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detector de micromegas

El detector MicroMegas ( estructura Micro - Me sh Gas seous ) es un detector de partículas gaseosas y un avance de la cámara de alambre . Inventados en 1996 por Georges Charpak y Ioannis Giomataris, [1] los detectores de micromegas se utilizan principalmente en física experimental, en particular en física de partículas , física nuclear y astrofísica para la detección de partículas ionizantes .

Un detector de Micromegas en funcionamiento en el espectrómetro COMPASS

Los detectores de micromegas se utilizan para detectar el paso de partículas cargadas y obtener propiedades como la posición , el tiempo de llegada y el momento . La ventaja de la tecnología Micromegas es una alta ganancia de 10 4 mientras opera con tiempos de respuesta pequeños del orden de 100 ns. Esto se logra dividiendo la cámara de gas con una malla microscópica, lo que convierte al detector Micromegas en un detector gaseoso de micropatrón . Para minimizar la perturbación de la partícula que incide, el detector tiene sólo unos pocos milímetros de espesor. [2]

Principio de funcionamiento

Principio de funcionamiento de un detector de Micromegas. Se crea un par electrón/ion (1) y el electrón se desplaza (2) hacia el cátodo. Cerca de una malla (3) se produce un proceso de avalancha (4), que se detecta en el electrodo previsto (5).

Ionización y amplificación de carga.

Al pasar por el detector, una partícula ioniza el gas, dando como resultado un par electrón/ion. Debido a un campo eléctrico del orden de 400 V/cm, el par no se recombina y el electrón se desplaza hacia el electrodo de amplificación (la malla) y el ion hacia el cátodo . Cerca de la malla, el electrón es acelerado por un intenso campo eléctrico, típicamente del orden de 40 kV/cm en el espacio de amplificación. Esto crea más pares electrón/ion, lo que resulta en una avalancha de electrones ab . Una ganancia del orden de 10 4 crea una señal suficientemente grande para ser leída por el electrodo previsto. El electrodo de lectura generalmente se segmenta en tiras y píxeles para reconstruir la posición de la partícula incidente. La amplitud y la forma de la señal permiten obtener información sobre el tiempo y la energía de la partícula impactante.

Señal analógica de un Micromegas

Señal inducida en el electrodo de lectura de un detector Micromegas (simulación). La curva azul muestra la parte de la señal inducida por electrones y la roja por iones.

La señal es inducida por el movimiento de cargas en el volumen entre la micromalla y el electrodo de lectura, llamado espacio de amplificación. La señal de 100 ns de longitud consta de un pico de electrón (azul) y una cola de iones (rojo). Dado que la movilidad de los electrones en el gas es más de 1000 veces mayor que la movilidad de los iones, su señal se registra mucho más rápido que la señal iónica. La señal electrónica permite medir con precisión el tiempo de incidencia, mientras que la señal iónica es necesaria para reconstruir la energía de la partícula.

Historia

Primer concepto del detector ciego de hadrones

En 1991, para mejorar la detección de hadrones en el experimento Hadron Blind Detector, [3] I. Giomataris y G. Charpak redujeron la brecha de amplificación de una cámara de chispas de placas paralelas para acortar el tiempo de respuesta. Se construyó un prototipo de brecha de amplificación de 1 mm para el experimento HDB, pero la ganancia no fue lo suficientemente uniforme como para usarse en el experimento. La diferencia milimétrica no se controló lo suficiente y generó grandes fluctuaciones de ganancia. Sin embargo, los beneficios de una reducción de la brecha de amplificación quedaron demostrados y el concepto Micromegas nació en octubre de 1992, poco antes del anuncio de la concesión del Premio Nobel a Georges Charpak por la invención de las cámaras de alambre . Georges Charpak solía decir que este detector y algunos otros conceptos nuevos pertenecientes a la familia de detectores gaseosos de micropatrones (MPGD) revolucionarían la física nuclear y de partículas tal como lo había hecho su detector. [4]

La investigación y el desarrollo de la tecnología Micromegas.

A partir de 1992 en el CEA Saclay y el CERN , la tecnología Micromegas se ha desarrollado para proporcionar detectores más estables, fiables, precisos y rápidos. En 2001, se utilizaron por primera vez doce grandes detectores Micromegas de 40 x 40 cm 2 en un experimento a gran escala en COMPASS , situado en el acelerador Super Proton Synchrotron del CERN.

Otro ejemplo del desarrollo de los detectores Micromegas es la invención de la tecnología "a granel". La tecnología “bulk” consiste en la integración de la micromalla con la placa de circuito impreso que lleva los electrodos de lectura para construir un detector monolítico . Un detector de este tipo es muy robusto y puede producirse mediante un proceso industrial ( 3M demostró una implementación exitosa en 2006 [5] ), lo que permite aplicaciones públicas. Por ejemplo, modificando la micromalla para hacerla fotosensible a la luz ultravioleta , los detectores Micromegas se pueden utilizar para detectar incendios forestales. [6] También se utiliza un Micromegas fotosensible para aplicaciones de sincronización rápida. El PICOSEC-Micromegas utiliza un radiador Cherenkov y un fotocátodo delante del volumen gaseoso y se mide una resolución temporal de 24 ps con partículas ionizantes mínimas . [7]

Uno de los primeros experimentos con detectores de Micromegas: COMPASS. En esta fotografía de 2001 vemos a Georges Charpak y al equipo de COMPASS Saclay delante de las grandes cámaras de Micromegas.

Detectores de micromegas en física experimental.

Los detectores de micromegas se utilizan en varios experimentos:

El detector de micromegas se utilizará en el experimento ATLAS , como parte de la actualización de su espectrómetro de muones planificado. [9]

Ver también

notas y referencias

  1. ^ Giomataris, Y.; Rebourgeard, Ph.; Roberto, JP; Charpak, G. (1996). "MICROMEGAS: un detector gaseoso sensible a la posición de alta granularidad para entornos de alto flujo de partículas". Instrumentos y métodos nucleares en la investigación en física Sección A: aceleradores, espectrómetros, detectores y equipos asociados . 376 (1): 29–35. Código Bib : 1996NIMPA.376...29G. doi :10.1016/0168-9002(96)00175-1.
  2. ^ JP Cussonneau y otros/Nucl. Instr. y metanfetamina. en Física. Res. A 419 (1998) 452—459
  3. ^ Detector ciego de hadrones (HBD): creado por: ref: I. Giomataris,G. Charpak, NIM A310(1991)589
  4. ^ "Georges Charpak - un verdadero hombre de ciencia - CERN Courier". 30 de noviembre de 2010.
  5. ^ "Grupo de desarrollo de detectores de gas con micromodelos en la Universidad Purdue". Archivado desde el original el 27 de septiembre de 2011 . Consultado el 13 de junio de 2011 .
  6. «FORFIRE: Micromegas en la lucha contra los incendios forestales» . Consultado el 5 de octubre de 2020 .
  7. ^ Bortfeldt, J.; et al. (2018). "PICOSEC: sincronización de partículas cargadas con una precisión inferior a 25 picosegundos con un detector basado en Micromegas". Instrumentos y métodos nucleares en la investigación en física . A903 : 317–325. arXiv : 1712.05256 . Código Bib : 2018NIMPA.903..317B. doi : 10.1016/j.nima.2018.04.033 .
  8. ^ Papaevangelou, Thomas; et al. (2018). "ESS nBLM: monitores de pérdida de haz basados ​​en detección rápida de neutrones". Actas del 61º taller de dinámica avanzada de haces de la ICFA sobre haces de hadrones de alta intensidad y alto brillo . HB2018. doi :10.18429/JACoW-HB2018-THA1WE04.
  9. ^ la colaboración ATLAS (2013). Nuevo Informe de Diseño Técnico de Ruedas Pequeñas. Informe Técnico de Diseño ATLAS.