Embed Size (px)
Citation preview
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-
��������
��
