ドリフトチェンバー

ドリフトチェンバーとは

ドリフトチェンバー（Drift Chamber）は、主に素粒子や原子核物理学における実験で用いられる位置検出器です。この装置は、荷電粒子の挙動を正確に追跡し、実験データの収集において重要な役割を果たします。

構造と原理

ドリフトチェンバーは、ガスを封入するための箱（チェンバー）の内部に、数多くのワイヤーを張り巡らせた構造を持っています。主に使用されるガスは、ヘリウムやアルゴンなどの単原子分子の希ガスであり、時としてエタンやメタンなどの多原子分子と混合されます。

ワイヤーは陽極と陰極に分かれて配置され、特定の区間では急峻な電場勾配が形成されています。荷電粒子がこのガスを通過する際、希ガスの分子が電離され、陽イオンと電子に分かれます。その結果、電子は陽極に向かい、陽イオンは陰極に向かって移動（ドリフト）します。

ドリフト速度はガスの種類や圧力によって異なりますが、約5 cm/μs程度です。また、陽極に近づくにつれて電場勾配が強くなるため、ドリフトした電子は電子雪崩現象により増幅され、多くの電子が陽極に達します。これによって、特定のセルの陽極に電気パルスとしてシグナルが生じるため、荷電粒子がそのセルを通過したことが明らかになります。さらに、パルスの時間を分析することで、粒子が通過した正確な位置が計算されます。高速の荷電粒子の場合、複数のセルを同時に通過することも可能で、飛跡を同時に把握することができます。

使用されるワイヤー

ワイヤーの直径は、陽極が10μmから20μm程度に設定され、強度を確保するためにレニウムを混ぜたタングステンワイヤーが用いられます。対して陰極を構成するワイヤーは100μm程度と太く、主にアルミやベリリウムと銅の合金が使われます。

電荷の誘起は非常に微小（約1 pC）なため、電気抵抗を低減する目的で、陽極と陰極ワイヤーは金メッキされています。また、感度を高めるために、増幅器には高感度のものが用いられます。

実験での役割

実験においては、ドリフトチェンバーよりも時間分解能に優れた検出器が併用されることが一般的で、これによりドリフト時間のスタート時刻（タイム・ゼロ）が決定されます。素粒子や原子核実験では、プラスティック・シンチレータが使われ、タイム・ゼロの測定精度は100 psのオーダーに達します。

サイズと設計

ドリフトチェンバーは、必要に応じて異なるサイズで設計されます。例えば、高エネルギー加速器研究機構で行われたトリスタン実験用のドリフトチェンバーは直径3m、長さ10mの規模でした。一方、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）実験用のものは直径6m、長さ15mに達することもあります。これらの装置は、複雑な物理現象を研究するために不可欠な技術であり、未来の素粒子物理学の発展に貢献しています。

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