Detectores de Partículas

Detectores de Partículas Física de Astropartículas Master de Física Fundamental Juan Abel Barrio, Curso 12/13 Universidad Complutense de Madrid 1

Detección de radiación Radiación Detector Señal Amplificación Normalmente Eléctrica Electrónica Digitalización Energía Análisis Fernando Arqueros, Jose Luis Contreras, Juan Abel Barrio 2

Detectores de partículas Propiedades generales (1.5 h) Técnicas de Montecarlo (0.5 h) Detectores de radiaciones ionizantes (2 h) Cámaras de ionización Detectores de centelleo Detectores de estado sólido Fotosensores (1 h) Fotomultiplicadores Fotosensores de estado sólido Técnicas de detección (1 h) Espectroscopía con centelleadores Detectores de trazas Calorímetros Detectores combinados (LHC) 3

Detectores de partículas Propiedades generales (1.5 h) Técnicas de Montecarlo (0.5 h) Detectores de radiaciones ionizantes (2 h) Cámaras de ionización Detectores de centelleo Detectores de estado sólido Fotosensores (1 h) Fotomultiplicadores Fotosensores de estado sólido Técnicas de detección (1 h) Espectroscopía con centelleadores Detectores de trazas Calorímetros Detectores combinados (LHC) 4

Índice Radiación Sensibilidad. Detector Señal Respuesta a partículas: Modos de operación Instrumentación Respuesta en energía: Resolución. Eficiencia Respuesta temporal: Tiempo muerto. 5

Sensibilidad Sección eficaz del proceso (s) de detección. Tamaño Tipo partícula Cargadas Neutras Neutrinos Ruido 6

Respuesta a partículas sólido Medio de interacción líquido gas e - e - Q: Cada partícula individual (α, e-, ) libera pares de portadores de carga (e-, ión, hueco, ) t i : tiempo de interacción es muy breve ns (gases), ps (liquidos y sólidos) e - / ión t c : tiempo de colección de carga breve (ns μs) detección de partículas individuales Medida de la carga liberada 7 directa / amplificada luz de centelleo carga

Respuesta a partículas Respuesta a una partícula individual i(t) t c Q =! i(t)dt " E 0 t c Respuesta a una sucesión de partículas tiempo i(t) tiempo Tren de impulsos eléctricos individuales detección de partículas individuales 8

Modos de operación Corriente (eléctrica): Medida del flujo de partículas T >> t c e - e - i I(t) = 1 T t " i(t')dt' t!t Promedia las fluctuaciones en un intervalo de tiempo T = tiempo de respuesta del detector Aplicación: Dosimetría i(t) T tiempo 10

Modos de operación Impulso (Tensión): Detección de partículas individuales Caso a): RC << t c e - e - C R V(t) γ τ = RC del detector + electrónica Aplicación: i(t) t c t = c Q i( t) dt 0 Medida de tiempos Medida con fondo reducido V(t) tiempo V(t) = R x i(t) tiempo 11

Modos de operación Impulso (Tensión): Detección de partículas individuales Caso b): RC >> t c e - e - C R V(t) = RC del detector + electrónica Aplicación: i(t) t c t = c Q i( t) dt 0 Espectros de energía V 0 = Q / C = H tiempo V(t) V α e -t/rc 12 tiempo

Modos de operación Impulso (Tensión): Detección de partículas individuales Caso b): RC >> t c V dh H espectro de amplitudes = espectro de energía tiempo N 0 = número total de impulsos = dn N0 dh 0 dh dn dh dh amplitud H 13

Instrumentación Fuente de tensión e - e - C R V(t) γ τ = RC del detector + electrónica Detector Preamplificador Amplificador Digitalizador Contador 15

Instrumentación Detector Señal (V) Duración (µs) NaI 10-1 1 0.25 Cent. Liq. 10-2 10-1 10-2 Cent. Plast 10-1 10-2 Semicond. 10-4 10-3 10-1 1 Gas proporc. 10-3 10-2 10-1 1 Geiger 1 10 50 300 16

Instrumentación Preamplificador Funciones Amplifica la señal Acopla impedancias Da forma a la señal Reduce el ruido de cables Reduce capacidades parásitas Voltaje: V in Carga: Tipos V in -A C in R 2 R 1 -A V out,0! " R 2 R 1 V in,0 R f C f V out V out V out,0! Q C f ; V out! V out,0 e " t R f C f 17

Instrumentación Amplificador Funciones Amplificar la señal Mejorar los pulsos C V in R V out C 1 x1 R 2 V in R1 C 2 V out 18

Instrumentación Otros módulos Single Channel Analyzer Multi Channel Analyzer V dh H Time Amplitude Converter tiempo Analog to Digital Converters dn dh Time to Digital Converters Unidad de Coincidencias dh amplitud H 19

Respuesta en energía Importante para detectores que miden energía Relación entre la energía de la partícula y la señal de salida (tamaño del pulso). Linealidad dn dh dh amplitud H S( E) R( H E)dE F ( H) =, Distribución amplitudes Señal Respuesta del detector 21

Respuesta en energía Resolución en energía Anchura a media altura Si un haz mono-energético incide Sobre un detector FWHM = ( diver. contrib.) 2 FWHM = 2.35 σ H 0 H E Resolución: R = FWHM H 0 R se expresa habitualmente en % 22

Resolución en energía Respuesta en energía Normalmente la partícula cede su energía al detector en muchas interacciones semejantes (ionización ), de carácter Poissoniano E = Energía total depositada w = Energía suceso elemental N = E w Número de procesos elementales Poisson:!N = N " R # 2.35!N N = 2.35 1 N = 2.35 w E No - Poisson:!N = F N " R # 2.35 F N ; F $1 Factor de Fano 23

Eficiencia de detección No todas las partículas interaccionan con el detector y son medidas.! tot = Num. partículas observadas Num. partículas emitidas por la fuente = N o N e Se puede desglosar en varias componentes. Geométrica Intrínseca. En ventana de energía. N e = N o! tot tot ε geo En la fuente (absorción y dispersión). ε ε int ε ener 25

Eficiencia de detección Eficiencia geométrica! geo = Partículas que atraviesan el detector Partículas emitidas por la fuente! geo " A 4# r 2! r 26

Eficiencia de detección Eficiencia geométrica En general: ε geo 1 Ω 4 π det Ω det = det 1 r 2 u ds r = u r r r Para un área circular, no muy lejos:! u r d! s θ ε 1 geo cosθ 2 ( 1 ) 27

Eficiencia intrínseca! int = Eficiencia de detección Partículas que interaccionan en el detector Partículas que atraviesan el detector Para un detector de γ ε = 1 int e µ l ( E ) x Probabilidad de interacción: µ l ( E) Depende mucho de E 28

Eficiencia de detección Eficiencia en ventana de energía (de pico)! pico = N. part. en rango energías seleccionado N. part observadas Habitual en medida de γ: ventana = pico = energía total ε pico dn dh H 29

Complicaciones Eficiencia de detección Detectores inhomogeneos: ε tot ε geo ε int ε ener Radiaciones emitidas en coincidencia. Aparecen picos extra, combinatorios. Es necesario un análisis que lo corrija Atenuación y dispersión fuera del detector. Análisis complejo. Calibración para corregir. Ventanas de entrada finas 30

Eficiencia de detección 31

Eficiencia de detección Fuentes de calibración Permiten medir la eficiencia experimentalmente. Radiación similar (E, tipo) a la que se mide: Haz de partículas. Fuentes radiactivas con vida media larga. 32

Otros aspectos Eficiencia de detección En general podemos estimar las eficiencias usando simulaciones Monte Carlo ε MC = Num. partículas aceptadas Num. partículas generadas Incertidumbre en la eficiencia: Distribución binomial Δε = ε ( 1 ε ) N 33

Tiempo Muerto Tiempo muerto τ = Tiempo mínimo entre dos sucesos consecutivos necesario para ser registrados como partículas diferentes. τ 0 Pérdidas por tiempo muerto n = número verdadero de sucesos m = número registrado de sucesos Dos casos: paralizable m = 4 n = 7 tiempo m = 5 no paralizable 35

Tiempo Muerto 36

Tiempo Muerto R t = ritmo verdadero de sucesos R 0 = ritmo registrado de sucesos Ritmo sucesos reales Ritmo sucesos medidos Fracción tiempo muerto R t = R 0 + R 0!!! R t R 0 = Ritmo sucesos perdidos no paralizable R t 1 + R t! n = 7 tiempo m = 5 T 37

Tiempo Muerto Medida de tiempo muerto Electrónico Con un generador de pulsos. Físico Usando dos fuentes midiendo por separado (R 1, R 2 ) y conjuntamente (R 12 ) : τ = f ( R, R, R ) 1 2 12 Distinta paralizable o no paralizable 40

Tiempo Muerto Medida del R t Podemos medir R t = ritmo verdadero de sucesos directamente de los datos Representamos la separación temporal entre sucesos consecutivos ( τ ) R t τ > = e P t Entonces R t es la pendiente de la recta En escala logarítmica. 41

Bibliografía Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments, W.R. Leo. Radiation Detection and Measurement G.F. Knoll. Review of Particle Physics http://pdg.web.cern.ch/pdg/pdg The Particle Detector BriefBook http://rd11.web.cern.ch/ RD11/rkb/titleD.htm R. Bock 42