The alignment system of the ATLAS muon end-cap spectrometer

Abstract

The Large Hadron Collider at CERN will offer an unparalleled opportunity to probe fundamental physics at an energy scale well beyond that reached by current experiments. The ATLAS detector is being designed to fully exploit the potential of the LHC for revealing new aspects of the fundamental structure of nature. The muon spectrometer itself must measure with a momentum resolution of s10% for muons with a transverse momentum of p_T =1TeV, to fully exploit the advantages offered by the open superconducting air core muon toroid magnet system. At this level of momentum resolution the muon spectrometer relies heavily on the ability to master the alignment of the large muon chambers spaced far apart. The overall contribution of the alignment to the total sagitta error must be less than 30 µm r.m.s. In order to meet the stringent alignment requirements the positions of the muon chambers are constantly monitored with optical alignment technologies. The end-caps of this spectrometer are therefore embedded in an alignment grid that must allow for an absolute position measurement of the chambers. This alignment grid employes up to 9.6m long precision rulers (alignment bars) which have to provide the position and orientation of all alignment sensors permeating the end-caps. Simulation studies have shown that the shape of these bars must be known to 30 µm r.m.s. and the length must be known to 20 µm r.m.s. The principles of alignment and survey techniques used to do this are introduced and the current activities concerning the alignment strategy for the ATLAS muon end-cap spectrometer are presented. After consideration of the motivation and requirements, the measurement strategy and the design of the alignment bars is given. An optical and thermal in-bar instrumentation is used to provide shape information of discrete points on the bar. The strategy to calibrate the in-bar instrumentation and to measure an initial bar shape with a large coordinate measuring machine, leads to the analytic shape model that allows to interpolate between the discrete number of measured points to describe any other bar shape. Expressing these changes with virtual loads that account for all forces acting on the bar, finally leads to the required precision. The basic principles are explained and detailed design and test results are presented. As part of the process one octant, the smallest independent unit of the end-cap alignment system, has been erected in the H8 test beam area to evaluate the systems performance of the proposed alignment strategy. Measurements are presently carried out with this prototype setup and initial results will be presented. Finally, work done during the development of the alignment bars led to a proposal for the final ATLAS alignment bars and to a manual describing the process from assembling until installation.

Der geplante Large Hadron Collider (LHC) am CERN wird die einzigartige Möglichkeit bieten, physikalische Prozesse in einem Energiebereich, der weit über den gegenwärtiger Experimente hinausreicht, zu studieren. Der ATLAS Detektor (eines der beiden Universalexperimente am LHC) wurde entworfen, um das Entdeckungspotential des LHC f¨ur ,,neue Physik" völlig auszunützen. Eine wesentliche Voraussetzung dafür ist, daß sein Muon-Spektrometer Muonen mit einem Transversalimpuls von p_T =1TeV mit einer Impulsauflösung von s10% messen kann. Um dies zu erreichen, entschied sich die ATLAS Kollaboration, die Kombination aus Driftkammer-Systemen und einem Magnetsystem aus supraleitenden Spulen derart zu optimieren, daß der Gesamtbeitrag zum Meßfehler der Muontrajektorien kleiner als 30 µm r.m.s. sein wird. Diese geforderte Impulsauflösung in dem Meßvolumen von annähernd 20.000m3 kann nur erreicht werden, wenn die Position jeder einzelnen Driftkammer mittels optischer Systeme laufend vermessen wird. Die im Vorwärtsbereich geforderte absolute Positionsbestimmung der Driftkammern wird durch ein Referenzsystem aus 80, bis zu 9.6m langen, hochpräzisen Linealen (Alignment Balken) erreicht, welche die Position und Orientierung der auf ihnen montierten Sensoren auf 30 µm in Querrichtung, 20 µm in Längsrichtung und mit einer Winkelauflösung von 50 µrad ständig zur Verfügung stellen müssen. Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung des Konzepts und die technische Realisierung dieser Alignment Balken. Nach Motivierung der Anforderungen und einer einleitenden Erklärung der angewendeten Techniken zur globalen Positionsbestimmung, wird die optische und thermische Instrumentierung, sowie das daraus resultierende Design der Alignment Balken vorgestellt. Die Kalibrierung dieser Balkeninstrumentierung, in Verbindung mit der Vermessung der Balkenform mit einer Koordinatenmeßmaschine ermöglicht es, die absolute Formänderung an diskreten Punkten am Balken zu messen. Ein analytisches Modell zur Beschreibung des Balkenverhaltens wird hergeleitet, um die aktuelle Balkenform zwischen den Meßpunkten beschreiben zu können. Die geforderte Präzision der Formbeschreibung wird durch die Einführung virtueller Kräfte, die aus den Messungen der Balkeninstumentierung errechnet werden, erreicht. Die durchgeführten Messungen an 6 gebauten Prototypen und die erreichte Präzision der Bestimmung der Balkenform unter Laborbedingungen werden gezeigt. Um das Zusammenspiel dieser Balken und die eingangs geforderte Positionierungsgenauigkeit von Kammern zu verifizieren, wurde eine eigenständige Einheit (ein Oktant) des Vorwärtsbereichs des Muonspektrometers aufgebaut und erfolgreich getestet. Schließlich führte die gewonnene Erfahrung zu einem Entwurf, das die gestellten Anforderungen an die Alignment Balken erfüllt, und zu einem Handbuch, das die Schritte vom Zusammenbau bis zur Installation im ATLAS Detektor beschreibt.