Gas detectors. 2. Single wire proportional counter jednodrátové proporcionální počítače

Transkript

1 Gas detectors 1. Ionization of gases 2. Single wire proportional counter jednodrátové proporcionální počítače 3. Multiwire proportional chambers mnohodrátové proporcionální komory 4. Drift chambers driftové komory 5. TPC time projection chamber časové projekční komora 6. Micro-Pattern Gas Detectors (MPGD) 7. RPC - Resistive Plate Chambers 1

2 Gas Detectors Good spatial resolution Good de/dx Good Rate capability Fast & Large Signals Low radiation length Large area coverage Multiple configurations/flexible geometry Mar Capeans November

3 Principles A charged particle ionizes gas atoms/molecules along its track; neutral particles do it via conversion processes, An electric field transports electrons and ions towards electrodes, Electrons are multiplied in a strong electric field, The motion of electrons and ions induces a current on the readout electrodes Signals are processed and recorded Ref. H. Schindler Mar Capeans November

4 Ionization mechanisms 1. Direct ionization with particle p 2. atom excitations No free electrons or ions are created collisions of excited atoms ionization 3. Penning effect No immediate deexcitation through a photon emission to the ground state Deexcitation by collisions, 4. Formation of molecular ions ion + atom 4

5 Ionization in gases 5

6 6

7 7

8 Tabulka vlastností některých plynů Ionizační ztráty de/dx výše uvedené jsou pro plyny při tlaku 1 atm ( Pa) 8

9 d elektrony 9

10 F spinový faktor ~ 1 10

11 Diffusion of free charges e kinetic energy of ionts, i.e. E k 11

12 Drift and diffusion in presence of electric field E <v>=0 <v> = w Drift velocity.. Velocity in the direction of E w w 12

13 w = m E/P, P je tlak v plynu P - gas pressure, E intenzita elektr. pole m pohyblivost iontů ( cm 2 s -1 V -1 torr) ion mobility Average time τ between collisions of electrons with gaseous molecules depends on the cross section σ of scattering of electrons with gas atoms. σ depends on ε Electrons při 1 kv/cm w ~ 5 x 10 6 cm/s Positive ions are 1000 x slower Change of gas composition change in w Střední volná dráha, termální rychlost, difuzní koeficient, pohyblivost kladných iontů různých plynů při normálním tlaku 1 atm Pozor: v tabulce jsou pohyblivosti pro 1V/cm!!!! 13

14 Driftová rychlost elektronů jako funkce E při normálním tlaku 1 atm v různých plynech 14

15 E=1kV/cm Driftová rychlost elektronů v Ar a ve směsi Ar+N jako funkce poměru E/P At normal pressure 760 mm Hg and E=760 V/cm is E/P=1 and drift velocity = mobility, i.e. for Ar it is 0.4 x 10 6 cm 2 s -1 V -1 mm Hg x

16 Driftová rychlost jako funkce E při normálním tlaku 1 atm v různých směsích Ar s izobutanem Pressure 1 atm w 1 atm = 760 mm Hg Drift velocity as a function of field E at normal pressure 1 atm for various mixtures of Ar and isobutan 1 kv/cm E 16

17 Electromagnetic avalanches in gases laviny lavina 17

18 strong dn=n α dx n is number of electrons at x Electric field E can be dependent on x i.e. α can be a function of x 18

19 Amplification at distance x: α is not constant, it depends on ε, since λ depends on energy it depends on x Experiments: k is a constant N number of molecules Q is charge Electron energy Valid at normal pressure 19

20 (N počet molekul/cm 3, závisí na tlaku P 20

21 Experimentálně nalezená obecná závislost na tlaku: α/p redukovaný Townsendův koeficient General formula at pressure P A,B constants Hodnoty parametrů A, B, k. Jejich platnost je omezena, např. pro argon, jsou platné v oblasti, kdy E/P je mezi 100 až

22 Závislost redukovaného Towsendova a/p koeficientu na redukované intenzitě elektrického pole E/P (1 Torr = 133,322 Pa) pro některé plyny Výše uvedená parametrizace je platná pouze v omezené oblasti E/P. 22

23 Townsendův koeficient závisí na E/P, protože účinný průřez interakce elektronů s atomy plynu s(e) závisí na energii elektronů e a tudíž i střední volná dráha l je funkcí e. Jednotky tlaku: 1 atm Pa 1 torr 133,322 Pa 1 mm Hg 133,322 Pa 23

24 Střední doba mezi srážkami pro elektrony Average time between collisions N počet jader / cm 3 number of nuclei v je okamžitá rychlost instanteneous velocity e energie elektronů (ev) l = 1/(N s) střední volná dráha mean free path (ev) 24

25 Drift in presence of electric field E and magnetic field B F = q E + q ( v x B) E is perpendiculer to B z B q is charge v x B, components ( Bv y, -Bv x, 0 ) m is mass of an ion or an electron E y x B ( 0, 0, B) E (0, E, 0) Due to B change of drift velocity w E drift velocity in w E electric field w B = 1 + (wt] 2 w B drift velocity in electric and magnetic w = qb/m cyclotron frequency field 25

26 Motion in combined constant E orthogonal to constant B 26

27 drift in the direction of electric field oscilation in the axes y in the range < 0, 2E/(Bw) > ( since we assumed that initial velocity in y was 0) drift in the x direction - distance x increases with t in the plane (x, y) the track curve is a cycloide 27

28 Pohyb v plynech interval mezi srážkami i a i+1 náboje q s molekulami plynu (Δt) i Po N srážkách bod v místě ( x N, y N ) x N = E N (Δt) B i E 1 sin[ω ωb N i=1 (Δt) i ] y N = E Bω N i=1 N 1 sin[ω 1 E ωb N (Δt) i ] = 1 cos[ω (Δt) i ] ωt 1+ω 2 ( t N )2 = Nωτ 1+ τ 2 ω 2 N t= 1 (Δt) i τ = t/n Střední doba mezi srážkami N i=1 cos[ω (Δt) i ] N = 1+ω 2 ( t = N )2 N 1+ τ 2 ω 2 Townsend 28

29 x N = E B Nτ - E ωb Nτω 1+ τ 2 ω 2 = q 2 EBτ 2 t m 2 (1+ τ 2 ω 2 ) y N = E Bω (N - N 1+ τ 2 ω 2) = q Eτ t m (1+ τ 2 ω 2 ) comment: the distance in the direction of E increases wit t, the drift is affected by the initial velocity which is in reality non-zero, 29

30 Driftová rychlost rychlost do směru elektr. pole: Drift velocity - mean velocity in the direction E Angle of the velocity w.r.t. electric field 30

31 Single wire proportional chamber (counter) f(r) = - Potenciál v bodě r Vytvoří se lavina kolem anody, na anodě a katodě vzniká indukovaný signál v důsledku pohybu elektronů a iontů 31

32 + r b - e 0 = 8.85 pf/m dielektrická konstanta pro plyny a poloměr anody, b poloměr katody, l délka počítače, dále předpokládáme že potenciál v místě r=a je roven nule, rozdíl potenciálů mezi body a a b je napětí l + V 0 = f(a) f(b) = -f(b) Kapacita/m C= 2pe 0 / ln (b/a) Prahové napětí V T je napětí kdy dochází k zesílení přímo na anodě Kritická intenzita E c je intenzita, při které se začne rozvíjet lavina. Její hodnota závisí na vlastnostech plynové náplně a tlaku plynu. Kritická vzdálenost r c je vzdálenost od anody, při níž intenzita pole dosáhne hodnoty E c. 32

33 Permitivity of free space a anode radius, b cathode radius, l counter length potential at r=a is set to 0, potential difference between the anode and the cathode capacity 33

34 Voltage increases change in number of ions, which reache the anode or cathode i. e. current in an external cirquit is changed. Volt - amper characteristic has several regions: 34

35 b E je funkcí r a r c 35

36 36

37 Proportional counter - amplification amplification 37

38 38

39 Induced charge and voltage Charge Q moves in the electric field it is shifted by the distance Q r 39

40 40

41 41

42 42

43 43

44 44

45 t (nsec) Za počítačem se připojí odpor R, čímž se signál zdiferencuje s časovou konstantou t=rc. Na obr. Je ukázána změna pulsu pro t=50ns, 100 ns, 300 ns. 45

46 46

47 Vliv plynu na funkci počítače Výběr plynové náplně závisí na specifických experimentálních požadavcích : např. nízké provozní napětí vysoké zesílení dobrá proporcionalita funkčnost při vysokých četnostech dlouhá provozní doba atd. Nejvhodnější jsou vzácné plyny, z nichž je nejdostupnější argon, neboť mají nízký ionizační potenciál. V plynech, které mají složitější molekuly dochází totiž i k jiným procesům ztrát energie než jsou ionizační ztráty. Počítač s čistým Ar dovoluje dosáhnout ale jenom zesílení aniž by se dostal do permanentního výboje. Permanentní výboj vzniká z následujících důvodů: během sprškového procesu jsou vytvořeny excitované a ionizované atomy 47

48 Excitované atomy se mohou vrátit do základního stavu pouze přes emisi fotonů, přičemž jejich nejmenší energie je pro Ar 11.6 ev. Tato energie je vyšší než ionizační potenciál jakéhokoliv kovu, z něhož je katoda. (např. 7.7 ev pro měď). Proto mohou být emitovány fotony z katody a tím způsobí spršku téměř ihned po primární spršce. Kladné ionty Ar migrují ke katodě, kde jsou neutralizovány elektrony, přičemž se uvolňují fotony nebo elektrony z povrchu kovu na katodě. Pravděpodobnost těchto procesů je i při mírném zesílení velká, takže se počítač dostane do režimu permanentního výboje. Řešení problému: Jsou jím molekuly polyatomových plynů jako organických plynů obsahujících více než 4 atomy ( metan, etan, nebo alkoholovénebo plyny) nebo některých anorganických plynů (freon, CO 2, BF 3 atd.), neboť: mají velké množství ne-radiačních stavů ( rotačních či vibračních), které umožňují absorpci fotonů, např. metan v oblasti energií fotonů ev, což pokrývá oblast fotonů emitovaných argonem. Potom molekuly ztrácejí svou energii buď srážkami nebo rozpadem na 48

49 na jednodušší radikály. Podobné chování je pozorované i při neutralizaci polyatomových molekul na katodě. Sekundární emise fotonů či elektronů je velmi nepravděpodobná. Molekuly buď disociují nebo vytvoří větší molekuly tj. polymerují. I malá příměs takovýchto plynů (často se používá izobutan C 4 H 10 ) má velký vliv na provoz komory. Kromě výše uvedených vlastností mají ještě nižší ionizační potenciál než Ar (viz tab. 9.1). Takto je možné dosáhnout zesílení až Při vysokých napětích dochází k vytrhávaní elektronů z katody a tudíž k nežádoucím sprškám. Tomuto jevu se dá zabránit přidáním malého množství elektronegativních plynů např. freonu. Jejich molekuly absorbují elektrony. Je zřejmé, že toto množství musí být malé, aby na druhou stranu nebyly absorbovány elektrony z primární ionizace. Takto se dá dosáhnout zesílení Magická směs: Ar (70%), izobutan ( 29.6 %), freon (0.4 %) je typické složení plynů pro dosažení velkého zesílení. 49

50 Mnohodrátové proporcionální komory Vynálezce G. Charpak, nositel Nobelovy ceny z. r Komora - systém anodových drátů uzavřených mezi dvěma katodovými rovinami Schéma elektrického pole v komoře 50

51 y Proporcionální komory l..... s x katody Anodové dráty a s l poloměr anodových drátů vzdálenost anodových drátů vzdálenost drátů od katod 51

52 Prostorové rozlišení komor 52

53 (l,s,a) in x-direction s 53

54 54

55 55

56 Vliv elektrických sil na posun anodových drátů. V komorách se obvykle na dráty přikládá velké kladné napětí, katody se zemní. Proto na sebe dráty působí odpudivě a dojde k jejich ohybu a tím ke změně elektrického pole a změně zesílení }d Vzdálenost od rovnovážné polohy je d. Potom posun o 0.1 mm způsobí typicky změnu náboje o 1 %, což má vliv na zesílení. Mechanické tolerance vedou ke změnám zesílení na úrovni DM/M = %. 56

57 Elektronika pro čtení signálu z jednoho drátu zpožďovací obvod zesilovač Zápis: - obvykle binární informace, tj. 1 či 0, tj. byl signál nebo nebyl - při testování i analogový signál, pro stanovení velikosti šumů 57

58 Využití MWPC Měření souřadnic bodů, kterými prochází částice 58

59 Měření druhé souřadnice a) V jedné komoře dvě roviny drátů kolmé na sebe, nevyužívané pro větší komory b) Dvě komory těsně vedle sebe pootočené o 90 stupňů, třeba hodně komor c) Strukturovaná katoda ve formě pásků, kolmých na anody, využívané nebo ve formě padů d) Čtení indukovaného signálu y obou konců drátů, využívané 59

60 c) Strukturovaná katoda - ve formě pásků - ve formě padů Anodové dráty y Katodové pásky Souřadnice y těžiště klastru Q i indukovaný náboj na pásku y i souřadnice pásku b náboj od šumu 60

61 61

62 Driftové komory 62

63 63

64 64

65 65

66 66

67 67

68 Driftové dráhy elektronů v jedné buňce driftové komory experimentu CELLO a) Bez magnetického pole b) S magnetickým polem které je kolmé na rovinu buňky. Potenciální dráty se záporným napětím. 68

69 69

70 70

71 TPC - time projection chamber, časově projekční komora 71

72 TPC 72

73 73

74 Činnost TPC: a) TPC je uzavřená. Elektrony jsou sebrány na gating grid, dokud není gate otevřená. Shielding grid je používáno k ukončení driftovací oblasti, je uzemněno. b) TPC je otevřená. Elektrony se pohybují do zesilovací oblasti kolem anody. Kladné ionty z laviny jsou sebrány na segmentované katodě. Pomalé kladné ionty, které by mohly proniknout do driftovací oblasti jsou sebrány na gating grid, která se zavře jakmile jsou elektrony sebrány. 74

75 Nedrátové plynové detektory 1. Micro-Pattern Gas Detectors (MPGD) Cíl: nahradit dráty, zlepšit prostorové rozlišení (komory do cca 100 μm) a) Micromegas b) Gas Electron Multipliers (GEM) 2. Resistive Plate Chambers (RPC) Cíl: nahradit scintilátorové roviny levnou alternativou 75

76 Micromegas 76

77 GEM Gas Electron Multiplier Tenká polyamidová fólie, chemicky perforovaná,z obou stran pokovená, na obou stranách je různé napětí Elektronová sprška Pole kv/cm 50 μm Většina elektronů pronikne zde 77

78 78

79 79

80 80

81 81

82 RPC - Resistive Plate Chambers 2 paralelní vysoce odporové desky sklo či bakelit mezera cca mm, plyn obvykle při atmosférickém tlaku Provoz v jiskrové módu, ale malé četnosti Hz velký indukovaný signál cca 300 mv nebo v sprškovém módu, účinné až do 1kHz/cm 2, menší signál, cca 1mV 82

83 83

84 84

85 Proporcionální komory v experimentu BCDMS, CERN Interakce µ+ p µ + cokoliv, E µ 200 GeV, detekce pouze rozptýleného mionu, terč uhlík, vodík, deuterium komory 3x1. 5 m, vzdálenost drátů 2 mm 85

86 Primární mion 86

87 Driftové komory v H1 experimentu, DESY, Hamburk, urychlovač HERA vstřícné svazky, elektron 26 GeV vs proton 920 GeV e + p e + cokoliv detekce všech částic v koncovém stavu,jety 87

88 Interakční vrchol Propocionální komory SPACAL kalorimetr p Dráhový detektor driftové + proporcionální komory Kalorimtry, elektromg hadronový. e Supravodivý magnet 88

89 Příčný řez aparaturou kalorimetry Driftové komory CJC1, CJC2 (Central Jet Chamber) 89

90 Dráhový detektor Rovinné komory, kolmé na směr svazků Válcová struktura s osou válce ve směru svazků 90

91 Driftové komory částice Katodové dráty Anodové + potenciální dráty Sektor, 32 anodových drátů, 60 sektorů Proporcionální komory Vrchol interakce 91

92 Driftová komora Katodové dráty Jedna driftová buňka Potencionální dráty Drift ionizačních elektronů Anodové dráty 92

93 Aplikace RPC 1. Prověřování kontejnerů s cílem odhalit jaderný materiál 2. Zkoumání struktury sopek Detektory: RPC o ploše 1m x 1m Zdroj částic: kosmické miony 93

94 1. 94

95 95

96 96

97 simulace 97

98 -GRPS 98

99 99

100 Rozlišení 100

101 2. Zkoumání struktury sopek 101

102 sklo 102

103 103

104 104

105 105

106 106