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AMS-02 Übergangsstrahlungsdetektor (TRD)

Dr. Thorsten Siedenburg, Dr. Thomas Kirn

AMS TRD 3D-Modell

Kosmische Strahlung stammt nach aktuellem Verständnis von Supernovae und ihren Überresten, Pulsaren, Sternenwinden und Binärsystemen. Kosmische Strahlung ist dominiert durch Protonen. Um Positronspektren mit hoher Genauigkeit zu messen, ist eine sehr gute Proton-Positron-Trennung notwendig. Die Protonenunterdrückung muss bis zu Energien von 300 GeV ein Niveau von 1.000.000 erreichen. In AMS-02 wird dies durch die Kombination eines elektromagnetischen Kalorimeters mit einer Protonenunterdrückung von 1000 bis 10000, und eines Übergangsstrahlungsdetektors (TRD) mit einer Protonenunterdrückung von 100 bis über 10000 abhängig vom Teilchenimpuls erreicht.

AMS-01 Teilchenspektren
TRD Modulkonzept

Übergangsstrahlungsphotonen (Transition Radiation, TR) sind weiche Röntgenstrahlen mit einem spektralen Maximum um 5 keV. TR-Photonen entstehen mit einer niedrigen Wahrscheinlichkeit in der Größenordnung , wenn ein geladenes Teilchen (mit Energie E und Masse m) eine Grenzfläche mit verschiedenen Dielektrizitätskonstanten durchquert, solange das Photon einen relativistischen Lorentzfaktor von etwa 500 oder mehr hat. Die Photonen werden kollinear zur Teilchenbahn emittiert. Damit können primäre Protonen von bis zu 300 GeV von Positronen mit demselben Impuls in einem geeigneten Detektor getrennt werden, indem sowohl das Ionisationssignal des Primärteilchens als auch die TR-Photonen nach einem Radiator mit einer großen Anzahl Übergänge aufgezeichnet werden.

Der AMS-TRD besteht aus 20 Lagen Modulen und unregelmäßigem Fleeceradiator mit insgesmat 328 Modulen (mit jeweils 16 Röhrchen). Die Stützstruktur besteht aus einem oktagonalen Kegelstumpf aus CFC-Aluminium-Wabenmaterial und ist durch eine obere und untere Wabenplatte abgeschlossen. Das Gas ist eine 80:20-Mischung aus Xenon und CO₂. Die Rohrmodule werden im Proportionalmodus mit einem Gasverstärkungsfaktor von 3000 betrieben. Die Signale werden von VA-chips ausgelesen. Der Detektor wurde an der RWTH Aachen gebaut mit Beiträgen von MIT (Gassystem), INFN Rom (Slow Control) und KIT Karlsruhe (DAQ).

AMS-02 TRD während des Baus
AMS-02 TRD während der Detektorintegration

Die Leistung des TRDs wurde durch behutsame Anpassung der Betriebsparameter optimiert. Er befindet sich seit nunmehr weit über zehn Jahren im Dauerbetrieb auf der ISS. Die Protonunterdrückung im Rigiditätsbereich von 10-100 GeV liegt dabei weit über 10000:

Bibliography

  1. Ph. v. Doetinchem et al., „Performance of the AMS-02 Transition Radiation Detector“, Nucl. Instrum. Meth. (2006) A558, 526-535 (astro-ph/0608641).