Drahtkammer

[Gigabecquerel]

Hallo!

Statt nur zu lesen dachte ich mir ich stell mal ein kleines Projekt von mir vor.
Ich arbeite aktuell an einer kleinen Drahtkammer (Multi Wire Proportional Chamber - MWPC im Englischen), weil ich einen Detektor haben will, der eine Ortsauflösung hat. Spaß am basteln und so.

Das ganze ist ein Proportionalzähler, dessen Kathode (öfters auch Anode) in Streifen segmentiert ist um zu bestimmen wo genau das Ionisierende Teilchen durchgeflogen ist. Praktisch gibt es ein paar Methoden, mit denen man die Ortsauflösung besser als die Streifenbreite bekommt, da die Ladungswolke mehrere Streifen beeinflusst und man so errechnen kann, wo genau ihr Zentrum ist.

Diesen Detektor habe ich mir natürlich nicht selbst ausgedacht, sondern er kommt von Georges Charpak, der ihn 1968 erfunden hat. Dafür hat er 1992 auch den Nobelpreis in Physik bekommen, da bis dahin die MWPCs der meist-verwendete Detektor in der Kern- und Teilchenphysik sind.

Da ich dafür auch Vorverstärker und alles designen will habe ich dieses Wochenende erstmal zwei Prototypen gebaut, um zu messen was ich an Signal erwarten kann und um zu sehen, ob ich nicht irgendein Detail übersehen habe. Wie so viel in der Detektorphysik sind die Teile super simpel aufgebaut, die Kathode ist eine einseitige Platine, in die 10 Streifen zu 10 mm geätzt wurden. Da drauf sitzt ein 3D-gedruckter "Kamm", über welchen der Anodendraht (30 µm W) gespannt wird. Dieser Kamm sorgt dafür, dass die Anode überall 8 mm von der Kathode entfernt ist. Über der Anode sitzt ein weiteres gedrucktes Teil, das die zweite Kathode, die aus Haushalts-Alufolie besteht, 8 mm über der Anode hält. Gedichtet und zusammengehalten wird das alles mit UHU Alleskleber, der ist PVA-Basiert und gast nach dem trocknen praktisch garnicht aus. Das Zählgas ist 82/18 Ar/CO2 (Corgon Schweißgas) und wird über 4 mm Festoleitung eingeleitet, der Fluss beträgt wenige cm³/min.

Hochspannung bekommt die Anode über den SHV-Stecker, der führt zu einem NIM HVPS. Die HV wird mit einem CRC Filter nochmal etwas geglättet, von da aus gehts durch 100 kOhm auf die Anode. Ausgekoppelt wird das Signal über 47 pF in ein BNC, der zwei Antiparallele 1N4148 zum Schutz hat. die Kathoden haben ganz einfach 100 kOhm gegen Erde und können mit dem Tastkopf gemessen werden.

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Der erste Betrieb von so einem Detektor ist immer etwas komplizierter, denn man muss das Plateau finden und ihn erstmal Polarisieren lassen. Das ganze beginnt damit, dass man ein paar Stunden lang mit Gas spült, damit sicher alles an Luft und Dreck draußen ist. Danach kommt das Anodensignal aufs Oszi und die Spannung wird langsam erhöht. Hierbei schaut man nach Überschlägen oder Rauschen, das ist normal beim ersten mal. Wichtig ist, dass man den Detektor etwas "einweichen" lässt und die Spannung nur in ca. 100 V Schritten erhöht, so dauert der Prozess ein paar Stunden. Danach ist der Detektor betriebsbereit und die nächsten male kann direkt die volle Spannung angelegt werden. Das Plateau findet man, indem man eine Quelle auf den Detektor legt und die Anodenspannung so weit erhöht bis die Zählrate konstant ist. Eine MWPC erreicht, wie pratksich alle Gasdetektoren dieser Art, >90% Zähleffizienz für Elektronen und andere geladene Teilchen.

Da die Kathode segmentiert und jeder Streifen individuell auslesbar ist kann man so Abschnitte des Detektors einzeln auslesen, es bietet sich an mit dem Oszi auf eine Steigende Flanke an einer Kathode zu triggern. So bekommt man auch falsche Counts raus, die z.B. durch Überschläge auf andere Kathoden verursacht werden können. Bei den beiden Oszi-Screenshots sieht man gut, wie eine Lawine direkt über einer Kathode vs über einer anderen Kathode aussieht.

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Das Signal wird hier negativ, da die Anode hier kapazitiv in die Kathode einkoppelt.

Nun steht noch der eigentlich interessante Teil aus, und zwar das ortsauflösende Auslesen von solchen Detektoren. Hier gibt es viele Methoden, ich habe mich aufgrund der geringen Kosten und der Einfachheit für eine Verzögerungsleitung entschieden. Alle Kathoden werden über eine Verzögerungsleitung verbuden und man misst einfach die Zeitdifferenz zwischen dem Anoden-Impuls, der sofort passiert, und dem Kathoden-Impuls, dessen Verzögerung durch die Leitung Ortsabhängig ist. Übliche Verzögerungen sind hier ein paar 100 ns über die komplette Länge des Detektors, messen lässt sich die Zeit ganz einfach mit z.B. einem TDC7200. Nimmt man zwei Kathoden, die 90° zueinander die Anode umgeben, oder zwei MWCPs, die 1-Dimensional auslesen, bekommt man eine 2-Dimensionale Auflösung der einzelnen Teilchenspuren.

Für die nächsten Tests will ich ein paar Sachen ändern, vorallem gefällt mir der Kamm nicht, das ist ein absoluter Krampf zu bewickeln. Ich denke hier an einzeln gelötete Drähte, die lassen sich besser Spannen und höhengleicher installieren. Auch die Kathoden möchte ich aus Drähten (0.5 mm Ms) formen, das gibt mir weniger parasitäre Kapazität.

So, das wars erstmal, ich bedanke mich für eure Lesezeit und freue mich auf eure Fragen, ich bin sicher, dass ich noch irgendwas vergessen habe zu erwähnen.
Meine Motivation kommt und geht immer in Sprüngen, ich hoffe, dass die nächsten Versuche und Platinen zeitnah kommen.

Viele Grüße,
Lukas

[NuclearPhoenix]

Danke für den interessanten Beitrag, ist ein super Projekt. Ich bin gespannt auf Updates und wie sich das ganze entwickelt! Bisher echt gut gelungen 

[DL8BCN]

So wie ich es gesehen hast, benutzt du Spülgas.
Also es fließt ständig Gas durch die Kammer?
Bei den Berthold Xenon Flächenzählrohren hatten wir es ja geschafft das Xenon durch Ar/Co2 zu ersetzten.
Nachteil war, daß im unteren Energiebereich die Empfindlichkeit nachläßt.
Das kann man mit einem Tritiumlicht testen.
Wäre es nicht denkbar ein Zählrohr zu bauen mit permanenter Gasfüllung analog zu den Berthold Flächenzählrohren.
Ich hatte schon mal drüber nachgedacht.
Hatte das Projekt aber erstmal verworfen, weil ich keinen Koronadraht habe.
Habe ich das übersehen, oder hattest du erwähnt welche Metallfolie du verwendest?

[Gigabecquerel]

Danke für die netten Worte, Phoenix! 

Das hast du richtig verstanden, @DL8BCN . Einen Detektor ständig zu Spülen macht einiges einfacher, da man bei der Materialwahl auf nicht viel achten muss und man die mechanische Konstruktion einfacher machen kann.
Wenn man einen dichten Detektor bauen will, den man nur einmal füllt, muss man darauf achten, dass nichts da drinnen langfristig das Zählgas verunreinigt, damit fallen schonmal die meisten Kunststoffe raus, ebenso wie fast alle Kleber. Typisch ist hier eine Konstruktion aus Metall, mit elektrischen Durchführungen aus Glas.
Auch muss der Detektor dann vor dem Füllen evakuiert werden, da keine Luftreste drinnen sein dürfen. Selbst wenige ppm Sauerstoff "töten" die Gasverstärkung schon sehr effektiv, von organischen Resten wie Fingerabdrücken etc mal ganz abgesehen... Meinen Detektor hier könnte man rein mechanisch garnicht evakuieren, da mein Fenster (Haushalts-Alufolie, das hast du übersehen  ) die ~100 kg Luftdruck nie halten würde. Bei großen Detektoren ist es sehr üblich sie ständig zu spülen, nicht nur aus den oben genannten Gründen, sondern auch, weil man damit eine viel höhere Zählrate und Lebensdauer erlaubt, du glaubst garnicht zu was für "Chemie-Reaktoren" solche Detektoren in großen Experimenten werden, vorallem mit exotischeren Mischungen. Hier ist ein schönes Paper dazu: https://pdfs.semanticscholar.org/8411/e5db22d73cd8acfab4c78f38cc35d3e07cdc.pdf
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Bei meinem Detektor it das natürlich weniger ein Problem, aber ich finde das Thema interessant 

Ar/CO2 ist für Gammas weniger empfindlich wie Xenon, allerdings ist der Detektor nur 16 mm dick und hat damit als Gaszähler eh kaum Gammaempfindlichkeit, mir gehts hier eh nur um Elektronen. Theoretisch reicht eine Ionisation, dann kann ich das Teilchen zählen.
Ich denke dein Tritium-Test zeigt eher, dass deine neue Füllung weniger Verstärkung als die originale hat, das kann an vielen Sachen wie weniger Gasreinheit, anderem Fülldruck etc liegen. Auch haben Xe und Ar an sich einfach unterschiedliche Gain-Kurven. Falls du die Spannung deines Zählers etwas erhöhen kannst bin ich mir sicher, dass du die verlorene Empfindlichkeit wieder bekommst, die Betas und Brems-Photonen von Tritium können wohl in jedem Fall im Gas vollständig absorbiert werden.
Falls du ein paar Experimente machen willst melde dich, ich hab alles an Draht da von <10 µm bis mm!

Grüße,
Lukas

[DL8BCN]

ok, was du da gemacht hast, verfolgt offensichtlich andere Ziele als ich gedacht hatte.
Hier gibt es einen längeren Faden, wo wir versucht haben defekte Flächenzählrohre zu reparieren.
Das ist auch teilweise ganz gut gelungen.
Dort sind ja auch sehr dünne Metalldrähte in Messkammern gespannt.
2 von meinen reparierten Flächenzählrohren funktionieren auch heute immer noch.
Siehe hier: https://www.geigerzaehlerforum.de/index.php/topic,380.0.html

Und tatsächlich habe ich bei meiner reparierten Messkammer die Spannung etwas erhöht, um ähnliche Empfindlichkeit und Zählraten wie mit dem Xenon ZR zu haben.
Die schlechtere Ansprechempfindlichkeit für Tritium ist aber geblieben.
In höheren Energiebereichen ist alles ok.

Was die extrem dünnen Drähte angeht:
Welchen Durchmesser kann man denn überhaupt noch manuell verarbeiten?
Und wie werden die kontaktiert?
Löten geht ja bei Wolfram nicht, muss man wohl klemmen.

Und Lukas, das ZR vom Berthold hat ja 6 einzelne Kammern. Das ist wohl sicherlich nicht wegen der Ortsauflösung.
Weißt du, warum das konstruktiv so gemacht wurde und nicht eine große Wanne, wo z.B. 6 Drähte gespant sind?
Welchen Einfluss hat überhaupt die Anzahl der Drähte?

[Gigabecquerel]

Genau, mein Ziel ist es einen Ortsauflösenden Detektor zu bauen, wenns mir nur um eine große aktive Fläche gehen würde hätte ich es etwas anders bauen oder gleich einen Szinti nutzen.
Xenon Flächenzähler hab ich noch genug hier, aber "macht nur klick" bringt nicht so viel Spaß wie mehr Info rausziehen 
Die Geometrie ist ja auch nicht so super für Spektroskopie...

Aber die Reparatur ist gut gelungen! Ob der Silikonkleber die beste Idee ist weiß ich nicht, aber Berthold nutzt ja auch nur 2K Kleber. Auch muss gut ausgebacken werden bevor der Detektor gefüllt wird.
Im Idealfall wird das alles verlötet und nichts geklebt, dann lebt das Rohr auch ewig.

Wolfram ist unvorstellbar stabil, selbst mein 8 µm Draht reist unter normalem Umgang nicht, schlimm sind nur Schleifen oder so, wenn die sich zusammen rollen reist der Draht an dem Knick. Reines Wolfram kann normal nicht verlötet werden, deshalb wird er meist mit Gold beschichtet, dann ist das auch kein Problem mehr. Reines Wolfram wird meist gecrimpt oder anders geklemmt, in meinem Fall hab ich den Draht ein paar mal um die Schrauben im Kamm gewickelt und diese dann festgezogen, das reicht allemal.

[DL8BCN]

Hallo Lukas, danke für die Info!
Komplett verlöten ist sicherlich die beste Lösung.
Aber die Titanfolie lässt sich ja ebenfalls wie Wolfram nicht löten.
Auch hätte ich Bedenken wegen Flussmittelresten.
Meine Bastellösung ist halt so, dass ich jederzeit neu befüllen kann und auch die Titanfolie relativ einfach erneuern könnte.
Wie langzeitstabil das nun alles ist, weiß ich noch nicht.
Hat aber bis jetzt schon ziemlich lange funktioniert  

[Gigabecquerel]

So, es geht weiter!
Ich habe nochmal einen kleinen Prototypen gebaut, diesmal sogar noch kleiner als die vorherigen.
Einfach, weil ich die Lochrasterplatinen nur hier hatte. So ist die Installation von den Drähten viel einfacher als das Wickeln mit dem Kamm. Wenn ich das mal als richtige Platine zeichne und SMD-Pads für die Drähte verwende sieht das dann bestimmt auch schöner aus 
Die Segmentierte Kathode besteht jetzt auch aus Drähten statt geätzten Platinen-Flächen, damit ist die Streu-Kapazität verringert und die SNR verbessert. Außerdem brauche ich so keine Kathode mehr am Fenster und kann etwas nicht-leitendes nutzen, was einfach besser aussieht. So erkennt man auch gut, warum die Dinger "Drahtkammer" heißen.

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Das ganze hat auch geklappt wie ich es mir vorgestellt habe, und die Kammer läuft super.
Rauscharm und mit viel Gasverstärkung, ich kann sie nochmal ~200 V unter den vorherigen laufen lassen.

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Ich bin sehr glücklich damit und denke, dass wir ein Gewinner-Design haben!
Jetzt gehts ans Platinen zeichnen, Verzögerungsleitung durchrechnen, Verstärker entwickeln...
Ich halte euch auf dem laufenden!

Lukas

[opengeiger.de]

Sehr schöne Bastelarbeit! Verstehe ich es richtig, Du brauchst jetzt an jedem Draht einen Verstärker und musst auch jeden für sich zählen? Wenn Du die x und die y-Drähte anschaust, kannst Du dann sagen dass wenn X-Draht 5 und y-Draht 7 ein koinzidentes Signal zeigen das Pixel 5/7 ein Treffer hatte? Oder musst Du irgenwie noch die Laufzeit des Signals miteinrechnen? Das stell ich mir anspruchsvoll vor. Da würden wir ja über Picosekunden reden, oder?

[Gigabecquerel]

Danke!
Aber nein, das Auslesen funktioniert etwas anders. So, wie der Detektor aufgebaut ist kann ich nur 1-Dimensional auslesen, da meine Zweite Kathode von der Platine geformt wird. Die Anode ist ein Teil, alle Drähte sind miteinander verbunden. Die Segmente der Kathode werden mit verschiedenen Semgenten einer Verzögerungsleitung verbunden und brauchen damit nur einen Verstärker am Ende der Leitung. Um die Position zu bestimmen benötige ich dann nur die Zeitdifferenz zwischen dem Anodensignal (Prompt) und dem Kathodensignal (Verzögert). Aktuell rechne ich mit 250 ns für die komplette Leitung, zum Auslesen denke ich da an den TDC7200. eine 2-Dimensionale Auflösung erreiche ich hier nur durch zwei Kathoden, die 90° zu einander stehen, die anode wäre dann auf 45°.

Die Gasverstärkung und der daraus resultierende Ionendrift induziert einen Strom auf mehreren Kathodenstreifen, damit kann der Ort mit einer Auflösung besser als der Abstand der Streifen bestimmt werden.

In vielen Punkten habe ich mich an diesen beiden Artikeln orientiert, die das wohl besser Erklären als ich es kann:
https://cds.cern.ch/record/702443/files/sl-note-98-023.pdf
https://sba.web.cern.ch/sba/Documentations/Eastdocs/docs/DWC-Description.pdf

Die Topologie jeden Draht einzeln zu Verstärken und Zählen gibt es auch, dann muss über die Signale naheliegender Drähte ein Gauss gelegt werden um die Position genauer zu bestimmen. Das geht am besten, wenn man genug ASICS und Compute übrig hat, aber ich bin leider kein Experiment am CERN.

[opengeiger.de]

Ah, ok, verstehe! Ich hab ein wenig gegoogelt und das gefunden:
https://storage.knaw.nl/2024-05/pws-designing,%20building%20and%20testing%20leon-verreijt-aug-knaw.pdf

Aber die Laufzeitmessung stelle ich mir anspruchsvoll vor. Dein eps-r ist ja fast 1 d.h. Du hast doch ne Signal-Ausbreitung mit fast 30cm pro ns. Von daher denke ich Du müsstest schon deutlich weniger als 250ns auflösen können, oder? Und das ist ja nix repetitives, d.h. Du musst real-time Messungen machen. Bin mal gespannt!

[Gigabecquerel]

Die Signal-ausbreitung entlang der Kathodendrähte wird hier vernachlässigt, das stimmt.
Meine Delay Line habe ich wie gesagt auf 250 ns ausgelegt, mit 20 Drähten macht das 12.5 ns zwischen den drähten, mit 1 ns messgenauigkeit hätte ich dann schon 1/10 der Drahtauflösung, angenommen natürlich alles bleibt linear (woran ich ein bisschen zweifel, alleine schon wegen der positioniergenauigkeit der Drähte).
Zeitsignale mit 1 ns differenz zu messen ist dank LIDAR und ähnlichem ein gelöstes problem, schau dir den hier mal an:
https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tdc7200.pdf

Start-signal von der Anode, Stop-signal von der Kathode und er wirft die zeitdifferenz per SPI raus, einfacher wirds kaum.

[opengeiger.de]

Ich muss mir das Ganze in ner ruhigen Minute nochmal genau durchlesen. Aber ja, die Lidar Chips sind heute ne sehr bequeme Lösung für Start/Stop Timing Messungen. Du brauchst ne gute Clock mit wenig Jitter und der Start und der Stop Puls müssen halt ne steile Flanke mit ner Steilheit von wenigen ns haben. Du musst daher drauf schauen so wenig wie möglich Kapazität an den Signalleitungen zu haben. Vielleicht machst Du es am besten gleich mit SMD Bauteilen und vermeidest Thru-Hole Bauteile. Und die Strippen müssen so kurz wie möglich sein, immer schön mit Ground in der Nähe. Ganz einfach wirds vermutlich nicht. Aber einfach kann ja jeder 

[opengeiger.de]

Ok, jetzt verstehe ich die Verwendung der tapped Delay Line. Du codierst damit die Lage des Drahts im Array. Das Delay zwischen zwei Taps muss dann aber schon so etwa zur Ausbreitung der Lawine passen, damit sich eine monoton steigende Signalflanke ausbildet, oder? Aber cool ist das schon, wenn man sich so die vielen Preamplifier für jeden Draht sparen kann. Ich denke allerdings, dass die Signalqualität der Teilsignale schon recht gut sein muss, damit die zusammenaddierte Flanke schön glatt bleibt. Sehr anspruchsvoll! Aber könnte gehen, das CERN kriegts ja auch hin 

[Gigabecquerel]

So, die Elektronik für die Verzögerungsleitung und Verstärker ist hier, die Platinen sind irgendwo zwischen China und meiner Werkstatt. In der Zwischenzeit habe ich ein bisschen außenrum gebastelt, jetzt gibts ein schönes Gehäuse und gute Fenster für den Aufbau!
Das Gehäuse fasst den Detektor und stellt alle Anschlüsse praktisch bereit, ebenso wird alles durch Alu-Klebeband geschirmt.
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Die beiden Fenster für den Detektor haben mir noch etwas zum grübeln gegeben, denn ich hätte gerne etwas transparentes für die Optik, aber Kapton ist aufwändig glatt aufzutragen und der Kleber ist nicht gerade super für die Gasmischung. Auch scheint das ein Silikonbasierter Kleber zu sein, dadurch kann sich eine isolierende SiO2 Schicht auf den Drähten bilden und die Kammer verschlechtern... das ist aber kein Problem für die Teilchenraten, die der Detektor hier sehen wird. Da gehts nur um good practice und so.

Die Lösung kam dann in einer kleinen Präsentation: Man strafft die Folie mittels Vakuum und hat so ganz einfach eine schöne Fläche zum Kleben! Dank den Wundern der modernen Technik, namentlich einem 3D Drucker, ist die Form dafür schnell vorhanden, gehalten und gedichtet wird die Folie durch Bastel-Moosgummi.
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Die Folie, die ich hier verwendet habe ist 40 µm dicke "Hostaphan" PET Folie, einfach, weil sie sehr Stabil ist und sich super mit Epoxy kleben lässt. Gesagt, getan, der Rahmen des Detektors wird mit 20-Min Epoxy bestrichen, auf die Folie gelegt, mit ein paar kg Blei beschwert und eine Stunde später hat man ein fertiges, super gespanntes Detektorfenster! Aktuell probier ich noch ein paar Methoden aus, wie viel Epoxy ich brauch, welche Folienstärken ich verwenden kann (6µ "Alpha Folie" wär interessant!), etc.
Aber alles sieht sehr vielversprechend aus!
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Jetzt gehts wieder weiter mit dem Warten, irgendwann werden die Platinen schon kommen.

Grüße,
Lukas

P.S:
Es sieht aus als würde das Forum meine Bilder automatisch sehr stark Komprimieren, lässt sich das irgendwie deaktivieren oder zumindest Einstellen? Die Qualität leidet schon sehr drunter.