시간 투영 챔버

Time projection chamber
CERN에서 ALIS 실험의 TPC

물리학에서 시간 투영실(TPC)은 전기장과 자기장의 조합을 기체나 액체의 민감한 부피와 함께 사용하여 입자 궤적이나 상호작용의 3차원 재구성을 수행하는 입자 검출기의 일종이다.

오리지널 디자인

원래의 TPC는 David R에 의해 발명되었다. 1970년대 후반 미국 물리학자 나이그렌(Nygren)은 로렌스 버클리 연구소에 있다.[1]첫 번째 주요 적용 분야는 SLAC의 PEP 저장 링에서 29개의 GeV 전자-양전자 충돌을 연구한 PEP-4 검출기였다.

시간 투영실은 위치에 민감한 전자 채집 시스템을 가진 전기장의 기체 충전 감지 볼륨으로 구성된다.원래의 설계(및 가장 일반적으로 사용되는 설계)는 다중 와이어 비례 챔버(MWPC)를 엔드플레이트로 하는 원통형 챔버다.그 길이를 따라 챔버는 중앙 고전압 전극 디스크를 사용해 반으로 나뉘는데, 이 디스크는 중앙과 엔드 플레이트 사이에 전기장을 형성장을 형성한다.나아가 기체의 이온화에서 오는 전자의 확산을 최소화하기 위해 전기장과 평행하게 실린더의 길이를 따라 자기장을 적용하는 경우가 많다.검출기 가스를 통과할 때 입자는 트랙을 따라 1차 이온화를 생성한다.z 좌표(실린더 축을 따라)는 이온화 사건으로부터 끝의 MWPC까지의 드리프트 시간을 측정하여 결정한다.이것은 드리프트 챔버의 일반적인 기법을 사용하여 수행된다.끝에 있는 MWPC는 방위방향 θ에 양극 와이어로 배열되어 방사 좌표 r에 대한 정보를 제공한다.방위각 방향을 얻기 위해 각 음극면은 방사형 방향을 따라 스트립으로 나뉜다.

최근 몇 년 동안, 특히 핵물리학에서 시간 투영 챔버의 증가된 적용과 관련하여, 위치에 민감한 전자 증폭과 검출의 다른 수단들이 더 널리 사용되어 왔다.이것들은 보통 분할된 양극판과 Frisch 격자[2] 또는 가스 전자 곱셈기와 같은 활성 전자 곱셈 원소를 결합한다.[3]또한 이러한 새로운 TPC는 평면 형상을[2] 선호하는 축장 또는 방사형 장을 가진 실린더의 전통적인 기하학에서 출발한다.[3]

입자물리학의 초기 연구자들은 또한 CERN NA49 및 NA35 실험에서와 같이 빔 라인 바로 위 또는 아래에 배열된 보다 단순한 상자 모양의 기하학을 주로 사용하였다.

참고 항목:입자 검출기 요약

액상 아르곤 시간 투영 챔버(LARTPC)

1977년 카를로 루비아는 액상 아르곤 시간 투영실, 즉 LARTPC를 고안했다.[4]LArTPC는 나이그렌의 초기 TPC 설계와 많은 동일한 원리로 작동하지만, 가스 대신 액체 아르곤을 민감한 매체로 사용한다.

디텍터 설계 및 속성

액체 아르곤은 여러 가지 이유로 민감한 매체로서 유리하다.[4][5]아르곤이 고귀한 원소로서 따라서 사라지는 전기자극성을 가지고 있다는 것은 전리방사선에 의해 생성되는 전자가 검출기 판독값 쪽으로 표류하면서 흡수되지 않는다는 것을 의미한다.아르곤은 또한 에너지 충전된 입자가 통과할 때 섬광하여 통과 입자에 의해 아르곤에 축적된 에너지에 비례하는 많은 섬광 광자를 방출한다.[5]액체 아르곤도 비교적 저렴해 대규모 프로젝트가 경제적으로 실현 가능하다.그러나 액체 아르곤을 민감한 매체로 사용하는 주된 동기 중 하나는 밀도다.[4]액체 아르곤은 나이그렌의 TPC 설계에 사용된 가스보다 약 1,000배 더 밀도가 높으며, 이는 입자가 검출기에서 상호작용할 가능성을 약 1,000배 증가시킨다.이 특징은 특히 중성미자와 핵의 상호작용 단면이 작은 중성미자 물리학에서 유용하다.

LArTPC 설계 및 기본 작동 원리 다이어그램

전형적인 LArTPC의 몸체는 세 부분으로 구성되어 있다.검출기의 한쪽에는 TPC를 가로지르는 드리프트 전기장을 설정하는 데 사용되는 고전압 음극면이 있다.이것이 설정되는 정확한 전위는 검출기 형상에 따라 달라지지만, 이 고전압 음극은 일반적으로 검출기 전체에서 500 V/cm의 드리프트 필드를 생성한다.[5]

음극면의 반대쪽에는 음극의 그것보다 훨씬 더 높은 (낮은 음극) 전위로 설정된 양극 와이어 평면 세트가 있다.각 비행기는 보통 1cm의 순서로 작은 틈새로 이웃과 분리된다.평면은 몇 밀리미터 간격으로 많은 평행 전도선으로 구성되며, 수직에 비례하여 전선이 향하는 각도는 평면에 따라 다르다.이 평면들은 함께 표류 전자의 신호를 판독한다.N 양극 와이어 평면이 있는 검출기의 경우 내부 N - 1 평면을 유도 평면이라고 한다.이들은 외부 평면보다 낮은(더 많은 음의) 전위로 설정돼 표류 전자가 통과할 수 있어 사건 재구성에 사용되는 신호를 유도한다.외부 평면은 이 전선들에 드리프트 전자가 모여 추가 신호를 생성하기 때문에 채집 평면이라고 불린다.배선 방향이 다른 여러 평면을 갖는 것은 2차원 사건 재구성을 허용하는 반면, 3차원은 전자 드리프트 시간에서 발견된다.

세 번째 부분은 음극과 양극 사이의 필드 케이지다.이 필드 케이지는 음극과 양극 사이의 균일한 전기장을 유지하여 표류 전자 궤적이 이온화 지점과 양극 평면 사이의 최단 경로에서 가능한 한 적게 벗어나도록 한다.이는 이벤트 재구성 중 입자 궤적의 왜곡을 방지하기 위한 것이다.

광 채집 시스템은 섬광에 의해 이벤트로부터 더 많은 정보를 추출하기 위한 수단으로 기본 LArTPC에 수반되는 경우가 많다.[5]입자가 검출기를 통과한 후 불과 나노초 후에 섬광을 수집하기 때문에 트리거링에도 중요한 역할을 할 수 있다.이는 자유 전자가 와이어 평면으로 표류하는 데 걸리는 시간보다 상대적으로(1000배) 짧기 때문에 흔히 섬광 광자의 수집 시간을 이벤트에 대한 트리거 시간(t0)으로 구분하기에 충분하다.이 트리거 시간을 사용하면 전자 드리프트 시간을 찾을 수 있으며, 이것은 사건의 3차원 재구성을 가능하게 한다.그러한 시스템은 LArTPC가 트리거 시간을 식별할 수 있는 유일한 수단이 아니지만, 초신성 및 양성자 붕괴와 같은 현상을 연구하는데 필요한데, 이러한 현상들은 인간이 만든 가속기에서 붕괴나 상호작용을 하는 입자가 생성되지 않고 따라서 입자 빔의 타이밍을 알 수 없다.[5]광전자 증배관, 라이트 가이드, 실리콘 광전자 증배관은 이 빛을 모으기 위해 사용되는 기구의 예다.이것들은 일반적으로 표류량 바로 바깥에 위치한다.

신호 판독값

전형적인 LArTPC에서, 각 양극 평면의 각 와이어는 RC 회로의 일부분이며, 와이어 자체는 저항기와 콘덴서 사이에 위치한다.저항기의 다른 쪽 끝은 바이어스 전압에 연결되고, 다른 쪽 끝은 프런트 엔드 전자 장치에 연결된다.프론트 엔드 전자 장치가 회로의 전류를 증폭하고 디지털화한다.시간의 함수로서 증폭되고 디지털화된 이 전류는 이벤트 재구성에 전달되는 "신호"이다.

주어진 양극 평면 와이어의 경우, 생성된 신호는 와이어가 유도 평면에 위치하는지 또는 수집 평면에 위치하는지에 따라 달라지는 특정한 형태를 가질 것이다.유도면에서 표류 전자가 와이어 쪽으로 이동하면서 와이어에 전류를 유도해 출력 전류에 '범프'를 발생시킨다.전자가 전선에서 멀어지면 반대 방향으로 전류를 유도해 반대편 기호의 출력 '범프'를 첫 번째 기호로 만든다.결과는 양극성 신호다.[6]이와는 대조적으로, 집열면 와이어의 신호는 단극이다. 전자는 와이어를 통과하지 않고 대신 와이어에 의해 "집합"되기 때문이다.이 두 기하학적 구조에서 신호 진폭이 클수록 더 많은 드리프트 전자가 와이어(유도면)를 통과하거나 와이어(수집면)에 의해 수집되었음을 의미한다.

주어진 양극 평면에 있는 모든 와이어의 신호 판독은 입자 상호작용의 2D 그림으로 구성될 수 있다.그러한 그림은 정규 벡터가 지정된 양극 평면의 와이어에 평행한 2D 평면에 3D 입자 상호작용을 투영한 것이다.각 양극 평면에 해당하는 2D 투영은 결합되어 3D 상호작용을 완전히 재구성한다.

2상 TPC

이 기술 자체는 1970년대 초에 아르곤을 이용한 방사선 탐지를 위해 처음 개발되었다.[7]ZEPLIN 프로그램은 WIMP 검색에 2상 기술의 사용을 선도했다.제논 및 럭스 검출기 시리즈는 물리학에 있어서 이 계측기의 최첨단 구현 상태를 나타낸다.

메모들

  1. ^ "The Ernest Orlando Lawrence Award: 1980's Laureates". US Department of Energy. Retrieved 2007-08-18. David R. Nygren, 1985: Physics: For the development of experimental techniques in particle physics and especially for the invention of the Time Projection Chamber[데드링크]
  2. ^ a b 데몬치 외 2007년
  3. ^ a b Fenker 외 2008, Laird 외 2007.
  4. ^ a b c 루비아, C. 1977.
  5. ^ a b c d e 애치아리 외 2015년.
  6. ^ Joshi, J, Qian, X, 2015.
  7. ^ Katz, R.; Kobetich, E. J. (1970-10-31). "Particle Tracks in Condensed Matter". doi:10.2172/4750759. OSTI 4750759. {{cite journal}}:Cite 저널은 필요로 한다. journal=(도움말)

참조

  • Demonchy, C. E.; Mittig, W.; Savajols, H.; Roussel-Chomaz, P.; Chartier, M.; Jurado, B.; Giot, L.; Cortina-Gil, D.; Caamaño, M.; Ter-Arkopian, G.; Fomichev, A.; Rodin, A.; Golovkov, M. S.; Stepantsov, S.; Gillibert, A.; Pollacco, E.; Obertelli, A.; Wang, H. (2007). "MAYA, a gaseous active target". Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 573 (1–2): 145–148. Bibcode:2007NIMPA.573..145D. doi:10.1016/j.nima.2006.11.025.
  • Fenker, H.; Baillie, N.; Bradshaw, P.; Bueltmann, S.; Burkert, V.; Christy, M.; Dodge, G.; Dutta, D.; Ent, R.; Evans, J.; Fersch, R.; Giovanetti, K.; Griffioen, K.; Ispiryan, M.; Jayalath, C.; Kalantarians, N.; Keppel, C.; Kuhn, S.; Niculescu, G.; Niculescu, I.; Tkachenko, S.; Tvaskis, V.; Zhang, J. (2008). "BoNus: Development and use of a radial TPC using cylindrical GEMs". Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 592 (3): 273. Bibcode:2008NIMPA.592..273F. doi:10.1016/j.nima.2008.04.047. OSTI 920093.
  • Laird, A. M.; Amaudruz, P.; Buchmann, L.; Fox, S. P.; Fulton, B. R.; Gigliotti, D.; Kirchner, T.; Mumby-Croft, P. D.; Openshaw, R.; Pavan, M. M.; Pearson, J.; Ruprecht, G.; Sheffer, G.; Walden, P. (2007). "Status of TACTIC: A detector for nuclear astrophysics". Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 573 (1–2): 306–309. Bibcode:2007NIMPA.573..306L. doi:10.1016/j.nima.2006.10.384.
  • Rubbia, C. (1977). The Liquid-Argon Time Projection Chamber: A New Concept For Neutrino Detectors.
  • Acciarri, R.; et al. (2015). "Summary of the Second Workshop on Liquid Argon Time Projection Chamber Research and Development in the United States". Journal of Instrumentation. 10 (7): T07006. arXiv:1504.05608. Bibcode:2015JInst..10.7006A. doi:10.1088/1748-0221/10/07/T07006. S2CID 1396121.
  • Joshi, J.; Qian, X. (2015). "Signal Processing in the MicroBooNE LArTPC". arXiv:1511.00317v1 [physics.ins-det].

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