félvezető- és gáztöltésű detektorokatomfizika.elte.hu/magreszfiz/kissgabor_detektorok.pdf ·...
TRANSCRIPT
![Page 1: Félvezető- és gáztöltésű detektorokatomfizika.elte.hu/magreszfiz/kissgabor_detektorok.pdf · 2010. november 4. Kiss Gábor 6 Félvezetők detektorok II. Band gap: Gyémánt](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060705/6071742d9d3bb803a55d02c1/html5/thumbnails/1.jpg)
Félvezető- és gáztöltésű detektorok
Kiss Gábor2010. november 4.
![Page 2: Félvezető- és gáztöltésű detektorokatomfizika.elte.hu/magreszfiz/kissgabor_detektorok.pdf · 2010. november 4. Kiss Gábor 6 Félvezetők detektorok II. Band gap: Gyémánt](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060705/6071742d9d3bb803a55d02c1/html5/thumbnails/2.jpg)
2010. november 4. Kiss Gábor 2
Detektorok
Feladat: nyomkövetés (tracking) és részecskeazonosítás (PID)
![Page 3: Félvezető- és gáztöltésű detektorokatomfizika.elte.hu/magreszfiz/kissgabor_detektorok.pdf · 2010. november 4. Kiss Gábor 6 Félvezetők detektorok II. Band gap: Gyémánt](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060705/6071742d9d3bb803a55d02c1/html5/thumbnails/3.jpg)
2010. november 4. Kiss Gábor 3
Szempontok:
Az ütközkési ponthoz közel minél jobb helyfelbontás Az áthaladó részecske ne veszítsen túl sok energiát
(ne nyelődjön el és ne térüljön el túlságosan)
Impulzusmérés: töltött részecskék
mágneses térben való eltérülése
alapján (r = p_t / (0,3 B) )
PID: impulzus- és sebességmérés
→ tömeg
Félvezető detektorok: tracking
Gáztöltésű detektorok: tracking és PID
Detektorok II.
![Page 4: Félvezető- és gáztöltésű detektorokatomfizika.elte.hu/magreszfiz/kissgabor_detektorok.pdf · 2010. november 4. Kiss Gábor 6 Félvezetők detektorok II. Band gap: Gyémánt](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060705/6071742d9d3bb803a55d02c1/html5/thumbnails/4.jpg)
2010. november 4. Kiss Gábor 4
Detektorok III.
![Page 5: Félvezető- és gáztöltésű detektorokatomfizika.elte.hu/magreszfiz/kissgabor_detektorok.pdf · 2010. november 4. Kiss Gábor 6 Félvezetők detektorok II. Band gap: Gyémánt](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060705/6071742d9d3bb803a55d02c1/html5/thumbnails/5.jpg)
2010. november 4. Kiss Gábor 5
Félvezető detektorok
Vezetők, szigetelők, félvezetők
![Page 6: Félvezető- és gáztöltésű detektorokatomfizika.elte.hu/magreszfiz/kissgabor_detektorok.pdf · 2010. november 4. Kiss Gábor 6 Félvezetők detektorok II. Band gap: Gyémánt](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060705/6071742d9d3bb803a55d02c1/html5/thumbnails/6.jpg)
2010. november 4. Kiss Gábor 6
Félvezetők detektorok II. Band gap:
Gyémánt 5.5 eV (e-h keltés: 13 eV) Szilícium 1,12 eV (3.6 eV)
(Ar-ban hétszer ennyi energia elektron-ion párkeltéshez)
Germánium 0,66 eV (2.9 eV) Termikus gerjesztés vs. töltött részecskék detektálása
A gyémánt szobahőmérsékleten is használható, Si, Ge-t viszont hűteni kell, vagy a szabad töltésektől másképp megszabadulni (pl. szennyezés).
Nagy sűrűség (a gáztöltésű detektorok ~1000-szerese)
Gyors jel (az elektronok és a lyukak sebessége között nincs nagy különbség)
![Page 7: Félvezető- és gáztöltésű detektorokatomfizika.elte.hu/magreszfiz/kissgabor_detektorok.pdf · 2010. november 4. Kiss Gábor 6 Félvezetők detektorok II. Band gap: Gyémánt](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060705/6071742d9d3bb803a55d02c1/html5/thumbnails/7.jpg)
2010. november 4. Kiss Gábor 7
Félvezető detektorok III.
Gyémánt: Néhány 100 mikron vastagságú gyémánt két elektróda
között ns-os időfelbontás
Adelékolt félvezetők: Si + As: n típusú félvezető (több e, mint h) Si + B: p típusú félvezető
→ dióda, mint detektor – kiforrott iparág
![Page 8: Félvezető- és gáztöltésű detektorokatomfizika.elte.hu/magreszfiz/kissgabor_detektorok.pdf · 2010. november 4. Kiss Gábor 6 Félvezetők detektorok II. Band gap: Gyémánt](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060705/6071742d9d3bb803a55d02c1/html5/thumbnails/8.jpg)
2010. november 4. Kiss Gábor 8
Félvezető detektorok IV.
Lehetséges 2D kiolvasás, 5 mikronos helyfelbontás
![Page 9: Félvezető- és gáztöltésű detektorokatomfizika.elte.hu/magreszfiz/kissgabor_detektorok.pdf · 2010. november 4. Kiss Gábor 6 Félvezetők detektorok II. Band gap: Gyémánt](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060705/6071742d9d3bb803a55d02c1/html5/thumbnails/9.jpg)
2010. november 4. Kiss Gábor 9
CMS tracker
12000 modul
445 m2 szilícium detektor
~60 millió kiolvasócsatorna
![Page 10: Félvezető- és gáztöltésű detektorokatomfizika.elte.hu/magreszfiz/kissgabor_detektorok.pdf · 2010. november 4. Kiss Gábor 6 Félvezetők detektorok II. Band gap: Gyémánt](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060705/6071742d9d3bb803a55d02c1/html5/thumbnails/10.jpg)
2010. november 4. Kiss Gábor 10
Pixeldetektorok
~ (50 x 200) mikron méret
ATLAS: 1,4 * 10^8 pixel
Bump bonding
![Page 11: Félvezető- és gáztöltésű detektorokatomfizika.elte.hu/magreszfiz/kissgabor_detektorok.pdf · 2010. november 4. Kiss Gábor 6 Félvezetők detektorok II. Band gap: Gyémánt](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060705/6071742d9d3bb803a55d02c1/html5/thumbnails/11.jpg)
2010. november 4. Kiss Gábor 11
Történelem
1906: Geiger számláló, H. Geiger, E. Rutherford
1910: Ködkamra, C.T.R. Wilson (1927)
1928: Geiger-Müller számláló, W. Müller
1930: Emulzió, M. Blau
1940-1950: Szcintillátor, PM
1952: Buborékkamra, D. Glaser (1960)
1962: Szikrakamra
1968: Sokszálas proporcionális kamra, C. Charpak (1992)
![Page 12: Félvezető- és gáztöltésű detektorokatomfizika.elte.hu/magreszfiz/kissgabor_detektorok.pdf · 2010. november 4. Kiss Gábor 6 Félvezetők detektorok II. Band gap: Gyémánt](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060705/6071742d9d3bb803a55d02c1/html5/thumbnails/12.jpg)
2010. november 4. Kiss Gábor 12
Ionizáló sugárzás
sugárzásveszély ionizáló sugárzásveszély
![Page 13: Félvezető- és gáztöltésű detektorokatomfizika.elte.hu/magreszfiz/kissgabor_detektorok.pdf · 2010. november 4. Kiss Gábor 6 Félvezetők detektorok II. Band gap: Gyémánt](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060705/6071742d9d3bb803a55d02c1/html5/thumbnails/13.jpg)
2010. november 4. Kiss Gábor 13
Anyaggal való kölcsönhatás
Szeparáció az ionizáló részecske töltése alapján Ugyanolyan részecskék esetén csak a
sebességtől függ Elektronoknál fékezési sugárzás is fellép
Bethe-Bloch formula:
![Page 14: Félvezető- és gáztöltésű detektorokatomfizika.elte.hu/magreszfiz/kissgabor_detektorok.pdf · 2010. november 4. Kiss Gábor 6 Félvezetők detektorok II. Band gap: Gyémánt](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060705/6071742d9d3bb803a55d02c1/html5/thumbnails/14.jpg)
2010. november 4. Kiss Gábor 14
Bethe-Bloch formula
Fajlagos energiaveszteség
Minimum ionizing particles (mip)
![Page 15: Félvezető- és gáztöltésű detektorokatomfizika.elte.hu/magreszfiz/kissgabor_detektorok.pdf · 2010. november 4. Kiss Gábor 6 Félvezetők detektorok II. Band gap: Gyémánt](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060705/6071742d9d3bb803a55d02c1/html5/thumbnails/15.jpg)
2010. november 4. Kiss Gábor 15
Töltőgáz
Nemesgáz + UV elnyelő gáz keveréke Nemesgáz, mert:
Alacsony ionizációs potenciál Egyatomos gáz, zárt elektronhéj szerkezettel, alacsony
energiás rezgési és forgási módusokkal nem rendelkezik → rugalmas ütközés az elektronokkal
Általában Ar: olcsó, megfelelő ionizációs potenciállal
(tipikusan 100 elektron szabadul fel benne cm-enként)
![Page 16: Félvezető- és gáztöltésű detektorokatomfizika.elte.hu/magreszfiz/kissgabor_detektorok.pdf · 2010. november 4. Kiss Gábor 6 Félvezetők detektorok II. Band gap: Gyémánt](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060705/6071742d9d3bb803a55d02c1/html5/thumbnails/16.jpg)
2010. november 4. Kiss Gábor 16
Töltőgáz II.
A gerjesztett Ar atomok 11.6 eV energiájú UV fotonokat bocsátanak ki
A katódlemezen ionizációs küszöbe ennél általában kisebb (pl. Cu: 7.7 eV)
UV elnyelő (quenching) gázok: szénhidrogének, CO2
O2 – alacsony szinten tartás (ppm) áramoltatás
![Page 17: Félvezető- és gáztöltésű detektorokatomfizika.elte.hu/magreszfiz/kissgabor_detektorok.pdf · 2010. november 4. Kiss Gábor 6 Félvezetők detektorok II. Band gap: Gyémánt](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060705/6071742d9d3bb803a55d02c1/html5/thumbnails/17.jpg)
2010. november 4. Kiss Gábor 17
Működési elv
sugárzás hatására ionizáció a gázban
→ el. tér hatására az elektronok és ionok vándorlása (drift) → elektronlavina
elsődleges ionizáció: az áthaladó töltött részecskék és a gázmolekulák kölcsönhatása
másodlagos ionizáció: a keletkezett szabadelektronok további ütközései
![Page 18: Félvezető- és gáztöltésű detektorokatomfizika.elte.hu/magreszfiz/kissgabor_detektorok.pdf · 2010. november 4. Kiss Gábor 6 Félvezetők detektorok II. Band gap: Gyémánt](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060705/6071742d9d3bb803a55d02c1/html5/thumbnails/18.jpg)
2010. november 4. Kiss Gábor 18
Proporcionális számláló
E ~ 100-300 kV/cm a vékony szál közelében(pl. V0 = 1000 V, a = 0.01 mm, b = 10 mm
→ E(a) = 150 kV/cm )
![Page 19: Félvezető- és gáztöltésű detektorokatomfizika.elte.hu/magreszfiz/kissgabor_detektorok.pdf · 2010. november 4. Kiss Gábor 6 Félvezetők detektorok II. Band gap: Gyémánt](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060705/6071742d9d3bb803a55d02c1/html5/thumbnails/19.jpg)
2010. november 4. Kiss Gábor 19
Sokszálas proporcionális kamrák
Georges Charpak (1924 -2010), Nobel-díj (1992) 1968-tól, szkeptikus fogadtatás Helyfelbontás: ~mm Szegmentálható katód (pad) Csatornánként külön
kiolvasó elektronika
![Page 20: Félvezető- és gáztöltésű detektorokatomfizika.elte.hu/magreszfiz/kissgabor_detektorok.pdf · 2010. november 4. Kiss Gábor 6 Félvezetők detektorok II. Band gap: Gyémánt](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060705/6071742d9d3bb803a55d02c1/html5/thumbnails/20.jpg)
2010. november 4. Kiss Gábor 20
Sokszálas proporcionális kamrák
![Page 21: Félvezető- és gáztöltésű detektorokatomfizika.elte.hu/magreszfiz/kissgabor_detektorok.pdf · 2010. november 4. Kiss Gábor 6 Félvezetők detektorok II. Band gap: Gyémánt](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060705/6071742d9d3bb803a55d02c1/html5/thumbnails/21.jpg)
2010. november 4. Kiss Gábor 21
Driftkamrák
Driftidő mérés → nagyobb távolság, kevesebb csatorna szükséges
![Page 22: Félvezető- és gáztöltésű detektorokatomfizika.elte.hu/magreszfiz/kissgabor_detektorok.pdf · 2010. november 4. Kiss Gábor 6 Félvezetők detektorok II. Band gap: Gyémánt](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060705/6071742d9d3bb803a55d02c1/html5/thumbnails/22.jpg)
2010. november 4. Kiss Gábor 22
Driftcső pl. Atlas Muon Spectrometer:
1200 kamra 6 réteg 3 cm-es cső kamránként 1-6 m hosszú kamrák Helyfelbontás: 80 mikron/cső Maximum drift time 700ns Gáz: Ar/CO2 93/7
![Page 23: Félvezető- és gáztöltésű detektorokatomfizika.elte.hu/magreszfiz/kissgabor_detektorok.pdf · 2010. november 4. Kiss Gábor 6 Félvezetők detektorok II. Band gap: Gyémánt](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060705/6071742d9d3bb803a55d02c1/html5/thumbnails/23.jpg)
2010. november 4. Kiss Gábor 23
Micropattern Gaseous Detectors (MPGD)
Gázerősítés: MWPC-kben:
néhány mm Új technológiák:
50-100 mikron
![Page 24: Félvezető- és gáztöltésű detektorokatomfizika.elte.hu/magreszfiz/kissgabor_detektorok.pdf · 2010. november 4. Kiss Gábor 6 Félvezetők detektorok II. Band gap: Gyémánt](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060705/6071742d9d3bb803a55d02c1/html5/thumbnails/24.jpg)
2010. november 4. Kiss Gábor 24
Microstrip Gas Chamber (MSGC)
Félvezetőiparban használatos technológia a szálak és a katód szalagok közötti távolság ~60
mikron Előny: kisebb az ionok drifttávolsága, kevésbé árnyékoló tértöltés
Probléma: a szigetelő felületek feltöltődése, ezáltal az el. tér kamrán belüli
megváltozása - felületi kezelés szükséges a felületi ellenállás csökkentésére
Sérülékenység: erősen ionizáló részecskék tönkretehetik (kisülések)...
![Page 25: Félvezető- és gáztöltésű detektorokatomfizika.elte.hu/magreszfiz/kissgabor_detektorok.pdf · 2010. november 4. Kiss Gábor 6 Félvezetők detektorok II. Band gap: Gyémánt](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060705/6071742d9d3bb803a55d02c1/html5/thumbnails/25.jpg)
2010. november 4. Kiss Gábor 25
MSGC
… így:
![Page 26: Félvezető- és gáztöltésű detektorokatomfizika.elte.hu/magreszfiz/kissgabor_detektorok.pdf · 2010. november 4. Kiss Gábor 6 Félvezetők detektorok II. Band gap: Gyémánt](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060705/6071742d9d3bb803a55d02c1/html5/thumbnails/26.jpg)
2010. november 4. Kiss Gábor 26
GEM
új megoldás: Gas electron multiplier (GEM) technológia, mint előerősítő
előnyei: az MSGC alacsonyabb feszültségen is működtethető
![Page 27: Félvezető- és gáztöltésű detektorokatomfizika.elte.hu/magreszfiz/kissgabor_detektorok.pdf · 2010. november 4. Kiss Gábor 6 Félvezetők detektorok II. Band gap: Gyémánt](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060705/6071742d9d3bb803a55d02c1/html5/thumbnails/27.jpg)
2010. november 4. Kiss Gábor 27
Alkalmazások
MPGD-k felhasználása: nagyenergiás és részecskefizikai kutatások szinkrotronkísérletek és termikus neutron kutatások orvosi képalkotás, belbiztonság
![Page 28: Félvezető- és gáztöltésű detektorokatomfizika.elte.hu/magreszfiz/kissgabor_detektorok.pdf · 2010. november 4. Kiss Gábor 6 Félvezetők detektorok II. Band gap: Gyémánt](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060705/6071742d9d3bb803a55d02c1/html5/thumbnails/28.jpg)
2010. november 4. Kiss Gábor 28
TPC
Driftkamra + MWPC (vagy MPGD) = TPC 3D (2 tér + 1 „idő”) koordináták + fajlagos
energialeadás egyszerre mérhető E || B:
kisebb oldalirányú diffúzió eltérülésből impulzus
![Page 29: Félvezető- és gáztöltésű detektorokatomfizika.elte.hu/magreszfiz/kissgabor_detektorok.pdf · 2010. november 4. Kiss Gábor 6 Félvezetők detektorok II. Band gap: Gyémánt](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060705/6071742d9d3bb803a55d02c1/html5/thumbnails/29.jpg)
2010. november 4. Kiss Gábor 29
TPC
A driftelő elektronok a kapuzórácson gyűlnek össze
![Page 30: Félvezető- és gáztöltésű detektorokatomfizika.elte.hu/magreszfiz/kissgabor_detektorok.pdf · 2010. november 4. Kiss Gábor 6 Félvezetők detektorok II. Band gap: Gyémánt](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060705/6071742d9d3bb803a55d02c1/html5/thumbnails/30.jpg)
2010. november 4. Kiss Gábor 30
TPC
Sokszorozódás az anódszálakon
![Page 31: Félvezető- és gáztöltésű detektorokatomfizika.elte.hu/magreszfiz/kissgabor_detektorok.pdf · 2010. november 4. Kiss Gábor 6 Félvezetők detektorok II. Band gap: Gyémánt](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060705/6071742d9d3bb803a55d02c1/html5/thumbnails/31.jpg)
2010. november 4. Kiss Gábor 31
Cserenkov-detektorok
A közegbeli fénysebességnél
gyorsabb töltött részecskék
Cserenkov sugároznak
Alacsony törésmutatójú gáz
Küszöb- és gyűrűképző
(RICH) Cserenkov-detektorok
![Page 32: Félvezető- és gáztöltésű detektorokatomfizika.elte.hu/magreszfiz/kissgabor_detektorok.pdf · 2010. november 4. Kiss Gábor 6 Félvezetők detektorok II. Band gap: Gyémánt](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060705/6071742d9d3bb803a55d02c1/html5/thumbnails/32.jpg)
2010. november 4. Kiss Gábor 32
Close Cathode Chamber (CCC)
![Page 33: Félvezető- és gáztöltésű detektorokatomfizika.elte.hu/magreszfiz/kissgabor_detektorok.pdf · 2010. november 4. Kiss Gábor 6 Félvezetők detektorok II. Band gap: Gyémánt](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060705/6071742d9d3bb803a55d02c1/html5/thumbnails/33.jpg)
2010. november 4. Kiss Gábor 33
CCC
![Page 34: Félvezető- és gáztöltésű detektorokatomfizika.elte.hu/magreszfiz/kissgabor_detektorok.pdf · 2010. november 4. Kiss Gábor 6 Félvezetők detektorok II. Band gap: Gyémánt](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060705/6071742d9d3bb803a55d02c1/html5/thumbnails/34.jpg)
2010. november 4. Kiss Gábor 34
CCC
Előnyei az MWPC-vel szemben: a szálsík és a katód közötti távolság megengedett
elmozdulása egy nagyságrenddel nagyobb (~mm) Könnyebb (vékonyabb tartószerkezet), kevesebb
anyagot tartalmaz A jel a pad síkon egy pad-re korlátozódik (kis távolság)
![Page 35: Félvezető- és gáztöltésű detektorokatomfizika.elte.hu/magreszfiz/kissgabor_detektorok.pdf · 2010. november 4. Kiss Gábor 6 Félvezetők detektorok II. Band gap: Gyémánt](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022060705/6071742d9d3bb803a55d02c1/html5/thumbnails/35.jpg)
2010. november 4. Kiss Gábor 35
Köszönöm a figyelmet!