Detektoren für geladene Teilchen: Sensoren 16.05.2014

Detektoren für geladene Teilchen:
Sensoren
16.05.2014
FAKULTÄT FÜR PHYSIK UND ASTRONOMIE
Seminar zur Kern- und Teilchenphysik |Prof. Dr. U. Wiedner
Seminarvortrag von Ann Kathrin Sliwa
Gliederung
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Was sind Detektoren
Historischer Einblick:
Die Fotoplatte
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Die Blasenkammer
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Das Geiger-Müller-Zählrohr
Detektorenarten für geladene Teilchen :
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Gasdetektoren
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Halbleiterzähler
Vor- und Nachteile
Ausblick
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Literaturverzeichnis
Bildquellen
Detektoren für geladene Teilchen: Sensoren
|Bochum, 16.05.2014 | Ann Kathrin Sliwa
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Was sind Detektoren?
lat.: detegere, detectum, bedeutet „aufdecken“
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Nachweis und Bestimmung der Eigenschaften von Teilchen
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ionisierende Wirkung, Anregung der Atome und Bremsstrahlung
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Historischer Einblick
Die Fotoplatte
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Bequerel 1896
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durch radioaktive Strahlung geschwärzt
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Historischer Einblick
Die Blasenkammer
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D.A. Glaser (1960 Nobelpreis)
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Funktionsweise:
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flüssiges Gas in Druckbehälter
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nahe Siedepunkt
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durch Kolben Volumen
expandiert
Siedepunkt überschritten
Blasenbildung entlang der
Teilchenspur
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Historischer Einblick
Die Blasenkammer
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Aufnahmen einzeln auswerten
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langsam
→ kaum noch im Einsatz
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Historischer Einblick
Das Geiger-Müller-Zählrohr
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H. Geiger (1928 veröffentlicht)
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Funktionsweise:
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Gas durch Strahlung ionisiert
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Freigesetzte Elektronen zum
Draht beschleunigt
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Ladung wird gezählt
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relativ lange Totzeit
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relativ lange Erholungszeit
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gute Empfindlichkeit
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Detektorarten von geladenen Teilchen
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einfachstes Gerät: Ionisationskammer
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entstehende Ladung erzeugt Stromimpuls
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Nachteile: Ortsauflösung beschränkt, lange Sammelzeit, kleine Signale
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Zwei Arten von Spurendetektoren:
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Gasgefüllte Detektoren
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Halbleiterzähler
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Gasgefüllte Detektoren
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Wichtige Eigenschaften
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ionisierbares Gas (Argon)
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Erzeugung Elektron-Ion-Paare
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elektrisches Feld, das in nähe des Drahtes stärker wird
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Gasverstärkung nahe des Drahtes
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Gasgefüllte Detektoren
Vieldrahtproportionalkammer
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G. Charpak, 1992 Nobelpreis
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mehrere Drähte in Gasvolumen
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typische Drahtdicke entspricht 1%
des Drahtabstandes
Ortsauflösung bestimmt durch
Drahtabstand (σ=d/√(12))
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Gasgefüllte Detektoren
Driftkammer
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Verbesserung Ortsauflösung
(typisch: σ=150 μm)
erreicht durch Zeitmessung
(externer Zähler)
Driftgeschwindigkeit: ν=1-4
cm/μs
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Halbleiterzähler
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Halbleiterkristall aus Silizium oder Germanium
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Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren
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Verschiedene Typen von Halbleiterdetektoren
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Halbleiterzähler
p-n-Übergang
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n-Halbleiter dotiert mit Arsen oder
Phosphor
p-Halbleiter dotiert mit Bor oder
Indium
Entstehung der Verarmungszone
→p-n-Verbindung wirkt als Diode
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Empfindlichkeit durch Sperrstrom
begrenzt
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Halbleiterzähler
Streifendetektor
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p-Schicht in Streifen
→ hohe Ortsauflösung
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Typische Breite: 3-20 μm
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Abstand: 20-100 µm
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geringe Schichtdicke
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Halbleiterzähler
Streifendetektoren
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p-Schicht in Streifen
n-Schicht in Streifen (senkrecht)
→zweidimensionale Ortsauflösung
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Mehrdeutigkeit bei Mehrfachtreffern
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Halbleiterzähler
Pixeldetektoren
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Streifen in Pixel unterteilt
Pixel liefert zweidimensionale
Information
Keine Zuordnung wie bei
Streifendetektoren nötig
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Halbleiterzähler
Pixeldetektoren
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Problem: Verbindung Pixel mit
Elektronik
Sensor und Elektronik auf zwei
getrennten Chips
→ durch leitendes Kügelchen
verbunden
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Mindestgröße der Sensorpixel
bestimmt durch Elektronik
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Vor- und Nachteile
gasgefüllten Detektoren:
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Ortsauflösung:
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Vieldrahtp. σ=700 µm
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Driftkammer σ=100-200 µm
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Vieldrahtp. t=2 ns
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●
Driftkammer t=2 ns
Totzeit:
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Vieldrahtp. tt=20-200 ns
●
Driftkammer tt=20-100 ns
Ortsauflösung:
●
Zeitauflösung:
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●
Halbleiterzähler:
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Streifendetektor
σ= Abstand/(3 bis 7) µm
Pixeldetektor σ≤10 µm
Zeitauflösung:
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Streifendetektor wenige ns
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Pixeldetektor wenige ns
Totzeit:
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Streifendetektor tt≤50 ns
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Pixeldetektor tt≤50 ns
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Vor- und Nachteile
Gasgefüllte Detektoren
Halbleiterdetektoren
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Größer, da in der Produktion günstiger
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Drähte reißen relativ schnell
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→ straw tubes
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gute Orts- und Energieauflösung
benötigen wenige eV
Ionisationsenergie
bei Pixeldetektoren aufwendige
Elektronik
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Ausblick
Micro-Pattern Gas Detektoren
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basierend auf Gasdetektoren
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leistungsstark und robust
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Ortsauflösung σ= 70-100 µm, Zeitauflösung t≈10 ns
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zwei Arten:
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GEM
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Micromegas
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Ausblick
Micromegas
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Micro-mesh gaseous structure
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Zwei Regionen
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Driftbereich
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Verstärkungsraum
Anodensreifen detektieren
Lawinen
→gute Ortsauflösung
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Literaturverzeichnis
Amsler, C.: Kern- und Teilchenphysik: Hochschul- Verlag AG an der ETH, Zürich 2007
Beringer J. et al:.(PDG), PR D86, 010001 (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:
http://www.dieter-heidorn.de/Physik/VS/StrukturMaterie/K09_Radioaktivitaet/K09_Radioaktivitaet.html
http://hep1.physik.uni-bonn.de/fileadmin/Publications/ATLAS_Pixels/diss_keil.pdf
http://unizh.web.cern.ch/unizh/Publications/Articles/diploma_glaettli.pdf
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Bildquellen
http://www.techniklexikon.net/d/blasenkammer/blasenkammer.htm
http://physicsmasterclasses.org/exercises/hands-on-cern/pictures/de_track2en.jpg
http://www.physik4all.de/bilder/jgs13/kernphysik/geiger_mueller_zaehlrohr.gif
http://elektronik-pr.de/wp-content/uploads/2010/04/Modul-zum-Aufbau-des-ATLAS-PixelDetektor-am-Large-Hadron-Collider-LHC-am-CERN-in-Genf.jpg
http://elektronik-pr.de/wp-content/uploads/2010/04/Modul-zum-Aufbau-des-ATLAS-PixelDetektor-am-Large-Hadron-Collider-LHC-am-CERN-in-Genf.jpg
http://www.bilt-system.com/BE556/images/MicroMegas_App.png
http://hep1.physik.uni-bonn.de/fileadmin/Publications/ATLAS_Pixels/diss_keil.pdf
http://www.digitalvd.de/images/hardware/news-bilder/rauschen08.gif
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Ich bedanke mich für die
Aufmerksamkeit!
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