Teilchendetektoren Seminarvortrag WS06/07 Klaus Roth

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

Übersicht Grundlagen Halbleiterdetektoren Szintillatoren Elektromagnetisches Kalorimeter Hadronisches Gasdetektoren Neutrinodetektoren

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

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

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

Halbleiterdetektoren 1

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

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

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

Halbleiterdetektoren 5 Einige Bilder von Detektoren:

Halbleiterdetektoren 6 Ortsauflösungen:

Halbleiterdetektoren 7

Halbleiterdetektoren 8

Übersicht Grundlagen Halbleiterdetektoren Szintillatoren Elektromagnetisches Kalorimeter Hadronisches Gasdetektoren Neutrinodetektoren

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

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

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

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:

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

Elektromagnetisches Kalorimeter 3

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

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:

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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):

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:

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

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

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

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

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

Mµon-Driftkammer

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

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

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)

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

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

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

Neutrinodetektoren 2

Neutrinodetektoren 3

Neutrinodetektoren 4

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.