Instrumentao para a Fsica de Partculas e Altas

“Instrumentação para a Física de Partículas e Altas Energias” (Aula 03) Jun Takahashi IFGW-UNICAMP

Índice: Aula 01: Revisão sobre a Física de Partículas e noções básicas sobre aceleradores. Aula 02: Radiações e interação da radiação com a matéria. Princípios gerais de detecção e um resumo sobre os principais tipos de detectores. Aula 03: Detectores a gás, detectores semicondutores, e cintiladores. Aula 04: Métodos de análise de dados, estatística, tracking, Vértices Secundários, PID e trigger. Aula 05: Os experimentos do RHIC e do LHC. Experimentos de neutrinos e o observatório Auger. Aplicações de detectores em outras áreas. Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 2

Princípio Geral de um detector e+ e+ eee+ e- e+ ee- e- eee- ADC O sinal analógico é coletado pela eletrônica de “frente”, amplificado (pré-amplificação), formatado (shapping), digitalizado (ADC). Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 3

Principais características de Detectores Sensibilidade do detector para as diferentes partículas Ruído e Sinal Resolução em energia Resolução em posição Resolução em tempo Capacidade de Identificação Tempo morto Eficiência ngulo sólido / áreas mortas / cobertura Resistência a danos de radiação Custo Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 4

Índice da Aula 03: Detectores pré-era elétrica Detectores a gás n n n Câmara de Ionização Contador Proporcional Contador Geiger Detectores Cintiladores Detectores Semicondutores Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 5

A câmara de nuvens Em 1912, C. T. R. Wilson, físico escocês, cria a câmara de nuvens, que consistia de uma câmara com vapor de água, que através do controle de pressão, era mantido em um estado super saturado. A passagem de uma partícula carregada causaria a condensação de pequenas gotas de água permitindo a visualização da trajetória das partículas. A câmara de nuvens foi utilizada para a descoberta do múon e do pósitron efetuada por D. Anderson. PN: 1927 C. T. R. Wilson PN: 1936 D. Anderson C. T. R. Wilson, Proc. Roy. Soc. (London), 87, 292 (1912). A câmara de nuvens foi muito utilizada em física de partículas até o desenvolvimento da câmara de bolhas em 1952, por D. A. Glaser Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 6

Câmara de nuvens Câmaras de nuvens hoje podem ser produzidas nas escolas como um instrumento didático que demonstra o funcionamento de detectores e permite a “visualização” de partículas sub-atômicas, múons e elétrons provenientes de raios cósmicos. Ao invés de utilizar valor de água, utiliza-se valor de álcool, e ao invés de controlar a pressão, utiliza-se a temperatura para manter o vapor em um estado super-saturado. Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 7

Câmara de Bolhas 1964, foi medido em BNL, pela primeira vez o W-. K+p -> W+K+k 0 W -> p+Xi Xi -> L -> gg PN: 1960 D. A Glaser O princípio de funcionamento das câmaras de bolha se assemelha ao da câmara de nuvens. Neste caso, um líquido é mantido aquecido em um ponto acima do limiar de ebulição, de forma que quando uma partícula carregada atravessa o líquido, a perturbação causada gera a formação de pequenas bolhas de ebulição. O líquido servia ao mesmo tempo como o meio de detecção e alvo para os experimentos de partículas em alta energia. Câmeras fotográficas registravam o evento para análise posterior. Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 8

Filmes de Emulsão Powel, PN: 1950 Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 9

Índice da Aula 03: Detectores pré-era elétrica Detectores a gás n n n Câmara de Ionização Contador Proporcional Contador Geiger MWPC Drift Chambers TPC Detectores Cintiladores Detectores Semicondutores Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 10

Ionização do Gás Devido à grande mobilidade dos elétrons e dos íons, o gás é um dos meios mais utilizados para a detecção de partículas. Detectores de ionização foram os primeiros detectores elétricos desenvolvidos para a medida de radiação. Estes detectores se baseiam na coleta dos elétrons e íons produzidos pela passagem da radiação por um gás. Ionização Primária Ionização Total ntotal = número total de par elétron-buraco ΔE = Perda de energia da partícula Wi= Perda de energia efetiva por par elétron-buraco Anodo Janela +V 0 Sinal Catodo Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 11

Detector de Ionização I. O potencial V é ainda muito baixo e não é capaz de evitar o processo de recombinação de cargas. Com o aumento do potencial, mais a mais cargas são coletadas. II. Primeiro platô de saturação, onde toda carga ionizada é coletada. Mas o campo elétrico gerado ainda não é suficiente para multiplicar a carga. III. O campo aumenta e gera avalanches que amplificam a carga coletada. Amplificação varia entre 104 -105 até 1010. Nesta região ainda existe a proporcionalidade entre a carga gerada e a carga observada no sinal. IV. Região de descarga, grada por uma reação em cadeia de avalanches. Toda proporcionalidade é perdida. Corrente de saída saturada, proporcionando sempre a mesma amplitude de sinal. Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 12

Câmara de Ionização Sinal coletado = Ionização do gás Corrente de sinal baixo, geralmente medido utilizando um eletrômetro. Muito utilizado para medir radiação Gama, e também para medir fluxos elevados de radiação. Muito utilizado em aplicações de física médica para determinação de dose. Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 13

Contador Geiger-Müller Sinal proporcional somente à quantidade de radiação. O sinal do contador Geiger não é proporcional á energia da partícula. Muito utilizado em aplicações de monitoração de radiação. Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 14

Contador Proporcional Detectores proporcionais são preferidos em aplicações na física nuclear e na física de partículas pois o sinal gerado é proporcional à ionização e portanto, à energia da partícula, mantendo ainda um bom ganho do sinal sobre o ruído. A geometria preferida para contadores proporcionais é a cilíndrica, para manter uma uniformidade do ganho sobre quase todo o volume do detector. Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 15

Contador Proporcional A multiplicação do sinal depende dos elétrons O gás utilizado não deve absorver os elétrons Utiliza-se então, gases nobres (Ar, He, Xe) Além da ionização do gás, as colisões de partículas acabam causando vibrações nas moléculas do gás, que des-excitam emitindo Gama de UV. Este Gama pode interagir por efeito fotoelétrico (Ar Eg=11. 6 e. V) gerando elétrons secundários indesejados. Este efeito pode ser reduzido utilizando os chamados inibidores, como: CO 2, CH 4, C 3 H 8, Isobutane, etc. A mistura de gás usualmente utilizada é de 90% Ar e 10% Methano (CH 4) , comumente conhecido como P 10. Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 16

Muti. Wire Proportinal Chambers (MWPC) Sinal proporcional à quantidade de radiação. O anodo que coleta o sinal proporciona a posição da radiação. PN 1992: Georges Charpak Pelo desenvolvimento do “proportional multiwire chamber” Nucl. Instrum. Meth. 62 (1968) 262. Este tipo de detector permitiu o desenvolvimento de experimentos de grande porte em física experimental de partículas, permitindo a reconstrução de trajetória de várias partículas. A geometria e a resolução dos MWPC é limitada pela uniformidade do campo elétrico e a estabilidade do potencial aplicado (V 0). Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 17

Drift Chambers A resolução espacial dos MWPC é limitado pela distância entre os fios coletores. Os Drift Chambers utilizam a medida do tempo de deslocamento da carga no gás, em cada célula de anodo para obter uma resolução espacial melhor do que a distância entre os anodos. Isto permite melhorar a resolução espacial e diminuir o número de anodos e canais de leitura. External fast detector Tstop Tstart Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 18

Time projection Chambers (TPC) z Os detectores TPC é a evolução 3 D dos detectores “drift chambers”. Z – determ. pelo tempo. X – Fio de Anodo. Y-? Drifting eavalanche projected track y Wire plane x Projeção da Trajetória track y x Efetua-se uma pixelização dos catodos na direção Y, que irá coletar as cargas positivas da avalanche. z y pads Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 19

TPC: Time Projection Chamber Principal detector de reconstrução de trajetórias do STAR. Detector grande, com extensa cobertura angular. Tecnologia relativamente simples e barata. Detector robusto e durável, fácil de se analisar os dados. Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 20

Detalhes do TPC: Layout: Comprimento: 4. 2 m. Raio: 0. 5 – 2. 0 m Cobertura: -1. 8 < h < +1. 8 Drift: Gás: P 10 - Argônio (90%)-Metano (10%). Volume dividido em duas partes, com deslocamento longitudinal. Vmax. = 31 k. V, DV = 145 V/cm, Drift velocity = 6 cm/ms. Tempo de deslocamento: 40 ms. Uniformidade de B, melhor que 1% (50 mm). Readout: 24 subsectors, cada uma com 45 pad rows. Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 21

Performance do TPC Resolução de 500 µm na direção radial, e de 2 mm na direção longitudinal. § Poder de separação de duas trajetórias, melhor do que 2, 0 cm. § Permite a identificação de partículas através de d. E/dx (ke. V/cm) § K m e p d

GEM – Gas Electron Multiplier Polymide foil +HV e- 50 mm Electron collection 70 mm Esta tecnologia, proposta em meados da década de 90 permite a amplificação do sinal de elétrons gerados por detectores a gás. A amplificação do número de elétrons permite que sejam coletados em vários anodos, de forma a obter uma distribuição que resulta em uma melhor resolução espacial. Mais ainda, uma seqüência de vários estágios de amplificação permite uma maior resolução do sinal sobre o ruído. Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 23

Índice da Aula 03: Detectores pré-era elétrica Detectores a gás n n n Câmara de Ionização Contador Proporcional Contador Geiger MWPC Drift Chambers TPC Detectores Cintiladores Detectores Semicondutores Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 24

Detectores Cintiladores Partícula Carregada Fótons Guia de Luz Partículas atravessando o material de cintilação causam excitações atômicas. A desexcitação consecutiva dos átomos emite radiação na faixa da luz visível que pode ser coletado por uma fotomultiplicadora. Fotocatodo Na fotomultiplicadora, os fótons são convertidos em elétrons através da película de fotocatodo. Os elétrons liberados são então multiplicados em estágios seqüenciais com um ganho de aprox. 109. Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 25

Alguns detectores Cintiladores ANTARES Super Kamiokande AUGER Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 AMANDA 26

Índice da Aula 03: Detectores pré-era elétrica Detectores a gás n n n Câmara de Ionização Contador Proporcional Contador Geiger MWPC Drift Chambers TPC Detectores Cintiladores Detectores Semicondutores Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 27

Detectores Semicondutores V+V Sinal + - + + - Detectores Semicondutores foram desenvolvidos inicialmente para medir a energia das partículas. O alto poder de freamento dos semicondutores resulta em uma ótima resolução de energia, tornando os mais atrativos do que detectores Cintiladores. Típicos detectores semicondutores são Si, Ge, Ga. As. Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 28

Semicondutores “Band-Gap” de energia Banda de Condução Elétrons livres ≈1 e. V “Gap” de Energia Buracos Banda de Valência Isolante Condutor Semicondutor A probabilidade de um elétron da banda de valência “pular” para a banda de condução é proporcional à largura do “Band-Gap”, dado por: No caso do silício puro, o EGAP é da ordem de 1, 1 e. V e k. T≈(1/40)e. V, portanto, o silício puro se comporta mais como um isolante do que um condutor. Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 29

Semicondutores É preciso “dopar” o semicondutor para que ele se torne um condutor. Para isso, substitui-se átomos de silício por outros átomos que sejam “doadores” (Fósforo, arsênico), ou receptores (Gálio, Boro) de elétrons. Nível de energia intermediária causado pela Impureza Doador tipo-N Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 Receptor tipo-P 30

Junção p-n - + -+ - + + ++ +- + - -+ - + + Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 +- + + - - - + + + - 31

Junção p-n Campo Elétrico Tipo-P - + -+ - + + +- + - -+ + - + + +- + Tipo-N + - - +- + + + - Região Depletada Essa junção se comporta como um diodo, que permite o translado de cargas somente em uma direção. A região de depleção pode ser ampliada aplicando um potencial inverso ao diodo, chegando a depletar completamente o semicondutor de cargas livres. Nestes caso, o semicondutor volta a se comportar como um isolante, com resistividades na ordem de vários kΩ por cm. Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 32

Junção p-n Tipo-P Tipo-N +- + + -- + -+ + + +- ++ + Região Depletada O volume da região depletada pode ser aumentado aplicando um potencial no sentido inverso do diodo. É dentro desta região depletada que se forma os pares de ionização elétron-buraco com a passagem de uma partícula carregada. Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 33

Processo de Fabricação do Detector de Silício Si. O 2 p+ p+ n+ B Dopagem dode silício com Boro Cobertura photoresist Exposição de UV sobre máscara Eching Deposição final de do Alumínio 0 Placa de silício polido tipo-n oxidação do silício (~1000 Revelação photoresist etching e Fósforo viado implantação ou C) difusão. P Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 34

Desenvolvimento e fabricação do SDD: Grupo de Semicondutores de ID-BNL Procedimento completo: Design. Autocad. Simulação. Silvaco Fabricação. Oxidation Litografia Etching Metalização Cutting. Testes. Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 35

Detetor Barreira de Superfície Detector simples, de uma junção p-n, ou mesmo, uma junção semicondutor-metal. Muito utilizado em aplicações de física nuclear, fornece a energia (E) com boa precisão. Tamanho limitado pelo casamento da capacitância de entrada da eletrônica de leitura do sinal. Barreira de Superfície: (E) Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 36

Micro-strips Estes detectores fornecem não somente a energia mas a posição em uma dimensão. Para obter as duas dimensões, é necessário utilizar duas camadas de MSD. Muito utilizado em aplicações de reconstrução de trajetórias em experimentos de física de partíoculas. Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 37

Detectores tipo pixel A pixelização em X-Y permite obter a posição da partícula sem ambiguidades com boa resolução espacial. A capacitância e o ruído eletrônico é determinado pelo tamanho dos pixeis, e a minimização dos mesmos é limitado pelo custo e pela geometria do detector. 15 mm Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 38

CCD – Charge Coupled Devices Estes detectores permitem a leitura em duas dimensões através do escoamento sequencial do sinal de cada pixel, para uma única saída. A desvantagem deste tipo de detector é o tempo demasiadamente longo que leva para efetuar a leitura. Aplicações diversas, como câmeras fotográficas. Para a física de partículas, além do tempo morto longo, este detector possui uma baixa resistência a danos de radiação. Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 39

O Silicon Dirft Detector Através de potenciais inversos aplicados na junção p-n, cria-se um canal de “escoamento” dos elétrons ionizados dentro da rede depletada de cargas livres. Gradiente de V cte. proporciona uma velocidade cte. de deslocamento. Anodos na extremidade coletam a carga que chega. Sensível à posição em X-Y. Posição exata sem ambigüidades. Baixo número de canais de leitura. Anodos de baixa capacitância. Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 40

O SDD do STAR Layout: • Detector com área ativa de 94%. • 6. 3 x 6. 3 cm 2 • Wafer de 4”, tipo NTD com resistividade de 3 k. W cm. • Espessura 300 mm • 2 x 240 anodos (“pitch” de 250 mm). • 128 píxeis de tempo. • 61 k píxeis de aprox. 250 x 250 mm. Operação: • Vmax. = 1500 V • Veloc. de deslocamento: 6 mm/ns • Tempo de deslocamento: 5 ms. Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 41

Aplicação do SDD Alta resolução em energia com sensibilidade homogênea em toda área do detector. Capacitância do anodo extremamente baixa, independente da área do detector, que permite melhor resolução em energia e menor “shapping time” que permite uma taxa de contagem maior. Pré-amplificador integrado diminui ruído, e anodo escoado continuamente eliminando tempo morto. FWHM < 145 e. V @ -20˚C Companhias que já fabricam ou fabricaram SDDs: SINTEF, CANBERRA, EUROSYS, KTEK, PNSensor, Infineon, Micron, HAMMAMATSU Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 42

Comparação do SDD com outras tecnologias: Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17 -21 de Julho de 2006 43

Obrigado.