《气体探测器发展》PPT课件.ppt

1 时间投影室TPC TPC TimeProjectionChamber 一 结构和工作原理E和B方向平行且与阳极丝垂直Lorentz力为0 电离的径迹会因电子漂移中的横向扩散而变宽 不过很强的磁场会减小这种影响 栅丝 阳极丝 场丝栅丝的作用是使漂移场的电力线形成一个漏斗形 将电离电子聚集到灵敏丝上阳极丝测dE dX部分阳极丝 空间丝 下面有由感应片组成的阴极感应条 2 空间丝上带电粒子的径迹坐标就由丝上雪崩在感应片上感应信号的重心所决定 100 m 漂移时间给出z向的位置 300 m 两者结合 给出带电粒子的三维坐标 3 二 PEP 4的高压TPC 圆柱半径1m 长2m 圆柱中央有一加负高压 150kV 的电极将圆柱分为左右对称的两半 圆柱的两端面是栅丝平面 阳极丝平面 包括灵敏丝和场丝 和阴极感应平面 磁场B 1 5T 与电场平行 测动量 减小漂移电子的横向扩散 每个端面分6个扇区 每个扇区有183根灵敏丝 彼此平行且与半径方向垂直 丝距4mm 其中15根丝彼此距离相等 下面有7 5x7 5mm的感应片 灵敏丝直径为20 m 栅丝和场丝76 m 4 Ar 80 CH4 20 PEP 4的TPC侧重于粒子鉴别 故充以高气压 8 5个大气压 有利于dE dX的测量 dE dX的能量分辨3 空间分辨 其中 L为漂移距离 LM 1m为最大漂移距离 为带电粒子径迹与灵敏丝平面垂直方向的夹角 为电子的俘获率 A为电子学等效应引起的本征空间分辨率 B C分别为L 函数项的系数当L 0 0时 xy 160 m最小值Z向空间分辨为 z 340 m 5 1个大气压Ar 80 CH4 20 圆柱长2 66m 圆柱中央有一加负高压 20kV 的电极将圆柱分为左右对称的两半 与电场平行磁场B 1 2T每个端面分6个扇区 每个扇区有192根灵敏丝 阴极板有16圈感应片 每圈相距4 5cm 每片面积为52 5mm2 每圈的片数从16到144片不等 但为16的倍数 宽度不同 三 DELPHI的常压TPC 6 L 4 2m D 4m内外扇区阴极片尺寸不一样 四 STAR上的TPC 7 Outersector6 2 19 5mmpads3940pads Innersector2 85 11 5mmpads1750pads 24sectors 12onaside LargepadsgooddE dxresolutionintheOutersectorSmallpadsforgoodtwotrackresolutionintheinnersector 70MillionsreadoutChannels OuterandInnerSectorsofthePadPlane 8 4mm anode gatedgrid V 150V 0V 增加 门 丝以减小高计数率下的空间电荷效应 加快正离子收集由与在TPC中心发生对撞时间有关的外加脉冲触发 9 用于重离子固定靶实验 规模较小 由于重离子碰撞中产生的很高的粒子径迹密度 因此侧重点在双径迹分辨及次级顶点的重建 密布的短丝 NA36 BNL810 无感应条读出 将阴极感应条平面分成大量的感应片 NA35 HISS 无信号丝读出 e e 对撞机的实验中的TPC有好的动量分辨及粒子鉴别 双径迹分辨较差 重离子实验中的TPC有好的双径迹分辨 一般也有好的动量分辨 但粒子鉴别能力较差 五 其它气体TPC 10 用液体代替气体作为带电粒子的探测介质有许多优点 气泡室 液氩电磁量能器液体TPC具有良好的能量与空间分辨 像气泡室一样 能给出电离径迹的三维成像 特别适合高精度 大质量的应用与寻找稀有事例的实验中 例如太阳中微子 质子衰变及双 衰变等 常用液氩 LAr 六 液体TPC 11 屏蔽栅 Y 感应平面 Y 由灵敏丝 2根一组 相距0 6mm 屏蔽丝构成收集平面 X 给出另一维坐标屏蔽栅的存在 使得在漂移电子未穿过栅丝之前 不会在灵敏丝上产生感应信号 屏蔽栅平面对漂移电子100 透明的条件E2 E1 1 4E3 E1 3电场线将在感应平面的灵敏丝之间通过而到达收集平面的灵敏丝 12 三维成像每个事例2个二维平面成像 漂移时间 感应丝 漂移时间 收集丝被取样采集的电荷值表示为像素的黑度 越黑表示电荷值越高 13 宇宙线引起的簇射在收集面的成像包含电磁簇射和强子簇射小黑点由1MeV的 光子形成 14 气体探测器的新发展 15 多漂移单元模块MDM 顶点探测器位于最内部 维修难 不仅要求定位精度高和计数率限高 还要求高可靠性 抗辐射性能强 MDM MultidriftModule 一 结构单元 半径1 5mm1 6 31 m的不锈钢丝性能最好模块 70个单元包在 30mm的六角形碳纤维管内 管子作为机械支撑 气体密封 每根径迹30次取样 16 二 性能M 106空间分辨率 65 m双径迹分辨500 1000 m纵向 沿丝 分辨率0 9 丝长计数率限106m 2s 1抗辐照性能好 0 5 1 0 A cm 比通常的MWPC好20倍单元死时间30 40ns 17 一 结构由4 6mm的圆柱形连续阴极面代替几根阴极丝限定的小单元 阴极是铝化的Mylar或Lexan膜 厚度30 m 并不引进更多的散射和吸收当丝断裂时可以起到很好的隔离作用 也可较好地消除噪声长度可达几米 需中间加支撑 稻草管室STC STC StrawTubeChamber 18 二 性能空间分辨率 100 m双径迹分辨 4mm 由管径决定单元死时间 40ns机械性能好 不怕断丝进一步减小管子的直径 增加长度是对制作工艺的挑战 19 MWPC和漂移室是具有代表性的气体探测器 不仅在粒子物理实验中得到广泛的应用 且在X射线晶体学 生物医学和天体物理等领域发挥重要作用 MWPC的局限性 垂直阳极丝方向 空间分辨率有丝距 2mm 决定 由于正离子收集时间长 计数率受到限制 解决方法 减小丝距 改进空间分辨率 减小每根丝承受的粒子通量 减小阳极和阴极间的气隙 缩短离子收集时间 减小空间电荷效应但这两种方法都会减小输出幅度 M 电离数 机械加工精度的限制 S 1mm L 2mm 时 丝室工作不稳定漂移室以其大单元 高分辨及结构和制作相对简单得到更广泛的应用 但不能工作在高计数率下 多径迹分辨差 20 近年来 各种高强度 高能量的加速器的建造给探测器也提出了新的更高的要求 极快的时间响应 强子对撞机LHC的对撞间隔是25ns HERA B的时间间隔是96ns 所以 探测器的时间响应不能大于100ns 高精度 在高计数的前提下要有 50 m的带电粒子的径迹分辨 因为所测量的粒子是最小电离粒子 探测器还必须有高增益才能有较高的探测效率 近期出现的几种新型气体位置灵敏探测器 从技术上讲 这些新的探测器大都建立在现代先进的微电子技术 光刻技术 多层板技术的基础之上 各种类型的无丝位置灵敏探测器的发展 使气体探测器的技术进入一个崭新蓬勃发展的新时期 21 微条气体室MSGC MSGC MicroStripGasChamber 一 结构和工作原理在绝缘或半绝缘基质板上通过蚀刻而成的两组细金属条 阳极条 5 10 m 电场条 50 100 m 产生雪崩倍增的阳极和阴极之间的距离大大缩短 22 二 性能空间分辨 30 m 双径迹分辨400 m 能量分辨11 55Fe 时间响应上升时间 35ns 下降时间也只有 60ns高计数率限106mm 2s 1由于MSGC好的能量 位置分辨 快的时间响应和快的计数率能力 而得到人们广泛的关注 CMS采用其作为内层的径迹探测器 M 103放大倍数稳定性不好主要原因是在垫板上的电荷堆积和放电问题 在气体 电极的材料 垫板的材料和表面处理等方面找到了比较好的解决方案 电极易老化 影响寿命 23 气体电子倍增器GEM GEM GasElectronMultiplier 一 结构和工作原理GEM是用很薄的两面都是附有极薄的铜箔的有机聚合薄箔制成 在有机聚合薄箔上用光刻技术打有高密度的小孔电子由上面转换区飘进小孔 放大后 继续飘进过渡区到达下面的电极进行收集 24 二 性能空间分辨 40 m时间响应信号纯粹由电子产生 无离子尾巴 速度很快GEM的放大倍数与孔的大小 膜的厚度有关 当然是电压的函数 当选取优化的参数在Ar CO2 70 30 的气体中 放大倍数可达104几个倍增结构级联使用必须对每个GEM上的电压 漂移极的电压 工作气体等各种因素进行优化 GEM MSGC 两级GEM 25 三 应用粒子物理实验COMPASS双GEMX成像 医疗诊断 26 微网平面气体探测器Micromegas Micromegas MicroMeshGaseousStructure 一 结构和工作原理用很薄很细的金属网代替阴极丝平面 用刻有微条的板作为阳极平面 两平面之间的间隔小于100 m 这一小间隙可以用耐压好的石英丝或尼龙丝做垫片来保证 27 二 性能空间分辨 60 m时间响应与放大间隙有关 当雪崩间隙由100 m下降到50 m时 信号的上升时间会减少2倍 当间隙为50 m时 30ns的时间可以收集到整个信号高计数率限109mm 2s 1 基本无饱和现象M 3x105 Ar C2H6 CF4 在探测器的均匀性 工作稳定性和长时间的可靠的实验中 均没有发现异常问题 微网平面气体探测器 Micromegas 不仅可以做高能物理实验的径迹探测器 还有可能做顶点探测器 同时可以应用在其它高计数率的领域 28 微隙室MGC MGC MicroGapChamber 一 结构和工作原理Al膜 阴极 绝缘条 Al膜 阳极 绝缘条的厚度 2 m 决定了阳极 阴极间的距离 也决定了电场 气体的放大与阳极的间隙无关二 性能收集正离子的速度仅为10ns 这个速度几乎与固体探测器一样高计数率限5x106mm 2s 1增益比MSGC高一个量级二维读出好 阴阳极几乎一样 29 微槽气体探测器MGD 一 结构和工作原理基于PCB制作技术在两面都有镀金铜箔的Kapton膜刻上微槽而制成 上 下两层的金属微条分别是微槽的阴阳两极 其气体放大是在Kapton膜的微槽内 微槽厚50 m 镀金铜箔厚5 m 阳极宽30 40 m 30 二 性能阳极 阴极同时得到大小几乎一样的信号 只是极性不一样 有利于二维读出M 1 5 104 增益的均匀性受kapton膜的厚度均匀性的影响 沿着槽方向的在5 以内 而垂直于槽的方向为10 左右 短期稳定性 在高增益的情况下 当计数率较高时 开始工作的几十秒内会出现气体增益的下降 而且下降较快 在以后时间里则下降缓慢 与MSGC相类似 由于电荷堆积等效应而导致电场发生变化 MGD恢复快 高计数率限 106mm 2s 1能量分辨22 由于漂移电场会影响电荷的收集 所以也会影响能量分辨 最快的信号是MGC 其次是MSGC 而最慢的是MGD的信号 长期稳定性好MGD可以看成是一种改进型的微间隙探测器MGC 两电极的间隙增加到50 m 从而导致有较大的气体放大倍数 阳极的尺寸也增大了不少 电极的横截面增大约50倍 从而使探测器坚固 耐用 MGD探测器除时间响应稍差之外 保持了像MSGC或MGC的优点 单一的气隙 单极的放大 简单的结构 简单的电压供给 高的收集效率等 而且还有自己独特的优势 例如很好的二维读出 较大的规模 牢靠 坚固 工艺较简单 不需专门的微电子技术 等 31 大面积气体室 随着高能粒子物理实验的发展 粒子的能动量越来越大 对带电粒子动量测量的分辨率要求也越来越高 除了提高磁场强度外 需要粒子的测量长度也越长 探测器的体积越来越庞大 外层的 探测器面积达到104m2 这就需要建造既廉价又可靠的大面积探测器 32 蜂巢室HSC HSC HoneycombStripChamber 一 结构室体由聚碳酸酯箔组成 在箔上蚀刻得到铜条 两张折叠的条带状箔可形成六角形的 蜂巢 状单元 这些单元叠在一起就形成坚挺的蜂巢室 单元中央有一根阳极丝 与阴极条垂直 二 性能较高的空间定位精度沿丝方向65 m 3根阴极条感应信号 垂直丝方向150 200 m 漂移时间 造价比漂移室便宜 33 阴极条读出的MWPC感应电荷重心法定位置固有位置分辨取决于信噪比和阴极条信号读出宽度 低噪声电荷灵敏放大器可达到 Q Q 1 空间分辨 100 m可实现二维读出 阴极条室CSC CSC CathodeStripChamber 漂移室不适于端盖 特别是前向区 布丝困难 高计数率 CSC既有MWPC的高计数率能力 又有较好的空间分辨 34 平行板室PPC PPC ParallelPlateChamber 一 结构和工作原理由两个平行的平面电极组成的单间隙气体探测器 薄的金属电极粘贴到平直的玻璃板上 电极的内表面及分割电极形成间隙的垫片的平整度均 5 m间隙为1 2mm 电极尺寸一般为60 x60mm2 工作在雪崩模式 整个气体体积内具有高的均匀电场 任何一点都能立即发生雪崩倍增 35 二 性能时间响应不同地点产生的原初电子几乎同时雪崩 因此时间晃动极小 上升时间 1ns 脉冲宽度 5ns高计数率限 106mm 2s 1因气体放大倍数与电离产生的位置有关 离阳极越远则越高 但总输出信号与带电粒子的总能量沉积仍近似有正比关系 能量分辨一般 M 5x104探测效率90 小气隙 适合高粒子通量 要求能快速响应和适中的能量分辨处 如对撞点的小角度区 CMS的veryforward区量能器采用PPC 36 阻性板室RPC RPC ResistivePlateChamber 一 结构和工作原理由两块平行的阻性板 1010 1012 cm 组成阻性板材料一般为玻璃或电木板 内表面覆亚麻油或脒胺膜 气隙2mm当带电粒子在工作气体内雪崩放电时 阻性板的高阻产生瞬时的电压降 电场急剧下降 使放电猝灭 使雪崩放电限制在几mm2的范围 其余部分仍处于工作状态 信号由感应条或感应片读出 可二维读出 37 二 MRPC小气隙 时间快 探测效率低 大气隙 信号小 时间慢多隙RPC MRPC 粒子在各间隙独立雪崩 信号等于各雪崩效应 瞬时 叠加 信号快 探测效率高 工作模式 SQS模式 信号大 恢复慢 低计数率100cm 2s 1雪崩模式 适合相对高技术率 信号小 时间特性差 38 效率 时间分辨与高压的关系 效率 暗电流与高压的关系 效率 时间分辨与计数率的关系 时间晃动与高压的关系 39 三 性能时间分辨好 100ps探测效率98 低粒子通量 宜于大面积制作 造价低 得到广泛应用 40 ARGO YBJ 地毯 每个RPC单元 2 8m 1 12m128m 128m分44行 110列 BaBar BESIII 探测器用50 m的膜代替亚麻油 平整度高且体电阻可调从目前的模型试验情况和批量生产情况看 性能上已处于国际领先水平 41 小间隙室TGC TGC ThinGapChamber 一 结构和工作原理阳极和阴极间距很小 1 5mm 工作气体Ar 55 CO2 45 n C5H12工作在高增益饱和模式 当间距变化 0 2mm时 输出脉冲无变化 二 性能室的性能对机械变形不灵敏 利于大面积使用 输出信号在入射角 40 时 输出信号对入射角相关很小 间距小 减小了电离束团漂移时间 时间分辨好 42 探测低动量的高精度漂移室 漂移室测量带电粒子的动量分辨由空间分辨和多次散射两部分组成 对低动量带电粒子 多次散射是主要因素 多次散射主要是在丝和工作气体中产生 氦 He Z 2 是可供选择的唯一低Z惰性气体 Ar Z 18 必须加入第二种猝灭气体 43 氦基工作气体的饱和漂移速度较小 为较小扩散对空间分辨率的影响 通常采用小单元结构镀金钨丝作阳极丝场丝一般用Be Cu合金丝 但Z较大 用镀金 BaBar KLOE 或镀银 BELLE 铝丝 铝场丝的蠕变问题需仔细对待