Детектор MicroMegas - MicroMegas detector

Детектор «Микромегаз» (Micro-MEsh Gaseous Structure) представляет собой газообразный детектор частиц исходящий от развития проволочная камера. Изобретен в 1992 г.[1] к Жорж Чарпак и Иоанниса Джоматариса, детекторы Micromegas используются в основном в экспериментальной физике, в частности в физика элементарных частиц, ядерная физика и астрофизика для обнаружения ионизирующий частицы.

Детектор Micromegas в работе на спектрометре COMPASS

Micromegas - это световые детекторы, позволяющие минимизировать возмущение падающей частицы. Благодаря небольшому зазору усиления они имеют быстрые сигналы порядка 100 наносекунды. Они являются разновидностью газовый детектор с микрорельефом с пространственным разрешением ниже ста микрометры.[2] В настоящее время использование технологии Micromegas расширяется в различных областях экспериментальной физики.

Принцип работы

Принцип работы детектора Micromegas.

А детектор частиц используется для обнаружения проходящего частица и получить такую ​​информацию, как позиция, время прибытия и импульс. В экспериментальной физике частица обычно исходит из ускоритель частиц но он также может исходить из космоса (космический луч ) или из ядерный реактор.

Детектор Micromegas обнаруживает частицы за счет усиления обвинения которые были созданы ионизация в газ объем. В детекторе Micromegas это газ объем разделен на две части металлической микросеткой («Micromesh» на схеме), расположенной между 25 мкм и 150 мкм считывания. электрод (Полоски на схеме). Микро-сетка является ключевым элементом, так как в то же время она позволяет прирост из 104 и быстрый сигнал 100 нс.

Ионизация и усиление заряда

При прохождении через детектор частица будет ионизировать атомы газа, подтягивая электрон, создавая электрон /ион пара (1). Когда нет электрическое поле применяется, ион /электрон пара рекомбинирует, и ничего не происходит. Но здесь, в электрическое поле порядка 400 В / см электрон будет дрейфовать (2) к усилителю (сетке), а ион - к катод. Когда электрон приближается к сетке (3), он попадает в сильное электрическое поле (обычно порядка 40 кВ / см в зазоре усиления). Ускоренный этим полем, электрон достигает энергии, достаточной для производства ион /электрон пары, которые также будут ионизировать газ, создавая пары; это лавинный эффект (4). Таким образом, несколько тысяч пар создаются из сотен первичных зарядов, которые возникают в результате взаимодействия с падающей частицей. Чтобы получить значимый сигнал, необходимо умножить первичные заряды. Наконец, мы считываем электронный сигнал на считывающем электроде (5) с помощью усилитель заряда. Считывающий электрод обычно сегментируется на полосы и / или пиксели, чтобы определить положение падающей частицы в детекторе. Амплитуда и форма сигнала, считываемого электроникой на считывающем электроде, дают информацию о времени и энергии частицы.

Аналоговый сигнал Micromegas

Сигнал, индуцированный на считывающем электроде детектора Micromegas (моделирование). Синяя кривая показывает часть сигнала, индуцированного электронами, а красная - ионами.

В сигнал является индуцированный перемещением зарядов между микросеткой и считывающим электродом (этот объем называется зазором усиления). 100 наносекунды сигнал состоит из электронного пика (синий) и ионного хвоста (красный). Поскольку электрон мобильность в газе более чем в 1000 раз быстрее, чем ион мобильность, электронная сигнал намного короче (менее 3 нс), чем ионный. Поэтому его используют для точного измерения времени. Ионный сигнал несет более половины сигнала и используется для восстановления энергия частицы.

История

Первая концепция детектора адронной слепоты

В 1991 г. для улучшения обнаружения адроны в эксперименте "Адронный слепой детектор",[3] И. Джоматарис и Г. Чарпак уменьшил усилительный зазор детектора с параллельными пластинами (тип искровая камера ), чтобы ускорить сигнал. Прототип усилительного зазора 1 мм был построен для эксперимента HDB, но прирост не было достаточно однородным для использования в эксперименте. Миллиметровый зазор недостаточно контролировался и создавал большие прирост Тем не менее, преимущества уменьшения зазора усиления были продемонстрированы, и концепция газовой структуры Micro-Mesh или Micromegas родилась в октябре 1992 г., незадолго до объявления Нобелевская премия отнесение к Жорж Чарпак за изобретение проволочные камеры. Жорж Чарпак Раньше говорили, что этот детектор и некоторые другие новые концепции, принадлежащие к семейству газовых детекторов с микроструктурой (MPGD), произведут революцию в ядерной физике и физике элементарных частиц, как и его детектор.[4]

Исследования и разработки в области технологии Micromegas

Начиная с 1992 г. CEA Saclay и ЦЕРН, технология Micromegas была разработана для создания более стабильных, надежных, точных и быстрых детекторов. В 2001 году двенадцать больших детекторов Micromegas размером 40 х 40 см.2 были впервые использованы в крупномасштабном эксперименте на КОМПАС расположенный на Супер протонный синхротрон ускоритель на ЦЕРН. С 2002 года они регистрировали миллионы различных частиц в секунду и продолжают работать до сих пор.

Другой пример развития детекторов Micromegas - изобретение «объемной» технологии. «Объемная» технология заключается в интеграции микросети с печатной платой (на которой расположены считывающие электроды) для создания монолитный детектор. Такой детектор очень прочен и может быть произведен в рамках промышленного процесса (успешная попытка была проведена с 3 млн фирма в 2006 году[5]) разрешая общедоступные приложения. Например, изменив микросетку, чтобы сделать ее светочувствительной к УФ света, Микромегаз можно использовать для предотвращения лесных пожаров.[6] Концепция фоточувствительной Micromegas в дальнейшем используется для разработки Micromegas для приложений с быстрой синхронизацией. PICOSEC-Micromegas использует Черенковский радиатор и фотокатод перед газовым объемом и временное разрешение 24 пс измеряется с MIP.[7]

Один из первых экспериментов с детекторами Micromegas: КОМПАС. На этом снимке 2001 года мы видим Жоржа Чарпака и команду COMPASS Saclay перед большими камерами Micromegas.

Детекторы микромегаз в экспериментальной физике

Детекторы Micromegas сейчас используются в нескольких экспериментах:

Детектор микромегаз будет использоваться с ATLAS эксперимент в рамках модернизации своего будущего мюонного спектрометра.[9]

Смотрите также

Примечания и ссылки

  1. ^ Giomataris, Y .; Rebourgeard, Ph .; Robert, J.P .; Чарпак, Г. (1996). «МИКРОМЕГАЗ: позиционно-чувствительный газовый детектор с высокой степенью детализации для сред с высоким потоком частиц». Ядерные инструменты и методы в физических исследованиях Секция A: ускорители, спектрометры, детекторы и связанное с ними оборудование. 376 (1): 29–35. Bibcode:1996NIMPA.376 ... 29G. Дои:10.1016/0168-9002(96)00175-1.
  2. ^ J.P. Cussonneau et al. / Nucl. Instr. и Meth. в Phys. Res. А 419 (1998) 452–459
  3. ^ Адронный слепой детектор (HBD): автор: ref: I. Giomataris, G. Чарпак, НИМ А310 (1991) 589
  4. ^ «Жорж Чарпак - настоящий человек науки - Курьер ЦЕРН».
  5. ^ «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2011-09-27. Получено 2011-06-13.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  6. ^ «FORFIRE: Micromegas в борьбе с лесными пожарами». Получено 5 октября, 2020.
  7. ^ «PICOSEC: синхронизация заряженных частиц с точностью до 25 пикосекунд с детектором на основе Micromegas». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. A903: 317–325. 2018. Дои:10.1016 / j.nima.2018.04.033.
  8. ^ ESS nBLM: Мониторы потерь луча на основе быстрого обнаружения нейтронов. Семинар ICFA Advanced Beam Dynamics (61-й). 2018.
  9. ^ коллаборация ATLAS (2013). Отчет о техническом проектировании нового малого колеса. Отчет о техническом проектировании ATLAS.