Уақыт проекциялық камера: Бөлшектерді анықтау технологиясы
Time projection chamber
Физикадағы уақыт проекциялық камера (TPC) – бөлшектердің траекториясын 3D көріністе қайта құруға арналған детектор. Негізгі принциптері, құрылымы мен қолданылуы туралы біліңіз.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Физикада уақыт проекция камерасы (ТПК) – бөлшектің траекториясын немесе өзара әрекеттесуін үш өлшемді қалпына келтіру үшін электр және магнит өрістерінің үйлесімін, газ немесе сұйықтың сезімтал көлемін пайдаланатын бөлшектерді анықтау құралының бір түрі.
In physics, a time projection chamber (TPC) is a type of particle detector that uses a combination of electric fields and magnetic fields together with a sensitive volume of gas or liquid to perform a three dimensional reconstruction of a particle trajectory or interaction.
Бастапқы жоба
Түпнұсқалық ТТК-ны америкалық физик Дэвид Р. Найгрен 1970-ші жылдардың аяғында Лоренс Беркли зертханасында ойлап тапты. Оның алғашқы маңызды қолданылуы PEP 4 детекторында болды, ол SLAC-те PEP сақтау сақинасындағы 29 ГэВ электрон-позитрон соқтығысуларын зерттеді. Уақыт проекция камерасы – электр өрісінде газбен толтырылған, позицияға сезімтал электрон жинау жүйесі бар детекциялық көлем. Бастапқы дизайн (және ең көп қолданылатыны) – цилиндрлік камера, оның екі шетінде көп сымдық пропорционалды камералар (MWPC) орналасқан. Камераның бойымен орталықтағы жоғары кернеулі электрод дискісі арқылы екіге бөлінеді, ол орталық және шеткі пластиналар арасында электр өрісін құрайды. Сонымен қатар, газдың иондануынан туындаған электрондардың таралуын азайту үшін цилиндр бойымен, электр өрісіне параллель магнит өрісі жиі қолданылады. Детектор газы арқылы өтетін бөлшек өзінің траекториясы бойымен бастапқы иондануды тудырады. z координатасы (цилиндр осі бойымен) иондану оқиғасынан MWPC-ге дейінгі дрейф уақытын өлшеу арқылы анықталады. Бұл әдеттегі дрейф камерасының әдісімен жасалады. MWPC-нің шетіндегі анод сымдары азимуттық бағытта (θ) орналасқан, бұл радиалды координата (r) туралы ақпарат береді. Азимуттық бағытты алу үшін әрбір катод жазықтығы радиалды бағытта жолақтарға бөлінеді. Соңғы жылдары позицияға сезімтал электронды күшейту және анықтаудың басқа да тәсілдері кеңінен қолданыла бастады, әсіресе ядролық физикада уақыт проекция камераларының қолданылуының артуымен байланысты. Бұл әдетте сегменттелген анодтық пластинаны Фриш торымен немесе газды электронды көбейтуші сияқты белсенді электронды көбейту элементімен біріктіреді. Бұл жаңа TPC-лер сонымен қатар, осьтік өрісі бар цилиндрдің дәстүрлі геометриясынан бас тартып, сұйық аргон детекторларында толық сіңіру калориметриясын күшейтпестен жүргізуге мүмкіндік беретін жазық геометрияны пайдаланады. Бұл маңызды технология Нигреннің бастапқы дизайнына негізделген уақыт проекция камерасын жасауға мүмкіндік берді, бірақ газдың орнына сезімтал орта ретінде сұйық аргонды қолдануға болатындығын көрсетті. 1976 жылы Герберт Х. Чен, Калифорния университетінің (Ирвин) және Калифорния технология институтының әріптестерімен бірге, сұйық аргонды уақыт проекция камерасында (LArTPC) қолданудың алғашқы ұсыныстарының бірін жасады. Ченнің мұндай детектормен бастапқы мақсаты нейтрино электрондарының шашырауын зерттеу болды, бірақ мақсаттар күн немесе ғарыштық нейтриноларды немесе протондардың ыдырауын өлшеуге қарай өзгерді. 1977 жылы Карло Руббия тәуелсіз және шамамен бір уақытта CERN-де сирек оқиғалар физикасы эксперименттері үшін LArTPC құруды ұсынды. Аргонның инерт газ екендігі және демек, электронегативтілігінің жоқтығы, иондаушы сәулелену арқылы туындаған электрондар детектордың оқу бөлігіне қарай дрейфтегенде сіңірілмейтінін білдіреді. Сондай-ақ, аргон энергиялы зарядталған бөлшектер өткенде сцинтилляциялайды, өткен бөлшек аргонға қанша энергия депозіттегеніне пропорционалды санда сцинтилляциялық фотондарды шығарады. Керісінше, жинақтау жазықтығының сигналдары бірполярлы болады, өйткені электрондар сымнан өтпейді, олар оған "жинақталады". Бұл геометриялардың екеуінде де сигнал амплитудасының жоғарылауы дрейфтік электрондардың сымнан өткенін (индукциялық жазықтықтар үшін) немесе оған жинақталғанын (жинақтау жазықтығы үшін) көрсетеді. Белгілі бір анод жазықтығындағы барлық сымдардың сигнал оқуын бөлшектердің өзара әрекеттесуінің 2D суретіне жинақтауға болады. Мұндай сурет – бұл көрсетілген анод жазықтығындағы сымдарға параллель нормальдық векторы бар 3D бөлшектердің өзара әрекеттесуінің 2D жазықтықтағы проекциясы. Әрбір анод жазықтығына сәйкес келетін 2D проекциялар 3D өзара әрекеттесуді толыққанды қалпына келтіру үшін біріктіріледі.
The original TPC was invented by David R. Nygren, an American physicist, at Lawrence Berkeley Laboratory in the late 1970s. Its first major application was in the PEP 4 detector, which studied 29 GeV electron–positron collisions at the PEP storage ring at SLAC. A time projection chamber consists of a gas filled detection volume in an electric field with a position sensitive electron collection system. The original design (and the one most commonly used) is a cylindrical chamber with multi wire proportional chambers (MWPC) as endplates. Along its length, the chamber is divided into halves by means of a central high voltage electrode disc, which establishes an electric field between the center and the end plates. Furthermore, a magnetic field is often applied along the length of the cylinder, parallel to the electric field, in order to minimize the diffusion of the electrons coming from the ionization of the gas. On passing through the detector gas, a particle will produce primary ionization along its track. The z coordinate (along the cylinder axis) is determined by measuring the drift time from the ionization event to the MWPC at the end. This is done using the usual technique of a drift chamber. The MWPC at the end is arranged with the anode wires in the azimuthal direction, θ, which provides information on the radial coordinate, r. To obtain the azimuthal direction, each cathode plane is divided into strips along the radial direction. In recent years other means of position sensitive electron amplification and detection have become more widely used, especially in conjunction with the increased application of time projection chambers in nuclear physics. These usually combine a segmented anode plate with either just a Frisch grid or an active electron multiplication element like a gas electron multiplier. These newer TPCs also depart from the traditional geometry of a cylinder with an axial field in favour of a flat geometry that total absorption calorimetry was possible in liquid argon detectors without the amplification that normally occurs in a gaseous ionization detector. This critical technology enabled the possibility of a time projection chamber based on Nygren's original design, but using liquid argon as the sensitive medium instead of gas. In 1976, Herbert H. Chen, with collaborators at University of California, Irvine and the California Institute of Technology, proposed one of the earliest uses of liquid argon in a time projection chamber (LArTPC). Chen's initial goals with such a detector were to study neutrino elecron scattering, but the goals evolved to measure solar or cosmic neutrinos or proton decay. In 1977, Carlo Rubbia independently, and nearly simultaneously, proposed to construct an LArTPC at CERN for rare event particle physics experiments. The fact that argon is a noble element and therefore has a vanishing electronegativity means that electrons produced by ionizing radiation will not be absorbed as they drift toward the detector readout. Argon also scintillates when an energetic charged particle passes by, releasing a number of scintillation photons that is proportional to the energy deposited in the argon by the passing particle. In contrast, signals for a collection plane wire are unipolar, since electrons do not pass by the wire but are instead "collected" by it. For both of these geometries, a larger signal amplitude implies that more drift electrons either passed by the wire (for induction planes) or were collected by it (for the collection plane). The signal readout of all of the wires in a given anode plane can be organized into a 2D picture of a particle interaction. Such a picture is a projection of the 3D particle interaction onto a 2D plane whose normal vector is parallel to the wires in the specified anode plane. The 2D projections corresponding to each of the anode planes are combined to fully reconstruct the 3D interaction.
Екі фазалы ТТК
Бұл техника алғаш рет 1970-ші жылдардың басында аргонды қолдана отырып, сәулеленуді анықтау үшін жасалған. ZEPLIN бағдарламасы WIMP іздеулері үшін екі фазалы технологияны пайдалануды алғаш рет енгізді. XENON және LUX детекторлар сериясы физикадағы осы құралдың ең жетілген нұсқаларын ұсынады.
The technique itself was first developed for radiation detection using argon in the early 1970s. The ZEPLIN programme pioneered the use of two phase technology for WIMP searches. The XENON and LUX series of detectors represent the state of the art implementation of this instrument in physics.
Қара материяның уақыт проекция камерасы
Қара материяның уақыт проекция камерасы – әлсіз өзара әрекеттесетін массивті бөлшектерді (WIMP) тікелей анықтауға арналған эксперимент, бұл қара материяның ең перспективті кандидаттарының бірі. Эксперимент потенциалды қара материя оқиғаларының бастапқы бағытын анықтау үшін төмен қысымды уақыт проекция камерасын пайдаланады. Ынтымақтастыққа Массачусетс технология институтының (MIT), Бостон университетінің (BU), Брандейс университетінің және Лондон Корольдік Холлоуэй университетінің физиктері кіреді. MIT және BU зертханаларында бірнеше прототиптік детекторлар құрастырылып, сынақтан өтті. Ынтымақтастық 2010 жылдың күзінде Нью-Мексико штатының Карлсбад қаласының жанындағы Қалдықтарды оқшаулау пилоттық орналымындағы (WIPP) жер асты зертханасында алғашқы деректерді жинады. Қара материяның уақыт проекция камерасы 2010 жылы жер үстіндегі сынақтардың алғашқы нәтижелерін жариялады, спинге тәуелді қима шегін белгіледі.
The Dark Matter Time Projection Chamber is an experiment for direct detection of weakly interacting massive particles (WIMPs), one of the most favored candidates for dark matter. The experiment uses a low pressure time projection chamber in order to extract the original direction of potential dark matter events. The collaboration includes physicists from the Massachusetts Institute of Technology (MIT), Boston University (BU), Brandeis University, and Royal Holloway University of London. Several prototype detectors have been built and tested in laboratories at MIT and BU. The collaboration took its first data in an underground laboratory at the Waste Isolation Pilot Plant (WIPP) site near Carlsbad, New Mexico in Fall, 2010. Dark Matter Time Projection Chamber published first results from a surface run in 2010, setting a spin dependent cross section limit.