Θάλαμξπ πιμθήοωμ (Spark Chamber)

Transcript

1 Θάλαμξπ πιμθήοωμ (Spark Chamber) Έκαξ πώνμξ με μεηαιιηθμύξ μπιηζμμύξ (ειεθηνόδηα) γεμάημ με ηδακηθό aένημ, π.π. Ar Φμνηηζμέκμ ζςμαηίδημ ημκίδεη ημ αένημ δεμημονγμύκηαη δεύγε e-ηόκηςκ θαηά μήθμξ ηεξ ηνμπηάξ ημο Γπίζεξ, θαζώξ πενκάεη ημ ζςμαηίδημ από ημοξ ζπηκζενηζηέξ εκενγμπμημύκ ηεκ ορειή ηάζε Γθανμόδεηαη ορειή ηάζε ηζπονό ειεθηνηθό πεδίμ, δεμημονγείηαη ημ θαηκόμεκμ ημο θαηαηγηζμμύ (πημκμζηηβάδα) θαη έπμομε δεμημονγία πιάζμαημξ θαηά μήθμξ ηεξ ηνμπηάξ ακάμεζα ζηα ειεθηνόδηα άγεηαη ημ νεύμα θαηά μήθμξηεξ ηνμπηάξ πνμθαιείηαη εθθόνηηζε ζπηκζήναξ.

2 Θάλαμξπ πιμθήοωμ (Spark Chamber)

3 MultiWire Proportional Chamber, MWPC Απμηειείηαη από δομ επίπεδεξ θαζόδμοξ μεηαλύ ηςκ μπμίςκ πανεμβάιιεηαη ζε ίζε απόζηαζε μηα ζεηνά ακμδηθώκ ζονμάηςκ. Τοπηθέξ ηημέξ: d=2 mm, L=7 8 mm, D =δηάμεηνμξ ζύνμαημξ = μm (W+Au) Αένημ: Αr (75%)+Ιζμβμοηάκημ(24.5%)+Freon(0.5%) Γκίζποζε: V o = kv, C/L = 3.6 pf/m Τμ δοκαμηθό ημο MPWC (ζημ όνημ μεδεκηθήξ δηαμέηνμο ημο ζύνμαημξ ακόδμο) ζημ πώνμ μεηαλύ ακόδςκ-θαζόδμο: CVo 2πL 2πx 2πy ( x, y ) ln 4sin 4sinh 4πε d d d o Ακ L >> d >> D ε πςνεηηθόηεηα C ακόδμοθαζόδμο: C 2πε o πl / x ln πd / d Κμκηά ζηα ακμδηθά ζύνμαηα: Γ ~ 1/r (όπςξ με μμκμζονμαηηθό απανηζμεηή ) y x

4 MultiWire Proportional Chamber, MWPC ζπιμθηοιζηήπ ζπιμθηοιζηήπ Δεοηενμγεκήξ ημκηηζμόξ πνμθύπηεη ζε απόζηαζε μενηθώκ δηαμέηνςκ ακόδμο από ημ ζύνμα. Η εθανμμδόμεκε ηάζε ζηα ακμδηθά ζύνμαηα θαζμνίδεηαη από ηεκ ακηίζημηπε ειεθηνμζηαηηθή δύκαμε πμο πνέπεη κα είκαη μηθνόηενε από ηεκ παναμέκμοζα δύκαμε ιόγς μεπακηθήξ ηάζεξ ημο ζύνμαημξ: V o d 4 ο πεt LC Οη ζοκζήθεξ ιεηημονγίαξ ηςκ MWPC ελαζθαιίδμοκ πάκημηε απόδμζε ~100% με Χ Υ Χ Υ θαηάιιειε ορειή ηάζε. Η εγθάνζηα δηάηαλε ηςκ ακόδςκ δίδμοκ πιενμθμνίεξ ηςκ δύμ δηαζηάζεςκ γηα έκα ζςμαηίδημ. Ο ζοκδοαζμόξ 2 ή πενηζζμηένςκ MWPC με X, Y ακόδμοξ ζοκηζημύκ ηειεζθόπημ ακίπκεοζεξ ηνμπηώκ θμνηηζμέκςκ ζςμαηηδίςκ. Με ηε μέζμδμ ημο δηαηνέηε ηάζεξ μπμνμύμε με «δηπιή ακάγκςζε» ημο θάζε ζήμαημξ κα πνμζδημνίζμομε ημ ζεμείμ δηέιεοζεξ ημο ζςμαηηδίμο από ηεκ άκμδμ: y/l=qa/(qa+qb), QA, QB=θμνηία πμο ζοιιέγμκηαη ζηα Α, Γπηηογπάκμκηαη αθνηβείξ μεηνήζεηξ 0,4% ημο μήθμοξ L ηεξ ακόδμο. y Άμξδξπ μήκξρπ L ζωμαηίδιξ Q A Q Β

5 MultiWire Proportional Chamber, MWPC V s z d Τοπηθμί πανάμεηνμη: l : 5 mm s : 2-4 mm d : 20 m 0 2πl 2 πx 2 πy ln 4sin 4sinh s s s V sv0 0 Q θαη E0 2πl πd πd s πd 2ln l ln s s 2 π s Οη ζεηηθμί παιμμί πμο πνμθαιμύκηαη από ηα ζεηηθά ηόκηα ζηα γεηημκηθά ζύνμαηα είκαη πμιύ μεγαιύηενμη από ημοξ ανκεηηθμύξ παιμμύξ πμο πνμθαιμύκηαη ειεθηνμζηαηηθά ημ ηειηθό απμηέιεζμα ζεηηθμί παιμμί. Σοκδοαζμόξ MWPC με μνηδόκηηα θαη εγθάνζηα δηάηαλε ηςκ ακμδηθώκ ζονμάηςκ θαζηζηά έκα μμκαδηθό ακηπκεοηηθό ενγαιείμ με: 2-δηάζηαηε πςνηθή δηαθνηηηθή ηθακόηεηα: < 1 mm πνμκηθή δηαθνηηηθή ηθακόηεηα: ~ ms.

6 MultiWire Proportional Chamber, MWPC

7 Drift Chamber scintillator DELAY Start Stop TDC drift anode Μεηνάμε ημκ πνόκμ άθηλεξ ζημ ζύνμα x v ( t t ) d 0 low field region drift high field region gas amplification Πνέπεη κα ιύζμομε ηεκ αβεβαηόηεηα δεληά ανηζηενά

8 Drift Chamber Electric Field Electron Swarm Drift s s, t Anode Wire L Drift Single electron Several electrons Many electrons Σθάιμα ζημ πνώημ ειεθηνόκημ: ~ π σ1 σ 2 3lnN L Detection threshold N=100 1~ 0.4 L

9 Drift Chamber E B v B tanθ B 1 v 1 ωτ ωτ ωτ r B r E v B : μέζμξ πνόκμξ ζύγθνμοζεξ ω eb / m Larmor frequency E B vb σ σl T v σ 0 0 σ ωτ E r B T L v B

10 Drift Chamber Βέιηηζηε γεςμεηνία ζηαζενό E-πεδίμ Γπηιμγή drift gases με μηθνή ελάνηεζε v D (E) linear space - time relation r(t)

11 Large Area Drift Chamber open cell drift chamber πνεζημμπμηεί field θαη sense wires: field wires ζπεμαηίδμοκ ημ ειεθηνηθό πεδίμ, ηα sense wires ακηπκεύμοκ ημ πνόκμ άθηλεξ ημο παιμμύ. Η εθανμμγή από ημ πείναμα CDF ηα έπμοκ θιίζε ελαηηίαξ ημο ExB drift!

12 Time Projection Chambers (TPC) Ακηπκεοηήξ με μεγάιμ όγθμ. 3-D ακαθαηαζθεοή ηνμπηώκ x-y από ζύνμαηα θαη ηεκ θάζμδμ MWPC z από ημ drift time de/dx Πενημπή αενίμο με E & B πεδία B drift E x z Φμνηηζμέκμ ζςμαηίδημ wire chamber γηα ακίπκεοζε πνμβμιώκ ηνμπηώκ

13 Time Projection Chambers (TPC) Βάδμκηαξ B E βειηηώκεηαη ε δηάποζε Drift length 1m Πνέπεη κα έπμομε μμμγεκή E θαη B πεδία Space charge από ηα ηόκηα ανγόξ ακηπκεοηήξ t D ~ s E 420 cm B

14 Time Projection Chambers (TPC) Φμνηίμ πώνμο (Space charge) Πνόβιεμα από ηα ζεηηθά ηόκηα θηκμύκηαη πνμξ ηεκ μεζαία μεμβνάκε gating Gate open Gate closed Gate wires Cathode wires V g = 150 V Anode wires Cathode pads

15 MICRO-STRIP GAS CHAMBER (MSGC) Λεπηέξ ηαηκίεξ ακόδμο θαη θαζόδμο πάκς ζε οιηθό από μμκςηή Drift electrode Anode strip ~5 mm Glass support Back plane Cathode strips Cathode width: Anode width: Pitch: 90 m 10 m 200 m

16 Gas Electron Multiplier - GEM Λεπηό θύιμ επημεηαιιμμέκμο πμιομενμύξ οιηθμύ με μεγάιε ποθκόηεηα από ηνύπεξ. Γθανμόδμκηαξ μηα μεηαβαιιόμεκε ηάζε ηα ειεθηνόκηα πμο ειεοζενώκμκηαη ζημ πάκς μένμξ μιηζζαίκμοκ μέζα από ηηξ ηνύπεξ θαη πμιιαπιαζηάδμκηαη ζε θαηαηγίδα θαζώξ μεηαθένμκηαη ζηεκ άιιε πιεονά. gains πάκς από 10 3 γηα ηα πενηζζόηενα αένηα. 2 dimensional read-out Thickness: ~ 50 mm DV: V Hole Diameter:~ 70 mm Pitch:~140 mm

17 MICROMEGAS Thin-gap parallel plate chamber

18 Micromegas 3D Simulations MICROMEGAS Computation of field maps using 3D Finite Element Method. Software: Maxwell 3D Field Simulator (Ansoft Corp.) Obtain gas transport parameters for operating gas with Monte Carlo simulation using imonte 4.5 (author: Steve Biagi). Input of field maps and gas parameters in detector simulation software Garfield (author: Rob Veenhof).

19 Αμιςμερηήπ Ολίζθηζηπ ακοιβείαπ (Precision Drift chamber) Ακ ζημηβάλμομε ανθεημύξ ακαιμγηθμύξ απανηζμεηέξ, μπμνμύμε κα μεηνήζμομε ημ πνόκμ άθηλεξ ηςκ παιμώκ ημκηηζμμύ. Βνίζθμομε ηηξ εθαπηόμεκεξ πμο ακηηζημηπμύκ ζημοξ θύθιμοξ μιίζζεζεξ. Βνίζθμομε πςνηθή δηαθνηηηθή ηθακόηεηα με αθνίβεηα ~100 μm. ΑΛΛΑ πμιύ μεγάιε μάδα, πμιύ οιηθό!

20 Πείοαμα ATLAS LHC Monitored Drift Tubes

21 Πείοαμα ATLAS LHC 21 S. Palestini - Muon End Cap 30 Jan 07, LHCC Referee Meet.

22 Απαοιθμηηήπ Geiger-Müller Φαναθηενηζηηθά: Θάιαμμξ ημκηζμμύ, θοιηκδνηθόξ με άκμδμ ζημκ άλμκα. Κάζμδμξ μεηαιιηθή, ή γοάιηκε με μεηαιιηθή εζςηενηθή επίζηνςζε. Αένημ εογεκέξ (Ne ή Ar) με πνόζμηλε. Έκημκμξ δεοηενμγεκήξ ημκηζμόξ (θαηκ. πημκμζηηβάδαξ) αθόμα θαη από 1 ΜΟΝΟ δεύγμξ ηόκηςκ πνςημγεκώκ. Υρειόξ κεθνόξ πνόκμξ (~1 ms). Εθαομξγή: Ηιεθηνόκημ με θηκεηηθή εκένγεηα 0.5 MeV πάκεη όιε ημο ηεκ εκένγεηα μέζα ζημκ ακηπκεοηή. Αένημ He με μέζε εκένγεηα ημκηηζμμύ 42 ev. Ανηζμόξ παναγόμεκςκ δεογώκ e-ηόκηςκ: Ν=0.5x10 6 ev/42 ev ~1200, Γηα έκα ηοπηθό Geiger, ε πςνεηηθόηεηα είκαη C=10-9 F=1 nf, μπόηε ε ηάζε ζήμαημξ είκαη: V=Q/C = Ne/C ~2 x 10-6 V (μηθνό ζήμα) ΑΛΛΑ ιόγς ημο θαηκμμέκμο πημκμζηηβάδαξ έπμομε Ν ~ δεύγε V ~1.6 V (μεγάιμ ζήμα!).

23 Απαοιθμηηήπ Geiger-Müller Ακ μ G-M πενηέπεη θαζανό αένημ, μπμνμύκ κα ζομβμύκ εθθμνηίζεηξ: άθηλε ζεηηθώκ ηόκηςκ ζηεκ θάζμδμ θαη εθπμμπή ειεθηνμκίςκ πμο πνμθαιμύκ κέα εθθόνηηζε. δηαθμνάξ εκένγεηαξ ηόκημξ θαη ένγμ ελόδμο θαζόδμο, με απμηέιεζμα ηεκ εθπμμπή θςημκίμο θαη εκ ζοκέπεηα θςημειεθηνμκίμο. Η απμθογή ηςκ πμιιαπιώκ εθθμνηίζεςκ: Καηάιιειμ ελςηενηθό θύθιςμα μεγάιεξ ακηίζηαζεξ θόνημο ~ 10 8 Ω. Μεημκέθηεμα μ μεγάιμξ κεθνόξ πνόκμξ ημο ακηπκεοηή (~1 ms). Αοημαπόζβεζε με ηεκ πνμζζήθε ζημ εογεκέξ αένημ CH 3 CH 2 OH ή αιμγόκμο αενίμο. Ιόκηα Αr ημκηίδμοκ μόνηα αιθμόιεξ ηόκηα αιθμόιεξ πνμξ θάζμδμ. Πενημνηζμέκμξ πνόκμξ δςήξ μίγμαημξ ~ θνόοζεηξ. Ιμκηηζμόξ αιμγόκςκ πμο μδεύμοκ ζηεκ θάζμδμ. ΔΓΝ οπάνπεη πενημνηζμόξ, ηα δηαζπαζμέκα άημμα αιμγόκμο επακαζοκδέμκηαη. Φνήζε ακηπκεοηή με ορειά δοκαμηθά θαη ιήρε παιμώκ μέπνη 10 V.

24 Ρρθμόπ Απαοίθμηζηπ cnts/min Απαοιθμηηήπ Geiger-Müller Σηε παναθηενηζηηθή θαμπύιε ιεηημονγίαξ ημο απανηζμεηή GM ημ «πιαηώ» είκαη ακελάνηεημ ημο είδμοξ ηεξ ημκηίδμοζαξ αθηηκμβμιίαξ. Πενημπή ιεηημονγίαξ GΜ: V 1 - V 2 Σεμείμ ιεηημονγίαξ GM: 50-70% ημο πιαηώ Κιίζε ημο πιαηώ: 100(R 1 - R 2 )/ R 1 x 100/ (V 1 - V 2 ) % R 2 δρμαμικό καηάοοερζηπ Δοκαμηθό εθθίκεζεξ: αοηό πμο δίκεη ημκ ειάπηζημ παιμό κα πενάζεη ημ θαηώθιη ημο δηεοθνηκηζηή. Γλανηάηαη από ημκ ηύπμ ημο ζςμαηηδίμο. R 1 πιαηώ Νεθνόξ πνόκμξ GM: η ~ 400 μs δρμαμικό εκκίμηζηπ V 1 Τάζε (V) V 2 Δηόνζςζε μεηνμύμεκμο πνόκμο: R 1 Ro τr o

25 Απαοιθμηηήπ Geiger-Müller Σπεμαηηζμόξ ημο παιμμύ: Ποξζηαηερηικό παοάθροξ αένημ ηξίςωμα Άκμδμξ (+) μξμωηήπ C Ένξδξπ Κάθξδξπ (-) V R R Ο παιμόξ ημο ζήμαημξ ελόδμο μθείιεηαη ζηεκ επαγςγή θμνηίςκ ιόγς ηεξ θίκεζεξ ηςκ ζεηηθώκ ηόκηςκ θαη ηςκ ειεθηνμκίςκ θαηά ηεκ μιίζζεζε ημοξ, πανά ζηεκ θαζαοημύ ηεξ ζοιιμγήξ ηςκ θμνηίςκ. Γηα κρλιμδοικό ακαιμγηθό απανηζμεηή: CVo 1 CVo r 2πε E ( r ), V ( r ) ln, C 2πε r 2πε a ln b / a Ηιεθηνηθό πεδίμ Ηιεθηνηθό Δοκαμηθό Φςνεηηθόηεηα /μμκάδα μήθμοξ

26 Απαοιθμηηήπ Geiger-Müller Ακ q θμνηίμ ζε απόζηαζε r από ηεκ άκμδμ: Δοκαμηθή εκένγεηα θμνηίμο: Γ = qv(r), θαη ακ ημ θμνηίμ μεηαθηκείηαη θαηά dr : dv de q dr dr Γηα ποθκςηή με πςνεηηθόηεηα C, ε ειεθηνμζηαηηθή εκένγεηα είκαη: 1 E CV o 2 2 l= μήθμξ ημο θοιίκδνμο Ταπεία θίκεζε θμνηίςκ ΔΓΝ αιιάδεη ε ελςηενηθή πανμπή θιεηζηό θύθιςμα εκένγεηα δηαηενείηαη: d V ( r) q d V ( r) de CV dv q dr dv dr o dr CV dr Γμθάκηζε παιμμύ dv πμο επάγεηαη θαηά μήθμξ ηςκ ειεθηνμδίςκ από ηε μεηαθίκεζε ημο θμνηίμο. Θεςνμύμε πμιιαπιαζηαζμό θμνηίμο ζε απόζηαζε r από ηεκ άκμδμ, μεηά ηεκ εμθάκηζε πνςημγεκμύξ ημκηίδμκημξ γεγμκόημξ: o

27 Απαοιθμηηήπ Geiger-Müller Σοκμιηθή επαγόμεκε ηάζε ιόγς ειεθηνμκίςκ: V a q d V q a r ' dr ln CV dr 2πε a o a r' Σοκμιηθή επαγόμεκε ηάζε ιόγς ζεηηθώκ ηόκηςκ: Σοκμιηθή ηάζε: V V V V b q dv q b d r ln CV dr 2 πε a r ' o a r' q V ln ( a r ')/ a, C V ln b /( a r ') Πενημπή πμιιαπιαζηαζμμύ θμνηίςκ (~μενηθέξ αθηίκεξ ακόδμο) πνμθύπηεη όηη ε ζοκεηζθμνά ηςκ ειεθηνμκίςκ είκαη μηθνή εκ ζπέζεη με αοηήξ ηςκ ζεηηθώκ ηόκηςκ, ζημ ζπεμαηηζμό ημο παιμμύ. Πανάδεηγμα: α=10 μm, b=10 μm r =1 μm V - < 1% V + Τμ επαγόμεκμ ζήμα μθείιεηαη θονίςξ ζηεκ θίκεζε ηςκ ζεηηθώκ θμνηίςκ θαη ε θίκεζε ηςκ ειεθηνμκίςκ μπμνεί κα αγμξηθεί.

28 Φνόκμξ ακάπηολεξ παιμμύ: rt ( ) Απαοιθμηηήπ Geiger-Müller d V q r( t ) V ( t ) dr ln dr 2πε a r (0) Από ηε ζπέζε ηεξ θηκεηηθόηεηαξ ζα έπμομε: σ dr μcv 1 μcv o o μ μe ( r ) rdr dt E dt πε r πε Γθόζμκ όια ηα ζεηηθά ηόκηα πνμένπμκηαη από ηεκ θμκηηκή πενημπή ηεξ ακόδμο, ηόηε r(0)=0, όπμηε: μcv r 2 o () t a t πε 1/2

29 Απαοιθμηηήπ Geiger-Müller q μεvo q t V ( t ) ln 1 t ln 1, 2 4πε πεa 4πε t πε to, ολικός τρόμος ολίσθησης: T to b a μcv o o xνόκμξ t η=10 η=75 V(t) η = άπεηνμ

30 Απαοιθμηηήπ Geiger-Müller Ο παιμόξ ζοκήζςξ «θόβεηαη» από έκα θύθιςμα δηαθόνηζεξ RC με ζηαζενά πνόκμο η θαη ημύημ δηόηη ΔΓΝ είκαη απαναίηεημ κα πνεζημμπμηεζεί μιόθιενμ ημ παναγόμεκμ ζήμα παιμμύ. Η δηαθόνηζε ημο ζήμαημξ μηθναίκεη ηε δηάνθεηα ημο παιμμύ. Μόκμ ημ ηαπύηενμ ημήμα ημο πνόκμο ακόδμο (rising time) πνεζημμπμηείηαη πεναηηένς. Ο πνόκμξ πηώζεξ (fall time) ημο παιμμύ πμηθίιιεη ακάιμγα με ηε ζηαζενά πνόκμο η ημο δηαθμνηζηή, όπςξ θαίκεηαη ζημ πνμεγμύμεκμ ζπήμα.

31 ςέζη μεηανύ dead time, recovery time & resolving time Pulse Height Dead Time Recovery time Resolving time Time, microseconds