Co chcemy mierzyć (obecnie)? Należy pamiętać, że: Jakie obiekty podstawowe mierzymy bezpośrednio? Jak mierzymy?

Transkrypt

1 Detekcja, detektory 2010 Detektory elektroniczne Zamiana energii nośników informacji na impuls prądu elektrycznego Zjawisko przyrodnicze detektor Urządzenie pomiarowe proces Układ detekcyjny (wielostopniowy) Urządzenie wykonawcze regulator 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 Co chcemy mierzyć (obecnie)? Trajektoria lotu cząstki Energia Pęd Identyfikacja rodzaj cząstki i ładunek elektryczny Chwilę w czasie Należy pamiętać, że: Cząstki możemy zobaczyć tylko kiedy oddziałują z materią detektora (stąd neutrina prawie niewidzialne) Oddziaływanie odbywa się zawsze poprzez depozyt energii Jakie obiekty podstawowe mierzymy bezpośrednio? Cząstki naładowane długożyciowe: proton, elektron, mion, pion, kaon, alfa fotony Jak mierzymy? Pomiar wielokrotnych oddziaływań z materią niedestrukcyjny Pomiar destrukcyjny obiekt mierzony znika i rejestrujemy produkty zderzenia Jakie obiekty podstawowe mierzymy tylko pośrednio? Neutron Neutrino Wszystkie cząstki krótkożyciowe Wybór optymalnego ośrodka pomiarowego? zależy od charakterystyk mierzonej cząstki i mierzonych parametrów 1

2 Składniki eksperymentu FWE Pomiar niedestrukcyjny Pomiar destrukcyjny Pomiar resztek Ośrodek aktywny: Gaz Ciało stałe (półprzewodnik) Detektory jonizacyjne Multi Wire Proportional Chambers MWPC Time Projection Chambers Time Expansion Chambers Proportional Materiały: Chambers Thin Gap Krzem, Chambers Drift Chambers German, Jet Chambers Węgiel (diament), Straw Arsenek Tubes Galu Micro Technologia: Well Chambers Paskowe Cathode Strip Chambers Mozaikowe Resistive Dryfowe Plate Chambers Micro Strip Gas Chambers GEM - Gas Electron Multiplier Micromegas Micromesh Gaseous Structure Wczesna historia pomiarów promieniowania Ekrany scyntylacyjne Emulsje fotograficzne Licznik Geigera-Mullera Komora mgłowa Wilsona NOBEL Charles Wilson Historia - niedawna NOBEL Donald Glaser 1959 Komora pęcherzykowa - Zapis fotograficzny Jonizacja Precyzyjny pomiar topologii oddziaływań ale Nie znamy chwili zajścia zdarzenia Brak możliwości wyboru przypadków oddziaływań 2

3 A fotony? Fotoemisja Efekt fotoelektryczny Einstein 1905) hc E = hν = λ h = 6,62*10-34 J s 1 ev = 1.6*10-19 J [ ] E ev 1.24 = λ [ µ m] View of CMS detector at end of 2007 CERN Wydajność fotoemisji zależy od: energii fotonu materiału fotokatody FOTOPOWIELACZ Fotopowielacz cd. WE IWE If R WY Fotopowielacz = źródło prądowe Konwerter prąd-napięcie 3

4 8852 Photomultiplier BURLE - Quantacon PMT 51-mm (2-inch) średnica fotokatody, 12-stopniowy Powielanie elektronów w układach MICROCHANNEL PLATE 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 Microchannel Plate Photomultiplier BURLE With Semi-Transparent Photocathode Wzmacniacz obrazu (Image Intensifier) Detektor CCD zasada działania 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 niewrażliwy na zewnętrzne pole magnetyczne 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 Detekcja fotonów wysokoenergetycznych detektory scyntylacyjne Dla większych energii fotonów (E> ~20keV) konieczność zastosowanie gęstego ośrodka: np. NaI(Th) odpowiednia wydajność rejestracji Substrate Doskonała rozdzielczość energetyczna rozdzielczość czasowa: ps liczba pixeli do 40000/mm 2 wzmocnienie ~ x 10 4 napięcie zasilania ~65 V Scyntylacje: rozbłyski ośrodka wskutek oddziaływania promieniowania Widmo scyntylacji: zakres widzialny (na ogół) Licznik scyntylacyjny Zestawienie wybranych scyntylatorów 5

6 Detektory gazowe Argon, Hel, Neon, Krypton, Ksenon + domieszki Lawinowe powielanie ładunku elektrycznego w gazie Detektory gazowe liczniki proporcjonalne wielodrutowe komory proporcjonalne i dryfowe Komora jonizacyjna: Emisja fotonów stowarzyszona z procesem lawinowego powielania elektronów MultiWire Proportional Chamber (Charpak 1968) Wielodrutowe komory proporcjonalne (Georges Charpak, 1968) Poszczególne anody niezależnymi detektorami Pomiar pozycji trafienia cząstki Lawinowe powielanie elektronów Wzmocnienie gazowe < 10 7 Georges Charpak Nobel Prize in Physics

7 Gazowe detektory dryfowe Czas kolekcji ładunku jonizacyjnego zależy od: składu ośrodka natężenia pola elektrycznego Detektory śladowe - Time projection Chamber (TPC) TPC trajektorie cząstek naładowanych Pomiar czasu przepływu ładunku jonizacyjnego Pomiar pozycji trafienia cząstki 4 moduły TPC Całkowita objętość obszaru aktywnego:45 m czujników pikseli 62 moduły komór wielodrutowych Pole magnetyczne 1.5 Tesla Mieszanka gazowa: Ar + CO 2 Identyfikacja cząstek przez pomiar de/dx NA pc data NA49 p+p Identyfikacja cząstek przez pomiar czasu przelotu TOF TOF pomiar pędu konieczny p+pb Identyfikacja cząstek - połączony pomiar de/dx i TOF NA49 Zderzenia Pb+Pb Przedział pędu 5 6 GeV/c 7

8 Nowe techniki w detektorach gazowych Gas Electron Multiplier (GEM) Detector MSGC: 100 µm 10 µm Micro-Pattern Gas Detectors (GEM, Micromegas) - Zdolność rejestracji silnych strumieni promieniowania - Odczyt do Time Projection Chamber (Fabio Sauli 1995) Gęsta siatka otworów (sitko) w cienkiej folii plastikowej o zewnętrznych powierzchniach pokrytych miedzią Przyłożenie różnych potencjałów do obu stron folii powoduje powstanie dipolowego pola elektrycznego w otworkach 50 µm Odczyt pikselowy Micro-Pattern Gas Detectors Ions 140 µm Micromegas: Hz mm % 60 % F. Sauli, Nucl. Instrum. Methods A386(1997)531 Electrons GEM: Gas Electron Multiplier Duża gęstość komórek (50-100/mm 2 ) Typowa geometria: 5 µm Cu on 50 µm kapton 70 µm holes 140 µm pitch 5 µm 50 µm Odczyt dwuwymiarowy Cartesian: 400 µm 80 µm 70 µm 55 µm 350 µm 400 µm 70 µm Small angle: 140 µm Pads: C. Altumbas et al, NIM A490(2002)177 A. Bressan et al, Nucl. Instr. and Meth. A425(1999)254 8

9 BASIC GEM DETECTOR Krzemowe detektory paskowe (Silicon strip detectors) -V D -V TOP V GEM -V BOT 3 mm DRIFT 1 mm INDUCTION MULTIPLICATION PATTERNED READOUT BOARD DRIFT 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 zubożona przez przyłożenie napięcia zaporowego (25-500V) Cząstka jonizująca powoduje tworzenie par elektron-dziura (25k w warstwie 300 µm). 50 µm Zalety: Swoboda w kształtowaniu geometrii detektora Odczyt oddzielony od obszaru wzmocnienia Możliwość kaskadowego wielostopniowego wzmocnienia ładunku C. Buttner et al, Nucl. Instr. and Meth. A 409(1998)79 S. Bachmann et al, Nucl. Instr. and Meth. A 443(1999)464 GEM 1 GEM 2 GEM 2 READOUT ED DRIFT ET1 TRANSFER 1 ET2 TRANSFER 2 EI INDUCTION 300 µm Medipix2 collaboration Odczyt mikropixelowy detektorów gazowych Zastosowanie nagiego układu CMOS jako anody 17 instytutów (16 EU i 1 US) Zastosowania: Radiografia dentystyczna Mamografia Angiografia Dynamic autoradiography Promieniowanie synchrotronowe Mikroskop elektronowy Kamera Gamma Pixel: 55 µm Dyfrakcja X 256 x 256 pixeli Detekcja neutronów 14-bit licznik odczytu na każdym pikselu Monitor promieniowania Odczyt szeregowy <5ms@180MHz Odczyt równoległy <300us@120MHz (>1KHz kadr) Powierzchnia ~2cm µm 14 mm 14 mm Od Medipix do TimePix e - from source test beam TimePix + GEM setup Pomiar śladów! Mikro TPC TimePix (EUDET: Bonn, Freiburg, Saclay, CERN, NIKHEF) 3 pixel functionality modes DESY Test Beam: 5 GeV electrons 14 mm Freiburg Bonn X. Llopart M.Titov 9

10 Detektory gazowe detekcja promieniowania X Absorpcja fotonów w ośrodku gazowym Zakres stosowalności: energia fotonów X < 100keV Optyczne detektory gazowe Prekursor Micro-pattern Gas Detectors? Zastąpienie kliszy rentgenowskiej specjalną wielodrutową komorą proporcjonalną Pomiar 1D >>> scanning >>> obraz 2D Zalety: obraz cyfrowy zmniejszenie dawki promieniowania poprawa kontrastu G. Charpak, J.P. Fabre, F. Sauli, M. Suzuki & W. Dominik, Nucl. Instr. and Meth. A258(1987)177 10

11 Detektor gazowy jako wzmacniacz obrazu Optical Time Projection Chamber K. Miernik et al, Nucl. Instr. Meth. A581(2007)194 Dwuprotonowy rozpad 45 Fe 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

12 Rozpad 45 Fe w He +Ar (2:1) K. Miernik et al, Phys. Rev. Letters 99(2007),1-4 12