Νέες εξελίξεις στους μικροανιχνευτές σωματιδίων με ευγενές αέριο: ο ανιχνευτής micromegas Κωνσταντίνος Κουσουρής
Περίληψη Περιγραφή και κατασκευή Αρχή λειτουργίας Ανίχνευση φωτονίων Επιδόσεις Χρήσεις και εφαρμογές Θερινό σχολείο Δημοκρίτου Κωνσταντίνος Κουσουρής 2
Γενικά Πρόκειται για αναλογικό απαριθμητή (proportional counter) αερίου. Μπορεί να ανιχνεύσει φορτισμένα σωματίδια (ηλεκτρόνια, μιόνια, άλφα) και ουδέτερα (φωτόνια, νετρόνια) με κατάλληλη επιλογή αερίου και συνθηκών λειτουργίας. Χαρακτηρίζεται από καλή ενεργειακή διακριτική ικανότητα και εξαιρετική χωρική. Είναι κατασκευασμένος από υλικά χαμηλού κόστους και λόγω του απλού μηχανικού σχεδιασμού του μπορεί να παραχθεί μαζικά. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε πειράματα που απαιτούν χαμηλό υπόβαθρο λόγω της περιορισμένης ακτινοβολίας των υλικών κατασκευής. Μπορεί να ανιχνεύσει φωτόνια πολύ χαμηλής ενέργειας (~250eV) εξαιτίας του μεγάλου πολλαπλασιαστικού παράγοντα (high gain). Η πολύ γρήγορη συλλογή φορτίου επιτρέπει την μέτρηση μεγάλου ρυθμού σωματιδίων. Θερινό σχολείο Δημοκρίτου Κωνσταντίνος Κουσουρής 3
Micromesh gaseous detector αέριο Κάρτες gassiplex Θερινό σχολείο Δημοκρίτου Κωνσταντίνος Κουσουρής 4
Mηχανικό σχέδιο Υλικά κατασκευής: Βάση -> kapton Τοιχώματα -> plexiglas Παράθυρο -> πολυπροπυλένιο Strongback -> ατσάλι Mesh -> χαλκός Strips -> χαλκός Θερινό σχολείο Δημοκρίτου Κωνσταντίνος Κουσουρής 5
Αρχή λειτουργίας Σωματίδιο Αλληλεπίδραση με το αέριο και παραγωγή πρωτεύοντος φορτίου. Απώλεια ενέργειας λόγω κρούσεων δημιουργία δευτερογενών φορτίων (ηλεκτρόνια, ιόντα). Εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου - πολλαπλασιασμός του φορτίου. Συλλογή φορτίου & επεξεργασία σήματος από κατάλληλο ηλεκτρονικό σύστημα. Θερινό σχολείο Δημοκρίτου Κωνσταντίνος Κουσουρής 6
Σχηματικό διάγραμμα πολυπροπυλένιο HV1 Ε1 Ar + Isobutane Drift gap Ε2 micromesh HV2 Amplification gap Τυπικές τιμές: HV1 = 1000-1600V, HV2 = 300-400V Drift gap = 2-3cm, amplification gap = 50 ή 100μm E1 = 0.3-1 kv/cm, E2 = 40 70kV/cm Σύσταση αερίου: Ar(95%)-Isobutane(5%) Strip gap = 350μm Strips Θερινό σχολείο Δημοκρίτου Κωνσταντίνος Κουσουρής 7
Αναπαράσταση του ανιχνευτή Δυναμικές γραμμές (προσομοίωση με το πρόγραμμα Maxwell) Drift & multiplication (προσομοίωση με το πρόγραμμα Garfield) Θερινό σχολείο Δημοκρίτου Κωνσταντίνος Κουσουρής 8
Μελέτη του πολλαπλασιασμού (Gain study) p=1bar Μ: gain a : συντελεστής Townsend p : πίεση Μ = exp(ad) Ε : ηλεκτρικό πεδίο a = paexp(-bp/e) d : multiplication gap δm/m = ad(1-bpd/v)(δd/d) V : τάση Α,Β: παράγοντες που χαρακτηρίζουν το αέριο Με κατάλληλη επιλογή του gap και της τάσης μπορούμε να περιορίσουμε σημαντικά την επίδραση των ατελειών στην τοποθέτηση του mesh. Η βέλτιστη λειτουργία επιτυγχάνεται για πίεση ~500mbar, σε αντίθεση με τους κοινούς ανιχνευτές αερίου με παράλληλες πλάκες (10mbar). Ar + 7% cyclohexane d=50μm, V=270V Θερινό σχολείο Δημοκρίτου Κωνσταντίνος Κουσουρής 9
Ανίχνευση φωτονίων Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο Tο φωτόνιο αλληλεπιδρά με το άτομο συνολικά και ένα ηλεκτρόνιο των εσώτερων στιβάδων ελευθερώνεται (φωτοηλεκτρόνιο). Το διεγερμένο άτομο αποδιεγείρεται με εκπομπή φωτονίου (χαρακτηριστική ακτινοβολία) ή με εκπομπή ηλεκτρονίου από ανώτερες στάθμες (Auger). Φαινόμενο Compton Tο φωτόνιο σκεδάζεται ελαστικά από ηλεκτρόνιο εξωτερικής στιβάδας. Κυρίαρχο φαινόμενο για ακτίνες Χ (Εγ < 100keV) Δίδυμη γέννεση Αν το φωτόνιο έχει αρκετή ενέργεια (>1MeV) μπορεί να παράξει ένα ηλεκτρόνιο και ένα ποζιτρόνιο. Θερινό σχολείο Δημοκρίτου Κωνσταντίνος Κουσουρής 10
Ο micromegas ως ανιχνευτής ακτίνων Χ (I) FWHM = 2.35 σ Διακριτική ικανότητα (energy resolution): R = FWHM/Eo Παράγοντες που επηρεάζουν τη διακριτική ικανότητα: 1. ενέργεια 2. ανομοιογένεια ηλεκτρικού πεδίου 3. ανομοιογένεια της ανόδου (strips) 3. καθαρότητα του αερίου μίγματος 4. διακυμάνσεις τάσης & πίεσης 5. ηλεκτρονικός θόρυβος Argon escape peak Φωτόνια 5.9 kev Θερινό σχολείο Δημοκρίτου Κωνσταντίνος Κουσουρής 11
Ο micromegas ως ανιχνευτής ακτίνων Χ (II) Γραμμικότητα Απόκριση του ανιχνευτή σε πηγή Cd Θερινό σχολείο Δημοκρίτου Κωνσταντίνος Κουσουρής 12
Efficiency Ar K-edge Αποτελέσματα προσομοίωσης Monte Carlo με χρήση του πακέτου GEANT4 Θερινό σχολείο Δημοκρίτου Κωνσταντίνος Κουσουρής 13
Χωρική διακριτική ικανότητα πειραματικές μετρήσεις χωρικής διακριτικής ικανότητας με δέσμη πιονίων, ορμής 10 GeV/c δέσμη φωτονίων 6.4 kev μέσω τηλεσκοπίου ακτίνων Χ Προφίλ δέσμης νετρονίων από το πείραμα n_tof Θερινό σχολείο Δημοκρίτου Κωνσταντίνος Κουσουρής 14
Εφαρμογές Major projects (1) COMPASS experiment: (spin dependent structure functions of the nucleons and relative contributions of u,d,s quarks and gluons, CERN since 2002). Minimum ionizing particles. Rate: 100kHz/cm 2, Neon gas mixture. (2) CAST experiment: (search for solar axions, CERN since 2002). X-rays. Rate: 1Hz, Argon gas mixture. (3) NA48/KABES experiment: (asymmetries in K ± ->π ± ππ, CERN since 2003). Kaon beam spectrometer. Rate: 10 MHz/cm 2, Neon gas mixture. (4) n_tof experiment: (neutron induced cross sections, CERN). Neutrons through Li convertor beam profile. Ar or He gas mixture. Minor projects & fututre developments (1) Medipix (micromegas + pixel readout). (2) NOSTOS experiment (low energy neutrinos detection with spherical TPC). (3) Medical imaging. (4) Neutron detection. Θερινό σχολείο Δημοκρίτου Κωνσταντίνος Κουσουρής 15
Συμπεράσματα (1) Ο ανιχνευτής τύπου micromegas κατασκευάσθηκε για να αντικαταστήσει συμπληρώσει τους ευρέως διαδεδομένους multiwire proportional chambers. (2) Τα πολύ γρήγορα σήματα (1ns για ηλεκτρόνια, 100ns για θετικά ιόντα) δεν περιορίζουν την ικανότητα ανίχνευσης υψηλού ρυθμού σωματιδίων, σε αντίθεση με τους παραδοσιακούς ανιχνευτές αερίου (χρόνος συλλογής ιόντων ~ 50μs ). (3) Η χωρική διακριτική ικανότητα δεν περιορίζεται από το μέγεθος των strips. (4) Εμφανίζει μεγάλη χρηστικότητα καθώς μπορεί να ανιχνεύσει ποικιλία σωματιδίων με την κατάλληλη επιλογή του αερίου και των συνθηκών λειτουργίας. (5) Κατασκευάζεται εύκολα και με χαμηλό κόστος. (6) Ο Δημόκριτος συμμετέχει ενεργά στην ανάπτυξη του ανιχνευτή, (μελέτη προτοτύπων, υποστήριξη του micromegas στο πείραμα CAST, ιατρική απεικόνιση κ.α) σε στενή συνεργασία με το Saclay, όπου εφευρέθηκε από τους Charpak και Γιοματάρη. Θερινό σχολείο Δημοκρίτου Κωνσταντίνος Κουσουρής 16