Teilchendetektoren Teil I

Teilchendetektoren
Teil I
European Organisation for Nuclear Research
Lehrerprogramm März 2016
„Magic is not happening at CERN, magic is explained at CERN“ - Tom Hanks
Kristof Schmieden
EP Department
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Impressionen von große Geräten
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2
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3
Impressionen von großen Geräten
• Text
• Text
• Text
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4
Feedback - Fragen - Kommunikation .....
Fragen & Anmerkungen sind jederzeit
erwünscht !!
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5
Inhalt - Teil I
• Welche Teilchen können wir Nachweisen?
• Wechselwirkung von Teilchen mit Materie
• Prinzipien des Teilchennachweises
• Was können wir messen?
• Detektionsprinzipien
• Photonnachweis
• PMT, Photodiode, APD, SiPM
• Siliziumdetektoren
• Gasdetektoren
• Szintillation
• und was es sonst noch gibt
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6
Prolog: Einheiten
• Masse eines Elektrons: 9.1·10-31 kg
• Ruheenergie (E0 = m·c2) eines Elektrons: 8.2·10-14 J = 511 keV
• Oft liest man daher 511 keV als Angabe für die Masse des
Elektrons, es sollte natürlich genauer 511 keV/c2 heißen.
• Häufig verwendet: MeV, GeV, TeV .... wobei c = 1 (und h-quer = 1)
gesetzt wird
Kristof Schmieden
7
Prolog: Teilchen zerfallen
• Fast alle bekannten Teilchen Zerfallen
n (939 MeV) → p+ (938 MeV) + e- (0,5MeV)
µ (106 MeV) → e+ (0,5 MeV) + νe + νµ
Kristof Schmieden
8
Prolog: Teilchen zerfallen
• Fast alle bekannten Teilchen Zerfallen
Halbwertszeit:
n (939 MeV) → p+ (938 MeV) + e- (0,5MeV)
τ = 15 min
µ (106 MeV) → e+ (0,5 MeV) + νe + νµ
τ = 2*10-6s
Kristof Schmieden
8
Prolog: Teilchen zerfallen
• Fast alle bekannten Teilchen Zerfallen
Halbwertszeit:
n (939 MeV) → p+ (938 MeV) + e- (0,5MeV)
τ = 15 min
µ (106 MeV) → e+ (0,5 MeV) + νe + νµ
τ = 2*10-6s
Mittlere Flugstrecke bis Zerfall:
Hängt von der Geschwindigkeit ab:
l = v *τ
Für unsere zwecke meist relativistisch: l = c *τ* γ
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8
Welche Teilchen kennen wir?
• Teilchen über Teilchen: ein Auszug der Teilchen die wir kennen (Masse in MeV)
Leptonen:
e± (0.511), µ± (105.7), τ± (1777)
Neutrinos (Masse klein, aber > 0):
νe, νe, νµ, νµ, ντ, ντ
Quarks:
u (2.3), d (4.8), s (95), c (1275), b (4180), t (173070)
Bosonen:
γ (<10-24), g (0), W± (80385), Z0 (91187), H0 (125900)
Baryonen:
p± (938.3), n (939.6), N(1440), N(1520), N(1535), N(1650), N(1675), N(1680), N(1700), N(1710), N(1720), N(1875),
N(1900), N(2190), N(2220), N(2250), N(2600), Δ(1232), Δ(1600), Δ(1620), Δ(1700), Δ(1905), Δ(1910), Δ(1920),
Δ(1930), Δ(1950), Δ(2420), Λ (1116), Λ(1405), Λ(1520), Λ(1600), Λ(1670), Λ(1690), Λ(1800), Λ(1810), Λ(1820), Λ(1830),
Λ(1890), Λ(2100), Λ(2110), Λ(2350), Σ+ (1189), Σ0 (1193), Σ- (1197), Σ(1385), Σ(1660), Σ(1670), Σ(1750), Σ(1775),
Σ(1915), Σ(1940), Σ(2030), Σ(2250), Ξ0 (1315), Ξ- (1322), Ξ(1530), Ξ(1690), Ξ(1820), Ξ(1950), Ξ(2030), Ω- (1672),
Ω(2250)-, Λ+c (2286), Λc(2295), Λc(2295)+, Λc(2625)+, Λc(2880)+, Λc(2940)+, Σc(2455), Σc(2520), Σc(2800), Ξ+c (2468), Ξ0c
(2471), Ξ’+c (2576), Ξ’0c (2578), Ξc(2645), Ξc(2790), Ξc(2815), Ξc(2980), Ξc(3080), Ω0c (2695), Ωc (2770)0, Λ0b (5619),
Λb(5912)0, Λb(5920)0, Σb (5811), Σ*b (5832), Ξ0b (5788), Ξ-b (5791), Ξb(5945)0, Ω-b (6071)
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9
Welche Teilchen kennen wir?
• Teilchen über Teilchen: ein Auszug der Teilchen die wir kennen
Mesonen:
π± (139.6), π0 (135.0), η (547.9), σ (400-550), ρ (770), ω (782.7), η’ (957.8), f0 (990), a0 (980), φ (1019), h1 (1170), b1
(1229), a1 (1230), f2 (1275), f1 (1282), η (1295), π (1300), a2 (1318), f0 (1370), π1 (1400), η (1409), f1 (1426), ω
(1400-1450), a0 (1474), ρ (1465), η (1476), f0 (1505), f’2 (1525), π1 (1662), η2 (1617), ω (1670), ω3 (1667), π2 (1672), φ
(1680), ρ3 (1689), ρ (1720), f0 (1720), π (1812), φ3 (1854), π2 (1895), f2 (1944), f2 (2011), a4 (1996), f4 (2018), φ (2175),
f2 (2297), f2 (2339)
K± (493.7), K0 (497.6), K0S, K0L, K* (891.7), K1 (1272), K1 (1403), K* (1414), K*0 (1425), K*2 (1426), K* (1717), K2 (1773),
K*3 (1776), K2 (1816), K*4 (2045)
D± (1870), D0 (1865), D*(2007)0, D*(2010)±, D*0(2318)0, D1(2420)0, D*2(2463)0, D*2(2464)±, D±s (1969), D*s± (2112),
D*s0(2317)±, Ds1(2460) ±, Ds1(2535) ±, D*s2 (2572), D*s1(2709)±
B± (5279), B0 (5280), B* (5325), B1(5724)0, B*2(5743) 0, B0s (5367), B*s (5415), Bs1(5829)0, B*s2(5840)0, B±c (6275),
ηc(1S) (2984), J/ψ(1S) (3097), χc0(1P) (3415), χc1(1P) (3511), hc(1P) (3525), χc2(1P) (3556), ηc(2S) (3639), ψ(2S) (3686), ψ
(3373), X (3872), χc0(2P) (3918), χc2(2P) (3927), ψ (4039), ψ (4153), X (4250), X (4361), ψ (4421), X (4664), ϒ(1S) (9460),
χb0(1P) (9859), χb1(1P) (9893), hb(1P) (9899), χb2(1P) (9912), ϒ(2S) (10023), ϒ(1D) (10174), χb0(2P) (10233), χb1(2P)
(10255), χb2(2P) (10269), ϒ(3S) (10355), χb(3P) (10534), ϒ(4S) (10579), ϒ (10876), ϒ (11019)
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10
Welche Teilchen können wir nachweisen?
• Nur solche die lange genug ,stabil‘ sind!
• Müssen Detektor erreichen / durchqueren
e±, µ±, τ±, νe, νe, νµ, νµ, ντ, ντ
u, d, s, c, b, t
γ, g, W±, Z0, H0
c *τ > 1 µm
typischer γfaktor: 10 - 1000
π±, π0, η, σ, ρ, ω, η’, f0, a0, φ, h1, b1, a1, f2, f1, η, π, a2, f0, π1, η, f1, ω, a0, ρ, η, f0, f’2, π1, η2, ω, ω3, π2, φ, ρ3, ρ, f0, π,
φ3, π2, f2, f2, a4, f4, φ, f2, f2
K±, K0, K0S, K0L, K*, K1, K1, K*, K*0, K*2, K*, K2, K*3, K2, K*4
D±, D0, D*0, D*±, D*00, D10, D*20, D*2±, D±s, D*s±, D*s0±, Ds1±, Ds1±, D*s2, D*s1±
B±, B0, B*, B10, B*20, B0s, B*s, Bs10, B*s20, B±c, ηc(1S), J/ψ(1S), χc0(1P), χc1(1P), hc(1P), χc2(1P), ηc(2S), ψ(2S), ψ(3373),
X(3872), χc0(2P), χc2(2P), ψ, ψ(4153), X(4250), X(4361), ψ(4421), X(4664), ϒ(1S), χb0(1P), χb1(1P), hb(1P), χb2(1P), ϒ(2S),
ϒ(1D), χb0(2P), χb1(2P), χb2(2P), ϒ(3S), χb(3P), ϒ(4S), ϒ(10876), ϒ(11019)
p±, n, N(1440), N(1520), N(1535), N(1650), N(1675), N(1680), N(1700), N(1710), N(1720), N(1875), N(1900), N(2190),
N(2220), N(2250), N(2600), Δ(1232), Δ(1600), Δ(1620), Δ(1700), Δ(1905), Δ(1910), Δ(1920), Δ(1930), Δ(1950),
Δ(2420), Λ, Λ(1405), Λ(1520), Λ(1600), Λ(1670), Λ(1690), Λ(1800), Λ(1810), Λ(1820), Λ(1830), Λ(1890), Λ(2100),
Λ(2110), Λ(2350), Σ+, Σ0, Σ-, Σ(1385), Σ(1660), Σ(1670), Σ(1750), Σ(1775), Σ(1915), Σ(1940), Σ(2030), Σ(2250), Ξ0, Ξ-,
Ξ(1530), Ξ(1690), Ξ(1820), Ξ(1950), Ξ(2030), Ω-, Ω(2250)-, Λ+c, Λc(2295), Λc(2295)+, Λc(2625)+, Λc(2880)+, Λc(2940)+,
Σc(2455), Σc(2520), Σc(2800), Ξ+c, Ξ0c, Ξ’+c, Ξ’0c, Ξc(2645), Ξc(2790), Ξc(2815), Ξc(2980), Ξc(3080), Ω0c, Ωc0, Λ0b,
Λb(5912)0, Λb(5920)0, Σb, Σ*b, Ξ0b, Ξ-b, Ξb(5945)0, Ω-b
Kristof Schmieden
11
Welche Teilchen können wir nachweisen?
c *τ > 500 µm
typischer γfaktor: 10 - 1000
±
e,
±
µ,
νe, νe, νµ, νµ, ντ, ντ
c *τ > 500 µm
γ
für γ= 20:
π±, K±, K0 ( K0S, K0L )
(∞ für p & γ)
Reichweiten zwischen 13km (µ)
und 0,5 m (K0s)
p±, n,
+
0
Σ ,Σ,Ξ ,Ξ,Ω
Spielen keine Rolle
für uns
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12
Wechselwirkung von Teilchen mit Materie
Kristof Schmieden
13
Interaktion von Teilchen mit Materie
Leptonen: EM, schwache Wechselwirkung
Hadronen: EM, schwache, starke Wechselwirkung
e-
e±,µ±,p±,...
Kristof Schmieden
14
Interaktion von Teilchen mit Materie
Leptonen: EM, schwache Wechselwirkung
Hadronen: EM, schwache, starke Wechselwirkung
Ionisation
Elastische Streuung
Rückstoß am Atom /
Kristallgitter → Phonen
Inelastische Streuung
e-
e±,µ±,p±,...
Kristof Schmieden
14
Interaktion von Teilchen mit Materie
Leptonen: EM, schwache Wechselwirkung
Hadronen: EM, schwache, starke Wechselwirkung
Ionisation
Elastische Streuung
Rückstoß am Atom /
Kristallgitter → Phonen
Inelastische Streuung
e-
e±,µ±,p±,...
Elektromagnetische Wechselwirkung
Kristof Schmieden
14
Interaktion von Teilchen mit Materie
Leptonen: EM, schwache Wechselwirkung
Hadronen: EM, schwache, starke Wechselwirkung
Ionisation
Elastische Streuung
Rückstoß am Atom /
Kristallgitter → Phonen
Inelastische Streuung
e-
e±,µ±,p±,...
Elektromagnetische Wechselwirkung
Kristof Schmieden
Elektromagnetische oder
Schwache oder
Starke Wechselwirkung
14
Interaktion von Teilchen mit Materie
Leptonen: EM, schwache Wechselwirkung
Hadronen: EM, schwache, starke Wechselwirkung
eγ
e+
γ\
e-
γ\\
Kristof Schmieden
15
Interaktion von Teilchen mit Materie
Leptonen: EM, schwache Wechselwirkung
Hadronen: EM, schwache, starke Wechselwirkung
eγ
e+
γ\
e-
γ\\
Elektromagnetische Wechselwirkung
Kristof Schmieden
15
Interaktion von Teilchen mit Materie
Leptonen: EM, schwache Wechselwirkung
Hadronen: EM, schwache, starke Wechselwirkung
Compton
Streuung
Paarbildung
Bremsstrahlung
Ionisation
eγ
e+
γ\
e-
γ\\
Elektromagnetische Wechselwirkung
Kristof Schmieden
15
‣ Merke: Energieverlust‣ in
Materie
- geladene
Teilchen
Große
Ionisationsverluste
bei niedrigen
Energien
Minimum bei o(GeV) => MIP
‣
• Energieverlust abhängig von:
• Teilchenart (m), Teilchenimpuls (p) & Absorbermaterial (Z)
[1]
Total
kritische Energie
Ionisation
Bremsstrahlung
Kristof Schmieden
16
‣ Große Ionisationsverluste bei niedrigen Energien
Energieverlust‣ in
Materie
- geladene
Teilchen
Minimum
bei o(GeV)
=> MIP
• Energieverlust wird beschrieben durch Bethe-Bloch Formel:
[1]
2
27. Passage of particles through matter
27.2. Electronic energy loss by heavy particles [1–22, 24–30, 82]
Moderately relativistic charged particles other than electrons lose energy in matter
primarily by ionization and atomic excitation. The mean rate of energy loss (or stopping
power) is given by the Bethe-Bloch equation,
!
"
2β2 γ 2T
dE
Z
1
1
2m
c
δ(βγ)
e
max
2
−
= Kz 2
ln
−
β
−
.
(27.1)
dx
A β2 2
2
I2
Here Tmax is the maximum kinetic energy which can be imparted to a free electron in a
collision,
and the other variables are defined in Table
27.1. With K as zum
defined in
Z: single
Atomare
Ladungszahl
δ: Dichte-korrektur
27.1 and A in g mol−1 , the units are MeV g−1 cm2 .Ionisationsbeitrag
A: Table
Atomgewicht
I: mittlere
desequation
Absorbers
In thisAnregungsenergie
form, the Bethe-Bloch
describes the energy loss of pions in a material
Tmaxsuch
: max.
auf accuracy
freies Elektron
as Energieübertrag
copper to about 1%
for energies between about 6 MeV and 6 GeV
ze: (momenta
Ladung des
Einlaufenden
Teilchens
between
about 40 MeV/c
and 6 GeV/c). At lower energies various corrections
Kristof Schmieden
17
Energieverlust in Materie - geladene Teilchen
4 27. Passage
of particles through matter
Materialien:
• Energieverlust in unterschiedlichen
[1]
10
− dE/dx (MeV g−1cm2)
8
6
5
4
He gas
3
2
1
0.1
Sn
Pb
1.0
0.1
Minimalionisierendes
Teilchen
0.1
0.1
Kristof Schmieden
H2 liquid
1.0
10
100
βγ = p/Mc
Fe
Al
C
1000
10 000
1.0
10
100
Muon momentum (GeV/c)
1000
1.0
10
100
Pion momentum (GeV/c)
10
100
1000
Proton momentum (GeV/c)
1000
10 000
Figure 27.3: Mean energy loss rate in liquid (bubble chamber) hydrogen, gaseous
helium, carbon, aluminum, iron, tin, and lead. Radiative effects, relevant for
muons and pions, are not included. These become significant for muons in iron for
18
βγ >
∼ 1000, and at lower momenta for muons in higher-Z absorbers. See Fig. 27.21.
Energieverlust in Materie - Photonen
1b
κ nuc
σCompton
10 mb
Photoeffekt
κe
(b) Lead (Z = 82)
Cross section (barns / atom)
1 Mb
??
- experimental σtot
σp.e.
σRayleigh
1 kb
κ nuc
σg.d.r.
1b
Compton Effekt
10 mb
10 eV
[2]
Kristof Schmieden
κe
σCompton
1 keV
1 MeV
Photon Energy
1 GeV
100 GeV
Figure 27.14: Photon total cross sections as a function of energy in
lead, showing the contributions of different processes:
Paarbildung
σp.e. = Atomic photoelectric effect (electron
ejection, photon a
σRayleigh
σ
(Kern / Elektron)
= Rayleigh (coherent) scattering–atom neither ionized no
19
= Incoherent scattering (Compton scattering off an electr
Intermezzo - Rayleigh Streuung
• Oder: warum der Himmel blau ist
• Streuung von Licht an Objekten klein zur Wellenlänge:
ω ≪ ω0
• Streuwahrscheinlichkeit:
σ(ω) ∝ σTh (ω/ω0)4
• blaues Licht: kleinere Wellenlänge → größeres ω = 2πf
= 2πc /λ
größerer Streuquerschnitt
Kristof Schmieden
20
Detektionsprinzipien
Kristof Schmieden
21
Was können wir messen? Und wie?
Kristof Schmieden
22
Was können wir messen? Und wie?
Strom
Kristof Schmieden
Spannung
Temperatur
23
Was können wir messen? Und wie?
Strom
Spannung
Temperatur
• Zeigerinstrument
Kristof Schmieden
23
Was können wir messen? Und wie?
Strom
Spannung
Temperatur
• Zeigerinstrument
• Ladezeit eines Kondensators
• U = R*I
• DAC
• Länge / Volumen
• R(T) & U = T*I
Kristof Schmieden
23
Was können wir messen? Und wie?
Strom
Spannung
Temperatur
• Zeigerinstrument
• Ladezeit eines Kondensators
• U = R*I
• DAC
• Länge / Volumen
• R(T) & U = T*I
Ladung
Zeit
• Zählen
• Elektrometer
• Spannung eines Kondensators
Kristof Schmieden
24
Photonen - je nach Energiebereich .....
Sichtbar - UV
• Photo multiplier tube (PMT) - Sekundärelektronenvervielfacher
• Umwandlung: Licht → Strom
Stromsignal
Kristof Schmieden
25
Photonen - je nach Energiebereich .....
Sichtbar - UV
Avalanche Photo Diode (APD)
• Halbleitersensoren:
Proportional Bereich: Verstärkung: 100-500
Geier-Bereich (> Durchbruchspannung):
Erzeugen die Elektronenvervielfachung
durch den kontrollierten ,Durchbruch‘ einer
Silizium-Diode
Verstärkung bis 108
→ Totzeit ~ 10-100ns (lange!)
Kristof Schmieden
26
Photonen
- je nach Energiebereich .....
Lichtnachweis
Sichtbar
Hochenergetisch
&man
Ionisierende
Strahlung
Nun haben-wir
(wenig) Licht - wie kann
dieses Detektieren?
Silizium Photomultiplier
(SiPM):
Modern: Silizium-Photomultiplier
(SiPMs, MPPCs)
• ‣Halbleitersensoren:
durchAPDs,
den kontrollierten
‣ Erzeugen die Elektronenvervielfachung
Im array angeordnete
kollektive Auslese
Lawinendurchbruch einer
Silizium-Diode
industriell gefertigt
• Billig,
hohe
granularität
• Kompakt,
kompakt,
niedrige
Spannungen, hohe
‣ Vorteile: Industriell gefertigt,
Effizienz
verglichen mit PMT
• Geringe
Granularität durch (sehr)
viele Kanäle
möglich
• Hohes rauschen (Dunkelstrom)
‣ Nachteile: Teilweise hohe Dunkelrate, geringere Effizienz
13
Kristof Schmieden
27
Photonen - je nach Energiebereich .....
Sichtbar - UV
Photodiode:
• Halbleitersensoren:
• Dünne p dotierte Schicht (wenige µm), Licht dringt bis
zum p-n Übergang vor.
γ
• Strom- (Ladungs-) Signal proportional zur Lichtintensität
-
+
Im Array angeordnet:
• Auslese nur in letzter Zeile
• Transport der Ladung entlang der Spalten
‣ Charged coupled device (CCD)
Kristof Schmieden
28
Photonen & geladene Teilchen
Hochenergietisch
Depletierte Diode (Spannung in Sperrichtung):
• Halbleitersensoren:
Ladungssignal, keine interne Verstärkung
MIP in 250µm Si: ~25k Elektronen
Depletionsspannung: ~100V
n+
p+
Kristof Schmieden
29
Photonen & geladene Teilchen
Hochenergietisch
Depletierte Diode (Spannung in Sperrichtung):
• Halbleitersensoren:
Ladungssignal, keine interne Verstärkung
MIP in 250µm Si: ~25k Elektronen
Depletionsspannung: ~100V
n+
• Anordnung in Streifen: • Anordnung in Pixel:
• Länge ~cm
• In Atlas: 50µm x 500µm
• Abstand ~20µm
3.3 Sensors principles
p+
Kristof Schmieden
Figure 3.5: Schematic cross section of a semiconductor sensor. The passing 29
particle
creates free charge carriers in the bulk which get separated in the electric field pro-
Halbleiter Detektoren, quo vadis?
• Rauschen proportional zur Detektorkapazität
• großer Abstand
• viel Vielfachstreuung: sehr schlecht
• hohe Spannung erforderlich
• Anfällig für Strahlungsschäden
• kleine Fläche
• hohe Zahl an Kanälen
Kristof Schmieden
C=ε*A/d
d
A
3D - Sensoren:
weniger Anfällig für Strahlenschäden
•Text
• bessere Ladungssammlungseigenschaftung
30
Diamond sensors are solely composed of the CVD-diamond1 bulk and metal electrodes on the top and the bottom. Contrary to silicon a diode junction is not
required. The bulk material directly acts as solid state ionization chamber. Figure 8.1 illustrates the concept of a hybrid diamond pixel detector.
Halbleiter Detektoren, quo vadis?
• Diamant (Isolator) als aktives Medium
( Ionisationskammer )
• extrem Strahlenhart
• praktisch keine freien Ladungsträger
• praktisch kein Leckstrom
• gute Ladungssammlungseigenschaften
Figure 8.1: Schematic view of a hybrid diamond pixel detector
For the sensors poly-crystalline (pCVD) as well as single crystalline (scCVD)
CVD-diamond is commercially available. While pCVD diamond can be fabricated
in wafers of up to 12 cm in diameter, scCVD diamond is at present only available
in pieces of about 1 cm2 . The properties of the different diamond materials and the
benefits of diamond regarding radiation hardness have been outlined in chapter 3.4
and chapter 4.2.
Especially the option to operate without low temperature cooling and the achievable signal-to-noise ratio after high irradiation render them very promising for detectors close to the interaction point. To prove the feasibility of a diamond pixel
detector with a size reasonable for a real detector, an ATLAS-like 16 chip module
with a poly-crystalline sensor of 2 ⇥ 6 cm2 has been produced and characterized.
Results will be presented in section 8.2.
1
Chemical Vapor Deposition (CVD). See chap. 3.4
73
Kristof Schmieden
31
Diamond sensors are solely composed of the CVD-diamond1 bulk and metal electrodes on the top and the bottom. Contrary to silicon a diode junction is not
required. The bulk material directly acts as solid state ionization chamber. Figure 8.1 illustrates the concept of a hybrid diamond pixel detector.
Halbleiter Detektoren, quo vadis?
• Diamant (Isolator) als aktives Medium
( Ionisationskammer )
• extrem Strahlenhart
• praktisch keine freien Ladungsträger
• praktisch kein Leckstrom
• gute Ladungssammlungseigenschaften
• Interne Verstärkung
Figure 8.1: Schematic view of a hybrid diamond pixel detector
For the sensors poly-crystalline (pCVD) as well as single crystalline (scCVD)
CVD-diamond is commercially available. While pCVD diamond can be fabricated
in wafers of up to 12 cm in diameter, scCVD diamond is at present only available
in pieces of about 1 cm2 . The properties of the different diamond materials and the
benefits of diamond regarding radiation hardness have been outlined in chapter 3.4
and chapter 4.2.
Especially the option to operate without low temperature cooling and the achievable signal-to-noise ratio after high irradiation render them very promising for detectors close to the interaction point. To prove the feasibility of a diamond pixel
detector with a size reasonable for a real detector, an ATLAS-like 16 chip module
with a poly-crystalline sensor of 2 ⇥ 6 cm2 has been produced and characterized.
Results will be presented in section 8.2.
• effektiv sehr viel kleinere
Detektorkapazität
• geringere externer Verstärkung nötig
1
Chemical Vapor Deposition (CVD). See chap. 3.4
73
Kristof Schmieden
31
Diamond sensors are solely composed of the CVD-diamond1 bulk and metal electrodes on the top and the bottom. Contrary to silicon a diode junction is not
required. The bulk material directly acts as solid state ionization chamber. Figure 8.1 illustrates the concept of a hybrid diamond pixel detector.
Halbleiter Detektoren, quo vadis?
• Diamant (Isolator) als aktives Medium
( Ionisationskammer )
• extrem Strahlenhart
• praktisch keine freien Ladungsträger
• praktisch kein Leckstrom
• gute Ladungssammlungseigenschaften
FET gate
• Interne Verstärkung
p+ sourc
Figure 8.1: Schematic view of a hybrid diamond pixel detector
e
For the sensors poly-crystalline (pCVD) as well as single crystalline (scCVD)
CVD-diamond is commercially available. While pCVD diamond can be fabricated
in wafers of up to 12 cm in diameter, scCVD diamond is at present only available
in pieces of about 1 cm2 . The properties of the different diamond materials and the
benefits of diamond regarding radiation hardness have been outlined in chapter 3.4
and chapter 4.2.
Especially the option to operate without low temperature cooling and the achievable signal-to-noise ratio after high irradiation render them very promising for detectors close to the interaction point. To prove the feasibility of a diamond pixel
detector with a size reasonable for a real detector, an ATLAS-like 16 chip module
with a poly-crystalline sensor of 2 ⇥ 6 cm2 has been produced and characterized.
Results will be presented in section 8.2.
clear gat
e
n+ clear
amlifier
p+ drain
• effektiv sehr viel kleinere
Detektorkapazität
• geringere externer Verstärkung nötig
1
deep n-d
oping
’internal
gate’
Chemical Vapor Deposition (CVD). See chap. 3.4
73
depleted
n-Si bulk
deep p-w
ell
p+ back
Kristof Schmieden
contact
31
Apropos Ionisationskammer
Gasdetektoren
Kristof Schmieden
32
Apropos Ionisationskammer - Gasdetektoren
• Ladungsseparation durch ionisation
• Ladung drifted in angelegtem E Feld zu Elektroden
• Verstärkung bei großem E-Feld durch Stoßionisation
• Sekundärionisation
• Elektronenlawine (Durchbruch) → Entladung
Kristof Schmieden
33
Gasdetektoren - MWPC
• Multiwire proportional chamber - Drahtkammer
• Anoden in Form von dünnen Drähten
• hohes Feld in Drahtnähe → Elektronenvervielfachung (Signalverstärkung)
• Viele Drähte im Abstand von ~mm
• gute Ortsauflösung eines durchquerenden Teilchens
• große Flächen
Kristof Schmieden
34
Gasdetektoren - MWPC
• Multiwire proportional chamber - Drahtkammer
• Anoden in Form von dünnen Drähten
• hohes Feld in Drahtnähe → Elektronenvervielfachung (Signalverstärkung)
• Viele Drähte im Abstand von ~mm
• gute Ortsauflösung eines durchquerenden Teilchens
• große Flächen
Kristof Schmieden
34
Gasdetektoren - MWPC
• Multiwire proportional chamber - Drahtkammer
• Anoden in Form von dünnen Drähten
• hohes Feld in Drahtnähe → Elektronenvervielfachung (Signalverstärkung)
• Viele Drähte im Abstand von ~mm
• gute Ortsauflösung eines durchquerenden Teilchens
• große Flächen
• Weiterentwicklung:
• Cathod strip chamber
Kristof Schmieden
34
Gasdetektoren - Drift tubes
• Problem der MWPC: reisende Drähte (z.B. durch Funken)
• Kammer evtl. unbenutzbar durch Kurzschluss!
• Lösung: Drift tubes
• Jeder Draht umhüllt
• Messe Driftzeit zur Verbesserung der Ortsauflößung
Kristof Schmieden
35
Gasdetektoren - Micromegas
• Bessere Ortsauflösung & höhere Teilchenrate?
• größere Granularität → kleineres Ladungssammlungsvolumen pro Kanal
Kristof Schmieden
36
Gasdetektoren - GEM
• Bessere Ortsauflösung & höhere Teilchenrate?
• größere Granularität → kleineres Ladungssammlungsvolumen pro Kanal
Verstärkung
Auslese
Kristof Schmieden
37
Gasdetektoren - TPC
• Time projection chamber
• 3D Ortsauflösung bei sehr geringem Detektor Material
• sehr große Volumina möglich
• 2D Projektion einer Teilchenspur; 3te Dimension aus Zeitinformation
E-Feld
Kristof Schmieden
38
Szintillation
Kristof Schmieden
39
Szintillation
• Umwandlung von Anregungsenergie in Licht
Abregung
Lumineszenz
Anregung
Leitungsband
Trap
Valenzband
• Im Detail sehr komplexer Vorgang
• Viele Zwischenniveaus
• Strahlende und nicht strahlende Übergänge
• Anregung von anderen Elektronen durch emittiertes Photon
• Geschickte Wahl der Zustände und möglichen Übergänge
• ...
• Materialien:
• Anorganische Kristalle / Flüssigkeiten / Edelgase
• Organische Kunststoffe / Flüssigkeiten
Kristof Schmieden
40
Szintillation
• Umwandlung von Anregungsenergie in Licht
• Nur Bruchteil umgewandelt!
• Auslese typisch mit PMT
• Anorganische Kristalle:
• NaI, PbWO4, BaF, ...
• Relativ langsam: 10-1000 ns Abklingzeit
• Hohe Dichte
• Wellenlänge: 300-500nm
• z.T. hygroskopisch
• ,Plastikszintillator‘ (organisch):
• Reichhaltige Auswahl
• Schnell: 1-10 ns Abklingzeit
• Geringe Dichte
• Wellenlänge: 300-400nm
• Einfach zu bearbeiten, beliebige Formen
Kristof Schmieden
41
Was gibt es noch?
Kristof Schmieden
42
Cherenkovlicht
Teilchenidentifikation
• Wird emittiert wenn sich ein geladenes Teilchen schneller als mit
mit den Vorarbeiten, aber zwei Effekte fehlen noch,
‣ Wir sind beinahe fertig
Lichtgeschwindigkeit
bewegt.
die zur Teilchenidentifikation benutzt werden: → Kein Problem
einem Medium:
< cgeladenes
• Unmöglich?
0 (z.B. Wasser)
Wird in
emittiert,
wenn sichcein
Teilchen
‣ Cherenkov-Strahlung:
schneller als mit Lichtgeschwindigkeit bewegt
• Öffnungswinkel abhängig von Geschwindigkeit cos(θ)= c‘ / v
Einstein?!? Kein Problem, in Medien (z.B. Wasser) ist die
• ‣Geschwindigkeitsmessung
Lichtgeschwindigkeit kleiner als c
‣ Bei gleicher Gesamtenergie sind ruhemassereiche Teilchen langsamer als
massearme, eine Separation mittels der (Nicht-)Emission von CherenkovPhotonen in einem geeigneten Medium ist möglich
‣ Lichtdetektion wieder mit (Si)PMs
16
Kristof Schmieden
43
Cherenkovlicht
•
Öffnungswinkel abhängig von Geschwindigkeit cos(θ)= c‘ / v
• Geschwindigkeitsmessung
• Messung des öffnungswinkels = Messung des Lichtkegelradius
Fokussierend
LHCb
Approximierend
Kristof Schmieden
44
Cherenkovlicht
•
Öffnungswinkel abhängig von Geschwindigkeit cos(θ)= c‘ / v
• Geschwindigkeitsmessung
• Messung des öffnungswinkels = Messung des Lichtkegelradius
LHCb
Fokussierend
Approximierend
Kristof Schmieden
AMS-02
44
Cherenkovlicht - Nachweis von Neutrinos
Nachweis als Chere
• Wechselwirkung ausschließlich über schwache Wechselwirkung!
Die Neutrinos erzeugen je na
!
Nachweis als Cherenkov-Licht
!
Die Neutrinos erzeugen je nach
Flavour
oder Elekt
Diese
sindMyonen
sehr energiereich
!
➔Cherenkov-Licht
!
Photomultiplier detektieren d
Daraus
kann sich
die Flugrichtung
Diese sind sehr energiereich und
bewegen
im Wasser
➔Cherenkov-Licht
Elektronen erzeugen „ausge
Photomultiplier detektieren die Zahl der Photonen und ihre
Daraus kann die Flugrichtung und Energie des Neutrinos re
Elektronen erzeugen „ausgefranste“ Cherenkov-Ringe ➔ N
Kristof Schmieden
45
Übergangsstrahlung
• Tritt an Grenzflächen zwischen Medium mit unterschiedlicher optischer Dichte auf
• Emission von Photonen (typisch Röntgenstrahlung) beim Durchgang geladener
Teilchen
• Kein Schwellenverhalten
• Emission von zurückfallenden Dipolen ausgelöscht durch destruktive Interferenz
• Nicht möglich an Grenzfläche
‣ Photon Emission
Kristof Schmieden
46
Zusammenfassung
Kristof Schmieden
47
Zusammenfassung
• Teilchen und deren Lebensdauer
• Direkt messbare Größen
• Halbleiter Detektoren
• Gas-Detektoren
• Szintillatoren
• Chenrenkov
Kristof Schmieden
48
Morgen:
Detektorsysteme
Kristof Schmieden
49
Referenzen
Kristof Schmieden
50
Referenzen
• [1]
• [2]
• [3]
• [4]
• [5]
Particle Data group: http://pdg.lbl.gov/2015/reviews/rpp2015-rev-passage-particles-matter.pdf
Von EoD - Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1349742
by Jkrieger, Gemeinfrei, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=732808
Von Kirnehkrib - Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=17725203
By Dougsim - Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=22422020
Kristof Schmieden
51