Zaman yansıtma odası - Time projection chamber

TPC ALICE iken deneyde CERN

Olarak fizik , bir zaman çıkıntı bölmesi ( TPC ) 'in bir bileşimini kullanır parçacık detektörü türüdür elektrik alanları ve manyetik alanlar bir partikül yörünge veya etkileşim üç boyutlu bir yeniden gerçekleştirmek için gaz veya sıvı hassas bir hacmi ile birlikte.

Özgün tasarım

Orijinal TPC, 1970'lerin sonunda Lawrence Berkeley Laboratuvarı'nda Amerikalı bir fizikçi olan David R. Nygren tarafından icat edildi . İlk önemli uygulama olarak PEP depolama halkasında 29 GeV elektron-pozitron çarpışmalar çalışılan PEP-4 detektör, olduğu SLAC .

Bir zaman projeksiyon odası, konuma duyarlı bir elektron toplama sistemine sahip bir elektrik alanında gazla doldurulmuş bir algılama hacminden oluşur . Orijinal tasarım (ve en yaygın kullanılanı), uç plakalar olarak çok telli orantılı odalara (MWPC) sahip silindirik bir odadır . Bölme, uzunluğu boyunca , merkez ve uç plakalar arasında bir elektrik alanı oluşturan merkezi bir yüksek voltajlı elektrot diski vasıtasıyla yarıya bölünmüştür . Ayrıca, gazın iyonlaşmasından gelen elektronların difüzyonunu en aza indirmek için genellikle silindirin uzunluğu boyunca elektrik alanına paralel bir manyetik alan uygulanır . Detektör gazından geçerken, bir parçacık yolu boyunca birincil iyonlaşma üretecektir. Z sonunda MWPC için iyonizasyon olayından sürüklenme süresi ölçülerek belirlenir (silindir ekseni boyunca) koordine eder. Bu, bir sürüklenme odasının olağan tekniği kullanılarak yapılır . Sondaki MWPC , radyal koordinat r hakkında bilgi sağlayan azimut yönündeki θ anot telleri ile düzenlenmiştir . Azimut yönü elde etmek için, her bir katot düzlemi radyal yön boyunca şeritlere bölünür.

Son yıllarda, özellikle nükleer fizikte zaman projeksiyon odalarının artan uygulamasıyla bağlantılı olarak, diğer konuma duyarlı elektron amplifikasyonu ve saptama araçları daha yaygın olarak kullanılmaktadır . Bunlar genellikle bölümlenmiş bir anot plakasını ya sadece bir Frisch ızgarasıyla ya da bir gaz elektron çarpanı gibi aktif bir elektron çoğaltma elemanıyla birleştirir . Bu yeni TPC'ler ayrıca düz bir geometri veya radyal alanlı bir silindir lehine eksenel alanlı bir silindirin geleneksel geometrisinden ayrılmaktadır.

Parçacık fiziğindeki önceki araştırmacılar, CERN NA49 ve NA35 deneylerinde olduğu gibi, genellikle ışın çizgisinin hemen üstüne veya altına yerleştirilmiş daha basitleştirilmiş kutu şeklindeki bir geometriden yararlandılar .

Ayrıca bkz: Partikül dedektörlerinin özeti

Sıvı Argon Zaman Projeksiyon Odası (LArTPC)

1977'de Carlo Rubbia bir sıvı- argon zaman projeksiyon odası veya LArTPC tasarladı. LArTPC, Nygren'in ilk TPC tasarımıyla aynı prensiplerin çoğuna göre çalışır, ancak hassas bir ortam olarak gaz yerine sıvı argon kullanır.

Dedektör tasarımı ve özellikleri

Sıvı argon, çeşitli nedenlerden dolayı hassas bir ortam olarak avantajlıdır. Argonun asil bir element olduğu ve dolayısıyla kaybolan bir elektronegatifliğe sahip olduğu gerçeği, iyonlaştırıcı radyasyon tarafından üretilen elektronların dedektör okumasına doğru sürüklenirken absorbe edilmeyeceği anlamına gelir . Ayrıca argon scintillates enerjik yüklü parçacık geçen parçacık tarafından argon biriktirilen enerji ile orantılıdır sintilasyon fotonlarının sayısı serbest, geçtiğinde. Sıvı argon ayrıca nispeten ucuzdur ve büyük ölçekli projeleri ekonomik olarak uygulanabilir kılar. Bununla birlikte, sıvı argonu hassas bir ortam olarak kullanmanın temel motivasyonlarından biri yoğunluğudur. Sıvı argon, Nygren'in TPC tasarımında kullanılan gazdan yaklaşık bin kat daha yoğun, bu da bir parçacığın dedektörde etkileşime girme olasılığını yaklaşık bin kat artırıyor. Bu özellik, özellikle yararlıdır nötrinonun neutrino- fizik, nükleon etkileşimi kesitleri küçüktür.

LArTPC tasarımı ve temel çalışma prensiplerinin bir şeması

Tipik bir LArTPC'nin gövdesi üç bölümden oluşur. Dedektörün bir tarafında , TPC boyunca bir sürüklenme elektrik alanı oluşturmak için kullanılan yüksek voltajlı bir katot düzlemi vardır. Bunun ayarlandığı tam elektrik potansiyeli dedektör geometrisine bağlı olsa da , bu yüksek voltajlı katot tipik olarak dedektör boyunca 500 V / cm'lik bir sürüklenme alanı üretir.

Katot düzleminin karşı tarafında, katodunkinden çok daha yüksek (daha az negatif) potansiyellere ayarlanmış bir dizi anot tel düzlemi bulunur. Her düzlem, komşularından genellikle 1 cm mertebesinde küçük bir boşlukla ayrılır. Bir düzlem, birkaç milimetre aralıklı birçok paralel iletken telden oluşur ve tellerin dikeye göre yönlendirildiği açı, düzlemden düzleme değişir. Bu düzlemler birlikte, sürüklenen elektronlardan gelen sinyalleri okur. N anot tel düzlemlerine sahip bir dedektör için , iç N  - 1 düzlemlerine indüksiyon düzlemleri denir. Bunlar, dış düzlemden daha düşük (daha negatif) potansiyellerde ayarlanmıştır, bu da elektronların sürüklenmesinden geçmesine izin vererek olayın yeniden yapılandırılması için kullanılan sinyalleri indükler. Dış düzlem toplama düzlemi olarak adlandırılır çünkü sürüklenen elektronlar bu teller üzerinde toplanır ve ek sinyaller üretir. Farklı tel oryantasyonlarına sahip birden fazla düzlemin olması, iki boyutlu olayın yeniden oluşturulmasına izin verirken, üçüncü boyut elektron sürüklenme zamanlarından bulunur.

Üçüncü kısım, katot ve anot arasında bir alan kafesidir. Bu alan kafesi, katot ve anot arasında tekdüze bir elektrik alanı sağlar, böylece sürüklenen elektron yörüngeleri, iyonlaşma noktası ile anot düzlemi arasındaki en kısa yoldan mümkün olduğunca az sapma gösterir. Bunun amacı, olayın yeniden yapılandırılması sırasında parçacık yörüngesinin bozulmasını önlemektir.

Bir ışık toplama sistemi, parıldama ışığı ile bir olaydan daha fazla bilgi çıkarmanın bir yolu olarak genellikle temel LArTPC'ye eşlik eder. Tetiklemede de önemli bir rol oynayabilir, çünkü sintilasyon ışığını parçacık detektörden geçtikten sadece nanosaniyeler sonra toplar. Bu, serbest bırakılan elektronların tel düzlemlerine sürüklenmesi için harcanan süreden nispeten (1000 kat) daha kısadır, bu nedenle, sintilasyon fotonlarının toplama süresini bir tetikleme süresi ( t 0 ) olarak sınırlamak genellikle yeterlidir. Etkinlik. Bu tetikleme süresiyle, bir olayın üç boyutlu yeniden yapılandırılmasını sağlayan elektron sürüklenme süreleri bulunabilir. Bu tür sistemler, bir LArTPC'nin tetikleme süresini tanımlayabileceği tek yol olmasa da, bozunmaya veya etkileşime giren parçacıkların insan yapımı bir hızlandırıcıda üretilmediği süpernova ve proton bozunması gibi olayları incelemek için gereklidirler. bu nedenle bir parçacık demeti bilinmemektedir. Fotomultiplikatör tüpleri , ışık kılavuzları ve silikon fotomultipler , bu ışığı toplamak için kullanılan aletlere örnektir. Bunlar tipik olarak sürüklenme hacminin hemen dışında konumlandırılır.

Sinyal okuma

Tipik bir LArTPC'de, her anot düzlemindeki her bir tel , telin kendisi direnç ve kapasitör arasında yer alan bir RC devresinin parçasıdır . Direncin diğer ucu bir ön gerilim voltajına bağlanır ve kapasitörün diğer ucu ön uç elektroniğe bağlanır. Ön uç elektronikler , devredeki akımı yükseltir ve sayısallaştırır . Zamanın bir fonksiyonu olarak bu yükseltilmiş ve sayısallaştırılmış akım, olayın yeniden yapılandırılmasına aktarılan "sinyaldir".

Belirli bir anot düzlemi teli için üretilen sinyal, telin bir endüksiyon düzleminde mi yoksa bir toplama düzleminde mi bulunduğuna bağlı olarak belirli bir biçime sahip olacaktır. Bir sürüklenme elektronu, indüksiyon düzlemindeki bir tele doğru hareket ederken, telde bir akım indükleyerek çıkış akımında bir "darbe" oluşturur. Elektron bir telden uzaklaştıkça, ters yönde bir akım indükler ve ilk olarak karşıt işaretin bir çıktı "tümseği" oluşturur. Sonuç, iki kutuplu bir sinyaldir. Bunun tersine, bir toplama düzlemi teli için sinyaller tek kutupludur, çünkü elektronlar telin yanından geçmez, bunun yerine onun tarafından "toplanır". Bu geometrilerin her ikisi için de, daha büyük bir sinyal genliği, telden (indüksiyon düzlemleri için) geçen veya onun tarafından (toplama düzlemi için) toplanan daha fazla sürüklenme elektronu anlamına gelir.

Belirli bir anot düzlemindeki tüm tellerin sinyal okuması, bir partikül etkileşiminin bir 2D resmi halinde düzenlenebilir. Böyle bir resim, normal vektörü belirtilen anot düzlemindeki tellere paralel olan bir 2D düzlem üzerine 3D parçacık etkileşiminin bir projeksiyonudur . Anot düzlemlerinin her birine karşılık gelen 2D projeksiyonlar, 3D etkileşimi tamamen yeniden yapılandırmak için birleştirilir.

Çift fazlı TPC

Tekniğin kendisi ilk olarak 1970'lerin başında argon kullanılarak radyasyon tespiti için geliştirildi. Zeplin programı için iki aşamalı teknoloji kullanımına öncülük pısırık aramalar. XENON ve LUX detektörlerin serisi fizikte bu aletin sanat uygulanması state-of temsil eder.

Notlar

Referanslar

  • Demonchy, CE; Mittig, W .; Savajols, H .; Roussel-Chomaz, P .; Chartier, M .; Jurado, B .; Giot, L .; Cortina-Gil, D .; Caamaño, M .; Ter-Arkopian, G .; Fomichev, A .; Rodin, A .; Golovkov, MS; Stepantsov, S .; Gillibert, A .; Pollacco, E .; Obertelli, A .; Wang, H. (2007). "MAYA, gaz halindeki aktif bir hedef". Fizik Araştırmalarında Nükleer Aletler ve Yöntemler Bölüm A: Hızlandırıcılar, Spektrometreler, Detektörler ve İlgili Ekipmanlar . 573 (1–2): 145–148. Bibcode : 2007NIMPA.573..145D . doi : 10.1016 / j.nima.2006.11.025 .
  • Fenker, H .; Baillie, N .; Bradshaw, P .; Bueltmann, S .; Burkert, V .; Christy, M .; Dodge, G .; Dutta, D .; Ent, R .; Evans, J .; Fersch, R .; Giovanetti, K .; Griffioen, K .; İspiryan, M .; Jayalath, C .; Kalantaryanlar, N .; Keppel, C .; Kuhn, S .; Niculescu, G .; Niculescu, I .; Tkachenko, S .; Tvaskis, V .; Zhang, J. (2008). "BoNus: Silindirik GEM'ler kullanarak bir radyal TPC'nin geliştirilmesi ve kullanılması". Fizik Araştırmalarında Nükleer Aletler ve Yöntemler Bölüm A: Hızlandırıcılar, Spektrometreler, Detektörler ve İlgili Ekipmanlar . 592 (3): 273. Bibcode : 2008NIMPA.592..273F . doi : 10.1016 / j.nima.2008.04.047 . OSTI   920093 .
  • Laird, AM; Amaudruz, P .; Buchmann, L .; Fox, SP; Fulton, BR; Gigliotti, D .; Kirchner, T .; Mumby-Croft, PD; Openshaw, R .; Pavan, MM; Pearson, J .; Ruprecht, G .; Sheffer, G .; Walden, P. (2007). "TACTIC'in Durumu: Nükleer astrofizik için bir detektör". Fizik Araştırmalarında Nükleer Aletler ve Yöntemler Bölüm A: Hızlandırıcılar, Spektrometreler, Detektörler ve İlgili Ekipmanlar . 573 (1–2): 306–309. Bibcode : 2007NIMPA.573..306L . doi : 10.1016 / j.nima.2006.10.384 .
  • Rubbia, C. (1977). "Sıvı-Argon Zaman Projeksiyon Odası: Nötrino Dedektörleri İçin Yeni Bir Konsept". Alıntı dergisi gerektirir |journal= ( yardım )
  • Acciarri, R .; et al. (2015). "ABD'de Sıvı Argon Zaman Projeksiyon Odası Araştırma ve Geliştirme üzerine İkinci Çalıştayın Özeti". Enstrümantasyon Dergisi . 10 (7): T07006. arXiv : 1504.05608 . Bibcode : 2015JInst..10.7006A . doi : 10.1088 / 1748-0221 / 10/07 / T07006 . S2CID   1396121 .
  • Joshi, J .; Qian, X. (2015). "MicroBooNE LArTPC'de Sinyal İşleme". arXiv : 1511.00317v1 [ physics.ins -det ].

daha fazla okuma