Cours5

Calorimètres
Types de calorimètres
Calorimètres homogènes
•
•
•
•
Détecteur = absorber
Très bonne résolution en énergie
Résolution spatiale moyenne
Pas de profil longitudinal
 Détection de la lumière de
Scintillatation ou Cherenkov.
 Lecture par diodes triodes APD,
PM
 L3 : BGO
 BaBar Belle CsI(Tl)
 CMS PbWO4
 Opal Verre au plomb
 NA48 LKr
Calorimètres à échantillonnage
•
•
•
•
Absorber Fe Cu Pb W etc...
Détecteur Scintillateur,fibres,
détecteurs Si, MWPC, liquides chauds
(TMP, TMS) liquide froids (Ar, Kr)
Résolution en énergie et spatiale
moyenne
Segmentation longitudinale,
identification de particules e-p
ALEPH : Plomb - MWPC
ATLAS :Accordéon Pb-Lar
KLOE : Pb-Fibres
LHCB : Shashlik
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Calorimètres homogènes
Cristaux
Liquides nobles
Z
A
Rad l (cm)
E c ( MeV)
RM (cm)
W(eV/pair)
dE/dx( MeV/cm)
w (mm/ms)
Ar
18
40
14
41.7
7.2
23.3
2.11
10
Kr
36
84
4.7
21.5
4.7
20.5
3.45
5
Xe
58
131
2.77
14.5
4.2
15.6
3.89
3
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3
Calorimètres homogènes
• L3 : BGO (Bi4Ge3O12) 11 K
cristaux, en 2 demi barrels et 2
end caps
• BaBar : CsI (Tl) 6780 cristaux, 1
baril et 1 end cap avant. 16 et
17.5 X0 en fonction de q.
 (E)
E

4
1%
 12%
.
 
E (GeV )
3mr
 2mr
E (GeV )
Calibrage par : Bhabhas, Lumière et source radioactive
(photons 6.1MeV)
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Calorimètres homogènes
• Maintenir le terme c petit :
–
–
–
–
–
–
–
Uniformité du cristal ( réponse en profondeur )
Transparence
Dimensions, géométrie ( tilt en f )
Calibration
Suivi de la calibration ( court terme et long terme vieillissement)
Contrôle de le température
Electronique, et maîtrise du bruit de fond
Cristal Ball et L3 ont montré que c’est possible
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Calorimètre à LKr NA48
Calorimètre presque homogène, pas
d’absorber, le LKr (T=120K) sert de
détecteur et radiateur.
Electrodes en léger accordéon le long
de la direction du faisceau
Résolution
: (E) 3.25% terme stochastique
x,y < 1mm
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Calorimètres à échantillonnage
ATLAS : Sandwich LAr(90K) -Plomb-Inox 1-2 mm
Détection : chambre d’ionisation 1GeV = 5 106 eGéométrie en accordéon, minimise les zones mortes !
Segmentation fine, homogénéité, résistant aux
radiations
Pre-shower
Title:
f igu res .dv i
Cre at or:
d vips k 5.5 8f Cop yrigh t 1 98 6, 19 94 Ra dica l Ey e S of tw are
Prev ie w :
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Co mmen t:
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Pos tSc rip t p rin ter, bu t n ot to
o the r ty pe s of p rin te rs.
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Détection de la lumière
Scintillateurs
Photomultiplicateurs
Jeudi 3 Décembre
Scintillateurs
 Tout matériaux qui produit une impulsion lumineuse juste après le passage d’une
particule.
 Le phénomène est lié à la luminescence : émission de la lumière après l’absorption
d’un quantum de lumière
 Scintillateurs non-organiques, essentiellement des cristaux, CsI,BGO, NaI etc..., et
organiques, solides et liquides polymérisés. Mécanismes d’émission de lumière
différents, et caractéristiques différentes.
 Scintillateurs non-organiques
– Cristaux dopés en cours de production ex: CsI(Tl) présence de centres
d’activation ou centre de couleurs, le long de la maille cristalline.
– Production de lumière: Au passage d’une particule, libération d’électrons-trous
(excitons) de la couche de valence à des niveaux d’énergie plus élevée. Les
excitons migrent à travers le cristal jusqu’au moment où ils transfèrent leur
énergie à un centre coloré, qui passe à un état excité. Désexcitation par
émission de lumière ou de phonons. Le temps de vie du niveau excité définit la
rapidité du cristal.
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Scintillateurs non-organiques
Luminescence : Structure cristalline
 Luminescence : Photons (200 - 600nm) émis par les centres colores = imperfections
de la structure cristalline, ou dopants.
–
–
–
Centres de luminescence : Capture d ’un exciton ( e-trou ) ou d’ un e de conduction et un trou
de valence. Centre excite et émission de lumière ( fluorescence )
Centre de quenching : émission de phonons
Piéges : niveaux métastables, et e trous et excitons y restent longtemps, avant d’ aller vers les
centres de luminescence ou quenching. Phosphorescence, émission retardée
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Scintillateurs non-organiques
Les scintillateurs non-organiques sont généralement lents, ~100 ns (sauf quelques
exceptions)
Ils produisent plus de lumière que les scintillateurs organiques, mais le signal
s  exp  E / kT 
dépend de la température !
( ex BGO -1.5/% par deg !)
1
Scintillateur
NaI(Tl)
CsI(Tl)
CsI
Densité (g/cm3)
3.67
4.51
4.51
X0(cm)
2.59
1.86
1.86
Photons/MeV
40000
50000
40000
BaF2
4.87
2.03
10000
BGO
PbWO4
7.13
8.28
1.13
0.89
8000
100
 et Radiations Commentaires
230
415
>=10
Fragile Hydro
1005 565
>=10
10
310
1000
36
310
0.6
220
100000
620 310
300 480
10
f(T)
440 large sp
10000
f(T)
Deux constantes de temps, une rapide et une
lente.
La résistance aux radiations dépend du cristal et
des dopants
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Scintillateurs organiques
Monocristaux, naphtalène, anthracène, ... ou plastiques Polystyrène Poly....,
ou liquides
Le mécanisme de scintillation dépend de la structure moléculaire.
Excitations du milieu scintillant au passage d’une particule. Retour à l’état
fondamentale par dissipation de chaleur et vibrations (quenching). Petite partie
de l’énergie est récupérée en lumière. ex 3.5% pour l’anthracène.
Les impuretés baissent l’efficacité.
Luminescence : Transitions électroniques
entre les différents niveaux énergétiques
des molécules
•L’état S1 revient en S0, en émettant un photon en 1
ns.
•L’état T1, longue durée de vie, revient en S0
(~ms), ou interaction avec un autre T1 et passage
en S1.
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Scintillateurs organiques
Excitation du milieu scintillant et émission de lumière UV, qui serait absorbée (
a est court). On ajoute un deuxième composant, wavelength shifter, qui absorbe
le UV et re émet à une longueur d’onde supérieure.
Scintillateurs organiques = 2(3) composants
•Temps de désintégration très court qq ns
•Moins de lumière que les cristaux
•Absorption d ’électrons et neutrons, mauvaise efficacité pour les gammas
Très utilisés en physique, calorimètres, compteurs de trigger etc....
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Collection de lumière. Guides de lumière
• Transport de la lumière jusqu’ à la face
d’entrée d’un photodétecteur.
• Emission de lumière est isotrope dans le
scintillateur.
–
La lumière dans le scintillateur est
réfléchie sur les face par réflexion
total.
n
sin qc  0
n
Avec n l’indice de milieu initial.
Fraction de lumière transmise :
Guides de lumière
La section S du scintillateur est différente
de Sp, section du photo détecteur
Guides de lumière en plastique ou air. La
lumière se propage par réflexion totale
Th. De Liouville : Fraction maximale de la
lumière transmise = Sp / S.
Guide adiabatique, cône de Winston etc...
q
1 c
1 1 2 
f
2sin qdq  1 
n 1 

4 0
2 n

si n=1.58 f=0.113
Réflecteur à la face opposée au guide
– Atténuation dans le scintillateur.
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Réflexion et Diffusion
•
Réflexion spéculaire
Réflecteurs : aluminium, aluminisation R = 70-80 %
•
Diffusion
Diffuseurs : Téflon PTFE, papier blanc, peinture etc...
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Photo détecteurs
Transformer la lumière en signal électrique
 Photomultiplicateurs
Photo émission : Effet photoélectrique sur la cathode
émission de photoélectrons
Emission d’ électrons secondaires
 Photocathode : flux d’ e
 Optique de focalisation et accélération
 Multiplicateur d’ e, dynodes
 Anode qui produit le signal
Accélération et focalisation des e par le champ
électrique entre dynodes obtenu par division de
voltage ( Base )
Gain:
Si nk photoélectrons arrivent sur la 1ere dynode de
N
gain gi , on obtient ng e soit pour N dynodesn:a  n k  gi
i 1
M = na / nk . Pour gi = 4 M = 106 .
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Photomultiplicateurs
•Photocathodes :Dépôt de semi conducteur,
transparent ou opaque.
– AgOCs, SbCs
– Bi (Tri) alkali composites SbKCs, SbRbCs,
SbNa2KCs.
Sensitivité spectrale est limitée par :
Transparence de la fenêtre pour  petit
Seuil de photoémission du matériaux
Efficacité quantique (rapport nk / np ) ~20%
Transmission de la fenêtre: Cut off à 250 - 300
nm pour des fenêtres en verre borosilicate. Quartz,
LiF, transparents aux UV
Gain:
M  kV0N
  0.6 0.8
Le gain varie vite avec la tension
Résolution en énergie: dominée par les
fluctuations sur le nombre d’électrons
secondaires émis par les dynodes. Matériaux
de dynodes, isolants et semi-conducteurs,
AgMgO(Cs) (dépend aussi de la tension)
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Détection de la lumière dans un champ magnétique
Un PM conventionnel ne marche plus dans un champ magnétique.
Le gain s’effondre, puisque les trajectoires des e entre dynodes sont
modifiées.
–
Protection avec du fer doux, m métal. Ok pour des champs très faibles,
coûte cher, ajoute beaucoup de matière
– Transporter la lumière loin du champ. Utiliser des fibres optiques. Ex :
Fibre noyée dans un scintillateur, très longue
– Utiliser un détecteur insensible au champ
•
•
•
•
•
Triodes
Fine mesh
HPD
APD
Photodiodes
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Photodétecteurs dans les champs magnétiques
• Triodes : PM à un étage. 1 dynode Gain ~10. Marche dans un champ de
1T, OPAL, DELPHI, L3 (Lecture de fibres optiques d’un calorimètre
SPACAL)
• Fine mesh: PM avec des dynodes en
grilles au dessus de l’anode. Minimise la
distance entre anodes. 19 étages et G=108.
Très bon comportement dans un champ
jusqu’à 1.5T. Perte d’un facteur 1000 si
l’axe est // à B.
BELLE : lecture du PID en aérogel
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Photodétecteurs dans les champs magnétiques
• Photodiodes: Couche P en surface et
sur le substrat forment une jonction
PN.
Couche P: 1m de Bore
Les électrons passent de la bande de
valence à la bande de conduction, il
reste les trous. Les électrons dérivent
vers la couche N et trous vers P.
Charge positive en P et négative en N,.
Gain : 1 , efficacité quantique 80%
Lecture du BGO dans L3 ou du CsI
à BaBar
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Photodétecteurs dans les champs magnétiques
•
Hybride Photo Diodes: Une
photocathode convertit la lumière
en électrons, qui sont accélérés
dans un champ électrique fort,
jusqu’à une diode au Silicium(
pixels, strips ). Gain ~10000,
insensible au champ magnétique,
très bonne résolution en énergie.
• Photodiodes à Avalanche (APD)
Champ électrique interne très fort,
production d ’avalanche et
Gain=100
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Calibration de photo détecteurs
Calibration = nb de photoélectrons
Quand ce nombre est petit, il va
fluctuer comme une distribution de
Poisson, et parfois on aura zero, ce
qui affecte l’efficacité de la détection.
Calibration avec une source de
lumière LED, réglée à un niveau très
faible.
Si la résolution en énergie est bonne
on observe les pics de 1,2, etc...
photoélectrons
Cas d’un fine mesh : Quantité de
lumière réglée pour que 95% des
événements soient dans le pedestal
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