stationen FT3 und FT4 kann das Konzept einer Halterung mit Einschüben nicht verwendet werden, da in der Öffnung des Dipol-Magnets der notwendige Platz nicht zur Verfügung steht. Stattdessen werden die Module in geschlossene rechteckige Aluminium-Rahmen montiert. Das Design der Rahmen berücksichtigt die räumlichen Einschränkungen für die horizontalen Elemente der Rahmen von 55 mm, die den Abmessungen des Ausschnitts im Joch des Dipol-Magneten entsprechen. Für die Installation in der Öffnung des Dipol-Magneten wird der Rahmen in einem mit Rollen versehenen Gestell montiert und nach der Verkabelung und dem Anschluss aller Versorgungen wird das Gestell mit den Halterungen in die Öffnung des Dipol-Magneten gerollt. Die Position des Gestells in Bezug auf das Magnet-Joch wird durch auf der Innenseite des Jochs montierte Bolzen festgelegt.

Die Auslese-Elektronik der Röhren muss den hohen Anforderungen, die sich aus der Zählrate ergeben, genügen. Das entwickelte Auslese-System besteht aus drei Stufen:

  1. Platinen mit Verstärker und Diskriminator
  2. Platinen mit Zeit-zu-Digital-Wandlern für die Driftzeit messung unf FPGAs für eine schnelle Treffer-Detektion und
  3. Konzentrator-Platinen, die Informationen von mehreren Digital-Platinen zusammenführen und konzentrieren.

Die Vorverstärker werden direkt an den Modulen angebracht und die Digital-Platinen werden sich in der Nähe der Spurdetektor-Stationen in der Experimentierhalle befinden. Die Daten von den Konzentrator-Platinen werden zwecks Ereignis-Bildung und -Selektion an Rechner-Konten übertragen. Die Eignung der auf CARIOCA-10-Chips basierenden Vorverstärker-Diskriminator-Platinen und der Driftzeit Digitalisiertung wird unter Verwendung der von der HADES-Kollabortion entwickelten TRB-2-Platinen getestet.