Камера временной проекции - Time projection chamber

TPC эксперимента ALICE в ЦЕРНе

В физике , А проекция времени камера ( ТРС ) представляет собой тип детектора частиц , который использует комбинацию электрических полей и магнитных полей вместе с чувствительным объемом газа или жидкости , чтобы выполнить трехмерную реконструкцию траектории частицы или взаимодействия.

Оригинальный дизайн

Оригинальный TPC был изобретен Дэвидом Р. Нигреном , американским физиком, в лаборатории Лоуренса Беркли в конце 1970-х годов. Его первое крупное применение было в детекторе PEP-4, который исследовал электрон-позитронные столкновения с энергией 29 ГэВ на накопителе PEP в SLAC .

Камера временной проекции состоит из заполненного газом детектирующего объема в электрическом поле с позиционно-чувствительной системой сбора электронов. Первоначальная конструкция (и наиболее часто используемая) представляет собой цилиндрическую камеру с многопроволочными пропорциональными камерами (MWPC) в качестве концевых пластин. По длине камера разделена на половины с помощью центрального диска высоковольтного электрода , который создает электрическое поле между центром и торцевыми пластинами. Кроме того, магнитное поле часто прикладывается по длине цилиндра параллельно электрическому полю, чтобы минимизировать диффузию электронов, возникающих в результате ионизации газа. Пройдя через газ детектора, частица будет производить первичную ионизацию вдоль своего трека. Г координаты (вдоль оси цилиндра) определяется путем измерения времени дрейфа от события ионизации к MWPC в конце. Делается это с использованием обычной техники дрейфовой камеры . MWPC в конце выполнен с анодных проволок в азимутальном направлении, & thetas , который обеспечивает информацию от радиальной координаты, т . Для получения азимутального направления каждую катодную плоскость делят на полосы в радиальном направлении.

В последние годы стали более широко использоваться другие средства позиционно-чувствительного электронного усиления и детектирования, особенно в связи с более широким применением камер временной проекции в ядерной физике . Обычно они объединяют сегментированную анодную пластину либо просто с сеткой Фриша, либо с активным элементом электронного умножения, таким как газовый электронный умножитель . Эти более новые TPC также отходят от традиционной геометрии цилиндра с осевым полем в пользу плоской геометрии или цилиндра с радиальным полем.

Ранее исследователи физики элементарных частиц также обычно использовали более упрощенную коробчатую геометрию, расположенную непосредственно над или под линией луча, например, в экспериментах CERN NA49 и NA35 .

См. Также: Обзор детекторов частиц

Временная проекционная камера с жидким аргоном (LArTPC)

В 1977 году Карло Руббиа изобрел временную проекционную камеру с жидким аргоном , или LArTPC. LArTPC работает по многим из тех же принципов, что и первоначальная конструкция TPC Найгрена, но использует жидкий аргон в качестве чувствительной среды вместо газа.

Конструкция и свойства детектора

Жидкий аргон выгоден как чувствительная среда по нескольким причинам. Тот факт, что аргон является благородным элементом и, следовательно, имеет исчезающую электроотрицательность, означает, что электроны, образованные ионизирующим излучением , не будут поглощаться, когда они дрейфуют к показаниям детектора. Аргон также сцинтиллирует, когда проходит энергичная заряженная частица, высвобождая количество сцинтилляционных фотонов, пропорциональное энергии, вложенной в аргон проходящей частицей. Жидкий аргон также относительно дешев, что делает крупномасштабные проекты экономически целесообразными. Однако одной из основных причин использования жидкого аргона в качестве чувствительной среды является его плотность. Жидкий аргон примерно в тысячу раз плотнее газа, используемого в конструкции TPC Найгрена, что увеличивает вероятность взаимодействия частицы в детекторе примерно в тысячу раз. Эта особенность особенно полезна в нейтринной физике, где сечения нейтринно- нуклонного взаимодействия малы.

Схема конструкции LArTPC и основные принципы работы

Тело типичного LArTPC состоит из трех частей. На одной стороне детектора находится плоскость катода высокого напряжения , используемая для создания дрейфового электрического поля на TPC. Хотя точный электрический потенциал, при котором он устанавливается, зависит от геометрии детектора, этот высоковольтный катод обычно создает дрейфовое поле 500 В / см на детекторе.

На стороне, противоположной плоскости катода, находится набор плоскостей анодной проволоки, настроенных на потенциалы, намного более высокие (менее отрицательные), чем у катода. Каждая плоскость отделена от соседей небольшим зазором, обычно порядка 1 см. Плоскость состоит из множества параллельных проводящих проводов, расположенных на расстоянии нескольких миллиметров, а угол, под которым провода ориентированы относительно вертикали, варьируется от плоскости к плоскости. Вместе эти плоскости считывают сигналы дрейфующих электронов. Для детектора с N плоскостями анодных проводов внутренние  плоскости N - 1 называются индукционными плоскостями. Они установлены на более низкие (более отрицательные) потенциалы, чем внешняя плоскость, что позволяет дрейфующим электронам проходить через них, вызывая сигналы, которые используются для реконструкции событий. Внешняя плоскость называется плоскостью сбора, потому что дрейфующие электроны собираются на этих проводах, производя дополнительные сигналы. Наличие нескольких плоскостей с разной ориентацией проводов позволяет реконструировать события в двух измерениях, в то время как третье измерение определяется по временам дрейфа электронов.

Третья часть - полевая клетка между катодом и анодом. Эта полевая клетка поддерживает однородное электрическое поле между катодом и анодом, так что траектории дрейфующих электронов как можно меньше отклоняются от кратчайшего пути между точкой ионизации и плоскостью анода. Это предназначено для предотвращения искажения траектории частицы во время реконструкции события.

Система сбора света часто сопровождает базовый LArTPC как средство извлечения дополнительной информации о событии с помощью сцинтилляционного света. Он также может играть важную роль в запуске, поскольку улавливает сцинтилляционный свет только через наносекунды после того, как частица проходит через детектор. Это сравнительно (примерно в 1000 раз) короче, чем время, необходимое освобожденным электронам, чтобы дрейфовать к плоскостям проводов, поэтому часто бывает достаточно указать время сбора сцинтилляционных фотонов как время запуска ( t 0 ) для мероприятие. С помощью этого времени запуска можно затем найти времена дрейфа электронов, что позволяет трехмерную реконструкцию события. Хотя такие системы - не единственные средства, с помощью которых LArTPC может определить время срабатывания триггера, они необходимы для изучения таких явлений, как сверхновые звезды и распад протона, когда частицы, подвергающиеся распаду или взаимодействию, не производятся в созданном человеком ускорителе и времени срабатывания. поэтому пучок частиц неизвестен. Фотоэлектронные умножители , световоды и кремниевые фотоумножители являются примерами инструментов, используемых для сбора этого света. Обычно они располагаются сразу за пределами дрейфового объема.

Считывание сигнала

В типичном LArTPC каждый провод в каждой плоскости анода является частью RC-цепи , а сам провод расположен между резистором и конденсатором . Другой конец резистора подключен к напряжению смещения, а другой конец конденсатора подключен к входной электронике. Внешняя электроника усиливает и оцифровывает ток в цепи. Этот усиленный и преобразованный в цифровую форму ток как функция времени является «сигналом», который передается на реконструкцию события.

Для данного провода анодной плоскости создаваемый сигнал будет иметь определенную форму, которая зависит от того, находится ли провод в индукционной плоскости или в плоскости сбора. Когда дрейфующий электрон движется к проводу в индукционной плоскости, он индуцирует в проводе ток, вызывая «выпуклость» выходного тока. По мере того, как электрон удаляется от провода, он индуцирует ток в противоположном направлении, создавая выходной «выступ» противоположного знака, как первый. Результат - биполярный сигнал. Напротив, сигналы для плоского провода сбора являются униполярными, поскольку электроны не проходят мимо провода, а вместо этого «собираются» им. Для обеих этих геометрий большая амплитуда сигнала означает, что больше дрейфующих электронов либо прошло по проводу (для плоскостей индукции), либо было собрано им (для плоскости сбора).

Считывание сигнала со всех проводов в данной плоскости анода может быть организовано в виде двухмерной картины взаимодействия частиц. Такая картина представляет собой проекцию взаимодействия трехмерных частиц на двумерную плоскость, вектор нормали которой параллелен проводам в указанной плоскости анода. 2D-проекции, соответствующие каждой из плоскостей анода, объединяются, чтобы полностью реконструировать 3D-взаимодействие.

Двухфазный TPC

Сам метод был впервые разработан для обнаружения излучения с использованием аргона в начале 1970-х годов. Программа ZEPLIN впервые использовала двухфазную технологию для поиска WIMP . В ксеноне и LUX серия детекторов представляет состояние реализации искусства этого инструмента в физике.

Примечания

Рекомендации

  • Демончи, CE; Mittig, W .; Savajols, H .; Roussel-Chomaz, P .; Chartier, M .; Jurado, B .; Giot, L .; Cortina-Gil, D .; Caamaño, M .; Тер-Аркопян, Г .; Фомичев, А .; Родин, А .; Головков М.С. Степанцов, С .; Gillibert, A .; Pollacco, E .; Обертелли, А .; Ван, Х. (2007). «МАЯ, газообразная активная мишень». Ядерные инструменты и методы в физических исследованиях Секция A: Ускорители, спектрометры, детекторы и связанное с ними оборудование . 573 (1–2): 145–148. Bibcode : 2007NIMPA.573..145D . DOI : 10.1016 / j.nima.2006.11.025 .
  • Fenker, H .; Baillie, N .; Bradshaw, P .; Bueltmann, S .; Burkert, V .; Кристи, М .; Dodge, G .; Dutta, D .; Ent, R .; Evans, J .; Fersch, R .; Giovanetti, K .; Griffioen, K .; Испирян, М .; Jayalath, C .; Kalantarians, N .; Keppel, C .; Kuhn, S .; Niculescu, G .; Никулеску, I .; Ткаченко, С .; Тваскис, В .; Чжан, Дж. (2008). «BoNus: Разработка и использование радиального TPC с использованием цилиндрических GEM». Ядерные инструменты и методы в физических исследованиях Секция A: Ускорители, спектрометры, детекторы и связанное с ними оборудование . 592 (3): 273. Bibcode : 2008NIMPA.592..273F . DOI : 10.1016 / j.nima.2008.04.047 . ОСТИ   920093 .
  • Лэрд, AM; Amaudruz, P .; Buchmann, L .; Фокс, ИП; Fulton, BR; Gigliotti, D .; Киршнер, Т .; Мамби-Крофт, Полицейский; Openshaw, R .; Паван, ММ; Пирсон, Дж .; Ruprecht, G .; Sheffer, G .; Уолден, П. (2007). «Статус ТАКТИКИ: Детектор для ядерной астрофизики». Ядерные инструменты и методы в физических исследованиях Секция A: Ускорители, спектрометры, детекторы и связанное с ними оборудование . 573 (1–2): 306–309. Bibcode : 2007NIMPA.573..306L . DOI : 10.1016 / j.nima.2006.10.384 .
  • Руббия, К. (1977). «Временная проекционная камера с жидким аргоном: новая концепция для детекторов нейтрино». Цитировать журнал требует |journal= ( помощь )
  • Acciarri, R .; и другие. (2015). «Резюме второго семинара по исследованиям и разработкам в области времяпроекционных камер с жидким аргоном в Соединенных Штатах». Журнал приборостроения . 10 (7): T07006. arXiv : 1504.05608 . Bibcode : 2015JInst..10.7006A . DOI : 10.1088 / 1748-0221 / 10/07 / T07006 . S2CID   1396121 .
  • Joshi, J .; Цянь, X. (2015). «Обработка сигналов в MicroBooNE LArTPC». arXiv : 1511.00317v1 [ Physics.ins -det ].

дальнейшее чтение