1904-1990

Teilchenidentifizierung durch Cherenkovstrahlung.
Fliegt ein Teilchen im Medium schneller als die Lichtgeschwindigkeit für
dieses Medium, so entsteht eine Schockwelle von Photonen (Licht).
Pawel Cherenkow
(1904-1990)
Nobelpreis 1958
Die Grenzgeschwindigkeit ist:
βc = v =
c
n
Der Winkel unter dem die Strahlung ausgesandt wird ist:
cosΘ =
1
βn
Der maximale Emissionswinkel ist:
1
cosΘ max =
n
Der Grenzwinkel ist abhängig vom Medium:
Das Hauptproblem für Cherenkovdetektoren besteht in der
geringen Anzahl der erzeugten Photonen:
4 π 2 Z 2 e2 &
1 )
N(υ )dv =
(1− 2 2 + dv
2
hc
' β n *
Photonendetektoren sind empfindlich zwischen 400 nm - 700 nm.
N ph
= 370 ⋅ Z 2 ⋅ ΔE ⋅ sin 2 Θ
cm
mit:
ΔE = h ⋅ ν
Photomultiplier und andere photosensitive Detektoren haben eine
typische Schwelle von 1,2 eV.
➥
N ph
= 450 ⋅ sin 2 Θ
cm
... für ein Teilchen der Ladung 1
Für die Schwelle t gilt:
in Gasen: γGrenz > 17 ; Nph < 1/cm ⇒ ~10 detektierte ph/m
(Transmissions- und Detektionseffizienz ~ 10%)
in Flüssigkeiten: γGrenz < 1.6 ; Nph > 175/cm ⇒ ~2000 detektierte ph/m
Es gibt Cherenkov-Schwellenzähler und Ring Imaging Cherenkov Counter
(RICH).
Cherenkov-Schwellenzähler:
Alle Teilchen, deren Geschwindigkeit grösser ist als die
kritische Geschwindigkeit, erzeugen Licht.
Wähle Zähler so, dass ein Teilchen der Masse 1 strahlt und
ein Teilchen der Masse 2 nicht.
Beispiel Gas: 1 GeV/c Teilchen:
Nur e erzeugen Licht (für π ist γ ≈ 7 < γGrenz )
Die Intensität ist ~ sin2Θ und für γ >> 1 gilt:
2
2
2
c
m
−
m
(
)
2
1
sin 2 Θ =
p2
➥
die erforderliche Menge des Radiators steigt quadratisch
mit dem Impuls der Teilchen an.
Eine Kombination von mehreren Schwellencherenkovzählern mit
unterschiedlichem n erlaubt die Unterscheidung von mehreren
Teilchen.
Ring Imaging Cherenkov Counter (RICH)
Divergierende Strahlen werden auf einen kugelförmigen Detektor
abgebildet.
Der Öffnungswinkel des Ringbildes ist in erster Näherung gleich dem
Cherenkovwinkel:
cosΘ =
1
βn
Der kritische Punkt sind die Photonendetektoren, die UV empfindlich
sein müssen.
Z.B Drahtkammern mit UV-Fenstern:
CaF2 Fenster und Triäthylamin (TEA) als Dampf
Quartz und Tetrakisdimethylaminoäthylen (TMAE)
Ionisationspotential TMAE 5,4 eV, TEA 7,5 eV
Das DIRC Prinzip
Detector of Internally Reflected Cherenkov
light
RICH
DIRC
Camera obscura
10000 PMTs !
Der BaBar DIRC (SLAC)
kompakter als Aerogele;
keine Probleme im Magnetfeld
DELPHI RICh am LEP (CERN):
Driftstrecke für einzelne e bis zu 1.5 m.
Grad
Grad
Grad
Grad
K eff.
π miss-id.
χ2/n=2.4
Pion β=0.9745
47 photons
Reaktion pp ➙ φφ bei √s = 3.6 GeV/c2
DIRC mit TOP (Time Of Propagation)
T1
T2
⇒ weniger Photondetektoren
ΔT ,
DPG 2004 Köln
⇒ verlangt exzellente Zeitauflösung (~ 100 ps)
C. Schwarz
Radiatorenqualität
Verluste an den Kanten
Kante
Kantenschärfe ≈ 50 µm
Spezialhandhabung
Mechanische Halterung
Quartzstäbe innerhalb
einer Wabenstruktur
Ausleseelektronik
und Signalverarbeitung
Spurverfolgung:
Spuren nach Ladung und Impuls
festlegen:
Lagenweise Positionsmessung
innere Lagen: Silizium
➥ Ort durch Siliziumstreifen- oder
oder Pixeldetektoren
äussere Lagen: Gas
➥(Straw-)Driftkammern
➥ Driftzeitbestimmung
Energiemessung in Kalorimetern:
Amplitudenmessung
Ortsbestimmung durch
Segmentation
ATLAS Parameter:
• Si Tracking position to ~10 µm accuracy in rφ (through segmentation) timing to 25 ns
accuracy to separate bunch crossings
• Straw Tracker position to 170 µm at r > 56 cm
• EM calorimeter energy via LAr ionization chambers position through segmentation
• Hadron calorimeter energy via plastic scintillator tiles position through segmentation
• Muon System signal via ionization chambers position through timing measurement
Although these various detector systems look very different, they all follow the same
principles:
• Sensors must determine
1.presence of a particle
2. magnitude of signal
3.time of arrival
• Some measurements depend on sensitivity, i.e. detection threshold, e.g.: silicon tracker, to
detect presence of a particle in a given electrode
• Others seek to determine a quantity very accurately, i.e. resolution, e.g. : calorimeter –
magnitude of absorbed energy; muon chambers – time measurement yields position
All have in common that they are sensitive to:
1. signal magnitude
2. fluctuations
Im ersten Schritt müssen die Signale der einzelnen Detektoren verarbeitet
werden. Dies geschieht in der Front-End Electronic (FEE).
FEE direkt am Detektor hat die Aufgabe:
• das
elektrische Signal des Detektors zu verarbeiten (normalerweise
ein kurzer, kleiner Stromfluss)
• die minimale Signalschwelle zu optimieren
• die gesammelte Ladung zu messen (⇒ Energiemessung)
• hohe Ereignisraten zu verkraften
• Ankunftszeiten des Signals zu bestimmen
• Messungen unabhängig von der Pulsform zu machen
Quelle: Nucl. Instr. Meth. in Phys. Res. A 479, 1
Auslese von Detektoren
Detektor
Detector
Vorverstärker
Amplifier
Shaper
Shaping
Digitalisierung
Digitization
DSP
DSP
Zwischenspeicherung
Buffering
Trigger
Triggering
Multiplexen
Multiplexing
ETC.
...
DAQ
Interface
Interface
DAQ = Data Acquisition
Die Auslesekette
Detector / Sensor
Amplifier
Filter
Shaper
Range compression
clock (TTC)
Sampling
Digital filter
Zero suppression
Buffer
Feature extraction
Buffer
Format & Readout
to Data Acquisition System
Schematische Darstellung der Data Acquisition
Quelle: Nucl. Instr. Meth. in Phys. Res. A 479, 1
Signale
Signale sind normalerweise kurze Strompulse, welche ganz
unterschiedliche Zeitkonstanten haben können:
• ~100 ps für Si-Detektoren
• O(10) µs für anorganische Szintillatoren
Die Größe des Signals hängt von der deponierten Energie pro Ladung
und der Anregungsenergie ab.
Signal
Physikalischer Effekt
Anregungsenergie
Direkter Elektrischer Puls
Ionisation
Szintillationslicht
Anregung von optischen
Zuständen
Anregung von
Gitterschwingungen
30 eV für Gase 1- 10 eV für
Halbleiter
20 – 500 eV
Temperatur
meV
Rauschen von Elektronik und Detektoren
[scholarpedia.org]
Signal/Rauschen-Verarbeitung
Das Gesamtrauschen hängt von der
effektiven Bandbreite ab.
➥ Shapers/Filter
Minimiere die Bandbreite auf das
absolut Wesentliche.
➥ das Interessante ist das Signal/
Rausch Verhältnis und kann dazu
führen, dass man Teile des Signals
unterdrückt, wenn gleichzeitig mehr
Rauschen unterdrückt wird.
Vorgaben durch die Bandbreite des
Detektorsignals.
Möglichst viel
Rauschen entfernen
Optimiere das Signal / Rausch - Verhältnis
Wichtige Konzepte:
die Bandbreite eines Verstärkers ist das Frequenzband für das der
Output ist mindestens 70% des nominellen Werts beträgt
• die Anstiegszeit eines Signals ist definiert als die Zeit in der das
Signal von 10% auf 90% ansteigt
• Schnelle ansteigende Signale brauchen hohe Bandbreite, aber das
Rauschen wird ansteigen → Shapen des Signals um es flacher zu
machen
•
Das Shapen des Signals reduziert die Bandbreite
und damit das Rauschen
... aber nicht übertreiben:
zu breite Pulse führen zu Pile-Up
Detektorelektronik kann folgende Kriterien erfüllen:
• preiswert
• schnell
• stromsparend
⎬
max. 2 gleichzeitig möglich!
Kosten werden durch den Stromverbrauch, die Anzahl/Größe der
Silizium Detektoren und durch die Strahlenhärte diktiert.