Камера проекции времени

В физике камера проекции времени ( TPC ) — это тип детектора частиц, который использует комбинацию электрических и магнитных полей вместе с чувствительным объемом газа или жидкости для выполнения трехмерной реконструкции траектории или взаимодействия частиц.

Оригинальный дизайн

Оригинальный TPC был изобретен Дэвидом Р. Найгреном , американским физиком, в лаборатории Лоуренса Беркли в конце 1970-х годов. ^[1] Его первое крупное применение было в детекторе PEP-4, который изучал электрон-позитронные столкновения с энергией 29 ГэВ на накопителе PEP в SLAC .

Временная проекционная камера состоит из газонаполненного объема регистрации в электрическом поле с позиционно-чувствительной системой сбора электронов. Оригинальная конструкция (и наиболее часто используемая) представляет собой цилиндрическую камеру с многопроволочными пропорциональными камерами (MWPC) в качестве концевых пластин. По длине камера разделена пополам с помощью центрального высоковольтного электродного диска, создающего электрическое поле между центральной и торцевой пластинами. Кроме того, магнитное поле часто прикладывается по длине цилиндра параллельно электрическому полю, чтобы минимизировать диффузию электронов, возникающих в результате ионизации газа. Проходя через детекторный газ, частица производит первичную ионизацию вдоль своего пути. Координата z (вдоль оси цилиндра) определяется путем измерения времени дрейфа от события ионизации до MWPC в конце. Это делается с использованием обычной техники дрейфовой камеры . MWPC на конце расположен с анодными проводами в азимутальное направление θ , которое предоставляет информацию о радиальной координате r . Для получения азимутального направления каждую катодную плоскость разбивают на полоски в радиальном направлении.

В последние годы стали более широко использоваться другие средства позиционно-чувствительного усиления и обнаружения электронов, особенно в сочетании с более широким применением камер проекции времени в ядерной физике . Обычно они сочетают в себе сегментированную анодную пластину или просто сетку Фриша. ^[2] или активный элемент электронного умножения, такой как газовый электронный умножитель . ^[3] Эти новые TPC также отходят от традиционной геометрии цилиндра с осевым полем в пользу плоской геометрии. ^[2] или цилиндр с радиальным полем. ^[3]

Более ранние исследователи в области физики элементарных частиц также обычно использовали более упрощенную коробчатую геометрию, расположенную непосредственно над или под линией луча, например, в экспериментах CERN NA49 и NA35 .

Камера проекции времени с жидким аргоном (LArTPC)

В 1974 году Уильям Дж. Уиллис и Велько Радека продемонстрировали ^[4] что полная абсорбционная калориметрия была возможна в детекторах с жидким аргоном без усиления, которое обычно происходит в детекторе с газовой ионизацией . Эта критическая технология позволила создать камеру проекции времени, основанную на оригинальной конструкции Нюгрена, но с использованием жидкого аргона в качестве чувствительной среды вместо газа.

В 1976 году Герберт Х. Чен с сотрудниками из Калифорнийского университета в Ирвине и Калифорнийского технологического института предложил одно из первых применений жидкого аргона в камере проекции времени (LArTPC). ^[5]^[6] Первоначальными целями Чена с таким детектором было изучение рассеяния нейтрино-электронов, но затем цели превратились в измерение солнечных или космических нейтрино или распада протона. ^[5]^[7]^[8]

В 1977 году Карло Руббиа независимо и почти одновременно предложил построить LArTPC в ЦЕРН для экспериментов по физике редких частиц. ^[9]^[7]

Конструкция и свойства детектора

Жидкий аргон предпочтителен в качестве чувствительной среды по нескольким причинам. ^[9]^[10] Тот факт, что аргон является благородным элементом и, следовательно, имеет исчезающую электроотрицательность, означает, что электроны, созданные ионизирующим излучением , не будут поглощаться по мере их дрейфа к показаниям детектора. Аргон также мерцает , когда мимо проходит энергичная заряженная частица, испуская количество сцинтилляционных фотонов, пропорциональное энергии, переданной в аргон проходящей частицей. ^[10] Жидкий аргон также относительно недорог, что делает крупномасштабные проекты экономически целесообразными. Однако одной из основных причин использования жидкого аргона в качестве чувствительной среды является его плотность. ^[9] Жидкий аргон примерно в тысячу раз плотнее газа, используемого в конструкции TPC Найгрена, что увеличивает вероятность взаимодействия частицы в детекторе примерно в тысячу раз. Эта особенность особенно полезна в физике нейтрино , где нейтрино- нуклонного взаимодействия сечения малы.

Схема устройства LArTPC и основные принципы работы

Корпус типичного LArTPC состоит из трех частей. На одной стороне детектора находится плоскость высоковольтного катода , используемая для создания дрейфового электрического поля на ТПК. Хотя точный электрический потенциал, при котором он устанавливается, зависит от геометрии детектора, этот высоковольтный катод обычно создает дрейфовое поле 500 В/см на детекторе. ^[10]

На стороне, противоположной плоскости катода, находится набор плоскостей анодной проволоки, потенциалы которых намного выше (менее отрицательные), чем у катода. Каждая плоскость отделена от соседей небольшим зазором, обычно порядка 1 см. Плоскость состоит из множества параллельных проводящих проводов, расположенных на расстоянии нескольких миллиметров, причем угол, под которым провода ориентированы относительно вертикали, варьируется от плоскости к плоскости. Вместе эти плоскости считывают сигналы от дрейфовых электронов. Для детектора с N плоскостями анодной проволоки внутренние N - 1 плоскости называются плоскостями индукции. Они установлены на более низкие (более отрицательные) потенциалы, чем внешняя плоскость, что позволяет дрейфовым электронам проходить через них, вызывая сигналы, которые используются для реконструкции событий. Внешняя плоскость называется плоскостью сбора, поскольку дрейфовые электроны собираются на этих проводах, создавая дополнительные сигналы. Наличие нескольких плоскостей с разной ориентацией проводов позволяет осуществлять двумерную реконструкцию событий, а третье измерение определяется по времени дрейфа электронов.

Третья часть представляет собой полевой каркас между катодом и анодом. Эта полевая клетка поддерживает однородное электрическое поле между катодом и анодом, так что траектории дрейфовых электронов как можно меньше отклоняются от кратчайшего пути между точкой ионизации и плоскостью анода. Это предназначено для предотвращения искажения траектории частиц во время реконструкции события.

Система сбора света часто сопровождает базовый LArTPC как средство извлечения дополнительной информации о событии с помощью сцинтилляционного света. ^[10] Он также может играть важную роль в триггере, поскольку собирает сцинтилляционный свет всего через наносекунды после прохождения частицы через детектор. Это сравнительно (порядка 1000 раз) меньше времени, затрачиваемого освободившимся электронам на дрейф к плоскостям проводов, поэтому часто бывает достаточно определить время сбора сцинтилляционных фотонов как триггерное время ( t ₀ ) для событие. Используя это время запуска, можно затем найти время дрейфа электронов, что позволяет провести трехмерную реконструкцию события. Хотя такие системы не являются единственным средством, с помощью которого LArTPC может определить время запуска, они необходимы для изучения таких явлений, как сверхновые и распад протона, когда частицы, подвергающиеся распаду или взаимодействию, не производятся в искусственном ускорителе, а также для изучения времени поэтому пучок частиц неизвестен. ^[10] Фотоумножители , световоды и кремниевые фотоумножители являются примерами инструментов, используемых для сбора этого света. Обычно они располагаются сразу за пределами дрейфового объема.

Считывание сигнала

В типичном LArTPC каждый провод в каждой анодной плоскости является частью RC-цепи , причем сам провод расположен между резистором и конденсатором . Другой конец резистора подключен к напряжению смещения, а другой конец конденсатора подключен к входной электронике. Входная электроника усиливает и оцифровывает ток в цепи. Этот усиленный и оцифрованный ток как функция времени является «сигналом», который передается на реконструкцию события.

Для данного провода с плоскостью анода создаваемый сигнал будет иметь определенную форму, которая зависит от того, расположен ли провод в индукционной плоскости или в плоскости сбора. Когда дрейфовый электрон движется к проводу в плоскости индукции, он индуцирует ток в проводе, вызывая «скачок» выходного тока. Когда электрон удаляется от провода, он индуцирует ток в противоположном направлении, создавая выходной «выброс» противоположного знака, как первый. В результате получается биполярный сигнал. ^[11] Напротив, сигналы для провода собирающей плоскости униполярны, поскольку электроны не проходят мимо провода, а вместо этого «собираются» им. Для обеих этих геометрий большая амплитуда сигнала означает, что больше дрейфовых электронов либо прошло мимо провода (для плоскостей индукции), либо было собрано им (для плоскости сбора).

Считывание сигналов всех проводов в заданной плоскости анода можно организовать в двумерную картину взаимодействия частиц. Такая картина представляет собой проекцию трехмерного взаимодействия частиц на двумерную плоскость, вектор нормали которой параллелен проволокам в заданной плоскости анода. Двумерные проекции, соответствующие каждой из плоскостей анода, объединяются для полной реконструкции трехмерного взаимодействия.

Двухфазный ТПК

Сама методика была впервые разработана для обнаружения радиации с использованием аргона в начале 1970-х годов. ^[12] Программа ZEPLIN стала пионером в использовании двухфазной технологии для поиска WIMP . Серии детекторов XENON и LUX представляют собой современную реализацию этого прибора в физике.

Камера проекции времени темной материи

Камера временной проекции темной материи — это эксперимент по прямому обнаружению слабовзаимодействующих массивных частиц (WIMP), одного из наиболее предпочтительных кандидатов на роль темной материи . В эксперименте используется камера временной проекции низкого давления, чтобы определить исходное направление потенциальных событий темной материи. В сотрудничество входят физики из Массачусетского технологического института (MIT), Бостонского университета (BU), Университета Брандейса и Лондонского университета Роял Холлоуэй . Несколько прототипов детекторов были построены и испытаны в лабораториях Массачусетского технологического института и Университетского университета. Первые данные были собраны в подземной лаборатории на экспериментальной установке по изоляции отходов (WIPP) недалеко от Карлсбада, штат Нью-Мексико , осенью 2010 года. ^{[ нужна ссылка ]}

Камера проекции времени темной материи опубликовала первые результаты наземного полета в 2010 году, установив предел поперечного сечения, зависящий от вращения. ^[13]

Примечания

^ «Премия Эрнеста Орландо Лоуренса: лауреаты 1980-х годов» . Министерство энергетики США . Архивировано из оригинала 11 августа 2011 г. Проверено 18 августа 2007 г. Дэвид Р. Нигрен, 1985: Физика: За разработку экспериментальных методов в физике элементарных частиц и особенно за изобретение камеры проекции времени.
^ Jump up to: ^а ^б Демончи и др. 2007.
^ Jump up to: ^а ^б Фенкер и др. 2008, Лэрд и др. 2007.
^ Уиллис, WJ; Радека, В. (14 мая 1974 г.). «Ионизационные камеры с жидким аргоном как детекторы полного поглощения» . Ядерные приборы и методы . 120 (2): 221–236. Бибкод : 1974NucIM.120..221W . дои : 10.1016/0029-554X(74)90039-1 .
^ Jump up to: ^а ^б Чен, Х.Х.; Кондон, ЧП; Бариш, Британская Колумбия; Скиулли, Ф.Дж. (май 1976 г.). «Детектор нейтрино, чувствительный к редким процессам. I. Исследование электронных реакций нейтрино» (PDF) . Национальная ускорительная лаборатория имени Ферми . Предложение P-496: 42 стр . Проверено 28 января 2017 г.
^ Чен, Х.Х.; Латроп, Дж. Ф. (1978). «Наблюдение ионизации электронов, дрейфующих на большие расстояния в жидком аргоне». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях . 150 (3): 585–588. Бибкод : 1978NucIM.150..585C . дои : 10.1016/0029-554x(78)90132-5 .
^ Jump up to: ^а ^б Док, Т. (1993). «Исторический взгляд на исследования и разработки детекторов жидких редких газов». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях . А327 (1): 113–118. Бибкод : 1993NIMPA.327..113D . дои : 10.1016/0168-9002(93)91423-К .
^ «Камере проекции времени исполняется 25 лет» . ЦЕРН: Курьер ЦЕРН . 27 декабря 2004 года . Проверено 29 января 2017 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Руббия, К. (16 мая 1977 г.). «Камера временной проекции жидкого аргона: новая концепция детекторов нейтрино» (PDF) . Внутренние отчеты CERN EP . 77 (8). ЦЕРН : 15 стр . Проверено 4 мая 2022 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Акчиарри и др. 2015.
^ Джоши Дж., Цянь X., 2015.
^ Кац, Р.; Кобетич, Э.Дж. (31 октября 1970 г.). «Следы частиц в конденсированном состоянии» . дои : 10.2172/4750759 . ОСТИ 4750759 . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
^ Ален, С.; Баттат, JBR; Колдуэлл, Т.; Дьякону, К.; Дуймич, Д.; Федус, В.; Фишер, П.; Голуб, Ф.; Хендерсон, С.; Инглис, А.; Кабот, А.; Козе, Г.; Ланца, Р.; Ли, А.; Лопес Дж.; Монро, Дж.; Шахин, Т.; Сциолла, Г.; Сквороднев Н.; Томита, Х.; Велленштейн, Х.; Вульф, И.; Ямамото, Р.; Егорян, О. (январь 2011 г.). «Первые результаты поиска темной материи в результате запуска направленного детектора темной материи DMTPC объемом 10 л» . Буквы по физике Б. 695 (1–4): 124–129. arXiv : 1006.2928 . Бибкод : 2011PhLB..695..124D . дои : 10.1016/j.physletb.2010.11.041 . S2CID 56067102 .

Ссылки

Демончи, CE; Миттиг, В.; Савайолс, Х.; Руссель-Шомаз, П.; Шартье, М.; Хурадо, Б.; Джот, Л.; Кортина-Хил, Д.; Кааманьо, М.; Тер-Аркопян Г.; Фомичев А.; Роден, А.; Головков М.С.; Степанцов С.; Жиллиберт, А.; Поллакко, Э.; Обертелли, А.; Ван, Х. (2007). «МАЯ, газообразная активная мишень». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел А: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . 573 (1–2): 145–148. Бибкод : 2007NIMPA.573..145D . дои : 10.1016/j.nima.2006.11.025 .
Фенкер, Х.; Бэйли, Н.; Брэдшоу, П.; Бюльтманн, С.; Буркерт, В.; Кристи, М.; Додж, Г.; Датта, Д.; Энт, Р.; Эванс, Дж.; Ферш, Р.; Джованетти, К.; Гриффиоен, К.; Испирян М.; Джаялат, К.; Калантарианс, Н.; Кеппель, К.; Кун, С.; Никулеску, Г.; Никулеску, И.; Ткаченко С.; Тваскис, В.; Чжан, Дж. (2008). «BoNus: Разработка и использование радиального ТПК с использованием цилиндрических ГЭУ». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел А: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . 592 (3): 273. Бибкод : 2008NIMPA.592..273F . дои : 10.1016/j.nima.2008.04.047 . ОСТИ 920093 .
Лэрд, AM; Амаудрус, П.; Бухманн, Л.; Фокс, СП; Фултон, Британская Колумбия; Джильотти, Д.; Киршнер, Т.; Мамби-Крофт, PD; Опеншоу, Р.; Паван, ММ; Пирсон, Дж.; Рупрехт, Г.; Шеффер, Г.; Уолден, П. (2007). «Статус ТАКТИКА: Детектор для ядерной астрофизики». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел А: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . 573 (1–2): 306–309. Бибкод : 2007NIMPA.573..306L . дои : 10.1016/j.nima.2006.10.384 .
Руббия, К. (1977). Камера проекции времени из жидкого аргона: новая концепция детекторов нейтрино .
Ачиарри, Р.; и др. (2015). «Резюме второго семинара по исследованиям и разработкам камер проекции времени для жидкого аргона в США». Журнал приборостроения . 10 (7): Т07006. arXiv : 1504.05608 . Бибкод : 2015JInst..10.7006A . дои : 10.1088/1748-0221/10/07/T07006 . S2CID 1396121 .
Джоши, Дж.; Цянь, X. (2015). «Обработка сигналов в MicroBooNE LArTPC». arXiv : 1511.00317v1 [ physical.ins-det ].

Дальнейшее чтение

Спенсер Кляйн (27 января 2004 г.). «Камере проекции времени исполняется 25 лет» . ЦЕРН Курьер . 44 (1).
Джеффри Кан (22 февраля 1999 г.). «Назад к началу, Камера проекции времени» . Научный бит . Национальная лаборатория Лоуренса Беркли .

[EOL-1] «Премия Эрнеста Орландо Лоуренса: лауреаты 1980-х годов» . Министерство энергетики США . Архивировано из оригинала 11 августа 2011 г. Проверено 18 августа 2007 г. Дэвид Р. Нигрен, 1985: Физика: За разработку экспериментальных методов в физике элементарных частиц и особенно за изобретение камеры проекции времени.

[MAYA-2] Jump up to: ^а ^б Демончи и др. 2007.

[GEM_TPC-3] Jump up to: ^а ^б Фенкер и др. 2008, Лэрд и др. 2007.

[Willis_Radeka-4] Уиллис, WJ; Радека, В. (14 мая 1974 г.). «Ионизационные камеры с жидким аргоном как детекторы полного поглощения» . Ядерные приборы и методы . 120 (2): 221–236. Бибкод : 1974NucIM.120..221W . дои : 10.1016/0029-554X(74)90039-1 .

[Chen_FNAL-5] Jump up to: ^а ^б Чен, Х.Х.; Кондон, ЧП; Бариш, Британская Колумбия; Скиулли, Ф.Дж. (май 1976 г.). «Детектор нейтрино, чувствительный к редким процессам. I. Исследование электронных реакций нейтрино» (PDF) . Национальная ускорительная лаборатория имени Ферми . Предложение P-496: 42 стр . Проверено 28 января 2017 г.

[Chen_NIMTPC-6] Чен, Х.Х.; Латроп, Дж. Ф. (1978). «Наблюдение ионизации электронов, дрейфующих на большие расстояния в жидком аргоне». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях . 150 (3): 585–588. Бибкод : 1978NucIM.150..585C . дои : 10.1016/0029-554x(78)90132-5 .

[Doke-7] Jump up to: ^а ^б Док, Т. (1993). «Исторический взгляд на исследования и разработки детекторов жидких редких газов». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях . А327 (1): 113–118. Бибкод : 1993NIMPA.327..113D . дои : 10.1016/0168-9002(93)91423-К .

[CERN_TPC-8] «Камере проекции времени исполняется 25 лет» . ЦЕРН: Курьер ЦЕРН . 27 декабря 2004 года . Проверено 29 января 2017 г.

[Rubbia_CERN-9] Jump up to: ^а ^б ^с Руббия, К. (16 мая 1977 г.). «Камера временной проекции жидкого аргона: новая концепция детекторов нейтрино» (PDF) . Внутренние отчеты CERN EP . 77 (8). ЦЕРН : 15 стр . Проверено 4 мая 2022 г.

[ACCIARRI-10] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Акчиарри и др. 2015.

[JOSHI-11] Джоши Дж., Цянь X., 2015.

[12] Кац, Р.; Кобетич, Э.Дж. (31 октября 1970 г.). «Следы частиц в конденсированном состоянии» . дои : 10.2172/4750759 . ОСТИ 4750759 . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[13] Ален, С.; Баттат, JBR; Колдуэлл, Т.; Дьякону, К.; Дуймич, Д.; Федус, В.; Фишер, П.; Голуб, Ф.; Хендерсон, С.; Инглис, А.; Кабот, А.; Козе, Г.; Ланца, Р.; Ли, А.; Лопес Дж.; Монро, Дж.; Шахин, Т.; Сциолла, Г.; Сквороднев Н.; Томита, Х.; Велленштейн, Х.; Вульф, И.; Ямамото, Р.; Егорян, О. (январь 2011 г.). «Первые результаты поиска темной материи в результате запуска направленного детектора темной материи DMTPC объемом 10 л» . Буквы по физике Б. 695 (1–4): 124–129. arXiv : 1006.2928 . Бибкод : 2011PhLB..695..124D . дои : 10.1016/j.physletb.2010.11.041 . S2CID 56067102 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]