Câmara de projeção de tempo - Time projection chamber

O TPC do experimento ALICE no CERN

Na física , uma câmara de projeção de tempo ( TPC ) é um tipo de detector de partículas que usa uma combinação de campos elétricos e campos magnéticos juntamente com um volume sensível de gás ou líquido para realizar uma reconstrução tridimensional da trajetória ou interação de uma partícula.

O design original

O TPC original foi inventado por David R. Nygren , um físico americano, no Lawrence Berkeley Laboratory no final dos anos 1970. Sua primeira aplicação principal foi no detector PEP-4, que estudou colisões elétron-pósitron de 29 GeV no anel de armazenamento PEP no SLAC .

Uma câmara de projeção de tempo consiste em um volume de detecção preenchido com gás em um campo elétrico com um sistema de coleta de elétrons sensível à posição. O projeto original (e o mais comumente usado) é uma câmara cilíndrica com câmaras proporcionais de múltiplos fios (MWPC) como placas terminais. Ao longo de seu comprimento, a câmara é dividida em duas metades por meio de um disco de eletrodo central de alta tensão , que estabelece um campo elétrico entre as placas central e final. Além disso, muitas vezes é aplicado um campo magnético ao longo do comprimento do cilindro, paralelo ao campo elétrico, a fim de minimizar a difusão dos elétrons provenientes da ionização do gás. Ao passar pelo gás detector, uma partícula produzirá ionização primária ao longo de seu trajeto. A coordenada z (ao longo do eixo do cilindro) é determinada medindo o tempo de deriva do evento de ionização para o MWPC no final. Isso é feito usando a técnica usual de uma câmara de deriva . O MWPC na extremidade é arranjado com os fios do ânodo na direção azimutal , θ , que fornece informações sobre a coordenada radial, r . Para obter a direção azimutal, cada plano catódico é dividido em faixas ao longo da direção radial.

Nos últimos anos, outros meios de amplificação e detecção de elétrons sensíveis à posição tornaram-se mais amplamente usados, especialmente em conjunto com o aumento da aplicação de câmaras de projeção de tempo na física nuclear . Eles geralmente combinam uma placa anódica segmentada com apenas uma grade de Frisch ou um elemento de multiplicação de elétrons ativo como um multiplicador de elétrons de gás . Esses TPCs mais novos também se afastam da geometria tradicional de um cilindro com campo axial em favor de uma geometria plana ou de um cilindro com campo radial.

Os primeiros pesquisadores em física de partículas também usualmente usaram uma geometria em forma de caixa mais simplificada, disposta diretamente acima ou abaixo da linha do feixe, como nos experimentos NA49 e NA35 do CERN .

Veja também: Resumo dos detectores de partículas

Câmara de projeção de tempo de argônio líquido (LArTPC)

Em 1977, Carlo Rubbia desenvolveu uma câmara de projeção de tempo de argônio líquido , ou LArTPC. O LArTPC opera sob muitos dos mesmos princípios do projeto TPC inicial de Nygren, mas usa argônio líquido como meio sensível em vez de gás.

Design e propriedades do detector

O argônio líquido é vantajoso como meio sensível por várias razões. O fato de o argônio ser um elemento nobre e, portanto, ter uma eletronegatividade desaparecendo significa que os elétrons produzidos pela radiação ionizante não serão absorvidos à medida que se deslocam em direção à leitura do detector. O argônio também cintila quando uma partícula com carga energética passa, liberando um número de fótons de cintilação que é proporcional à energia depositada no argônio pela partícula que passa. O argônio líquido também é relativamente barato, tornando economicamente viáveis ​​projetos de grande escala. No entanto, uma das principais motivações para usar o argônio líquido como meio sensível é sua densidade. O argônio líquido é cerca de mil vezes mais denso do que o gás usado no projeto do TPC de Nygren, o que aumenta a probabilidade de uma partícula interagir em um detector por um fator de cerca de mil. Esse recurso é particularmente útil na física dos neutrinos , onde as seções de choque da interação neutrino- nucleon são pequenas.

Um diagrama do projeto LArTPC e princípios operacionais básicos

O corpo de um LArTPC típico é formado por três partes. De um lado do detector está um plano catódico de alta voltagem , usado para estabelecer um campo elétrico de deriva através do TPC. Embora o potencial elétrico exato no qual isso é definido dependa da geometria do detector, este cátodo de alta voltagem normalmente produz um campo de deriva de 500 V / cm através do detector.

No lado oposto do plano do cátodo está um conjunto de planos de fio do ânodo com potenciais muito mais elevados (menos negativos) do que o do cátodo. Cada plano é separado de seus vizinhos por uma pequena lacuna, geralmente da ordem de 1 cm. Um plano consiste em muitos fios condutores paralelos espaçados por alguns milímetros, e o ângulo no qual os fios são orientados em relação à vertical varia de plano para plano. Juntos, esses planos lêem os sinais dos elétrons à deriva. Para um detector com planos de fio de ânodo N , os planos N  -1 internos são chamados de planos de indução. Estes são ajustados em potenciais mais baixos (mais negativos) do que o plano externo, permitindo que elétrons à deriva passem por eles, induzindo sinais que são usados ​​para reconstrução de eventos. O plano externo é chamado de plano de coleta porque os elétrons de deriva são coletados nesses fios, produzindo sinais adicionais. Ter vários planos com diferentes orientações de fio permite a reconstrução de eventos bidimensionais, enquanto a terceira dimensão é encontrada a partir dos tempos de deriva de elétrons.

A terceira parte é uma gaiola de campo entre o cátodo e o ânodo. Esta gaiola de campo mantém um campo elétrico uniforme entre o cátodo e o ânodo, de modo que as trajetórias de elétrons de deriva se desviam o menos possível do caminho mais curto entre o ponto de ionização e o plano do ânodo. O objetivo disso é evitar a distorção da trajetória das partículas durante a reconstrução do evento.

Um sistema de coleta de luz geralmente acompanha o LArTPC básico como um meio de extrair mais informações de um evento por luz de cintilação. Ele também pode desempenhar um papel importante no acionamento, porque coleta luz de cintilação apenas nanosegundos depois que a partícula passa pelo detector. Isso é comparativamente (na ordem de 1000 vezes) mais curto do que o tempo gasto pelos elétrons liberados para derivar para os planos de arame, por isso muitas vezes é suficiente demarcar o tempo de coleta de fótons de cintilação como um tempo de disparo ( t 0 ) para evento. Com esse tempo de disparo, é possível encontrar os tempos de deriva do elétron, o que permite a reconstrução tridimensional de um evento. Embora tais sistemas não sejam os únicos meios pelos quais um LArTPC pode identificar um tempo de disparo, eles são necessários para estudar fenômenos como supernovas e decaimento de prótons, onde as partículas em decadência ou interação não são produzidas em um acelerador feito pelo homem e o tempo de um feixe de partículas, portanto, não é conhecido. Tubos fotomultiplicadores , guias de luz e fotomultiplicadores de silício são exemplos de instrumentos usados ​​para coletar essa luz. Normalmente, eles são posicionados fora do volume de deriva.

Leitura de sinal

Em um LArTPC típico, cada fio em cada plano do ânodo é parte de um circuito RC , com o próprio fio localizado entre o resistor e o capacitor . A outra extremidade do resistor é conectada a uma tensão de polarização e a outra extremidade do capacitor é conectada aos componentes eletrônicos front-end. Os eletrônicos front-end amplificam e digitalizam a corrente no circuito. Essa corrente amplificada e digitalizada em função do tempo é o "sinal" que é passado para a reconstrução do evento.

Para um determinado fio do plano anódico, o sinal produzido terá uma forma específica que depende se o fio está localizado em um plano de indução ou em um plano de coleta. À medida que um elétron deriva se move em direção a um fio em um plano de indução, ele induz uma corrente no fio, produzindo um "salto" na corrente de saída. À medida que o elétron se afasta de um fio, ele induz uma corrente na direção oposta, produzindo uma "colisão" de saída com o sinal oposto ao primeiro. O resultado é um sinal bipolar. Em contraste, os sinais para um fio de plano de coleta são unipolares, uma vez que os elétrons não passam pelo fio, mas são "coletados" por ele. Para ambas as geometrias, uma amplitude de sinal maior implica que mais elétrons deriva ou passaram pelo fio (para planos de indução) ou foram coletados por ele (para o plano de coleta).

A leitura do sinal de todos os fios em um determinado plano anódico pode ser organizada em uma imagem 2D de uma interação de partícula. Essa imagem é uma projeção da interação de partículas 3D em um plano 2D cujo vetor normal é paralelo aos fios no plano anódico especificado. As projeções 2D correspondentes a cada um dos planos anódicos são combinadas para reconstruir totalmente a interação 3D.

TPC de fase dupla

A técnica em si foi desenvolvida pela primeira vez para detecção de radiação usando argônio no início dos anos 1970. O programa ZEPLIN foi o pioneiro no uso da tecnologia de duas fases para pesquisas WIMP . As séries de detectores XENON e LUX representam o que há de mais moderno na implementação desse instrumento em física.

Notas

Referências

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Leitura adicional