Detektoren für geladene Teilchen: Sensoren

Transkript

1 Detektoren für geladene Teilchen: Sensoren FAKULTÄT FÜR PHYSIK UND ASTRONOMIE Seminar zur Kern- und Teilchenphysik Prof. Dr. U. Wiedner Seminarvortrag von Ann Kathrin Sliwa

2 Gliederung Was sind Detektoren Historischer Einblick: Die Fotoplatte Die Blasenkammer Das Geiger-Müller-Zählrohr Detektorenarten für geladene Teilchen : Gasdetektoren Halbleiterzähler Vor- und Nachteile Ausblick Literaturverzeichnis Bildquellen Detektoren für geladene Teilchen: Sensoren Bochum, Ann Kathrin Sliwa 2

3 Was sind Detektoren? lat.: detegere, detectum, bedeutet aufdecken Nachweis und Bestimmung der Eigenschaften von Teilchen ionisierende Wirkung, Anregung der Atome und Bremsstrahlung 3

4 Historischer Einblick Die Fotoplatte Bequerel 1896 durch radioaktive Strahlung geschwärzt 4

5 Historischer Einblick Die Blasenkammer D.A. Glaser (1960 Nobelpreis) Funktionsweise: flüssiges Gas in Druckbehälter nahe Siedepunkt durch Kolben Volumen expandiert Siedepunkt überschritten Blasenbildung entlang der Teilchenspur 5

6 Historischer Einblick Die Blasenkammer Aufnahmen einzeln auswerten langsam kaum noch im Einsatz 6

7 Historischer Einblick Das Geiger-Müller-Zählrohr H. Geiger (1928 veröffentlicht) Funktionsweise: Gas durch Strahlung ionisiert Freigesetzte Elektronen zum Draht beschleunigt Ladung wird gezählt relativ lange Totzeit relativ lange Erholungszeit gute Empfindlichkeit 7

8 Detektorarten von geladenen Teilchen einfachstes Gerät: Ionisationskammer entstehende Ladung erzeugt Stromimpuls Nachteile: Ortsauflösung beschränkt, lange Sammelzeit, kleine Signale Zwei Arten von Spurendetektoren: Gasgefüllte Detektoren Halbleiterzähler 8

9 Gasgefüllte Detektoren Wichtige Eigenschaften ionisierbares Gas (Argon) Erzeugung Elektron-Ion-Paare elektrisches Feld, das in nähe des Drahtes stärker wird Gasverstärkung nahe des Drahtes 9

10 Gasgefüllte Detektoren Vieldrahtproportionalkammer G. Charpak, 1992 Nobelpreis mehrere Drähte in Gasvolumen typische Drahtdicke entspricht 1% des Drahtabstandes Ortsauflösung bestimmt durch Drahtabstand (σ=d/ (12)) 10

11 Gasgefüllte Detektoren Driftkammer Verbesserung Ortsauflösung (typisch: σ=150 μm) erreicht durch Zeitmessung (externer Zähler) Driftgeschwindigkeit: ν=1-4 cm/μs Detektoren für geladene Teilchen: Sensoren Bochum, Ann Kathrin Sliwa 11

12 Halbleiterzähler Halbleiterkristall aus Silizium oder Germanium Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren Verschiedene Typen von Halbleiterdetektoren 12

13 Halbleiterzähler p-n-übergang n-halbleiter dotiert mit Arsen oder Phosphor p-halbleiter dotiert mit Bor oder Indium Entstehung der Verarmungszone p-n-verbindung wirkt als Diode Empfindlichkeit durch Sperrstrom begrenzt 13

14 Halbleiterzähler Streifendetektor p-schicht in Streifen hohe Ortsauflösung Typische Breite: 3-20 μm Abstand: µm geringe Schichtdicke 14

15 Halbleiterzähler Streifendetektoren p-schicht in Streifen n-schicht in Streifen (senkrecht) zweidimensionale Ortsauflösung Mehrdeutigkeit bei Mehrfachtreffern Detektoren für geladene Teilchen: Sensoren Bochum, Ann Kathrin Sliwa 15

16 Halbleiterzähler Pixeldetektoren Streifen in Pixel unterteilt Pixel liefert zweidimensionale Information Keine Zuordnung wie bei Streifendetektoren nötig Detektoren für geladene Teilchen: Sensoren Bochum, Ann Kathrin Sliwa 16

17 Halbleiterzähler Pixeldetektoren Problem: Verbindung Pixel mit Elektronik Sensor und Elektronik auf zwei getrennten Chips durch leitendes Kügelchen verbunden Mindestgröße der Sensorpixel bestimmt durch Elektronik Detektoren für geladene Teilchen: Sensoren Bochum, Ann Kathrin Sliwa 17

18 Vor- und Nachteile gasgefüllten Detektoren: Ortsauflösung: Vieldrahtp. σ=700 µm Driftkammer σ= µm Vieldrahtp. t=2 ns Driftkammer t=2 ns Totzeit: Vieldrahtp. tt= ns Driftkammer tt= ns Ortsauflösung: Zeitauflösung: Halbleiterzähler: Streifendetektor σ= Abstand/(3 bis 7) µm Pixeldetektor σ 10 µm Zeitauflösung: Streifendetektor wenige ns Pixeldetektor wenige ns Totzeit: Streifendetektor tt 50 ns Pixeldetektor tt 50 ns 18

19 Vor- und Nachteile Gasgefüllte Detektoren Halbleiterdetektoren Größer, da in der Produktion günstiger Drähte reißen relativ schnell straw tubes gute Orts- und Energieauflösung benötigen wenige ev Ionisationsenergie bei Pixeldetektoren aufwendige Elektronik 19

20 Ausblick Micro-Pattern Gas Detektoren basierend auf Gasdetektoren leistungsstark und robust Ortsauflösung σ= µm, Zeitauflösung t 10 ns zwei Arten: GEM Micromegas 20

21 Ausblick Micromegas Micro-mesh gaseous structure Zwei Regionen Driftbereich Verstärkungsraum Anodensreifen detektieren Lawinen gute Ortsauflösung 21

22 Literaturverzeichnis Amsler, C.: Kern- und Teilchenphysik: Hochschul- Verlag AG an der ETH, Zürich 2007 Beringer J. et al:.(pdg), PR D86, (2012) and 2013 update for the 2014 edition. Berger, C.: Elementarteilchenphysik: von den Grundlagen zu den modernen Experimenten. Springer, Berlin 2006 Brockhaus Themenwissen: Informatik Physik Chemie. Bibliographisches Institut und F. A. Brockhaus AG, Mannheim 2005 Kleinknecht, K.: Detektoren für Teilchenstrahlung. Teubner, Stuttgart 1992 Vogel, H.: Physik: Ein Lehrbuch zum Gebrauch neben Vorlesungen. Springer, Berlin 1974 Internetseiten:

23 Bildquellen

24 Ich bedanke mich für die Aufmerksamkeit! 24