마이크로메가스 검출기

MicroMegas detector

MicroMegas 검출기(Micro-Mesh Gased Structure)는 와이어 챔버의 개발로 생성된 가스 입자 검출기입니다.1992년[1] Georges Charpak과 Ioannis Giomataris에 의해 발명된 Micromegas 검출기는 주로 실험 물리학, 특히 입자 물리학, 핵 물리학 그리고 이온화 입자의 탐지를 위한 천체 물리학에서 사용됩니다.

COMS 분광계에서 작동하는 마이크로크롬 가스 감지기

미크롬가스는 충돌하는 입자의 섭동을 최소화하기 위한 광탐지기이다.작은 증폭 간격에서 100나노초 정도의 빠른 신호를 갖는다.공간 분해능이 100마이크로미터 [2]미만인 마이크로패턴 가스 검출기입니다.오늘날, Micromegas 기술의 사용은 실험 물리학의 여러 분야에서 증가하고 있다.

작동 원리

마이크로크롬 가스 검출기의 작동 원리.

입자 검출기는 통과하는 입자를 검출하고 그 위치, 도달 시간 및 운동량 등의 정보를 얻기 위해 사용된다.실험 물리학에서, 입자는 보통 입자 가속기에서 나오지만, 우주로부터, 원자로 또는 방사성 동위원소에서 나올 수도 있다.

미크롬 가스 검출기는 가스 부피의 이온화에 의해 생성된 전하를 증폭하여 입자를 검출합니다.마이크로크롬가스 검출기에서 이 가스량은 판독전극의 25μm~150μm(개략도상의 스트라이프) 사이에 배치된 금속 마이크로메쉬(개략도상의 마이크로메쉬)에 의해 2분할된다.마이크로 메쉬는 10의 높은 이득과 100ns의 빠른4 신호를 동시에 허용하기 때문에 핵심 요소입니다.

이온화 및 전하 증폭

검출기를 통과하는 동안 입자는 전자/이온 쌍(1)을 만드는 전자를 끌어올려 가스 원자를 이온화한다.전계가 인가되지 않으면 이온/전자 쌍이 재결합하여 아무 일도 일어나지 않습니다.그러나 여기서 전자는 400V/cm의 전계 내에서 (2) 증폭전극(메쉬)을 향해, 이온은 음극을 향해 표류합니다.전자가 메쉬(3)에 가까워지면 강한 전기장으로 들어갑니다(일반적으로 증폭 간격에서 약 40kV/cm).이 장에 의해 가속된 전자는 이온/전자 쌍을 생성하기에 충분한 에너지를 획득하고 가스를 이온화시켜 쌍을 형성합니다. 이것이 눈사태 효과(4)입니다.이 수단에 의해 수천 쌍이 수백 개의 1차 전하로부터 생성되며, 이는 충돌하는 입자와의 상호작용에서 비롯됩니다.1차 전하를 곱하여 중요한 신호를 생성해야 합니다. 마지막으로 읽기 전극(5)의 전자 신호를 전하 증폭기로 읽습니다.판독 전극은 일반적으로 검출기에서 충돌하는 입자의 위치를 얻기 위해 스트립 및/또는 픽셀로 분할됩니다.판독 전극의 전자 장치를 통해 판독되는 신호의 진폭과 모양은 입자의 시간과 에너지에 대한 정보를 제공합니다.

마이크로크롬가스의 아날로그 신호

마이크로크롬 가스 검출기의 판독 전극에 유도되는 신호(시뮬레이션).파란색 곡선은 전자에 의해 유도되는 신호 부분을 나타내고 빨간색 곡선은 이온에 의해 유도되는 신호 부분을 나타냅니다.

신호는 마이크로 메쉬와 판독 전극 사이의 전하 이동에 의해 유도됩니다(이 부피를 증폭 간격이라고 합니다).100나노초 신호는 전자 피크(파란색)와 이온 테일(빨간색)로 구성됩니다.가스의 전자 이동도는 이온 이동도보다 1000배 이상 높기 때문에 전자 신호는 이온 신호보다 훨씬 짧습니다(3ns 미만).그래서 시간을 정확하게 측정하기 위해 사용된다.이온 신호는 신호의 절반 이상을 전달하며 입자의 에너지를 재구성하는 데 사용됩니다.

역사

하드론 블라인드 검출기의 첫 번째 개념

1991년 하드론 블라인드 검출기 [3]실험에서 하드론 검출을 개선하기 위해 I. Giomataris와 G. Charpak은 신호 속도를 높이기 위해 병렬 플레이트 검출기(스파크 챔버의 일종)의 증폭 간격을 줄였습니다.HDB 실험을 위해 1mm 증폭 간격 프로토타입을 제작했지만 이득이 실험에 사용될 만큼 균일하지 않았습니다.밀리미터 간격은 충분히 제어되지 않았고 큰 이득 변동을 일으켰다.그럼에도 불구하고 증폭 격차 감소의 이점이 입증되었고, 마이크로 메쉬 가스 구조 또는 마이크로메쉬 가스 개념은 와이어 챔버의 발명으로 조르주 샤르팍에게 노벨상 수여가 발표되기 직전인 1992년 10월에 탄생했다.Georges Charpak은 이 검출기와 마이크로 패턴 가스 검출기(MPGD) 계열에 속하는 다른 새로운 개념이 그의 검출기가 [4]그랬던 것처럼 핵과 입자 물리학에 혁명을 일으킬 것이라고 말하곤 했다.

미크롬가스 기술 연구 개발

1992년 CEA Saclay와 CERN에서 시작된 Micromegas 기술은 보다 안정적이고 신뢰할 수 있고 정밀하며 빠른 검출기를 제공하기 위해 개발되었습니다.2001년 CERN의 슈퍼 프로톤 싱크로트론 가속기에 위치한 COMPASS의 대규모 실험에서 40 x 40cm의2 대형 마이크로크롬가스 검출기 12개가 처음으로 사용되었다.2002년 이후 그들은 초당 수백만 개의 다른 입자를 감지해 왔고 지금도 계속되고 있다.

마이크로크롬가스 검출기 개발의 또 다른 예는 "벌크" 기술의 발명이다."벌크" 기술은 모노리식 검출기를 구축하기 위해 마이크로 메쉬와 프린트 회로 기판(판독 전극을 운반하는 것)의 통합으로 구성됩니다.그러한 검출기는 매우 견고하며 산업 공정을 통해 생산될 수 있다(2006년[5] 3M에 의해 성공적인 구현이 입증됨) 공공 애플리케이션을 허용한다.예를 들어 마이크로 메쉬를 수정하여 자외선에 민감하게 함으로써 미크롬가스를 사용하여 [6]산불을 탐지할 수 있습니다.광감응형 마이크로메가스는 고속 타이밍 어플리케이션에도 사용됩니다.PICOSEC-Micromegas는 체렌코프 라디에이터와 가스 부피 앞에 광음극을 사용하며 최소 이온화 입자(MIP)[7]로 24ps의 시간 분해능을 측정합니다.

마이크로크롬가스 검출기의 첫 번째 실험 중 하나는 나침반입니다.이 2001년 사진에서는 조르주 샤팍과 나침반 사클레이 팀이 큰 미크롬가스실 앞에 있습니다.

실험 물리학의 마이크로크롬 가스 검출기

Micromegas 검출기는 현재 여러 실험에 사용되고 있습니다.

마이크로크롬가스 검출기는 ATLAS 실험에서 미래의 뮤온 [9]분광계 업그레이드의 일환으로 사용될 것이다.

「 」를 참조해 주세요.

주 및 참고 자료

  1. ^ Giomataris, Y.; Rebourgeard, Ph.; Robert, J.P.; Charpak, G. (1996). "MICROMEGAS: a high-granularity position-sensitive gaseous detector for high particle-flux environments". Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 376 (1): 29–35. Bibcode:1996NIMPA.376...29G. doi:10.1016/0168-9002(96)00175-1.
  2. ^ J.P. 쿠소노 외/뉴클. 물리학과 교수와 Meth.Res. A419 (1998) 452 - 459
  3. ^ 하드론 블라인드 검출기(HBD):: ref: I. Giomataris, G.에 의해 작성되었습니다.Charpak, NIM A310 (1991) 589
  4. ^ "Georges Charpak – a true man of science – CERN Courier".
  5. ^ "Archived copy". Archived from the original on 2011-09-27. Retrieved 2011-06-13.{{cite web}}: CS1 maint: 제목으로 아카이브된 복사(링크)
  6. ^ "FORFIRE : Micromegas in the fight against forest fires". Retrieved October 5, 2020.
  7. ^ Bortfeldt, J.; et al. (2018). "PICOSEC: Charged particle timing at sub-25 picosecond precision with a Micromegas based detector". Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. A903: 317–325. arXiv:1712.05256. Bibcode:2018NIMPA.903..317B. doi:10.1016/j.nima.2018.04.033.
  8. ^ ESS nBLM: Beam Loss Monitors based on Fast Neutron Detection. ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop (61st). 2018.
  9. ^ the ATLAS Collaboration (2013). New Small Wheel Technical Design Report. Technical Design Report ATLAS.