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.
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
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
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).
Mikromegasdetektorer i eksperimentell fysikk
Micromegas -detektorene brukes nå i flere eksperimenter:
- Hadronisk fysikk: COMPASS, NA48 og prosjekter for ILC- TPC og CLAS12 ved J-lab er under aktiv undersøkelse
- Partikkelfysikk : T2K, CAST , HELAZZ
- Nøytronfysikk : nTOF, ESS nBLM
Mikromegas -detektor vil bli brukt i ATLAS -eksperimentet , som en del av oppgraderingen av det fremtidige muonspektrometeret .
Se også
Notater og referanser
- ^ 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 .
- ^ JP Cussonneau et al./Nucl. Instr. og Meth. i Phys. Res. A 419 (1998) 452—459
- ^ Hadron Blind Detector (HBD): laget av: ref: I. Giomataris, G. Charpak, NIM A310 (1991) 589
- ^ "Georges Charpak - en ekte vitenskapsmann - CERN Courier" .
- ^ "Arkivert kopi" . Arkivert fra originalen 2011-09-27 . Hentet 2011-06-13 .CS1 maint: arkivert kopi som tittel ( lenke )
- ^ "FORFIRE: Mikromegas i kampen mot skogbranner" . Hentet 5. oktober 2020 .
- ^ "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 .
- ^ ESS nBLM: Beam Loss Monitorer basert på Fast Neutron Detection . ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop (61.). 2018.
- ^ ATLAS -samarbeidet (2013). Ny teknisk designrapport for små hjul . Teknisk designrapport ATLAS.