Struktura układu doświadczalnego EKSPERYMENT ELEKTRONICZNY. detektor. interfejs. Detektory elektroniczne

Transkrypt

1 Struktura układu doświadczalnego EKSPERYMENT ELEKTRONICZNY 2013 Zjawisko przyrodnicze detektor Urządzenie pomiarowe Urządzenie wykonawcze interfejs regulator interfejs komputer Detektory elektroniczne Zamiana energii nośników informacji na impuls prądu elektrycznego proces nośniki informacji Układ detekcyjny (wielostopniowy) impuls prądowy Detekcja: oddziaływanie nośników informacji z materią wzmacnianie pierwotnych sygnałów generacja prądowych impulsów analogowych wielkość i kształt impulsu jest funkcją procesu oddziaływania nośnika z materią detektora 1

2 Wczesna historia pomiarów promieniowania Ekrany scyntylacyjne Emulsje fotograficzne Licznik Geigera-Mullera Komora mgłowa Wilsona NOBEL Charles Wilson Jonizacja Historia - niedawna NOBEL Donald Glaser 1959 Komora pęcherzykowa - Zapis fotograficzny Precyzyjny pomiar topologii oddziaływań ale Nie znamy chwili zajścia zdarzenia Brak możliwości wyboru przypadków oddziaływań 2

3 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 Składniki eksperymentu FWE Pomiar niedestrukcyjny Pomiar destrukcyjny Pomiar resztek 3

4 Detektory promieniowania Detektory fotonów - zakres widmowy w pobliżu pasma widzialnego Detektory promieniowania jonizującego: Fizyka oddziaływań promieniowania z materią fundamentem technik detekcji 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] wysokoenergetyczne fotony stabilne cząstki naładowane Detektory elektroniczne: scyntylacyjne jonizacyjne gazowe półprzewodnikowe Pomiar śladu Jonizacja: de/dx straty energii Rozproszenie nierelatywistyczne rutherfordowskie Formuła Bethe-Bloch 4

5 Detektory jonizacyjne Ośrodek aktywny: Gaz Ciało stałe (półprzewodnik) 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 Detektory gazowe Argon, Hel, Neon, Krypton, Ksenon + domieszki Emisja fotonów stowarzyszona z procesem lawinowego powielania elektronów 5

6 Detektory gazowe liczniki proporcjonalne wielodrutowe komory proporcjonalne i dryfowe MultiWire Proportional Chamber (Charpak 1968) Georges Charpak Nobel Prize in Physics

7 Wielodrutowe komory proporcjonalne (Georges Charpak, 1968) Poszczególne anody niezależnymi detektorami Pomiar pozycji trafienia cząstki Lawinowe powielanie elektronów Wzmocnienie gazowe do 10 7 Gazowe detektory dryfowe Czas dryfu ładunku jonizacyjnego zależy od: składu ośrodka natężenia pola elektrycznego scintillator DELAY Stop TDC Start drift anode low field region drift high field region gas amplification Pomiar czasu przepływu ładunku jonizacyjnego Pomiar pozycji trafienia cząstki 7

8 Detektory śladowe - Time projection Chamber (TPC) TPC trajektorie cząstek naładowanych 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 8

9 Identyfikacja cząstek przez pomiar czasu przelotu TOF TOF pomiar pędu konieczny Identyfikacja cząstek - połączony pomiar de/dx i TOF NA49 Zderzenia Pb+Pb Przedział pędu 5 6 GeV/c Nowe techniki w detektorach gazowych MSGC: 100 µm 10 µm Micro-Pattern Gas Detectors (GEM, Micromegas) - Zdolność rejestracji silnych strumieni promieniowania - Odczyt do Time Projection Chamber Odczyt pikselowy Micro-Pattern Gas Detectors 50 µm 140 µm Micromegas: Hz mm -2 9

10 Gas Electron Multiplier (GEM) Detector (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 Ions 40 % 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 na 50 µm kaptonie 70 µm otwór 140 µm odstęp 5 µm 50 µm 70 µm 55 µm 70 µm 140 µm 10

11 BASIC GEM DETECTOR -V D 3 mm DRIFT -V TOP V GEM -V BOT 1 mm MULTIPLICATION INDUCTION DRIFT PATTERNED READOUT BOARD ED DRIFT Zalety: GEM 1 Swoboda w kształtowaniu geometrii detektora GEM 2 Odczyt oddzielony od obszaru wzmocnienia Możliwość kaskadowego wielostopniowego GEM 2 wzmocnienia ładunku READOUT ET1 TRANSFER 1 ET2 TRANSFER 2 EI INDUCTION Odczyt dwuwymiarowy Cartesian: 400 µm 80 µm 350 µm 400 µm Small angle: Pads: C. Altumbas et al, NIM A490(2002)177 A. Bressan et al, Nucl. Instr. and Meth. A425(1999)254 11

12 Odczyt mikropixelowy detektorów gazowych Zastosowanie nagiego układu CMOS jako anody Medipix2 collaboration 17 instytutów (16 EU i 1 US) Zastosowania: Radiografia dentystyczna Mamografia Angiografia Dynamiczna autoradiografia 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 2 12

13 Od Medipix do TimePix e - from source test beam Pomiar śladów! Mikro TPC TimePix + GEM setup TimePix (EUDET: Bonn, Freiburg, Saclay, CERN, NIKHEF) 600 µm 14 mm 3 pixel functionality modes DESY Test Beam: 5 GeV electrons 14 mm Freiburg Bonn X. Llopart M.Titov 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 zubożona przez przyłożenie napięcia zaporowego (25-500V) Cząstka jonizująca powoduje tworzenie par elektron-dziura (25k w warstwie 300 µm). 50 µm 300 µm 13

14 Detektory gazowe detekcja promieniowania X Zakres stosowalności: energia fotonów X < 100keV Absorpcja fotonów w ośrodku gazowym 14

15 Zastąpienie kliszy rentgenowskiej specjalną wielodrutową komorą proporcjonalną Pomiar 1D >>> scanning >>> obraz 2D Zalety: obraz cyfrowy zmniejszenie dawki promieniowania poprawa kontrastu Efekt fotoelektryczny Einstein 1905) Fotony? Wydajność fotoemisji zależy od: energii fotonu rodzaju materiału fotokatody 15

16 FOTOPOWIELACZ I WE I f R WE WY Fotopowielacz = źródło prądowe Konwerter prąd-napięcie Fotopowielacz cd. 16

17 Fotokatoda i materiał okna Fotopowielacz cd. Proces wzmocnienia jest procesem statystycznym w przybliżeniu opisywanym rozkładem Poissona. B - fotopowielacz o dużych szumach A - fotopowielacz o niewielkich szumach Szumy fotopowielacza prąd ciemny, impulsy (zliczenia) ciemne Przyczyna: termoemisja elektronów z powierzchni fotokatody i dynod. Obniżenie temperatury radykalne zmniejszenie szumów 17

18 8852 Photomultiplier BURLE - Quantacon PMT 51-mm (2-inch) średnica fotokatody, 12-stopniowy Pole magnetyczne!!! zakłóca działanie fotopowielacza Okna wejściowe: Materiał Pyrex, Corning No. 7740, Współczynnik załamania dla nm Dynody: Dynoda no Gallium-Phosphide Dynody no.2 do 12, Beryllium-Oxide Struktura liniowa z ogniskowaniem elektrostatycznym Powielanie elektronów w układach MICROCHANNEL PLATE niewrażliwy na zewnętrzne pole magnetyczne! Wzmacniacze obrazu (Image Intensifier) 18

19 85104 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 niewrażliwy na zewnętrzne pole magnetyczne Micro-pixel Avalanche PhotoDiodes - fotopowielacz półprzewodnikowy Golovin i Sadygov w latach 90 Gęsta macierz fotodiod lawinowych działających w modzie Geigera hν R 50Ω Substrate Doskonała rozdzielczość energetyczna rozdzielczość czasowa: ps liczba pixeli do 40000/mm 2 wzmocnienie ~ x 10 4 napięcie zasilania ~65 V 19

20 Detekcja fotonów wysokoenergetycznych Promieniowanie X i gamma detektory scyntylacyjne Dla większych energii fotonów (E> ~20keV) konieczność zastosowanie gęstego ośrodka: np. NaI(Th) Scyntylacje: rozbłyski ośrodka wskutek oddziaływania promieniowania Widmo scyntylacji: zakres widzialny (na ogół) Licznik scyntylacyjny 20

21 Zestawienie różnych scyntylatorów Pomiar energii Kalorymetry elektromagnetyczne i hadronowe Całkowite zniszczenie cząstki i absorpcja jej energii (+pomiar topologii) Kalorymetr próbkujący jonizacyjny CIEKŁY ARGON Electron shower in lead. Cloud chamber. W.B. Fretter, UCLA 21

22 Optyczne detektory gazowe Prekursor Micro-pattern Gas Detectors? G. Charpak, J.P. Fabre, F. Sauli, M. Suzuki & W. Dominik, Nucl. Instr. and Meth. A258(1987)177 Optical Time Projection Chamber Dwuprotonowy rozpad 45 Fe K. Miernik et al, Nucl. Instr. Meth. A581(2007)194 22

23 Rekonstrukcja zdarzeń Z θ Y t L PM = v d t X φ Fotopowielacz Rekonstrukcja zdarzenia: (r, Θ, φ ) XY L o Kamera L o = r cosθ L PM = r sinθ r 2 = L o2 + L PM 2 Θ = arctan(l o /L PM ) 23

24 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 Rozpad 45 Fe w He +Ar (2:1) K. Miernik et al, Phys. Rev. Letters 99(2007),1-4 24

25 Zakłócenia i szumy Zakłócenia i szumy niepożądane sygnały w układach elektronicznych Występują w każdym elektronicznym układzie pomiarowym Przyczyny powstawania nie zawsze kontrolowane przez eksperymentatora Klasyfikacja (na użytek wykładu): zakłócenia zewnętrzne, wywołane pracą innych urządzeń elektrycznych, zjawiskami przyrodniczymi szumy powodowane przez fluktuacje transportu ładunku elektrycznego wewnątrz układu pomiarowego związane ze zjawiskiem przepływu prądu Zakłócenia zewnętrzne. Typowy tor przenikania zakłóceń : Źródło zakłóceń (nadajnik) Kanał transmisji odbiornik Eliminacja zakłóceń pomiarowych powinna zachodzić we wszystkich elementach toru transmisyjnego: zadanie niewdzięczne, nudne, żmudne czasochłonne i wymaga dużej intuicji, ale od skuteczności zależy jakość wyników pomiaru 25

26 Szum biały Sygnał + Szum 26

27 Widmo szumów oraz zakłóceń zewnętrznych Szumy i zakłócenia ograniczają czułość aparatury pomiarowej i precyzję pomiaru Należy z nimi walczyć! np.: technika modulacyjna (częstość modulacji zależy od eksperymentatora). najmniej zakłócone pasmo Hz Należy unikać wielokrotności częstości sieciowej! 27