Проекционная камера времени

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

Оригинальный дизайн

Первоначальный TPC был изобретен Дэвидом Р. Нигреном , американским физиком, в Лаборатории Лоуренса Беркли в конце 1970 -х годов. ^{[ 1 ]} Его первое крупное применение было в детекторе PEP-4, который изучал 29-Гево-электрон-позитронные столкновения на кольце для хранения PEP в SLAC .

Проекционная камера времени состоит из газообразного объема обнаружения в электрическом поле с чувствительной к положению системы сбора электронов. Оригинальная конструкция (и наиболее часто используется) представляет собой цилиндрическую камеру с многопрофильными пропорциональными камерами (MWPC) в качестве конечных пластин. Вдоль его длины камера делится на половинки с помощью центрального высоковольтного диска электрода , который устанавливает электрическое поле между центром и конечными пластинами. Кроме того, магнитное поле часто применяется вдоль длины цилиндра, параллельно электрическому полю, чтобы минимизировать диффузию электронов , исходящих от ионизации газа. Проходя через газ детектора, частица будет производить первичную ионизацию вдоль своей трассы. Координата Z (вдоль оси цилиндра) определяется путем измерения времени дрейфа от события ионизации до MWPC в конце. Это делается с использованием обычной техники дрейфующей камеры . MWPC в конце расположена с проводами анода в Азимутальное направление, θ , которое предоставляет информацию о радиальной координате, r . Чтобы получить азимутальное направление, каждая катодная плоскость делится на полоски вдоль радиального направления.

В последние годы другие средства, чувствительную к положению, усиление и обнаружение электронов стало более широко использоваться, особенно в сочетании с повышенным применением проекционных камер времени при ядерной физике . Они обычно объединяют сегментированную анодную пластину с любой сеткой Frisch ^{[ 2 ]} или активный электрон-мультипейный элемент, такой как многопользовательщик газового электрона . ^{[ 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 по физике частиц также обычно используют более упрощенную геометрию в форме коробки, расположенную непосредственно над или ниже линии луча, например, в экспериментах CERN NA49 и NA35 .

Проекционная камера временного аргона жидкости (LARTPC)

И 1974, Уильям Дж. Уиллис и Велжко Радека продемонстрировали ^{[ 4 ]} Эта общая калориметрия поглощения была возможна у жидких детекторов аргона без амплификации, которая обычно происходит в газообразном детекторе ионизации . Эта критическая технология позволила возможность проекционной камере времени на основе оригинальной конструкции Нигрена, но использование жидкого аргона в качестве чувствительной среды вместо газа.

В 1976 году Герберт Х. Чен с сотрудниками в Калифорнийском университете, Ирвине и Калифорнийском технологическом институте , предложил одно из самых ранних видов использования жидкого аргона в проекционной камере временна (LARTPC). ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]} Первоначальные цели Чена с таким детектором состояли в том, чтобы изучить нейтрино-элекновое рассеяние, но цели развивались для измерения солнечных или космических нейтрино или распада протона. ^{[ 5 ]}^{[ 7 ]}^{[ 8 ]}

В 1977 году Карло Руббия независимо и почти одновременно предложил построить LARTPC в CERN для экспериментов по физике частиц редких событий. ^{[ 9 ]}^{[ 7 ]}

Дизайн и свойства детектора

Жидкий аргон выгоден как чувствительная среда по нескольким причинам. ^{[ 9 ]}^{[ 10 ]} Тот факт, что аргон является благородным элементом и, следовательно, имеет исчезающую электроотрицательность, означает, что электроны, полученные путем ионизирующего излучения, не будут поглощены, поскольку они дрейфуют к считыванию детектора. Аргон также сверкает , когда проходит энергетическая заряженная частица, высвобождая ряд сцинтилляционных фотонов, которые пропорциональны энергии, осажденной в аргоне проходящей частицей. ^{[ 10 ]} Жидкий аргон также является относительно недорогим, что делает крупномасштабные проекты экономически осуществимыми. Однако одной из основных мотиваций использования жидкого аргона в качестве чувствительной среды является его плотность. ^{[ 9 ]} Жидкий аргон примерно в тысячу раз плотнее, чем газ, используемый в дизайне TPC Nygren, что увеличивает вероятность взаимодействия частиц в детекторе примерно в тысячу. Эта особенность особенно полезна при физике нейтрино , где нейтрино -нуклеона взаимодействие сечения невелики.

Диаграмма дизайна LARTPC и основных принципов работы

Тело типичного LARTPC состоит из трех частей. На одной стороне детектора находится плоскость катода высокого напряжения , используемая для установления дрейфового электрического поля через TPC. Хотя точный электрический потенциал, при котором это установлен, зависит от геометрии детектора, этот высоковольтный катод обычно производит поле дрейфа 500 В/см по всему детектору. ^{[ 10 ]}

На боковой противоположности плоскости катода находится набор плоскостей анодных проводов, установленных при потенциалах, намного выше (менее отрицательно), чем у катода. Каждая плоскость отделяется от его соседей небольшим зазором, обычно по порядку 1 см. Самолет состоит из многих параллельных проводов, расположенных на несколько миллиметров, и угол, под которым провода ориентированы относительно вертикали, варьируется от плоскости до плоскости. Вместе эти самолеты читают сигналы от дрейфовых электронов. Для детектора с плоскостями N -анодных проводов внутренние плоскости N - 1 называются плоскостями индукции. Они устанавливаются в более низких (более отрицательных) потенциалах, чем наружная плоскость, позволяя дрейфовым электронам проходить через них, вызывая сигналы, которые используются для реконструкции событий. Внешняя плоскость называется плоскостью сбора, потому что на этих проводах собираются дрейфующие электроны, что дает дополнительные сигналы. Наличие нескольких плоскостей с различными ориентациями провода позволяет реконструкции двумерного события, в то время как третье измерение встречается из времени дрейфа электронов.

Третья часть - это полевая клетка между катодом и анодом. Эта полевая клетка поддерживает равномерное электрическое поле между катодом и анодом, так что дрейфовые электронные траектории отклоняются как можно меньше от кратчайшего пути между точкой ионизации и плоскостью анода. Это предназначено для предотвращения искажения траектории частиц во время реконструкции событий.

Система сбора света часто сопровождает основной LARTPC как средство извлечения дополнительной информации из события с помощью сцинтилляционного света. ^{[ 10 ]} Он также может сыграть важную роль в запусках, потому что он собирает сцинтилляционные света только наносекунд после прохождения частицы через детектор. Это сравнительно (по порядку в 1000 раз) короче времени, затрачиваемого освобожденными электронами для перемещения к проводным плоскостям, поэтому часто достаточно для разграничения времени сбора сцинтилляционных фотонов в качестве триггера ( t ₀ ) для событие. С этим временем триггера можно найти время дрейфа электронов, что обеспечивает трехмерную реконструкцию события. Хотя такие системы не являются единственным средством, с помощью которого LARTPC может идентифицировать время триггера, они необходимы для изучения явлений, таких как сверхновые и распад протонов, где частицы, подвергающиеся распаду или взаимодействию Поэтому луч частиц не известен. ^{[ 10 ]} Photomultiplier Tribes , Light Guides и Silicon Photomultipliers являются примерами инструментов, используемых для сбора этого света. Обычно они расположены прямо за пределами объема дрейфа.

Считывание сигнала

В типичном LARTPC каждый провод в каждой плоскости анода является частью схемы RC , а сам провод расположен между резистором и конденсатором . Другой конец резистора подключен к напряжению смещения, а другой конец конденсатора подключен к электронике передней части. Фронтальная электроника усиливает и оцифровывает ток в цепи. Этот усиливаемый и оцифрованный ток как функция времени является «сигналом», который передается реконструкции события.

Для заданного провода анодного плоскости образованный сигнал будет иметь определенную форму, которая зависит от того, находится ли проволока в индукционной плоскости или в плоскости сбора. По мере того, как дрейфовый электрон движется к проводе в индукционной плоскости, он вызывает ток в проводе, создавая «удар» в выходном токе. Когда электрон уходит от провода, он вызывает ток в противоположном направлении, создавая выходной «удар» противоположного знака в качестве первого. Результатом является биполярный сигнал. ^{[ 11 ]} Напротив, сигналы для плоского провода сбора являются однополярными, поскольку электроны не проходят через проволоку, а вместо этого «собраны». Для обеих этих геометрий более крупная амплитуда сигнала подразумевает, что больше дрифтовых электронов либо проходили через проволоку (для индукционных плоскостей), либо были собраны им (для плоскости сбора).

Считывание сигнала всех проводов в данной плоскости анода может быть организовано в 2D изображение взаимодействия частиц. Такая картина представляет собой проекцию взаимодействия трехмерных частиц на 2D -плоскости, чей нормальный вектор параллельна проводам в указанной плоскости анода. 2D прогнозы, соответствующие каждой из анодных плоскостей, объединяются, чтобы полностью реконструировать трехмерное взаимодействие.

Двойная фаза TPC

Сама методика была впервые разработана для обнаружения радиации с использованием аргона в начале 1970 -х годов. ^{[ 12 ]} Программа Zeplin привела к использованию двухфазной технологии для поиска WIMP . Серия детекторов Xenon и Lux представляет современную реализацию этого инструмента в физике.

Проекционная камера темной материи

Проекционная камера Dark Matter Time - это эксперимент для прямого обнаружения слабо взаимодействующих массивных частиц (WIMP), одного из наиболее предпочтительных кандидатов для темной материи . В эксперименте используется проекционная камера низкого давления, чтобы извлечь первоначальное направление потенциальных событий темной материи. В сотрудничестве входят физики из Массачусетского технологического института (MIT), Бостонского университета (BU), Университета Брандеи и Лондонского университета Королевского Холлоуэя . Несколько прототипов были построены и протестированы в лабораториях в MIT и BU. Сотрудничество получило свои первые данные в подземной лаборатории на участке Pilot Plot Onsolation Plot (WIPP) около Карлсбада, штат Нью -Мексико осенью, 2010 год. ^{[ Цитация необходима ]}

Проекционная камера Dark Matter Projection опубликовала первые результаты из поверхностного прогона в 2010 году, установив ограничение поперечного сечения, зависящее от спина. ^{[ 13 ]}

Примечания

^ «Награда Эрнеста Орландо Лоуренса: лауреаты 1980 -х годов» . Министерство энергетики США . Архивировано из оригинала 2011-08-11 . Получено 2007-08-18 . Дэвид Р. Нигрен, 1985: Физика: для разработки экспериментальных методов в физике частиц и особенно для изобретения проекционной камеры времени
^ Jump up to: ^а ^{беременный} Demonchy et al. 2007.
^ Jump up to: ^а ^{беременный} Fenker et al. 2008, Laird et al. 2007.
^ Уиллис, WJ; Радека, В. (14 мая 1974 г.). «Жидко-аргоновые ионизационные камеры как детекторы полной поглощения» . Ядерные инструменты и методы . 120 (2): 221–236. Bibcode : 1974nucim.120..221W . doi : 10.1016/0029-554x (74) 90039-1 .
^ Jump up to: ^а ^{беременный} Чен, HH; Кондон, PE; Бариш, Британская Колумбия; Sciulli, FJ (май 1976). «Нейтрино -детектор, чувствительный к редким процессам. I. Исследование нейтрино -электронных реакций» (PDF) . Ферми национальная лаборатория ускорителя . Предложение P-496: 42 стр . Получено 28 января 2017 года .
^ Чен, HH; Lathrop, JF (1978). «Наблюдение за ионизацией электронов, дрейфовых больших расстояний в жидком аргоне». Ядерные инструменты и методы в исследованиях физики . 150 (3): 585–588. Bibcode : 1978nucim.150..585c . doi : 10.1016/0029-554x (78) 90132-5 .
^ Jump up to: ^а ^{беременный} Доке Т. (1993). «Исторический вид на исследования и разработки для жидких детекторов редких газов». Ядерные инструменты и методы в исследованиях физики . A327 (1): 113–118. Bibcode : 1993nimpa.327..113d . doi : 10.1016/0168-9002 (93) 91423-K .
^ «Проекционная камера времени исполняется 25» . CERN: Cern Courier . 27 декабря 2004 г. Получено 29 января 2017 года .
^ Jump up to: ^а ^{беременный} ^в Руббия, С. (16 мая 1977 г.). «Проекционная камера времени жидкости-аргона: новая концепция детекторов нейтрино» (PDF) . CERN EP Внутренние отчеты . 77 (8). CERN : 15 стр . Получено 4 мая 2022 года .
^ Jump up to: ^а ^{беременный} ^в ^{дюймовый} ^и Драйв и Ал. 2015.
^ Джоши, Дж., Цянь, X., 2015.
^ Кац, Р.; Kobetich, EJ (1970-10-31). «Треки частицы в конденсированном веществе» . doi : 10.2172/4750759 . Ости 4750759 . {{cite journal}}: CITE Journal требует |journal= ( помощь )
^ Ahlen, S.; Баттат, JBR; Caldwell, T.; Deaconu, C.; Dujmic, D.; Fedus, W.; Фишер, П.; Голуб, Ф.; Хендерсон, с.; Инглис, А.; Кабот, А.; Kohse, G.; Lanza, R.; Ли, А.; Лопес, Дж.; Монро, Дж.; Sahin, T.; Sciolla, G.; Skvorodnev, N.; Tomita, H.; Wellenstein, H.; Вулф, я.; Yamamoto, R.; Yegoryan, H. (январь 2011 г.). «Первый поиск темной материи результаты поверхностного прогона 10-L DMTPC Demental Detaight Demant Matter». Физические буквы б . 695 (1–4): 124–129. Arxiv : 1006.2928 . Bibcode : 2011 phlb..695..124d . doi : 10.1016/j.physletb.2010.11.041 . S2CID 56067102 .

Ссылки

Демонши, CE; Mittig, W.; Savajols, H.; Roussel-Chomaz, P.; Chartier, M.; Юрадо, Б.; Giot, L.; Кортина-Гил, Д.; Camaño, M.; Ter-Arkopian, G.; Фомичев, А.; Родин, А.; Головков, MS; Stepantantov, S.; Gillibert, A.; Pollacco, E.; Obertelli, A.; Ван, Х. (2007). «Майя, в Active Target Gaseouus». Ядерные инструменты и методы в разделе «Исследование физики» в: ускорители, спектрометры, детекторы и связанное с ним оборудование . 573 (1–2): 145–148. Bibcode : 2007nimpa.573..145d . Doi : 10.1016/j.nima.2006.11.025 .
Fenker, H.; Baillie, N.; Брэдшоу, П.; Bueltmann, S.; Burkert, V.; Кристи, М.; Dodge, G.; Датта, Д.; ENT, R.; Эванс, Дж.; Fersch, R.; Джованетти, К.; Griffioen, K.; Ispiryan, M.; Jayalath, C.; Kalantarians, N.; Кеппель, C.; Kuhn, S.; Niculescu, G.; Никулеску, я.; Tkachenko, S.; Tvaskis, v.; Zhang, J. (2008). «Бонус: разработка и использование радиального TPC с использованием цилиндрических драгоценных камней». Ядерные приборы и методы в области физических исследований A: ускорители, спектрометры, детекторы и связанное с ним оборудование . 592 (3): 273. Bibcode : 2008nimpa.592..273f . doi : 10.1016/j.nima.2008.04.047 . Ости 920093 .
Лэрд, Ам; Amaudruz, P.; Buchmann, L.; Fox, sp; Фултон, Бр; GiLiotti, D.; Киршнер, Т.; Mumby-Croft, PD; Openshaw, R.; Паван, мм; Пирсон, Дж.; Ruprecht, G.; Шеффер, Г.; Walden, P. (2007). «Статус тактики: детектор для ядерной астрофизики». Ядерные приборы и методы в области физических исследований A: ускорители, спектрометры, детекторы и связанное с ним оборудование . 573 (1–2): 306–309. Bibcode : 2007nimpa.573..306L . doi : 10.1016/j.nima.2006.10.384 .
Rubbia, C. (1977). Проекционная камера времени жидкости-аргона: новая концепция детекторов нейтрино .
Acciarri, R.; и др. (2015). «Резюме второго семинара по исследованиям и разработке проецированной камеры и разработке времени в Соединенных Штатах». Журнал инструментов . 10 (7): T07006. Arxiv : 1504.05608 . Bibcode : 2015jinst..10.7006a . doi : 10.1088/1748-0221/10/07/T07006 . S2CID 1396121 .
Джоши, Дж.; Qian, X. (2015). «Обработка сигнала в MicroBoone Lartpc». arxiv : 1511.00317v1 [ physics.ins-det ].

Дальнейшее чтение

Спенсер Кляйн (27 января 2004 г.). «Проекционная камера времени исполняется 25» . Церн Курьер . 44 (1).
Джеффри Кан (22 февраля 1999 г.). «Вернемся к началу, временной проекционной камеры» . Sciencebeat . Лоуренс Беркли Национальная лаборатория .

[EOL-1] «Награда Эрнеста Орландо Лоуренса: лауреаты 1980 -х годов» . Министерство энергетики США . Архивировано из оригинала 2011-08-11 . Получено 2007-08-18 . Дэвид Р. Нигрен, 1985: Физика: для разработки экспериментальных методов в физике частиц и особенно для изобретения проекционной камеры времени

[MAYA-2] Jump up to: ^а ^{беременный} Demonchy et al. 2007.

[GEM_TPC-3] Jump up to: ^а ^{беременный} Fenker et al. 2008, Laird et al. 2007.

[Willis_Radeka-4] Уиллис, WJ; Радека, В. (14 мая 1974 г.). «Жидко-аргоновые ионизационные камеры как детекторы полной поглощения» . Ядерные инструменты и методы . 120 (2): 221–236. Bibcode : 1974nucim.120..221W . doi : 10.1016/0029-554x (74) 90039-1 .

[Chen_FNAL-5] Jump up to: ^а ^{беременный} Чен, HH; Кондон, PE; Бариш, Британская Колумбия; Sciulli, FJ (май 1976). «Нейтрино -детектор, чувствительный к редким процессам. I. Исследование нейтрино -электронных реакций» (PDF) . Ферми национальная лаборатория ускорителя . Предложение P-496: 42 стр . Получено 28 января 2017 года .

[Chen_NIMTPC-6] Чен, HH; Lathrop, JF (1978). «Наблюдение за ионизацией электронов, дрейфовых больших расстояний в жидком аргоне». Ядерные инструменты и методы в исследованиях физики . 150 (3): 585–588. Bibcode : 1978nucim.150..585c . doi : 10.1016/0029-554x (78) 90132-5 .

[Doke-7] Jump up to: ^а ^{беременный} Доке Т. (1993). «Исторический вид на исследования и разработки для жидких детекторов редких газов». Ядерные инструменты и методы в исследованиях физики . A327 (1): 113–118. Bibcode : 1993nimpa.327..113d . doi : 10.1016/0168-9002 (93) 91423-K .

[CERN_TPC-8] «Проекционная камера времени исполняется 25» . CERN: Cern Courier . 27 декабря 2004 г. Получено 29 января 2017 года .

[Rubbia_CERN-9] Jump up to: ^а ^{беременный} ^в Руббия, С. (16 мая 1977 г.). «Проекционная камера времени жидкости-аргона: новая концепция детекторов нейтрино» (PDF) . CERN EP Внутренние отчеты . 77 (8). CERN : 15 стр . Получено 4 мая 2022 года .

[ACCIARRI-10] Jump up to: ^а ^{беременный} ^в ^{дюймовый} ^и Драйв и Ал. 2015.

[JOSHI-11] Джоши, Дж., Цянь, X., 2015.

[12] Кац, Р.; Kobetich, EJ (1970-10-31). «Треки частицы в конденсированном веществе» . doi : 10.2172/4750759 . Ости 4750759 . {{cite journal}}: CITE Journal требует |journal= ( помощь )

[13] Ahlen, S.; Баттат, JBR; Caldwell, T.; Deaconu, C.; Dujmic, D.; Fedus, W.; Фишер, П.; Голуб, Ф.; Хендерсон, с.; Инглис, А.; Кабот, А.; Kohse, G.; Lanza, R.; Ли, А.; Лопес, Дж.; Монро, Дж.; Sahin, T.; Sciolla, G.; Skvorodnev, N.; Tomita, H.; Wellenstein, H.; Вулф, я.; Yamamoto, R.; Yegoryan, H. (январь 2011 г.). «Первый поиск темной материи результаты поверхностного прогона 10-L DMTPC Demental Detaight Demant Matter». Физические буквы б . 695 (1–4): 124–129. Arxiv : 1006.2928 . Bibcode : 2011 phlb..695..124d . doi : 10.1016/j.physletb.2010.11.041 . S2CID 56067102 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]