Cámara de alambre

Una cámara de alambre o cámara proporcional multihilo es un tipo de contador proporcional que detecta partículas cargadas y fotones y puede proporcionar información posicional sobre su trayectoria, ^{[ 1 ]} al rastrear las estelas de ionización gaseosa. ^{[ 2 ]} Esta técnica supuso una mejora con respecto al método de detección de partículas mediante cámara de burbujas , que utilizaba técnicas fotográficas, ya que permitía que la electrónica de alta velocidad rastreara la trayectoria de las partículas.

La cámara multihilo utiliza una matriz de cables anódicos , con un voltaje CC positivo , que atraviesan una cámara con paredes conductoras mantenidas a un potencial menor, que es el cátodo . La cámara se llena con un gas, como una mezcla de argón y metano, de modo que cualquier partícula ionizante que pase por el tubo ionizará los átomos gaseosos circundantes y producirá pares de iones, compuestos por iones positivos y electrones. Estos son acelerados por el campo eléctrico a través de la cámara, lo que impide la recombinación; los electrones se aceleran hacia el ánodo y los iones positivos hacia el cátodo. En el ánodo se produce un fenómeno conocido como avalancha de Townsend . Esto da como resultado un flujo de corriente medible para cada evento ionizante original, que es proporcional a la energía de ionización depositada por la partícula detectada. Al medir por separado los pulsos de corriente de cada cable, se puede determinar la trayectoria de la partícula. Adaptaciones de este diseño básico son las cámaras de espacio delgado, de placa resistiva y de deriva . La cámara de deriva también se puede subdividir en rangos de uso específico en los diseños de cámara conocidos como proyección de tiempo , gas de microbanda y aquellos tipos de detectores que utilizan silicio. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

En 1968, Georges Charpak , mientras trabajaba en la Organización Europea para la Investigación Nuclear ( CERN ), inventó y desarrolló la cámara proporcional multihilo ( MWPC ). Este invento le valió el Premio Nobel de Física en 1992. La cámara representó un avance con respecto a la anterior cámara de burbujas, que detectaba solo una o dos partículas por segundo, hasta alcanzar las 1000 detecciones de partículas por segundo. La MWPC generaba señales electrónicas a partir de la detección de partículas, lo que permitía a los científicos analizar los datos mediante ordenadores. ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]} La cámara multihilo es un desarrollo de la cámara de chispas . ^{[ 8 ]}

En un experimento típico, la cámara contiene una mezcla de estos gases: ^{[ 2 ]}

• argón ( aproximadamente 2/3 )​​​
• isobutano ( un poco menos de 1/3 )
• freón (0,5%)

La cámara también podría llenarse con:

• xenón líquido ; ^{[ 9 ]}
• tetrametilsilano líquido ; ^{[ 10 ]} o
• vapor de tetrakis(dimetilamino)etileno (TMAE). ^{[ 11 ]}

En experimentos de física de altas energías , se utiliza para observar la trayectoria de una partícula. Durante mucho tiempo, se emplearon cámaras de burbujas para este fin, pero con el avance de la electrónica , se hizo necesario contar con un detector con lectura electrónica rápida. (En las cámaras de burbujas, se realizaban exposiciones fotográficas y posteriormente se examinaban las fotografías impresas resultantes ). Una cámara de alambre es una cámara con muchos alambres paralelos, dispuestos en forma de rejilla y sometidos a alto voltaje, con la carcasa metálica conectada a tierra. Al igual que en el contador Geiger , una partícula deja un rastro de iones y electrones, que se desplazan hacia la carcasa o el alambre más cercano , respectivamente. Al marcar los alambres que recibieron un pulso de corriente, se puede observar la trayectoria de la partícula.

La cámara tiene una muy buena resolución temporal relativa, buena precisión posicional y funcionamiento autoactivado (Ferbel 1977). ^{[ 12 ]}

El desarrollo de la cámara permitió a los científicos estudiar las trayectorias de las partículas con una precisión mucho mayor, y también, por primera vez, observar y estudiar las interacciones más raras que se producen a través de la interacción de partículas.

Si además se mide con precisión la sincronización de los pulsos de corriente de los cables y se tiene en cuenta que los iones necesitan cierto tiempo para desplazarse hasta el cable más cercano, se puede inferir la distancia a la que la partícula pasó por el cable. Esto aumenta considerablemente la precisión de la reconstrucción de la trayectoria y se conoce como cámara de deriva .

Una cámara de deriva funciona equilibrando la pérdida de energía de las partículas causada por los impactos con partículas de gas con la acumulación de energía creada mediante campos eléctricos de alta energía utilizados para provocar la aceleración de las partículas. ^{[ 13 ]} El diseño es similar al de la cámara proporcional de múltiples hilos, pero con una mayor distancia entre los hilos de la capa central. ^{[ 8 ]} La detección de partículas cargadas dentro de la cámara es posible gracias a la ionización de las partículas de gas debido al movimiento de la partícula cargada. ^{[ 14 ]}

El detector CDF II de Fermilab contiene una cámara de deriva llamada Central Outer Tracker . ^{[ 15 ]} La cámara contiene gas argón y etano, y cables separados por espacios de 3,56 milímetros. ^{[ 16 ]}

Si se utilizan dos cámaras de deriva con los hilos de una ortogonales a los de la otra, ambos ortogonales a la dirección del haz, se obtiene una detección más precisa de la posición. Si se utiliza un detector simple adicional (como el que se usa en un contador de veto) para detectar, con una resolución posicional baja o nula, la partícula a una distancia fija antes o después de los hilos, se puede realizar una reconstrucción tridimensional y deducir la velocidad de la partícula a partir de la diferencia de tiempo de paso de la partícula en las diferentes partes del detector. Esta configuración nos da un detector llamado cámara de proyección de tiempo ( TPC ).

Para medir la velocidad de los electrones en un gas ( velocidad de deriva ) existen cámaras de deriva especiales, llamadas cámaras de deriva de velocidad , que miden el tiempo de deriva para una ubicación de ionización conocida.

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  Vista en sección transversal que muestra el interior de una cámara de deriva.
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  Cámara de deriva en el Musée des Arts et Métiers de París

• Cámara de burbujas
• Detector de ionización gaseosa
• Detector de gases con micropatrones
• Detector de partículas
• Cámara de Wilson

• Conferencia de Heidelberg sobre cámaras de ionización para investigación.