MicroMegas detektor - MicroMegas detector

Den “Micromegas“(mikromaskeGassFormet struktur) detektoren er en gassholdig partikkeldetektor som kommer fra utviklingen av trådkammer . Micromegas -detektorene ble oppfunnet i 1992 av Georges Charpak og Ioannis Giomataris, og brukes hovedsakelig i eksperimentell fysikk, spesielt i partikkelfysikk , kjernefysikk og astrofysikk for påvisning av ioniserende partikler.

En Micromegas -detektor i funksjon på COMPASS -spektrometeret

Mikromegasene er lysdetektorer for å minimere forstyrrelsen på den støtende partikkelen. Fra det lille forsterkningsgapet har de raske signaler i størrelsesorden 100 nanosekunder . De er en type mikropattern gassformig detektor med en romlig oppløsning under hundre mikrometer . I dag vokser bruken av Micromegas -teknologien gjennom de forskjellige feltene innen eksperimentell fysikk.

Arbeidsprinsipp

Arbeidsprinsipp for en Micromegas -detektor.

En partikkeldetektor brukes til å oppdage en partikkel som passerer og innhente informasjon som posisjon , ankomsttid og momentum . I eksperimentell fysikk kommer partikkelen vanligvis fra en partikkelakselerator, men den kan også komme fra verdensrommet ( kosmisk stråle ), fra en atomreaktor eller en radioaktiv isotop .

Micromegas -detektoren oppdager partikler ved å forsterke ladningene som er dannet ved ionisering i gassvolumet . I en Micromegas detektor, denne gass er volumet delt i to av en metallisk mikro mesh ( “Micromesh” på skjematisk) som er plassert mellom 25 pm og 150 pm i avlesningselektrode ( Strimler på skjematisk). Den mikro-mesh er det sentrale element, siden den tillater, samtidig, en høy forsterkning av 10 4 og et fast signal på 100 ns.

Ionisering og ladningsforsterkning

Når den passerer gjennom detektoren, vil en partikkel ionisere gassatomene ved å trekke opp et elektron og skape et elektron / ion -par (1). Når det ikke påføres noe elektrisk felt , rekombinerer ion / elektronparet og ingenting skjer. Men her, i et elektrisk felt i størrelsesorden 400 V/cm, vil elektronet drive (2) mot forsterkningselektroden (masken) og ionet mot katoden . Når elektronet kommer nær masken (3), kommer det inn i et intens elektrisk felt (vanligvis i størrelsesorden 40 kV/cm i forsterkningsgapet). Akselerert av dette feltet skaffer elektronet nok energi til å produsere ion / elektronpar som også vil ionisere gassen og skape par; dette er skredeffekten (4). På denne måten skapes flere tusen par fra hundrevis av primære ladninger, som stammer fra interaksjonene med den støtende partikkelen. De primære ladningene må multipliseres for å skape et signifikant signal. og til slutt leser vi det elektroniske signalet på avlesningselektroden (5) av en ladningsforsterker . Avlesningselektroden er vanligvis segmentert i strimler og/eller piksler for å oppnå posisjonen til den støtende partikkelen i detektoren. Amplituden og formen på signalet, lest via elektronikken på avlesningselektroden, gir informasjon om tid og energi til partikkelen.

Analogt signal fra en mikromegas

Signal indusert på avlesningselektroden til en Micromegas -detektor (simulering). Den blå kurven viser delen av signalet indusert av elektroner og den røde av ioner.

Det signal blir induseres ved bevegelsen av ladninger mellom mikro-mesh og avlesningselektrode (dette volumet kalles forsterkning gapet). 100 nanosekund -signalet består av en elektrontopp (blå) og en ionhale (rød). Da elektronmobilitet i gassen er over 1000 ganger høyere enn det ion mobilitet, det elektroniske signalet er mye kortere (under 3NS) enn den ioniske en. Det er derfor den brukes til å måle tiden nøyaktig. Det ioniske signalet bærer mer enn halvparten av signalet og brukes til å rekonstruere energien til partikkelen.

Historie

Første konsept på Hadron Blind Detector

I 1991, for å forbedre deteksjonen av hadroner ved Hadron Blind Detector eksperiment I. Giomataris og G. Charpak redusert forsterkning gap av et parallell-plate-detektor (en type tennkammer ) for å øke hastigheten på signalet. En 1 mm forsterkningsgap -prototype ble bygget for HDB -eksperimentet, men gevinsten var ikke jevn nok til å kunne brukes i eksperimentet. Millimetergapet var ikke kontrollert nok og skapte store gevinstfluktuasjoner . Ikke desto mindre, er fordelene ved en redusert forsterkning gap var blitt demonstrert og mikro-mesh gassformet struktur eller Micromegas konseptet ble født i oktober 1992, kort tid før kunngjøringen av Nobel premie henvisning til Georges Charpak for oppfinnelsen av de trådkammer . Georges Charpak pleide å si at denne detektoren og noen andre nye konsepter som tilhører familien av mikro-mønster gassformige detektorer (MPGD) vil revolusjonere atom- og partikkelfysikk akkurat som hans detektor gjorde.

Micromegas teknologi forskning og utvikling

Fra 1992 på CEA Saclay og CERN , har Micromegas -teknologien blitt utviklet for å gi mer stabile, pålitelige, presise og raskere detektorer. I 2001 ble tolv store Micromegas -detektorer på 40 x 40 cm 2 brukt for første gang i et storskala eksperiment på COMPASS som ligger på Super Proton Synchrotron -akseleratoren på CERN . Siden 2002 har de oppdaget millioner av forskjellige partikler per sekund og fortsetter fortsatt i dag.

Et annet eksempel på utviklingen av Micromegas -detektorene er oppfinnelsen av "bulk" -teknologien. "Bulk" -teknologien består av integrering av mikronettet med kretskortet (som bærer avlesningselektrodene) for å bygge en monolitisk detektor. En slik detektor er veldig robust og kan produseres via en industriell prosess (en vellykket implementering ble demonstrert av 3M i 2006) som tillater offentlige applikasjoner. For eksempel, ved å endre mikronettet for å gjøre det fotosensitivt for UV- lys, kan Micromegas brukes til å oppdage skogbranner. En fotosensitiv Micromegas brukes også til programmer med rask timing. PICOSEC-Micromegas bruker en Cherenkov-radiator og en fotokatode foran det gassformede volumet, og en tidsoppløsning på 24 ps måles med minimum ioniserende partikler (MIP).

Et av de første eksperimentene med Micromegas -detektorer: COMPASS. På disse 2001 -bildene ser vi Georges Charpak og COMPASS Saclay -teamet foran de store Micromegas -kamrene.

Mikromegasdetektorer i eksperimentell fysikk

Micromegas -detektorene brukes nå i flere eksperimenter:

Mikromegas -detektor vil bli brukt i ATLAS -eksperimentet , som en del av oppgraderingen av det fremtidige muonspektrometeret .

Se også

Notater og referanser

  1. ^ Giomataris, Y .; Rebourgeard, Ph .; Robert, JP; Charpak, G. (1996). "MIKROMEGAS: en posisjonsfølsom gassformig detektor med høy granularitet for miljøer med høye partikkelflukser" . Nukleære instrumenter og metoder i fysikkforskning Seksjon A: Akseleratorer, spektrometre, detektorer og tilhørende utstyr . 376 (1): 29–35. Bibcode : 1996NIMPA.376 ... 29G . doi : 10.1016/0168-9002 (96) 00175-1 .
  2. ^ JP Cussonneau et al./Nucl. Instr. og Meth. i Phys. Res. A 419 (1998) 452—459
  3. ^ Hadron Blind Detector (HBD): laget av: ref: I. Giomataris, G. Charpak, NIM A310 (1991) 589
  4. ^ "Georges Charpak - en ekte vitenskapsmann - CERN Courier" .
  5. ^ "Arkivert kopi" . Arkivert fra originalen 2011-09-27 . Hentet 2011-06-13 .CS1 maint: arkivert kopi som tittel ( lenke )
  6. ^ "FORFIRE: Mikromegas i kampen mot skogbranner" . Hentet 5. oktober 2020 .
  7. ^ "PICOSEC: Timing av ladede partikler ved presisjon under 25 pikosekunder med en mikromegasbasert detektor" . Kjernefysiske instrumenter og metoder i fysikkforskning . A903 : 317–325. 2018. doi : 10.1016/j.nima.2018.04.033 .
  8. ^ ESS nBLM: Beam Loss Monitorer basert på Fast Neutron Detection . ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop (61.). 2018.
  9. ^ ATLAS -samarbeidet (2013). Ny teknisk designrapport for små hjul . Teknisk designrapport ATLAS.