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Teilchendetektoren - PowerPoint PPT Presentation


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Teilchendetektoren. Seminarvortrag WS06/07. Klaus Roth. Motivation. Nachweis von geladenen und neutralen Teilchen =>je nach Messaufgabe verwendet man orts- oder energieauflösende Detektoren Ortsauflösung: Spurdetektion durch ortsauflösende Detektoren

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Presentation Transcript
slide1

Teilchendetektoren

Seminarvortrag WS06/07

Klaus Roth

motivation
Motivation
  • Nachweis von geladenen und neutralen Teilchen
  • =>je nach Messaufgabe verwendet man orts- oder energieauflösende Detektoren
  • Ortsauflösung: Spurdetektion durch ortsauflösende Detektoren
          • B-Feld führt zu einer Krümmung der Teilchenbahn
  • Krümmungsradius liefert den Impuls den Teilchen
  • Energieauflösung: Teilchen wird in einem Material gestoppt, die Energie wird absorbiert, durch materialspezifische Prozesse kann diese Energie gemessen werden
  • => Teilchenidentifikation
bersicht
Übersicht
  • Grundlagen
  • Halbleiterdetektoren
  • Szintillatoren
  • Elektromagnetisches
  • Kalorimeter
  • Hadronisches
  • Kalorimeter
  • Gasdetektoren
  • Neutrinodetektoren
wechselwirkung geladener teilchen mit materie
Wechselwirkung geladener Teilchen mit Materie
  • Bethe-Bloch-Formel: mittlerer Energieverlust schwerer Teilchen pro Wegstrecke
  • Gilt nicht für kleine Teilchenenergien
  • Fällt zuerst wie dann logarithmischer Anstieg
  • Minimum in etwa bei
  • Dichteeffekt
  • Hohe Energien-Bremsstrahlung dominant
  • die Energieverlustverteilung kann bei dünnen Absorbern durch eine Landau-Verteilung beschrieben werden =>wahrscheinlichster Energieverlust mittlerer Energieverlust
bremsstrahlung
Bremsstrahlung
  • Energieverlust durch Bremsstrahlung für hohe Energien
  • Proportional zur Energie und umgekehrt proportional zum Massenquadrat
  • Strahlungslänge kann über definiert werden
  • Unter Berücksichtigung der Wechselwirkung mit den Hüllenelektronen und Abschirmung des Kernfeldes ergibt sich:
  • kritische Energie ist dann erreicht, wenn gilt
wechselwirkung von photonen mit materie
Wechselwirkung von Photonen mit Materie
  • Ein Photonenstrahl wird in Materie exponentiell gedämpft:
  • Photoeffekt:
  • Compton-Effekt:
  • Paarerzeugung:
halbleiterdetektoren 2
Halbleiterdetektoren 2
  • p-n-Übergang: p- und n- dotierte Halbleiter werden aneinander gesetzt => Ausbilden einer Verarmungszone durch Rekombination => gel. Ionenrümpfe erzeugen Spannungsdifferenz
  • Anlegen einer Spannung V=>Vergrößerung der Verarmungszone
  • für folgt
halbleiterdetektoren 3
Halbleiterdetektoren 3
  • Teilchen erzeugt beim Durchgang Elektron-Loch-Paar (Energie z.B. bei Si 3.6 eV)
  • Energiemessung: bessere Auflösung als bei Gasdetektoren (W=30 eV pro Ion-Elektron-Paar ) und Szintillatoren (W=400-1000eV pro Photoelektron)
  • -Gammaspektrum, aufgenommen mit einem NaJ(Tl)-Szintillator und einem Ge(Li)-Halbleiter
halbleiterdetektoren 4
Halbleiterdetektoren 4
  • Ortsmessung:
  • zusätzliche Segmentierung der Anode ermöglicht Rekonstruktion eines Raumpunktes
  • selbe Prinzip wie bei einem energieauflösenden Detektor
  • Segmentierung der Kathode
  • Ortsauflösungen von
halbleiterdetektoren 5
Halbleiterdetektoren 5
  • Einige Bilder von Detektoren:
halbleiterdetektoren 6
Halbleiterdetektoren 6

Ortsauflösungen:

bersicht1
Übersicht
  • Grundlagen
  • Halbleiterdetektoren
  • Szintillatoren
  • Elektromagnetisches
  • Kalorimeter
  • Hadronisches
  • Kalorimeter
  • Gasdetektoren
  • Neutrinodetektoren
photomultiplier
Photomultiplier
  • durch Photoeffekt werden Elektronen aus einer Alkali-Metall-Photoelektrode „herausgeschlagen“
  • Hochspannung zwischen Kathode und Anode wird über mehrere Dynoden heruntergeteilt
  • Sekundäremissionskoeffizient p; typische Werte für 100 bis 200 eV: p=3-5
  • Stromverstärkung bei (n-1) Dynoden:
  • Arbeitsbereich im Bereich vom ultravioletten und sichtbarem Licht
  • Quantenausbeute liegt für Bialkali-Kathoden bei 25% bei einer Wellenlänge von 400nm
szintillatoren organisch
Szintillatoren-organisch
  • organisch: Prinzip der Fluoreszenz (Frank-Condon-Prinzip), (z.B. Naphtalen)
  • Anregung in Elektronenzustand (B) n=2 mit Vibrationsquantenzahl
  • Strahlungslose Übergänge in den Schwingungsgrundzustand(C,D)
  • Abregung in Grundzustand n=1 durch Emission (kleinere Energie als bei Anregung)
  • kurze Abklingzeiten (Napthalen )
  • Absorptionslänge des emittierten Licht ist sehr kurz
  • Beimischung eines zweiten Fluoreszenzstoffes, der der Empfindlichkeit des Photomultiplier angepasst ist
szintillatoren anorganisch
Szintillatoren-anorganisch
  • anorganisch: Kristall (Isolator) wird mit Fremdatomen dotiert (NaJ(Tl)) => Aktivatorzentren
  • einfallendes Teilchen kann Elektron ins Leitungsband anheben => Rekombination mit Loch unter Ausstrahlung eines Photons
  • Elektronen-Loch-Zustände (Exzitonen) stoßen mit Aktivatorzentren
  • lange Abklingzeiten (z.B. für NaJ(Tl) )
  • anorganisch: werden zur Energiemessung eingesetzt
  • organisch: werden zur Triggerung eingesetzt
  • Hauptanwendungsgebiet von Szintillatoren ist der Einsatz in Kalorimetern
elektromagnetisches kalorimeter 1
Elektromagnetisches Kalorimeter 1
  • Bremsstrahlung der Elektronen und Paarerzeugung der Photonen dominant (~GeV) =>Ausbilden einer elektromagnetischen Kaskade
  • Einfaches analytisches Modell:
  • Schauermaximum:
  • Anzahl der Schauerteilchen:
  • meßbare Spurlänge:
  • transversale Ausbildung kann durch den Moliere-Radius beschrieben werden:
elektromagnetisches kalorimeter 2
Elektromagnetisches Kalorimeter 2
  • homogene Kalorimeter: Schauermaterial ist gleichzeitig auch Detektormaterial =>Szintillationslicht (z.B. NaJ) oder Cherenkovlicht (z.B. Pb-Glas-Zähler)
  • Sampling Kalorimeter: abwechselnde Absorber-/Detektorschicht
  • Sampling-Fluktuationen:
  • Leckverluste:
  • Bei 1mm Samplingdicke d erreicht man Auflösungen von
hadronisches kalorimeter 1
Hadronisches Kalorimeter 1
  • charakterisiert durch die Absorptionslänge
  • Hadronkaskade wird durch inelastische hadronische Prozesse erzeugt
  • es entstehen hauptsächlich geladene und neutrale Pionen:

=>elektromagnetische Unterkaskaden

  • Teil der Energie (20%) geht beim Aufbrechen der Kernbindungen „verloren“
  • es entstehen zusätzlich neutrale Teilchen (Neutronen, Neutrinos, )
  • =>schlechtere Energieauflösung als bei elektromagnetischen Kalorimetern
hadronisches kalorimeter 2
Hadronisches Kalorimeter 2
  • Sampling-Kalorimeter, prinzipiell gleicher Aufbau wie bei elektromagnetischen Kalorimetern, aber größere Materialstärke aufgrund der größeren Absorptionslänge, zum Beispiel bei Eisen:
  • durch Uran als Absorbermaterial kommt es zu Kernspaltungen, infolge dessen energiereiche Gamma-Quanten von Kernübergängen entstehen
  • Rückgewinnung der Kernbindungsenerige
  • Hängt stark von der Dichte, Kernladungszahl und Dicke des aktiven Mediums ab
  • Energieauflösung:
bersicht2
Übersicht
  • Grundlagen
  • Halbleiterdetektoren
  • Szintillatoren
  • Elektromagnetisches
  • Kalorimeter
  • Hadronisches
  • Kalorimeter
  • Gasdetektoren
  • Neutrinodetektoren
gasdetektoren ionisationskammer
Gasdetektoren-Ionisationskammer
  • Plattenkondensator mit Zählgas gefüllt (W~30eV)
  • Zählgas darf nicht elektronegativ sein
  • es tritt in diesem Spannungsbereich keine Gasverstärkung auf
  • Spannungsimpuls: gilt nur für
  • Sammelzeit Ionen (~2ms ) zu lang => „Frisch-Gitter“ zwischen Anode und Kathode
  • Zylinderkondensator E(r):
drift und diffusion in gasen
Drift und Diffusion in Gasen
  • Lokal entstandene Ionisation diffundiert durch Vielfachstöße entsprechend einer Gauss-Verteilung
  • dN/N ist der Anteil der Ladung, der in dx im Abstand x nach einer Zeit t gefunden wird. Ortsauflösung:
  • Driftgeschwindigkeit ohne B-Feld:
  • typische Werte:
  • Driftgeschwindigkeit mit B-Feld:
gasdetektoren bersicht
Gasdetektoren-Übersicht
  • Gasdetektoren können je nach angelegter Spannung in Bereiche unterteilt werden:
  • I Rekombination
  • II Ionisationskammer
  • III Proportionalbereich (Gasverstärkung)
  • IV Geiger-Müller-Bereich
  • V Gasentladung
gasdetektoren proportionalz hler
Gasdetektoren-Proportionalzähler
  • erhalten die Elektronen zwischen zwei Stößen genügend Energie, können diese ebenfalls ionisieren => dieser Effekt heißt Gasverstärkung
  • Spannungsimpuls:
  • A ist konstant und erreicht Werte von
  • A ist schwer zu berechnen, aber leicht durch Messungen zugänglich
  • Einfluss von Photonen:
  • Man kann zeigen, dass das Spannungssignal auf der Anode im Gegensatz zu der Ionisationskammer hauptsächlich von sich langsam wegbewegenden Ionen stammt
gasdetektoren geiger m ller z hler
Gasdetektoren-Geiger-Müller-Zähler
  • Ionenschlauch
  • keine Proportionalität
  • positive Ionen erzeugen an der Kathode erneute Entladung
  • Löschung durch Widerstand; RC muß so groß sein, dass die Spannungsabsenkung solange anhält bis alle positiven Ionen an der Kathode angelangt sind => lange Totzeiten
  • Löschgas, z.B. Methan oder Äthan =>Absorption von Photonen=>Entladung nur entlang des Anodendrahtes=> positive Ionen stoßen mit dem Löschgas und werden neutralisiert:
  • Verwendungszweck: keine Energiemessung, Ereignisse
gasdetektoren vieldrahtproportionalkammer
Gasdetektoren-Vieldrahtproportionalkammer
  • Ortsmessung
  • Ortsauflösung:
  • s ist begrenzt durch elektrostatische Abstoßung
  • Nachteile: Ortsauflösung ist durch s beschränkt, Sammelzeit pos. Ionen lang (~ms) =>Mikrostreifen Gasdetektoren:
  • Drähte werden durch Streifen ersetzt, Aufdampfung auf ein Substrat (Keramik)
  • Zusätzliche Kathoden zu Verbesserung der Feldqualität
  • Kurze Wegstrecken der positiven Ionen (~ )
  • Ortsauflösungen von
gasdetektoren driftkammern
Gasdetektoren-Driftkammern
  • durch Messung der Driftzeit bei bekannter konstanter Orts-Driftzeit-Relation kann der Ort bestimmt
  • bei Zeitauflösungen von und typische Driftgeschwindigkeiten von erreicht man also eine Ortsauflösung von .
  • Verschlechterung der Ortsauflösung durch Diffusion der Elektronen
  • Primärstatistik spielt bei kleinen Driftwegen eine große Rolle
  • konstanter Beitrag der Elektronik
gasdetektoren time projection chamber 1
Gasdetektoren-Time Projection Chamber 1
  • E- und B-Feld sind parallel zueinander ausgerichtet
  • Drift der Elektronen zu den Endkappen (Vieldrahtproportionalkammer)
  • B-Feld unterdrückt Diffusion senkrecht zum Feld (Larmor-Radius )
  • die Driftzeit bestimmt die z-Komponente
  • Durch Kathodenpads ist Bestimmung von und möglich
  • Anodendrähte liefern -Informationen
  • es treten keine -Effekte
  • Ortsauflösungen
  • lange Driftzeiten
gasdetektoren time projection chamber 2
Gasdetektoren-Time Projection Chamber 2
  • zu lange Driftzeiten der positiven Ionen, die hauptsächlich durch Gasverstärkung an den Anodendrähten entstehen => Verschlechterung der Feldqualität => Gating Grid
  • das Gate besitzt ein negatives Potential gegenüber der Zählebene
  • Geöffnetes Gate nur bei „interessanten“ Ereignissen
  • positive Ionen werden am zurückdriften in die Drift-Region gehindert->Feldqualität bleibt erhalten
  • Weitere Verbesserung durch „Gas Electron Multiplier“ (GEM)
gasdetektoren time projection chamber 3
Gasdetektoren-Time Projection Chamber 3
  • dünne metallbeschichtete Polymer-Folien
  • kleinere Strukturen
  • mehr Parameter zum Einstellen, z.B. Ionenrückdrift
  • drei GEMs sind der beste Kompromiss zwischen Handbarkeit und Einstellmöglichkeiten
cherenkov strahlung
Cherenkov-Strahlung
  • geladenes Teilchen erzeugt Polarisation, wenn es Materie durchquert
  • für ist diese Polarisation unsymmetrisch => zeitlich veränderliches Dipolmoment => Cherenkov-Strahlung
  • Emission unter dem Winkel
  • Cherenkov-Schwelle
neutrinodetektoren 1
Neutrinodetektoren 1
  • Eigenschaften von Neutrinos: - neutrales Lepton mit Spin ½
      • - drei Arten („flavours“):
      • - schwache Wechselwirkung
      • - Wirkungsquerschnitte sind sehr klein
      • - =>entspricht einer Wechselwirkungswahr-
      • scheinlichkeit von in 1 m Eisen
      • - => große Detektorvolumina
  • direkter Neutrinonachweis über folgende Reaktion möglich (Wasser-Cherenkov):

erzeugt Cherenkov-Licht

zusammenfassung
Zusammenfassung
  • Sowohl zur Energie- als auch zur Ortsmessung stehen unterschiedliche Detektortypen zur Verfügung
  • Ortsauflösung: Halbleiterdetektoren
    • Vieldrahtproportionalkammer
    • Driftkammer
  • Energieauflösung: elektromagnetisches Kalorimeter
  • hadronisches Kalorimeter
  • Durch Anordnung von Orts- und Energieauflösenden Detektoren in einem Großdetektor, ist die Identifikation von Teilchen möglich.