1 Michał Turała, 2004 Pomiar torów cz ą stek Cel –Pomiar wierzcho ł ków oddzia ł ywa ń pomiar czasów ż ycia preselekcja oddzia ł ywa ń wybranej klasy –Badanie topologii przypadków krotno ś ci rozk ł ady k ą towe Jety –Pomiar p ę dów ( ł adunku) spektrometry magnetyczne –Pomoc w identyfikacji cz ą stek (e, ,  ) liczniki Czerenkowa kalorymetry spektrometry mionów

2 Michał Turała, 2004 Topologia przypadków Ró ż ne topologie przypadków rozpadu cz ą stki Higgsa (z wiod ą cym leptonem) Higgs  WW Mixed EW-QCD Higgs

3 Michał Turała, 2004 Pomiar p ę dów cz ą stek Pomiar zakrzywienia w polu magnetycznym p = 03.B.  GeV/c  = L 2 /8s B – nat ęż enie pola magnet. w T  - promie ń krzywizny toru w m p = 0.3.B.L 2 /8ss – ugi ę cie toru (sagitta) |  p/p| =  A N.  x /L 2.p/0.3Bdok ł adno ść pomiaru p ę du  x – dok ł adno ść pomiaru wspó ł rz ę dnej toru A N = 720/(N + 5)dla du ż ej ilo ś ci punktów pomiarowych dla p = 1 GeV/c, B=1T, L=1m,  x = 200 µm, N = 10, dp/p meas  0.5%

4 Michał Turała, 2004 Pomiar p ę dów cz ą stek Zdolno ść rozdzielcza spektrometru magnetycznego  p/p = -p.   /e.B.L   =  x.  (1/L 1 2 + 1/L 2 2 ) Rozpraszanie wielokrotne (Coulombowskie)  o = 13.6 MeV/  cp. z.  x/X o [1+0.038 ln(x/X o )] z – ł adunek cz ą stki x/X o – grubo ść mat. w d ł ugo ś ciach rad. dp/p MS  0.05/B. .  (X o.L) w Ar dla B=1T,L=1m, dp/p MS  0.5%

5 Michał Turała, 2004 Detektory gazowe Zjawiska w gazach jonizacja pierwotna i wtórna ruch elektronów i jonów w polu elektrycznym wzmocnienie gazowe i wy ł adowania w gazie kszta ł towanie si ę impulsu elektrycznego Komory proporcjonalne i dryfowe komory proporcjonalne komory dryfowe Komory projekcji czasowej Komory mikropaskowe Komory o ma ł ej odleg ł o ś ci anoda-katoda

6 Michał Turała, 2004 Detektory gazowe - zjawiska w gazach - Jonizacja pierwotna i wtórna Straty na jonizacj ę dE/dx ~ z 2 /  2.[ln  2  2 /I 2 –  (  )]  = p/Mc I – ś redni potencja ł jonizacji I  16 (Z med ) 0.9 eV, I H  13.5 eV Ilo ść powsta ł ych par jonów n ca ł k =  E/w i w i – energia potrzebna na wyprodukowanie pary jonów Dla mieszanin n ca ł k =   E j /w j.p j p j – zawarto ść parcjalna sk ł adników

7 Michał Turała, 2004 Detektory gazowe - zjawiska w gazach - Straty na jonizacj ę – cz ą stki na ł adowane najbardziej prawdopodobne dE/dx Ar +10% CH 4 dE/dx min  2 MeV g/cm 2 dla   3 p – 3 Gev/c, e – 2 Gev/c rozk ł ad Landau’a

8 Michał Turała, 2004 Detektory gazowe - zjawiska w gazach - Jonizacja pierwotna i ca ł kowita GazdE/dx I w i j p n p (eV/cm) (eV) (eV) (par/cm) (par/cm) H 2 360 21.837 410 He320 41.841 8 8 Ne750 13.736 Ar2440 18.826 2986 BF 3 330044 Xe357022 CO 2 150034 3444 C 4 H 10 530031 46171

9 Michał Turała, 2004 Detektory gazowe - zjawiska w gazach - Absorbcja kwantów gamma

10 Michał Turała, 2004 Detektory gazowe - zjawiska w gazach - Absorbcja kwantów gamma

11 Michał Turała, 2004 Detektory gazowe - zjawiska w gazach - Jonizacja pierwotna - statystyka (Poisson) Prawdopodobie ń stwo pojawienia si ę k - elektronów przy ś redniej n (n=n p ) P k n = (n k /k!).e -n np. dla Ar+30% Isobutan n p. = 34 par/cm; niewydajno ść P 0 34  10 -15 = 1-  ale dla 1 mm P 0 3.4  3.3% = 1-  Prawdopodobie ń stwo znalezienia pary jonów w odleg ł o ś ci x P i = n.e -n.x daje informacj ę o rozk ł adzie czasowym

12 Michał Turała, 2004 Detektory gazowe - zjawiska w gazach - Jonizacja pierwotna – elektrony  Elektrony z du ż ym przekazem p ę du –Powoduj ą dalsz ą jonizacje – du ż y sygna ł (rozk ł ad Landau’a) –Rozmywaj ą informacj ę o pierwotnym torze – zasi ę g, sygna ł

13 Michał Turała, 2004 Detektory gazowe - zjawiska w gazach - Dryf elektronów i jonów w polu elektrycznym Ruchliwo ść –  = v/E –v – pr ę dko ść dryfu, E – nat ęż enie pola elektrycznego –dla jonów  rz ę du 1-10 cm 2 s -1 V -1 ; v ro ś nie liniowo z E dla elektronów  rz ę du 10 3 -10 4 cm 2 s -1 V -1 ; nieliniowa zale ż no ść od E – nasycenie Dryf w polu magnetycznym E || H  v || E E  H  tg  H = 2vH/E  H – k ą t Lorenz’a (w gazach mo ż e by ć znaczny) Dyfuzja  x =  2Dt =  2D/v D - wspó ł czynnik dyfuzji zale ż ny od E/p

14 Michał Turała, 2004 Detektory gazowe - zjawiska w gazach - Dryf elektronów i jonów w polu elektrycznym

15 Michał Turała, 2004 Detektory gazowe - zjawiska w gazach - Dryf elektronów i jonów w polu elektrycznym

16 Michał Turała, 2004 Detektory gazowe - zjawiska w gazach - Wzmocnienie gazowe Powielanie jonizacji w silnych polach elektrycznych Je ś li pierwotnie n o par jonów to po x cm –N = n o e .x  - pierwszy wspó ł czynnik Townsend’a (liczba par jonów wyprodukowana przez 1 elektron na drodze 1 cm) 1/  - ś rednia droga swobodna Wspó ł czynnik wzmocnienia gazowego –M = n/n o = e .x  = f(E/p) –W liczniku cylindrycznym, gdzie  =  (x) M = exp [ x1  x2  (x)dx] –Przy du ż ych n.M (lokalnie n.M>10 6 ) obserwuje si ę efekt ł adunku przestrzennego i redukcj ę wspó ł czynnika wzmocnienia gazowego

17 Michał Turała, 2004 Detektory gazowe - zjawiska w gazach - Wzmocnienie gazowe Pole elektryczne w cylindrycznym liczniku E (r) = CV o /2  o.1/r

18 Michał Turała, 2004 Detektory gazowe - zjawiska w gazach - Wy ł adowania „streamerowe”, Geigera-Mullera i iskrowe Rozwój lawiny nie tylko poprzez zderzenia elektronów, ale i poprzez fotony –„streamery” rozwijaj ą si ę w przypadku gdy silne pole elektryczne rozci ą ga si ę na wi ę kszym obszarze przy anodzie, a mieszanina ma dobre w ł asno ś ci „gasz ą ce” (C 2 H 6, C 4 H 10 ) –przy jeszcze silniejszych polach wy ł adowanie rozchodzi si ę wzd ł u ż drutu anodowego – re ż im G-M –wy ł adowanie iskrowe rozwija si ę mi ę dzy anod ą i katod ą w geometrii p ł askiej Ograniczanie wy ł adowa ń –Domieszka sk ł adnika gasz ą cego –Rozdzielenie obszarów jonizacji i wzmocnienia –Ekranowanie –Dobór materia ł u katody (fotoefekt)

19 Michał Turała, 2004 Detektory gazowe - liczniki Geigera-Mullera- Rozwój w latach 1940-60 Liczniki cylindryczne o du ż ych ś rednicach –Zastosowanie domieszek („brudów”) gasz ą cych wy ł adowanie Wykorzystanie w badaniach promieniowania kosmicznego –Hodoskopy licznikowe –Rzadkie zdarzenia –Du ż y sygna ł

20 Michał Turała, 2004 Detektory gazowe - komory iskrowe- Rozwój w latach 1960-1970 Pozwala ł y na rejestracje tylko wybranych przypadków („trygger”) Pocz ą tkowo iskry by ł y filmowane, w dalszej kolejno ś ci zastosowano odczyt „bezfilmowy”: –akustyczny –magnetyczny –magnetostrykcyjny –pojemno ś ciowy Wady tych komór: –stosunkowo d ł ugi czas martwy (wy ł adowanie iskrowe kreuje bardzo du żą ilo ść jonów, które wymagaj ą neutralizacji)

21 Michał Turała, 2004 Detektory gazowe - komory iskrowe-

22 Michał Turała, 2004 Detektory gazowe - zjawiska w gazach - Wzmocnienie gazowe w liczniku cylindrycznym i w komorze proporcjonalnej

23 Michał Turała, 2004 Detektory gazowe - wielodrutowa komora proporcjonalna- Wzmocnienie gazowe w liczniku cylindrycznym i w komorze proporcjonalnej

24 Michał Turała, 2004 Detektory gazowe - wielodrutowa komora proporcjonalna- Kszta ł towanie si ę impulsu elektrycznego

25 Michał Turała, 2004 Detektory gazowe - wielodrutowa komora proporcjonalna- Kszta ł towanie si ę impulsu elektrycznego Dla licznika cylindrycznego dv = Q/lCV o. dv/dr dr v (elektronów) = a  a+ dV = -Q/2  o l. ln (a+ )/a v (jonów) = a+  b dV = -Q/2  o l. ln b/(a+ ) - odleg ł o ść od anody, gdzie powstaje lawina,  1  m a – promie ń anody licznika (drutu), a  10  m b – promie ń katody (cylindra), b  10 mm v (elektronów) /v (jonów)  0.01 Sygna ł jest wynikiem ruchu jonów dodatnich v + (t) = - Q/4  o l.ln(1+t/t o ) W komorze proporcjonalnej i (t) = q.Q/V. t o /(t + t o ) t o  1.8 ns dla Ar (zale ż y od geometrii, napi ę cia, rodzaju gazu) Sygna ł y s ą niewielkie, a ich odczyt jest mo ż liwy dzi ę ki zastosowaniu wzmacniaczy na ka ż dej elektrodzie

26 Michał Turała, 2004 Detektory gazowe - wielodrutowa komora proporcjonalna- Impuls elektryczny z komory proporcjonalnej Impulsy pr ą dowe (na ma ł ym oporniku) D ł ugie „ogony” s ą wynikiem ma ł ej mobilno ś ci jonów

27 Michał Turała, 2004 Detektory gazowe - wielodrutowa komora proporcjonalna- Pierwsze komory proporcjonalne Mimo i ż „proporcjonalne” to by ł y stosowane g ł ównie do pomiaru trajektorii cz ą stek Przestrzenna zdolno ść rozdzielcza  x = s/  12 - gdzie s jest odst ę pem mi ę dzy anodami

28 Michał Turała, 2004 Detektory gazowe - wielodrutowa komora proporcjonalna- Pierwsze komory proporcjonalne w Polsce (IFJ Kraków)

29 Michał Turała, 2004 Detektory gazowe - wielodrutowa komora proporcjonalna- Komory z odczytem katodowym Ł adunki indukuj ą si ę na anodzie i katodzie Ł adunek na anodzie ma swój odpowiednik na otaczaj ą cych elektrodach Rozk ł ad ł adunku na katodzie ma szeroko ść proporcjonaln ą do odst ę pu anoda-katoda Przy katodzie dzielonej na „paski”, miejsce powstania lawiny mo ż na zrekonstruowa ć metod ą „wa ż enia” analogowych sygna ł ów

30 Michał Turała, 2004 Detektory gazowe - wielodrutowa komora proporcjonalna- Komory dryfowe Konstrukcja Dok ł adno ś c - fluktuacje statystyczne - dyfuzja - parametry elektroniki

31 Michał Turała, 2004 Detektory gazowe - wielodrutowa komora proporcjonalna- Wydajno ść komór i ich szumy