Spurendetektoren

Spurendetektoren
• Szintillator- Zähler
• Silizumdetektoren
• Streifendetektoren
• Pixeldetektoren
• Gasgefüllte Spurendetektoren
• Proportionalkammern
• Time Projection Chamber (TPC)
• Resistive Plate Chambers (RPC)
• Micro Pattern Gaseous Detectors (MPGD)
• Anwendungen außerhalb der Kern- und Teilchenphysik
TU Wien, SS 2012
C.W Fabjan, HEPHY, ÖAW und TU Wien
ENERGIEVERLUST – GELADENER TEILCHEN :
IONISATION, ANREGUNG
Bethe – Bloch : mittlerer elektromagnetischer Energieverlust,
quantenmechanisch
2 Z 1 1
2mc 2β 2 γ 2
1 dE  MeV.cm 2 
2 δ
=
−
−
− 
π
β
ln
.
.
4
Z



1
2
2
2
ρ dx 
A β 2
g
I

K= NA r2 mc2 = 0.307 MeV cm2/mol
r = e2 / m c2 ... klassischer Elektronenradius
A…Molmasse [g/mol] des Materials
mc2 … Elektronenmasse * c2
Z1 … Ladung des einfallenden Teilchens
δ … Dichtekorrektur
Bethe Bloch Formula
1
2
3
Density effect
For very high momenta the polarization of
the medium by the strong transverse field,
which reduces the Energy loss, must be
taken into account.
At large Energy transfer (delta electrons)
the produced electron can leave the
material. In reality, Emax must therefore be
replaced by Tcut and the energy loss
reaches a plateau.
We distinguish three distinct regions of
energy loss as a function of the particles
momentum
1) 1/β2 region with Minimum at βγ ≈3
2) Relativistic Rise
3) Density Effect und Saturation
The Energy loss depends on the particle’s
velocity and is independent of it’s Mass
For Z>1, I ≈16Z 0.9 eV
Mittlere Energieverlust (Ionisation, Anregung)
dE/dx hat Minimum für ßγ ≈ 3
Für Z ≈ 0.5 A
dE/dx ≈ 1.4 MeV / g cm –2
für ßγ ≈ 3
dE 1
= 1.4MeV
dX ρ
FLUKTUATIONEN IM ENERGIEVERLUST
GELADENES TEILCHEN BEWIRKT EINE REIHE VON
PRIMÄRKOLLISIONEN, DIE
- ANREGUNG (‘PRIMÄRE SZINTILLATION’)
und/oder
- IONISATION (MIT EINEM SPEKTRUM VON STOSS PARAMETERN)
BEWIRKEN
MITTLERER ENERGIEVERLUST (IONISATION)
Wahrscheinlichkeit für n Wechseklwirkungen in D
Landau Distribution
p(E): Probability for energy loss E
in matter of thickness D.
Landau distribution is very
asymmetric.
Average and most probable
energy loss must be
distinguished !
Measured Energy Loss is usually
smaller that the real energy loss:
3 GeV Pion: E’max = 450MeV  A
450 MeV Electron usually leaves
the detector.
8
IONISATION : FLUKTUATIONEN
Auf Grund der statistischen Natur des Energieverlustes
→Energieverlustverteilungen: ‘Landau-Vetreilung‘ des Energieverlustes
bei wiederholten Messungen unter identischen Bedingungen:
Emfpindlichkeit für βγ → Teilchenidentifikation
4 cm Ar-CH4 (95-5)
5 bars
Counts
6000
Counts
6000
protons
N = 460 i.p.
FWHM~250 i.p.
4000
2000
15 GeV/c
electrons
4000
2000
0
0
0
500
1000
0
N (i.p.)
For a Gaussian distribution: σN ~ 21 i.p.
FWHM ~ 50 i.p.
500
1000
N (i.p)
I. Lehraus et al, Phys. Scripta 23(1981)727
DETEKTOREN basierend auf ANGEREGTEN
ZUSTÄNDEN (Szintillatoren)
• Prompte Photonenemission von Zuständen, welche durch
Wechselwirkung mit geladenen Teilchen (Energieverlust) angeregt
wurden.
- a) Beobachtet in Edelgasen (auch verflüssigt !)
- b) Inorganischen Kristallen, mit oder ohne
Aktivierungsstörstellen
- c) Polyzyklischen Kohlewasserstoffen (Naphtalen, Anthrazen,
organische Szintillatoren)
• ad b) Substanzen mit grösster Lichtausbeute ;
verwendet zur Präzisionsmessung
energetischer Photonen Anwendung auch z. B. in Nuklearmedizin
• ad c) Bedeutendste Kategorie; industriell tonnenweise
hergestellt ; mechanisch und chemisch relativ widerstandsfähig.
• Charakteristisch sind zwei oder mehrere Abklingkonstanten der
Lichtemission.
• Charakteristisch ist für (fast) alle Szintillatoren, daß die
Lichtausbeute von der Energieverlustdichte abhängig ist:
→ Sättigung der Lichtausbeute:
BIRK'SCHES GESETZ
• d Licht/dx (oder dQ/dx ) = α dE/dx/(1+βdE/dx)
•
β = o → keine Sättigung
• Typisch: β = 10-2 bis 10-4
β proportional (Dichte ρ)3
• Große Unterschiede in Lichtausbeute (auch in Ladungsausbeute)
beobachtet als Funktion der Energieverlustdichte.
• Typische Lichtausbeute von Szintillatoren
- Energie (sichtbare Photonen ) ≈ einige % des totalen
Energieverlustes; z.B. für dE/dx=1MeV; ~ 30 keV in Photonen;
i.e. ~ 10 000 erzeugt…
• Die experimentelle, vielseitige Anwendung von Szintillatoren beruht
zum Teil auf :
- guten und relativ billigen Möglichkeiten des Lichtnachweises
("Photovervielfacher“ oder ,englisch, Photomultipliers);
- dem schnellen Zeitverhalten (1 bis 100 ns) der Szintillatoren
SZINTILLATOR - ZÄHLER
•
•
•
Typische
Konstruktion eines
Szintillator-Zählers
Mit PM Auslese an
beiden Enden
Relative Pulsehöhe
als Funktion des
Abstandes von PM
SCHEMATISCHES DIAGRAM EINES
‘PHOTOMULTIPLIERS’(PM)
• Schematischer Aufbau eines
Photomultipliers:
• Typische Ladungsverstärkung
(als Funktion der
Hochspannung) : 106 bis 1010
• Typische Effizienz für
Photonennachweis: < 20%
• Bei sehr guten PMs : Nachweis
einzelner Photonen möglich
Moderne Inkarnation:
Silizium Photomultiplier
• Avalanche Photo Dioden:
- Einige hundert Dioden/ mm2
- Diode in ‘Geiger Modus’
betrieben
- Verstärkung: 100 bis 10 000
- MPPC: Multi-Pixel-Photon
Counter
• Ist ein ‘digitaler’ Detektor
- Jedes Photon produziert
Ladungspuls
• Vorteile:
- Geringe Spannung
- Gute Zeitauflösung
- Hohe Lichtempfindlichkeit
- Magnetfeld unempfindlich
Spurenmessung in Halbleitern und Gas-gefüllten
Detektoren
• Prinzip
- Geladene Teilchen ionisieren Detektor – Material
- im angelegten, externen elektrischen Feld werden
die freien Ladungen an Meß-Elektroden transportiert
- Transport der Ladungen induziert Ladungen an
Elektroden, die
* registriert werden ( Halbleiter-Detektor)
* an Drahtelektroden durch interne LadungsVervielfachung verstärkt und registriert werden
- Signalverteilung an Meß-Elektroden erlaubt
Positions-Messung des geladenen Teilchens
SPURENMESSUNG IN HALBLEITERN und GAS
(von Ionisationskammern zu Proportionalzählern)
•
•
•
•
•
•
•
•
Si- Detektoren : Prinzip und neue Entwicklungen
Si- Pixels : Status und Entwicklungstendenzen
Diamanten - Detektoren
Drahtkammern : Beginn einer Revolution
Driftkammern : moderne Entwicklungen
TPC
Von MWPCs zu GEMs
RPCs : was, wie, wofür ?
PRIMÄRE WECHSELWIRKUNG
• Primäre Kollisionen von geladenen Teilchen in Materie, die
Anregungen und/oder Ionisation verursachen, sind räumlich Poissonverteilt
• Totale Ionisation (primär und nachfolgende sekundäre W.W ) zeigt
eine statistische "Landau" Verteilung
• " w " bezeichnet mittlere Energie pro Ionenpaar
- N.B. : statistische Verteilung der Primär-und Sekundärkollisionen
beeinflusst in verschiedenartiger Weise Messungen in
Gasdetektoren
• 1) Ortsmessung : Sekundärkollisionen (Elektronen, weiche
Röntgenstrahlen,..) verbreitern räumlich die Ionisationsspur
• 2) dE/dx - Messung : Sekundär-Ionisationskollisionen überlagern sich
der Primär-Ionisation, welche eine In-γ Abhängigkeit zeigt (dadurch
wird die In-γ Abhängigkeit verringert (γ ist der Lorentzfaktor)
Registrierung der
Ionisationselektronen
•
•
•
•
•
•
In Festkörpern mit elektronischer Auslese:
- Halbleiter ( Silizium ) zähler; Betreib als ‘Ionisationskammer‘; μm
Ortsauflösung
In Festkörpern mit optischer Auslese
- Photographische Registrierung von Spuren in Emulsionen; sehr gute
örtliche Auflösung: einige μm; OPERA Experiment im Gran Sasso
In Flüssigkeiten , die Transport von Elektronen gestatten
- ( z.B. verflüssigte Edelgase oder Methan, d.h. Verbindungen aus
sphärischen Molekülen: Tetramethylpentan,...) mit elektronischer
Auslese als ‘Ionisationskammer‘
In Flüssigkeiten mit optischer Auslese
- Blasenkammern; hohe örtlicher Auflösung (20μm)
In Gasen mit elektronischer Signalverarbeitung:
- wichtigste Gruppe, gekennzeichnet durch geringe Masse und deshalb
fast vernachlässigbaren Einfluss auf zu messende Teilchen; relativ
schnelle Datenverarbeitung: 50 bis 1000 ns ;
- Elektroden zur Ladungssamlung gestatten optimale Anpassung der
Detektorgeometrie an die experimentellen Anforderungen; relativ
kostengünstig; als Proportionalkammer mit interner Verstärkung
In Gasen mit optischer Signalverarbeitung (z.B. Photographie):
- "Streamerkammern", "Funkenkammern" :durch Wegfall diskreter
Auslese ( d.h. Sammelelektroden) kann im Prinzip höhere örtliche
Auflösung erzielt werden im Vergleich zu elektronische Auslese
LADUNGSSAMMLUNG IM PARALLEL-PLATTEN
KONDENSATOR
•INSERT FIG 2.18 FROM SKRIPTUM
I = v- * (e-)/(d-x) = e-/(td-x)
Elektronen
INDUZIERTES LADUNGSSIGNAL
•
BEISPIEL:
- PARALLEL-FLATTEN IONISATIONSKAMMER
- Kapazität :C Elektrisches Feld : E = U0 /d
- Durch Transport der Ladung Nq wird Kapazität von U0 auf U entladen.
- Gespeicherte Energie (geleistete Arbeit, um Ladung zu transportieren)
x
1
2
2
CU 0 = CU + N ∫ qEdx
2
xo
•
1
2
2
2
C (U 0 − U ) = N . qE ( x − x )
0
Elektronen e bewegen sich mit v - ; lonen q bewegen sich wesentlich
langsamer: v+
N .qE
N .q
U 0 + U ≈ 2U 0 ;U 0 − U = ∆U
∆U − =
Ne − − Ne
.v ∆t =
(− x0 )
Cd
Cd .
Gesamt-Amplitude
∆U =
( x − x0 ) =
( x − x0 )
C.U 0
C.d
Nq + + Nq
∆U + =
.v ∆t =
(d − x0 )
Cd .
C.d
∆U = ∆U + + ∆U - = Ne / C
Die Elektronen- und Ionen- induzierten Signale hängen von der TransportDistanz (d-x0 oder x0 ) ab !
ELEKTRONISCHE REGISTRIERUNG IN
FESTKÖRPERN (Z.B. SILIZIUMZÄHLER)
URSPRÜNGLICH: FESTKÖRPER IONISATIONSKAMMER IN
KRISTALLEN (DIAMANT)
DURCH IONISATION FREIGESETZTE LADUNGEN WERDEN
GESAMMELT UND REGISTRIERT.
PRIZIPIELLE SCHWIERIGKEIT:
EXTREM REINE (=EXTREM GUTE ISOLATOREN) BENÖTIGT,
DAMIT DUNKELSTROM (= OHMSSCHER STROM) UND DIE
DAMIT VERBUNDENEN SCHWANKUNGEN (“RAUSCHEN”)
DEN SIGNALSTROM NICHT UNTERDRÜCKT;
PRINZIPIELLER VORTEIL :
- ~1000 MAL HÖHERER ENERGIEVERLUST PRO LÄNGENHEIT
IM VERGLEICH ZU GASEN
- EINIGE eV pro ELEKTRON-IONENPAAR (~10 mal kleiner als in
Gasen)
ELEKTRONISCHE REGISTRIERUNG IN
FESTKÖRPERN (Z.B. SILIZIUMZÄHLER)
und W. Riegler, CERN
Bandstruktur im Insulator oder Halbleiter
Bandstruktur in Festkörpern (z.B. Siliziumzähler)
Bandstruktur in Festkörpern (z.B. Siliziumzähler)
Driftvelocity v =
mobility * Electric field E
Teilchennachweis in Festkörpern
Prototyp des Festkörperzählers:
Diamant
Diamant-Detektor
Silizium als Detektor
‘Dopen’ (‘Doping’) von Halbleitern
p-n Übergang ohne
externes E-Feld
Konzentrations
- Verteilung
Dichte der
Elektronen und
Löcher
Raumladung
Potentialverlauf
Si-Diode als Teilchendetktor
Unvollständig ‘verarmter’ (‘underdepleted’)
Detektor
Vollständig ‘verarmter’ (‘depleted’) Detektor
Elektrisches Feld im Si-Detektor
SPURENMESSUNG MIT
HALBLEITERDETEKTOREN
Grundversion: Sammelelektroden als Streifen ausgelegt:
typische Breite: 30 bis 100μm
typische Länge: 5 bis 10 cm
dE
(Si) ≅ 3.9MeV/cm
dx
VORTEILE: • ~ 1000 mal dE/dx als in Gasen :
• w ~ 1/10 von der in Gasen : w (Si) = 3.6 eV
für min. ion. Teilchen N (e-h) = 11 000/100μm
• Wegen hoher Dichte, wesentlich bessere
Korrelation von Ionisation und Teilchenspur →
Ortsauflösung bis zu ~ 5μm
Querschnitt durch einen Si-Streifen Detektor
Signal-Auslese von Streifenzählern
• AUSLESE : jede Elektrode mit Auslesekanal
• Verwendung dieser Detektoren erst möglicht gemacht durch
Entwicklungvon hoch-integrierter Elektronik
(ASIC) : Application Specific Integrated Circuit
• Zwei-dimensional Auslese ist möglich
Signal für ein ‘minimum ionizing’ Teilchen im
Si-Detektor
Signal-Rausch-Verhalten im Si-Detektor
Die ‘Zweite’ Koordinate:
Detektoren mit doppelter Auslese
Herstellung von Si-Detektoren
‘Wire Bonding’: Verbindung der
Streifenelektroden an die Verstärker
Picture of an CMS Si-Tracker Module
Outer Barrel module
Composed of two daisy-chained sensors, each made out of a 6-inch
wafer
CMS Tracker layout
Simplified drawing of the tracker layout, with external support tube
and support brackets
Outer Barrel -TOB-
Inner Barrel & Disks
–TIB & TID -
End Caps –TEC
1&2-
2,4
m
Gesamtfläche : 200m2
Kanäle : 9 300 000
CMS Tracker
The world's largest Si-Tracker during installation in CMS:
big, beautiful, complex with 80 000 000 detection channels
46
Silizium Drift-Detektor (SDD): Arbeitsprinzip
bias HV divider
Collection
drift cathodes
pull-up
ionizing particle cathode
• die HV-Verteilung verarmt den Detektor und erzeugt ein Tal-förmiges elektrisches Potential
• Electronen, erzeugt durch den Einfall ionisierender Teilchen sind in der zentralen Fläche des
Detektors eingeschlossen und driften zu den Sammel-Anoden
• Elektronenwolke eleidet Diffusion während der Drift, mit der Folge, dass sie an einer oder
mehreren Elektroden nachgewiesen wird als eine Gaussisch-verteilte Ladungswolke
ALICE Silicon Drift Detector characteristics
 Wafer: 5” – NTD – 3 kΩ.cm – 300
µm thick
 Active area: 7.02 × 7.53 cm2
divided in two drift regions
 Drift: 35 mm – 290 cathodes –
built-in voltage divider
 Collection: 2 × 256 anodes –
294 µm pitch
 Calibration: 2 × 3 lines of 33 MOS
charge injectors to correct for Si
temperature sensitivity (vdrift ∝ T2.4):
2.3 mm pitch along anode axis,
15 mm pitch along drift axis
Resolution (µm)
SDD spatial resolution
•Anode axis (Z)
•Drift time axis (R-Φ)
Drift distance (mm)
π with ~100 GeV/c
– Reference detectors: Siµstrip telescope with ~5 µm
accuracy
• Corrections applied:
– doping inhomogeneity map
– voltage divider residual
non-linearity
– drift velocity T-dependence
(vdrift ∝T-2.4)
– drift-dependent non-linearity
of centroid due to diffusion
widening

ALICE Silicon Drift Detectors
Double-side Silicon Strip
Silicon Drift Detectors
Tot. No. detectors 260
Tot. No. channels 133 •103
Tot. area
1.31 m2
Silicon Pixel Detectors
SDD LAYERS
Layer 3
Layer 4
Radius (mm)
14.9
23.8
Ladders
14
22
SDDs per ladder
6
8
PIXEL-DETEKTOREN
PRINZIP : Si-Detektor mit 2- dimensionalen
‘Schachbrett‘ von Auslese-Elektroden
TYPISCHE GRÖSSE der ‘PIXEL‘: ≈ 50 x 200 μm
ANWENDUNG : auf Grund der sehr hohen Orts-Auflösung können
sehr kurzlebige Teilchen ( Zerfall nach typischerweise Bruchteil
eines Millimeters (Charm, Beauty) rekonstruiert werden
Lebensdauermessung : ‘Vertex-Detektoren’
SCHWIERIGKEIT: Ankopplung der Auslese-Elektronik
SCHEMATISCHE ANSICHT: PIXEL SENSOR an
AUSLESECHIP mit ‘SOLDER BUMPS’ GEKOPPELT
Indium bump bonds before flip-chip bonding
P. Riedler
SEM Pictures
(CERN, VTT)
Bonding Pad on ALICE Pixel Chip
Pb-Sn Bump Bond
P. Riedler
MODERNE MATERIALIEN für TRAGESTRUKTUR
und ZUSAMMENBAU
ALICE SPD - CAD View
Rekonstruktion eines b- und anti-b- Zerfalls im
CMS Pixel-Detektor
PRINZIP des DIAMANTEN-DETEKTORS
Neue Materialien:
Polykristalliner Diamant
VERHALTEN von POLYKRISTALLINEN
CVC DIAMANTEN
SIGNAL von DIAMANTEN-DETEKTOREN nach
BESTRAHLUNG
DIE NÄCHSTE GENERATION ?
New Geometries: ‘3D’ Si Detectors
Good Performance after 1015 p/cm2
VCI 2004 summary
63
ANWENDUNGEN ausserhalb der TEILCHENPHYSIK
Medizinische Bildgebung (‘Imaging’)
( starke Förderung seitens der EU)
Innovative hoch-auflösende Photonendetektoren
Medizinische Bildgebung
Detector requirements (sensor and electronics) depend on
diagnostic X-ray imaging application.
Issues to be considered
Example: mammography
• spatial resolution 5-20 lp/mm
Sensors to be improved
• high contrast resolution (<3%)
high DQE (Detective
• uniform response
Quantum Efficiency)
• patient dose <3 mGy
• imaging area: 18 x 24 (24 x 30) cm2 Signal Processing
sensor + photon
• compact and easy to handle
processing)
• stable operation
• no cooling
• digital
• cheap
Medipix1 / Medipix2
•
•
•
Medipix1
square pixel size of 170 µm
64 x 64 pixels
sensitive to positive input
charge
•
•
•
•
•
detector leakage current
compensation columnwise
one discriminator
•
•
•
15-bit counter per pixel
•
•
•
count rate: ~1 MHz/pixel (35
MHz/mm2)
•
•
•
parallel I/O
1 µm SACMOS technology
(1.6M transistors/chip)
•
•
Medipix2
square pixel size of 55 µm
256 x 256 pixels
sensitive to positive or negative
input charge (free choice of
different detector materials)
pixel-by-pixel detector leakage
current compensation
window in energy
discriminators designed to be
linear over a large range
13-bit counter per pixel
count rate: ~1 MHz/pixel (0.33
GHz/mm2)
3-side buttable
0.25 µm technology (33M
transistors/chip)
Applications
Dental Radiography
(Univ. Glasgow, Univ. Freiburg,
Mid-Sweden Univ.):
Sens-A-Ray
commercial dental CCD
system
(Regam Medical)
Medipix1
160 µGy
80 µGy
40 µGy
Low Contrast Imaging
‘The Fly
55Fe
source (~5.9 keV);
threshold adjusted
with flat field
correction
ANWENDUNG: HYBRIDER PHOTONEN DETECTOR
(HPD)
ZUSAMMENFASSUNG : Siliziumdetektoren
• Silizium-Detektoren haben sich zu einem ‘Workhorse’ der
Teilchendetektoren entwickelt
- Sehr hohe Ortsauflösung; erlaubt Experimente mit hoher MessQualität
- Stabile, einfache Anwendungsdingungen
- Relativ gute Unterstützung durch Industrie
• Vielfalt von Detektorgeometrien entwickelt, optimiert auf die
jeweilige spezifische Anwendung
• Pixel-Detektoren sind unentbehrlich für moderne Physik-Programme
• Interessantes Anwendungspotential außerhalb der Teilchen- und
Kernphysik
• Maßgeblich an der Entwicklung beteiligt : Fortschritt in der
elektronischen Signalverarbeitung (wir profitieren von der
industriellen Entwicklung, z.B. in der Mikroelektronik, in der
Informationstechnologie,…)