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 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 Ionización Indice 1. Mecanismos de ionización. 2. Perdidas de cargas. 3. Transporte de electrones e iones. 4. Avalancha de Townsend. 5. Tipos de detectores: Cámara de ionización Contador Geiger-Müller: Contador proporcional: detectores de posición 4

Detectores de Ionización 1. Ionización primaria y secundaria X + + part X + part + e + e Mecanismos de ionización + X e + X + e Ionización primaria Ionización secundaria La ionización a lo largo del camino recorrido por una partícula no se genera como pares electrón-ión aleatoriamente distribuidos, sino que aparecen en grupos (clusters) de varios pares. Cada cluster está formado por los pares producidos a partir de una misma ionización primaria. El tamaño del cluster (n t ) es proporcional a la energía liberada en la ionización primaria (ΔE). n t =!E w i!e : Pérdida de energía. w i : Energía media efectiva para producir un par. 2. Efecto Penning Un átomo metaestable se desexcita al colisionar con otro átomo, y la energía liberada provoca la ionización del 2º átomo. Ne * + Ar Ne + Ar + + e 3. Formación de iones moleculares Un ión positivo del gas interacciona con un átomo neutro del mismo tipo para formar un ión molecular. He + + + He He2 5

Detectores de ionización Mecanismos de ionización Número medio de pares creados. Resolución en energía La ocurrencia de las reacciones de ionización es de naturaleza estadística. La energía promedio w requerida para producir un par electrón-ión va a determinar la eficiencia y resolución en energía del detector. La resolución en energía de un detector para una partícula de energía E viene dada por: R = 2.35 F w E F: Factor Fano del gas w: Energía promedio para producir un par electrón-ión E: Energía de la partícula El factor Fano es un valor adimensional < 1, cuyo valor depende del medio de detección. Material w Factor Fano Centelleador 40 ev ~ 1 Si, Ge 3-4 ev ~ 0.1 Mezcla gases nobles 30-40 ev 0.1 0.4 Factor Fano y w para diferentes tipos de materiales 6

Detectores de ionización Pérdidas de cargas Existen mecanismos que tienden a reducir la carga generada: 1. Recombinación de cargas En ausencia de campo eléctrico, las colisiones de los iones positivos con electrones pueden dar lugar a recombinación, debido a la fuerza de atracción electrostática. El exceso de energía se libera a través de un fotón: En los iones moleculares ocurre un proceso similar: 2. Afinidad electrónica + X e X + hν + X + + Y! " XY + h! La tasa de recombinación es proporcional a la concentración de especies positivos y negativos: dn ± dt =!b n! + b : cte. dependiente del gas. n n -,n + : concentraciones de especies positivos y negativos. Algunos gases tienen una gran tendencia a formar iones negativos libres. La energía liberada en este proceso se denomina afinidad electrónica. Ej: de gases electronegativos: O 2, H 2 O, CO 2 e! + Y " Y! + h! n ± ( t) = n0 1+ n 0 bt

Detectores de ionización Transporte de electrones e iones Los fenómenos de transporte de iones y electrones en el gas tienen una gran influencia en el funcionamiento de los detectores de ionización gaseosos, ya que determinan la eficiencia de recolección de los pares. Los más importantes son la difusión y la deriva en un campo eléctrico. 1. Difusión En ausencia de campo eléctrico, los electrones e iones liberados por la radiación incidente se difunden uniformemente a partir de su punto de creación. El proceso de difusión viene descrito por la ley de Fick: D es el coeficiente de difusión, que se puede calcular mediante la teoría cinética de gases, y viene dado por la siguiente expresión: J = D n D = 1 3! v λ: recorrido libre medio v: velocidad media La velocidad media v es la velocidad del electrón (o ión) en un gas en equilibrio térmico. Su valor está determinado por la distribución de Maxwell: v = 8k T! m velocidades típicas a T ambiente: electrones: v - ~ 2 x 10 6 cm/s iones : v + ~ 10 4 cm/s Sólo importa para detectores de posición, aunque no fuertemente: t c ~ 1 μs r D ~ 0.01 1 cm 8

2. Deriva Detectores de Ionización Transporte de electrones e iones En presencia de un campo eléctrico, los electrones e iones son acelerados hacia el ánodo y el cátodo. Su movimiento térmico se ve frenado por las colisiones con las moléculas del gas que limitan su máxima velocidad media, conformando la velocidad de deriva. Iones positivos: la velocidad de deriva depende linealmente del cociente E/p hasta valores del campo eléctrico bastante elevados: u = µ E u : velocidad de deriva Velocidades de deriva típicas: µ : movilidad. electrones: u ~ 10 5 m/s t c ~ μs p p : presión del gas. iones : u ~ 1 m/s t c ~ ms Electrones: la velocidad de deriva es mucho mayor y es, hasta un determinado punto, una función del campo eléctrico. Para gases ideales en equilibrio térmico, la movilidad (µ) y el coeficiente de difusión (D) están ligados por la relación de Einstein: D µ = k T q Para campos eléctricos altos, la energía ganada por el electrón puede ser mayor que su energía térmica. La relación de Einstein sigue siendo válida si se reemplaza el factor kt por la energía media ganada por el electrón. La constante de difusión aumenta, y por tanto también aumenta la dispersión de la nube de electrones. Esto afecta a los detectores de posición, como las cámaras de deriva y las TPCs. 9

Detectores de ionización Avalanchas en gases Bajo un campo eléctrico E grande, el electrón acelerado puede adquirir la energía necesaria para ionizar una molécula del gas. La repetición de este proceso da la avalancha de Townsend. El incremento relativo del nº de electrones en una avalancha se puede expresar en función del primer coeficiente de Townsend (α): dn n =! dx Integrando: n = n 0 e! x donde n o es el núm. inicial de electrones El valor M = n n 0 = exp(! x) representa el factor de multiplicación o ganancia. α depende principalmente de la naturaleza del gas, de su presión y del campo E aplicado. La ganancia M del gas tiene una gran importancia para el desarrollo de los contadores proporcionales. Existe un límite para la ganancia (M<10 8 ó αx<20). Este valor se conoce como límite de Raether, y a partir de él comienzan a producirse fenómenos de descarga en el gas. Se han propuesto varios modelos teóricos para el cálculo de α para diferentes gases:! p #"Bp& = A exp % ( $ E ' (Rose and Korff) electrons ions A,B: ctes. dependientes del gas 10

Detectores de ionización Configuración básica Un cilindro con paredes conductoras que actúan como cátodos, y en cuyo eje se sitúa un hilo conductor que actúa como ánodo. En el interior hay un gas noble (p. ej. argón). Cuando la radiación penetra en el cilindro a través de una ventana, el gas se ioniza. Al aplicar un campo eléctrico, electrones e iones son recolectados en el ánodo y el cátodo repectivamente. Ventana de entrada Detector de ionización gaseoso de un sólo hilo El nº promedio de pares creados en la ionización primaria es proporcional a la energía de la radiación. Dependiendo de la región de operación (rango del voltaje aplicado), se distinguen 3 tipos de detectores: Cámara de ionización. Contador Proporcional. Contador Geiger-Müller. Esquema de un detector de ionización gaseoso de un sólo hilo 11

Detectores de ionización Configuración básica Campo eléctrico en un detector de ionización cilíndrico (1 solo hilo) E threshold E(r)! 1 r Valores típicos: a = 10 μm b = 10 mm. Esquema de un detector de ionización gaseoso de un sólo hilo, con su perfil de campo eléctrico. El campo eléctrico es muy intenso en la vecindad del ánodo (típicamente de varios kv/cm.) è La avalancha se producirá a una distancia de pocas μm con respecto al ánodo. Los electrones generados en la avalancha son recolectados muy rápidamente (~ 1 nseg.) La corriente de salida sólo depende de la energía de la partícula incidente, y no del punto de interacción. J.L. Contreras - UCM 12

Detectores de ionización Nº de iones recolectados en función del voltaje aplicado. 13 13

Detectores de ionización Cámara de ionización Cuando la radiación ioniza el gas, en ausencia de campo eléctrico las cargas generadas tienden a desaparecer por recombinación. A partir de cierto voltaje, el campo eléctrico creado evita que los iones se recombinen con los electrones, de modo que todos los pares son recolectados. La amplitud de la señal es proporcional al nº de iones creados, e independiente del voltaje entre electrodos. El detector aporta información sobre la energía de la radiación incidente. Inconveniente: los tiempos de recolección de los iones son excesivamente largos. La cámara de ionización no sirve como contador de pulsos individuales. Se suele emplear como monitor de radiación. Nº de iones recolectados en función del voltaje aplicado. Además, la amplitud de la señal de salida es bastante pequeña (menos de 1 mv) por lo que debe ser amplificada para poder procesarla posteriormente. 14

Detectores de ionización Cámaras de ionización En Medicina nuclear: Detectan e-/ part cargadas. Rayos X y γ baja energía (baja int ). Conversión en las paredes. e - I Modo corriente, para haces. ( no hay amplificación de carga). Abiertas al aire. Dependencia de la presión atmosférica. I alta irradiación baja irradiación Junto con electrómetros para medir las corriente débiles. V 15

Detectores de ionización Cámara de ionización Monitores de radiación: Cámara de ionización cilíndrica + electrómetro. Bateria Portatil. Miden exposición: dosis/hora. Utilizados en radio-protección Dosímetros: Cámara de ionización cerrada a presión cte. + electrómetro. Actividad de viales. 16

Detectores de ionización Contador Geiger-Muller (1928) A partir de cierto voltaje se producen fenómenos de descarga en el gas, generándose nuevas avalanchas secundarias a lo largo de toda la longitud del ánodo. Las avalanchas secundarias son causadas por los fotones emitidos al desexcitarse las moléculas del gas. La corriente de salida está saturada, y su amplitud es independiente de la energía de la radiación incidente. Este detector sirve como contador de pulsos, pero no da información sobre la energía de la radiación. El factor de amplificación es del orden de 10 10, con una amplitud de salida de ~1 V En general no requiere una amplificación adicional. Para frenar la descarga se requiere un segundo gas (gas de extinción) que absorba los fotones. Se suele utilizar como monitor portátil de radiación. 17 Nº de iones recolectados en función del voltaje aplicado

Detectores de ionización Contador Geiger-Muller Se suele utilizar como monitor portátil de radiación. Protección radiológica. De la exposición Silent Heroes of the Cold War ( Las Vegas 2003)

Detectores de ionización Contador proporcional A partir de cierto voltaje, el campo eléctrico es capaz de acelerar los electrones lo suficiente como para generar ionizaciones en las moléculas del gas. Los electrones secundarios acelerados producen nuevas ionizaciones, con lo que finalmente se genera una avalancha o cascada de ionizaciones. Avalancha cerca del ánodo (~ 1 μm), en t c ~10 ns La corriente de salida del detector es proporcional a la carga generada en la ionización primaria. Este detector, además de actuar como contador de pulsos, aporta información sobre la energía de la radiación. Su alto factor de amplificación (hasta 10 6 ) permite sensibilidades de detección mucho mayores que las obtenidas con la cámara de ionización. La electrónica de amplificación de la cámara proporcional es más sencilla. Nº de iones recolectados en función del voltaje aplicado. Se emplean principalmente en la detección de rayos X y partículas cargadas. Poca aplicación en Medicina Nuclear. J.L. Contreras - UCM 19

Detectores de ionización Formación del pulso (cont. Cilíndrico) La señal detectada en el ánodo se forma por inducción, debido al movimiento de los iones y electrones durante su deriva hacia el cátodo y el ánodo, respectivamente (Teorema de Ramo). Para un detector cilíndrico, la señal inducida se debe casi enteramente al movimiento de los iones positivos, que se desplazan lentamente hacia el cátodo. La contribución de los electrones a la amplitud de la señal es despreciable: V! V + "1% Mediante un circuito diferenciador CR se consigue acortar la duración del pulso, pero conservando su proporcionalidad en amplitud. Aumenta la velocidad de recuento del detector. V - V + V(t) ~ 1 ns ~ 500 μs Señal inducida por los e- Señal inducida por los iones + Pulso de un contador proporcional cilíndrico Pulsos obtenidos al utilizar un circuito diferenciador CR, para 2 valores diferentes de La cte. de tiempo τ τ = J.L. Contreras - UCM 20 t

Detectores de ionización Contadores proporcionales de posición Cámaras Multihilos Proporcionales: (MWPC G. Charpak, Nobel 1992) Cada hilo se comporta como proporcional es sus cercanías (separación ~2 mm) Posición por avalancha cerca de un hilo. Δx ~1 mm, Δt ~ 30 ns Posición XY por inducción en cátodos rectangulares Cámaras de Deriva: Posición a partir de velocidad de deriva controlada: u = 5 cm / μs Δx ~ 0.1 mm Cámaras de Proyección temporal: Trazas 3D usando deriva + MWPC. Id. Partículas con de/dx

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

Detectores de Centelleo Indice 1. Características generales 2. Centelladores orgánicos 3. Cristales inorgánicos

Detectores de Centelleo Características generales centelleador Fotosensor tiempo V acoplamiento óptico V Centelleador: absorbe la energía (toda o parte) de la partícula convirtiéndola en radiación visible (UV próxima-visibe). E partícula E cinet. elect. fotones. Fotosensor: fotomultiplicador (PMT) o fotosensor de estado sólido, que genera una señal eléctrica (impulso) de amplitud proporcional a la señal luminosa de entrada. Acoplamiento óptico: dirige la luz del centelleador al fotosensor 24

Detectores de Centelleo Luminiscencia Luminiscencia: Absorción de energía y reemisión en el visible Fluorescencia: t reemision < 10-8 s Fosforescencia: t reemision >10-8 s. (Estado metaestable t reemision : microsegundo a horas) Requisitos del detector: a) Alta eficiencia en conversión de la energía de excitación en radiación visible. b) Transparencia a su propia radiación visible. c) Emisión en un rango espectral en el que el fotosensor sea eficaz. d) Cte de desintegración pequeña. 25

Detectores de Centelleo Singletes Centelleadores orgánicos S 2 Tripletes S 1 P. Ionizante Fluorescencia Fosforescencia S 0 Orgánicos: C x H y. La partícula ionizante excita estados singletes. Transferencia colisional a los tripletes. Desexcitación en la zona del visible. Emisión en bandas espectrales muy anchas. Vida media: fluorescencia ~ 1-10 ns (alta resolución temporal, RC t c ), fosforescencia ~ 1 μs - 1 ms Espectro de λ: fluorescencia ~ 400 nm, fosforescencia ~ 500 nm Baja σ fot : poco eficientes para rayos γ. Más usados con partículas cargadas. Distintas estructuras: las molec. individuales emiten luz distintas formas del centelleador: Plásticos, líquidos, cristales orgánicos. 26

Detectores de Centelleo Características: Plasticos centelleadores Disolución centelladores orgánicos + disolvente orgánico sólido. t c ~3-4 ns. Rendimiento luz hasta ¼ NaI. Bajo Z Energía de excitación absorbida por el disolvente pasa al soluto reemitirá la luz para la cual el disolvente es transparente. Solutos: p-therfenil (C 18 H 14 ), PBD (C 20 H 14 N 2 O), etc Disolvente: poliviniltoluenopolifenilbenceno, poliestireno,.., Posibilidad introducir otros materiales para mejora algunas características: POPOP (C 24 H 16 N 2 O 2 ) Modificación de longitud de onda. Fácil mecanizado: Planchas, bloques, etc Fibras centelleadoras: cetellean y transmiten la luz al fotosensor 27

Detectores de Centelleo Centelleadores inorgánicos banda de conducción part. ionizante Niveles del dopante fotón de centelleo Inorgánicos: Cristales dopados. La partícula ionizante eleva electrones de la banda de valencia a la de conducción. Los huecos (+) migran hasta alcanzar átomos del dopante, ionizándolo. Cuando un electrón llega a un ión lo neutraliza y cae al estado fundamental emitiendo radiación visible (UV). Vida media: en el rango del μs. Espectro de λ típico: 400 ± 50 nm Alta σ fot : eficientes para rayos γ. Espectroscopia γ (RC >> t c ) Ejemplos: banda de valencia 28

Detectores de Centelleo Centelleadores inorgánicos Z é 1) Amplitud relativa usando PMT (100 es el máximo) 29

Detectores de Centelleo Aplicaciones de los centelleadores centelleador fotomultiplicador V acoplamiento óptico C R - Detección de partículas individuales (e -,γ,...) - Medida del tiempo de paso. - Medida de energía (espectroscopía) 30

Detectores de Centelleo Aplicaciones de los centelleadores Los centelleadores inorgánicos (ejemp. NaI) se pueden emplear para espectroscopía de rayos γ. Son relativamente lentos (~ μs) Los centelleadores orgánicos (ejemp. plásticos centelleadores como NE102A) son útiles para electrones. Son muy rápidos (~ ns) 31

Detectores de Centelleo Resolución en energía Resolución: R = 2.35 F w E FWHM w ~ 30 ev, F ~1 Respuesta lineal: dl dx! de dx Fuentes adicionales de ensanchamiento: E 0 E Fluctuaciones en la conversión y multiplicacion de portadores de carga en los fotosensores Variación de la eficiencia del centelleador en su volumen activo 32

Detectores de partículas Propiedades generales (1.5 h) Técnicas de Montecarlo (0.5 h) Detectores de radiaciónes ionizantes (2 h) Cámaras de ionización Detectores de centelleo Detectores de estado sólido Fotosensores (1 h) Fotomultiplicadores Detectores de estado sólido Técnicas de detección (1 h) Espectroscopía con centelleadores Detectores de trazas Calorímetros Detectores combinados (LHC) 33

Detectores de Semiconductor Indice 1. Características generales. 2. Unión p-n. 3. Compensación. 4. Propiedades. 5. Aplicaciones: 34

Detectores de Semiconductor Características generales Banda conduc. Energía Banda valenc. Gap Energ. Aislante 6 ev 1 ev semiconductor metal Banda de valencia: electrón fijo en la red. Banda de conducción: electrón se mueve libremente Semiconductor: conducción por electrones y huecos 35

Detectores de Semiconductor e - de valencia Intrínseco Características generales e - libre La agitación termica crea pares e - h hueco e - libre Dopado El dopado crea portadores libres hueco As, P, Sb tipo n (donante) 36 Ga, B, In tipo p (aceptor)

Detectores de Semiconductor Características generales Tipo n Nivel de impureza donadora Nivel de Impureza aceptora Tipo p Podemos controlar fácilmente las propiedades de un semiconductor mediante el dopado. Bastan concentraciones muy pequeñas ( ~1 ppm) La concentracion de dopantes es mayor que la de electrones que habría en la banda de conduccion en un semicond. intrinseco la densidad de portadores de carga negativa estará dominada por la de dopantes n p Unión p-n + + + + + + + + - - - - - - - - 37

Detectores de Semiconductor Características generales Ion donante e n Ion aceptor p h + + + + - - - - Unión p-n + + + + E - - - - Zona libre de cargas móviles Región activa de detección En la unión p-n se crea una zona de carga espacial. La carga creada por una partícula cargada puede recogerse 38

Detectores de Semiconductor n Características generales p + + + + + + + + - - - - - - - - { + Zona de vacio - de carga E e E h V 0 = Potencial de contacto~ 1 V 39

Detectores de Semiconductor Características generales n Zona de vacío p E + - Polarizando una unión p-n en inversa se amplía la zona activa de detección E mas inteno para mejor recogida de carga C mas pequeño para pulsos más cortos 40

Detectores de Semiconductor Recombinación Características generales Transición e - de conducción banda de valencia tiene muy baja probabilidad (~ prohibido conservación E y P! ). Posible por medios de impurezas que actúan como centros de recombinación. Centro de recombinación modifica la estructura de niveles (niveles accesibles en la zona prohibida). El electrón en la banda de conducción cae a uno de estos niveles tras lo cual: a) vuelve a la banda de conducción (pequeña ΔE) b) cae a la banda de valencia capturando un hueco (aniquilación e - - hueco) En todos los semiconductores existen inevitablemente impurezas que actúan como centros de recombinación. También se pueden introducir artificialmente. Centro de recombinación 41

Detectores de Semiconductor Tipos de detector Tamaño de la zona activa: d = 2!V en Aumentar región activa reducir irregularidades en las impurezas (N D o N A ) previas al dopado, de dos formas: Materiales ultrapuros Detectores HPGe. Enfriarse para reducir ruido. Compensarlas con Litio (N D = N A ) Detectores Si(Li) Zona de compensación 10-15 mm Deben enfríarse para reducir el ruido. Ge(Li) Zona de compensación 15-20 mm Deben refrigerarse ( N 2 líquido ) incluso si no se usan 42

Detectores de Semiconductor Los detectores de semiconductor funcionan como cámaras de ionización Energía depositada formación de pares e - h + Deriva de la cargas en el campo eléctrico (v = μe) Recolección de la carga Resolución: R = 2.35 F w E Son sólidos cristalinos semiconductores Propiedades Material Z Densidad(gcm -3 ) GAP (ev) w(ev) μ(cm 2 /V s) Si(300K) 14 2.33 1.12 3.62 1350 e 480 h Ge(300K) 32 5.33 0.665 2.96 3900 e 1900 h Baja energía de ionización Mayor producción de carga y mejor resolución en energía Densidad Volumen menor y mayor poder de frenado Z Mayor sección eficaz para los fenómenos de interacción Propiedades eléctricas Rápida velocidad de respuesta buena recolección de carga Los detectores de semiconductor además de una medida de la energía depositada, una permiten también una medida precisa de la posición y de la traza de las partículas 43

Detectores de Semiconductor Aplicaciones Espectroscopía de rayos γ : Excelente resolución Gran capacidad de absorción (Ge) Detectores de posición: Detectores de micropistas de Si Detector de posición en XY 44