תא פרופורציונלי רב-חוטי

תא פרופורציונלי רב-חוטי או תא פר"ח (באנגלית: MWPC - Multi-Wire Proportional Chamber או Wire Chamber) הוא סוג של גלאי חלקיקים בעזרתו ניתן למצוא את המיקום והמסלול של חלקיקים טעונים ופוטונים העוברים דרכו. התא מורכב מרשת של חוטי חשמל הנמצאים תחת מתח גבוה (האנודה), הנמצאת בתא בעל דפנות מוליכות אשר משמשות כהארקה (הקתודה). במקרים אחרים, רשת חוטי החשמל יכולה לשמש כהארקה כאשר דפנות התיבה יימצאו תחת מתח גבוה. כאשר המטרה היא השגת שדה חשמלי אחיד, אשר ימשוך את האלקטרונים והיונים השליליים כלפי האנודה. התא מכיל בתוכו תערובת גזים ביחסים מדודים וקבועים, הגורמת לכך שכל חלקיק בעל מטען חשמלי יינן את הגז הסובב אותו. היונים והאלקטרונים החופשיים אשר נפלטים בתהליך, מואצים על ידי השדה החשמלי, מה שגורם לרצף יינון, הנקרא מפל טאונסנד. האלקטרונים החופשיים שנוצרים בעקבות כך, תחת השפעת השדה החשמלי, מואצים לתיל הקרוב, וגורמים לשינוי בזרם, אשר גודלו תלוי ופרופורציונלי (ומכאן השם) למטען החלקיק העובר בגז. על ידי מיפוי האותות מכל רשת התיל, ניתן לגלות את מסלול תנועת החלקיק. תוספות לעיצוב הבסיסי יוצרות גלאים ממוקדים ומדויקים יותר, כגון תא הסחף (Drift chamber), ותא הקרנת זמן (Time Projection chamber). תערובות הגזים הטיפוסיות בתא הן: ארגון 66%~ איזובוטאן 33%~ פראון 0.5%~ חומרים נוספים הנעשה בהם שימוש בתאים פרופורציונליים הוא: קסנון נוזלי טטרהמטילסילן נוזלי או אדי טטרהקיסאטילן בשנת 1968 המציא ופיתח ז'ורז' שרפק, בהיותו בארגון האירופי לחקר הגרעין (באנגלית: CERN) את התא הפרופורציונלי הרב-חוטי. המצאה זו הביאה לכך שזכה בפרס נובל לפיזיקה בשנת 1992. התא עקף את קצב הגילוי של תא הבועות שהיווה חלקיק אחד או שניים בכל שנייה, ל־1000 חלקיקים בכל שנייה. התא הפרופוציונלי הרב-חוטי הפיק אותות אלקטרוניים מאיתור חלקיקים המאפשר למדענים לבדוק נתונים באמצעות מחשבים. תא רב החוטים הוא פיתוח של תא הניצוץ. לניסויים בפיזיקת חלקיקים, התא הפרופורציונלי הרב חוטי משמש לתצפית מסלול החלקיק. במשך זמן רב שימש תא הבועות למטרה זו, אך עם שיפור האלקטרוניקה, היו חייבים לייצר גלאי עם קריאה אלקטרונית מהירה (בתאי בועות, בוצעו ונבדקו התצלומים המודפסים שהתקבלו). תא פרופורציונלי רב חוטי, הוא תא עם חוטים מקבילים רבים, המסודרים כרשת ומחוברים למתח גבוה, כאשר מעטפת המתכת נמצאת על פוטנציאל קרקע. כמו במונה גייגר, חלקיק משאיר עקבות של יונים ואלקטרונים, הנסחפים לעבר המקרה או אל החוט הקרוב, בהתאמה. על ידי סימון החוטים עם הזרם, ניתן לראות את מסלול החלקיק. התפתחות התא אפשרה למדענים לחקור את מסלולי החלקיקים בדיוק רב יותר, ולראשונה להתבונן ולבחון את האינטראקציות הנדירות יותר המתרחשות באינטראקציה בין החלקיקים. מדידה מדויקת של זמני האותות המתקבלים מן התא הפרופורציונלי, ולקיחה בחשבון את זמן תנועת האלקטרונים לתיל, תאפשר לחשב את מרחק החלקיק הטעון מן התיל. בכך ניתן להגדיל בצורה משמעותית את דיוק חישוב מסלולו של החלקיק, ועל עיקרון זה מתבססת פעולתו של תא הסחף. משום כך עיצובו זהה לעיצוב התא הפרופורצונלי, למעט המרחק בין חוטי החשמל, אשר גדול יותר בתא הסחף. בפעולתו, תא הסחף מאפס את האיבוד באנרגיה הנגרם מהתנגשויות של החלקיקים עם חלקיקי הגז, על ידי האצת החלקיקים באמצעות שדה חשמלי אנרגטי. שני תאי סחף הממוקמים בניצב אחד לשני, שניהם ממוקמים בניצב לקרן החלקיקים הנכנסים אליהם, מאפשרים גילוי מדויק יותר של מיקום החלקיק הטעון. הוספת חיישן מרחק נוסף, אשר יגיב לחלקיקים טעונים, תאפשר את מציאת המיקום התלת-ממדי של החלקיק. במקרה זה גם מהירות החלקיק יכולה להיות מחושבת, על ידי הפרש הזמן במעבר החלקיק בחלקי הגלאי השונים. מבנה זה למעשה הוא תא הקרנת זמן (באנגלית: TPC - Time Projection Chamber). גלאי חלקיקים F. Sauli, Principles of operation of multiwire proportional and drift chambers, 1977 Dr. C. N. Booth, Gaseous Detectors, https://www.sheffield.ac.uk/ (באנגלית) מיולר ריצ'רד, דרנזו סטיבן, סמאג'ה גרארד, סמיט דניס, סמיטס רוברט, זקלד חיים, LIQUID XENON-FILLED WIRE CHAMBER, Physical Review Letters, 1971, עמ' 388 - 402 Milestones:CERN Experimental Instrumentation, 1968 – ETHW, ethw.org (באנגלית) Guildford, Physics, www.ph.surrey.ac.uk, ‏2012-02-28 (באנגלית) Frank Close, Michael Marten, Christine Sutton, The Particle Odyssey : A Journey to the Heart of the Matter: A Journey to the Heart of the Matter, Oxford University Press, USA, 2002-07-25, ISBN 978-0-19-152307-6. (באנגלית)