Черенковское излучение

Введение в экспериментальную Физику

Физические принципы работы детекторов
элементарных частиц.

Как регистрируются элементарные частицы и
создаются экспериментальные установки.
Георгий Александрович ШЕЛКОВ (ОИЯИ, Дубна)
chelkov@nu.jinr.ru
Ноябрь 2009 г.
Внешние условия, которые
необходимо учитывать при создании
современной экспериментальной
установки ФВЭ


Стоимость времени эксперимента (ускоритель +
установка) очень высока
Необходимо исследовать процессы на много порядков
более редкие чем основные процессы
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
2
Зачем нужны ускорители - I?
1. Длина волны “луча“ с помощью которого исследуется
“объект“ должна быть меньше размера “объекта“ !
λ<< h/P = hc/E
Объект
Атом
Ядро
Нуклон
Кварк
May 9, 2016
Размер
Энергия “луча”
10-10 м
10-14 м
10-15 м
??
10-5 ГэВ (10 эВ)
10-2 ГэВ (10 МэВ)
0.1 ГэВ
> 1 ГэВ
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
3
Зачем нужны ускорители - II?
2. Для рождения, обнаружения и исследования
новых тяжелых нестабильных частиц.
May 9, 2016
Частица
Масса
Электрон (e)
Антипротон
0.511 MэВ
938.3 МэВ
Тау-лептон (τ)
1776.99 МэВ
J/Ψ
Z- boson
3096.9 МэВ
91.1876 ГэВ
t - кварк
174.3 ГэВ
Хиггс – бозон (H0)
> 114.3 ГэВ
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
4
Примеры исследуемых событий.
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
5
Примеры исследуемых событий.
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
6
Требования к современным
экспериментальным установкам
ФЭЧВЭ
Идеальная установка должна:

Покрывать весь телесный угол ~ 4π;

Регистрировать (направление вылета) и
идентифицировать (заряд, масса) всех частиц
Измерять их импульсы и/или энергию
Быть быстродействующей и не иметь мертвого
времени
Иметь конечные размеры и приемлемую стоимость



May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
7
Установка ATLAS для LHC
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
8
Взаимодействие частиц с веществом


Очевидно, что частица может быть зарегистрирована только если она каким либо образом
провзаимодействовала с веществом детектора.
В настоящее время для регистрации частицы
используется ее взаимодействие со средой детектора
за счет :
1. Электромагнитного взаимодействия
( все заряженные + γ)
2. Сильного взаимодействия ( адроны включая
нейтральные – n )
3. Слабого взаимодействия (нейтрино - ν)
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
9
Схема регистрации частиц
выс. энергий
Частица
n
Заряж

Визуал
Нейтрал
Сильн.вз.

Эл-магн. Взаим.
Адрон.ливень
Ионизац
Сцинт
ИК
Черенк
Слаб.вз.
Переходн
ЭМ ливень
Детектор
Детектор
Газ.ус.
Фотоприем
Детектор
Электроника детекторов (Front End Electronics FEE)
Система ввода данных в компьютер (Data Acquisition Systems DAQ)
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
10
Схема регистрации частиц
выс. энергий
Частица
h
Заряж
h0

Визуал

Эл-магн. Взаим.
Ионизац
ИК
Сильн.вз.
Нейтрал
Черенк
Сцинт
Газ.ус.
e
Адрон.ливень
Слаб.вз.
Переходн
ЭМ ливень
Детектор
Фотоприем
Детектор
Детектор
Front End Electronics
May 9,
2016
Data Acquisition Systems
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
11
Ионизационные потери заряженных частиц.
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
12
Ионизационные потери заряженных частиц.
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
13
Формула Bethe – Bloch (для частиц m>>me)
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
14
Флуктуации ионизационных потерь




В целом ряде случаев необходимо многократное
детектиро-вание частицы (время пролете, импульс, …)
В используемых для этой цели детекторах изменение
энергии (импульса) частицы вследствие ее
взаимодействия в детекторе должно быть
минимальным
Из этого требования следует, что:
- детектор должен быть «тонким»
- значит в нем выделяется «мало энергии»
- значит этому соответствовало малое число
первичных взаимодействий в детекторе
- значит флуктуации этих потерь будут велики
Вот почему важно уметь оценивать их величину!
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
15
Флуктуации ионизационных потерь
(распределение Ландау)
Ниже порога возбуждения
Образование δ-электронов
Гауссовские флуктуации
Г.А.Шелков
May 9,(ОИЯИ)
16
2016
Многократное рассеяние заряженных
частиц в веществе

Только что мы рассмотрели что происходит со средой,
когда в ней движется заряженная частица, НО

При прохождении заряженной частицы через вещество в
результате взаимодействия с электрическим полем ядра частица
сама меняет направление движения – рассеивается
Изредка она рассеивается (взаимодействует) сильно - малый
прицельный параметр – описывается формулой Резерфорда


Значительно чаще она испытывает много слабых взаимодействий
(отклонений) – большой прицельный параметр – многократное
Кулоновское рассеяние.
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
17
Траектория движения заряженной
частицы в среде
(в отсутствии внешних полей).
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
18
Черенковское излучение

Черенковское излучение – явление иного рода, чем
ионизационные потери. Оно возникает в результате
взаимодействия э-м поля движущийся частицы со
средой (диэлектриком), а не как индивидуальный акт
взаимодействия двух объектов.
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
19
Черенковское излучение
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
20
Черенковское излучение

Уникальные особенности Чер. излучения,
которые используются при создании
детекторов заряженных частиц это:
1. Пороговый характер его возникновения
2. Направленность излучения
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
21
Переходное излучение
(Transition Radiation)

Есть ещё одно явление возникающее при пересечении
заряженной частицы раздела двух сред
– переходное излучение.
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
22
Механизмы регистрации заряженных
частиц

Ионизационные потери
1. Относительно велики
( MIP (βγ=4) ≈ 1MeV/g/cm2; Плато (βγ>103) ≈ 2 MeV/g/cm2)
2. Не имеют выделенного направления


Черенковское излучение
1. Пороговый характер
2. Направленность излучения
Переходное излучение
1. Для сверхвысоких энергий ( γ ~ 1000)
2. Направленность излучения
3. Излучается мягкий рентген
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
23
Взаимодействие γ-квантов с веществом


Из рассмотренного ранее должно быть понятно, что
зарегистрировать γ - квант возможно только если он передаст
часть (всю) энергию заряженной частице - электрону.
Известно три таких процесса:
1. Фотоэффект
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
24
Взаимодействие γ-квантов с веществом
2. Комптон-эффект
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
25
Взаимодействие γ-квантов с веществом
3. Рождение e+e- пар
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
26
Взаимодействие γквантов с
веществом
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
27
Взаимодействие электронов с
веществом


При рассмотрении ионизационных потерь подчеркивалось, что
поведение (формула) зависимости от энергии справедливо для
«тяжелых частиц»
Электрон – легчайшая заряженная частица Me=0,511 MeV
M(μ)= 207 Me; M(π) = 272 Me; M(p) = 1836 Me

Для него ранее всего проявляются эффекты от дополнительных
потерь, пропорциональных энергии частицы (переходное излучение
и тормозное излучение в поле ядра – Bremsstrahlung)
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
28
Электромагнитный ливень
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
29
Электромагнитный ливень
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
30
Электромагнитный ливень
Процесс (ливень) развивается до
тех пор пока E(t) > Ec
Для построения простейшей
модели ливня используем:
- безразмерные величины
t = X/X0 - толщина радиатора
y = E/Ec - энергия γ-кванта
- Будем считать X0 – шагом ливня
- Будем считать, что после каждого шага число частиц
удваивается
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
31
Продольное развитие э-м ливня
X0
Поперечное развитие (размеры) э-м ливня характеризуются
радиусом Мольера (Moliere) RM.
RM 
21???
X 0 (? /?? 2 )
EC
90% частиц ливня не выходят за пределы цилиндра R=RM
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
32
Адронный ливень (каскад)
Сильновзаимодействующие частицы при достаточно высоких энергиях
способны создать адронный ливень, во многом подобный э-м ливню. Роль энергии
образования электрон-позитронных пар в нем будет играть порог рождения πмезонных пар Eth~2mπ ~ 0.28 GeV. Но картина адронного ливня значительно
сложнее картины э-м ливня.
Э-М компонента
Адронная
компонента
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
33
Картина адронного ливня в меди
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
34
Энерговыделение в адронном ливне.
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
35
Радиационная (X0) и ядерная (λa)
длины различных веществ.
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
36
Регистрация нейтронов
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
37
Регистрация нейтрино ν


Нейтрино (ν) – нейтральная безмассовая* частица, которая
взаимодействует с окружающим миром только за счет слабого
взаимодействия.
Зарегистрировать ее можно только по заряженным продуктам
взаимодействия нейтрино с другими частицами
νl + n → l - + p
νl + p → l + + n

Сечение νe
l=(e,μ,τ)
+ n → e- + p
 вероятность взаимодействия

σ ~ 10-43 cm2
ν в 1м железа ~ 5•10-17
Изучение нейтрино требует массивных детекторов
(кТ) и интенсивных пучков нейтрино !!!
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
38
Элементы детекторов частиц





Мы сделали первый шаг – поняли какими способами частицы
оставляют «следы»
Но этого недостаточно. Надо придумать, как перевести эти
следы либо в изображение, либо (современнее) в электрический
сигнал.
В изображение следы преобразуются в:
1. фотоэмульсии 2. пузырьковой и 3. стримерной* камерах
В электрический сигнал «след» можно преобразовать в
полупроводниковых, газовых, криогенных детекторах
Можно получить эл.сигнал регистрируя свет
(сцинтилляционные детекторы)
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
39
Что мы умеем сегодня регистрировать ?
 Время прохождения частицы (точность до пксек)
 Координату(ы) прохождения частицы ( ~ мкм)
 Потерю энергии в веществе детектора
 Скорость частицы (черенковские детекторы и детекторы
переходного излучения)
Что из этого следует?
1. Все иные величины (импульс, заряд, масса, энергия) измеряются
путем комбинации этих «первичных» измерений.
2. Каждый детектор обладает одновременно рядом указанных
возможностей «первичных» измерений.
3. Нет универсального детектора обладающего рекордными
характеристиками по всем параметрам.
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
40
Некоторые характеристики популярных
детекторов
Чувств.
объём
ΔХ
(мкм)
Δt
10-150
0.1 сек
сек
Стримерная камера
300
1 мксек
0.1 сек
Пропорциональная
камера
300
50 нсек
200 нсек
1 см
10-3
Дрейфовая камера
50
20 нсек
200 нсек
1-5 см
10-3
1мм ÷ 1м
0.15 нсек
10 нсек
~ м3
100
1
-
-
0.1м3
100
Детектор
Пузырьковая камера
Сцинтилляционный
счетчик
Фотоэмульсия
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
Мертв.
время
g/cm2
~ м3
~ м3
10-150
0.5
41
Фотоэлектронный умножитель
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
42
Сцинтилляционный счетчик
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
43
Фотоумножитель
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
44
Детектор Superkamiokande
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
45
Детектор Superkamiokande
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
46
Твердотельные фотоприемники
1. Фотоприемники на основе p-n перехода
Принцип действия. При облучении полупроводника световым потоком Ф
возрастает фотогенерация собственных носителей зарядов, что приводит к
увеличению количества как основных, так и не основных носителей зарядов.
Однако фотогенерация в значительной степени будет влиять на обратный ток,
так как не основных носителей зарядов значительно меньше, чем основных.
Основной недостаток: ОТСУТСТВИЕ ВНУТРЕННЕГО УСИЛЕНИЯ!
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
47
Твердотельные фотоприемники
3. Лавинные фотодиоды работающие в «гейгеровской» моде
С реализацией отрицательной обратной связи (ограничивающее
сопротивление) созданы фотодиоды работающие в «гейгеровской моде».
Лавинный фотодиод работающий в «гейгеровской» моде обеспечивает
высокий коэффициент усиления ~ 105 ÷ 107
Основной недостаток:
Амплитуда сигнала не зависит от
интенсивности падающего излучения!
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
48
Твердотельные фотоприемники
4. Микропиксельные лавинные фотодиоды MAPD
Решение проблемы с регистрацией интенсивности: объединить множество
«гейгеровских» фотодиодов на общей подложке – микропиксельная
структура MAPD
Таким образом получаем:
1. Высокий коэффициент усиления ~ 105 ÷ 107
2. Возможность регистрации интенсивности излучения
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
49
Конструкция и принцип работы
Глубинный МЛФД
Поверхностно-пиксельный МЛФД
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
50
Основные преимущества MAPD
• Компактность (размер кристалла 1 мм2)
• Низкое напряжение питания (~ 50 В)
• Нечувствительность к магнитному полю
Основной недостаток:
• Аналогично лавинным фотодиодам (APD), зависимость
основных характеристик от температуры.
• Высокий уровень собственных шумов ~ 106 Гц/мм2
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
51
Амплитудные спектры при различной интенсивности света.
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
52
MAPD S60
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
53
Черенковские детекторы
Пороговый
Дифференциальный
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
54
Сравнительные свойства активных средств
детекторов
Активная среда
Газ (Ar)
Жидкий газ
(LAr)
Полупроводник
(Si)
May 9, 2016
ΔE /
пару
#
пар/мм
10-3
30 эВ
3(9)
1.4
24 эВ
103
2.3
3.6 эВ
105
ρ
г/см3
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
55
Особенности активных сред определяют поле
основного применения детекторов с
использованием этих активных сред:
Газы – трековые детекторы
 Сжиженные газы – калориметрия
 Полупроводник – высокоточные трековые

детекторы относительно небольшой площади
(вершинные детекторы и “forward” калориметры)
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
56
Газовые детекторы
Преимущества
1.
2.
Недостатки
Мало вещества.
1.
Можно измерять координату
не «изменяя» исходные
характеристики
регистрируемой частицы
Информация достаточно
естественно переводится в
электрический сигнал.
May 9, 2016
2.
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
Могут быть проблемы с
эффективностью
регистрации.
Малое число первичных
электрон/ион пар –
требуется усиление ( 1 см
→ 102 e . Для регистрации
надо получить ~ 1pQ ~107e
57
Плоскопараллельный счетчик
•
•
•
••
••
•
•
•
•
+
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
58
Газовое усиление
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
59
Газовые детекторы с неоднородным
электрическим полем.
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
60
Многопроволочная пропорциональная
камера
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
61
Принцип дрейфовой камеры
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
62
Дрейфовая трубка
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
63
Полупроводниковые детекторы
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
64
Калориметры
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
65
Структура универсального детектора
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
66
Установка ATLAS для LHC
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
67
CMS - Compact Muon Solenoid
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
68
Электроника детекторов
Front-end electronics (FEE)
Информация содержится в форме
сигнала (амплитуда, интеграл – заряд)
Аналоговая
электроника
Детектор
Информация содержится в самом
факте появления сигнала и времени его
появления.
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
Логическая
(цифровая)
электроника
69
Почему необходимо формирование
сигнала с детектора ?
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
70
Понятие об FEE и ее блоках

Сигнал от детектора надо
Усилить (Amplify)
 Сформировать (Shape)
 Сделать «логическим» (Discriminate)

 ASD
 Надо выделить факт прохождения частицы
(схема совпадений – антисовпадений)
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
71
Основные типы электронных
блоков





Дискриминатор - формирователь
Схема совпадений (Coincidence)
Схема антисовпадений (Anticoincidence)
Пересчетная схема (Scaler)
Кабельная задержка (Cable delay)
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
72
Дискриминатор
- электронный блок назначение которого – сравнение уровня сигнала,
поступающего на вход с некоторым эталонным уровнем. Выходной сигнал с
Дискриминатора зависит от результата сравнения этих двух уровней
Выходной сигнал
Входной сигнал
V
0
t
Дискриминатор
Эталонный
уровень
V
0
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
t
73
Схема совпадений


Схема совпадений – это электронный блок с
несколькими входами (кратность совпадений)
и выходом(ами)
Сигнал на выходе появляется только в том
случае, если на всех входах присутствует
сигнал.
Схема
трехкратных
совпадений
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
74
Функциональная схема СС
Δ
Δ
Дискриминатор
Опорное
напряжение
U=1,5 Δ
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
75
Как выделить факт прохождения частицы?
Сцинтиллятор
Световод
ФЭУ
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
76
Как выделить факт прохождения частицы?
L
Θ ~ d/L
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
77
Система предварительного отбора событий
(Trigger – спусковой крючок в оружии).
Конечная цель любого эксперимента – выделение событий,
соответствующих исследуемому процессу, из событий не имеющих
отношения к исследуемому (фон).
Уровень фона на порядки превышает уровень фона.
Поэтому практически в любом эксперименте существует
многоуровневая система отбора событий.
Многоуровневая вследствие того, что полное подавление фона
путем применения одного критерия как правило невозможно (и
даже нежелательно!).
Поэтому экспериментаторы стараются подавлять фон на всех
этапах процесса приема (регистрации) данных как в ходе
эксперимента (on-line), так и после его завершения (off-line).
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
78
Погрешности экспериментальных данных
Статистические
погрешности


Погрешности, величина
которых определяется
набранной в эксперименте
статистикой (общим числом
событий)
n
Систематические
погрешности
Погрешности, уровень которых не
зависит от уровня набранной
статистики, а определяется
особенностями установки
σ
A
ΔA ~ σ/√ N
May 9, 2016
Г.А.Шелков (ОИЯИ)
79