félvezető- és gáztöltésű detektorokatomfizika.elte.hu/magreszfiz/kissgabor_detektorok.pdf ·...

Félvezető- és gáztöltésű detektorok

Kiss Gábor2010. november 4.

2010. november 4. Kiss Gábor 2

Detektorok

Feladat: nyomkövetés (tracking) és részecskeazonosítás (PID)


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

Detektorok II.


Detektorok III.


Félvezető detektorok

Vezetők, szigetelők, félvezetők


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)


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


Félvezető detektorok IV.

Lehetséges 2D kiolvasás, 5 mikronos helyfelbontás


CMS tracker

12000 modul

445 m2 szilícium detektor

~60 millió kiolvasócsatorna


Pixeldetektorok

~ (50 x 200) mikron méret

ATLAS: 1,4 * 10^8 pixel

Bump bonding


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)


Ionizáló sugárzás

sugárzásveszély ionizáló sugárzásveszély


Anyaggal való kölcsönhatás

Szeparáció az ionizáló részecske töltése alapján Ugyanolyan részecskék esetén csak a

sebességtől függ Elektronoknál fékezési sugárzás is fellép

Bethe-Bloch formula:


Bethe-Bloch formula

Fajlagos energiaveszteség

Minimum ionizing particles (mip)


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)


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


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


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 )


Sokszálas proporcionális kamrák

Georges Charpak (1924 -2010), Nobel-díj (1992) 1968-tól, szkeptikus fogadtatás Helyfelbontás: ~mm Szegmentálható katód (pad) Csatornánként külön

kiolvasó elektronika


Sokszálas proporcionális kamrák


Driftkamrák

Driftidő mérés → nagyobb távolság, kevesebb csatorna szükséges


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


Micropattern Gaseous Detectors (MPGD)

Gázerősítés: MWPC-kben:

néhány mm Új technológiák:

50-100 mikron


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)...


MSGC

… így:


GEM

új megoldás: Gas electron multiplier (GEM) technológia, mint előerősítő

előnyei: az MSGC alacsonyabb feszültségen is működtethető


Alkalmazások

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


TPC

Driftkamra + MWPC (vagy MPGD) = TPC 3D (2 tér + 1 „idő”) koordináták + fajlagos

energialeadás egyszerre mérhető E || B:

kisebb oldalirányú diffúzió eltérülésből impulzus


TPC

A driftelő elektronok a kapuzórácson gyűlnek össze


TPC

Sokszorozódás az anódszálakon


Cserenkov-detektorok

A közegbeli fénysebességnél

gyorsabb töltött részecskék

Cserenkov sugároznak

Alacsony törésmutatójú gáz

Küszöb- és gyűrűképző

(RICH) Cserenkov-detektorok


Close Cathode Chamber (CCC)


CCC


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)


Köszönöm a figyelmet!

félvezető- és gáztöltésű detektorokatomfizika.elte.hu/magreszfiz/kissgabor_detektorok.pdf ·...

Documents