detectores: una introducción

Transcripción

1 detectores: una introducción It doesn't matter how beautiful your theory is, it doesn't matter how smart you are. If it doesn't agree with experiment, it's wrong. Richard P. Feynman Enrique Casarejos Técnicas Experimentales Avanzadas

2 Detección Observación de partículas: transferencia de energía al medio activo del detector conversión de esa transferencia en una señal útil Sistemas de detección son DEDICADOS a la radiación a observar Sensibilidad Observación de partículas: sección eficaz de los procesos de transferencia de energía masa/tamaño del detector ruido del sistema de detección (+ electrónica) barreras de acceso a la zona activa del sistema

3 Sistemas de detección

4 Super-Kamiokande 42 m 39 m 50,000 ton water Cherenkov detector (22.5 kton fiducial volume)

5

6 Detectores Contar Seleccionar tipo de particulas Medir energia / de Medir posicion tracking Medir tiempo de vuelo } complejidad Geiger-Marsden (1910) ATLAS-CERN

7 Detectores forma de observación óptica eléctrica digitalización estadísitica sucesos aislados Ionizacion Centelleo sólidos líquidos gaseosos

8 Detectores de ionización Paso de partículas cargadas por el medio activo, produce efectos observables. Traza de condensación observación directa Transporte de iones/elecctrónes inducción de carga Ópticos cámara Wilson, de burbujas Eléctricos Camara de ionización Contador proporcional Contador Geiger-Muller Multi-wire proportional chamber MWPC Drift chamber < 40 s > 60 s Time projection chamber TPC gaseosos

9 Detectores de ionización Mecanismos de ionización recombinación y attachment resolución en energía Fenómenos de transporte difusión (eq. térmico) campos eléctricos Creación de avalanchas y multiplicación campos E : deriva y mobilidad de carga oonización secundaria

10 Detectores de ionización Camara de ionizacion Contador proporcional Contador Geiger-Muller Detector : geometría, tamaño Gas: mezcla, T, P Radiación

11 Detectores de ionización formación de pulso inducción: movimiento de cargas en un campo Modelo simplificado planos paralelos: Ne Cd chopp-off ( w + w + ) t T t T + Ne t T + : 2 Cd Ne + : ( xo + w t) Cd x o T + ms T µ s

12 Detectores de ionización Geiger-Muller campo eléctrico alto multiplicación independiente tipo/energía partícula (avalanchas townsend en cadena) gas noble + gas quenching quenching electrónico Independiente del tipo de radiación Eficiencia 100% iones alta electrones few % gammas

13 Typical applications of Geiger Muller tubes include the following, which occur in and around nuclear power stations: checking satisfactory performance of shielding ensuring safety of working staff warning of any release of contamination recording exposure levels monitoring environment near nuclear installations detecting hazards for emergency service staff additional applications not specifically associated with nuclear power stations include: external monitoring of fluid levels in processing tanks in the chemical and petroleum industries external monitoring of levels in coal hoppers, smelting furnaces, and liquified gas containers thickness measurement by absorption in paint layers, thin metal sheets, and abrasive layers on 'sand papers' finding cracks or voids in metal or stone tracking the radioactive isotope 'labels' frequently used as tracers in chemistry, agriculture, civil engineering, petroleum engineering, and medicine detecting tracers used for indicating a change of oil in a time-share oil pipe line, or for tracking underground movement of water oil well logging measuring output from nuclear sources in various types of educational experimentation

14 Detectores de centelleo luminiscencia { Fluorescencia ( τ ~ atomic transitions) Fosforescencia / afterglow (τ ~ µs horas) ópticos spinthariscope (Crookes, 1903) : Geiger-Marsden (1910) eléctricos tubos FotoMultiplicadores (Curran-Baker, 1944) acoplo centelleador + PMT Sensibilidad a energía Respuesta rápida en tiempo (ns) Pulse Shape Analysis / Discrimination

15 Detectores de centelleo scintillation principles materiales orgánicos materials inorgánicos J.B. Birks, The Theory and Practice of Scintillation Counting,NY, 1964

16 Detectores de centelleo estructuras cristalinas NaI(Tl) CsI(Tl, Na) Inorgánicos cristales amorfos gases nobles Li(Ce), B-silicatos Orgánicos Propiedades Líquidos Sólidos cristales plásticos Alta eficiencia en conversión Eex en fluorescencia Alta transparencia transmisión a la radiación de fluorescencia Rango emisión compatible con PMTs Pulsos rápidos y tiempos de relajación cortos

17 Detectores de centelleo Tubos FotoMultiplicadores (PMTs) Fotocátodo Semiconductor + metal alcalino Rango espectro útil Sistema de entrada electro-óptico Recolección electrónica eficiente Independencia de posición resolución de tiempo Sección de multiplicación electrónica Dynodos (electródos) Divisor de voltaje ganancia

18 Detectores de centelleo Acoplo centelleador + PMT : generación de pulso Generación de luz N γ = Aexp( t ) + τ f B exp( t τ s ) τ ~ ns N = N(E) V (t) = linearidad amplitud / E (!) GNeR τ τ sci [exp( t τ GNeR t exp( t τ τ sci 2 sci sci ) exp( t τ )] ) τ τ sci τ = τ sci τ = RC I R C V τ << τ sci τ >> τ sci : modo corriente : modo voltaje

19 Detectores de centelleo Tubos FotoMultiplicadores (PMTs)

20 Detectores: caracterización Resolución : tiempo / energía / posición Calibración : tiempo / energía / posición Plateau de trabajo Eficiencia : tipo de radiación, intrínseca, geométrica, total Tiempo muerto : detector y electrónica

21 Detectores: caracterización Resolución en energía Fluctuaciones estadísticas en la formación de los portadores de carga/ deposición de e nergía Ruido del detector y de la electronica asociada Recoleccion/trasmisión incompleta de carga producida Ex.

22 Detectores: caracterización Plateau de trabajo r r V

23 Detectores: caracterización Eficiencia TOTAL de un detector/sistema de detección alcanzar medio activo del detector transferencia de energía al medio activo conversión en una señal útil geometría probabilidad de interacción tipo de radiación ε TOT = ε GEOM ε INTRINSECA

24 Detectores: caracterización Eficiencia INTRÍNSECA de un detector/sistema de detección transferencia de energía al medio activo conversión en una señal útil Eficiencia GEOMETRICA de un detector/sistema de detección radiación debe alcanzar el medio activo del detector En general se calcula por métodos MonteCarlo

25 Detectores: caracterización tiempo muerto

26 setup electrónico lógicas Contar Start/stop medidas de posición, tiempo Trigger Ventanas de lectura, coincidencia, vetos, NIM CAMAC VME analógicas DIGITALIZACION ADC Flash-ADC QDC TDC CAMAC VME

27 setup electrónico

28 HISTOGRAMAS Calibración energía

29 Prácticas Geiger-Muller caracterización, estadística, atenuación, tiempo muerto, eficiencias geométrica e intrínseca Espectrometría gamma calibración energía, eficiencia según energía, atenuación Difusion compton Coincidencia γ - γ Radiación cósmica caracterización, estadística, atenuación, eficiencia, coincidencias2

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