Micromegas
Download
1 / 35

Ανιχνευτής MICROMEGAS - PowerPoint PPT Presentation


  • 130 Views
  • Uploaded on

Ανιχνευτής MICROMEGAS. Παπαβασιλείου Αύρα Σεμινάριο Φυσικής Υπεύθυνος καθηγητής: Θ. Αλεξόπουλος Ιούνιος 2008. MICROMEsh GAs Structure:. Ανιχνευτής αερίου → κ υρίως για ανίχνευση φωτονίων και ηλεκτρονίων ειδικά ο MICROMEGAS, μέχρι στιγμής φωτόνια μερικών keV ( ακτίνες Χ)

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about ' Ανιχνευτής MICROMEGAS' - lieu


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
Micromegas

Ανιχνευτής MICROMEGAS

Παπαβασιλείου Αύρα

Σεμινάριο Φυσικής

Υπεύθυνος καθηγητής: Θ. Αλεξόπουλος

Ιούνιος 2008


Micromesh gas structure
MICROMEsh GAs Structure:

  • Ανιχνευτής αερίου → κυρίως για ανίχνευση φωτονίων και ηλεκτρονίων

    ειδικά ο MICROMEGAS, μέχρι στιγμής φωτόνιαμερικών keV (ακτίνες Χ)

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

  • Η/Μ αλληλεπιδράσεις, κυρίως Coulomb


Ανιχνευτές αερίου

Λειτουργία:

  • 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 αερίου

Φορτισμένα 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/dxαπώλειας ενέργειας

    Bethe-Bloch,δxμήκος

    διαδρομής και wμέση

    ενέργεια δημιουργίας ζεύγους

    ιόντος-e


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 Cdαπό τον κύλινδρο~ τάσης στα ηλεκτρόδια


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; τόσο περισσότερα φορτία συγκεντρώνονταιΠοσοστά 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 τόσο περισσότερα φορτία συγκεντρώνονταιe

  • 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


  • Για την σταθερά τόσο περισσότερα φορτία συγκεντρώνονταιD :

    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)


  • Ορίζεται η κινητικότητα τόσο περισσότερα φορτία συγκεντρώνονται(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

  • Γενικάμe>>μion


Φαινόμενο χιονοστιβάδας τόσο περισσότερα φορτία συγκεντρώνονται

  • 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 μτα e βρίσκονται στο μπροστινό μέρος και τα ιόντα προς την ουρά της χιονοστιβάδας


Ενίσχυση αερίου τόσο περισσότερα φορτία συγκεντρώνονται

  • Χρήση φαινομένου χιονοστιβάδας

  • α: # ζευγών ιον-e ανά

    μήκος διαδρομής

    dn: # παραγόμενων e σε μήκος dx

    Τότε ορίζεται η ενίσχυση (gas gain):


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 φορτίου

  • 1η γενιά:

    Θάλαμος ιονισμού, αναλογικόςαπαριθμητής, απαριθμητής Geiger- Müller


Sparc chamber
Θάλαμος Σπινθήρων ( φορτίουsparc chamber)


MWPC ( φορτίουπολυσυρματικός αναλογικός θάλαμος)


Drift chamber
Θάλαμος Ολίσθησης ( φορτίουdrift chamber)


Time projection chamber
Time Projection Chamber φορτίου



Micromegas gas electron multiplier
Παράλληλα με φορτίουMICROMEGASGas Electron Multiplier


Micromegas1
MICROMEGAS φορτίου

  • 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 φορτίου

  • Ανω πλάκα: Ηλεκτρόδιο ολίσθισης- Κάθοδος

  • Περιοχή μετατροπής (conversion gap) ~mm: Φωτοηλεκτρικο φαινόμενο & 1ος ιονισμός

    Ε~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 φορτίου

  • Εφαρμογή V και χωρισμός θαλάμου σε 2 ασυμμετρικές περιοχές→ η π.ενισχυσης x20μεγαλύτερη 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 φορτίουτεχνικής 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:


  • Ο συνδυασμός φορτίουd 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 ~106countsmm2s-1, λόγω πυκνής δομής πλέγματος και γρήγορης μετακίνησης ιόντων



Πρότυπο μεγεθώνCast

  • 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 μεγεθών

Λωρίδες Χ-Υ ,

192 για κάθε διάσταση,

απέχουν ~350μm(pitch)

και pads Y ~100μm

Ενεργός περιοχή ~45cm2

(μέγεθος ανιχνευτή)

Περιοχή ενίσχυσης ~50μm

Περιοχή μετατροπής~25mm

Kάθοδος ολίσθησης:

Aluminized παράθυρο προπυλενίου~4μm


Zone A μεγεθών

Detector

P= 1 bar (Ar)

Zone B

In-between chamber

P = 10-2 mbar

Gate valve

A

B

C

Zone C

Tube

P = 10-6 mbar

P1

P2

Απεικόνιση:

4µm poly

4µm aluminized poly+ strongback


Micromegas2
Επιλογή μεγεθώνMICROMEGAS

  • Ευασθησία σε χαμηλοενεργειακές ακτίνες Χ(1-10keV)

  • Χαμηλό όριο ανίχνευσης (threshold)

  • Χαμηλό υπόβαθρο, μη ραδιενεργά υλικά

  • Απλή και εύκολα προσαρμόσιμη κατασκευή


Τομείς εφαρμογής: μεγεθών

  • 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/cκαι μ 100 GeV/c


Βιβλιογραφία: μεγεθών

  • 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/detectorsΓιώργος Τσιπολίτης, Μάθημα Ανιχνευτικών και Επιταχυντικών Διατάξεων, Διαλέξεις 7 και 8

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


ad