Fizikai Szemle 2008/9. - Barnaföldi Gergely Gábor: GEM, AVAGY ÚJ TREND A RÉSZECSKEDETEKTOROK VILÁGÁBAN

GEM, AVAGY ÚJ TREND A RÉSZECSKEDETEKTOROK VILÁGÁBAN

Barnaföldi Gergely Gábor
CNR Kent State Univeristy, Kent, USA; MTA KFKI RMKI
Varga Dezső
ELTE TTK Komplex Rendszerek Fizikája Tanszék

A részecskedetektálás és azonosítás alapjai

A részecskefizika és a nagyenergiás magfizika az anyag alapvető építőköveit, ezek lehetséges állapotait és a köztük zajló kölcsönhatásokat vizsgálja. A hétköznapi szempontból pontszerű “építőkövek” (részecskék) méretei és tömegei több tucat nagyságrenddel kisebbek a kézzel fogható méreteknél (a proton tömege m_p = 1,672 · 10^-27 kg, az elektron töltése e = 1,602 · 10^-19 C), sebességük viszont sok nagyságrenddel nagyobb lehet a környezetünkben érzékelhető mozgásénál, gyakran közel fénysebesség (3 · 10⁸ m/s). Óhatatlanul felmerül bennünk a kérdés: vajon hogyan lehet ezeket a mennyiségeket megmérni? A részecskefizika közel száz éves történetének jelentős része éppen ezekről, az apró részecskék mérésének módszereiről szól.

A részecskék detektálásának elvi alapja mindig a mikroszkopikus részecskék és a makroszkopikus anyag kölcsönhatása: az anyagon keresztülhaladó részecske az útjába kerülő atomokkal ütközik, energiájának egy kis részét - elsősorban elektromágneses kölcsönhatás útján - átadja nekik. Ha az ilyen módon gerjesztett atomokat, vagy az áthaladáskor az atomi pályákról kiszakított elektronokat detektáljuk, a részecske pályája mérhetővé válik [1, 2].

A nagyon gyors, közel fénysebességgel haladó részecskék a relativitáselmélet jóslata szerint a tömegüktől függetlenül hatnak kölcsön az anyaggal,¹ ezért általában a detektálásnál nehezebb feladat azt meghatározni, hogy pontosan milyen fajta is volt az eredeti részecske. A modern detektorrendszerekben az azonosítást (Particle Identification, PID) gyakran úgy érik el, hogy egy adott részecskét egymás után több berendezés is megmér, különböző speciális feladatokkal (a pályát pontosan meghatározni, vagy a sebességet nagyon pontosan megmérni), az összevetett információ pedig már elég az egyértelmű azonosításhoz. Sok esetben csak statisztikai eredményt kapunk, azaz sok részecske méréséből megtudjuk, hogy az egyes részecskefajták aránya mekkora volt.

Elektronsokszorozás lavinaeffektussal

A modern rendszerekben a részecskék pályájának meghatározására legelterjedtebb módszer az atomokról leszakított elektronok, azaz az ionizáció mérése. Ennek speciális esete, amikor az ionizáció gázban történik, aminek előnye, hogy az elektronok megfelelően tiszta gázban elektromos térrel messzire (méterekre) eljuttathatók, tehát nagy térfogatból is könnyen összegyűjthetők. A nagyenergiás részecskék áthaladásukkor centiméterenként néhány száz elektront keltenek, ami nagyon kevés ahhoz, hogy az elektromos feldolgozórendszer háttérzajától megkülönböztethető legyen. Ezt a problémát először a H. Geiger és E. Rutherford által 1908-ban alkotott, majd 1928-ban W. Müller által tökéletesített Geiger-Müller-cső oldotta meg. A berendezésben a középső, pozitív feszültségű anódszál felé vándorolnak az elektronok. Az ötlet lényege, hogy a szál közelében kialakuló nagy elektromos térerősségben az elektronok annyira felgyorsulnak, hogy újabb ionizációra lesznek képesek. Az így keltett elektronok ismét gyorsulnak, újra ionizálnak - kialakul az elektronlavina, amely már jól mérhető töltésmennyiséget jelent, akár a klasszikusan ismert kattanást keltve egy hangszóróban [2].

A modern detektorokban a GM-csőhöz képest kisebb feszültséget és vékonyabb, 20-30 mikrométeres szálakat használnak, ami gyorsabb működést és pontosabb ionizációmérést tesz lehetővé. Ezeket az úgynevezett sokszálas proporcionális kamrákat elsősorban részecskepályák mérésére használják. Az olykor több (tíz) méteres detektorokban sok párhuzamosan kifeszített vékony drótszálból álló bonyolult hálórendszer adja az elektronok begyűjtéséhez szükséges homogén elektromos teret (1. ábra). Az első ilyen kamrát G. Charpak készítette 1968-ban (majd 1992-ben Nobel-díjat kapott érte).

A sokszálas proporcionális kamrák készítése és beüzemelése igen aprólékos munka, amit leginkább talán a zongorahangoláshoz hasonlíthatunk. Gyakran több tízezer szálat tartalmaznak, amelyeket egyenletesen megfeszítve forrasztanak egy masszív kerethez. A mérés során figyelembe kell venni a tartókeretek deformációit, különben a keletkező elektromos tér nem lesz elég egyenletes. Ezek megtervezése drága technológiát és komoly mérnöki munkát igényel.

A gázelektron-sokszorozó - GEM-detektor

A '90 évek közepén F. Sauli által felfedezett gázelektron- sokszorozó (GEM - Gas-Electron Multiplier) alapvetően új ötletet jelentett a korábban használt sokszálas kamrák technológiájával szemben. Az alapötlet szerint a kis tartományra kiterjedő, erős elektromos tér nemcsak párhuzamosan kifeszített szálakkal valósítható meg.

A GEM külsőre nem más, mint egy szitaszerűen átlyuggatott vékony, 0,06 mm vastag kondenzátorlemez (2. ábra). A lyukak átmérője 0,04 mm körüli, elrendezésük hatszöges rácsszerkezetet követ. A kondenzátorlemezek közé kapcsolt feszültség hatására a lyukakban nagy elektromos térerősség jön létre. A mérni kívánt részecske által keltett elektronok a GEM lemezpár felé haladnak egy gyenge külső elektromos térben, majd - az elektromos tér szerkezete miatt - fókuszáltan a legközelebbi lyuk közepébe vándorolnak (3. ábra). A lyuk belsejében akkora az elektromos térerősség, hogy kialakul a lavinaeffektus, tehát a lemezpár alján a fentről érkező elektronok sokszorosa távozik [3].

A GEM mechanikai tulajdonságai sokkal jobbak a sokszálas kamrákénál, sokkal kisebb beállítási pontosságot követelnek meg, illetve a szálak húzóereje miatti nagy tartókeretekre sincs szükség. Ráadásul hajlékony lemezként könnyebben formálható belőle majdnem tetszőleges alakú detektor (4. ábra). Napjainkban a CERN-ben a COMPASS-, a TOTEM-, az LHCb-, valamint a jövőben az NA61- és az ALICE-kísérletekben alkalmaznak GEM alapú detektorrendszereket [4, 5].

A GEM-detektorok szinte szó szerint új dimenziót nyitottak meg az elektronsokszorozáson alapuló detektortechnikában, hiszen az alapvetően síklapokból felépülő sokszálas kamrák helyett korábban elképzelhetetlen geometriájú, görbült felületű detektorok is készíthetők. Elképzeléseinknek szinte csak a GEM előállításának borsos ára szabhat határt.

A GEM-ek és a proporcionális kamrák közötti elvi különbség egy technikai szempontból fontos különbségben nyilvánul meg: amíg egy normálisan üzemeltetett proporcionális kamra szinte sosem üt át, a GEM-ekben ez gyakran előfordul. Ilyenkor a véletlenszerűen valamelyik lyukban keletkező szikra kisüti a kondenzátor teljes töltését, ami esetlegesen veszélyes lehet magára a GEM-re, illetve a kiolvasó elektronikára.

Szegény ember vastag GEM-mel főz

A GEM-lemezek tulajdonságait vizsgálva hamar ráébredtek a kutatók, hogy létezik egy szinte “házilag”, hagyományos mechanikai eszközökkel is elkészíthető változat is, a GEM egyszerű felnagyítása: a vastag (Thick) GEM (TGEM). Ez tulajdonképpen egy 0,3-1 mm vastagságú nyomtatott áramköri lemez (5. ábra), mindkét oldalán rézfóliával, amelybe - hasonlóan az “igazi” GEM szerkezetéhez - 0,2-0,5 mm-es lyukakat fúrtak. A nagyobb méret miatt az előállítás sokkal olcsóbban, hagyományos fúrásos technikával történik. Használatukkor nagyobb feszültséget kapcsolunk a lemezekre, mint a normál GEM-ekre (kb. 500 V helyett mintegy 1000 V-ot).

Az így kapott vastag TGEM-lemezekkel strapabíró és olcsó detektorelemeket lehet előállítani, amelyeket V. Peskov részletesen vizsgált a CERN-ben [5]. Ha a kondenzátorlemez elektródái nagy felületi ellenállású anyagból készülnek, a szikrák ereje jelentősen - akár tizedére - csökkenthető. Az ilyen RETGEM (Resistive- Electrode Thick GEM) technikával készült lemezek felfedezése újabb lendületet adott az olcsó és egyszerű jövőbeni detektorok építésének.

1. táblázat Részecske-gázdetektorok összehasonlítása
	sokszálas kamra	GEM	vastag vagy TGEM
erősítés	kiváló	kiváló	kiváló
jel/zaj viszony	kiváló	kiváló	kiváló
mechanikai stabilitás	érzékeny, keretfüggő	stabil, hajlítható	nagyon stabil, merev
ár	drága	nagyon drága	nagyon olcsó
helyfelbontás	közepes	kiváló	közepes
egyéb		átütésveszély	átütésveszély

GEM-alkalmazások

A (T)GEM-RETGEM alapú detektorok nagyszerű tulajdonságaiknak köszönhetően (1. táblázat) jól használhatók részecskepályák detektálására és részecskeazonosításra. Az egyszerű szerkezet, üzemeltetés és olcsó előállítás miatt a részecskefizikai detektorok mellett egyre több hétköznapi alkalmazási lehetőség jelent meg.

Miután a GEM-detektorok alapvetően érzékenyek a töltőgáz összetételére és tisztaságára, a karakterisztikák ismeretében lehetőség nyílik gázok, vagy gázkeverékek ennek alapján történő azonosítására. Érdekes alkalmazási terület lehet egy olyan detektor, amely képes felismerni a veszélyes gázokat vagy a szmogot. Az egyszerűbb RETGEM alapú detektorok viszont kevésbé érzékenyek a használt gáz minőségére vagy tisztaságára. A gáz szennyezettségét nagyon jól tolerálják. Így gáz-levegő keveréket, vagy extrém esetben akár levegőt (!) is használhatunk töltőgázként.

Ultraibolya fényre reagáló cézium-jodiddal bevonva a TGEM-lemezeket nagy érzékenységű UV-detektort lehet készíteni. Ezen elv alapján cézium-jodid és RETGEM kombinálásával sikerült kifejleszteni egy lángdetektort, amely több nagyságrenddel érzékenyebb, mint a kereskedelemben kapható lángdetektorok. Egy ilyen detektor egy kivilágított helyiségben, 30 méteres körzetben a gyufalángot vagy az égő cigarettát mintegy ezerszer biztosabban detektálta.

Dozimetriai alkalmazásként az alfa-részecskék beütésének észlelésére alkalmas detektort is építettek, amelyben dupla RETGEM-réteget helyeztek el.

RETGEM-labor az RMKI-ban

Az MTA KFKI RMKI ALICE-csoportja 2005-ben létrehozott egy TGEM-RETGEM-laboratóriumot. E laboratóriumnak a célja, hogy az CERN LHC ALICE-kísérletében működő egyik alegységet, a HMPID-detektort továbbfejlessze [6, 7]. A HMPID (High Momentum Particle Identification Detector) feladata, hogy a nagy impulzusú részecskéket azonosítsa 3-5 GeV/c impulzusig. A továbbfejlesztett VHMPID-detektorban a fenti impulzustartomány kiterjeszthető lesz 10-15 GeV/c-ig.

Az TGEM-RETGEM-laborban folyó munka célja egy olyan, nagyon gyors részecskedetektáló rendszer létrehozása, amely nagy biztonsággal jelzi egy ritka esemény megtörténtét, nevezetesen egy gyors (nagy impulzusú) részecske áthaladását. Az ilyen jelzőrendszert triggernek nevezik. Jelen berendezésnek több tízezer részecske közül kell kiválasztania az egyetlen igazán nagy energiájút. A tervezett VHMPID-detektoron áthaladó részecskék egy több rétegű RETGEM-lemezekből álló rendszeren mennek majd át az ALICE-detektor mágneses terében. A rendszer egyik rétegét modellező, két TGEM-lemezt tartalmazó kamra látható a 6. ábrán. A lemezeken mért beütési helyek alapján visszaszámolható a részecske pályája. Kihívást jelent, hogy a kapott elektromos impulzusok alapján - az ALICE-detektor fő triggerjelének törtrésze alatt - néhány µs idő van a pálya meghatározásához és a döntések meghozatalához, amelyben a gyors logikai áramköröknek nagy szerep jut.

A VHMPID trigger prototípusát először 2006 novemberében teszteltük a CERN-ben direkt részecskenyalábokkal. A kamrát számítógépes szimulációk alapján tökéletesítettük, és 2008 májusában újabb nyalábtesztnek vetjük alá. A sikeres teszek után kezdődhet el a trigger és a VHMPID-detektor szoftveres és hardveres összehangolása, valamint a valós méretű modul előállítása.

Zárszó

Az Részecske- és Magfizikai Kutatóintézetben jelenleg folyó detektorépítés méltó folytatása a korábbi, évtizedes kísérleti fejlesztéseknek, mint például a CERN SPS gyorsító NA49-kísérletének Budapest-fala, vagy a CERN LHC CMS-detektorának építésében való aktív részvétel. Csoportunk a VHMPID tesztmérései mellett részt vesz a ALICE HMPID-detektor beüzemelésében, valamint a mérések kiértékelésében is. Kutatásainkat az OTKA NK62044, IN71374 és PD73596 pályázata támogatja. Kutatócsoportunk köszönetét szeretné kifejezni Surányi Gergelynek (BME Nukleáris Technikai Intézete) és Pálfalvi Józsefnek (MTA KFKI Atomenergia Kutatóintézete) a tesztmérések során nyújtott segítségért.

Irodalom

_______________________

¹ Feltéve, hogy energiájuk sokkal nagyobb, mint nyugalmi tömegük szorozva a fénysebesség-négyzettel.

Fizikai Szemle honlap

Tartalomjegyzék