Ανιχνευτής MICROMEGAS Παπαβασιλείου Αύρα Σεμινάριο Φυσικής Υπεύθυνος καθηγητής: Θ. Αλεξόπουλος Ιούνιος 2008

MICROMEsh GAs Structure: Ανιχνευτής αερίου → κυρίως για ανίχνευση φωτονίων και ηλεκτρονίων ειδικά 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 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/dx απώλειας ενέργειας Bethe-Bloch, δx μήκος διαδρομής και w μέση 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 Cd από τον κύλινδρο ~ τάσης στα ηλεκτρόδια

→ εμποδίζονται επανασυνδέσεις ιόντων-e 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

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)

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 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 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 MICROMEGAS Gas 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 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 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:

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 ~100μm Ενεργός περιοχή ~45cm2 (μέγεθος ανιχνευτή) Περιοχή ενίσχυσης ~50μm Περιοχή μετατροπής ~25mm Kάθοδος ολίσθησης: Aluminized παράθυρο προπυλενίου~4μm

Απεικόνιση: A B C 4µm poly 4µm aluminized poly+ strongback Zone C Tube P = 10-6 mbar Zone A Detector P= 1 bar (Ar) Zone B In-between chamber P = 10-2 mbar P1 P2 A B C Gate valve 4µm poly 4µm aluminized poly+ strongback

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