ワイヤーチャンバー

ワイヤチェンバーまたはマルチワイヤ比例チェンバーは、荷電粒子と光子を検出し、気体のイオン化の軌跡を追跡することによってそれらの軌道の位置情報を提供できる比例計数管の一種です。 [ 1 ] [ 2 ] この技術は、高速電子機器で粒子の軌道を追跡できるため、写真技術を使用したバブルチェンバー粒子検出方法の改良版でした。

説明

陽極ワイヤ（W）と陰極（−）プレート（P）を備えたワイヤーチャンバー。軌道Tに沿って移動する粒子はガスを電離させて自由電子を持つイオン対を生成します。このイオン対は陽極ワイヤにおいてタウンゼント雪崩効果によって増幅され、測定可能な電流パルスを生成します。

マルチワイヤチャンバーは、正の直流電圧をかけた陽極ワイヤのアレイを使用し、陰極と呼ばれる低電位に保たれた導電性の壁を持つチャンバー内を通ります。チャンバー内はアルゴン/メタンの混合ガスなどで満たされているため、チューブを通過するイオン化粒子は周囲のガス原子をイオン化し、正イオンと電子からなるイオン対を生成します。イオン対はチャンバー全体の電界によって加速され、再結合を防ぎます。電子は陽極へ、正イオンは陰極へ加速されます。陽極ではタウンゼント雪崩と呼ばれる現象が発生します。これにより、検出された粒子によって蓄積されたイオン化エネルギーに比例する、最初のイオン化イベントごとに測定可能な電流が生じます。各ワイヤからの電流パルスを個別に測定することにより、粒子の軌跡を見つけることができます。この基本設計を応用したものとして、薄ギャップチャンバー、抵抗板チャンバー、ドリフトチャンバーがあります。ドリフトチェンバーは、時間投影型、マイクロストリップガス型、シリコンを使用したタイプの検出器など、チェンバー設計における特定の用途の範囲に細分化することもできます。 [ 3 ] [ 4 ]

発達

MWPCにおける等電位線と磁力線

1968年、ジョルジュ・シャルパックは欧州原子核研究機構（CERN）に在籍中に、マルチワイヤ比例計数管（MWPC）を発明・開発しました。この発明により、彼は1992年にノーベル物理学賞を受賞しました。この計器は、従来の泡箱の1秒あたり1～2個の粒子検出率を1秒あたり1000個にまで向上させました。MWPCは粒子検出から電子信号を生成し、科学者はコンピュータでデータを分析することができました。[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]マルチワイヤ計数管はスパーク計数管の発展型です。[ 8 ]

ガスを充填する

典型的な実験では、チャンバー内に以下のガスの混合物が含まれる：[ 2 ]

チャンバー内には以下のものを充填することもできます。

使用

高エネルギー物理学の実験では、粒子の軌道を観察するために使用されます。長い間、この目的には泡箱が使用されていましたが、電子機器の進歩に伴い、高速電子読み出し機能を備えた検出器が求められるようになりました。（泡箱では、写真に露光を行い、得られたプリント写真を検査していました。）ワイヤー箱は、多数の平行ワイヤーが格子状に配置され、高電圧が印加された箱で、金属ケースは接地電位にあります。ガイガーカウンターと同様に、粒子はイオンと電子の痕跡を残し、それらはそれぞれケースまたは最も近いワイヤーに向かって漂います。電流パルスが流れたワイヤーをマークすることで、粒子の軌道を見ることができます。

このチャンバーは相対時間分解能、位置精度、自己トリガー動作に非常に優れている（Ferbel 1977）。[ 12 ]

このチャンバーの開発により、科学者は粒子の軌道をはるかに高い精度で研究できるようになり、また粒子の相互作用を通じて起こるより稀な相互作用を初めて観察し研究することも可能になりました。

ドリフトチャンバー

ワイヤーの電流パルスのタイミングを正確に測定し、イオンが最も近いワイヤーまでドリフトするのにある程度の時間が必要であることを考慮すると、粒子がワイヤーを通過した距離を推定することができます。これにより経路再構成の精度が大幅に向上し、ドリフトチャンバーとして知られています。

ドリフトチェンバーは、ガス粒子との衝突によって粒子から失われるエネルギーと、粒子の加速を引き起こすために使用される高エネルギー電界によって生成されるエネルギーの蓄積とのバランスをとることによって機能します。[ 13 ]設計はマルチワイヤ比例チェンバーに似ていますが、中央層のワイヤ間の距離が大きくなっています。[ 8 ]チェンバー内の荷電粒子の検出は、荷電粒子の運動によるガス粒子のイオン化によって可能になります。[ 14 ]

フェルミ国立加速器研究所の検出器CDF IIには、中央外部トラッカーと呼ばれるドリフトチャンバーが搭載されています。[ 15 ]チャンバー内にはアルゴンとエタンのガスが封入されており、3.56ミリメートルの隙間で区切られたワイヤーが設置されています。[ 16 ]

2つのドリフトチャンバーを使用し、一方のワイヤーがもう一方のワイヤーと直交し、かつビーム方向に対して直交するように配置することで、より正確な位置検出が可能になります。また、位置分解能が低い、あるいは全く分解能のない粒子を、ビームの前後の一定距離にある単純な検出器（例えば、ベートカウンターで使用されるもの）を追加して検出することで、三次元再構成を行い、検出器の各部における粒子の通過時間差から粒子の速度を推定することができます。この構成により、タイムプロジェクションチャンバー（TPC）と呼ばれる検出器が実現します。

ガス中の電子の速度 (ドリフト速度) を測定するために、既知のイオン化位置のドリフト時間を測定する 特殊なドリフト チャンバー、速度ドリフト チャンバーがあります。

参照

参考文献

  1. ^ F. Sauli (1977) -マルチワイヤ比例ドリフトチェンバーの動作原理2012年2月25日閲覧
  2. ^ a b W.Frass.物理学 - C4：素粒子物理学専攻オプション - 粒子検出器. オックスフォード大学. p. 11. 2012年2月25日閲覧。CN博士のブースPHY304粒子物理学シェフィールド大学アーカイブ2014-03-13ウェイバックマシンで発見されました。
  3. ^ I. Kisel - [1] 2012年2月28日閲覧
  4. ^マンチェスター大学 - HEP - 101 2012年2月28日閲覧
  5. ^ Computers in Physics, Sep/Oct 1992 - The Polish Language School for Foreign Students - Adam Mickiewicz University in Poznań - European Organization for Nuclear Research 2012-02-14 Archived at the Wayback Machine 2012-02-25 取得
  6. ^ H. Johnston - Physics world 2012年2月25日閲覧
  7. ^ 「マイルストーン：CERN実験機器、1968年」 IEEEグローバルヒストリーネットワークIEEE 2011年8月4日閲覧。- 米国エネルギー省研究開発成果2012年2月23日閲覧
  8. ^ a b物理学. ギルフォード：サリー大学. 2015年2月13日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2012年2月28日閲覧。
  9. ^ SEDerenzo - SLAC国立加速器研究所、スタンフォード大学（米国エネルギー省科学局） ; Muller, Richard; Derenzo, Stephen; Smadja, Gerard; Smith, Dennis; Smits, Robert; Zaklad, Haim; Alvarez, Luis (1971). 「液体充填比例計数管」 . Physical Review Letters . 27 (8): 532– 535. Bibcode : 1971PhRvL..27..532M . doi : 10.1103/ PhysRevLett.27.532 . OSTI 942298. S2CID 54908183 .  
  10. ^ Degrange, B.; Guillon, J.; Moreau, F.; Nguyen-Khac, U.; De La Taille, C.; Tisserant, S.; Verderi, M. (1992). 「テトラメチルシランを充填したマルチワイヤチャンバーにおける低エネルギー熱量測定」.核物理学研究における計測と方法 A セクション. 311 (3): 539. Bibcode : 1992NIMPA.311..539D . doi : 10.1016/0168-9002(92)90652-K .
  11. ^ Schotanus P; Van Eijk CWE; Hollander RW; CWE Van Eijk (1988). 「感光性マルチワイヤチャンバーにおけるLaF 3 :Nd 3+シンチレーション光の検出」.核物理学研究における計測と方法 A セクション. 272 (3): 913– 916. Bibcode : 1988NIMPA.272..913S . doi : 10.1016/0168-9002(88)90780-2 .; > G. Charpak粒子イメージング検出器の研究 p.537 World Scientific, 1995 2012年2月28日閲覧
  12. ^ T. ファーベル. CERNレポート, 1977,>
  13. ^ FE Close、M. Marten、C. Sutton (2004年11月11日). 『粒子オデッセイ：物質の核心への旅』 .オックスフォード大学出版局. Bibcode : 2002pojh.book.....C . ISBN 978-0-19-860943-8. 2012年2月12日閲覧。
  14. ^ W. Blum; W. Riegler; L. Rolandi (2008年10月4日).ドリフトチャンバーによる粒子検出. Springer. ISBN 9783540766841. 2012年2月28日閲覧。
  15. ^ Kotwal, Ashutosh V; Gerberich, Heather K; Hays, Christopher (2003). 「ドリフトチェンバーのヒットタイミングを用いた宇宙線の識別」.核物理学研究における計測と方法 A セクション. 506 ( 1–2 ): 110–118 . Bibcode : 2003NIMPA.506..110K . doi : 10.1016/S0168-9002(03) 01371-8 .
  16. ^ Fermilab -用語集-写真- JL Lee 2012年2月12日閲覧
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