Teilchen – Detektoren I Nachweis elektr. geladener...

Teilchen – Detektoren INachweis elektr. geladener Teilchen

Dr. Achim Denig4.6.2003

Literatur:• C. Grupen, Particle Detectors, Cambridge Univ. Press• K. Kleinknecht, Detektoren für Teilchenstrahlung, Teubner• W.R. Leo, Techniques for Nuclear and Particle Physics

Experiments, Springer• Review of Particle Physics, Phys. Rev. D66 010001 (2002)

Academic Training am CERN:http://humanresources.web.cern.ch/humanresources/external/training/ACAD/Transparencies/Joram300398/pd1/index.html

Schema eines typischenHochenergiephysik – Detektors (z.B. bei LEP, LHC)

B

Vertex-Detektor (Si)SpurkammerElektromagn. KalorimeterHadronisches KalorimeterMyon-Detektoren (Veto Kosm. Strahlung)

Seitenansicht :

z

xy

x

yVorderansicht :

• B

ALEPH(LEP/CERN)

OPAL(LEP/CERN)

Run : e ven t 4093 : 1150 Da t e 930527 T i me 20751

Ebeam 45 . 658 Ev i s 94 . 4 Em i s s - 3 . 1 V t x ( - 0 . 05 , 0 . 08 , 0 . 36 )

Bz=4 . 350 Th r us t =0 . 9979 Ap l an=0 . 0000 Ob l a t =0 . 0039 Sphe r =0 . 0001

C t r k ( N= 2 Sump= 92 . 4 ) Eca l ( N= 9 SumE= 90 . 5 ) Hca l ( N= 0 SumE= 0 . 0 )

Muon ( N= 0 ) Sec V t x ( N= 0 ) Fde t ( N= 1 SumE= 0 . 0 )

Y

XZ

200 . cm.

Cen t r e o f s c r een i s ( 0 . 0000 , 0 . 0000 , 0 . 0000 )

50 GeV2010 5

Y

XZ

200 . cm.

Cen t r e o f s c r een i s ( 0 . 0000 , 0 . 0000 , 0 . 0000 )

50 GeV2010 5

Run : even t 3223 : 7994 Da t e 920708 T i me 10856

Ebeam 45 . 652 Ev i s 96 . 2 Em i s s - 4 . 9 V t x ( 0 . 02 , 0 . 06 , 0 . 44 )

Bz=4 . 350 Th r us t =0 . 8343 Ap l an=0 . 0009 Ob l a t =0 . 3971 Sphe r =0 . 3149

C t r k ( N= 4 Sump= 91 . 9 ) Eca l ( N= 6 SumE= 4 . 0 ) Hca l ( N= 4 SumE= 4 . 3 )

Muon ( N= 11 ) Sec V t x ( N= 0 ) Fde t ( N= 0 SumE= 0 . 0 )

Y

XZ

200 . cm.

Cen t r e o f s c r een i s ( 0 . 0000 , 0 . 0000 , 0 . 0000 )

50 GeV2010 5

Run : e v en t 4093 : 1000 Da t e 930527 T i me 20716

Ebeam 45 . 658 Ev i s 99 . 9 Em i s s - 8 . 6 V t x ( - 0 . 07 , 0 . 06 , - 0 . 80 )

Bz=4 . 350 Th r u s t =0 . 9873 Ap l an=0 . 0017 Ob l a t =0 . 0248 Sphe r =0 . 0073

C t r k ( N= 39 Sump= 73 . 3 ) Eca l ( N= 25 SumE= 32 . 6 ) Hca l ( N=22 SumE= 22 . 6 )

Muon ( N= 0 ) Sec V t x ( N= 3 ) Fde t ( N= 0 SumE= 0 . 0 )

Y

XZ

200 . cm.

Cen t r e o f s c r een i s ( 0 . 0000 , 0 . 0000 , 0 . 0000 )

50 GeV2010 5

Run : e v en t 2542 : 63750 Da t e 911014 T i me 35925

Ebeam 45 . 609 Ev i s 86 . 2 Em i s s 5 . 0 V t x ( - 0 . 05 , 0 . 12 , - 0 . 90 )

Bz=4 . 350 Th r u s t =0 . 8223 Ap l an=0 . 0120 Ob l a t =0 . 3338 Sphe r =0 . 2463

C t r k ( N= 28 Sump= 42 . 1 ) Eca l ( N= 42 SumE= 59 . 8 ) Hca l ( N= 8 SumE= 12 . 7 )

Muon ( N= 1 ) Sec V t x ( N= 0 ) Fde t ( N= 2 SumE= 0 . 0 )

��

���

�−−−=

22ln14 2max

2

222

21

2222 δββγ

βπ T

Icm

AZzcmrN

dxdE e

eeA

Z/A ist für alle Elemente ca. gleich, außer H!

Bethe-Bloch-Formel

log p [GeV/c]

log p [GeV/c]

dE/dx im DELPHI Mikrovertex Detektor

∆E (a

.u.)

∆E (a

.u.)

PID = Particle Identification

totale Zahl von gebildetenElektron-Ionen Paaren.∆E = Totaler EnergieverlustWi = effektiver <Energieverlust>/Paarprimarytotal

iitotal

nnW

xdxdE

WEn

⋅≈

∆=∆=

43�

(Lohse and Witzeling, Instrumentation In High Energy Physics, World Scientific,1992)

41

37

36

3126

28

33

22

Wi (eV)

Primär- and Sekundär-Ionisation von Atomen und Molekülen im Gas

Primary ionization

Total ionisation

Gas Verstärkung

a

b

r

E

1/r

a

cathode

anode

gasEthreshold

( )

arCVrV

rCVrE

ln2

)(

12

0

0

0

0

⋅=

⋅=

πε

πε

C = capacitance / unit length

Signal Entwicklung

WQ von Elektron- undPhoton-Streuprozessenmit Gasen

Edelgas

Mehratom - Gas (Kohlenwasserstoff)

Betriebszustände von Gaskammern

Ionisations-Kammer:nur Primär- undSekundär - Ionisation,keine Gas-Verstärkung

Proportional Zähler :Gas-Verstärkung (unddamit das Signal) sindproportional zu Primär-Ionisation

Geiger-Müller-Zähler:Gas-Verstärkung NICHTproportional zu Primär-Ionisation; Signalhöhe immer gleich

field lines and equipotentials around anode wires

Ortsauflösung limitiert zu 12d

x ≈σ

(d=1mm, σx=300 µµµµm)

Multi Wire Proportional Chamber (MWPC)

Kapazitive Signalübertragung auf Nachbardrähte? Negative Signale auf allen Drähten? NEIN!Kompensiert durch positive Signale aufgrund der Ionenlawine, die langsam zur Kathode driftet

(G. Charpak et al. 1968, Nobel prize 1992)

Messe Ankunftszeit der Driftelektronen am Signaldraht relativ zur Zeitt0 = Driftzeitmessung

anode

TDCStartStop

DELAYscintillator

drift

low field region drift

high field region gas amplification

Was passiert während der Drift der Elektronen zum Draht ?� Driftgeschwindigkeit (möglichst konstant!) � Diffusion (möglichst klein!)

(First studies: T. Bressani, G. Charpak, D. Rahm, C. Zupancic, 1969First operation drift chamber: A.H. Walenta, J. Heintze, B. Schürlein, NIM 92 (1971) 373)

Driftkammer(DC)

Diffusion

ttDorDtt

dxeDtN

dN

xx

Dtx

2)( 2)(

41

2

)4( 2

σσ

π

==

= −

D: Diffusion-Koeffizient

dNΝ

Kein externes Feld: Elektrons and Ionen verlieren Energie aufgrund von Kollisionen mit den Gas-Atomen

e-

Ε

Aufgrund der Kollisionen: ein ursprünglichlokalisiertes Ensemble von Ladungen diffundiert

Externes E - Feld: Elektronen verlieren Energie in den Kollisionen und gewinnen Energie aufgrund des elektrischen Feldes

Netto Effekt = Null → Konstante Driftgeschwindigkeit

Deshalb kann von Driftzeit-Messung die Distanz des durchlaufenden Teilchens vom Draht berechnet werden

��

gemessenttankons

D tvd ∆⋅=

Argon-Isobutane

Typische Elektron Drift-Geschwindigkeiten: 5 cm/µµµµsIon Drift-Geschwindigkeit: ca. 1000 mal kleiner

Argon-Methane

Drift GeschwindigkeitMöglichst unabhängig vom E-Feld!

Optimiere Zellgeometrie → konstantes E-Feld

ββββ

φ~

s

[ns]

Drift distance [cm]

Dri

f t Ti

me

Zylindrische Driftkammern

F F F

F

FFF

F S

The KLOE experiment

Be beam pipe (0.5 mm thick)

Drift chamber (4 m ∅ × 3.3 m)90% He + 10% IsoButane12582 sense wires

Electromagnetic calorimeterLead/scintillating fibers

Superconducting coil (5 m bore)B = 0.52 T ( � B dl = 2 T·m)

Wechselwirkungs-punkt

SpurdetektorDriftkammer)

Elektromagn.Kalorimeter

SupraleitendeSpule (0.6T)

Eisenjoch

KLOE DCKLOE DC

38.622 Felddrähte12.582 Signaldrähte58 zylindrische Lagen (Zwiebelstruktur) - Stereogeometrie

KK��������

����������������

KK��������

����������������

��������

��������

KLOE – Detektor am DA�NE-Beschleuniger (Frascati/Rom)

z

yx

Zylindr. Spurdetektor

Bx

WW-Punkt

x

y • BElektromagn.Kalorimeter

e+e- → �(1020) →K+ K-

��������

��