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

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

Particles Signatures and detectors

Mikroprocesory. magistrala. jednostka arytmetyczno-logiczna

NIEWIDZIALNE DO DETEKCJI CZĄSTEK. czyli. Z Hajduk Z. Hajduk IFJ PAN KRAKÓW

Elementy Fizyki Jądrowej. Wykład 7 Detekcja cząstek

Wszechświat czastek elementarnych

Identyfikacja cząstek

Wszechświat Cząstek Elementarnych dla Humanistów Detekcja cząstek

Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2

Repeta z wykładu nr 8. Detekcja światła. Przypomnienie. Efekt fotoelektryczny

J14. Pomiar zasięgu, rozrzutu zasięgu i zdolności hamującej cząstek alfa w powietrzu PRZYGOTOWANIE

Wszechświat czastek elementarnych Detekcja czastek

Rekapitulacja. Detekcja światła. Rekapitulacja. Rekapitulacja

Detektory cząstek. Procesy użyteczne do rejestracji cząstek Techniki detekcyjne Detektory Przykłady użycia różnych technik detekcyjnych.

Detektory cząstek. Procesy użyteczne do rejestracji cząstek Techniki detekcyjne Detektory Eksperymenty. D. Kiełczewska, wykład 3

Wszechświat czastek elementarnych Detekcja czastek

Jak działają detektory. Julia Hoffman# Southern Methodist University# Instytut Problemów Jądrowych

Marek Kowalski

Fizyka cząstek elementarnych

Badanie schematu rozpadu jodu 128 J

Jak działają detektory. Julia Hoffman

Pracownia Jądrowa. dr Urszula Majewska. Spektrometria scyntylacyjna promieniowania γ.

Wszechświat czastek elementarnych Detekcja czastek

Fluorescencyjna detekcja śladów cząstek jądrowych przy użyciu kryształów fluorku litu

Detekcja promieniowania jonizującego. Waldemar Kot Zachodniopomorskie Centrum Onkologii w Szczecinie

Wyznaczanie efektywności mionowego układu wyzwalania w CMS metodą Tag & Probe

Badanie schematu rozpadu jodu 128 I

Ćwiczenie nr 2 : Badanie licznika proporcjonalnego fotonów X

Oddziaływanie cząstek z materią

Metody i Techniki Jądrowe

Detektory czastek. Elementy fizyki czastek elementarnych. Wykład III. Detekcja czastek detektory śladowe kalorymetry Detektory w dużych eksperymentach

Fizyka czastek: detektory

T E B. B energia wiązania elektronu w atomie. Fotony

Nowatorskie rozwiązanie:tpc z odczytem optycznym (prof. Wojciech Dominik)

Fizyka jądrowa z Kosmosu wyniki z kosmicznego teleskopu γ

Narodowe Centrum Badań Jądrowych Dział Edukacji i Szkoleń ul. Andrzeja Sołtana 7, Otwock-Świerk. Imię i nazwisko:... Imię i nazwisko:...

promieniowania Oddziaływanie Detekcja neutronów - stosowane reakcje (Powtórka)

Fotodetektory. Fotodetektor to przyrząd, który mierzy strumień fotonów bądź moc optyczną przetwarzając energię fotonów na inny użyteczny sygnał

Ćwiczenie nr 5 : Badanie licznika proporcjonalnego neutronów termicznych

Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW

3. Zależność energii kwantów γ od kąta rozproszenia w zjawisku Comptona

Cel. Pomiar wierzchołków oddziaływań. Badanie topologii przypadków. Pomiar pędów (ładunku) Pomoc w identyfikacji cząstek (e, µ, γ)

Repeta z wykładu nr 6. Detekcja światła. Plan na dzisiaj. Metal-półprzewodnik

Akceleratory i detektory czastek

Wszechświat czastek elementarnych Detekcja czastek

Promieniowanie jonizujące i metody radioizotopowe. dr Marcin Lipowczan

Budowa i działanie detektorów cząstek elementarnych. Autor: Rafał Sarnecki

Wzrost pseudomorficzny. Optyka nanostruktur. Mody wzrostu. Ekscyton. Sebastian Maćkowski

SPEKTROMETRIA CIEKŁOSCYNTYLACYJNA

Pomiar energii wiązania deuteronu. Celem ćwiczenia jest wyznaczenie energii wiązania deuteronu

Zakres wykładu. Detekcja światła. Zakres wykładu. Zakres wykładu

ZJAWISKA FOTOELEKTRYCZNE

Ćwiczenie 57 Badanie absorpcji promieniowania α

Metody eksperymentalne w fizyce wysokich energii

Detekcja cząstek elementarnych. w eksperymencie MINOS. Krzysztof Wojciech Fornalski Wydział Fizyki Politechniki Warszawskiej 2006

Fotodetektor. Odpowiedź detektora światłowodowego. Nachylenie (czułość) ~0.9 ma/mw. nachylenie = czułość (ma/mw) Prąd wyjściowy (ma)

Techniki Jądrowe w Diagnostyce i Terapii Medycznej

Metody eksperymentalne w fizyce wysokich energii

Prawo rozpadu promieniotwórczego. Metoda datowania izotopowego.

J6 - Pomiar absorpcji promieniowania γ

Detekcja promieniowania X

Repeta z wykładu nr 10. Detekcja światła. Kondensator MOS. Plan na dzisiaj. fotopowielacz, część 2 MCP (detektor wielokanałowy) streak camera

Seminarium. -rozpad α -oddziaływanie promienowania z materią -liczniki scyntylacyjne. Konrad Tudyka

Ćwiczenie 3. POMIAR ZASIĘGU CZĄSTEK α W POWIETRZU Rozpad α

(2) Zastosowanie fluorescencji rentgenowskiej wzbudzanej źródłami promieniotwórczymi do pomiarów grubości powłok

Repeta z wykładu nr 5. Detekcja światła. Plan na dzisiaj. Złącze p-n. złącze p-n

Oddziaływanie promieniowania jonizującego z materią

Theory Polish (Poland)

NCBiR zadania badawcze IFPiLM. Marek Scholz

Ćwiczenie LP2. Jacek Grela, Łukasz Marciniak 25 października 2009

J8 - Badanie schematu rozpadu jodu 128 I

Detektory gazowe w polu magnetycznym.

Oddziaływanie Promieniowania Jonizującego z Materią

Akceleratory i detektory czastek

Akceleratory i detektory czastek

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE

Fizyka cząstek elementarnych warsztaty popularnonaukowe

Detekcja promieniowania elektromagnetycznego czastek naładowanych i neutronów

Jądra o wysokich energiach wzbudzenia

Detektory scyntylacyjne

Licznik scyntylacyjny

Laboratorium z Krystalografii. 2 godz.

Ćwiczenie ELE. Jacek Grela, Łukasz Marciniak 3 grudnia Rys.1 Schemat wzmacniacza ładunkowego.

Detektory w fizyce cząstek

Β2 - DETEKTOR SCYNTYLACYJNY POZYCYJNIE CZUŁY

Fizyka cząstek elementarnych i oddziaływań podstawowych

Tomasz Szumlak WFiIS AGH 03/03/2017, Kraków

Jak działają detektory. Julia Hoffman

Pomiar właściwości detektora Geigera-Müllera

Badanie Gigantycznego Rezonansu Dipolowego wzbudzanego w zderzeniach ciężkich jonów.

Dozymetria promieniowania jonizującego

Optyka kwantowa wprowadzenie. Początki modelu fotonowego Detekcja pojedynczych fotonów Podstawowe zagadnienia optyki kwantowej

RADIOMETR Colibri TTC

Podstawy fizyki subatomowej. 3 kwietnia 2019 r.

Wyznaczanie energii promieniowania γ pochodzącego ze. źródła Co metodą absorpcji

J7 - Badanie zawartości manganu w stali metodą analizy aktywacyjnej

OBRAZOWANIE ORAZ BADANIE ROZMIARÓW I POŁOŻENIA OBIEKTÓW NAŚWIETLONYCH PROMIENIOWANIEM X

Podstawy detekcji promieniowania jonizującego

Pomiar strumienia termicznych neutronów w podziemnym laboratorium w Gran Sasso. Karol Jędrzejczak IPJ P-VII Łódź

Transkrypt:

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

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 1927 - Charles Wilson Historia - niedawna NOBEL 1960 - Donald Glaser 1959 Komora pęcherzykowa - Zapis fotograficzny Jonizacja Precyzyjny pomiar topologii oddziaływań ale Nie znamy chwili zajścia zdarzenia Brak możliwości wyboru przypadków oddziaływań 2

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

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 589.3 nm Dynody: Dynoda no.1 : Gallium-Phosphide Dynody no.2 do 12: Beryllium-Oxide Struktura: liniowa z ogniskowaniem elektrostatycznym 85104 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 - 350 do 920 nm średnica okna wejściowego - 18 mm niewrażliwy na zewnętrzne pole magnetyczne 4

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: 50-100 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

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 1992 6

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 3 180 000 czujników pikseli 62 moduły komór wielodrutowych Pole magnetyczne 1.5 Tesla Mieszanka gazowa: Ar + CO 2 Identyfikacja cząstek przez pomiar de/dx NA61 2007 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

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: 3.10 6 Hz mm -2 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 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

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 http://www.cern.ch/medipix 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 2 600 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

Detektory gazowe detekcja promieniowania X Absorpcja fotonów w ośrodku gazowym Zakres stosowalności: energia fotonów X < 100keV Optyczne detektory gazowe 1986-1990 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

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 16.26 MeV 2α 3.04 MeV 8 Be 2α 2α 11

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