Камерa временной проекции: принцип работы и применение.

Введение

В физике камера временной проекции (ТРК) — это тип детектора частиц, использующий комбинацию электрических и магнитных полей вместе с чувствительным объёмом газа или жидкости для трёхмерной реконструкции траектории частицы или её взаимодействия.

Оригинальный дизайн

Оригинальный TPC был изобретен Дэвидом Р. Найгреном, американским физиком, в Лоуренсовской Берклийской лаборатории в конце 1970-х годов. Его первое крупное применение было в детекторе PEP 4, который исследовал электрон-позитронные столкновения с энергией 29 ГэВ на кольце хранения PEP в SLAC. Камера временной проекции состоит из детекционного объема, заполненного газом, в электрическом поле с системой сбора электронов, чувствительной к положению. Оригинальная конструкция (и наиболее часто используемая) представляет собой цилиндрическую камеру с многопроводными пропорциональными камерами (MWPC) в качестве торцевых пластин. Вдоль своей длины камера разделена на две половины центральным диском с электродом высокого напряжения, который создает электрическое поле между центром и торцевыми пластинами. Кроме того, магнитное поле часто прикладывается вдоль длины цилиндра, параллельно электрическому полю, чтобы минимизировать диффузию электронов, образующихся при ионизации газа. При прохождении через детекторный газ частица производит первичную ионизацию вдоль своего трека. Координата z (вдоль оси цилиндра) определяется путем измерения времени дрейфа от события ионизации до MWPC в конце. Это делается с использованием стандартной техники дрейф-камеры. MWPC в конце расположен с анодными проводами в азимутальном направлении, θ, что обеспечивает информацию о радиальной координате, r. Для определения азимутального направления каждая катодная плоскость разделена на полосы вдоль радиального направления. В последние годы стали более широко использоваться другие методы усиления и детектирования электронов, чувствительных к положению, особенно в сочетании с расширением применения камер временной проекции в ядерной физике. Обычно они сочетают сегментированную анодную пластину либо только с сеткой Фриша, либо с активным элементом умножения электронов, таким как газовый электронный умножитель. Эти новые TPC также отходят от традиционной геометрии цилиндра с осевым полем в пользу плоской геометрии, что позволило реализовать полную калориметрию поглощения в детекторах на жидком аргоне без усиления, которое обычно происходит в газовом ионизационном детекторе. Эта ключевая технология позволила создать камеру временной проекции, основанную на оригинальной конструкции Найгрена, но использующую жидкий аргон в качестве чувствительной среды вместо газа. В 1976 году Герберт Х. Чен, совместно с коллегами из Калифорнийского университета в Ирвине и Калифорнийского технологического института, предложил одно из первых применений жидкого аргона в камере временной проекции (LArTPC). Первоначальные цели Чена при использовании такого детектора заключались в изучении рассеяния электронов нейтрино, но затем они изменились на измерение солнечных или космических нейтрино или распада протонов. В 1977 году Карло Руббиа независимо и почти одновременно предложил построить LArTPC в CERN для экспериментов по физике частиц редких событий. Тот факт, что аргон является благородным газом и, следовательно, имеет пренебрежимо малую электроотрицательность, означает, что электроны, создаваемые ионизирующим излучением, не будут поглощаться при дрейфе к считывающей системе детектора. Аргон также сцинтиллирует при прохождении через него энергичной заряженной частицы, высвобождая количество сцинтилляционных фотонов, пропорциональное энергии, переданной аргону проходящей частицей. В отличие от этого, сигналы с провода сбора однополярны, поскольку электроны не проходят мимо провода, а вместо этого "собираются" им. Для обеих этих геометрий большая амплитуда сигнала означает, что больше дрейфовых электронов либо прошли мимо провода (для индукционных плоскостей), либо были им собраны (для собирающей плоскости). Сигнал, считываемый со всех проводов в данной анодной плоскости, может быть организован в двухмерное изображение взаимодействия частицы. Такое изображение является проекцией трехмерного взаимодействия частицы на двухмерную плоскость, нормальный вектор которой параллелен проводам в указанной анодной плоскости. Двухмерные проекции, соответствующие каждой анодной плоскости, объединяются для полной реконструкции трехмерного взаимодействия.

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.

Двухфазный TPC

Сам метод был впервые разработан для регистрации излучения с использованием аргона в начале 1970-х годов. Программа ZEPLIN впервые применила двухфазную технологию для поиска вимпов. Детекторы серий XENON и LUX представляют собой передовую реализацию этого прибора в физике.

Камера проекции темной материи во времени

Темная камера временной проекции материи – это эксперимент, предназначенный для прямого обнаружения слабо взаимодействующих массивных частиц (WIMP), одного из наиболее вероятных кандидатов на роль темной материи. В эксперименте используется камера временной проекции с низким давлением для определения первоначального направления потенциальных событий, связанных с темной материей. В сотрудничество входят физики из Массачусетского технологического института (MIT), Бостонского университета (BU), Брандейсского университета и Королевского колледжа Лондона (Royal Holloway University of London). Несколько прототипов детекторов были построены и протестированы в лабораториях MIT и BU. Первые данные были получены в подземной лаборатории, расположенной на территории пилотного полигона для изоляции радиоактивных отходов (WIPP) недалеко от Карлсбада, штат Нью-Мексико, осенью 2010 года. Темная камера временной проекции материи опубликовала первые результаты, полученные в ходе наземных измерений в 2010 году, установив ограничение на спин-зависимое сечение рассеяния.