Particles Signatures and detectors

Transkrypt

1 Detekcja, detektory 2009 Detektory elektroniczne Zamiana energii nośników informacji na impuls prądu elektrycznego Zjawisko przyrodnicze detektor Urządzenie pomiarowe proces Układ detekcyjny (wielostopniowy) Urządzenie wykonawcze regulator magistrala interfejs interfejs komputer Detekcja: nośniki informacji oddziaływanie nośników informacji z materią wzmacnianie pierwotnych sygnałów generacja prądowych impulsów analogowych impuls prądowy wielkość i kształt impulsu jest funkcją procesu oddziaływania nośnika z materią detektora Particles Signatures and detectors nondestructive measurement destructive measurements Tail catcher 1

2 Detektory promieniowania Fotoemisja (efekt fotoelektryczny Einstein 1905) Detektory fotonów - zakres widmowy w pobliŝu pasma widzialnego Detektory promieniowania jonizującego wysokoenergetyczne fotony, stabilne cząstki naładowane hc E = hν = λ h = 6,62*10-34 J s 1 ev = 1.6*10-19 J Fizyka oddziaływań promieniowania z materią fundamentem technik detekcji [ ] E ev 1.24 = λ [ µ m] Detektory elektroniczne: scyntylacyjne jonizacyjne gazowe półprzewodnikowe Wydajność fotoemisji zaleŝy od: energii fotonu rodzaju materiału fotokatody Wydajność (efektywność) kwantowa FOTOPOWIELACZ Foto-prąd jest proporcjonalny do mocy padającego światła: I = R p P in gdzie R - czułość [A/W] Wydajność kwantowa: η = stąd czułość: liczba wygenerowanych elektronów liczba padających fotonów η q R = = h ν ηλ 1.24 λ [µm], q = 1,602*10-19 C I p q hν = = R Pin q hν c ν = λ WE IWE If R WY c = 3*10 8 m/s, h = 6,62*10-34 J s Fotopowielacz = źródło prądowe Konwerter prąd-napięcie 2

3 Fotopowielacz cd. Fotopowielacz cd. Proces wzmocnienia jest procesem statystycznym w przybliŝeniu opisywanym rozkładem Poissona. B - fotopowielacz o duŝych szumach A - fotopowielacz o niewielkich szumach Szumy fotopowielacza prąd ciemny, impulsy (zliczenia) ciemne Przyczyna: termoemisja elektronów z powierzchni fotokatody i dynod. ObniŜenie temperatury radykalne zmniejszenie szumów Fotokatoda i materiał okna 8852 Photomultiplier BURLE - Quantacon PMT 51-mm (2-inch) średnica fotokatody, 12-stopniowy Pole magnetyczne!!! zakłóca działanie fotopowielacza Wyraźna linia jednofotonowa Okno wejściowe: Pyrex, Corning No. 7740, or equiv. Współczynnik załamania 1.47 dla nm Dynody: Dynoda no.1 : Gallium-Phosphide Dynody no.2 do 12: Beryllium-Oxide Struktura: liniowa z ogniskowaniem elektrostatycznym 3

4 Powielanie elektronów w układach MICROCHANNEL PLATE Microchannel Plate Photomultiplier BURLE With Semi-Transparent Photocathode Fotokatoda Arsenek Galu dobra zdolność zliczania fotonów czułość fotokatody 120 ma/watt dla 860 nm szeroki spektralny zakres czułości do 920 nm średnica okna wejściowego - 18 mm niewraŝliwy na zewnętrzne pole magnetyczne Wzmacniacze obrazu (Image Intensifier) Detektor CCD zasada działania 4

5 Micro-pixel Avalanche PhotoDiodes - fotopowielacz półprzewodnikowy Golovin i Sadygov w latach 90 Gęsta macierz fotodiod lawinowych działających w modzie Geigera hν R 50Ω Substrate Properties of MAPDs New generation of micro-pixel APD produced in Singapore by Zecotek - Active area: 3x3 mm 2 - Number of pixel: up to 40000/mm 2 - Gain ~ few x Voltage ~65 V - Dark current ~50 na - High stability - rozdzielczość czasowa: ps HIGH SINGLE ELECTRON NOISE (100 khz-1mhz) Micro-pixel Avalanche PhotoDiodes - fotopowielacz półprzewodnikowy 5

6 Detekcja fotonów wysokoenergetycznych detektory scyntylacyjne Dla większych energii fotonów (E> ~20keV) konieczność zastosowanie gęstego ośrodka: np. NaI(Th) Licznik scyntylacyjny odpowiednia wydajność rejestracji Scyntylacje: rozbłyski ośrodka wskutek oddziaływania promieniowania Widmo scyntylacji: zakres widzialny (na ogół) Zestawienie wybranych scyntylatorów Krzemowe detektory paskowe (Silicon strip detectors) Płaska płytka z krzemu wysokooporowego (wysoka czystość) tutaj: typu n Jedna powierzchnia posegmentowana na paski w postaci złącz np Odległość między paskami 20 do 200 µm - fotolitografia wysokiej precyzji Przestrzeń w pełni zuboŝona przez przyłoŝenie napięcia zaporowego (25-500V) Cząstka jonizująca powoduje tworzenie par elektron-dziura (25k w warstwie 300 µm). 50 µm 300 µm 6

7 Argon, Hel, Neon, Krypton, Ksenon Detektory gazowe Detektory gazowe liczniki proporcjonalne wielodrutowe komory proporcjonalne i dryfowe MultiWire Proportional Chamber (Charpak 1968) Wielodrutowe komory proporcjonalne (Georges Charpak, 1968) Poszczególne anody niezaleŝnymi detektorami Pomiar pozycji trafienia cząstki Lawinowe powielanie elektronów Wzmocnienie gazowe < 10 7 Georges Charpak Nobel Prize in Physics 1992 Emisja fotonów stowarzyszona z procesem lawinowego powielania elektronów 7

8 Gas Electron Multiplier (GEM) Detector (Fabio Sauli 1995) MULTI-GEM DETECTORS Cascaded GEMs: larger gains, safer operation, larger dynamic range Gęsta siatka otworów (sitko) w cienkiej folii plastikowej o zewnętrznych powierzchniach pokrytych miedzią Triple GEM (TGEM) Double GEM (DGEM) PrzyłoŜenie róŝnych potencjałów do obu stron folii powoduje DRIFT DRIFT powstanie dipolowego pola elektrycznego w otworkach Ions ED DRIFT ED DRIFT 40 % GEM 1 GEM 2 GEM 2 READOUT ET1 TRANSFER 1 ET2 TRANSFER 2 EI INDUCTION GEM 1 GEM 2 READOUT ET EI TRANSFER INDUCTION F. Sauli, Nucl. Instrum. Methods A386(1997) % Electrons C. Buttner et al, Nucl. Instr. and Meth. A 409(1998)79 S. Bachmann et al, Nucl. Instr. and Meth. A 443(1999)464 Gazowe detektory dryfowe Czas kolekcji ładunku jonizacyjnego zaleŝy od: składu ośrodka natęŝenia pola elektrycznego Detektory gazowe detekcja promieniowania X Pomiar czasu przepływu ładunku jonizacyjnego Zakres stosowalności: energia fotonów X < 100keV Pomiar pozycji trafienia cząstki 8

9 Absorpcja fotonów w ośrodku gazowym Zastąpienie kliszy rentgenowskiej specjalną wielodrutową komorą proporcjonalną Pomiar 1D >>> scanning >>> obraz 2D Zalety: obraz cyfrowy zmniejszenie dawki promieniowania poprawa kontrastu Optyczne detektory gazowe Prekursor Micro-pattern Gas Detectors? Autoradiografia pomiar rozkładu znakowania izotopami radioaktywnymi Markery: emitery β 3 H, 14 C, 32 S, 33 P G. Charpak, J.P. Fabre, F. Sauli, M. Suzuki & W. Dominik, Nucl. Instr. and Meth. A258(1987)177 9

10 Detektor gazowy jako wzmacniacz obrazu Optical Time Projection Chamber Obszar aktywny Siatka bramkująca Wzmocnienie Dryf Wzmocnienie WLS HI V VV 0 V Optical Time Projection Chamber Kamera CCD 2/3 1000x1000 pix 12-bitów wzmacniacz obrazu (x2000) Fotopowielacz 5 Dwuprotonowy rozpad 45 Fe 10

11 Rozpad 2α jądra 8 Be T 1/2 = 0.77 s 8 B T 1/2 = 0.84 s 8 Li MeV 2α 3.04 MeV 8 Be 2α 2α 11