docFizyka cz ˛astek: detektory
download 
Reklamacja Transkrypt
Fizyka cz ˛astek: detektory
Fizyka czastek: ˛ detektory prof. dr hab. A.F.Żarnecki Zakład Czastek ˛ i Oddziaływań Fundamentalnych IFD Wykład II • Detektory gazowe Liczniki gazowe Jonizacja w gazach Stopping power [MeV cm2/g] Straty energii na jonizacje˛ mówia˛ nam o tym ile energii traci przechodzaca ˛ czastka. ˛ µ+ on Cu µ− 10 LindhardScharff 100 Średnio całkowita jonizacja w gazie (NT ) jest 2-3 razy wieksza ˛ niż jonizacja pierwotna (NP ). Bethe-Bloch AndersonZiegler Eµc Radiative losses Radiative Minimum effects ionization reach 1% Nuclear losses Without δ 1 0.001 0.01 0.1 1 0.1 1 10 100 [MeV/c] 10 1 βγ 100 1000 10 4 10 100 1 [GeV/c] Muon momentum 10 5 10 6 10 100 [TeV/c] Rozkład przekazów energii 1 p(∆E) ∼ ∆E Przejście czastki ˛ minimalnej jonizacji (MIP) przez 1 cm gazu: NP NT Ne 13 50 Ar 25 106 Xe 41 312 CH4 37 54 CO2 35 100 Wybite elektrony maja˛ czesto ˛ energie˛ wystarczajac ˛ a˛ do wtórnej jonizacji A.F.Żarnecki Wykład II 1 Liczniki gazowe Budowa Najprostszy licznik gazowy np. licznik Geigera-Mülera Wpadajaca ˛ czastka ˛ jonizuje gaz miedzy ˛ elektrodami. Przyłożone napiecie ˛ + swobodne nośniki ⇒ mierzymy przepływ pradu ˛ (impuls ładunku) A.F.Żarnecki W geometrii cylindrycznej pole elektryczne zależy od odległości od drutu Przy określonym napieciu ˛ pole przy drucie rośnie z malejac ˛ a˛ średnica˛ drutu Wykład II 2 Liczniki gazowe Mody pracy Tryb pracy komory zależy od przyłożonego napiecia. ˛ Wszystkie mody pracy sa˛ wykorzystywane w praktyce. Najcześciej ˛ wykorzystywany jest tryb licznika proporcjonalnego, gdyż pozwala na pomiar poczatkowej ˛ jonizacji. A.F.Żarnecki Wykład II 3 Liczniki gazowe Wzmocnienie gazowe Elektron dryfujacy ˛ w polu elektrycznym, jeśli jest ono wystarczajaco ˛ silne, może miedzy ˛ kolejnymi zderzeniami zyskać energie˛ wystarczajac ˛ a˛ do jonizacji kolejnych atomów. współczynnik Townsend’a Pierwszy określa ile nowych elektronów powstaje na jednostk˛e drogi: dn = α · n◦ dx ⇒ W pierwszym przybliżeniu otrzymujemy eksponencjalna˛ zależność od napiecia ˛ n = n◦ eαx n = n◦ eη(V −V◦) w jednorodnym polu Proporcjonalność załamuje sie˛ dla αx ∼ 20 A.F.Żarnecki Wykład II 4 Liczniki gazowe Wzmocnienie gazowe Przybliżenie Korff’a Bp α = p · A · exp − E p - ciśnienie E - nateżenie ˛ pola A i B - współczynniki zależne od gazu Dla argonu: 1 A = 14 mm Hg · cm V B = 180 mm Hg · cm A.F.Żarnecki Wzmocnienie gazowe: M Wykład II = exp r2 Z r1 α(r) dr 5 Liczniki gazowe Wzmocnienie gazowe Warunki odpowiednie do wzmocnienia gazowego najłatwiej wytworzyć w bezpośrednim sasiedztwie ˛ cienkiego drutu Możliwe jest powielenie ładunku o cznnik 104 − 105 W modzie ograniczonej proporcjonalności nawet do 1010 A.F.Żarnecki Wykład II 6 Liczniki gazowe Dobór gazu Najlepszy wybór powinien zapewnić: • niskie napiecie ˛ pracy • wysokie wzmocnienie gazowe • proporcjonalny mod pracy • krótki czas martwy Ze wzgledu ˛ na wysoka˛ jonizacje˛ czesto ˛ używany jest argon (Ar) Wzbudzone atomy Ar (∆E = 11.6eV ) emituja˛ fotony, które moga˛ wybijać elektron z katody. Może to prowadzić do wyładowania. W czystym argonie nie można uzyskać wzmocnienia wiekszego ˛ niż 103 − 104 A.F.Żarnecki Aby zwiekszyć ˛ wzmonienie trzeba dodać inny gaz, który bedzie ˛ tłumił wyładowania pochłaniajac ˛ fotony. Sa˛ to czasteczki ˛ wieloatomowe (pochłanianie wzbudza mody rotacyjne): metan, alkohole, BF3, CO2. Wystarczy niewielka domieszka. Typowa mieszanka 90%Ar + 10%CH4 ⇒ wzmocnienie do 106. Aby liczniki dobrze pracowały musza˛ być szczelne. Nawet śladowa domieszka powietrza (tlenu) lub pary wodnej “gasi” licznik jest to wynikiem wychwytywania elektronów przez czasteczki ˛ tlenu. Wykład II 7 Liczniki gazowe Odczyt W wyniku przejścia czastki ˛ czastki ˛ rejestrowany jest impuls ładnuku. Oczekiwany przepływ ładunku: Jedynie ∼ 1 − 2% tego impulsu powstaje w momencie gdy elektrony z kaskady otaczajacej ˛ drut docieraja˛ do jekgo powierzchni. Wiekszość ˛ rejestrowanego ładunku indukuje sie˛ w wyniku dryfu jonów. Typowy układ i kształt impulsu: DETECTOR BIAS Cb PREAMPLIFIER BIAS RESISTOR DETECTOR Cd A.F.Żarnecki PULSE SHAPER Rb Cc Rs Wykład II OUTPUT 8 Liczniki gazowe Komory wielodrutowe MWPC - Multi Wire Proportional Chamber Wiele równoległych drutów (anod) pomiedzy ˛ dwoma płaszczyznami katodowymi. A.F.Żarnecki Działa tak samo jak szereg pojedynczych komór Wykład II 9 Liczniki gazowe MWPC Można rejestrować impulsy z poszczególnych drutów. Można też rejestrować ładunki indukowane na katodzie. Możliwy jest podział dwóch płaszczyzn w prostopadłych kierunkach ⇒ dwuwymiarowy odczyt pozycji. Podział ładunku pomiedzy ˛ sasiednie ˛ paski (strips) ⇒ pozycja wyznaczana metoda˛ środka cieżkości ˛ (CoG) może być znacznie dokładniejsza niż szerokość paska. A.F.Żarnecki Wykład II 10 Liczniki gazowe MWPC Efektywność komór wielodrutowych spada przy wysokich strumieniach czastek. ˛ Wiaże ˛ sie˛ to z mała˛ mobilnościa˛ (predkości ˛ a˛ dryfu) powstajacych ˛ w wyniku wzmocnienia gazowego jonów. “Zalegajace” ˛ w pobliżu drutu jony obniżaja˛ pole elektryczne i zmniejszaja˛ wzmocnienie gazowe. A.F.Żarnecki Wykład II 11 Liczniki gazowe Nowe rozwiazania ˛ MSGC - Micro Strip Gas Chamber Druty sa˛ słabym punktem MWPC. Bardzo komplikuja˛ produkcje, ˛ sa˛ delikatne i nie moga˛ być zbyt blisko siebie ogranicza to dokładność pomiaru. Można je drukowanymi: zastapić ˛ Brak drutów ⇒ łatwiejszy montaż, stabilność mechaniczna. ścieżkami drift plane gas mixture Ne(40%)-DME(60%) cathode 93 µm anode 7 µm coating 1 µm 3 mm thickness 0.6 µm pitch 200 µm 0.3 mm glass substrate J_V_255 A.F.Żarnecki Wykład II 12 Liczniki gazowe Nowe rozwiazania ˛ MSGC - Micro Strip Gas Chamber Pole elektryczne: Wiecej ˛ “drutów” - możliwy wyższy rate: A.F.Żarnecki Wykład II 13 Liczniki gazowe Micromegas Waski ˛ obszar, oddzielony siatka, ˛ w którym nastepuje ˛ powielanie ładunku. 100 µm HV1 Drift gap 40 kV/cm e− Micromesh Amplification gap Anode plane HV2 E2 Particle Płaszczyzna anodowa może być podzielona na dowolnie małe elementy odczytu. A.F.Żarnecki Wykład II 14 Liczniki gazowe GEM Gas Electron Multiplier Obszar wysokiego pola elektrycznego można też uzyskać w małych otworach dwustronnie metalizowanego izolatora Bardzo wysokie wzmocnienie (powielenie ładunku) można uzyskać stosujac ˛ kilka warstw GEM 50 µm 140 µm A.F.Żarnecki Wykład II 15 Liczniki gazowe RPC Resisitve Plate Chambers yy HV Współczesna wersja “komory iskrowej” Foam Bakelite Gas Bakelite 1 mm Foam 1 cm A.F.Żarnecki Aluminum x pickup strips Insulator Graphite 2 mm 2 mm 2 mm Graphite Insulator y pickup strips Spacers Aluminum Napiecie ˛ miedzy ˛ równoległymi płytami jest na tyle duże, że przejście czastki ˛ powoduje wyładowanie. Warstwa izolatora ogranicza przestrzenny wyładowania. zakres bakielit (ρ = 1010 − 1012Ωcm) lub szkło (ρ = 1012 − 1013Ωcm) Wyładowanie obniża lokalna˛ efektywność rejestracji. Czas relaksacji rzedu µs − s ⇒ ograniczenie do ∼ kHz/cm2 Wykład II 16 Liczniki gazowe RPC Resisitve Plate Chambers Wielowarstwowe komory RPC efektywności i Pozwalaja˛ na zwiekszenie ˛ zmniejszenie dyspersji czasowej. Uzyskiwane dokładności ∆t ∼ 1 ns Ograniczona dokładność wyznaczania pozycji, ale bardzo dobre do celów wyzwalania. A.F.Żarnecki Wykład II 17 Liczniki gazowe Dryf ładunków Predkość ˛ dryfu elektronów w gazie w funkcji nateżenia ˛ pola: Predkość ˛ dryfu bardzo zależy do mieszanki gazowej i od przyłożonego napiecia. ˛ Dla niektórych mieszanek predkość ˛ dryfu (w pewnym bardzo słabo zależy od napiecia ˛ przedziale wartości) ⇒ korzystny wybór dla układów o niejednorodnym polu A.F.Żarnecki Wykład II 18 Liczniki gazowe Dryf ładunków Predkość ˛ dryfu elektronów w gazie jest bardzo czuła na skład mieszanki i ewentualne domieszki (lub zanieczyszczenia). Wpływ domieszki azotu na dryf w argonie: A.F.Żarnecki Wpływ domieszki dwutlenku wegla ˛ Wykład II 19 Liczniki gazowe Komora dryfowa Pomiar czasu dryfu elektronów umożliwia rekonstrukcje˛ pozycji przechodzacej ˛ czastki. ˛ Możliwe jest to nawet w przypadku zwykłych komór typu MWPC 0.15 Struktura komory tryfowej z celami sześciokat˛ nymi: (b) Drift chamber y-axis [cm] 0.10 0.05 0.00 −0.05 −0.10 −0.15 −0.20 −0.3 −0.2 −0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 x-axis [cm] dodatkowe druty zwiekszaj ˛ a˛ efektywność zbierania ładunku A.F.Żarnecki Wykład II 20 Liczniki gazowe Komora dryfowa Ostatnio czesto ˛ stosowane jako tania technologia dla detektorów o dużej powierzchni sa˛ tzw. komory słomkowe (straw tubes) Komory mionowe dla eksperymentu ATLAS A.F.Żarnecki Wykład II 21 Liczniki gazowe Komora dryfowa Ale najcześciej ˛ spotykamy konstrukcje dedykowane do pomiaru czasu dryfu Konstrukcja pojedynczej komory Wersja uproszczona: Wysoka jednorodność pola. Możliwe długości dryfu do kilku cm. Pomiar czasu dryfu “wyzwalany” innym detektorem A.F.Żarnecki Wykład II 22 Liczniki gazowe Komora dryfowa Pojedyncza cela komory dryfowej detektora CDF przy Tevatronie: A.F.Żarnecki Pełen detektor Rekonstruowany przypadek Wykład II 23 Liczniki gazowe Komora dryfowa Dokładność pomiaru pozycji czastki ˛ jest ograniczona przez dyfuzje˛ ładunku Dyfuzja w kierunku poprzecznym do kierunku dryfu (σT ) wieksza ˛ niż wzdłuż kierunku dryfu (σL) Pole magnetyczne wzdłuż kierunku dryfu zmniejsza dyfuzje˛ ładunku Możliwe zmniejszenie dyfuzji nawet o czynnik ∼ 10 A.F.Żarnecki Wykład II 24 Liczniki gazowe Komora dryfowa Pole magnetyczne prostopadłe do kierunku pola elektrycznego powoduje odchylenie kierunku dryfu elektronów (kat ˛ Lorentza). Trzeba to brać pod uwage˛ budujac ˛ detektory pracujace ˛ w polu magnetycznym. Pole magnetyczne zmniejsza też predkość ˛ dryfu. A.F.Żarnecki Wykład II 25 Liczniki gazowe Komora projekcji czasowej TPC Typowa konstrukcja Idea: komora wielodrutowa z bardzo długim obszarem dryfu ALICE TPC (5m długości, 5m średnicy) Długa droga dryfu ⇒ duże opóźnienie sygnału (10 − 100µs) A.F.Żarnecki Wykład II 26 Liczniki gazowe Komora projekcji czasowej TPC ALICE: Schemat: A.F.Żarnecki Wykład II 27 Liczniki gazowe Komora projekcji czasowej TPC Przekrój poprzeczny 1/4 komory TPC mocowanie kalorymetr kable kalorymetr 200 150 izolacja zewn. katoda centralna MSGC 100 izolacja wewn. 50 elektronika dodatkowe komory 0 0 50 100 150 200 250 300 Ogromna zaleta: bardzo mało materiału (tylko gaz) - czastki ˛ nie oddziałuja˛ A.F.Żarnecki Wykład II 28 Liczniki gazowe Komora projekcji czasowej TPC TPC zapewnia bardzo dokładn ˛ a˛ rekonstrukcje˛ torów także przy wysokiej krotności Możliwy też dokładny pomiar jonizacji (identyfikacja czastek) ˛ STAR A.F.Żarnecki NA49 Wykład II 29 Liczniki gazowe Komora projekcji czasowej TPC TPC sa˛ powszechnie używane w FWE Zasada ich działania praktycznie sie˛ nie zmieniła Zmieniaja˛ sie˛ wciaż ˛ metody odczytu - można stosować wszystkie technologie detektorów gazowych: MSGC, Micromegas, GEM... Istotnym ograniczeniem, podobnie jak w przypadku innych detektorów gazowych sa˛ gromadzace ˛ sie˛ jony dodatnie. Niezbedne ˛ efektywne oddzielenie obszaru aktywnego od obszaru powielania ładunku A.F.Żarnecki Wykład II 30
