Übergangsstrahlungsdetektoren (TRD Transition Radiation Detector)

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1 Institut für Experimentalphysik I Übergangsstrahlungsdetektoren (TRD Transition Radiation Detector) FAKULTÄT FÜR PHYSIK UND ASTRONOMIE Seminar: Experimentelle Methoden in der Kern- und Teilchenphysik Prof. Dr. U. Wiedner Seminarvortrag: Lena Kahlert

2 Gliederung Übergangsstrahlung - Physikalischer Hintergrund Übergangsstrahlungsdetektoren - Warum? Prinzip von Übergangsstrahlungsdetektoren Einsatzgebiete/Experimente: Zusammenfassung Literaturverzeichnis ATLAS TRT ALICE TRD AMS-02 TRD

3 Übergangsstrahlung - Physikalischer Hintergrund Übergangsstrahlung ist die Strahlung, die von geladenen Teilchen emittiert wird, welche die Grenze zwischen Medien mit unterschiedlicher Permittivität ε durchqueren ( dielektrische Leitfähigkeit = Maß für die Durchlässigkeit eines Materials für elektrische Felder) εr = ε/ε0 mit εr = relative Permitivität, ε = reale Permitivität ε0 = Permitivität des Vakuum = 1 polarisiertes Dielektrikum Durchquert ein geladenes Teilchen ein Dielektrikum, polarisiert es die Dipole entlang der Flugrichtung Wdh. Immer wenn Dipole ihre Ausrichtung wieder ändern werden Photonen emittiert

4 Übergangsstrahlung - Physikalischer Hintergrund Spiegelladungsmodell Medien unterschiedlicher Permittivität erzeugen mit dem geladenen Teilchen eine Spiegelladung an der Grenzfläche Dipolfeldstärke im Medium hoher Permitivität (links) > als im Medium geringerer P. (rechts) Teilchen durchquert Grenzfläche Änderung der Dipolfeldstärke elektromagnetische Abstrahlung = Übergangsstrahlung ( Röntgenphotonen) Warum nur an der Grenzfläche? Aufgrund der unterschiedlichen Ort der Dipole, kommt es zu einer Phasendifferenz zwischen den Abstrahlungen destruktive Interferenz

5 Übergangsstrahlung - Physikalischer Hintergrund Durch die lineare Abhängigkeit der Strahlungsintensität vom Lorentz-Faktor γ= E/mc 2 lässt sich bei bekannter (anderweitig bestimmter) Teilchenenergie auf die Teilchenmasse und somit die Identität des Teilchens rückschließen durch Übergangsstrahlungsphotonen abgestrahlte Energie nicht nur v(ionisation, Cherenkovstrahlung...) Eγ γ Durch γ-abhängigkeit gut geeignet für Teilchenidentifikation bei hohen Energien Wdh. Lorentz-Faktor: γ = 1/ 1-(v/c) 2 bei Ionisation: β= (v/c) γ = 1/ 1-β 2 Geschwindigkeitsabhängige Effekte bieten geringe Identifizierungsmöglichkeit bei relativistischen Teilchen (β 1)

6 Übergangsstrahlungsdetektoren - Warum? Photonenenergien im Röntgenbereich mit Eγ γ nicht nur v (Ionisation, Cherenkovstrahlung etc.) Durch γ-abhängigkeit gut geeignet für Teilchenidentifikation bei hohen Impulsen! Wo die Energieverlustmessung an ihre Grenzen stößt [Vgl. Ch. Hausen; Vortrag ] Schwellenverhalten für γ 1000: pe 0.5 GeV/c pπ 140 GeV/c Trennung von Pionen und Elektronen im Bereich GeV/c möglich Abstrahlungswinkel: θtr 1/γ Übergangsstrahlungsphotonen in einem engen Kegel um die Bewegungsrichtung des Teilchens, praktisch in seine Flugrichtung, emittiert Zuordnung möglich

7 Übergangsstrahlungsdetektoren - Warum? weitere Möglichkeit zur Trennung von Pionen undkaonen 80 GeV/c < p < 500 GeV/c Strahlung wird auch unterhalb der Cherenkow-Schwelle (vmin=c/n) emittiert keine Einschränkung in der Wahl des Mediums! Wiederholung: Cherenkov Strahlung : Cherenkov-Strahlung entsteht immer dann in einem Dielektrikum, wenn es von geladenen Teilchen mit einer Geschwindigkeit durchquert wird, die größer ist als die Geschwindigkeit des Lichts in diesem Dielektrikum [Vgl. U. Schilling; Vortrag ]

8 Prinzip von Übergangsstrahlungsdetektoren Übergangsstrahlungsdetektoren (engl. Transition Radiation Detector, kurz TRD) Teilchendetektoren, die Übergangsstrahlung nutzen, um dieidentität des Teilchens über die Teilchenmasse zu bestimmen eingesetzt wenn Teilchenimpuls bekannt (z.b. Tracking: Impuls und Ladung, Kalorimeter: Energie) Aufbauprinzip: Radiator + Detektor für die emittierten Röntgenphotonen

9 Technische Realisierung des TRD - Radiators erzeugt Übergangsstrahlungsphotonen, durch Grenzübergänge periodische Anordnung von Dielektrika/Lücken Strahlungsintensität pro Grenzfläche sehr gering (~10%) viele Übergänge Radiator schichtweise aus dünnen Folien unterschiedlicher Permittivität aufgebaut verschiedene Materialien: Li-Folien aufgrund der geringen Kernladungszahl (Z=3) möglich (Herstellung aufwendig) meistens spezielle Kunststofffolien mit spezifischer Permittivität εr zb. Polypropylen (PP) εr = 2,1 (verwendet im ALICE - TRD) Polyethylen (PE) εr = 2,4 (verwendet im ATLAS -TRT ) Höhere Nachweiswahrscheinlichkeit der Übergangsstrahlung : Relative Permittivität bei 90 C und einer Frequenz von 50 Hz eine Vielzahl solcher Folienblöcke hintereinander angeordnet Durch genaues positionieren der Folien konstruktive Überlagerung (Interferenz) Signalverstärkung

10 Beispiel: Signalverstärkung (Testaufbau für ALICE-TRD) Mehrere Folienstampel hintereinander verstärken das Signal Quelle: CERN

11 Technische Realisierung des Röntgenphotonen Detektors Detektor absorbiert die im Radiator entstandenen Übergangsstrahlungsphotonen Vieldrahtproportionalkammer (MWPC) / Driftkammer /straw tubes bei Röntgen- und Gammastrahlung gilt das Lambert-BeerschesGesetz (beschreibt die Abschwächung der Intensität einer Strahlung bei dem Durchgang durch ein Medium mit einer absorbierenden Substanz) І(x) = І0 e -μx mit μ = Absorptionskoeffizient [1/cm] Bei niedrigeren Photonenenergien steigt μ mit der Kernladungszahl Z des Materials steil an (proportional zur 4. Potenz) Deshalb ist Blei (Z= 82) mit seiner hohen Dichte das bevorzugte Material für Abschirmungen. Xe-Gas (Z=54) absorbiert Photonen mit hoher Wahrscheinlichkeit schon am Anfang des Driftbereichs Li Folien (Z=3)

12 Einsatzgebiete/Experimente Elektronenidentifizierung am LHC ATLAS-TRT Elektron/Pion-Trennung im Energiebereich GeV/c ALICE-TRD Elektron/Pion-Trennung im Energiebereich 1 6 GeV/c Astroteilchenphysik AMS-02 TRD auf der ISS Erforschung Dunkler Materie Proton/Positron-Trennung im Energiebereich bis 3 TeV/c

13 ATLAS

14 ATLAS -TRT Im inneren Detektor (Gesamtradius 1,15 m; Gesamtlänge etwa 7 m) Umfasst : Pixeldetektor, Silizium- Streifen-Detektor (SCT) und Transition Radiation Tracker(TRT) Transition Radiation Tracker basiert auf einer Kombination von Übergangsstrahlungsdetektor und straw tubes ( ineinander ) Die 3 verschiedenen Detektorlagen sind konzentrisch um die Strahlachse angeordnet, und werden vom Solenoidmagneten umschlossen

15 ATLAS -TRT straw tubes Durchmesser 4 mm, Einzelgenauigkeit: 130μm Gas: [Mix 70% Xe /27% CO2/3%O2] absorbiert TR-Photonen eingebettet in PE Schaum Endkappen: Anordnung: senkrecht zur Strahlachse Pseudorapiditätsbereich -2,0<η<2,0 Länge: 37 cm Barrel: straw tubes parallel zur Strahlachse Pseudorapidität ~ η <1 Länge: 144 cm Anzahl der Auslesekanäle

16 ATLAS -TRT Elektronen/Pionen Unterscheidung: 90% bei p = 25 GeV bester Messbereich: p = 5 GeV Missidentifikationswahrscheinlichkeit von 0.2 % Module des TRT (Endkappen) Quelle: CERN Zwei Module des TRT (barrel region) Quelle: CERN

17 ALICE

18 ALICE-TRD schließt außen direkt an die TPC (Time Projection Chamber /Spurendriftkammer) an auf einer Länge von ca. 7 Metern ringförmig um die Strahlachse angeordnet 6 Schichten dieser einzelnen Kammern in radialer Richtung hintereinander Prototyp Radiator schichten fertiges Segment inkl. Ausleseelektronik Quelle: Cern

19 ALICE -TRD 18 Supermodule mit 5 Segmenten und 6 Ebenen Gesamtdicke: 0,8m Innenradius 2,9m, Außenradius 3,7m um die Strahlachse Anordnung konzentrisch um die Strahlachse Pseudorapiditätsbereich -0,9 <η<0,9 ein TRD-Modul : Radiator+ Driftkammer + Ausleseelektronik (verklebt) Radiator (Sandwich-Prinzip) PP Folien, Gesamtdicke: 3,2cm umhüllt von Rohacell Schaum mit je 0,8 cm Kohlefaserlaminat Dicke = 4,8 cm Driftkammer Xe/CO 2 mix [85%/15%] Dicke = 3,7 cm

20 ALICE -TRD Radiator emittiert TR-Photon quasi in der Richtung des durchquerenden Teilchens (wenn p > 1 GeV, Abstrahlungswinkel: θtr 1/ γ ) Photon wird sehr schnell im Gasvolumen absorbiert geladenes Teilchen produziert Elektronencluster durch Ionisation des Gases entlang seines Weges durch das Driftfeld driften die Elektronencluster in Richtung des Verstärkungsbereiches erzeugen Lawinen [Feldstärke: 700 V/cm Driftgeschwindigkeit: 1.5 cm/μs] Auslesepads: Informationen über den Ort der deponierten Energie und ihre Gesamtbetrag

21 Teilchenidentifizierung durch ALICE - TRD Missidentifikationswahrscheinlichkeit von 0.5%

22 Der AMS-02 TRD für die Internationale Raumstation (ISS) seit 2011 installiert zur Erforschung Dunkler Materie

23 Der AMS-02 TRD für die Internationale Raumstation (ISS) Protonen /Positronen Trennung 328 Module 20 Lagen Ein Modul: PE/PP-Mix Radiator (22mm) 16 Proportional- Zählrohre (6mm) Gas: Xe 80% /CO2 20%

24 Zusammenfassung Übergangsstrahlung: Geladenes Teilchen induziert Spiegelladung elektrisches Dipolfeld Teilchen durchquert Grenzfläche Änderung der Dipolfeldstärke elektromagnetische Abstrahlung = Übergangsstrahlung Abstrahlungswinkel: θtr 1/ γ Photonenergien im Röntgenbereich mit E γ γ nicht nur v (Ionisation, Cherenkovstrahlung etc.) Durch γ -Abhängigkeit gut geeignet für Teilchenidentifikation bei hohen Impulsen! Übergangsstrahlungsdetektoren: Periodische Anordnung von Dielektrika/Lücken Interferenzen Signalverstärkung Radiator: z.b. Li-Folien, PP oder PE Driftkammer: Xe-Füllung wegen hoher Röntgenabsorption Verwendung von TRD s vor allem zur e/π-trennung im Bereich GeV/c Missidentifikationswahrscheinlichkeiten von %

25 Literaturverzeichnis Grupen, Claus: Teilchendetektoren. BI Wissenschaftsverlag, Mannheim 1993 Kleinknecht, Konrad: Detektoren für Teilchenstrahlung. BG Teubner Stuttgart 1984 ATLAS Collaboration: Expected Performance of the ATLAS Experiment Detector, Trigger and Physics. CERN, 2008 Energieverlust und e/π-identifikation im ALICE Transition Radiation Detector, Diplomarbeit R. Bailhache, Darmstadt 2005 Internetquellen und Abbildungen