Ανιχνευτής MICROMEGAS

Παπαβασιλείου ΑύραΣεμινάριο Φυσικής

Υπεύθυνος καθηγητής: Θ. ΑλεξόπουλοςΙούνιος 2008

MICROMEsh GAs Structure: Ανιχνευτής αερίου → κυρίως για

ανίχνευση φωτονίων και ηλεκτρονίωνειδικά ο MICROMEGAS, μέχρι στιγμής φωτόνια μερικών keV (ακτίνες Χ)

Βασικό μέρος της δομής του → ένα πολύ πυκνό δύχτι χαλκού, εξαιρετικά μικρών πλεγματικών διαστάσεων ~μm

Η/Μ αλληλεπιδράσεις, κυρίως Coulomb

Ανιχνευτές αερίουΛειτουργία: Αλληλεπίδραση φορτισμένου σωματιδίου ή

φωτονίου με την ύλη → Ιονισμός ηλεκτρονίων ατόμου αερίου Ειδικά στην ανίχνευση φωτονίων →

Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο (κυρίαρχο για Ε~keV)

Από την Ε= hf- EB φωτοηλεκτρική εξίσωση:ενέργεια εκπεμπόμενου e~ την f του προς ανίχνευση φωτονίου# e~ # εισερχομένων φωτονίων

Ιονισμός αερίουΦορτισμένα σωματίδια διέρχονται από μέσο →

ιονίζoυν κυρίως ατομικά e αερίου →δημιουργία ζευγών ιόντος-e

Τα e του 1ου ιοντισμού, ιονίζουν περαιτέρω, δημιουργώντας επιπλέον ζεύγη ιόντων-e.

dE/dx απώλειας ενέργειας Bethe-Bloch, δx μήκος διαδρομής και w μέσηενέργεια δημιουργίας ζεύγουςιόντος-e

t

dE xdxn

w w

Ανιχνευτής Ιοντισμού Παράλληλων Πλακών

Διέλευση φορτισμένων σωματιδίων → ιονισμός αερίου, παραγωγή ιόντων με ρυθμο εναπόθεσης dE/dt. Μέση ενέργεια ιονισμού w~30eV.

Ο ανιχνευτής ως πυκνωτής γνωστής C,συλλέγει Q=#παραγόμενων ιόντων ×1,6 10-19C. Μετρώντας την επαγόμενη τάση V=Q/C, μαθαίνουμε τον αριθμό παραγόμενων ιόντων.→

πολύ μικρός για ανίχνευση, χρειάζεται ενισχ. σήμα

Εφαρμογή τάσης σε κυλινδρικό ανιχνευτή

• Μεταλλικός κύλινδρος (chamber) ακτίνας Ro – Σύρμα ακτίνας rο.

• Εφαρμογή μεταβαλλόμενης V → διέλευση ακτινοβολίας → Ν ιόντα στον ανιχνευτή αερίου

• Ο # e ανόδου συνάρτηση της V• Ύψος παλμού εξόδου οφείλεται στην φόρτιση του

Cd από τον κύλινδρο ~ τάσης στα ηλεκτρόδια

1 ln oE V r R r

Όσο πιο υψηλή τάση εφαρμόζεται, τόσο περισσότερα φορτία συγκεντρώνονται Εφαρμογή ηλ.

Πεδίου→ εμποδίζονται επανασυνδέσεις ιόντων-e→ τα ιόντα και e εν γένει κινούνται ομόρροπα με αυτό →λιγότερες σκεδάσεις και με τα μόρια του αερίου

Γιατί συμβαίνει όμως αυτό;

Ποσοστά απ’ την απώλεια ενέργειας ενός e, λόγω αλληλεπιδράσεων Coulomb μέσα σ’ένα υλικό συναρτήσει Ε: έντασης ηλεκτρικού πεδίου και P: πίεση του αερίου

Διάχυση ιόντων και e

• Απουσία Η.Π. → ακτινική και τυχαία διάδοση → πολλαπλές σκεδάσεις με μόρια αερίου

• Θερμική ενέργεια: • Μέση ταχύτητα:• Γραμ. κατανομή φορτίων μετά από

διάχυση, D σταθερά διάχυσης

32 kT

8kTu m

2

4

4

xDtdN No e

dx D

Για την σταθερά D :

όπου p: πίεση αερίου, Τ: θερμοκρασία, σο: ολική ενεργός διατομή σύγκρουσης με μόρια αερίου

Παρουσία πεδίου: Τα σωματίδια επιταχύνονται κατά μήκος δυναμικών γραμμών

Συνεχείς συγκρούσεις με μόρια περιορίζουν την ταχύτητα σε μια μέση τιμή: ταχύτητα ολίσθησης u (drift velocity)

33 1

2kT

Dp m

Ορίζεται η κινητικότητα (mobility):μ= u/E, συναρτήσει ταχύτητας ολίσθησης και Η.Π.

Για τα ιόντα: u~ E/P γραμμικά Για e: η σο έντονες διακυμάνσεις ~ Ε

παρουσιάζοντας διάφορα μέγιστα/ ελάχιστα Σχέση Einstein για ιδανικά αέρια: D/μ=kT/e Γενικά μe>>μ ion

Φαινόμενο χιονοστιβάδας

• Παρουσία Η.Π. → Επιτάχυνση 1ου ιοντισμού αερίου, αυξημένη ενέργεια των e που προκύπτουν →

• 2ος ιοντισμός από τα e του 1ου → το Η.Π. τον επιταχύνει και αυξάνει την ενέργεια των e →

• συνεχίζεται μέχρι την δημιουργία μιας σταγόνας φορτίων, όπου λόγω της μ τα e βρίσκονται στο μπροστινό μέρος και τα ιόντα προς την ουρά της χιονοστιβάδας

Ενίσχυση αερίου Χρήση φαινομένου χιονοστιβάδας

α: # ζευγών ιον-e ανά μήκος διαδρομής dn: # παραγόμενων e σε μήκος dxΤότε ορίζεται η ενίσχυση (gas gain):

axodn nadx n n e ax

o

nM en

Ωστόσο δεν είναι εφικτή η συνεχής ενίσχυση, καθώς στο όριο Raether συμβαίνει εκκένωση: αx~20 και Μ~ 108 αν και πρακτικά ~106

Επιδράσεις στην ανίχνευση φορτίου

Μηχανισμοί που εμποδίζουν την διατήρηση των ζευγών:• Επανασύνδεση (recombination) → απουσία Η.Π

ελκτική δύναμη μεταξύ ιόντων και e• Σύνδεση (attachment) e από ηλεκτροαρνητικά

άτομα και δημιουργία αρνητικών ιόντων. Έχουν πλήρη εξωτερική στιβάδα → απελευθερώνεται ενέργεια= ηλεκτρονιοφιλία. Πιθανότητα σύνδεσης: πολύ μεγάλη για Ο2 Σχεδόν ~0 για ιδανικά αέρια έχουν αρνητική

ηλεκτρονιοφιλία

Εξέλιξη Ανιχνευτών Αερίου 1η γενιά:

Θάλαμος ιονισμού, αναλογικός απαριθμητής, απαριθμητής Geiger- Müller

Θάλαμος Σπινθήρων (sparc chamber)

MWPC (πολυσυρματικός αναλογικός θάλαμος)

Θάλαμος Ολίσθησης (drift chamber)

Time Projection Chamber

Micro Strip Gas Chambers

Παράλληλα με MICROMEGASGas Electron Multiplier

MICROMEGAS Διαφορά στην δομή σε

σχέση με τους προηγούμενους: αντί για καλώδια → πυκνό διχτυωτό χάλκινο πλέγμα, το οποίο το “μάτι” (βρόχος) ~μm

Ορίζει 2 διακεκριμένες περιοχές – 2 στάδια λειτουργίας

Αέριο μίγμα: Αr (95%)+ισοβουτάνιο (5%)

CAST: Ανίχνευση ακτίνων Χ

Δομικά στοιχεία Ανω πλάκα: Ηλεκτρόδιο ολίσθισης- Κάθοδος Περιοχή μετατροπής (conversion gap) ~mm:

Φωτοηλεκτρικο φαινόμενο & 1ος ιονισμόςΕ~1-2keV/cm

Μικροπλέγμα,πάχους ~5μm, όπου εφαρμόζεται V<500V Περιοχή ενίσχυσης (amplification gap) ~50-100μm:

Ε~50 keV/cm, ζεύγη υπόκεινται στο φαινόμενο χιονοστιβάδας

Κάτω ηλεκτρόδιο ανόδου: χάλκινες λωρίδες 150μm x 200μm, γειωμένες μέσω

προενισχυτών υψηλής ενίσχυσης & χαμηλού εσωτερικού θορύβου

Σ’ένα απομονωμένο στρώμα από αρωματικό πολυμερές (kapton)

Πολυεπίπεδος ρόλος πλέγματος

• Εφαρμογή V και χωρισμός θαλάμου σε 2 ασυμμετρικές περιοχές→ η π.ενισχυσης x20 μεγαλύτερη ένταση Ε → οσο μεγαλύτερος ο λόγος, τοσο καλύτερη η μεταφορά e από την 1η περιοχή στην 2η.

• Μικρή και έντονου πεδίου π.ενισχυσης → μειώνεται αρκετά το πλάτος της διάχυσης των e

• Εμποδίζει τα ιόντα που δημιουργούνται στην 2η π. να εισέρθουν στην 1 και τα συλλέγει με μεγάλη απόδοση

Πλεονεκτήματα τεχνικής πλέγματος:

Γρήγορη απόκριση: μικρό μήκος διαδρομής ιόντων (~100 μm π.εν.) και ισχυρό πεδίο → γρήγορη συλλογή τους απ’την άνοδο

Οι μηχανικές ατέλειες αμελητέες ~κέρδος αερίου, σταθερό. Για d μήκος π.εν., B σταθερά του αερίου P πίεση και V τάση:

1M d dadV d

Ο συνδυασμός d και V είναι τέτοιος → maximum Μ, οποιεσδήποτε διαταραχές στον ενδιαμέσο χώρο (πχ πυκνότητας) αμελητέα επίδραση, μικρή περιοχή και πλάτος διάχυσης

Συνεχές πεδίο στην π.εν. → το σήμα οφείλεται εξίσου στα e και στα ιόντα, πιο ισχυρό

Εξαιρετικά καλή χωρική διακριτική ικανότητα, λόγω πολλών και μικρών λωρίδων ανόδου.

Ρυθμός απαρίθμησης ~106 counts mm2s-1, λόγω πυκνής δομής πλέγματος και γρήγορης μετακίνησης ιόντων

Διακριτική ικανότητα διαφόρων μεγεθών

Χωρική διακριτική ικανότητα

12 μm

Χρονική Διακριτική ικανότητα

0.2ns

Ενεργειακή Διακρ. Ικανοτητα (FWHM)

11% (στα 5.9 keV)

Rise time of the fast signal (για e)

<1ns

Πρότυπο Cast Cern Astronomical Solar Telescope Ανίχνευση Αξιονίων Αξιόνια → Ηλιακή προέλευση, διασπώνται σε

φωτόνια στην φασματική περιοχή ακτίνων Χ 3 ανιχνευτές ακτινων Χ: CCD, MICROMEGAS, TPC

Δομικά μέρη

Λωρίδες Χ-Υ , 192 για κάθε διάσταση,απέχουν ~350μm(pitch)και pads Y ~100μmΕνεργός περιοχή ~45cm2

(μέγεθος ανιχνευτή)Περιοχή ενίσχυσης ~50μmΠεριοχή μετατροπής ~25mmKάθοδος ολίσθησης:Aluminized παράθυρο

προπυλενίου~4μm

Zone CTubeP = 10-6 mbar

Zone ADetectorP= 1 bar (Ar)

Zone BIn-between chamberP = 10-2 mbar

P1 P2

A B C

Gate valve

4µm aluminized poly+ strongback

4µm poly

Απεικόνιση:

Επιλογή MICROMEGAS Ευασθησία σε χαμηλοενεργειακές

ακτίνες Χ(1-10keV) Χαμηλό όριο ανίχνευσης (threshold) Χαμηλό υπόβαθρο, μη ραδιενεργά

υλικά Απλή και εύκολα προσαρμόσιμη

κατασκευή

Τομείς εφαρμογής:• Φυσική υψηλών ενεργειών: COMPASS,

n_TOF (ανίχνευση νετρονίων), NA48, TESLA

• Κοσμολογικού ενδιαφέροντος: CAST, HELLAZ

• Ιατρικές εφαρμογές: απεικόνιση ακτίνων-Χ

• Έχει δοκιμαστεί σε δέσμες π 10 GeV/c και μ 100 GeV/c

Βιβλιογραφία: The MICROMEGAS detector Theopisti Dafni, “The MICROMEGAS detector in CAST”, Large

TPC workshop, Paris, December 2004 I. Yomataris et al., “A low background MICROMEGAS detector

for the CAST experiment”, DAPNIA, Centre d’ etudes de Saclay, October 2005

G. Barouch, G. Charpak, I. Yomataris et al., “Development of a fast gaseous detector: MICROMEGAS”, CERN LHC/98-05-EET, August 1998

Y. Giomataris, Ph. Rebourgeard, J.P. Robert, G. Charpak, “MICROMEGAS: a high-granularity position sensitive gaseous detector for high particle-flux environments

www.physics.ntua.gr/~yorgos/detectors Γιώργος Τσιπολίτης, Μάθημα Ανιχνευτικών και Επιταχυντικών Διατάξεων, Διαλέξεις 7 και 8

http://cast.web.cern.ch/CAST/CAST.html