Calorimtres Y Karyotakis Types de calorimtres Calorimtres homognes

Calorimètres Y. Karyotakis

Types de calorimètres Calorimètres homogènes • • Calorimètres à échantillonnage Détecteur = absorber Très bonne résolution en énergie Résolution spatiale moyenne Pas de profil longitudinal Þ Détection de la lumière de Scintillatation ou Cherenkov. Þ Lecture par diodes triodes APD, PM Þ L 3 : BGO Þ Ba. Bar Belle Cs. I(Tl) Þ CMS Pb. WO 4 Þ Opal Verre au plomb Þ NA 48 LKr • • 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 Y. Karyotakis 2

Calorimètres homogènes Cristaux Liquides nobles Y. Karyotakis 3

Calorimètres homogènes • • L 3 : BGO (Bi 4 Ge 3 O 12) 11 K cristaux, en 2 demi barrels et 2 end caps Ba. Bar : Cs. I (Tl) 6780 cristaux, 1 baril et 1 end cap avant. 16 et 17. 5 X 0 en fonction de q. Calibrage par : Bhabhas, Lumière et source radioactive (photons 6. 1 Me. V) Y. Karyotakis 4

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 L 3 ont montré que c’est possible Y. Karyotakis 5

Calorimètre à LKr NA 48 Calorimètre presque homogène, pas d’absorber, le LKr (T=120 K) sert de détecteur et radiateur. Electrodes en léger accordéon le long de la direction du faisceau Résolution : s(E) 3. 25% terme stochastique sx, y < 1 mm Y. Karyotakis 6

Calorimètres à échantillonnage ATLAS : Sandwich LAr(90 K) -Plomb-Inox 1 -2 mm Détection : chambre d’ionisation 1 Ge. V = 5 106 e. Géométrie en accordéon, minimise les zones mortes ! Segmentation fine, homogénéité, résistant aux radiations Pre-shower Y. Karyotakis 7

Détection de la lumière Scintillateurs Photomultiplicateurs Jeudi 3 Décembre Y. Karyotakis

Scintillateurs Þ Tout matériaux qui produit une impulsion lumineuse juste après le passage d’une particule. Þ Le phénomène est lié à la luminescence : émission de la lumière après l’absorption d’un quantum de lumière Þ Scintillateurs non-organiques, essentiellement des cristaux, Cs. I, BGO, Na. I etc. . . , et organiques, solides et liquides polymérisés. Mécanismes d’émission de lumière différents, et caractéristiques différentes. Þ Scintillateurs non-organiques – Cristaux dopés en cours de production ex: Cs. I(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. Y. Karyotakis 9

Scintillateurs non-organiques Luminescence : Structure cristalline Þ Luminescence : Photons (200 - 600 nm) 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 Y. Karyotakis 10

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 dépend de la température ! ( ex BGO -1. 5/% par deg !) Deux constantes de temps, une rapide et une lente. La résistance aux radiations dépend du cristal et des dopants Y. Karyotakis 11

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 S 1 revient en S 0, en émettant un photon en 1 ns. • L’état T 1, longue durée de vie, revient en S 0 (~ms), ou interaction avec un autre T 1 et passage en S 1. Y. Karyotakis 12

Scintillateurs organiques Excitation du milieu scintillant et émission de lumière UV, qui serait absorbée ( la 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. . Y. Karyotakis 13

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. 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. . . Avec n l’indice de milieu initial. Fraction de lumière transmise : si n=1. 58 f=0. 113 Réflecteur à la face opposée au guide – Atténuation dans le scintillateur. Y. Karyotakis 14

Réflexion et Diffusion • Réflexion spéculaire Réflecteurs : aluminium, aluminisation R = 70 -80 % • Diffusion Diffuseurs : Téflon PTFE, papier blanc, peinture etc. . . Y. Karyotakis 15

Photo détecteurs ÞTransformer 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 1 ere dynode de gain gi , on obtient ng e soit pour N dynodes : M = na / nk. Pour gi = 4 M = 106. Y. Karyotakis 16

Photomultiplicateurs • Photocathodes : Dépôt de semi conducteur, transparent ou opaque. – Ag. OCs, Sb. Cs – Bi (Tri) alkali composites Sb. KCs, Sb. Rb. Cs, Sb. Na 2 KCs. Sensitivité spectrale est limitée par : Transparence de la fenêtre pour l 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, Li. F, transparents aux UV Gain: 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, Ag. Mg. O(Cs) (dépend aussi de la tension) Y. Karyotakis 17

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 Y. Karyotakis 18

Photodétecteurs dans les champs magnétiques • Triodes : PM à un étage. 1 dynode Gain ~10. Marche dans un champ de 1 T, OPAL, DELPHI, L 3 (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. 5 T. Perte d’un facteur 1000 si l’axe est // à B. BELLE : lecture du PID en aérogel Y. Karyotakis 19

Photodétecteurs dans les champs magnétiques • Photodiodes: Couche P en surface et sur le substrat forment une jonction PN. Couche P: 1 m 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 L 3 ou du Cs. I à Ba. Bar Y. Karyotakis 20

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 Y. Karyotakis 21

Calibration de photo détecteurs ÞCalibration = 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 Y. Karyotakis 22