Ortsauflösende Gasdetektoren

Ortsauflösende Gasdetektoren
von Johannes Roßnagel
Seit über 20 Jahren sind ortsauflösende Gasdetektoren ein unverzichtbarer Bestandteil der
Hochenergiephysik. Man verwendet sie zum Beispiel zur Impulsbestimmung von Protonen oder
Elementarteilchen in Verbindung mit einem abbildenden Spektrometer (so am MAMI). Der Vorteil der
Gasdetektoren liegt in der kostengünstigen Herstellung und in der Realisierbarkeit
großer
Detektorflächen, bei immer noch guter Ortsauflösung.
Ein Teilchendektor allgemein dient zum Nachweisen von durch ihn hindurch fliegenden Teilchen. Im
Gasdetektor geschieht dies über den Prozess der Ionisation des Füllgases durch die einfallenden
Teilchen (oder auch Strahlung).
Prinzip eines Gasdetektors
Geladene Teilchen lösen im Gas entlang ihrer Bahn Elektronen aus der Hülle der Gasatome, die - bei
genügend hoher kinetischer Energie - ihrerseits wieder Gasatome ionisieren können. Entlang der Spur
des Teilchens entstehen Pakete von ionisierten Gasatomen, sog. „Cluster“. Damit die entstandenen
Elektronen und Ionen nicht wieder rekombinieren, legt man ein elektrisches Feld an. Ist die Feldstärke
hoch genug, werden sämtliche Elektronen und Ionen getrennt, driften an die jeweiligen Elektroden,
und können als elektrisches Signal registriert werden. Diese Anordnugn nennt man Ionisationskammer.
Die Anzahl der entstandenen e--Ion Paare im Gas hängt vom Energieverlust der Teilchen ab. Sie liegt in
der Größenordnung von 100 ionisierten Atomen, oder 30 Clustern, pro Zentimeter Gas.
Um das so erzeugte Signal im Gas zu verstärken, erhöht man die äußere Spannung, wodurch die
Elektronen zwischen ihren Stößen mit den Gasatomen ausreichend kinetische Energie gewinnen, um
diese ionisieren zu können. Es entstehen Elektronen-Lawinen, die sog. Gasverstärkung. Die Stärke des
induzierten Signals hängt vom Ort der Primärionisation ab.
Eine zylindersymmetrische Anordnung
bringt zwei wesentliche Vorteile mit sich:
Durch die 1/r-Abhängigkeit der elektrischen
Feldstärke reichen geringere Spannungen
aus, um dicht am Anodendraht eine
Gasverstärkung zu erzielen, und durch die
erst spät einsetzende Verstärkung bleibt das
induzierte Signal proportional zur Anzahl
primär ionisierter Atome. In diesem Bereich
arbeitende
Kammern
nennt
man
Proportionalkammern.
Erhöht man die Spannung weiter, geht diese
Proportionalität verloren, da ,zusätzlich zur
Ionisation, harte Photonen entstehen, die
ihrerseits Atome ionisieren können. Bei sehr
hohen Spannungen kann auf diese Weise
das gesamte Gas ionisiert werden, und es
sind nur noch Ratenzählungen möglich.
Nach diesem Prinzip arbeitet das GeigerMüller Zählrohr.
Abb. 1: Detektorkennlinie (aus Kleinknecht)
Ortsauflösende Draht- und Driftkammern
Das Prinzip eines ortsauflösenden Gasdetektors ist die Aneinanderreihung vieler Proportionalkammern.
In der Praxis spannt man hierfür viele Anodendrähte in einer Ebene zwischen zwei Kathodenplatten.
Eine solche Kammer nennt man „multi wire proportional chamber“, oder kurz MWPC. Dies war die
erste Umsetzung eines ortsauflösenden Gasdetektors. Mit einer solchen MWPC kann man
Ortsauflösungen von bis zu σ = 0,5mm erzielen.
Ein weiterer großer Schritt in der Entwicklung der
ortsauflösenden Gasdetektoren war die Erfindung
der Driftkammern. Hier geschieht die Ortsbestimmung regressiv über die Driftzeitmessung,
bei bekannter Driftgeschwindigkeit. Wichtig
hierfür ist der Effekt, dass die Driftgeschwindigkeit der Elektronen über einen
weiten Feldbereich konstant bleibt. Der Grund
Abb. 2: MWPC (von en.wikipedia.org)
dafür sind Interferenzen der DeBroglieWellenlänge der Elektronen mit den Hüllenelektronen der Gasatome, die häufigere Stöße mit den
Atomen bedingen (Ramsauer-Effekt).
In der Umsetzung bedient man sich wieder einer Drahtebene zwischen zwei Kathodenplatten, wobei
hier abwechselnd Kathoden- und Anodendrähte eingezogen werden. Dies hat zum Effekt, dass das
Elektrische Feld in der Drahtebene waagerecht zwischen den Drähten verläuft, und man so eine
genauere Kenntnis über die Driftstrecke erlangt. Fliegt nun ein Teilchen durch die Kammer, so ionisiert
es Gasatome entlang seiner Bahn. Hinter der Kammer wird ein Szintillations-Detektor angebracht, durch
dessen Signal eine Stoppuhr gestartet wird. Die
ionisierten Elektronen driften zu den
Anodendrähten, wodurch die Zeitmessung
gestoppt wird, und so der Abstand vom Ort
der Ionisation zum Anodendraht gemessen
werden kann.
Diese Kammern können in zwei verschiedenen
Geometrien betreiben werden. Zum einen
können sie senkrecht in den Teilchenstrahl
gebracht werden, sodass immer nur einer der
Anodendrähte anspricht. Hierbei ist die
horizontale Drift des zum Draht nächsten
Elektrons die entscheidende, weshalb man
Abb. 3: VDC (aus Distler)
solche Kammern „horizontal drift chambers“,
kurz HDC, nennt. Mit Kammern dieses Prinzips lassen sich Auflösungen von σ = 200µm erreichen.
Bringt man sie hingegen unter einem gewissen Winkel in den Teilchenstrahl, so werden mehrere Drähte
ansprechen, man erhält also mehrere Ortspunkte und kann so die Teilchenbahn rekonstruieren. Da hier
die entscheidende Drift vertikal zur Drahtebene verläuft, nennt man diese Kammern „vertical drift
chamber“, oder VDC. Durch diese Methode lässt sich die Messgenauigkeit auf σ = 100µm reduzieren. Je
nach gegebenen äußeren Umständen, nach Zielen der Messung und nach der zur Verfügung stehenden
Mittel, muss von Fall zu Fall neu entschieden werden, welcher der Detektortypen am geeignetsten ist.
Literatur:
W. Leo: Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments (Springer-Verlag)
K. Kleinknecht: Detektoren für Teilchenstrahlung (Teubner)
D. Perkins: Hochenergiephysik (Addison-Wesley)
M. Distler: Aufbau und Test einer vertikalen Driftkammer (1990)