Detectores de partculas alguns conceitos Prof Marcelo SantAnna

Detectores de partículas: alguns conceitos Prof. Marcelo Sant’Anna Sala A-310 (La. CAM) e-mail: mms@if. ufrj. br Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 6 - 2007. 1 - IF - UFRJ 1

Uma descrição (muito) esquemática detector partícula n n n d. d. p. ou corrente A partícula deposita sua energia, ou parte dela, no detector. Assim, gera cargas livres que são coletadas de alguma forma. Meço d. d. p. ou corrente (um pulso ou uma medida contínua). Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 6 - 2007. 1 - IF - UFRJ 2

Sensibilidade n Sensibilidade de um detector é sua capacidade de produzir um sinal “utilizável” para um dado tipo de radiação incidente. n Nenhum detector pode ser sensível a todos os tipos de radiação e energias. Eles são projetados para ser sensíveis a certos tipos de radiação e em um dado intervalo de energia. n A sensibilidade depende de vários fatores (por exemplo): q a seção de choque para reações de ionização no detector; q da massa do detector; q do ruído intrínseco do detector; q do material protetor envolvendo o volume sensível do detector. Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 6 - 2007. 1 - IF - UFRJ 3

Modelo simplificado e detector n O tempo de interação é muito curto (da ordem de alguns ns em gases ou ps em sólidos) de modo que podemos considerar uma deposição de energia instantânea n O resultado da interação da radiação é em geral, a aparição de uma dada quantidade de carga elétrica dentro do volume ativo do detector. n Nosso modelo supõe que a carga aparece instantaneamente em t = 0 devido a interação de uma única partícula. Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 6 - 2007. 1 - IF - UFRJ 4

(continuação) n A seguir, esta carga deve ser coletada de modo a formar um sinal elétrico. n O tempo necessário para coletar completamente a carga varia fortemente de um detector para outro. Fig. Resposta de um detector a uma única interação. Na figura tc é o tempo de coleta da carga. Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 6 - 2007. 1 - IF - UFRJ 5

Modo pulso versus Modo corrente n O modo pulso é o mais amplamente utilizado. Nele pretende-se que o detector meça cada quantum de radiação ou partícula que interage no detector. n Em sua aplicação mais comum, mede-se a carga total (a integral no tempo de cada pulso), uma vez que a energia depositada no detector é diretamente relacionada com a carga. Todos os detectores utilizados para medir a energia de uma radiação individual operam no modo pulso. n Para taxas de eventos muito altas, o modo pulso torna-se impraticável. Isto porque o tempo entre eventos adjacentes pode se tornar curto demais para uma analise adequada. Nestes casos o modo corrente é uma alternativa. Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 6 - 2007. 1 - IF - UFRJ 6

Modo Pulso n No modo pulso deseja-se preservar informação sobre a forma do pulso. A natureza do pulso de sinal produzido depende das características de entrada do circuito conectado na saída do detector (normalmente o pré-amplificador). O circuito equivalente é representado na figura abaixo. Onde R representa a resistência de entrada do circuito, e C representa a capacitância equivalente do detector, cabo e do pré-amplificador. n Dois extremos de operação podem ser identificados dependendo do valor da constante de tempo do circuito = RC. q Caso 1 << tc q Caso 2 >> tc Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 6 - 2007. 1 - IF - UFRJ 7

n n Caso 1: << tc A constante de tempo é mantida pequena comparada com o tempo de coleta da carga, de modo que a corrente passando pela resistência R é essencialmente igual ao valor instantâneo da corrente fluindo no detector. O sinal V(t) produzido sob estas condições tem a forma aproximadamente idêntica a corrente produzida dentro do detector (Fig. b) Caso 2: >> tc Caso mais comum. Pouca corrente fluirá na resistência de carga durante o tempo de coleção e a corrente do detector é momentaneamente integrada no capacitor. Se supormos que o tempo entre pulsos é suficientemente grande, o capacitor então descarregará através do resistor (Fig. B) Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 6 - 2007. 1 - IF - UFRJ 8

Continuação (Ainda o Caso 2: >> tc) n O tempo necessário para a ddp alcançar o seu valor é determinado pelo tempo de coleta da carga. A carga (“load”) externa não influi neste tempo. Por outro lado, o tempo de decaimento, é determinado somente pela constante de tempo do circuito de carga. A amplitude do sinal Vmax é determinada pela razão da carga total Q criada no detector e a capacitância C do circuito equivalente. Como estas capacitâncias são fixas, a amplitude do pulso de sinal é diretamente proporcional a carga gerada no detector Vmax = Q/C. n Assim, a medida da taxa dos pulsos é a medida da taxa que a radiação incide no detector, e a amplitude de cada pulso reflete a quantidade de carga gerada em cada interação individual. A distribuição de alturas de pulso irá refletir a distribuição de energias. n A proporcionalidade entre Vmax e Q apenas vale se a capacitância é constante. Isto é verdade apenas para alguns detectores. Para outros, como os diodos semicondutores, as capacitâncias mudam. De modo a preservar a informação básica contida nos pulsos, utiliza-se um tipo de pré-amplificador chamado de charge-sensitive, que restauram a proporcionalidade entre Vmax e Q. Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 6 - 2007. 1 - IF - UFRJ 9

Resolução em energia Uma causa para as flutuações na energia que degradam a resolução do detector é o ruído estatístico devido a natureza discreta do sinal medido. Este efeito estará sempre presente, não importando o sistema. O ruído estatístico surge do fato de que a carga Q gerada no detector está sujeito a flutuações evento a evento, ainda que a mesma quantidade de energia seja depositada. n n R = FWHM/Eo Uma estimativa pode ser feita da quantidade inerente de flutuação supondo que a formação de cada portador de carga segue uma estatística de Poisson. Se o numero total N de portadores de carga é gerado em média, podemos esperar um desvio padrão igual a N 1/2. A função resposta deve ter uma forma Gaussiana como mostrado na figura anterior, devido ao fato de que N é um numero grande (note que E altura do pulso N ) onde FWHM= 2. 35 , E 0 é o centróide e A a área. (continua) Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 6 - 2007. 1 - IF - UFRJ 10

n n n Como a resposta da maioria dos detectores é linear, E 0 = KN , O desvio padrão do altura de pulso do pico é = KN 1/2 e FWHM = 2, 35 KN 1/2. Podemos então calcular a resolução limite (resolução mínima) devido somente a flutuações estatísticas no número de portadores de carga como Para uma resolução de 1 %, devemos ter um N maior do que 55 103. Um detector ideal deveria ter o maior número de portadores de carga por evento possível, de modo a diminuir esta resolução intrínseca. A grande popularidade dos detectores semicondutores é devida ao fato deles gerarem um grande número de portadores de carga por unidade de energia perdida pela radiação incidente. Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 6 - 2007. 1 - IF - UFRJ 11

n Obs. : A largura FWHM total é dada por FWHMtotal 2= FWHMestatístico 2 + FWHMeletronica 2 +. . . Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 6 - 2007. 1 - IF - UFRJ 12

Tempo morto n Para todos os detectores há tempo mínimo nescesário entre a detecção de dois eventos de modo a que sejam detectados como dois pulsos separados. n Este tempo mínimo é usualmente chamado de tempo morto (dead time). n Devido a natureza estatística das contagens, há sempre uma probabilidade de que um evento real seja perdido porque ocorreu logo após um outro evento. Este problema de perda por tempo morto pode se tornar drástico quando altas taxas de contagens estão presente, e correções devem ser consideradas. Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 6 - 2007. 1 - IF - UFRJ 13

Tempo morto: resposta paralizável versus resposta não paralizável n Figura: A) paralizavel B) não-paralizavel Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 6 - 2007. 1 - IF - UFRJ 14