El TRD


TRD Integration

El TRD integrado en la parte superior de AMS-02.

El Detector de Transición de Radiación (TRD) es un subdetector de AMS-02 y su objetivo es la identificación de partículas a partir de los rayos X que emiten al atravesar diferentes medios.

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¿Para qué necesitamos el TRD?

Para muchos detectors, las partículas de muy alta energía tienen un aspecto similar. Según la Teoría Especial de la Relatividad una partícula no puede superar la velocidad de la luz de modo es muy difícil distinguir entre sus masas y si tienen energías cinéticas superiores a ellas en muchos órdenes de magnitud. Por ejemplo, para energías de 200 mil millones de electrón-voltios (200 GeV) los protones, con una masa de 940 millones de electrón-voltios (MeV), los electrones (con una masa de 0.5 MeV) y los piones y muones (con masas de aproximadamente 100 MeV) parecerán lo mismo. Tendrán momentos parecidos de modo que sus curvaturas en el campo magnético serán casi iguales y el Detector de Trazas no puede distinguirlos. Tampoco pueden separarlos el ToF y el RICH porque viajan a una velocidad muy próxima a la velocidad de la luz. El TRD, sin embargo, es sensible a la cantidad γ = E/m; esto es, al cociente entre la energía y la masa. Esta cantidad es muy diferente para electrones y protones de modo que el TRD los distingue. Esto es importante, en particular, para la búsqueda de materia oscura ya que tenemos que buscar antielectrones (positrones) y tenemos que diferenciarlos de los protones. Si sistemáticamente confundiésemos protones y positrones no podríamos realizar esta búsqueda. Esta cuestión es tan importante que, para conseguir la mejor separación posible entre protones y positrones a alta energía, junto al TRD se ha incluido en AMS-02 otro detector especializado: el calorímetro electromagnético (ECAL).

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The TRD measurement principle

El principio de funcionamiento del TRD.

¿Cómo funciona el TRD?

A altas energías, el TRD es capaz de distinguir entre un electrón y un protón: al atravesar el TRD, un electrón de alta energía emitirá rayos X y un protón no. Estos rayos X se producen cuando la partícula atraviesa un medio compuesto por varias capas (aproximadamente 100) caracterizadas por un índice de refracción diferente: en nuestro caso, formadas por plástico y vacío.

Los rayos X atraviesan este entramado e ionizan una mezcla de gas formada por Xenón y CO₂. El gas ionizado origina una avalancha de ionización cerca de un filamento a alta tensión y el cambio brusco de la tensión induce una señal eléctrica se que puede detectar en el extremo del hilo. La contribución de los rayos X a la señal de ionización se suma a la ionización originada por la propia partícula cargada al atravesar el gas. Sólo los electrones y los positrones dan lugar a esta contribución adicional a la ionización; las partículas pesadas como el protón no.

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TRD Gas

El sistema de gas del TRD donde se muestran los tanques de Xenón y CO₂.

¿Cómo se ha construido el TRD?

El TRD de AMS-02 está situado encima del tanque de vacío del imán y esta constituido por 328 módulos con 16 tubos cada uno. Los módulos están dispuestos en 20 capas y están sostenidos por un soporte octogonal hecho de un entramado con paredes aluminio conforma de panel de abeja recubierto con fibra de carbono. Cada módulo contiene:

1) 20 mm de material radiador (fibras de polipropileno/poliethileno) de 0.06 g/cm³. El gran número de capas aumenta la probabilidad d eproducir rayos X.

2) 16 tubos llenos de una mezcla de Xe:CO₂ (80%:20%) y un filamento con una diferencia de potencial de 1600 V entre sus extremos. La mezcla de gas enriquecida en Xenón tiene una alta eficiencia para la conversión de los rayos X.

La construcción de los tubos es muy complicada, entre otros motivos porque tienen que ser herméticos en el vacío. Hay aproximadamente 10 000 elementos que deben ser unidos con pegamento y deben funcionar durante muchos años en el espacio sin fugas ni roturas.

Para que el TRD funcione correctamente, la mezcla de Xe:CO₂ debe ser realizada con gran cuidado: un 80% Xenón con una precisión mejor que el 1%, sin contaminaciones (por ejemplo, con menos de 1 parte por millón de fluoro-carbonos u oxígeno), sin pérdidas de gas y con una monitorización constante de la presión.

Para mantener el detector lleno de gas limpio, AMS dispone de un sistema de recirculación de gas. Una cantidad adicional de 100 lbs de Xe y 5 de CO₂ almacenados en botellas ligeras acompaña al TRD en el espacio. Una red de válvulas y medidores de presión permiten inyectar una mezcla de Xe-CO2 al 80% y 20% a un ritmo de 7 litros al día en el volumen de 300 litros del detector. Dentro del TRD, el gas se bombea en un circuito cerrado que contiene bombas, válvulas y analizadores de CO₂ para monitorizar continuamente sus propiedades.

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Para saber más:

» La Pagina de ECAL

» AMS ACC-TRD-TAS Home Page (Aachen)

» Transición de Radiación (Wikipedia)