Zeitprojektionskammer - Time projection chamber

Der TPC des ALICE- Experiments am CERN

In der Physik ist eine Zeitprojektionskammer ( TPC ) eine Art Partikeldetektor, der eine Kombination aus elektrischen Feldern und Magnetfeldern zusammen mit einem empfindlichen Gas- oder Flüssigkeitsvolumen verwendet, um eine dreidimensionale Rekonstruktion einer Partikelbahn oder -wechselwirkung durchzuführen.

Das ursprüngliche Design

Die ursprüngliche TPC wurde Ende der 1970er Jahre von David R. Nygren , einem amerikanischen Physiker, am Lawrence Berkeley Laboratory erfunden . Die erste Hauptanwendung war der PEP-4-Detektor, der 29 GeV-Elektron-Positron-Kollisionen am PEP-Speicherring bei SLAC untersuchte .

Ein Zeitprojektionskammer besteht aus einem Gas -gefüllten Detektionsvolumen in einem elektrischen Feld mit einem positionssensitiven Elektronensammelsystem. Das ursprüngliche Design (und das am häufigsten verwendete) ist eine zylindrische Kammer mit Mehrdraht-Proportional-Kammern (MWPC) als Endplatten. Entlang ihrer Länge ist die Kammer in zwei Hälften mittels einer zentralen geteilten Hochspannungs - Elektrodenscheibe, die ein stellt elektrisches Feld zwischen der Mitte und den Endplatten. Darüber hinaus wird häufig ein Magnetfeld entlang der Länge des Zylinders parallel zum elektrischen Feld angelegt, um die Diffusion der durch die Ionisierung des Gases kommenden Elektronen zu minimieren . Beim Durchgang durch das Detektorgas erzeugt ein Partikel entlang seiner Spur eine Primärionisation. Die z- Koordinate (entlang der Zylinderachse) wird durch Messen der Driftzeit vom Ionisationsereignis zum MWPC am Ende bestimmt. Dies erfolgt mit der üblichen Technik einer Driftkammer . Die MWPC am Ende wird mit den angeordneten Anodendrähten in der azimutalen Richtung, θ , die Informationen bereitstellt auf der Koordinate, radial r . Um die Azimutrichtung zu erhalten, wird jede Kathodenebene entlang der radialen Richtung in Streifen unterteilt.

In den letzten Jahren sind andere Mittel zur positionsempfindlichen Elektronenverstärkung und -detektion in größerem Umfang eingesetzt worden, insbesondere in Verbindung mit der vermehrten Anwendung von Zeitprojektionskammern in der Kernphysik . Diese kombinieren normalerweise eine segmentierte Anodenplatte entweder mit nur einem Frisch-Gitter oder einem aktiven Elektronenvervielfachungselement wie einem Gaselektronenvervielfacher . Diese neueren TPCs weichen auch von der traditionellen Geometrie eines Zylinders mit einem axialen Feld zugunsten einer flachen Geometrie oder eines Zylinders mit einem radialen Feld ab.

Frühere Forscher auch in Physik in der Regel die Verwendung einer mehr vereinfachten schachtelförmige Geometrie , die direkt über oder unter der Strahllinie, wie in der angeordneten CERN NA49 und NA35 Experimenten.

Die Flüssig-Argon-Zeitprojektionskammer (LArTPC)

1977 entwickelte Carlo Rubbia eine Flüssig- Argon- Zeitprojektionskammer (LArTPC). Das LArTPC arbeitet nach vielen der gleichen Prinzipien wie Nygrens ursprüngliches TPC-Design, verwendet jedoch flüssiges Argon als empfindliches Medium anstelle von Gas.

Detektordesign und Eigenschaften

Flüssiges Argon ist aus mehreren Gründen als empfindliches Medium vorteilhaft. Die Tatsache, dass Argon ein edles Element ist und daher eine verschwindende Elektronegativität aufweist, bedeutet, dass durch ionisierende Strahlung erzeugte Elektronen nicht absorbiert werden, wenn sie in Richtung der Detektoranzeige driften. Argon funkelt auch, wenn ein energetisch geladenes Teilchen vorbeizieht, wobei eine Anzahl von Szintillationsphotonen freigesetzt wird, die proportional zu der Energie ist, die das vorbeiziehende Teilchen im Argon ablagert. Flüssiges Argon ist auch relativ kostengünstig, was Großprojekte wirtschaftlich machbar macht. Eine der Hauptmotive für die Verwendung von flüssigem Argon als empfindliches Medium ist jedoch seine Dichte. Flüssiges Argon ist etwa tausendmal dichter als das in Nygrens TPC-Design verwendete Gas, was die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung eines Partikels in einem Detektor um den Faktor tausend erhöht. Diese Funktion ist besonders nützlich in der Neutrinophysik , wo die Querschnitte der Neutrino- Nukleon- Wechselwirkung klein sind.

Ein Diagramm des LArTPC-Designs und der grundlegenden Funktionsprinzipien

Der Körper eines typischen LArTPC besteht aus drei Teilen. Auf einer Seite des Detektors befindet sich eine Hochspannungskathodenebene , mit der ein elektrisches Driftfeld über dem TPC erzeugt wird. Obwohl das genaue elektrische Potential, auf das dies eingestellt ist, von der Detektorgeometrie abhängt, erzeugt diese Hochspannungskathode typischerweise ein Driftfeld von 500 V / cm über den Detektor.

Auf der der Kathodenebene gegenüberliegenden Seite befindet sich ein Satz von Anodendrahtflächen, die auf Potentiale eingestellt sind, die viel höher (weniger negativ) als das der Kathode sind. Jedes Flugzeug ist durch einen kleinen Spalt von seinen Nachbarn getrennt, normalerweise in der Größenordnung von 1 cm. Eine Ebene besteht aus vielen parallelen leitenden Drähten, die einige Millimeter voneinander entfernt sind, und der Winkel, in dem die Drähte relativ zur Vertikalen ausgerichtet sind, variiert von Ebene zu Ebene. Zusammen lesen diese Ebenen Signale von den Driftelektronen aus. Bei einem Detektor mit N Anodendrahtflächen werden die inneren N  - 1 Ebenen als Induktionsebenen bezeichnet. Diese sind auf niedrigere (negativere) Potentiale als die äußere Ebene eingestellt, so dass Driftelektronen durch sie hindurchtreten können, wodurch Signale induziert werden, die für die Ereignisrekonstruktion verwendet werden. Die äußere Ebene wird als Sammlungsebene bezeichnet, da die Driftelektronen auf diesen Drähten gesammelt werden und zusätzliche Signale erzeugen. Das Vorhandensein mehrerer Ebenen mit unterschiedlichen Drahtorientierungen ermöglicht eine zweidimensionale Ereignisrekonstruktion, während die dritte Dimension aus den Elektronendriftzeiten ermittelt wird.

Der dritte Teil ist ein Feldkäfig zwischen Kathode und Anode. Dieser Feldkäfig hält ein gleichmäßiges elektrisches Feld zwischen der Kathode und der Anode aufrecht, so dass die Driftelektronenbahnen so wenig wie möglich vom kürzesten Weg zwischen dem Ionisationspunkt und der Anodenebene abweichen. Dies soll eine Verzerrung der Partikelbahn während der Ereignisrekonstruktion verhindern.

Ein Lichtsammelsystem begleitet häufig das grundlegende LArTPC, um mehr Informationen aus einem Ereignis durch Szintillationslicht zu extrahieren. Es kann auch eine wichtige Rolle bei der Auslösung spielen, da es nur Nanosekunden nach dem Durchgang des Partikels durch den Detektor Szintillationslicht sammelt. Dies ist vergleichsweise (in der Größenordnung von 1000) kürzer als die Zeit, die die freigesetzten Elektronen benötigen, um zu den Drahtebenen zu driften, so dass es oft ausreicht, die Sammelzeit von Szintillationsphotonen als Triggerzeit ( t 0 ) für a abzugrenzen Veranstaltung. Mit dieser Triggerzeit kann man dann Elektronendriftzeiten finden, die eine dreidimensionale Rekonstruktion eines Ereignisses ermöglichen. Während solche Systeme nicht die einzigen Mittel sind, mit denen ein LArTPC eine Triggerzeit identifizieren kann, sind sie notwendig, um Phänomene wie Supernovae und Protonenzerfall zu untersuchen, bei denen die Teilchen, die Zerfall oder Wechselwirkung unterliegen, nicht in einem vom Menschen hergestellten Beschleuniger erzeugt werden, und das Timing von Ein Partikelstrahl ist daher nicht bekannt. Fotovervielfacherröhren , Lichtleiter und Silizium-Fotovervielfacher sind Beispiele für Instrumente, mit denen dieses Licht gesammelt wird. Diese befinden sich normalerweise direkt außerhalb des Driftvolumens.

Signalanzeige

In einem typischen LArTPC ist jeder Draht in jeder Anodenebene Teil einer RC-Schaltung , wobei sich der Draht selbst zwischen dem Widerstand und dem Kondensator befindet . Das andere Ende des Widerstands ist mit einer Vorspannung verbunden, und das andere Ende des Kondensators ist mit der Front-End-Elektronik verbunden. Die Front-End-Elektronik verstärkt und digitalisiert den Strom in der Schaltung. Dieser verstärkte und digitalisierte Strom als Funktion der Zeit ist das "Signal", das an die Ereignisrekonstruktion weitergeleitet wird.

Für einen gegebenen Draht auf Anodenebene hat das erzeugte Signal eine spezifische Form, die davon abhängt, ob sich der Draht in einer Induktionsebene oder in einer Sammlungsebene befindet. Wenn sich ein Driftelektron in einer Induktionsebene auf einen Draht zubewegt, induziert es einen Strom im Draht, wodurch eine "Erhebung" des Ausgangsstroms erzeugt wird. Wenn sich das Elektron von einem Draht entfernt, induziert es einen Strom in die entgegengesetzte Richtung, wodurch als erstes eine Ausgangs- "Erhebung" des entgegengesetzten Vorzeichens erzeugt wird. Das Ergebnis ist ein bipolares Signal. Im Gegensatz dazu sind Signale für einen Draht in der Sammlungsebene unipolar, da Elektronen nicht am Draht vorbeikommen, sondern von diesem "gesammelt" werden. Für diese beiden Geometrien bedeutet eine größere Signalamplitude, dass mehr Driftelektronen entweder am Draht vorbeigingen (für Induktionsebenen) oder von ihm gesammelt wurden (für die Sammlungsebene).

Die Signalauslesung aller Drähte in einer bestimmten Anodenebene kann in einem 2D-Bild einer Partikelwechselwirkung organisiert werden. Ein solches Bild ist eine Projektion der 3D-Partikelwechselwirkung auf eine 2D-Ebene, deren Normalenvektor parallel zu den Drähten in der angegebenen Anodenebene ist. Die 2D-Projektionen, die jeder der Anodenebenen entsprechen, werden kombiniert, um die 3D-Interaktion vollständig zu rekonstruieren.

Zweiphasen-TPC

Die Technik selbst wurde erstmals in den frühen 1970er Jahren für die Strahlungsdetektion mit Argon entwickelt. Das ZEPLIN- Programm war Vorreiter bei der Verwendung der Zweiphasentechnologie für WIMP- Suchen. Die Detektorserien XENON und LUX repräsentieren die hochmoderne Implementierung dieses Instruments in der Physik.

Anmerkungen

Verweise

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Weiterführende Literatur