Entwicklung und Bau des AMS Übergangsstrahlungsdetektors

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Simon Fiedler
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1 DPG-Frühjahrstagung Leipzig Entwicklung und Bau des AMS Übergangsstrahlungsdetektors S. Fopp TRD-Gruppe I. Phys. Institut der RWTH Aachen Leipzig, S. Fopp

2 AMS02- ein Weltraumexperiment Neue Umgebung für HEP Experimente Beschleunigungsvorgänge während des Starts und der Landung: Design-Ziel 9g Operation im Vakuum Betriebstemperatur: +10 Cbis+25 C Funktionsfähigkeit: 20 Cbis+40 C Limits für Ausgasraten auf der ISS: < g/s/cm 2 1

3 Der AMS02 Detektor TOF TRD 1,2 USS II Veto Counter Tracker Magnet He Vessel Vacuum Case Höhe: 3.50 m Breite: 2,30 m Gewicht: 7 t TOF 3,4 PFRICH ECAL Vortrag: Präzisionsmessungen der kosmischen Höhenstrahlung im Weltraum Das AMS Experiment auf der Internationalen Raumstation ISS Th. Kirn, T

4 AMS02 - TRD Oktagon-/ Schottwand-Haltevorrichtung (Modell) 20 Lagen Radiator/Detektor: 2x4 Lagen in X (Messung in Ablenkrichtung des Magneten) 12 Lagen in Y (Messung senkrecht zur Ablenkrichtung) 328 Module (L=86-201cm) mit 100 µm mech. Toleranz 3

5 Entstehung von Übergangsstrahlung One of 20 Layers TR γ Fleece Radiator LRP 375 BK (ATLAS) g/cm 22 mm 6 mm Xe/CO 2 p e p + Data p + MC e - Data e - MC E tube in kev 4

6 Straw-Module I Module: 16 Straws mit 6mm und 30 µm W-AuDraht Multilayer Capton tubings Kapton Wand 6µm Carbon polyimide 0.2µm Aluminum CFC longitudinal and transversal stiffeners 25µm Kapton film 5 µm Polyurethane Polycarbonate 25µm Kapton film Centricator Seal Stopper Endpiece Crimp Connector Electronic Board Cu-Te 0.2µm Aluminum 6µm Carbon polyimide 6 longitudinal stiffeners Strips across every 10 cm 5

Straw-Module II Weltraumtauglichkeitsprüfung: 4 Straw-Kammern der Länge: L=376; 400; 424; 448mm Kammer 376-424: Klebung: Araldit AW134 Kammer 448: Klebung: EPO-TEK 353ND

7 Straw-Module II Weltraumtauglichkeitsprüfung: 4 Straw-Kammern der Länge: L=376; 400; 424; 448mm Kammer : Klebung: Araldit AW134 Kammer 448: Klebung: EPO-TEK 353ND Testprogramm: Dichtigkeits-, Gasverstärkungsmessung I Vibrationstest Dichtigkeits-, Gasverstärkungsmessung II Thermovakuumtest Dichtigkeits-, Gasverstärkungsmessung III 6

8 Gasdichtigkeit der Straws Gasversorgung auf der ISS Erlaubte Leckrate: mbar/s bei 1bar Equiv. zu 1760 l Xe und 440 l CO 2 in 1000 Tagen Vorrat: 44.3kgXe 3.7kgCO 2 bei 50 bar Equiv. zu 8100 l Xe 2000 l CO 2 bei 1bar Diffusionsrate durch die Straw-Wände: Leckrate [10-6 l mbar/s] Druckabfallmessung Massenspektrometer Asymptoten für t l mbar/s (Massenspektrometer) l mbar/s (Druckabfall) Zeit [h] = Leckrate für Xe/CO 2 : mbar/s bei 1bar 7

Gasdichtigkeitsmessungen im Labor Leckrate [10-6 l mbar/s] 20 17.5 15 12.5 10 7.5 Massenspektrometermessung: Leckrate für Helium: 2 10 4 mbar/s bei 1bar Messdauer: 2h 5 2.5 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.

9 Gasdichtigkeitsmessungen im Labor Leckrate [10-6 l mbar/s] Massenspektrometermessung: Leckrate für Helium: mbar/s bei 1bar Messdauer: 2h Zeit [h] 2002/03/ FM Bubbler p (mbar) / 26 A E-01 A E E He P abs. P Sensor T Sensoren Kammer L = 448mm (He) Pressure (Temp corr.) time (s) = Leckrate für He: mbar/s bei 1bar 8

Gasverstärkungsmessungen Messungen mit Xe/CO 2 (80/20) Energie-Vorkalibration mit Fe 55 -Quellen p und T korrigiert G/G 5 ρ/ρ Granitblock: Oberflächengenauigkeit:5µm Gasverstärkung bei 1480V, 1bar,

10 Gasverstärkungsmessungen Messungen mit Xe/CO 2 (80/20) Energie-Vorkalibration mit Fe 55 -Quellen p und T korrigiert G/G 5 ρ/ρ Granitblock: Oberflächengenauigkeit:5µm Gasverstärkung bei 1480V, 1bar, 20 C Homogenität < 2% counts Straw2 U=1480V Position: 60cm flow: 1,0l/h gas gain Pos 60cm U = 1480V flow: 1l/h norm. 20 o C, 1013mbar keV MEAN: RMS: 12 (0.44%) G = 2700 ± 0.44% ADC channel straw 9

Gasverstärkungsmessungen im Labor Messungen mit Ar/CO 2 (80/20) counts 100 80 Kammer L = 376mm Straw1 U=1480V Position: 18cm flow: 1,0l/h gas gain 40000 35000 Kammer 376 (Ar/CO2) Pos 18cm U = 1480V

11 Gasverstärkungsmessungen im Labor Messungen mit Ar/CO 2 (80/20) counts Kammer L = 376mm Straw1 U=1480V Position: 18cm flow: 1,0l/h gas gain Kammer 376 (Ar/CO2) Pos 18cm U = 1480V flow: 1l/h norm. 20 o C, 1013mbar keV MEAN: RMS: 363 (1.46%) G = ± 1.46% ADC channel straw 10

12 Vibrationstest an der RWTH I Z X Y Vibration-Testzyklus: Sinus-Schwingung 0.5g ( Hz) Random Spektrum arms = 6.8g fu r 90s Sinus-Schwingung 0.5g ( Hz) S. Fopp Leipzig,

Vibrationstest an der RWTH II Resonanzfrequenz bleibt bei f 0 95 Hz 1 MX Z Y X ANSYS 5.7.1 MAR 8 2002 09:10:49 PLOT NO. 1 NODAL SOLUTION STEP=1 SUB =1 FREQ=101.

13 Vibrationstest an der RWTH II Resonanzfrequenz bleibt bei f 0 95 Hz 1 MX Z Y X ANSYS MAR :10:49 PLOT NO. 1 NODAL SOLUTION STEP=1 SUB =1 FREQ= UY TOP RSYS=0 DMX =1 SMN = SMX = MN f 0 = 101Hz 1st Nat. Freq.= 1st Bending Freq.= 101,1 Hz, Vertical Displ., A

Thermovakuum-Test am MPE Thermovacuum-Test Start 25.02.

14 Thermovakuum-Test am MPE Thermovacuum-Test Start :37:11,5 Temperature ( o C) Control Ch.12 Ch.01 Ch.02 Ch.03 Ch Time (hour) St. Fopp, Th. Kirn 13

15 Weltraumtauglichkeitsprüfung I Gasdichtigkeit der Straw-Module Module Produktion Vibration I Thermo- Vakuum Straw Leckrate Leckrate Leckrate Länge L q(he) q(he) q(he) [mm] 4 mbar [ 10 s ] 4 mbar [ 10 s ] [ 10 4 mbar s ] Kammer L= 448mm: Klebung mit EPO-TEK 353ND = Kleber nicht geeignet! Kammer L= 376mm: Klebung an der PEEK-Rohrverschraubung undicht = PEEK-Rohr wird durch Edelstahlrohr ersetzt! 14

16 Weltraumtauglichkeitsprüfung II Messungen mit Ar/CO 2 gas gain ± 1.5% ± 1.6% ± 1.8% ± 1.8% ± 1.8% ± 1.5% Ch Prod Vibr I Thermo Ch Prod Vibr I Thermo ± 2.2% ± 1.7% ± 1.6% ± 2.1% ± 1.7% ± 2% Ch Prod Vibr I Thermo Ch Prod Vibr I Thermo straw no. 15

17 Zusammenfassung und Ausblick Weltraumtauglichkeit: OK Mechanische und thermische Stabilität Gasdichtigkeit der Straw-Module Elektronisches Verhalten der Module Start der Serienproduktion der Straw-Module: Hat begonnen AMS02-TRD Beamtest: Anfang 2003 Zusammenbau von AMS02 in 2003 Shuttle-Flug im Nov

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