Дрейфовые камеры. Времяпроекционные камеры.
ICARUS Experiment.
Выполнил: аспирант группы 2017 Ченцов С.И.
Пропорциональные камеры.
Георг Шарпак
(Georges Charpak)
• Многопроволочная пропорциональная камера (МПК) представляет собой систему многих
тонких (10 мкм) параллельных проволочек, расположенных в одной плоскости и являющихся
анодами, которые находятся в газовом объёме между двумя плоскими параллельными друг
другу и аноду катодами (сплошными или проволочными).
• МПК были разработаны Г. Чарпаком в ЦЕРНе в 1968 г., что было отмечено Нобелевской
премией 1992 года.
• В типичном случае анодные проволочки удалены друг от друга на 2 мм и от катодов на
расстоянии 8 мм. Разность потенциалов между анодом и катодом несколько кВ.
• При прохождении заряженной частицы через МПК образовавшиеся вдоль следа частицы
свободные электроны дают начало лавинам, приходящим на анодные проволочки ближайшие
к этим первичным электронам.
• Типичное пространственное разрешение современной МПК 0.05-0.3 мм. Временнoе
разрешение несколько наносекунд. Энергетическое разрешение пропорциональной камеры
порядка 10%.
Дрейфовые камеры. Геометрия
• Пропорциональные камеры: это в основном
прямоугольные счетчики с анодными проводами,
зажатыми между катодными листами. Простое, но с
невысоким разрешением.
• Планарная геометрия: Разрешение ~ 100-300 мкм
ограничено пространственным расположением
проводов и гравитационным провисанием.
• Цилиндрическая геометрия: три основных типа:
пропорциональная, цилиндрическая, струйная.
Используется в экспериментах со встречными пучками
в сочетании с полями соленоида. Обычная
цилиндрическая камера имеет открытые ячейки, в то
время как струйная камера имеет радиальные
перегородки.
Cylindrical drift chamber
Дрейфовые камеры
CDF experiment
• Впервые представлены A. Walenta, J. Heintze in 1970 at Phys. Inst. U.Heidelberg (NIM 92 (1971)
373)
• Координата частицы определяется по времени дрейфа электронов в газе от места ионизации
до сигнальных анодных проволочек.
• Расстояние между проволочками несколько сантиметров.
• В отличие от пропорциональной камеры в дрейфовой камере создаётся однородное
электрическое поле. E ~1 кВ/см.
• Пространственное разрешение дрейфовой камеры порядка 0.1-0.2 мм, временнoе наносекунды.
• Усиление сигнала производится специальной сетью анодных и катодных проволочек,
натянутых вблизи считывающей аппаратуры.
• Два крупнейших детектора на LHC — ATLAS и CMS.
.
Время-проекционные камеры.
• Была изобретена в 1974 г. Дэвидом Нюгреном.
• Время-проекционная камера − гибрид дрейфовой и пропорциональной камер.
• Релятивистская заряженная частица, пересекающая объём камеры, создает трек из ионизационных
первичных и вторичных электронов − ионизационных кластеров.
• Образованные кластеры под действием равномерного электрического поля движутся от
первоначального трека по направлению к анодной плоскости.
• Параллельно электрическому полю прикладывается магнитное поле.
• Траектории как бы «проецируются» на торцы камеры.
• Координаты x и y фиксируются многопроволочными пропорциональными камерами, расположенными
на торцах, координата z определяется по времени дрейфа электронного кластера от момента своего
образования до соответствующей анодной проволоки пропорциональной камеры.
Время-проекционные камеры. ALICE.
Время-проекционные камеры. ALICE.
Liquid Argon Time Projection Chamber (LAr-TPC).
Основной особенностью
камеры этого типа является
то, что внутри нет усиления
заряда, что позволяет
дрейфующим электронам
индуцировать сигналы в
разных плоскостях провода.
40𝐴𝑟
Карло Руббиа
+ν→
40𝐾
+ 𝑒−
ICARUS Experiment.
• Детектор ICARUS состоит из двух полунезависимых симметричных
заполненных жидким аргоном модулей размером
приблизительно 3,6 x 3,9 x 19,9 кубических метров.
• Детектируются нейтрино с ускорителя.
• Заряженные частицы, проходящие внутри объема, к которому
приложено однородное электрическое поле, создают ионэлектронные пары. Движение быстрых электронов индуцирует ток
в ряде параллельных проволочных плоскостей, расположенных в
конце чувствительного объема.
• Выбор жидкого аргона обусловлен следующими соображениями:
1. отличный изолятор, имеет чрезвычайно высокий уровень
чистоты
2. высокий выход электрон-ионных пар относительно энергии,
выделяемой в жидкости
3. легко доступен в больших количествах
• Камеры считывания (по два TPC для каждого полупустого
резервуара) установлены на внутренних стенках с катодом в
центре, чтобы максимизировать чувствительный объем LAr
(соответствующий примерно 480 тоннам).
• Схема считывающей камеры состоит из трех параллельных
плоскостей проводов.
• Информация считывается как посредством индукции
электрического заряда в первых двух плоскостях считывания, с
которыми сталкиваются дрейфующие электроны, так и путем
сбора электрического заряда в последней плоскости считывания.
• Сигналы от трех плоскостей проводов вместе с измерением
времени дрейфа обеспечивают (избыточную) полную
реконструкцию трехмерного изображения события.
• Общее количество электронных считывающих каналов составляет
около 55000.
ICARUS Experiment. Результаты в LNGS.
За время работы ICARUS Experiment в LNGS:
1. Зарегистрировано более 3000 нейтринных событий.
2. Проведена оценка времени жизни нейтрино.
Пример низкоэнергетического нейтринного взаимодействия.
Распределение по времени в нс разности δt между
временем ожидания полета нейтрино, основанным на
скорости света, и фактическим измерением в ICARUS
LAr-TPC. Результат OPERA показан для сравнения.
Перенос проекта ICARUS в FermiLab.
• Отправлен в 2014 году в CERN
на усовершенствование
• Доставлен в FermiLab июль
2017
• Планируемый год запуска
2020
Список источников
•
•
•
•
•
•
•
•
•
http://nuclphys.sinp.msu.ru/
https://elementy.ru/LHC/HEP/study/detecting
https://studylib.net/doc/9693530/252b-lecture-7--tracking--proportional-and-drift-chambers
Detectors in Nuclear and Particle Physics, Prof. Dr. Johanna Stachel, Department of Physics
und Astronomy University of Heidelberg May 13, 2015
http://icarus.lngs.infn.it/
Rubbia, C. The Liquid Argon Time Projection Chamber: A New Concept for Neutrino
Detectors; CERN-EP/77-08
C. Farnese, [ICARUS Collaboration], Universe 2019, 5(2), 49
Rubbia, C.; et al. [ICARUS Collaboration]. Underground operation of the ICARUS T600 LAr-TPC:
First results. J. Instrum. 2011, 6, P07011.
[ICARUS Collaboration], Measurement of the neutrino velocity with the ICARUS detector at
the CNGS beam, Physics Letters B, 2012, 713(1), 17-22