El Detector de Trazas de Silicio


Tracker Consruction Gallery

Imágenes del Detector de Trazas de Silicio de AMS. A la izquierda, un plano del Detector. A la derecha, 5 planos ensamblados en el soporte y abajo, la integración en el CERN dentro del imán de AMS-02 en el CERN.

El Detector de Trazas de Silicio (STD) es el separador de materia y antimateria. El STD es el único subdetector capaz de separar partículas de carga positiva de las de carga negativa a partir de la curvatura de sus trayectorias en el campo magnético. La medida d ela curvatura permite también determinar el momento y la dirección de incidencia.

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¿Para qué necesitamos el Detector de Trazas?

El Detector de Trazas es el actor principal entre los detectores de AMS. Es capaz de medir con precisión la curvatura de la trayectoria de las partículas cargadas que atraviesan el imán. Cuanto mayor es la energía de las partículas, menor es la curvatura de modo que, en cierto sentido, podemos decir que el Detector de Trazas es una medida de su rigidez.

El STD es el único detector capaz de distinguir directamente entre material y antimateria mediante la determinación del signo de la carga eléctrica ya que los sentidos de curvatura para cargas positivas y negativas son opuestos.

La medida de la trayectoria de la partícula también nos permite conocer la dirección de incidencia y el momento (producto de la masa por la velocidad) de las partículas. Esta información es especialmente útil a baja energía ya que hay una gran cantidad de partículas atrapadas en el Campo Magnético Terrestre que no son Rayos Cósmicos Galácticos.

El Detector de Trazas también es capaz, al igual que el ToF y el RICH, de determinar la carga absoluta (Z) de las partículas incidentes contribuyendo a la identificación de los elementos químicos en el espectrómetro AMS-02.

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En mayor detalle: ¿Qué es la Rigidez?

La rigidez se define como el momento de la partícula dividido por su carga (R = p/Z). Las partículas de alta energía son más rígidas que las de baja energía y entre dos partículas con el mismo momento, la de mayor carga eléctrica tendrá menor rigidez

La relación entre rigidez (R), campo magnético (B) y radio de curvatura (r) es muy simple: R=Br. Como el Detector de Trazas mide el radio curvatura, podemos obtener directamente la correspondiente rigidez. Si además medimos su carga eléctrica Z, podemos también calcular su momento.

En la vida real, el cálculo de la rigidez no es tan simple. Hay que tener en cuenta las no uniformidades del campo magnético, las colisiones de las partículas en el material del espectrómetro AMS, los materiales pasivos y muchos otros factores. En particular, para evitar distorsiones no deseadas los materiales del Detector de Trazas y su estructura soporte se han hecho tan ligeros como ha sido posible.

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¿Cómo funciona el Detector de Trazas?

El Detector de Trazas de Silicio mide con gran precisión (10 µm = 1/100 mm) 8 puntos diferentes sobre la trayectoria de la partícula. El radio que mejor se ajusta a una trayectoria circular que pase por los 8 puntos es el radio de curvatura de la partícula.

Cuando tenemos partículas con muy alta rigidez, la curvatura se determina con bastante imprecisión y decimos que la partícula está cerca de la Rigidez Máxima Detectable (MDR). Para AMS, la MDR es de aproximadamente 2.2 TV, un valor muy alto comparado con experimentos similares.

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The Si Sensor Measurement Principle

Las Micro-Bandas de Silicio de doble cara y el principio de medida de la posición.

¿Cómo miden la posición los Sensores de Silicio?

Los elementos básicos del Detector de Trazas de AMS son las Micro-Bandas de Silicio de doble cara. Estos sensores consisten en un sustrato de con una capa de 300 μm de grosor de silicio de alta pureza. En ambos lados del sustrato hay pequeñas bandas de aluminio dispuestas en dirección ortogonal (la distancia típica entre bandas es de µm).

Cuando una partícula cargada atraviesa el sustrato de silicio se crean aproximadamente 24 000 pares de electrones y huecos. En un intervalo de unos 10 ns (10-9 s) estas cargas derivan en direcciones opuestas debido a un campo eléctrico (80 V) aplicado entre ambos lados. Sólo las bandas cercanas a las cargas que migran originan una señal. El centro de gravedad de estas cargas proporciona una medida de la posición con una resolución de 10 µm y la suma de las señales eléctricas sobre las bandas es proporcional al cuadrado de la carga de la partícula incidente.

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¿Cómo está hecho el Detector de Trazas?

Con un area sensible de 6.2 m2, el STD de AMS es el mayor detector de trazas de precisión jamás construido para operar en el espacio. Está compuesto de 2264 sensores de silicio de doble cara (72×41 mm2, 300 µm de grosor) ensamblados en 192 unidades de lectura, denominadas escaleras, con un total de 200 000 canales de lectura. Para mantener la cantidad de información proporcionada para un suceso dentro de un límite manejable, se realiza una primera supresión de señales durante el procesado on-line de los datos del Detector de Trazas mediante unas tarjetas de electrónica denominadas TDR (Tracker Data Reduction). La electrónica necesaria para la lectura se caracteriza por un consumo de potencia muy bajo (unos 0.7 mW por canal), bajo nivel de ruido y un gran rango dinámico. El elevado número de canales del STD genera unos 200 W de calor que debe ser disipado. Para ello, el STD dispone de un sistema térmico propio: el TTCS (Tracker Thermal Control System).

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Con mayor detalle: El Sistema de Control Térmico del Detector de Trazas (TTCS)

Los 200 000 canales electrónicos del STD generan unos 200 W de calor que debe ser disipado. En el espacio no hay atmósfera y no podemos utilizar ventiladores para enfriarlos. La mejor manera de enfriar un objeto en el espacio es transferir su energía térmica a un radiador. AMS tiene grandes radiadores situados a ambos lados del experimento capaces de radiar mas de 2000 W.

El acoplo entre el Detector de Trazas y los radiadores principales de AMS se realize mediante el TTCS. La electrónica frontal del STD está conectada mediante barras térmicas a unos circuitos de enfriamiento llenados con CO2 líquido a alta presión. El CO₂ absorbe el calor realizando una transición de fase de líquido a gas. Los tubos del circuito están conectados térmicamente a los radiadores de modo que el detector se enfría haciendo que el CO₂ vuelva a su fase líquida. El TTCS es capaz de crear un entorno térmicamente estable proporcionando el flujo necesario de CO₂ a los circuitos de enfriamiento.

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Para saber más:

» El grupo de AMS – INFN Perugia

» El grupo de AMS – Universidad de Geneva

» El grupo de AMS – NLR TTCS

» Antimateria (Wikipedia)

» Enfriamiento para una transición de fase (Wikipedia)