Teilchendetektoren

1. Teilchendetektoren Seminarvortrag WS06/07 Klaus Roth

2. 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

3. Übersicht • Grundlagen • Halbleiterdetektoren • Szintillatoren • Elektromagnetisches • Kalorimeter • Hadronisches • Kalorimeter • Gasdetektoren • Neutrinodetektoren

4. Wechselwirkung geladener Teilchen mit Materie • Bethe-Bloch-Formel: mittlerer Energieverlust schwerer Teilchen pro Wegstrecke • Gilt nicht für kleine Teilchenenergien • Fällt zuerst wie dann logarithmischer Anstieg • Minimum in etwa bei • Dichteeffekt • Hohe Energien-Bremsstrahlung dominant • die Energieverlustverteilung kann bei dünnen Absorbern durch eine Landau-Verteilung beschrieben werden =>wahrscheinlichster Energieverlust mittlerer Energieverlust

5. 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

6. Wechselwirkung von Photonen mit Materie • Ein Photonenstrahl wird in Materie exponentiell gedämpft: • Photoeffekt: • Compton-Effekt: • Paarerzeugung:

7. Halbleiterdetektoren 1

8. Halbleiterdetektoren 2 • 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

9. Halbleiterdetektoren 3 • 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) • -Gammaspektrum, aufgenommen mit einem NaJ(Tl)-Szintillator und einem Ge(Li)-Halbleiter

10. Halbleiterdetektoren 4 • Ortsmessung: • zusätzliche Segmentierung der Anode ermöglicht Rekonstruktion eines Raumpunktes • selbe Prinzip wie bei einem energieauflösenden Detektor • Segmentierung der Kathode • Ortsauflösungen von

11. Halbleiterdetektoren 5 • Einige Bilder von Detektoren:

12. Halbleiterdetektoren 6 Ortsauflösungen:

13. Halbleiterdetektoren 7

14. Halbleiterdetektoren 8

15. Übersicht • Grundlagen • Halbleiterdetektoren • Szintillatoren • Elektromagnetisches • Kalorimeter • Hadronisches • Kalorimeter • Gasdetektoren • Neutrinodetektoren

16. 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: • Arbeitsbereich im Bereich vom ultravioletten und sichtbarem Licht • Quantenausbeute liegt für Bialkali-Kathoden bei 25% bei einer Wellenlänge von 400nm

17. 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

18. 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) ) • anorganisch: werden zur Energiemessung eingesetzt • organisch: werden zur Triggerung eingesetzt • Hauptanwendungsgebiet von Szintillatoren ist der Einsatz in Kalorimetern

19. Elektromagnetisches Kalorimeter 1 • Bremsstrahlung der Elektronen und Paarerzeugung der Photonen dominant (~GeV) =>Ausbilden einer elektromagnetischen Kaskade • Einfaches analytisches Modell: • Schauermaximum: • Anzahl der Schauerteilchen: • meßbare Spurlänge: • transversale Ausbildung kann durch den Moliere-Radius beschrieben werden:

20. Elektromagnetisches Kalorimeter 2 • homogene Kalorimeter: Schauermaterial ist gleichzeitig auch Detektormaterial =>Szintillationslicht (z.B. NaJ) oder Cherenkovlicht (z.B. Pb-Glas-Zähler) • Sampling Kalorimeter: abwechselnde Absorber-/Detektorschicht • Sampling-Fluktuationen: • Leckverluste: • Bei 1mm Samplingdicke d erreicht man Auflösungen von

21. Elektromagnetisches Kalorimeter 3

22. Hadronisches Kalorimeter 1 • charakterisiert durch die Absorptionslänge • Hadronkaskade wird durch inelastische hadronische Prozesse erzeugt • es entstehen hauptsächlich geladene und neutrale Pionen: =>elektromagnetische Unterkaskaden • Teil der Energie (20%) geht beim Aufbrechen der Kernbindungen „verloren“ • es entstehen zusätzlich neutrale Teilchen (Neutronen, Neutrinos, ) • =>schlechtere Energieauflösung als bei elektromagnetischen Kalorimetern

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

24. Übersicht • Grundlagen • Halbleiterdetektoren • Szintillatoren • Elektromagnetisches • Kalorimeter • Hadronisches • Kalorimeter • Gasdetektoren • Neutrinodetektoren

25. 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 Kathode • Zylinderkondensator E(r):

26. 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:

27. 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

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

29. 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

30. Gasdetektoren-Vieldrahtproportionalkammer • Ortsmessung • Ortsauflösung: • s ist begrenzt durch elektrostatische Abstoßung • 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

31. 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 . • Verschlechterung der Ortsauflösung durch Diffusion der Elektronen • Primärstatistik spielt bei kleinen Driftwegen eine große Rolle • konstanter Beitrag der Elektronik

32. Mµon-Driftkammer

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

34. 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 • Durch Kathodenpads ist Bestimmung von und möglich • Anodendrähte liefern -Informationen • es treten keine -Effekte • Ortsauflösungen • lange Driftzeiten

35. Gasdetektoren-Time Projection Chamber 2 • 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)

36. Gasdetektoren-Time Projection Chamber 3 • dünne metallbeschichtete Polymer-Folien • kleinere Strukturen • mehr Parameter zum Einstellen, z.B. Ionenrückdrift • drei GEMs sind der beste Kompromiss zwischen Handbarkeit und Einstellmöglichkeiten

37. 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

38. 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 • direkter Neutrinonachweis über folgende Reaktion möglich (Wasser-Cherenkov): erzeugt Cherenkov-Licht

39. Neutrinodetektoren 2

40. Neutrinodetektoren 3

41. Neutrinodetektoren 4

42. 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.