Chambre de projection temporelle - Time projection chamber

Le TPC de l' expérience ALICE au CERN

En physique , une chambre à projection temporelle ( TPC ) est un type de détecteur de particules qui utilise une combinaison de champs électriques et de champs magnétiques avec un volume sensible de gaz ou de liquide pour effectuer une reconstruction tridimensionnelle d'une trajectoire ou d'une interaction de particules.

Le design original

Le TPC original a été inventé par David R. Nygren , un physicien américain, au Lawrence Berkeley Laboratory à la fin des années 1970. Sa première application majeure a été le détecteur PEP-4, qui a étudié les collisions électron-positon de 29 GeV au niveau de l'anneau de stockage PEP du SLAC .

Une chambre de projection temporelle consiste en un volume de détection rempli de gaz dans un champ électrique avec un système de collecte d'électrons sensible à la position. La conception originale (et la plus couramment utilisée) est une chambre cylindrique avec des chambres proportionnelles multi-fils (MWPC) comme plaques d'extrémité. Sur sa longueur, la chambre est divisée en deux au moyen d'un disque d' électrode central haute tension , qui établit un champ électrique entre le centre et les plaques d'extrémité. De plus, un champ magnétique est souvent appliqué sur la longueur du cylindre, parallèlement au champ électrique, afin de minimiser la diffusion des électrons issus de l' ionisation du gaz. En traversant le gaz détecteur, une particule produira une ionisation primaire le long de sa trajectoire. La coordonnée z (le long de l'axe du cylindre) est déterminée en mesurant le temps de dérive entre l'événement d'ionisation et le MWPC à la fin. Ceci est fait en utilisant la technique habituelle d'une chambre à dérive . Le MWPC à l'extrémité est disposé avec les fils d' anode dans la direction azimutale , θ , qui fournit des informations sur la coordonnée radiale, r . Pour obtenir la direction azimutale, chaque plan de cathode est divisé en bandes selon la direction radiale.

Ces dernières années, d'autres moyens d'amplification et de détection d'électrons sensibles à la position sont devenus plus largement utilisés, en particulier en conjonction avec l'application accrue des chambres à projection temporelle en physique nucléaire . Ceux-ci combinent généralement une plaque d'anode segmentée avec soit juste une grille de Frisch, soit un élément de multiplication d'électrons actif comme un multiplicateur d'électrons à gaz . Ces TPC plus récents s'écartent également de la géométrie traditionnelle d'un cylindre à champ axial au profit d'une géométrie plate ou d'un cylindre à champ radial.

Chercheurs antérieurs utilisés physique des particules généralement aussi fait d'une géométrie de boîte en forme simplifiée disposée directement au- dessus ou au- dessous de la ligne de faisceau, par exemple dans le CERN NA49 et NA35 expériences.

Voir aussi: Résumé des détecteurs de particules

La chambre de projection de temps d'argon liquide (LArTPC)

En 1977, Carlo Rubbia a conçu une chambre de projection temporelle liquide- argon , ou LArTPC. Le LArTPC fonctionne selon bon nombre des mêmes principes que la conception initiale du TPC de Nygren, mais utilise de l'argon liquide comme milieu sensible au lieu d'un gaz.

Conception et propriétés du détecteur

L'argon liquide est avantageux comme milieu sensible pour plusieurs raisons. Le fait que l'argon est un élément noble et a donc une électronégativité en voie de disparition signifie que les électrons produits par le rayonnement ionisant ne seront pas absorbés lorsqu'ils dériveront vers la lecture du détecteur. L'argon scintille également lorsqu'une particule chargée d'énergie passe, libérant un nombre de photons de scintillation qui est proportionnel à l'énergie déposée dans l'argon par la particule qui passe. L'argon liquide est également relativement peu coûteux, ce qui rend les projets à grande échelle économiquement réalisables. Cependant, l'une des principales motivations de l'utilisation de l'argon liquide comme milieu sensible est sa densité. L'argon liquide est environ mille fois plus dense que le gaz utilisé dans la conception TPC de Nygren, ce qui augmente la probabilité qu'une particule interagisse dans un détecteur d'un facteur d'environ mille. Cette fonction est particulièrement utile en physique des neutrinos , où les sections efficaces d' interaction neutrino- nucléon sont petites.

Un diagramme de la conception du LArTPC et des principes de fonctionnement de base

Le corps d'un LArTPC typique est formé de trois parties. D'un côté du détecteur se trouve un plan de cathode haute tension , utilisé pour établir un champ électrique de dérive à travers le TPC. Bien que le potentiel électrique exact auquel ceci est réglé dépende de la géométrie du détecteur, cette cathode haute tension produit typiquement un champ de dérive de 500 V / cm à travers le détecteur.

Du côté opposé au plan de la cathode se trouve un ensemble de plans de fil d'anode fixés à des potentiels beaucoup plus élevés (moins négatifs) que celui de la cathode. Chaque plan est séparé de ses voisins par un petit espace, généralement de l'ordre de 1 cm. Un plan est constitué de nombreux fils conducteurs parallèles espacés de quelques millimètres, et l'angle auquel les fils sont orientés par rapport à la verticale varie d'un plan à l'autre. Ensemble, ces plans lisent les signaux des électrons de dérive. Pour un détecteur avec N plans de fil d'anode, les N  - 1 plans intérieurs sont appelés plans d'induction. Ceux-ci sont fixés à des potentiels inférieurs (plus négatifs) que le plan extérieur, permettant aux électrons de dérive de les traverser, induisant des signaux qui sont utilisés pour la reconstruction d'événements. Le plan extérieur est appelé le plan de collecte car les électrons de dérive sont collectés sur ces fils, produisant des signaux supplémentaires. Avoir plusieurs plans avec différentes orientations de fil permet une reconstruction d'événement en deux dimensions, tandis que la troisième dimension est trouvée à partir des temps de dérive des électrons.

La troisième partie est une cage de champ entre la cathode et l'anode. Cette cage de champ maintient un champ électrique uniforme entre la cathode et l'anode, de sorte que les trajectoires des électrons de dérive s'écartent le moins possible du chemin le plus court entre le point d'ionisation et le plan anodique. Ceci est destiné à empêcher la distorsion de la trajectoire des particules lors de la reconstruction d'événement.

Un système de collecte de lumière accompagne souvent le LArTPC de base comme moyen d'extraire plus d'informations d'un événement par lumière scintillante. Il peut également jouer un rôle important dans le déclenchement, car il ne capte la lumière de scintillation que nanosecondes après le passage de la particule à travers le détecteur. Ceci est comparativement (de l'ordre de 1000 fois) plus court que le temps mis par les électrons libérés pour dériver vers les plans du fil, il est donc souvent suffisant de délimiter le temps de collecte des photons de scintillation comme un temps de déclenchement ( t 0 ) pour un un événement. Avec ce temps de déclenchement, on peut alors trouver les temps de dérive des électrons, ce qui permet une reconstruction tridimensionnelle d'un événement. Bien que de tels systèmes ne soient pas le seul moyen par lequel un LArTPC peut identifier un temps de déclenchement, ils sont nécessaires pour étudier des phénomènes tels que les supernovae et la désintégration du proton, où les particules subissant une désintégration ou une interaction ne sont pas produites dans un accélérateur artificiel et la synchronisation de un faisceau de particules n'est donc pas connu. Les tubes photomultiplicateurs , les guides de lumière et les photomultiplicateurs au silicium sont des exemples d'instruments utilisés pour collecter cette lumière. Ceux-ci sont généralement positionnés juste à l'extérieur du volume de dérive.

Lecture du signal

Dans un LArTPC typique, chaque fil dans chaque plan d'anode fait partie d'un circuit RC , avec le fil lui-même situé entre la résistance et le condensateur . L'autre extrémité de la résistance est câblée à une tension de polarisation et l'autre extrémité du condensateur est câblée à l'électronique frontale. L'électronique frontale amplifie et numérise le courant dans le circuit. Ce courant amplifié et numérisé en fonction du temps est le "signal" qui est passé à la reconstruction d'événement.

Pour un fil de plan d'anode donné, le signal produit aura une forme spécifique qui dépend de si le fil est situé dans un plan d'induction ou dans un plan de collecte. Lorsqu'un électron de dérive se déplace vers un fil dans un plan d'induction, il induit un courant dans le fil, produisant une "bosse" dans le courant de sortie. Lorsque l'électron s'éloigne d'un fil, il induit un courant dans la direction opposée, produisant une "bosse" de sortie du signe opposé comme le premier. Le résultat est un signal bipolaire. En revanche, les signaux pour un fil de plan de collecte sont unipolaires, puisque les électrons ne passent pas par le fil mais sont à la place "collectés" par celui-ci. Pour ces deux géométries, une plus grande amplitude du signal implique que plus d'électrons de dérive sont passés par le fil (pour les plans d'induction) ou ont été collectés par celui-ci (pour le plan de collecte).

La lecture du signal de tous les fils dans un plan d'anode donné peut être organisée en une image 2D d'une interaction de particules. Une telle image est une projection de l'interaction des particules 3D sur un plan 2D dont le vecteur normal est parallèle aux fils dans le plan d'anode spécifié. Les projections 2D correspondant à chacun des plans d'anode sont combinées pour reconstruire complètement l'interaction 3D.

TPC biphasé

La technique elle-même a été développée pour la première fois pour la détection des rayonnements à l'argon au début des années 1970. Le programme ZEPLIN a été le pionnier de l'utilisation de la technologie à deux phases pour les recherches WIMP . Les séries de détecteurs XENON et LUX représentent la mise en œuvre de pointe de cet instrument en physique.

Remarques

Les références

  • Demonchy, CE; 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, MS; Stepantsov, S .; Gillibert, A .; Pollacco, E .; Obertelli, A .; Wang, H. (2007). "MAYA, une cible active gazeuse". Instruments et méthodes nucléaires dans la recherche en physique Section A: Accélérateurs, spectromètres, détecteurs et équipements associés . 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: Développement et utilisation d'un TPC radial utilisant des GEM cylindriques". Instruments et méthodes nucléaires dans la recherche en physique Section A: Accélérateurs, spectromètres, détecteurs et équipements associés . 592 (3): 273. Bibcode : 2008NIMPA.592..273F . doi : 10.1016 / j.nima.2008.04.047 . OSTI   920093 .
  • Laird, AM; Amaudruz, P .; Buchmann, L .; Fox, SP; Fulton, BR; Gigliotti, D.; Kirchner, T .; Mumby-Croft, PD; Openshaw, R .; Pavan, MM; Pearson, J .; Ruprecht, G .; Sheffer, G .; Walden, P. (2007). "Statut de TACTIC: Un détecteur pour l'astrophysique nucléaire". Instruments et méthodes nucléaires dans la recherche en physique Section A: Accélérateurs, spectromètres, détecteurs et équipements associés . 573 (1–2): 306–309. Bibcode : 2007NIMPA.573..306L . doi : 10.1016 / j.nima.2006.10.384 .
  • Rubbia, C. (1977). "La chambre de projection de temps liquide-argon: un nouveau concept pour les détecteurs de neutrinos". Citer le journal nécessite |journal= ( aide )
  • Acciarri, R .; et coll. (2015). "Résumé du deuxième atelier sur la recherche et le développement de chambre de projection de temps d'argon liquide aux États-Unis". Journal d'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). "Traitement du signal dans le MicroBooNE LArTPC". arXiv : 1511.00317v1 [ physique.ins-det ].

Lectures complémentaires