Cámara de proyección de tiempo - Time projection chamber

El TPC del experimento ALICE en el CERN

En física , una cámara de proyección temporal ( TPC ) es un tipo de detector de partículas que utiliza una combinación de campos eléctricos y magnéticos junto con un volumen sensible de gas o líquido para realizar una reconstrucción tridimensional de la trayectoria o interacción de una partícula.

El diseño original

El TPC original fue inventado por David R. Nygren , un físico estadounidense, en el Laboratorio Lawrence Berkeley a fines de la década de 1970. Su primera aplicación importante fue en el detector PEP-4, que estudió colisiones electrón-positrón de 29 GeV en el anillo de almacenamiento de PEP en SLAC .

Una cámara de proyección de tiempo consiste en un volumen de detección lleno de gas en un campo eléctrico con un sistema de recolección de electrones sensible a la posición. El diseño original (y el que se usa con más frecuencia) es una cámara cilíndrica con cámaras proporcionales de múltiples cables (MWPC) como placas terminales. A lo largo de su longitud, la cámara está dividida en mitades mediante un disco de electrodo central de alto voltaje , que establece un campo eléctrico entre el centro y las placas terminales. Además, a menudo se aplica un campo magnético a lo largo del cilindro, paralelo al campo eléctrico, para minimizar la difusión de los electrones provenientes de la ionización del gas. Al pasar a través del gas detector, una partícula producirá ionización primaria a lo largo de su trayectoria. La coordenada z (a lo largo del eje del cilindro) se determina midiendo el tiempo de deriva desde el evento de ionización hasta el MWPC al final. Esto se hace utilizando la técnica habitual de una cámara de deriva . El MWPC al final está dispuesto con los alambres del ánodo en la dirección azimutal , θ , que proporciona información sobre la coordenada radial, r . Para obtener la dirección azimutal, cada plano del cátodo se divide en tiras a lo largo de la dirección radial.

En los últimos años, se han utilizado más ampliamente otros medios de amplificación y detección de electrones sensibles a la posición, especialmente junto con la aplicación cada vez mayor de cámaras de proyección de tiempo en física nuclear . Por lo general, combinan una placa de ánodo segmentado con solo una rejilla de Frisch o un elemento activo de multiplicación de electrones como un multiplicador de electrones de gas . Estos TPC más nuevos también se apartan de la geometría tradicional de un cilindro con un campo axial en favor de una geometría plana o un cilindro con un campo radial.

Los investigadores anteriores en física de partículas también solían utilizar una geometría en forma de caja más simplificada dispuesta directamente encima o debajo de la línea del haz, como en los experimentos CERN NA49 y NA35 .

Ver también: Resumen de detectores de partículas

La cámara de proyección de tiempo de argón líquido (LArTPC)

En 1977, Carlo Rubbia ideó una cámara de proyección de tiempo de argón líquido , o LArTPC. El LArTPC opera bajo muchos de los mismos principios que el diseño inicial de TPC de Nygren, pero utiliza argón líquido como medio sensible en lugar de gas.

Diseño y propiedades del detector

El argón líquido es ventajoso como medio sensible por varias razones. El hecho de que el argón es un elemento noble y, por lo tanto, tiene una electronegatividad que se desvanece significa que los electrones producidos por la radiación ionizante no serán absorbidos a medida que se desplacen hacia la lectura del detector. El argón también centellea cuando pasa una partícula cargada de energía, liberando una cantidad de fotones de centelleo que es proporcional a la energía depositada en el argón por la partícula que pasa. El argón líquido también es relativamente económico, lo que hace que los proyectos a gran escala sean económicamente viables. Sin embargo, una de las principales motivaciones para usar argón líquido como medio sensible es su densidad. El argón líquido es unas mil veces más denso que el gas utilizado en el diseño de TPC de Nygren, lo que aumenta la probabilidad de que una partícula interactúe en un detector en un factor de alrededor de mil. Esta característica es particularmente útil en la física de neutrinos , donde las secciones transversales de interacción neutrino- nucleón son pequeñas.

Un diagrama del diseño de LArTPC y los principios operativos básicos.

El cuerpo de un LArTPC típico está formado por tres partes. En un lado del detector hay un plano de cátodo de alto voltaje , que se utiliza para establecer un campo eléctrico de deriva a través del TPC. Aunque el potencial eléctrico exacto al que se establece depende de la geometría del detector, este cátodo de alto voltaje normalmente produce un campo de deriva de 500 V / cm a través del detector.

En el lado opuesto del plano del cátodo hay un conjunto de planos de alambres del ánodo establecidos a potenciales mucho más altos (menos negativos) que los del cátodo. Cada plano está separado de sus vecinos por un pequeño espacio, generalmente del orden de 1 cm. Un plano consta de muchos cables conductores paralelos espaciados por unos pocos milímetros, y el ángulo en el que se orientan los cables con respecto a la vertical varía de un plano a otro. Juntos, estos planos leen las señales de los electrones a la deriva. Para un detector con N planos de alambres de ánodo, los planos internos N  - 1 se denominan planos de inducción. Estos se establecen en potenciales más bajos (más negativos) que el plano exterior, lo que permite que los electrones de deriva pasen a través de ellos, induciendo señales que se utilizan para la reconstrucción de eventos. El plano exterior se denomina plano de recogida porque los electrones de deriva se recogen en estos cables y producen señales adicionales. Tener múltiples planos con diferentes orientaciones de cables permite la reconstrucción de eventos bidimensional, mientras que la tercera dimensión se encuentra a partir de los tiempos de deriva de los electrones.

La tercera parte es una jaula de campo entre el cátodo y el ánodo. Esta jaula de campo mantiene un campo eléctrico uniforme entre el cátodo y el ánodo, de modo que las trayectorias de los electrones de deriva se desvíen lo menos posible del camino más corto entre el punto de ionización y el plano del ánodo. Esto tiene como objetivo evitar la distorsión de la trayectoria de las partículas durante la reconstrucción de eventos.

Un sistema de recolección de luz a menudo acompaña al LArTPC básico como un medio para extraer más información de un evento mediante el centelleo de la luz. También puede desempeñar un papel importante en la activación, porque recoge la luz de centelleo solo nanosegundos después de que la partícula pasa a través del detector. Esto es comparativamente (del orden de 1000 veces) más corto que el tiempo que tardan los electrones liberados en desplazarse a los planos de los cables, por lo que a menudo es suficiente demarcar el tiempo de recolección de los fotones de centelleo como un tiempo de activación ( t 0 ) para un evento. Con este tiempo de activación, se pueden encontrar los tiempos de deriva de los electrones, lo que permite la reconstrucción tridimensional de un evento. Si bien tales sistemas no son el único medio por el cual un LArTPC puede identificar un tiempo de activación, son necesarios para estudiar fenómenos como las supernovas y la desintegración de protones, donde las partículas que experimentan desintegración o interacción no se producen en un acelerador artificial y el tiempo de por tanto, no se conoce un haz de partículas. Los tubos fotomultiplicadores , las guías de luz y los fotomultiplicadores de silicio son ejemplos de instrumentos utilizados para recolectar esta luz. Por lo general, se colocan justo fuera del volumen de deriva.

Lectura de señal

En un LArTPC típico, cada cable en cada plano del ánodo es parte de un circuito RC , con el cable en sí ubicado entre la resistencia y el capacitor . El otro extremo de la resistencia está conectado a un voltaje de polarización y el otro extremo del condensador está conectado a la electrónica frontal. La electrónica frontal amplifica y digitaliza la corriente en el circuito. Esta corriente amplificada y digitalizada en función del tiempo es la "señal" que se pasa a la reconstrucción del evento.

Para un cable plano de ánodo dado, la señal producida tendrá una forma específica que depende de si el cable está ubicado en un plano de inducción o en un plano de recogida. Cuando un electrón de deriva se mueve hacia un cable en un plano de inducción, induce una corriente en el cable, produciendo un "golpe" en la corriente de salida. A medida que el electrón se aleja de un cable, induce una corriente en la dirección opuesta, produciendo un "golpe" de salida del signo opuesto al primero. El resultado es una señal bipolar. En contraste, las señales para un alambre plano de recolección son unipolares, ya que los electrones no pasan por el alambre sino que son "recolectados" por él. Para ambas geometrías, una mayor amplitud de señal implica que más electrones de deriva pasaron por el cable (para los planos de inducción) o fueron recogidos por él (para el plano de recogida).

La lectura de la señal de todos los cables en un plano de ánodo dado se puede organizar en una imagen 2D de la interacción de una partícula. Tal imagen es una proyección de la interacción de partículas 3D en un plano 2D cuyo vector normal es paralelo a los cables en el plano de ánodo especificado. Las proyecciones 2D correspondientes a cada uno de los planos del ánodo se combinan para reconstruir completamente la interacción 3D.

TPC de doble fase

La técnica en sí se desarrolló por primera vez para la detección de radiación con argón a principios de la década de 1970. El programa ZEPLIN fue pionero en el uso de tecnología de dos fases para búsquedas WIMP . Las series de detectores XENON y LUX representan la implementación más avanzada de este instrumento en física.

Notas

Referencias

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Otras lecturas