Detektory a spektrometry elektronů

1. Detektory a spektrometry elektronů Nutnost detekce v širokém rozsahu energií: Atomová fyzika meV - eV Augerovy elektrony eV – 100 keV Rozpad beta a gama keV – MeV Rozpady částic na e+e-, produkce párů MeV – 10 GeV Používají se detektory nebo kombinace magnetických a elektrických polí a detektorů 1) Plynové detektory 2) Kanálkové zesilovače 3) Polovodičové detektory 4) Elektrostatickéspektrometry 5) Magnetickéspektrometry 6) Di-leptonové spektrometry 7) Čerenkovovy detektory Velký spektrometr typu „pomeranč“ (aplikační centrum Ústavu v Karlsruhe a Technické university v Darmstadtu)

2. Plynem plněné detektory Účinnost téměř 100 % 1) Geiger- Mülerovy čítače: pracují v oblasti výboje (IV) 2) Proporciální čítače: pracují v oblasti proporcionality (III) (zesílení ~ 107) 3) Ionizační komory:nezesilují → malý výstupní signál (II) Používaly se v dřívějším období, dnes se většinou používají polovodičové křemíkové Polohově citlivé: • Mnohodrátové proporciální komory – mezi dvěma katodovými rovinami • jsou anodové citlivé dráty )signál z nich se snímá) • 2) Driftové komory – drift náboje z ionizace k anodě, typické driftové rychlosti • ~ 5 cm/μs, z času lze určit polohu • 3) Časově projekční komory – cylindr vyplněný plynem zakončený dratovými • komorami, umístěno v homogenním magnetickém poli, umožňuje • tří rozměrné měření Široké využití ve vysokoenergetické spektrometrii elektronů a pozitronů

3. Polovodičová vrstva Elektroda Primární elektron Výstupní elektrony Sekundární elektrony Skleněná stěna kanálku Účinnost [%] Energie [eV] Kanálkový elektronový zesilovač (channeltron) Užití pro energie 0,01 – 30 keV Kanálek ze skla nebo z keramiky Polovodičová povrchová vrstva Zesílení ~ 107 Malá citlivost detekce gama Možnost seskupení do kanálkových desek – miliony miniaturních elektronových zesilovačů pracující nezávisle Schéma kanálkového zesilovače Zesílení ~ 104 dvě v kaskádě~ 107 Polohově citlivý: Vzdálenost kanálků: 8 – 30 μm Malá citlivost na magnetické pole Mrtvá doba ~ 10 ns Kanálkové zesilovače firmy BURLE Závislost účinnosti detekce na energii

4. Polovodičové detektory Intenzivní využívání křemíkových polovodičových detektorů Energetické rozlišení ~ 0,9 – 1,9 keV pro energie 100 – 1000 keV Nižší energie – důležité co nejtenčí okénko → co nejmenší absorpce Využití magnetického transportéru – magnetické pole přepraví elektrony do místa s menším pozadím Pozičně citlivé detektory: 1)Křemíkové stripové detektory – na křemíkové destičce (tloušťky 300 μm) jsou tenké proužky z hliníku (1 μm) a pod ní p+ implantace (bor) - fungují jako separátní elektrody 2) Křemíkové pixelové detektory – struktura do jednotlivých buněk 3) Křemíkové driftové detektory– struktura elektrod, náboj pak driftuje v elektrickém poli, jedna ze souřadnic je určena z času driftu SDD detektor pro experiment ALICE

5. Elektrostatické a magnetické spektrometry Pohyb nabité částice v elektrickém a magnetickém poli: 1) Elektrické pole - působí síla: 2) Magnetické pole – působí síla: platí a tedy Jeli kde m – relativistická hmotnost elektronu: Rozlišení magnetických spektrometrů dáno rozlišením hybností: Rozlišení elektrostatických rozlišením energie: kde se bere: Určíme vztah EKIN = f(Br) ( ):

6. Určíme vztah mezi rozlišením energetickým a rozlišením hybnostním: a tedy: hledaný vztah mezi rozlišeními: V nerelativistickém případě: souhlas s nerelativistického limitou(EKIN<< mec2) V ultrarelativistickém případě: Vztah mezi energetickým a hybnostním rozlišením souhlas s ultrarelativistického limitou(EKIN>> mec2)

7. Základní charakteristiky elektronových spektrometrů 1) Rozsah měřených energií: 0,01 – 1000 keV 2) Už zmíněné rozlišení R: 8·10-8 – 10-1 3) Prostorový úhel do kterého letí detekované elektrony Ω: 0,0001 – 20 % ze 4π 4) Rozměr zdroje nebo ozařovaného terče σ: ~ 0,5 mm2 – 200 cm2 5) Transmise T – část z monoenergetického svazku elektronu, které projdou do detektoru 6) Celková luminosita L = T·σ: 10-7 – 10-1 cm2 7) Elektron-optická kvalita: T/R nebo L/R 8) Intenzita používaných magnetických polí B: 0,0001 – ~3 T Velmi důležitá příprava zdroje – vyloučení energetických ztrát elektronů v materiálu zdroje

8. Elektrostatické spektrometry Použití do energie 50 keV (pro vyšší je třeba příliš velké napětí a je problém s relativistickou korekcí) Magnetické pole – fokusuje elektrony do měřícího místa, s využitím clon se provádí selekce hybnosti (energie) Elektrické pole – vytváří potenciálovou barieru, která propustí elektrony, jejichž energie je větší než jistý práh Integrální způsob měření– při každém měření (daný brzdící potenciál) Diferenciální způsob měření -pohyb v magnetickém poli vymezí jen určitouenergetickou oblast Jednokanálový způsob měření → velký důraz na časovou stabilitu a průběžnou kalibraci Používané detektory: 1) Kanálkový násobič – výhodné pro nízké energie ~ keV Mikrokanálková destička – posičně citlivé 2)Křemíkový detektor – může měřit i energii driftové a pixelové detektory – posičně citlivé Elektrostatický spektrometr ESA 12 (ÚJF AVČR)

9. Magnetické spektrometry zdroj detektor olověný absorber Transmise [%] svazek Energie [keV] Magnetické pole je využito k určení hybnosti (energie) elektronu Rozlišení: R = Δp/p = 10-3÷ 10-2 Během doby používána řada typů: 1) Rovinné spektrometry – pole má rovinou symetrii 2) Čočkový typ – pole má osovou symetrii Rovinný a čočkový typ magnetického spektrometru Typ pomeranč, minipomeranč – „orange“, „mini-orange“ spectrometer (Magnety rozděleny do sektorů – většinou šest sektorů rozmístěných kolem osy) Kompaktní zařízení, magnety vytváří homogenní pole - změnami sestavy magnetů se dá měnit energie maxima transmise (tím i účinnosti spektrometru) Spektrometr typu minipomeranč (Universita Bon)

10. Magnetický transportér a křemíkový detektor Měření na svazku → vysoké pozadí gama fotonů a dalších částic Magnetické pole je využito pro transport elektronu mimo toto pozadí, energie elektronu je určena křemíkovým detektorem „jemný přechod mezi magnetickými spektrometry a transportery“ Využití 1) toroidního magnetického pole: → pohyb po cykloidě 2) magnetického pole solenoidu: Bz = B, Bx = By = 0 → pohyb po spirále Účinnost systému je dána transmisí transportního systému i účinností detektoru Některé spektrometry typu „pomeranč“ a „minipomeranč“ mohou být využívány jako transportéry

11. Vysokoenergetická fyzika – dileptonové spektrometry Zkoumání rozpadu částic do e+ e- nebo μ+μ- kanálu, produkce těchto párů přes virtuální foton → nutnost spektrometru leptonů s vysokou energií Složení spektrometru: Nutné pro určení hybnosti a odlišení kladných a záporných částic: 1) Velmi intenzivní magnet (často supravodivý) 2) Polohově citlivé detektory před magnetem a za magnetem (mnohodrátové proporcionální komory, Čerenkovovy detektory) Vylepšující identifikaci částic (potlačení hadronového pozadí): 3) Detektory odlišující hadronové a elektromagnetické spršky 4) Detektory měřící dobu letu Schéma di-leptonového spektrometru NA50 a jeho drátové komory

12. Použití detektorů Čerenkovova záření Experiment CERES: Experiment HADES: