Félvezető- és gáztöltésű detektorok
Kiss Gábor 2010. november 4.
Detektorok
Feladat: nyomkövetés (tracking) és részecskeazonosítás (PID)
2010. november 4.
Kiss Gábor
2
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
2010. november 4.
Kiss Gábor
3
Detektorok III.
2010. november 4.
Kiss Gábor
4
Félvezető detektorok
Vezetők, szigetelők, félvezetők
2010. november 4.
Kiss Gábor
5
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)
2010. november 4.
Kiss Gábor
6
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
2010. november 4.
Kiss Gábor
7
Félvezető detektorok IV.
Lehetséges 2D kiolvasás, 5 mikronos helyfelbontás
2010. november 4.
Kiss Gábor
8
CMS tracker
12000 modul
445 m2 szilícium detektor
~60 millió kiolvasócsatorna
2010. november 4.
Kiss Gábor
9
Pixeldetektorok
2010. november 4.
Kiss Gábor
~ (50 x 200) mikron méret ATLAS: 1,4 * 10^8 pixel Bump bonding
10
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
1940-1950: Szcintillátor, PM
1952: Buborékkamra, D. Glaser (1960)
1962: Szikrakamra
1968: Sokszálas proporcionális kamra, C. Charpak (1992)
2010. november 4.
Kiss Gábor
11
Ionizáló sugárzás
sugárzásveszély
2010. november 4.
ionizáló sugárzásveszély
Kiss Gábor
12
Anyaggal való kölcsönhatás
Bethe-Bloch formula:
Szeparáció az ionizáló részecske töltése alapján
Ugyanolyan részecskék esetén csak a sebességtől függ Elektronoknál fékezési sugárzás is fellép
2010. november 4.
Kiss Gábor
13
Bethe-Bloch formula
2010. november 4.
Kiss Gábor
Fajlagos energiaveszteség Minimum ionizing particles (mip)
14
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)
2010. november 4.
Kiss Gábor
15
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
2010. november 4.
Kiss Gábor
16
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
2010. november 4.
Kiss Gábor
17
Proporcionális számláló
E ~ 100-300 kV/cm a vékony szál közelében (pl. V0 = 1000 V, a = 0.01 mm, b = 10 mm → E(a) = 150 kV/cm )
2010. november 4.
Kiss Gábor
18
Sokszálas proporcionális kamrák
Georges Charpak (1924 -2010), Nobel-díj (1992)
1968-tól, szkeptikus fogadtatás
Helyfelbontás: ~mm
Szegmentálható katód (pad)
Csatornánként külön kiolvasó elektronika
2010. november 4.
Kiss Gábor
19
Sokszálas proporcionális kamrák
2010. november 4.
Kiss Gábor
20
Driftkamrák
Driftidő mérés → nagyobb távolság, kevesebb csatorna szükséges
2010. november 4.
Kiss Gábor
21
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
2010. november 4.
Kiss Gábor
22
Micropattern Gaseous Detectors (MPGD)
Gázerősítés:
2010. november 4.
Kiss Gábor
MWPC-kben: néhány mm Új technológiák: 50-100 mikron
23
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)...
2010. november 4.
Kiss Gábor
24
MSGC … így:
2010. november 4.
Kiss Gábor
25
GEM
új megoldás: Gas electron multiplier (GEM) technológia, mint előerősítő előnyei: az MSGC alacsonyabb feszültségen is működtethető
2010. november 4.
Kiss Gábor
26
Alkalmazások
MPGD-k felhasználása:
nagyenergiás és részecskefizikai kutatások
szinkrotronkísérletek és termikus neutron kutatások
orvosi képalkotás, belbiztonság
2010. november 4.
Kiss Gábor
27
TPC
Driftkamra + MWPC (vagy MPGD) = TPC 3D (2 tér + 1 „idő”) koordináták + fajlagos energialeadás egyszerre mérhető E || B:
kisebb oldalirányú diffúzió
eltérülésből impulzus
2010. november 4.
Kiss Gábor
28
TPC
A driftelő elektronok a kapuzórácson gyűlnek össze
2010. november 4.
Kiss Gábor
29
TPC
Sokszorozódás az anódszálakon
2010. november 4.
Kiss Gábor
30
Cserenkov-detektorok
A közegbeli fénysebességnél gyorsabb töltött részecskék Cserenkov sugároznak
Alacsony törésmutatójú gáz
Küszöb- és gyűrűképző (RICH) Cserenkov-detektorok
2010. november 4.
Kiss Gábor
31
Close Cathode Chamber (CCC)
2010. november 4.
Kiss Gábor
32
CCC
2010. november 4.
Kiss Gábor
33
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)
2010. november 4.
Kiss Gábor
34
Köszönöm a figyelmet!
2010. november 4.
Kiss Gábor
35
