Teilchendetektoren Seminarvortrag WS06/07 Klaus Roth.

Teilchendetektoren

Seminarvortrag WS06/07

Klaus Roth

Motivation• Nachweis von geladenen und neutralen Teilchen

=>je nach Messaufgabe verwendet man orts- oder energieauflösende Detektoren

• Ortsauflösung: Spurdetektion durch ortsauflösende Detektoren

B-Feld führt zu einer Krümmung der Teilchenbahn

Krümmungsradius liefert den Impuls den Teilchen

• Energieauflösung: Teilchen wird in einem Material gestoppt, die Energie wird absorbiert, durch materialspezifische Prozesse

kann diese Energie gemessen werden

=> Teilchenidentifikation

Übersicht

•Grundlagen

•Halbleiterdetektoren

•Szintillatoren

•Elektromagnetisches

Kalorimeter

•Hadronisches

Kalorimeter

•Gasdetektoren

•Neutrinodetektoren

Wechselwirkung geladener Teilchen mit Materie•Bethe-Bloch-Formel: mittlerer Energieverlust schwerer Teilchen pro Wegstrecke

)( emm

2)

2ln(

14 2

222

2222

I

cm

A

ZzcmrN

dx

dE eeeA

•Gilt nicht für kleine Teilchenenergien

•Fällt zuerst wie dann logarithmischer Anstieg

•Minimum in etwa bei

•Dichteeffekt

•Hohe Energien-Bremsstrahlung dominant

dx

dE

2

1

4

•die Energieverlustverteilung kann bei dünnen Absorbern durch eine Landau-Verteilung beschrieben werden =>wahrscheinlichster Energieverlust mittlerer Energieverlust

Bremsstrahlung

•Energieverlust durch Bremsstrahlung für hohe Energien

•Proportional zur Energie und umgekehrt proportional zum Massenquadrat

•Strahlungslänge kann über definiert werden

•Unter Berücksichtigung der Wechselwirkung mit den Hüllenelektronen und Abschirmung des Kernfeldes ergibt sich:

•kritische Energie ist dann erreicht, wenn gilt

312

2

2

0

22 183

ln)4

1(4

ZE

mc

ez

A

ZN

dx

dEA

0X

E

dx

dE

23120 )183ln()1(4

cmgZrZZN

AX

eA

lungBremsstrahCIonisationC Edx

dEE

dx

dE|)(|)(

Wechselwirkung von Photonen mit Materie

•Ein Photonenstrahl wird in Materie exponentiell gedämpft: xeII 0

•Photoeffekt:

•Compton-Effekt:

•Paarerzeugung:

keVEsenergieIonisation

eAtomAtom

100

MevE

ee

1

MeVE

ee

1

Halbleiterdetektoren 1


•p-n-Übergang: p- und n- dotierte Halbleiter werden aneinander gesetzt => Ausbilden einer Verarmungszone durch Rekombination => gel. Ionenrümpfe erzeugen Spannungsdifferenz

•Anlegen einer Spannung V=>Vergrößerung der Verarmungszone

für folgt)11

(2 0

AD nne

Vd

DA nn Den

Vd 02


•Teilchen erzeugt beim Durchgang Elektron-Loch-Paar (Energie z.B. bei Si 3.6 eV)

•Energiemessung: bessere Auflösung als bei Gasdetektoren (W=30 eV pro Ion-Elektron-Paar ) und Szintillatoren (W=400-1000eV pro Photoelektron)

21066.3

300

)(

)( eVE

eVE

N

N

EE

EE

HL

Sz

Sz

HL

34.0

)(

)(

EE

EE

Gas

HL

• -Gammaspektrum, aufgenommen mit einem NaJ(Tl)-Szintillator und einem Ge(Li)-Halbleiter

Co60


•Ortsmessung:

•zusätzliche Segmentierung der Anode ermöglicht Rekonstruktion eines Raumpunktes

•selbe Prinzip wie bei einem energieauflösenden Detektor

•Segmentierung der Kathode

•Ortsauflösungen von md

x 412


•Einige Bilder von Detektoren:


Ortsauflösungen:

m

m

z

r

10

10,

Übersicht

•Grundlagen


•Szintillatoren


Kalorimeter

•Hadronisches

Kalorimeter

•Gasdetektoren


Photomultiplier

•durch Photoeffekt werden Elektronen aus einer Alkali-Metall-Photoelektrode „herausgeschlagen“ •Hochspannung zwischen Kathode

und Anode wird über mehrere Dynoden heruntergeteilt

•Sekundäremissionskoeffizient p; typische Werte für 100 bis 200 eV: p=3-5

•Stromverstärkung bei (n-1) Dynoden: 1 npA

•Arbeitsbereich im Bereich vom ultravioletten und sichtbarem Licht

•Quantenausbeute liegt für Bialkali-Kathoden bei 25% bei einer Wellenlänge von 400nm

Szintillatoren-organisch

•organisch: Prinzip der Fluoreszenz (Frank-Condon-Prinzip), (z.B. Naphtalen)

•Anregung in Elektronenzustand (B) n=2 mit Vibrationsquantenzahl

•Strahlungslose Übergänge in den Schwingungsgrundzustand(C,D)

•Abregung in Grundzustand n=1 durch Emission (kleinere Energie als bei Anregung)

•kurze Abklingzeiten (Napthalen )

'

•Absorptionslänge des emittierten Licht ist sehr kurz

•Beimischung eines zweiten Fluoreszenzstoffes, der der Empfindlichkeit des Photomultiplier angepasst ist

nst 96

Szintillatoren-anorganisch

•anorganisch: Kristall (Isolator) wird mit Fremdatomen dotiert (NaJ(Tl)) => Aktivatorzentren

•einfallendes Teilchen kann Elektron ins Leitungsband anheben => Rekombination mit Loch unter Ausstrahlung eines Photons

•Elektronen-Loch-Zustände (Exzitonen) stoßen mit Aktivatorzentren

•lange Abklingzeiten (z.B. für NaJ(Tl) ) st 23.0

•anorganisch: werden zur Energiemessung eingesetzt

•organisch: werden zur Triggerung eingesetzt

•Hauptanwendungsgebiet von Szintillatoren ist der Einsatz in Kalorimetern

Elektromagnetisches Kalorimeter 1

•Bremsstrahlung der Elektronen und Paarerzeugung der Photonen dominant (~GeV) =>Ausbilden einer elektromagnetischen Kaskade

•Einfaches analytisches Modell:

•Schauermaximum:

•Anzahl der Schauerteilchen:

tt EtEtN 2)(2)( 0

tC EE 20

2ln

)ln( 0max

CEEt

CEES 02

•meßbare Spurlänge:

•transversale Ausbildung kann durch den Moliere-Radius beschrieben werden:

]/[)( 20

0 cmgXE

EFT

Cm

0

422%)95( X

E

MeVRR

Cm


1. homogene Kalorimeter: Schauermaterial ist gleichzeitig auch Detektormaterial =>Szintillationslicht (z.B. NaJ) oder Cherenkovlicht (z.B. Pb-Glas-Zähler)

2. Sampling Kalorimeter: abwechselnde Absorber-/Detektorschicht

•Sampling-Fluktuationen:

•Leckverluste:

•Bei 1mm Samplingdicke d erreicht man Auflösungen von

00

00

)(

)(

)(

XEF

dE

N

N

E

E

d

X

E

EF

d

TN

C

C

m

)ln()(

EE

E

%1%7)(

EE

E

Hadronisches Kalorimeter 1

•charakterisiert durch die Absorptionslänge

•Hadronkaskade wird durch inelastische hadronische Prozesse erzeugt

•es entstehen hauptsächlich geladene und neutrale Pionen:

0XN

A

inAA

)10( 160 s

•Teil der Energie (20%) geht beim Aufbrechen der Kernbindungen „verloren“

•es entstehen zusätzlich neutrale Teilchen (Neutronen, Neutrinos, )

=>schlechtere Energieauflösung als bei elektromagnetischen Kalorimetern

=>elektromagnetische Unterkaskaden

0LK

Hadronisches Kalorimeter 2

•Sampling-Kalorimeter, prinzipiell gleicher Aufbau wie bei elektromagnetischen Kalorimetern, aber größere Materialstärke aufgrund der größeren Absorptionslänge, zum Beispiel bei Eisen: ][9.13 2

0 cmgX ][9.131 2cmgA

•durch Uran als Absorbermaterial kommt es zu Kernspaltungen, infolge dessen energiereiche Gamma-Quanten von Kernübergängen entstehen

•Rückgewinnung der Kernbindungsenerige

•Hängt stark von der Dichte, Kernladungszahl und Dicke des aktiven Mediums ab

•Energieauflösung:EE

E %35)(

Übersicht

•Grundlagen


•Szintillatoren


Kalorimeter

•Hadronisches

Kalorimeter

•Gasdetektoren


Gasdetektoren-Ionisationskammer

•Plattenkondensator mit Zählgas gefüllt (W~30eV)

•Zählgas darf nicht elektronegativ sein

•es tritt in diesem Spannungsbereich keine Gasverstärkung auf

•Spannungsimpuls: gilt nur für

•Sammelzeit Ionen (~2ms ) zu lang => „Frisch-Gitter“ zwischen Anode und KathodeC

NeU ttRC ,

•Zylinderkondensator E(r):

UUar

rb

U

U

)ln(

)ln(

0

0

Drift und Diffusion in Gasen

•Lokal entstandene Ionisation diffundiert durch Vielfachstöße entsprechend einer Gauss-Verteilung

•dN/N ist der Anteil der Ladung, der in dx im Abstand x nach einer Zeit t gefunden wird. Ortsauflösung:

•Driftgeschwindigkeit ohne B-Feld:

•typische Werte:

•Driftgeschwindigkeit mit B-Feld:

dxDt

x

DtN

dN)exp(

4

1 2

Dtx 2

),(

EEm

ev Drift

))(

(1

22222

B

BBE

B

BEEv Drift

mscmIonv

scmev

Drift

Drift

5)(

5)(

Gasdetektoren-Übersicht

•Gasdetektoren können je nach angelegter Spannung in Bereiche unterteilt werden:

•I Rekombination

•II Ionisationskammer

•III Proportionalbereich (Gasverstärkung)

•IV Geiger-Müller-Bereich

•V Gasentladung

Gasdetektoren-Proportionalzähler

•erhalten die Elektronen zwischen zwei Stößen genügend Energie, können diese ebenfalls ionisieren => dieser Effekt heißt Gasverstärkung

AC

eNU

610

•Spannungsimpuls:

•A ist konstant und erreicht Werte von

•A ist schwer zu berechnen, aber leicht durch Messungen zugänglich

•Einfluss von Photonen:

•Man kann zeigen, dass das Spannungssignal auf der Anode im Gegensatz zu der Ionisationskammer hauptsächlich von sich langsam wegbewegenden Ionen stammt

A

AA

1

0

00

230

2000 1

)(....k

k

A

ANAANANANANAN

Gasdetektoren-Geiger-Müller-Zähler

•Ionenschlauch

•keine Proportionalität

•positive Ionen erzeugen an der Kathode erneute Entladung

•Löschung durch Widerstand; RC muß so groß sein, dass die Spannungsabsenkung solange anhält bis alle positiven Ionen an der Kathode angelangt sind => lange Totzeiten

•Löschgas, z.B. Methan oder Äthan =>Absorption von Photonen=>Entladung nur entlang des Anodendrahtes=> positive Ionen stoßen mit dem Löschgas und werden neutralisiert:

•Verwendungszweck: keine Energiemessung, Ereignisse

4CH 62HC

44 CHArCHAr

Gasdetektoren-Vieldrahtproportionalkammer

•Ortsmessung

•Ortsauflösung:

•s ist begrenzt durch elektrostatische Abstoßung

ms

x 57712

)(

•Nachteile: Ortsauflösung ist durch s beschränkt, Sammelzeit pos. Ionen lang (~ms) =>Mikrostreifen Gasdetektoren:

•Drähte werden durch Streifen ersetzt, Aufdampfung auf ein Substrat (Keramik)

•Zusätzliche Kathoden zu Verbesserung der Feldqualität

•Kurze Wegstrecken der positiven Ionen (~ )

•Ortsauflösungen von mx 40)(

m100

Gasdetektoren-Driftkammern

•durch Messung der Driftzeit bei bekannter konstanter Orts-Driftzeit-Relation kann der Ort bestimmt

•bei Zeitauflösungen von und typische Driftgeschwindigkeiten von erreicht man also eine Ortsauflösung von .

nst 1 scmv 5

mv tx 50

•Verschlechterung der Ortsauflösung durch Diffusion der Elektronen

•Primärstatistik spielt bei kleinen Driftwegen eine große Rolle

•konstanter Beitrag der Elektronik

Mµon-Driftkammer

Detektoren, die nicht bei Hadron-Collider-Experimenten verwendet werden

Gasdetektoren-Time Projection Chamber 1

•E- und B-Feld sind parallel zueinander ausgerichtet

•Drift der Elektronen zu den Endkappen (Vieldrahtproportionalkammer)

•B-Feld unterdrückt Diffusion senkrecht zum Feld (Larmor-Radius )

•die Driftzeit bestimmt die z-Komponente

mr 1

•Durch Kathodenpads ist Bestimmung von und möglich

•Anodendrähte liefern -Informationen

•es treten keine -Effekte

•Ortsauflösungen

•lange Driftzeiten

r

dx

dE

BE

mmm rz 160/1 ,


•zu lange Driftzeiten der positiven Ionen, die hauptsächlich durch Gasverstärkung an den Anodendrähten entstehen => Verschlechterung der Feldqualität => Gating Grid

•das Gate besitzt ein negatives Potential gegenüber der Zählebene

•Geöffnetes Gate nur bei „interessanten“ Ereignissen

•positive Ionen werden am zurückdriften in die Drift-Region gehindert->Feldqualität bleibt erhalten

•Weitere Verbesserung durch „Gas Electron Multiplier“ (GEM)


•dünne metallbeschichtete Polymer-Folien

•kleinere Strukturen

•mehr Parameter zum Einstellen, z.B. Ionenrückdrift

•drei GEMs sind der beste Kompromiss zwischen Handbarkeit und Einstellmöglichkeiten

Cherenkov-Strahlung

•geladenes Teilchen erzeugt Polarisation, wenn es Materie durchquert

•für ist diese Polarisation unsymmetrisch => zeitlich veränderliches Dipolmoment => Cherenkov-Strahlung

•Emission unter dem Winkel

•Cherenkov-Schwelle

n

cv

nC

1cos

n

1

Neutrinodetektoren 1

•Eigenschaften von Neutrinos: - neutrales Lepton mit Spin ½

- drei Arten („flavours“):

- schwache Wechselwirkung

- Wirkungsquerschnitte sind sehr klein

- =>entspricht einer Wechselwirkungswahr-

scheinlichkeit von in 1 m Eisen

- => große Detektorvolumina

24310)( cmpene

1710

•direkter Neutrinonachweis über folgende Reaktion möglich (Wasser-Cherenkov):

,,e

eevev ii erzeugt Cherenkov-Licht

Zusammenfassung

•Sowohl zur Energie- als auch zur Ortsmessung stehen unterschiedliche Detektortypen zur Verfügung

•Ortsauflösung: Halbleiterdetektoren

Vieldrahtproportionalkammer

Driftkammer

•Energieauflösung: elektromagnetisches Kalorimeter

hadronisches Kalorimeter

•Durch Anordnung von Orts- und Energieauflösenden Detektoren in einem Großdetektor, ist die Identifikation von Teilchen möglich.

m 10

m 40

m 160

%1%7)(

EE

E

EE

E %35)(

Teilchendetektoren Seminarvortrag WS06/07 Klaus Roth.

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