Les détecteurs

Cargèse – 25 au 31 mars 2007
Ecole des techniques de base
des détecteurs
Pascal Vincent
Université Pierre et Marie Curie
LPNHE, Paris
Pascal Vincent – LPNHE
Cargèse – 25 au 31 mars 2007
1
Les systèmes de détection
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Types de détecteurs
●
On peut les classer suivant :
–
L’interaction
–
Le milieu détecteur
–
La fonction attendue pour la physique
(mesure de grandeurs physiques)
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Suivant la fonction
Identification :
La position :
Imageurs Cherenkov
Les scintillateurs
Les chambres d’ionisation
Compteurs proportionnels
Systèmes
Chambres à dérive
Les dét. à radiation de transition Comptage :
Les Geiger Muller
Chambre a décharges
Compteurs Cherenkov
Les émulsions nucléaires
Les scintillateurs
Les semi-conducteurs
photomultiplicateurs
Energie et impulsion :
Les scintillateurs
photomultiplicateurs
Les semi-conducteurs
bolomètres
Détecteurs Cherenkov
Calorimètres et spectromètres (champs magnétiques)
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Mesure de la position
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Chambre d'ionisation
∆E = ∫
Ionisation d’un milieu gazeux :
x + dx
x
dE
−
dx
dx
Sur une distance de détecteur dx une particule chargée perdra une énergie ∆E.
( cette particule ionise le milieu et le nombre moyen de charges positives et
négatives créées dépend du potentiel d’ionisation W caractéristique du milieu :
-
-
+
-
-
Gaz
Anode
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-
+
-
+
-
+
-
∆E
no =
W
+
+
+
+
Cathode
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⇒ Q = −eno
Gaz
W (eV)
Air
35,0
Argon
26,6
BF3
33,8
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Mesure de la position dans une
chambre proportionnelle
Particule
Chargée
Anode
Cathode
++---+++
-- +++--Anode
rc
ra
R
Signal
+U0
Cathode
Mesure
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Mesure de la position dans une
chambre proportionnelle
• Contrairement aux chambres d’ionisations, le champs
électrique dans la chambre n’est pas constant.
Particule
Chargée
++---+++
- - + +r + - - 0
ra
1
E (r ) ∝ U 0 ⋅
r
ri
Signal
R
+U0
• Aux voisinages de l’anode le champs diverge. La particule
est fortement accélérée. Elle gagne de l’énergie.
1
ma = F = q E ⇒ F (r ) ∝
r
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r
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Mesure de la position dans une
chambre proportionnelle
Q = −e ⋅ n0 ⋅ A
∝E
Le facteur A est le facteur de multiplication de la chambre.
Une formule empirique est donnée par la relation :


ln 2  
V
V
 ⇒
ln A =
ln
ln
−
K



ln(ra ri ) ∆V   pri ln(ra ri ) 

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A ∝ eV
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Mode d’avalanche
• Lorsque la tension augmente l’avalanche se développe dans
tout le volume de la chambre : mode Geiger-Muller
• La charge collectée ne dépend plus de l’énergie de la
particule incidente. Le mode Geiger-Muller permet un
comptage des particules.
• Un mode déclenché permet de retrouver cette
proportionnalité (chambre à dard « streamed chamber »).
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Détecteurs à gaz
Les différents modes de
fonctionnement d’une
chambre à gaz en
fonction de la tension
appliquée
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Evolution des chambres
Compteur
proportionnel
1 points dans l’espace
« n » points
Chambre multi-fils proportionnel : MWPC
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Chambre multi-fils
meilleur résolution spatiale :
méthode de reconstruction
barycentrique.
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Détecteurs à gaz
Les chambres à
étincelles
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La chambre à projection temporelle
Chambre à projection
temporelle de l’expérience
DELPHI du CERN
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Détecteurs solides
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Ionisation et excitation
Gaz rares : ionisation assurée mais potentiel important.
Solides : plus de niveaux, potentiel d’ionisation + faible.
Bande de
conduction :
électrons
mobiles
Gaz
}
~20 eV
}
Solides
libres
occupés
Isolant
{
{
~6eV
Bande de
valence:
électrons lies
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½-cond
conducteur
~1eV
σ
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Les semi-conducteurs
Dopage N: donneur
en charges négatives
- - - +
migration des
charges négatives
+
+ +
+
- - - +
+
+
+ +
Eint
+ +
Dopage P: receveur de
charges négatives
Application d’un champ
externe : création
d’une zone déplété
- - -+ + + +
N
P
Eext
-- - - ++ + +
- - - -
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+
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-
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Principe d’une jonction
Anode
+
Une Particule chargée ionise le milieu
déplété.
Les charges négatives sont collectées
par l’anode et produisent un signal
détectable.
+
P-
-
+
-
-
+
- Détecteur rapide et de bonne
résolution spatiale.
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-
+
- +
+
+
+
N
+
Eext
- - -
+ +
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+
+
-
Cathode
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Micro vertex
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Détermination de la charge
et de l’impulsion
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Détermination de la charge et
l’impulsion
• Il faut reconstruire la trajectoire de la particule dans
un champ magnétique :
r
F
r
r r
r
r
V2 r
+q
F = ma = m
i = qV ∧ B
B
R
r
mv P
V
⇒R=
=
qB qB
-q
• La courbure de la trajectoire donne une mesure de
l’impulsion
• Les sens de la courbure détermine le signe et de
charge
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Mesure de l’énergie
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Gerbes électromagnétiques
À haute énergie (GeV), les électrons perdent leurs énergies presque exclusivement
par rayonnement de freinage et les photons perdent les leurs par production de
paire. Le seuil correspond à l’énergie critique définit par :
(dE dx )rad
(dE dx )ion
~1
La combinaison de ces deux effets résulte en la formation d’une gerbe
électromagnétique quand un électron ou un photon entre dans un milieu dense.
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t
e
s
n
o
r
t
c
e
l
E
s
n
o
t
o
h
p
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Gerbes hadroniques
Milieu absorbeur
Composante
électromagnétique
)
…
s
n
o
r
t
u
e
n
,
s
n
o
i
,
s
n
o
t
o
r
p
(
s
n
o
r
d
a
H
Ion
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Composante
hadronique
25
Détecteurs homogènes
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Détecteurs à échantillonnage
Absorbeur
Plomb, Tungstène,
Uranium
Particule
incidente
Détecteur
scintillateur,
silicium, liquide
noble
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Identification des particules
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Compteur Cherenkov à seuil
Il donne un signal seulement pour les particules dont β > βth
Il sont utilises, par exemple, pour identifier un certain type de particule dans
un faisceau mixte
Dans le cas d'un milieu gazeux, l'indice de reflection et donc le seuil peut
être ajuster par control de la pression :
n = n0 . (P/P0)
PM
p, π+,
e+
exemples :
milieu
eau
hélium
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indice
1.33
1+4.3.10-5
ρ
1.52
0.123
p(938)
1.4 GeV
115 GeV
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π(139)
211 MeV
17. GeV
e(0.511)
776 keV
62.8 MeV
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Compteur Cherenkov différentiel
L'utilisation d'un miroir permet de sélectionner un intervalle en β (ce qui
correspond, pour une impulsion donnée à un intervalle de masse).
L’angle d’émission de la lumière Cherenkov augmente avec l’énergie du
faisceau.
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VD
TPC
1 trace + ECAL>>HCAL
ECAL
HCAL
Ch µ
1 trace + ECAL
<<HCAL(Ch µ)
e+, eα, p, K±
ECAL<<HCAL(Ch µ)
n, K0L
ECAL
γ
µ-
Energie manquante
dirigée vers une partie
instrumenté
ν
r
B
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1 trace(+ECAL+HCAL)+Chµ
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Reconstruction de vertex
• Z0 ¬ µ+ µi
f
ECM
= ECM
r
r
2
− m? = Pµ + + Pµ −
(
(
) − (E
2
µ+
m?2 = 4 Eµ2 = 4 Pµ2 + mµ2
)
+ Eµ −
)
2
0
Z
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Détecteur 4π
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