Επιταχυντές και Ανιχνευτές στην Πυρηνική και Σωµατιδιακή Φυσική

Transcript

1 Επιταχυντές και Ανιχνευτές στην Πυρηνική και Σωµατιδιακή Φυσική Κ.Κορδάς Δ. Σαµψωνίδης Διαλεξη 7η Ανιχνευτές Αερίου

2 Εισαγωγή Βασική Αρχή των ανιχνευτών αερίων Αέριο σωµατίδιο Ολισθένοντα φορτία Λόγω ηλεκτρικού πεδίου Ανοδος [π.χ. σύρµα ή επίπεδο Πρωταρχικός ιονισµός Δευτερογενής ιονισµός (λόγω των δ-ηλεκτρονίων) 2

3 Εισαγωγή Παράµετροι των ανιχνευτών αερίου Ionization energy : Ei Average energy/ion pair : Wi Average number of primary ion pairs [per cm] : np Average number of ion pairs [per cm] : nt Differences due to δ-electrons δ-electrons lead to secondary ionization and limit spatial resolution; typical length scale of secondary ionization: 10 μm. Example: kinetic energy: Tkin = 1 kev; gas: Isobutane range: R = 20 μm... [using R [g/cm 2 ] = 0.71 (Tkin) 1.72 [MeV]; valid for Tkin < 100 kev] Gas <Z> ρ [g/cm 3 ] Ei [ev] Wi [ev] de/dx [kev/cm] np [cm -1 ] nt [cm -1 ] He Ar CH C4H

4 Στατιστική ιονισµού Mean free path λ: He 0.25 cm Air cm Xe cm [ σi(he) 100 b] Κινητικότητα φορτίου: Επιρεάζει τη χρονική συµπεριφορά του ανιχνευτή Διάχυση: Επιρεάζει τη χωρική διακριτική ικανότητα Διαδικασία χιονοστιβάδας : Σηµαντική για τον παράγοντα ενίσχυσης. Επανασύνδεση και προσάρτηση ηλεκτρονίων: Προσµείξεις ηλεκτραρνητικών αερίων (O2, F, Cl...) επιρεάζει την απόδοση ανίχνευσης. 4

5 Κινητικότητα Ιόντων Χωρίς ηλεκτρικό πεδίο Σε αέριο N, v t ~500m/s λ : Mean free path (ιόντων) Δt = λ(ε kin )/v t = const. Since Εkin essentially thermal, and vtherm. Με ηλεκτρικό πεδίο Τα ιόντα επιταχύνονται µε επιτάχυνση α, Μέση ταχύτητα Drift velocity vd for ions proportional to E! μ+ : ion mobility e.g. μ+=0.61 cm 2 /Vs for C4H10 [E = 1 kv/cm; typical drift distances = few cm typical ion drift time = few ms] 5

6 Απώλειες ηλεκτρονίων Κάποια ηλεκτρόνια µπορεί να χαθούν κατα την ολίσθηση... i. Eπανασύνδεση ιόντων και ηλεκτρονίων Εξαρτάται από τον αριθµό των φορέων φορτίου και τον συντελεστή επανασύνδεσης Σε γενικές γραµµές δεν είναι σηµαντικό... Recombination rate: Λ = p r n + n Recombination coefficient 10-7 cm 3 /s ii. Προσάρτηση ηλεκτρονίων Ηλεκτρο-αρνητικά αέρια δεσµεύει ηλεκτρόνια, π.χ.: O2, Freon, Cl2, SF6 Ισχυρή ενεργειακή εξάρτηση του συντελεστή προσάρτησης h ("Ramsauer effect")... Π.χ. O2: h = 10-4 Συγκρούσεις των ηλεκτρονίων ανά δευτερόλεπτο: Τυπικός χρόνος ολίσθησης ηλεκτρονίων: 10-6 s Fraction lost: Xloss = s s p = 10p Xloss < 1% p < 10-3, i.e. less than 1 admixture Oxygen should be kept out 6

7 Κινητικότητα Ηλεκτρονίων Η ενεργός διατοµή συγκρούσεων εξαρτάται ισχυρά από το την Ε κιν των ηλεκτρονίων. Τυπικές ταχ. ολίσθησης: ηλεκτρονίων ~cm/µs για 1keV/cm ( ταχύτερα των ιόντων) 7

8 Drift and Diffusion in Gases Drift velocity of electrons in several gases at normal conditions Use gas mixture to obtain constant vd Important for applications using drift time to get spatial information E-Field/pressure 8

9 Drift and Diffusion in Gases Drift velocity vd Drift velocity vd E-Field/pressure E-Field/pressure Drift velocity in several argon-methane (CH4) mixtures 9

10 Θάλαµος ιονισµού 10

11 Θάλαµος ιονισµού 11

12 Θάλαµος ιονισµού ΙΙ 12

13 Αναλογικός απαριθµιτής 13

14 Αναλογικός απαριθµιτής 14

15 Single Wire Proportional Counter d e a b c Xρονική ανάπτυξη χιονοστιβάδας στον αναλογικό ανιχνευτή Ενα πρωταρχικό ηλεκτρόνιο κατευθείνεται προς την άνοδο σε περιοχή όπου αυξάνει το ηλεκτρικό πεδίο και προκαλεί συγκρούσεις ιονισµού. Λόγω της διάχυσης αναπτύσεται µια χιονοστιβάδα ως σταγώνα που περιβάλλει το σίρµα. 15

16 Δηµιουργία σήµατος Θα πρέπει R e >>R I C e >>C α 16

17 Σήµα στον αναλογικό απαριθµιτή 17

18 Αναλογικός Απαριθµιτής ενός σίρµατος Ionization mode: full charge collection no multiplication; gain 1 Proportional mode: multiplication of ionization signal proportional to ionization measurement of de/dx secondary avalanches need quenching; gain Limited proportional mode: [saturated, streamer] strong photoemission requires strong quenchers or pulsed HV; gain Geiger mode: massive photoemission; full length of the anode wire affected; discharge stopped by HV cut 18

19 Πολυσυρµατικός Αναλογικό Απαριθµιτής Multi-wire Proportional Chamber (MWPC) 19

20 Multi-Wire Proportional Chamber (MWPC) G.Charpak Nobel Prize 1992 Guard strip MWPC construction details from Charpak's nobel lecture [1967 design] Sense wires [ = 20 μm] separated by 2 mm; wires lie between two cathode meshes; edges of the planes are potted in Araldite... 20

21 Multi-Wire Proportional Chamber (MWPC) Schematic setup: cathode plane d L rw anode wire Parameters: Features: d = 2-4 mm Tracking of charged particles rw = μm Some PID capabilities via de/dx particle track L = 3-6 mm Large area coverage U0 = several kv High rate capabilities 21

22 Multi-Wire Proportional Chamber (MWPC) Electric field lines and equipotentials tt tt tt tt a 3 a L 12 L Displacement effect Small wire displacements reduce field quality... Need high mechanical precision both for geometry and wire tension... near wire: radial field far away: homogeneous field [electrostatics and gravitation; wire sag] 22

23 Multi-Wire Proportional Chamber (MWPC) Signal generation: Electrons drift to closest wire Gas amplification near wire avalanche Signal generation due to electrons and slow ions... Timing resolution: Depends on location of penetration For fast response: OR of all channels... [Typical: σt = 10 ns] Space point resolution: main contribution Only information about closest wire σx = d/ 12 [Not very precise and only one for one dimension...] 2 dim.: use 2 MWPCs with different orientation... 3 dim.: several layers of such X-Y-MWPC combinations. Possible improvement: segmented cathode... Single OR 100 ns 10 ns 23

24 Θάλαµος ολίσθισης (Drift chamber) 24

25 Θάλαµος ολίσθισης (Drift chamber) Cathode strip Charged particle Cathode signals Cathode signal distribution Anode wire Anode signal Center of gravity determined with σy = μm 25

26 TPC (Time Projection Chamber) 26

27 Micro-strip Gas Counters (MSGC) 27

28 28 Micro Pattern Gas Detectors Detection of electron signal from MPGD: no signal broadening by induction short & narrow signals If signal collected on one pad No centre-of-gravity Possible Solutions Smaller pads Replace pads by bump bonds of pixel readout chips Capacitive or resistive coupling of adjacent pads

29 29 Time Projection Chamber New concept for gas amplification at the end flanges: Replace proportional wires with Micro Pattern Gas Detectors Wires GEM or Micromegas - Finer dimensions - Two-dimensional symmetry (no E B effects) - Only fast electron signal - Intrinsic ion feedback suppression GEM

30 GEM 30

31 31 Gas Electron Multiplier (GEM) (F. Sauli 1996) 50 mm capton foil, double sided copper coated 75 mm holes, 140 mm pitch GEM voltages up to 500 V yield 10 4 gas amplification For TPC use GEM towers for safe operation, e.g. COMPASS 140 µm Ø 75 µm

32 Micromegas (Y. Giomataris 1996) Asymmetric parallel plate chamber with micromesh Saturation of Townsend coefficient mild dependence of amplification on gap variations Ion feedback suppression 50 mm pitch 32

33 MICro MEsh GAseous Structure (MICROMEGAS) Micromesh Gaseous Chamber: a micromesh supported by mm insulating pillars Multiplication (up to 10 5 or more) takes place between the anode and the mesh and the charge is collected on the anode (one stage) Small gap: fast collection of ions Y. Giomataris et al, NIM A376(1996)29 33

34 MICROMEGAS time resolution (single photons) Single photon pulse height distribution (Polya) CsI coated mesh Single Photon Time Resolution: Excellent S/N performance: Physical time jitters for UV photons à electron diffusion in the gas and noise. 34 Μicromegas Time Resolution : σ ~ 700 ps J. Derre et al., NIM A449 (2000) 314

35 MICROMEGAS as TPC The time information for each channel is extracted from the peak time of the ADC spectra. The strip with the earliest arrival time is taken as reference. A time resolution of ~1 ns results in space points with a resolution along the drift direction of ~50 µm 35 T. Alexopoulos et al, NIM A617 (2010) 161

36 MICROMEGAS + Timepix CMOS Pixel Chip InGrid: integrate Micromegas & pixel chip by Si-wafer post-processing technology Grid robustness & Gap/Hole accuracy Deposit 50 µm SU(8) 0.8 µm Al grid UV Exposure Pattern Al Development of SU8 photoresist Ingrid + Silicon Protection Layer: Apply Si3N4 (high resistivity layer 3-20 µm) InGrid Detector: for discharge quench & SPARK PROTECTION before InGrid production SiProt Layer 36 M. Chefdeville et al, NIMA556(2006) 490

37 Resistive Plate Chambers HV: 7-12 KV Signal : ~300mV (µεγάλο) Πολύ καλή χρονική ακρίβεια Μεγάλο νεκρό χρόνο ΑΛΛΑ εντοπισµένο χωρικά στην περιοχή του σήµατος Ο υπόλοιπος θάλαµος ειναι ενεργός. 37