タイムプロジェクションチャンバー

物理学では、 タイムプロジェクションチャンバー （ TPC ）は、電場と磁場の組み合わせと敏感な体積の気体または液体を使用して、粒子の軌跡または相互作用の3次元再構成を実行する粒子検出器の一種です。

オリジナルデザイン

元のTPCは、1970年代後半にローレンスバークレー研究所でアメリカの物理学者David R. Nygrenによって発明されました。最初の主要なアプリケーションはPEP-4検出器で、SLACのPEPストレージリングで29 GeVの電子と陽電子の衝突を研究しました。

タイムプロジェクションチャンバーは、位置に敏感な電子収集システムを備えた電界内のガス充填検出ボリュームで構成されています。元の設計（および最も一般的に使用される設計）は、エンドプレートとしてマルチワイヤ比例チャンバ（MWPC）を備えた円筒型チャンバです。その長さに沿って、チャンバーは中央の高電圧電極ディスクによって半分に分割され、中央とエンドプレートの間に電界が確立されます。さらに、ガスのイオン化から来る電子の拡散を最小限に抑えるために、電界が電界に平行に円筒の長さに沿ってしばしば印加されます。検出器ガスを通過すると、粒子はその軌道に沿って一次イオン化を生成します。 （シリンダー軸に沿った） z座標は、イオン化イベントから最後にMWPCまでのドリフト時間を測定することにより決定されます。これは、ドリフトチャンバーの通常の技術を使用して行われます。終わりにMWPCは、rは半径座標に関する情報を提供方位方向、θ、陽極ワイヤが配置されています。方位角方向を取得するために、各陰極面は半径方向に沿ってストリップに分割されます。

近年、特に原子核物理学におけるタイムプロジェクションチャンバーの応用の増加に関連して、位置敏感電子増幅および検出の他の手段がより広く使用されるようになりました。これらは通常、セグメント化されたアノードプレートを、Frischグリッドまたはガス電子増倍管のようなアクティブな電子増倍要素と組み合わせます。これらの新しいTPCは、フラットジオメトリを好む軸方向フィールドを持つ円筒の従来のジオメトリまたは放射状フィールドを持つ円筒からも離れています。

素粒子物理学の初期の研究者は、CERN NA49やNA35の実験のように、通常、ビームラインの真上または真下に配置された、より単純化されたボックス型のジオメトリも使用していました。

液体アルゴン時間投影チャンバー（LArTPC）

1977年、カルロルビアは液体アルゴン時間投影チャンバー、またはLArTPCを考案しました。 LArTPCは、ナイグレンの初期TPC設計と同じ原理の多くで動作しますが、ガスの代わりに液体アルゴンを敏感な媒体として使用します。

検出器の設計と特性

液体アルゴンは、いくつかの理由で敏感な媒体として有利です。アルゴンは高貴な元素であり、したがって電気陰性度がゼロであるという事実は、電離放射線によって生成された電子が検出器の読み出しに向かってドリフトするときに吸収されないことを意味します。アルゴンはまた、高エネルギーの荷電粒子が通過するときにシンチレーションし、通過する粒子によってアルゴンに蓄積されるエネルギーに比例する多数のシンチレーションフォトンを放出します。液体アルゴンも比較的安価であり、大規模プロジェクトを経済的に実行可能にします。ただし、液体アルゴンを敏感な媒体として使用する主な動機の1つは、密度です。液体アルゴンはナイグレンのTPC設計で使用されるガスよりも約1000倍密度が高く、粒子が検出器で相互作用する可能性を約1000倍に高めます。この機能は、ニュートリノと核子の相互作用断面積が小さいニュートリノ物理学で特に役立ちます。

一般的なLArTPCの本体は、3つの部分で構成されています。検出器の片側には、TPCを横切るドリフト電界を確立するために使用される高電圧カソードプレーンがあります。これが設定される正確な電位は検出器の形状に依存しますが、この高電圧カソードは通常、検出器全体に500 V / cmのドリフト電界を生成します。

陰極面の反対側には、陰極の電位よりもはるかに高い（負ではない）電位に設定された一連の陽極ワイヤ面があります。各プレーンは、通常1 cm程度の小さなギャップで隣接するプレーンから分離されています。平面は、数ミリメートル間隔の多数の平行な導線で構成され、垂直に対するワイヤーの方向の角度は、平面ごとに異なります。一緒に、これらのプレーンはドリフト電子から信号を読み取ります。 N個のアノードワイヤプレーンを持つ検出器の場合、内側のN − 1プレーンは誘導プレーンと呼ばれます。これらは、外部平面よりも低い（より負の）電位に設定され、ドリフト電子がそれらを通過できるようにし、イベントの再構築に使用される信号を誘導します。ドリフト電子がこれらのワイヤに収集され、追加の信号を生成するため、外側の平面は収集平面と呼ばれます。ワイヤの向きが異なる複数のプレーンを使用すると、2次元のイベントの再構築が可能になり、3番目の次元は電子ドリフト時間から求められます。

3番目の部分は、カソードとアノードの間のフィールドケージです。この電界ケージは、カソードとアノード間の均一な電界を維持するため、ドリフト電子の軌道は、イオン化ポイントとアノードプレーン間の最短経路から可能な限り逸脱しません。これは、イベントの再構築中に粒子軌道の歪みを防ぐことを目的としています。

集光システムは、シンチレーションライトによってイベントからより多くの情報を抽出する手段として、基本的なLArTPCを伴うことがよくあります。また、粒子が検出器を通過してからナノ秒後にのみシンチレーション光を収集するため、トリガーで重要な役割を果たします。これは、自由電子がワイヤプレーンにドリフトするのにかかる時間よりも比較的（1000倍程度）短いため、シンチレーションフォトンの収集時間をトリガー時間（ t 0）として区別するのに十分な場合がよくあります。イベント。このトリガー時間により、電子ドリフト時間を見つけることができ、イベントの3次元再構築が可能になります。このようなシステムはLArTPCがトリガー時間を特定できる唯一の手段ではありませんが、超新星や陽子崩壊などの現象を研究するために必要です。したがって、粒子のビームは不明です。光電子増倍管、ライトガイド、およびシリコン光電子増倍管は、この光を収集するために使用される機器の例です。これらは通常、ドリフトボリュームのすぐ外側に配置されます。

信号読み出し

一般的なLArTPCでは、各アノードプレーンの各ワイヤはRC回路の一部であり、ワイヤ自体が抵抗とコンデンサの間に配置されています。抵抗のもう一方の端はバイアス電圧に配線され、コンデンサのもう一方の端はフロントエンド電子機器に配線されます。フロントエンド電子回路は、回路内の電流を増幅してデジタル化します。時間の関数としてのこの増幅およびデジタル化された電流は、イベント再構成に渡される「信号」です。

与えられたアノードプレーンワイヤの場合、生成される信号は、ワイヤが誘導面にあるか収集面にあるかに依存する特定の形式になります。ドリフト電子が誘導面でワイヤに向かって移動すると、ワイヤに電流が誘導され、出力電流に「バンプ」が生成されます。電子がワイヤから遠ざかると、反対方向に電流が誘導され、最初とは反対の符号の出力「バンプ」が生成されます。結果はバイポーラ信号です。対照的に、電子はワイヤを通過せず、代わりにワイヤによって「収集」されるため、収集平面ワイヤの信号はユニポーラです。これらの両方の形状について、信号振幅が大きいということは、より多くのドリフト電子がワイヤを通過するか（誘導面の場合）、またはワイヤによって収集された（収集面の場合）ことを意味します。

特定のアノードプレーン内のすべてのワイヤの信号読み出しは、粒子相互作用の2D画像に整理できます。このような画像は、3D粒子の相互作用を2D平面に投影したものです。2D平面の法線ベクトルは、指定されたアノード平面内のワイヤに平行です。各アノード平面に対応する2D投影を組み合わせて、3D相互作用を完全に再構築します。

デュアルフェーズTPC

暗黒物質WIMP検出器のXENONシリーズは、2相（気体および液体）TPCを使用します。

ノート