Partie 1

Chp7 : composants détecteur phys. particules C7 - 1
Chp7. Composants d'un détecteur en physique des particules
§1 Classification suivant le type de signal généré
Chaque sous-détecteur comporte un volume sensible (gazeux, liquide ou solide) que traverse la
particule (ou le rayonnement). Dans ce volume, les principaux phénomènes produits par la
particule, au niveau du réseau cristallin, des molécules ou des atomes du milieu, sont les
processus d’ionisation et d’excitation.
C1.1 Détecteurs photographiques
Ces processus peuvent conduire à :
1°/ des phénomènes thermodynamiques
- chambres à brouillard (gaz sursaturé en vapeur, → liquide au passage de la particule) /cf.
TP
- chambres à bulles (liquide surchauffé → ébullition et formation de bulles lors de la
"perturbation – ionisation") @ détecteurs obsolètes car trop "lents"
2°/ des phénomènes chimiques : sensibilisation d’une plaque photographique
- émulsions nucléaires présentant la meilleure résolution spatiale (2µm) (détecteur non
utilisé auprès des collisionneurs car il intègre le phénomène à mesurer @ les trajectoires des
particules s'empilent !)
- principe de certains dosimètres

Chp7 : composants détecteur phys. particules C7 - 2
C1.2 Détecteurs électroniques
3°/ des impulsions ou courants électriques
- détecteurs à volume sensible gazeux : composants principaux des grands détecteurs utilisés
auprès des collisionneurs de particules (LEP – TEVATRON - B factories)
- détecteurs à semi-conducteur : où l'ionisation crée des paires électron - trou; ils présentent
un haut pouvoir d'arrêt pour les particules chargées & rayonnements
@ en physique nucléaire, principalement utilisés pour la mesure de l'énergie des rayonnements
(spectrométrie @ cf. TP) : présentent la meilleure résolution en énergie.
@ en physique des particules, détecteurs à micro pistes ou pixels de silicium : permettent de
déterminer la coordonnée d'un point de la trajectoire d'une particule chargée avec une très grande
précision (10 µm ou qqs µm) @ meilleure résolution spatiale après les émulsions.
- détecteurs à scintillations: substance luminescente dont les photons lumineux sont détectés
par un système photosensible (tube photomultiplicateur) fournissant l'impulsion électrique.
Les scintillateurs couplés à des PM sont un des composés importants des détecteurs utilisés
au voisinage des grands accélérateurs du fait de leur excellente résolution temporelle (≈150
ps). Ils jouent un rôle important de déclencheurs (TRIGGER) de l’acquisition des données.
Chp7. Composants §2 détecteurs à volume sensible gazeux
C2.1 Configurations de base & principe de fonctionnement
♦ les deux configurations géométriques de base sont les suivantes : volume gazeux
@ champ électrique uniforme E(x) =U0/d @ champ électrique en 1/r Er U
rrr
CA
af bg
=0
ln /
Cathode cylindrique
entre des électrodes planes
parallèles : une négative /
cathode et une positive / anode.
Dans un cylindre conducteur, de rayon rC, porté à un potentiel
négatif par rapport à un fin fil (quelques dizaines de µm de
diamètre), métallique tendu en son centre de rayon rA
r
0
d
x
−HT
0V
+HT
+U0
e−
Ion+
Particule chargée
Fil d'anode
♦ Le volume gazeux est généralement constitué d'un mélange à 2 composants :
gaz noble + gaz organique, sous une pression définie (très souvent pression atmosphérique).
@ détecteur = condensateur (plan ou cylindrique) caractérisé par sa capacité C &
initialement chargé (on applique la tension +U0 à l'anode par l'intermédiaire d'une
résistance R dite résistance de charge) @ constante de temps τ = RC.
ATTENTION : C ≠ C' (capacité de découplage de l'électronique de lecture afin que celle-ci
ne soit pas sous tension !)

Chp7 : composants détecteur phys. particules C7 - 3
♦ Principe de fonctionnement (schéma pour la configuration cylindrique).
R
A
+ −
+ −
+ −
+ −
isolant
particule C'
+HT U0
signal
1/ Si une particule chargée traverse le détecteur, elle ionise le gaz @ crée des paires ion+ -
électron libres : ionisation primaire Qi = ni e
où ni = nt = ∆E/Wi = nombre TOTAL d’ions primaires produits compte tenu des électrons δ
avec ∆E ≈3keV/cm et Wi ≈ 30 eV énergie nécessaire à la création d'une paire @ ni ≈100 /cm.
2/ les électrons se déplacent vers l'anode et les ions positifs vers la cathode en suivant les lignes
de champ électrique. On dit que les charges primaires dérivent.
électrons Suivant la nature du mélange gazeux et la
valeur du champ électrique appliqué, la
vitesse de dérive des électrons varie
typiquement de 1 à 5 cm/µs, tandis que celle
des ions+est environ 1000 fois plus grande,
conformément à la différence de leur masse
(≈1 à 5 cm/ms).
3/ Si les électrons primaires entrent dans une zone de champ électrique élevé (typiquement à
quelques rayons de fil dans la configuration cylindrique), ils peuvent être suffisamment accélérés
pour ioniser à leur tour les molécules du gaz, ce qui conduit à une multiplication d’électrons &
formation d'une avalanche : Qf = M.Qi.
L'avalanche se développe sur tout
l'espacement entre les plaques parallèles
avec la moitié de Qf formée dans le dernier
l.
p
.m. d'ionisation.
d
Les électrons étant attirés par le fil et ayant une mobilité
plus grande que celle des ions, l'avalanche a la forme d'une
goutte liquide dans laquelle les électrons sont groupés en
avant.

Chp7 : composants détecteur phys. particules C7 - 4
@ Par définition M = facteur de multiplication ou gain:
@ pour un champ électrique uniforme: M e x
=
α
@ si le champ électrique n'est pas uniforme (1/r), α dépend de r et on a :
Mrdr
rA
=
rC
L
N
M
MQ
P
P
z
exp αaf
O
4/ Il se forme une impulsion (signal) pendant le mouvement et la collection des charges (Qf) aux
électrodes correspondantes @ diminution de la tension U0 aux bornes du détecteur (au point A)
@ variation ∆U transmise à l'électronique de lecture via C'.
MQ
Q
n
n
f
i
f
i
==
Si λ est le libre parcours moyen (l.p.m.) d'ionisation pour les électrons, α
= 1/λ est la probabilité d'avoir une ionisation par unité de longueur (α est
appelé premier coefficient de Townsend).
S'il y a n électrons qui parcourent une distance dx, il y aura
dn n dx=α
nouveaux électrons produits sur dx. En intégrant, on obtient le nombre
total d'électrons produits sur une distance x: nne
i
x
=
α
1/
α
@ cette chute de tension constitue l'impulsion & l'amplitude de l'impulsion est proportionnelle à
la charge collectée : ∆U = Qf /C= M.Qi /C
Le potentiel du point A reprend exponentiellement sa valeur initiale U0 avec la constante de
temps RchargeCdétecteur.
5/ Un circuit de lecture ou électronique associée ou “readout” (cf. TP) enregistre et traite ensuite
l'impulsion.
C2.2 Note sur le déroulement de l'avalanche d'électrons
♦ Processus nécessaire au bon déroulement de l'avalanche : le quenching
Le mélange gazeux est généralement composé d'un gaz rare (Ar, Kr, Xe) + gaz organique appelé
gaz quencher (hydrocarbure (CH4, iC4H10), vapeur d’alcool, dioxyde de carbone CO2). Le
quenching est l'absorption par des molécules organique des photons ultra-violets lointains
(VUV) émis lors de la désexcitation des gaz nobles (figure de gauche). Ces molécules absorbent
les photons VUV (figure de droite) en dissipant l'énergie par rotation ou vibration, ou encore par
dissociation de la molécule conduisant à une polymérisation (→ dépôt sur le fil = cause
principale du vieillissement du détecteur / cf. Fig page suivante).

Chp7 : composants détecteur phys. particules C7 - 5
♦ Processus néfastes au bon déroulement de l'avalanche
1°/. Arrachement d'électrons aux cathodes par les photons VUV émis dans les avalanches
Si les photons VUV produits dans les avalanches primaires ne sont pas absorbés par les
molécules du gaz quencher, ils peuvent générer, par effet photoélectrique aux cathodes, des
avalanches secondaires retardées. @ Les impulsions d'anode correspondantes sont appelées
afterpulses, ce que l'on pourrait traduire par impulsions de redéclenchement.
@ ∆t(afterpulse – pulse) = temps de dérive des électrons cathode → anode.
2°/. Neutralisation des ions positifs à la cathode
Les ions positifs produits dans les avalanches migrent vers la cathode et vont
s'y neutraliser. L'énergie de neutralisation peut être radiative ou servir à
extraire un électron de la cathode avec formation d'un afterpulse ou, encore,
dans le cas des ions de quencher, polymériser avec formation d'un dépôt à la
surface des cathodes (→ vieillissement du détecteur).
@ ∆t(afterpulse – pulse) = temps de dérive des ions+ et e− cathode ↔ anode.
Fil irradié
Fil non
irradié
Vieillissement
du détecteur :
dépôt sur le fil
d'anode.
C2.3 Modes de fonctionnement des détecteurs gazeux
Soit ni le nombre total de paires d'ions primaires produits par la particule ionisante dans le
volume sensible gazeux et nf le nombre de paires d'ions collectés à l'anode. @ La figure donne la
variation de log10(nf) en fonction de la tension U0 appliquée pour 2 valeurs de ni correspondant à
la perte d’énergie de particules . αβet
1012
1010
108
106
104
102
100
Vsignal ÷ nf
U0