El detector “Micromegas” (Micro-MEsh Estructura Gaseosa) es un detector de partículas gaseosas provenientes del desarrollo de la cámara de alambre . Inventado en 1992 [1] por Georges Charpak e Ioannis Giomataris, los detectores Micromegas se utilizan principalmente en física experimental, en particular en física de partículas , física nuclear y astrofísica para la detección de partículas ionizantes .
Los Micromegas son detectores de luz para minimizar la perturbación de la partícula que incide. Desde su pequeña brecha de amplificación, tienen señales rápidas del orden de 100 nanosegundos . Son un tipo de detector gaseoso de micropatrón con una resolución espacial inferior a cien micrómetros . [2] En la actualidad, el uso de la tecnología Micromegas está creciendo en los diferentes campos de la física experimental.
Principio de funcionamiento
Un detector de partículas se utiliza para detectar una partícula que pasa y obtener información como su posición , tiempo de llegada y momento . En física experimental, la partícula suele provenir de un acelerador de partículas, pero también puede provenir del espacio ( rayo cósmico ) o de un reactor nuclear .
El detector Micromegas detecta partículas amplificando las cargas que se han creado por ionización en el volumen de gas . En un detector Micromegas, este volumen de gas se divide en dos por una microrred metálica (“Micromesh” en el esquema) colocada entre 25 μm y 150 μm del electrodo de lectura ( Tiras en el esquema). La micro-malla es el elemento clave ya que permite, al mismo tiempo, una alta ganancia de 10 4 y una señal rápida de 100 ns.
Ionización y amplificación de carga
Al pasar a través del detector, una partícula ionizará los átomos del gas tirando hacia arriba de un electrón creando un par electrón / ión (1). Cuando no se aplica ningún campo eléctrico , el par ión / electrón se recombina y no sucede nada. Pero aquí, dentro de un campo eléctrico del orden de 400 V / cm, el electrón se desplazará (2) hacia el electrodo de amplificación (la malla) y el ion hacia el cátodo . Cuando el electrón llega cerca de la malla (3), entra en un campo eléctrico intenso (típicamente del orden de 40 kV / cm en el espacio de amplificación). Acelerado por este campo, el electrón alcanza la energía suficiente para producir iones./ pares de electrones que también ionizarán el gas, creando pares; es el efecto de avalancha (4). De esta manera, se crean varios miles de pares a partir de cientos de cargas primarias, que se originan a partir de las interacciones con la partícula que incide. Las cargas primarias deben multiplicarse para crear una señal significativa. Por último, leemos la señal electrónica en el electrodo de lectura (5) mediante un amplificador de carga . El electrodo de lectura generalmente se segmenta en tiras y / o píxeles para obtener la posición de la partícula que incide en el detector. La amplitud y la forma de la señal, leídas a través de la electrónica en el electrodo de lectura, dan información sobre el tiempo y la energía de la partícula.
Señal analógica de un Micromegas
La señal es inducida por el movimiento de cargas entre la micro-malla y el electrodo de lectura (este volumen se llama brecha de amplificación). La señal de 100 nanosegundos consta de un pico de electrones (azul) y una cola de iones (rojo). Dado que la movilidad de los electrones en el gas es 1000 veces más rápida que la movilidad de los iones , la señal electrónica es mucho más corta (menos de 3 ns) que la iónica. Por eso se utiliza para medir con precisión el tiempo. La señal iónica transporta más de la mitad de la señal y se utiliza para reconstruir la energía de la partícula.
Historia
Primer concepto en el Hadron Blind Detector
En 1991, para mejorar la detección de hadrones en el experimento del Detector ciego de hadrones, [3] I. Giomataris y G. Charpak redujeron la brecha de amplificación de un detector de placas paralelas (un tipo de cámara de chispas ) para acelerar la señal. Se construyó un prototipo de brecha de amplificación de 1 mm para el experimento HDB, pero la ganancia no fue lo suficientemente uniforme para usarse en el experimento. El espacio milimétrico no se controló lo suficiente y creó grandes fluctuaciones de ganancia . No obstante, se han demostrado los beneficios de reducir la brecha de amplificación y en octubre de 1992 nació la estructura gaseosa Micro-Mesh o concepto Micromegas, poco antes del anuncio del premio Nobel.atribución 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 micropatrón (MPGD) revolucionarán la física nuclear y de partículas tal como lo hizo su detector. [4]
Investigación y desarrollo de la tecnología Micromegas
A partir de 1992 en CEA Saclay y CERN , la tecnología Micromegas se ha desarrollado para proporcionar detectores más estables, fiables, precisos y más rápidos. En 2001, doce grandes detectores de plano Micromegas de 40 x 40 cm 2 se utilizaron por primera vez en un experimento a gran escala en COMPASS situado en el acelerador Super Proton Synchrotron del CERN . Desde 2002 han estado detectando millones de partículas diferentes por segundo y todavía continúan hoy.
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 micro-malla 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 se puede producir dentro de un proceso industrial (se realizó un intento exitoso con la empresa 3M en 2006 [5] ) permitiendo aplicaciones públicas. Por ejemplo, modificando la micro-malla para hacerla fotosensible a la luz ultravioleta , el Micromegas se puede utilizar para prevenir incendios forestales. [6]El concepto de Micromegas fotosensible se utiliza además para desarrollar Micromegas para aplicaciones de sincronización rápida. El PICOSEC-Micromegas utiliza un radiador Cherenkov y un fotocátodo frente al volumen gaseoso y se mide una resolución de tiempo de 24 ps con MIP . [7]
Detectores de micromegas en física experimental
Los detectores Micromegas ahora se utilizan en varios experimentos:
- Física hadrónica : COMPASS, NA48 y los proyectos para el ILC- TPC y CLAS12 en J-lab están en estudio activo
- Física de partículas : T2K, CAST , HELAZZ
- Física de neutrones : nTOF, ESS nBLM [8]
El detector de micromegas se utilizará del experimento ATLAS , como parte de la actualización de su futuro espectrómetro de muones. [9]
Ver también
- Detector de ionización gaseosa
- Detector gaseoso de micropatrón
- Multiplicador de electrones de gas
Notas y referencias
- ↑ Giomataris, Y .; Rebourgeard, Ph .; Robert, 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 de la física Sección A: Aceleradores, espectrómetros, detectores y equipos asociados . 376 (1): 29–35. Código Bibliográfico : 1996NIMPA.376 ... 29G . doi : 10.1016 / 0168-9002 (96) 00175-1 .
- ^ JP Cussonneau y col ./Nucl. Instr. y Meth. en Phys. Res. A 419 (1998) 452—459
- ^ Hadron Blind Detector (HBD): creado por: ref: I. Giomataris, G. Charpak, NIM A310 (1991) 589
- ^ "Georges Charpak - un verdadero hombre de ciencia - CERN Courier" .
- ^ "Copia archivada" . Archivado desde el original el 27 de septiembre de 2011 . Consultado el 13 de junio de 2011 .CS1 maint: copia archivada como título ( enlace )
- ^ "FORFIRE: Micromegas en la lucha contra los incendios forestales" . Consultado el 5 de octubre de 2020 .
- ^ "PICOSEC: sincronización de partículas cargadas con precisión de menos de 25 picosegundos con un detector basado en Micromegas" . Instrumentos y métodos nucleares en la investigación física . A903 : 317–325. 2018. doi : 10.1016 / j.nima.2018.04.033 .
- ^ ESS nBLM: Monitores de pérdida de haz basados en detección rápida de neutrones . Taller ICFA Advanced Beam Dynamics (61º). 2018.
- ^ la colaboración ATLAS (2013). Nuevo Informe de Diseño Técnico de Ruedas Pequeñas . Informe de Diseño Técnico ATLAS.
