شمارنده های (Straw) در ردیابی ذرات پرانرژی

به نام خدا

مقدمه: 

شمارنده های Straw نوعی از شمارنده های تناسبی هستند که به طور گسترده در فیزیک انرژی بالا برای ردیابی ذرات باردار (مانند الکترون ها یا ذرات آلفا) استفاده می شوند. این شمارنده ها به دلیل ساختار سبک، هزینه تولید پایین و عملکرد دقیق، به ویژه در آزمایش های فیزیک ذرات و آشکارسازهای بزرگمقیاس مانند (LHC) کاربرد دارند.

الف-ساختار و اجزای اصلی:

1-تیوپ (Straw):

از یک لوله نازک (معمولا با قطر ۴ تا ۱۰ میلی متر و طول چند سانتیمتر تا چند متر) تشکیل شده است.

دیواره تیوپ: از فویل های فلزی (مانند آلومینیوم یا مسی) ساخته می شود که با فرایند پیچاندن به شکل استوانه ای خودپشتیبان (شبیه نی نوشابه/(Soda Straw) درمی آید.

ماده چسبناک: برای اتصال فویل ها به یکدیگر و ایجاد ساختار پایدار استفاده می شود.

2- سیم آند:

یک سیم نازک (قطر ~۳۰ میکرون) از جنس تنگستن یا طلا در مرکز تیوپ قرار می گیرد.

این سیم نقش الکترود مثبت را ایفا می کند و میدان الکتریکی بین سیم و دیواره فلزی ایجاد می شود.

3- گاز تناسبی:

تیوپ با گازی مانند آرگون-متان پر می شود.

ذرات باردار با یونیزه کردن گاز، سیگنال الکتریکی تولید می کنند که توسط سیم آند جمع آوری می گردد.

ب-فرایند ساخت:

1. پیچاندن فویل فلزی:

فویل فلزی به دور یک قالب استوانه ای پیچیده می شود و با چسب مخصوص ثابت می گردد.

این روش، ساختار سبک و مقاوم را بدون نیاز به پشتیبانی خارجی فراهم می کند.

۲. نصب سیم آند:

سیم آند با دقت در مرکز تیوپ قرار می گیرد تا میدان الکتریکی یکنواختی ایجاد شود.

۳. آرایه سازی:

تعداد زیادی از تیوپ ها به صورت موازی در کنار هم قرار می گیرند تا یک آرایه ردیابی با قدرت تفکیک فضایی بالا تشکیل دهند.

ساختار دیواره لوله آشکارساز تشعشع انتقال (سمت چپ)، فرآیند ساخت لوله (بالا سمت راست) و عکسی از لوله تمام شده با نخ فیبر کربن چسبانده شده در امتداد محور لوله.

The structure of the wall of the Transition Radiation Detector tube (left), the process of making the tube (top right) and a photograph of the finished tube with a carbon fiber thread glued along the tube axis.

ج-مزایای کلیدی:

1. دیواره نازک:

کاهش افت انرژی ذرات هنگام عبور از دیواره تیوپ (به دلیل ضخامت کم فویل فلزی).

بهبود دقت در اندازه گیری مسیر و انرژی ذرات.

۲. هزینه ساخت پایین:

فرایند پیچاندن فویل و استفاده از مواد اولیه ارزان، تولید انبوه را مقرون به صرفه می کند.

۳. انعطاف پذیری در طراحی:

امکان ساخت تیوپ ها در ابعاد مختلف (از چند سانتیمتر تا چند متر) برای کاربردهای متنوع.

۴. کنترل میدان الکتریکی:

با استفاده از چسب عایق و طراحی دقیق، اعوجاج میدان الکتریکی در انتهای تیوپ (اثر انتها) به حداقل می رسد.

د-چالش ها و راهکارها:

´اثر انتها (End Effect)

اعوجاج میدان الکتریکی در انتهای تیوپ با زوجگی مناسب و طراحی هندسی دقیق فویل ها رفع می شود. منظور از اعوجاج در این متن، انحراف یا تغییر شکل ناخواسته در میدان الکتریکی است به دلیل طراحی هندسی یا وجود اجسام (مانند دیواره های فلزی یا اتصالات)، میدان الکتریکی در برخی نقاط (به ویژه انتهای تیوپ) از حالت یکنواخت و ایده آل خارج می شود

ضریب تکثیر گاز (Gas Multiplication Factor):

یکنواختی ضریب تکثیر در طول تیوپ با کنترل فشار گاز و فاصله سیم آند از دیواره حفظ می شود.

ه-کاربردها:

آشکارسازهای ذرات: در آزمایشگاه های CERN و سایر شتاب دهنده های ذرات.

تصویربرداری پزشکی: در سیستم های ردیابی پرتوهای یونی.

صنعت هسته ای: برای نظارت بر تابش های پرانرژی

جمع بندی:

شمارنده های Straw با ترکیب سادگی ساختار، هزینه پایین و عملکرد دقیق، به یکی از ابزارهای کلیدی در فیزیک مدرن تبدیل شده اند. طراحی مبتنی بر فویل های فلزی و فرایند پیچاندن، امکان تولید انبوه و آرایه سازی کارآمد را فراهم می کند. این فناوری نه تنها در ردیابی ذرات، بلکه در حوزه های میان رشته ای مانند پزشکی و امنیت نیز کاربردهای نویدبخشی دارد.

پایان

منابع:

1.Knoll, G. F. (2010). *Radiation Detection and Measurement* (4th ed.). Wiley.

2.“Структура элементов детектора ATLAS (Внутренний детектор ATLAS).”

3.J. Marzec et al., IEEE Trans. on Nucl. Sci. NS-49(2), 548 (2002). (بهینه سازی مواد چسبناک در ساختار Straw)

دانشگاه تحصیلات تکمیلی صنعتی و فناوری پیشرفته شاهین جلیل پور