Félvezető- és gáztöltésű detektorok. Kiss Gábor november 4.

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "Félvezető- és gáztöltésű detektorok. Kiss Gábor november 4."

Zsombor Pásztor
7 évvel ezelőtt
Látták:

1 Félvezető- és gáztöltésű detektorok

2 Detektorok Feladat: nyomkövetés (tracking) és részecskeazonosítás (PID) 2

3 Detektorok II. Szempontok: Az ütközkési ponthoz közel minél jobb helyfelbontás Az áthaladó részecske ne veszítsen túl sok energiát (ne nyelődjön el és ne térüljön el túlságosan) Impulzusmérés: töltött részecskék mágneses térben való eltérülése alapján (r = p_t / (0,3 B) ) PID: impulzus- és sebességmérés tömeg Félvezető detektorok: tracking Gáztöltésű detektorok: tracking és PID 3

4 Detektorok III. 4

5 Félvezető detektorok Vezetők, szigetelők, félvezetők 5

6 Félvezetők detektorok II. Band gap: Gyémánt 5.5 ev (e-h keltés: 13 ev) Szilícium 1,12 ev (3.6 ev) (Ar-ban hétszer ennyi energia elektron-ion párkeltéshez) Germánium 0,66 ev (2.9 ev) Termikus gerjesztés vs. töltött részecskék detektálása A gyémánt szobahőmérsékleten is használható, Si, Ge-t viszont hűteni kell, vagy a szabad töltésektől másképp megszabadulni (pl. szennyezés). Nagy sűrűség (a gáztöltésű detektorok ~1000-szerese) Gyors jel (az elektronok és a lyukak sebessége között nincs nagy különbség) 6

7 Félvezető detektorok III. Gyémánt: Néhány 100 mikron vastagságú gyémánt két elektróda között ns-os időfelbontás Adelékolt félvezetők: Si + As: n típusú félvezető (több e, mint h) Si + B: p típusú félvezető dióda, mint detektor kiforrott iparág 7

8 Félvezető detektorok IV. Lehetséges 2D kiolvasás, 5 mikronos helyfelbontás 8

9 CMS tracker modul 445 m2 szilícium detektor ~60 millió kiolvasócsatorna 9

10 Pixeldetektorok ~ (50 x 200) mikron méret ATLAS: 1,4 * 10^8 pixel Bump bonding 10

11 Történelem 1906: Geiger számláló, H. Geiger, E. Rutherford 1910: Ködkamra, C.T.R. Wilson (1927) 1928: Geiger-Müller számláló, W. Müller 1930: Emulzió, M. Blau : Szcintillátor, PM 1952: Buborékkamra, D. Glaser (1960) 1962: Szikrakamra 1968: Sokszálas proporcionális kamra, C. Charpak (1992) 11

12 Ionizáló sugárzás sugárzásveszély ionizáló sugárzásveszély 12

13 Anyaggal való kölcsönhatás Bethe-Bloch formula: Szeparáció az ionizáló részecske töltése alapján Ugyanolyan részecskék esetén csak a sebességtől függ Elektronoknál fékezési sugárzás is fellép 13

14 Bethe-Bloch formula Fajlagos energiaveszteség Minimum ionizing particles (mip) 14

15 Töltőgáz Nemesgáz + UV elnyelő gáz keveréke Nemesgáz, mert: Alacsony ionizációs potenciál Egyatomos gáz, zárt elektronhéj szerkezettel, alacsony energiás rezgési és forgási módusokkal nem rendelkezik rugalmas ütközés az elektronokkal Általában Ar: olcsó, megfelelő ionizációs potenciállal (tipikusan 100 elektron szabadul fel benne cm-enként) 15

16 Töltőgáz II. A gerjesztett Ar atomok 11.6 ev energiájú UV fotonokat bocsátanak ki A katódlemezen ionizációs küszöbe ennél általában kisebb (pl. Cu: 7.7 ev) UV elnyelő (quenching) gázok: szénhidrogének, CO2 O2 alacsony szinten tartás (ppm) áramoltatás 16

17 Működési elv sugárzás hatására ionizáció a gázban el. tér hatására az elektronok és ionok vándorlása (drift) elektronlavina elsődleges ionizáció: az áthaladó töltött részecskék és a gázmolekulák kölcsönhatása másodlagos ionizáció: a keletkezett szabadelektronok további ütközései 17

18 Proporcionális számláló E ~ kv/cm a vékony szál közelében (pl. V0 = 1000 V, a = 0.01 mm, b = 10 mm E(a) = 150 kv/cm ) 18

19 Sokszálas proporcionális kamrák Georges Charpak ( ), Nobel-díj (1992) 1968-tól, szkeptikus fogadtatás Helyfelbontás: ~mm Szegmentálható katód (pad) Csatornánként külön kiolvasó elektronika 19

20 Sokszálas proporcionális kamrák 20

21 Driftkamrák Driftidő mérés nagyobb távolság, kevesebb csatorna szükséges 21

22 Driftcső pl. Atlas Muon Spectrometer: 1200 kamra 6 réteg 3 cm-es cső kamránként 1-6 m hosszú kamrák Helyfelbontás: 80 mikron/cső Maximum drift time 700ns Gáz: Ar/CO2 93/7 22

23 Micropattern Gaseous Detectors (MPGD) Gázerősítés: MWPC-kben: néhány mm Új technológiák: mikron 23

24 Microstrip Gas Chamber (MSGC) Félvezetőiparban használatos technológia a szálak és a katód szalagok közötti távolság ~60 mikron Előny: kisebb az ionok drifttávolsága, kevésbé árnyékoló tértöltés Probléma: a szigetelő felületek feltöltődése, ezáltal az el. tér kamrán belüli megváltozása - felületi kezelés szükséges a felületi ellenállás csökkentésére Sérülékenység: erősen ionizáló részecskék tönkretehetik (kisülések)... 24

25 MSGC így: 25

26 GEM új megoldás: Gas electron multiplier (GEM) technológia, mint előerősítő előnyei: az MSGC alacsonyabb feszültségen is működtethető 26

27 Alkalmazások MPGD-k felhasználása: nagyenergiás és részecskefizikai kutatások szinkrotronkísérletek és termikus neutron kutatások orvosi képalkotás, belbiztonság 27

28 TPC Driftkamra + MWPC (vagy MPGD) = TPC 3D (2 tér + 1 idő ) koordináták + fajlagos energialeadás egyszerre mérhető E B: kisebb oldalirányú diffúzió eltérülésből impulzus 28

29 TPC A driftelő elektronok a kapuzórácson gyűlnek össze 29

30 TPC Sokszorozódás az anódszálakon 30

31 Cserenkov-detektorok A közegbeli fénysebességnél gyorsabb töltött részecskék Cserenkov sugároznak Alacsony törésmutatójú gáz Küszöb- és gyűrűképző (RICH) Cserenkov-detektorok 31

32 Close Cathode Chamber (CCC) 32

33 CCC 33

34 CCC Előnyei az MWPC-vel szemben: a szálsík és a katód közötti távolság megengedett elmozdulása egy nagyságrenddel nagyobb (~mm) Könnyebb (vékonyabb tartószerkezet), kevesebb anyagot tartalmaz A jel a pad síkon egy pad-re korlátozódik (kis távolság) 34

35 Köszönöm a figyelmet! 35

Hasonló dokumentumok

Detektorok. Siklér Ferenc MTA KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézet Budapest

Detektorok. Siklér Ferenc MTA KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézet Budapest Detektorok Siklér Ferenc sikler@rmki.kfki.hu MTA KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézet Budapest Hungarian Teachers Programme 2008 Genf, 2008. augusztus 19. Detektorok 1970 16 GeV π nyaláb, folyékony