stringtranslate.com

Камера проекции времени

TPC эксперимента ALICE в ЦЕРНе

В физике камера проекции времени ( TPC ) — это тип детектора частиц, который использует комбинацию электрических и магнитных полей вместе с чувствительным объемом газа или жидкости для выполнения трехмерной реконструкции траектории частицы или взаимодействия.

Оригинальный дизайн

Первоначальный TPC был изобретен Дэвидом Р. Найгреном , американским физиком, в Лаборатории Лоуренса в Беркли в конце 1970-х годов. [1] Его первое крупное применение было в детекторе PEP-4, который изучал столкновения электронов и позитронов с энергией 29 ГэВ в накопительном кольце PEP в SLAC .

Камера проекции времени состоит из заполненного газом объема обнаружения в электрическом поле с позиционно-чувствительной системой сбора электронов. Первоначальная конструкция (и наиболее часто используемая) представляет собой цилиндрическую камеру с многопроводными пропорциональными камерами (MWPC) в качестве концевых пластин. По всей длине камера разделена на половины с помощью центрального высоковольтного электродного диска, который устанавливает электрическое поле между центром и концевыми пластинами. Кроме того, магнитное поле часто применяется вдоль длины цилиндра, параллельно электрическому полю, чтобы минимизировать диффузию электронов , поступающих от ионизации газа. Проходя через детекторный газ, частица будет производить первичную ионизацию вдоль своего пути. Координата z (вдоль оси цилиндра) определяется путем измерения времени дрейфа от события ионизации до MWPC в конце. Это делается с использованием обычной техники дрейфовой камеры . MWPC в конце расположен с анодными проводами в азимутальном направлении, θ , что дает информацию о радиальной координате, r . Для получения азимутального направления каждая катодная плоскость делится на полосы вдоль радиального направления.

В последние годы другие средства позиционно-чувствительного усиления и обнаружения электронов стали использоваться более широко, особенно в сочетании с возросшим применением камер с проекцией времени в ядерной физике . Они обычно объединяют сегментированную анодную пластину либо с простой сеткой Фриша [2], либо с активным элементом умножения электронов, таким как газовый электронный умножитель [3] . Эти новые TPC также отходят от традиционной геометрии цилиндра с аксиальным полем в пользу плоской геометрии [2] или цилиндра с радиальным полем. [3]

Ранее исследователи в области физики элементарных частиц также обычно использовали более упрощенную геометрию в форме коробки, расположенную непосредственно над или под линией пучка, как, например, в экспериментах CERN NA49 и NA35 .

Жидкоаргоновая камера временной проекции (LArTPC)

В 1974 году Уильям Дж. Уиллис и Велько Радека продемонстрировали [4] , что полная абсорбционная калориметрия возможна в детекторах жидкого аргона без усиления, которое обычно происходит в газообразном ионизационном детекторе . Эта критическая технология сделала возможной камеру проекции времени на основе оригинальной конструкции Нигрена, но с использованием жидкого аргона в качестве чувствительной среды вместо газа.

В 1976 году Герберт Х. Чен с сотрудниками из Калифорнийского университета в Ирвайне и Калифорнийского технологического института предложили одно из самых ранних применений жидкого аргона в камере проекции времени (LArTPC). [5] [6] Первоначальными целями Чена с таким детектором было изучение нейтрино-электронного рассеяния, но затем цели эволюционировали до измерения солнечных или космических нейтрино или распада протонов. [5] [7] [8]

В 1977 году Карло Руббиа независимо и почти одновременно предложил построить LArTPC в ЦЕРНе для экспериментов по физике редких элементарных частиц. [9] [7]

Конструкция и свойства детектора

Жидкий аргон выгоден в качестве чувствительной среды по нескольким причинам. [9] [10] Тот факт, что аргон является благородным элементом и, следовательно, имеет исчезающую электроотрицательность, означает, что электроны, произведенные ионизирующим излучением, не будут поглощаться по мере их дрейфа к считыванию детектора. Аргон также сцинтиллирует, когда мимо проходит энергичная заряженная частица, высвобождая количество сцинтилляционных фотонов, пропорциональное энергии, вложенной в аргон проходящей частицей. [10] Жидкий аргон также относительно недорог, что делает крупномасштабные проекты экономически осуществимыми. Однако одной из основных мотиваций использования жидкого аргона в качестве чувствительной среды является его плотность. [9] Жидкий аргон примерно в тысячу раз плотнее газа, используемого в конструкции TPC Нигрена, что увеличивает вероятность взаимодействия частицы в детекторе примерно в тысячу раз. Эта особенность особенно полезна в физике нейтрино , где сечения взаимодействия нейтрино с нуклонами малы.

Схема конструкции LArTPC и основные принципы работы

Корпус типичного LArTPC состоит из трех частей. С одной стороны детектора находится плоскость катода высокого напряжения , используемая для создания дрейфового электрического поля через TPC. Хотя точный электрический потенциал , при котором он устанавливается, зависит от геометрии детектора, этот катод высокого напряжения обычно создает дрейфовое поле 500 В/см через детектор. [10]

На стороне, противоположной катодной плоскости, находится набор плоскостей анодных проводов, установленных на потенциалы, намного более высокие (менее отрицательные), чем у катода. Каждая плоскость отделена от своих соседей небольшим зазором, обычно порядка 1 см. Плоскость состоит из множества параллельных проводящих проводов, расположенных на расстоянии нескольких миллиметров, а угол, под которым провода ориентированы относительно вертикали, варьируется от плоскости к плоскости. Вместе эти плоскости считывают сигналы с дрейфовых электронов. Для детектора с N плоскостями анодных проводов внутренние N  − 1 плоскости называются индукционными плоскостями. Они установлены на более низкие (более отрицательные) потенциалы, чем внешняя плоскость, что позволяет дрейфовым электронам проходить через них, вызывая сигналы, которые используются для реконструкции событий. Внешняя плоскость называется плоскостью сбора, потому что дрейфовые электроны собираются на этих проводах, производя дополнительные сигналы. Наличие нескольких плоскостей с различной ориентацией проводов позволяет проводить двумерную реконструкцию событий, в то время как третье измерение находится из времен дрейфа электронов.

Третья часть — полевая клетка между катодом и анодом. Эта полевая клетка поддерживает однородное электрическое поле между катодом и анодом, так что траектории дрейфовых электронов отклоняются как можно меньше от кратчайшего пути между точкой ионизации и плоскостью анода. Это призвано предотвратить искажение траектории частиц во время реконструкции событий.

Система сбора света часто сопровождает базовый LArTPC как средство извлечения дополнительной информации из события с помощью сцинтилляционного света. [10] Она также может играть важную роль в срабатывании, поскольку она собирает сцинтилляционный свет всего через наносекунды после того, как частица проходит через детектор. Это сравнительно (порядка 1000 раз) короче времени, необходимого освобожденным электронам для дрейфа к плоскостям проводов, поэтому часто достаточно обозначить время сбора сцинтилляционных фотонов как время срабатывания ( t 0 ) для события. С этим временем срабатывания можно затем найти время дрейфа электронов, что позволяет провести трехмерную реконструкцию события. Хотя такие системы не являются единственным средством, с помощью которого LArTPC может определить время срабатывания, они необходимы для изучения таких явлений, как сверхновые и распад протона, где частицы, подвергающиеся распаду или взаимодействию, не производятся в созданном человеком ускорителе, и поэтому время пучка частиц неизвестно. [10] Фотоумножительные трубки , световоды и кремниевые фотоумножители являются примерами инструментов, используемых для сбора этого света. Они обычно располагаются сразу за пределами дрейфового объема.

Считывание сигнала

В типичном LArTPC каждый провод в каждой анодной плоскости является частью RC-цепи , при этом сам провод расположен между резистором и конденсатором . Другой конец резистора подключен к напряжению смещения, а другой конец конденсатора подключен к входной электронике. Входная электроника усиливает и оцифровывает ток в цепи. Этот усиленный и оцифрованный ток как функция времени является «сигналом», который передается на реконструкцию событий.

Для заданного провода плоскости анода, произведенный сигнал будет иметь определенную форму, которая зависит от того, расположен ли провод в плоскости индукции или в плоскости сбора. Когда дрейфовый электрон движется к проводу в плоскости индукции, он индуцирует ток в проводе, производя «выступ» в выходном токе. Когда электрон удаляется от провода, он индуцирует ток в противоположном направлении, производя выходной «выступ» противоположного знака, чем первый. Результатом является биполярный сигнал. [11] Напротив, сигналы для провода плоскости сбора являются униполярными, поскольку электроны не проходят мимо провода, а вместо этого «собираются» им. Для обеих этих геометрий большая амплитуда сигнала подразумевает, что больше дрейфовых электронов либо прошли мимо провода (для плоскостей индукции), либо были собраны им (для плоскости сбора).

Считывание сигнала со всех проводов в заданной анодной плоскости может быть организовано в двумерную картину взаимодействия частиц. Такая картина представляет собой проекцию трехмерного взаимодействия частиц на двумерную плоскость, нормальный вектор которой параллелен проводам в указанной анодной плоскости. Двумерные проекции, соответствующие каждой из анодных плоскостей, объединяются для полной реконструкции трехмерного взаимодействия.

Двухфазный TPC

Сама технология была впервые разработана для обнаружения радиации с использованием аргона в начале 1970-х годов. [12] Программа ZEPLIN стала пионером в использовании двухфазной технологии для поиска WIMP . Детекторы серий XENON и LUX представляют собой современную реализацию этого инструмента в физике.

Проекционная камера времени темной материи

Dark Matter Time Projection Chamber — это эксперимент по прямому обнаружению слабо взаимодействующих массивных частиц (WIMP), одного из наиболее предпочтительных кандидатов на темную материю . В эксперименте используется камера проекции времени низкого давления для извлечения исходного направления потенциальных событий темной материи. В сотрудничестве участвуют физики из Массачусетского технологического института (MIT), Бостонского университета (BU), Университета Брандейса и Лондонского университета Royal Holloway . Несколько прототипов детекторов были построены и испытаны в лабораториях MIT и BU. Сотрудничество получило свои первые данные в подземной лаборатории на площадке Waste Isolation Pilot Plant (WIPP) недалеко от Карлсбада, штат Нью-Мексико , осенью 2010 года. [ необходима цитата ]

В 2010 году проекторы Dark Matter Time Projection Chamber опубликовали первые результаты поверхностного эксперимента, установив предел поперечного сечения, зависящий от спина. [13]

Примечания

  1. ^ "Премия Эрнеста Орландо Лоуренса: Лауреаты 1980-х годов". Министерство энергетики США . Архивировано из оригинала 2011-08-11 . Получено 2007-08-18 . Дэвид Р. Нигрен, 1985: Физика: За разработку экспериментальных методов в физике элементарных частиц и особенно за изобретение камеры проекции времени
  2. ^ ab Демончи и др. 2007.
  3. ^ аб Фенкер и др. 2008, Лэрд и др. 2007.
  4. ^ Уиллис, В. Дж.; Радека, В. (14 мая 1974 г.). «Жидкоаргоновые ионизационные камеры как детекторы полного поглощения». Ядерные приборы и методы . 120 (2): 221–236. Bibcode : 1974NucIM.120..221W. doi : 10.1016/0029-554X(74)90039-1.
  5. ^ ab Chen, HH; Condon, PE; Barish, BC; Sciulli, FJ (май 1976 г.). "Детектор нейтрино, чувствительный к редким процессам. I. Исследование реакций нейтрино-электронов" (PDF) . Национальная ускорительная лаборатория имени Ферми . Предложение P-496: 42 стр . Получено 28 января 2017 г. .
  6. ^ Чен, ХХ; Латроп, ДжФ (1978). «Наблюдение ионизации электронов, дрейфующих на большие расстояния в жидком аргоне». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях . 150 (3): 585–588. Bibcode : 1978NucIM.150..585C. doi : 10.1016/0029-554x(78)90132-5.
  7. ^ ab Doke, T. (1993). "Исторический взгляд на НИОКР для детекторов жидких инертных газов". Ядерные приборы и методы в физических исследованиях . A327 (1): 113–118. Bibcode :1993NIMPA.327..113D. doi :10.1016/0168-9002(93)91423-K.
  8. ^ "The time projection chamber turns 25". ЦЕРН: CERN Courier . 27 декабря 2004 г. Получено 29 января 2017 г.
  9. ^ abc Rubbia, C. (16 мая 1977 г.). «Жидкоаргоновая камера проекции времени: новая концепция для детекторов нейтрино» (PDF) . Внутренние отчеты EP CERN . 77 (8). CERN : 15 стр . Получено 4 мая 2022 г.
  10. ^ abcde Acciarri et al. 2015.
  11. ^ Джоши, Дж., Цянь, X., 2015.
  12. ^ Кац, Р.; Кобетич, Э.Дж. (1970-10-31). «Тропы частиц в конденсированных средах». doi :10.2172/4750759. OSTI  4750759. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  13. ^ Ahlen, S.; Battat, JBR; Caldwell, T.; Deaconu, C.; Dujmic, D.; Fedus, W.; Fisher, P.; Golub, F.; Henderson, S.; Inglis, A.; Kaboth, A.; Kohse, G.; Lanza, R.; Lee, A.; Lopez, J.; Monroe, J.; Sahin, T.; Sciolla, G.; Skvorodnev, N.; Tomita, H.; Wellenstein, H.; Wolfe, I.; Yamamoto, R.; Yegoryan, H. (январь 2011 г.). «Первые результаты поиска темной материи с поверхности 10-L DMTPC направленного детектора темной материи». Physics Letters B. 695 ( 1–4): 124–129. arXiv : 1006.2928 . Bibcode : 2011PhLB..695..124D. doi : 10.1016/j.physletb.2010.11.041. S2CID  56067102.

Ссылки

Дальнейшее чтение