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
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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
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
entre des électrodes planes
parallèles : une négative /
cathode et une positive / anode.
0
−HT
0V
Ion+
e−
d
x
Cathode cylindrique
Fil d'anode
r
+HT
+U0
Particule chargée
@ champ électrique uniforme E(x) =U0/d
@ champ électrique en 1/r
af
Er =
U0
r ln rC / rA
b
g
♦ 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 !)
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♦ Principe de fonctionnement (schéma pour la configuration cylindrique).
isolant
+ −
+ −
+ −
+ −
A
R
+HT U0
C'
particule
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.
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.
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.
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@ Par définition M = facteur de multiplication ou gain:
Q
n
M= f = f
Qi ni
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
α x de longueur (α est
@
pour
un
champ
électrique
uniforme
:
M
=
e
appelé premier coefficient de Townsend).
@ ysialen champ
électrique
n'est pas
(1/r)
dépend de r et on a :
S'il
électrons
qui parcourent
uneuniforme
distance dx,
il y, αaura
rC
dn = n α dx
M =on
expobtient
α r ledrnombre
nouveaux électrons produits sur dx. En intégrant,
r
total d'électrons produits sur une distance x: n = n i e α x A
1/α
LM a f OP
MN z PQ
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'.
@ 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).
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♦ 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.
Vieillissement
du détecteur :
dépôt sur le fil
d'anode.
Fil non
irradié
Fil irradié
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 α et β .
1012
Vsignal ÷ nf
1010
108
106
104
102
100
U0
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♦ recombinaison : pour des faibles tensions, ions+ et électrons libres s'éloignent lentement de
l'endroit où ils ont été formés et vont se recombiner partiellement. @ nf dépend de U et tend
vers ni qu'il atteint pour une tension V1 (≈100V) tel que le taux de recombinaison est négligeable.
♦ chambre à ionisation : nf = ni pour une gamme de tension : ≈100 → ≈300 V
@ nf indépendant de U.
♦ compteur proportionnel : le champ électrique étant plus important, les électrons primaires
vont acquérir suffisamment d’énergie pour se multiplier suivant le processus d'avalanche tel:
nf = M ni (M = GAIN du détecteur)
U
avec nf dépendant de U appliqué : nf ∝ e ni (cf. TP)
@ M augmente (en général exponentiellement) avec la tension mais ne dépend pas de ni,
caractéristique du mode proportionnel. (M ≈103 - 104).
La zone de multiplication est localisée au
voisinage du fil et est restreinte à une
petite longueur du fil (figure).
♦ Il est à noter que les ions positifs formés dans les avalanches étant beaucoup moins accélérés
que les électrons (F = ma = qE), ils restent plus longtemps au voisinage du fil et constituent une
charge d'espace. Si M n'est pas trop grand, la charge d'espace ne perturbe pratiquement pas le
champ électrique imposé par U (Ea sur la figure). Par contre, si on continue à augmente U, la
charge d'espace devient importante; elle diminue fortement le champ électrique au voisinage du
fil et dès lors le gain du détecteur.
@ Pour des petites valeurs de ni, le détecteur fonctionne toujours en régime proportionnel tandis
que pour des valeurs plus élevées de ni, on atteint la valeur critique de la charge d'espace (on
perturbe le champ électrique appliqué) et le compteur ne fonctionne plus en régime
proportionnel. On dit que le compteur fonctionne dans la zone de proportionnalité limitée. @
M dépend de ni.
♦ Dans le cas des configurations cylindriques, si on continue d'augmenter la tension, l'avalanche,
localisée en mode proportionnel, s'étale le long du fil. Les ionisations et excitations sont
tellement importantes que les photons émis lors des désexcitations des atomes ou molécules de
gaz (surtout les photons UV émis par le gaz rare) se propagent de proche en proche le long du fil
(figure), ionisent et provoquent l'apparition d'avalanches secondaires: il s'agit du mode de
fonctionnement "Geiger limité".
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♦Si l'ionisation s'étend à toute la longueur du fil, quel que soit ni, on se trouve dans le domaine
du compteur de Geiger.
@ M ne dépend pas de ni.
♦ Au-delà de la zone de Geiger, on entre dans le domaine des décharges électriques se
produisant entre anode et cathode lors du passage d'une particule.
C'est le principe des chambres à
étincelles dans le cas de la configuration
à plaques parallèles.
♦ Si on observe des décharges même en l'absence de particules, le compteur devient instable et
peut même se retrouver dans un état de décharge permanente (@ couper la tension appliquée !).
On a alors dépassé la limite de M =108!
♦ Dans les années 70, est apparu dans certaines conditions expérimentales (fil d’anode d'assez gros
diamètre (≈100 µm) et mélange gazeux à plus de 50% de gaz organique), un autre mode de
fonctionnement très intéressant prenant naissance à la place du mode Geiger limité : le mode streamer
limité (figure de gauche). L'avalanche d'électrons se produit perpendiculairement au fil, est très
importante vu le potentiel électrique élevé appliqué (Gain M de l'ordre de 105 - 106) et par conséquent
les signaux générés sont de grande amplitude (figure de droite), ce qui présente un avantage majeur: plus
besoin de préamplifier les signaux @ électronique de lecture moins coûteuse.
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C2.4
C7 - 8
Types de détecteurs gazeux
♦ Compteur proportionnel à un fil (TP)
1. il s'agit d'un condensateur cylindrique @ le champ électrique E(r) n'est pas uniforme : E ÷
1
r
2. le potentiel U0 est choisi pour que se forme une multiplication d'électrons de type
proportionnelle : nf = M ni (avec M ≈ 103 104 et indépendant de ni).
@ la multiplication se produit à une distance radiale valant quelques rayons du fil (50 - 200
µm), avec la moitié de l'avalanche développée dans le dernier λ !
@ 2 conséquences :
1. le signal induit est presque entièrement dû au mouvement de recul des ions positifs créés
dans l'avalanche et on peut ignorer le mouvement des électrons de l'avalanche
(la contribution des électrons est ≈1% de celle des ions positifs).
2. pas de dépendance en fonction du point de passage de la particule ionisante dans la
chambre.
♦ Chambre proportionnelle multifils (MWPC)
La chambre proportionnelle multifils
(MWPC : Multi Wire Proportional
Chamber) est composée d'un plan de
fils d'anode également espacés
disposé entre 2 plans de cathodes.
L'espacement
entre
les
fils
("spacing") est d'environ 2 mm et la
distance entre cathode et anode de 7 à
8 mm.
La conception et la mise au point de
la MWPC ont été réalisées dans les
années 70 par G. Charpak et son
groupe au CERN (cf. photo cicontre).
Les dimensions des MWPC peuvent
dépasser la dizaine de mètres carrés
par élément.
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@ Détermination des coordonnées spatiales
♦ La coordonnée perpendiculaire aux fils se détermine via le signal d'anode c-à-d la coordonnée
(n°) du fil touché1.
♦ La seconde coordonnée (Y) peut être obtenue de différentes façons :
1/ On peut utiliser un second détecteur dont les fils d'anode sont orientés perpendiculairement
aux premiers. Pour reconstruire la trajectoire d'une particule, on doit utiliser deux ou plusieurs
MWPCs formant un télescope :
2/ Rappelons que le recul des ions positifs produits dans la multiplication induit un signal
négatif sur le fil d'anode. De plus, les fils voisins sont également touchés, avec des signaux
induits positifs, mais de plus faible amplitude. D'une manière similaire, un signal positif est
induit aux cathodes.
Ö On peut exploiter les signaux induits sur les cathodes; on segmente alors un des plans de
cathodes en une série de pistes (ou rubans) orientées perpendiculairement aux fils d'anode.
Comme l'étendue de l'avalanche le long du fil d'anode est très faible, les signaux induits sont les
plus grands sur les pistes les plus proches de l'avalanche et diminuent proportionnellement à la
distance à l'avalanche. Si yi est la coordonnée de la piste numéro i et Qi la charge mesurée sur
cette piste, on peut estimer la position de l'avalanche en calculant le "centre de gravité" des
charges : Y=
∑Q Y
∑Q
i
i
i
1
Résolution spatiale donnée par l'écart-type d'une distribution uniforme σx = s/√12.
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C7 - 10
♦ Chambres à dérive planaires
Pour couvrir un grand volume de détection avec des MWPC, le nombre de fils est important @
l'électronique de lecture attachée à chaque fil coûteuse. @ idée : obtenir une information spatiale
à partir de la mesure du temps de dérive des électrons primaires.
@ une chambre à dérive typique se compose d'un compteur à un fil d'anode (à gauche sur
schéma) et d'un espace de dérive (à droite du fil d'anode). Et c'est là le point important: l'espace
de dérive est constitué d'un ensemble de cathodes planes, supérieures et inférieures, qui, portées
à des potentiels électriques adéquats, créent au sein du mélange gazeux, un champ électrique
aussi uniforme que possible, de direction perpendiculaire et opposée au fil, appelé champ
électrique de dérive. @ Ceci assure une vitesse de dérive aussi constante que possible.
Le champ électrique va ensuite croître rapidement au voisinage du fil, selon une loi en 1/r.
Scintillateur + PM
TDC
Start
Dérive e− à v Cte
Edérive
-
+
+
+
+
Stop
−HT
+HT
d
particule
@ Lorsqu'une particule chargée traverse la chambre au temps t0, le passage de la particule est
signalé par un détecteur annexe (ici un détecteur à scintillateur) et le signal démarre un module
TDC (Time to Digital Converter). D'autre part, la particule a produit, dans le mélange gazeux,
des électrons primaires qui dérivent vers le fil d'anode sous l'influence du champ électrique de
dérive (@ vitesse de dérive constante). L'avalanche autour du fil génère un signal au temps ta et
constitue le STOP du TDC.
@ La distance entre le point d'impact de la trajectoire de la particule dans la chambre et le fil
d'anode est donnée par: : d = vd × (ta - t0)
si on a bien garanti une vitesse de dérive constante.
Configuration desr
lignes de champ E
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♦ "jets chambers" ou chambres à dérive cylindriques
@ informations sur les coordonnées r et ϕ de la trajectoire de la particule. Elles sont très utilisées
auprès des collisionneurs afin d'avoir une visualisation directe des traces sans devoir ajuster
mathématiquement les coordonnées détectées. Cela exige un grand nombre de points mesurés
par trace et, donc, une haute densité de fils. De là résulte une bonne résolution sur les vertex et
sur les traces multiples.
Schéma d'un des 24 segments de la
chambre cylindrique de JADE
(collisionneur e+e! @DESY) : les fils
d’anode sont parallèles à l’axe du
faisceau et chaque segment contient
64 fils d’anode.
.
Photos du détecteur central de traces de l'expérience SLD (collisionneur e+e- @SLAC) : des milliers
de fils sont tendus parallèles à l'axe du détecteur cylindrique entourant le point de collision.
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♦TPC "Time Projection Chambers" ou chambres à projection temporelle
Le principe d'une TPC est montré sur la figure ci-dessous.
Il s'agit d'une grande enceinte (jusqu'à plusieurs mètres en longueur et diamètre) remplie de gaz
avec un mince plan de haute tension au milieu. Un champ électrique uniforme (parallèle au
champ magnétique axial B) est créé dans l'enceinte permettant la dérive des électrons vers les
extrémités. L'extrémité de l'enceinte est constituée d'une série de fils d'anode autour desquels se
forment des avalanches → signaux, également induits sur une série de micro-cathodes en forme
de damiers (pads).
@ on obtient une information spatiale “3d” puisque 3 coordonnées sont ainsi mesurées :
- r (# fil d’anode touché)
- ϕ (signal induit sur cathode segmentée)
- z (temps de dérive des électrons jusqu’à l’un des 2 bouchons de la TPC)
De plus, en mesurant la hauteur de l'impulsion d'anode, soit la charge collectée proportionnelle à
l'énergie perdue par la particule, on peut l'identifier (méthode du "dE/dx").