Straw-Spurdetektoren

Detektorentwicklungen und spezielle Eigenschaften:

• Vakuum-Straw Tube-Spurdetektor für das COSY-TOF-Experiment

  • 2704 Straw Tubes (Driftröhrchen), jedes 105 cm lang, 10 mm im Durchmesser, mit 32 μm Wanddicke (aluminisierte Mylar-Folie)
  • Stapel aus 13 planaren Doppellagen in 3 verschiedenen Orientierungen
  • Selbsttragende Lagen, kein Rahmen zum Spannen der Röhrchen notwendig
  • Wird in der 25 m³ großen Vakuumkammer des COSY-TOF-Spektrometers betrieben
  • Leckrate im Bereich der normalen Gaspermeation (= Gasfluss durch 32 μm Mylar-Folie)
  • Frontend-Elektronik (Vorverstärker) in Vakuum (selbstkühlend)
  • Status: 2009 installiert, seitdem mehrere Experiment-Strahlzeiten
  • Experimentelle Ortsauflösung: 140 μm (sigma)

• Zentraler Straw Tube-Spurdetektor mit Energiemessung für das PANDA-Experiment

  • 4636 Straw Tubes (Driftröhrchen), jedes 150 cm lang, 10 mm im Durchmesser, mit 30 μm Wanddicke (aluminisierte Mylar-Folie)
  • Zylindergeometrie mit 27 Lagen in radialer Richtung, davon 19 axiale und 8 Stereo-Lagen (± 3 deg)
  • Hexagonale Anordnung der 6 Einzelsektoren aus dicht gepackten planaren Lagen
  • Selbsttragende Lagen, kein Rahmen zum Spannen der Röhrchen notwendig
  • Messung von Energieverlust und Driftzeit
  • Ortsauflösung: 150 μm (σ_rφ), 2–3 mm (σ_z)
  • Auflösung des spezifischen Energieverlustes (dE/dx): 8±1 % (σ) (Messung an einem Prototypen mittels Protonenstrahl)
  • Status: in Bau, technischer Konstruktionsreport eingereicht

• Driftrohr-Prototypen für Hochratenstrahl-Messungen

  • Verschiedene Aufbauten am COSY-Beschleuniger zum Test der Hochraten-Datenauslese und zur Messung des Alterungsverhaltens

Straws (Driftröhrchen) sind gasgefüllte zylindrische Röhrchen mit einer elektrisch leitenden Innenbeschichtung als Kathode und einem Anodendraht, der entlang der Zylinderachse gespannt ist. Geladene Teilchen, die das Röhrchen durchqueren, ionisieren das Gas und produzieren entlang ihrer Flugbahn um die 100 Elektron-Ionen-Paare pro cm. Ein elektrisches Feld von einigen kV zwischen Anodendraht und Kathode trennt die Elektronen und Ionen. Die Elektronen driften mit einer charakteristischen Geschwindigkeit in Richtung Anode. Nah am Draht werden sie aufgrund des dort stärker werdenden elektrischen Feldes (E ~ 1/r) beschleunigt und die dadurch vermehrt hervorgerufenen Kollisionen mit Gasmolekülen bewirken eine Ladungslawine. Die Lawine erzeugt eine typische Gasverstärkung der primären Ladungen um den Faktor 10⁴–10⁵, dieses reicht aus, um ein genügend hohes Ladungssignal (um die 1–100 fC) zu erzeugen. Das Signal wird durch eine geeignete elektronische Schaltung nochmals verstärkt und durch Filter geformt. Danach wird es mittels Diskriminator und Zeit-Messelektronik und/oder Amplituden-Messelektronik registriert.

Am IKP ist eine neuartige Technik entwickelt worden, die es erlaubt, die Materialbelegung auf ein absolutes Minimum zu beschränken. Dieses ist wichtig für die saubere und untergrundfreie Messung der Spuren der geladenen Teilchen. Die Technik der mittels Gasüberdruck selbsttragenden Lagen garantiert die mechanische Spannung der Anodendrähte von insgeasmt 108 kg und der Driftröhrchen von insgesamt 2,7 Tonnen (gewichtsäquivalent). Trotzdem wiegt z.B. der aus 2700 Driftröhrchen bestehende COSY-TOF-Straw Tube-Spurdetektor nur 15 kg. Es ist keine spezielle (und schwere) Rahmenkonstruktion erforderlich, um Drähte und Röhrchen mechanisch zu spannen.
Die Dicke der Folienwände der Röhrchen beträgt ca. 30 μm, dieser Wert ist der minimal mögliche. Der COSY-Straw Tube-Spurdetektor ist seit inzwischen 3 Jahren in der großen (25 m³) evakuierten zylinderförmigend Flugzeit-Messkammer des COSY-TOF-Spektrometers in Betrieb. Die Leckrate des Detektors liegt im Bereich der normalen Gaspermeation, was den minimal möglichen Wert darstellt, und wird durch den unvermeidlichen molekularen Gasfluss durch die dünnwandige (32 μm) Mylar-Folie hervorgerufen.

Für den zentralen Straw Tube-Spurdetektor (STT) des PANDA-Experimentes wurde eine zusätzliche Auslesemethode zur Messung des spezifischen Energieverlustes (dE/dx) entwickelt, die eine Teilchenseparation erlaubt. Das Verfahren wurde an Straw-Prototypaufbauten mit Protonenstrahlen des COSY-Beschleunigers getestet. Es wurde mit 16 Lagen eine Energieauflösung von rund 8 % (sigma) gemessen. An PANDA ist wegen der höheren Anzahl an Lagen (PANDA STT: 27) und damit an Detektortreffern pro Teilchenspur eine Energieauflösung von 6 % zu erwarten.
Weitere Einzelheiten über den PANDA-STT-Detektor und eine kurze Zusammenfassung zum COSY-STT (Kap. 5.1 und 5.4) sind im kürzlich eingereichten technischen Konstruktionsreport (siehe unten) nachzulesen.

Links:

http://arxiv.org/abs/1205.5441v2
Technical Design Report for the: PANDA Straw Tube Tracker (Eds. P. Gianotti, P. Wintz). PANDA Collaboration. (May 2012).

http://dx.doi.org/10.1063/1.1664352
A Large Tracking Detector In Vacuum Consisting Of Self-Supporting Straw Tubes (P. Wintz for the COSY-TOF Collaboration). AIP Conf. Proc. 698 (2004), pp. 789-792;

Bei Interesse oder weitergehenden Fragen kontaktieren Sie bitte

Prof. J. Ritman
Direktor am Institut für Kernphysik der Forschungzentrum Jülich GmbH und Professor an der Ruhr-Universität Bochum
Phone +49 2461-61-3091
Email J.Ritman@fz-juelich.de

Dr. P. Wintz
Institut für Kernphysik, Forschungzentrum Jülich GmbH
Phone +49 2461-61-4153
Email p.wintz@fz-juelich.de

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