Detectores de Partículas. Thiago Tomei IFT-UNESP Março 2009
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1 Detectores de Partículas Thiago Tomei IFT-UNESP Março 2009
2 Sumário Modelo geral de um detector. Medidas destrutivas e não-destrutivas. Exemplos de detectores. Tempo de vôo. Detectores a gás. Câmara de ionização. Contador proporcional. Geiger-Muller. Multiwire proportional chamber. Cintiladores. Detectores de estado sólido. Outros detectores. 19/03/09 Partículas I, Thiago Tomei 2
3 Modelo Geral de um Detector Objetivo: interação da partícula com detector sinal macroscópico. Sinal elétrico. Sinal luminoso conversão para elétrico. Princípio: aparição de carga Q no volume sensível do detector. Aplicação de campo E deslocamento da carga corrente i(t) coleta da carga em tempo t C. t Formação de sinal i(t). C 0 i t dt=q 19/03/09 Partículas I, Thiago Tomei 3
4 Modelo Geral de um Detector Dois modos principais de operação. Modo de corrente: medida direta do sinal i(t). Usado principalmente quando se deseja detectar uma taxa média de ocorrência de eventos. Modo de pulso: medida de V(t). Usado principalmente quando se desejadetectar evento por evento. Um evento ~ um pulso. 19/03/09 Partículas I, Thiago Tomei 4
5 Medidas Destrutivas Exemplo: medida direta da energia da partícula. Partícula deposita toda a energia no material. Diferentes processos dependendo da energia. Todos os descendentes ou são absorvidos ou escapam. Nenhuma partícula com a ''identidade original''. Formação de chuveiros. 19/03/09 Partículas I, Thiago Tomei 5
6 Medidas Não-Destrutivas Exemplo: medida do momento através do raio de curvatura. Partícula ioniza o material em regiões localizadas do espaço. R= p T qb Partícula mantém sua identidade quase intacta durante o processo. 19/03/09 Partículas I, Thiago Tomei 6
7 Exemplos de Detectores
8 Tempo de Vôo Medida de tempo de vôo da partícula através de distância conhecida. Pode ser convertida em medida de massa, com ajuda de dispositivo de traço: m= p c c2 t 2 L 2 1 onde p e L são o momento e o comprimento de arco da trajetória medida. Diagrama do detector de tempo de vôo do CDF-II, FNAL. 19/03/09 Partículas I, Thiago Tomei 8
9 Detectores a Gás Partícula carregada atravessando meio gasoso. Ionização do gás. Ionizações primária e secundária. Número de íons primários ~ energia da partícula. Elétrons coletados através de campo E aplicado. Coleta incompleta: recombinação, captura de elétrons. Diferentes modalidades: Câmara de ionização. Detector proporcional. Contador Geiger-Muller. 19/03/09 Partículas I, Thiago Tomei 9
10 Câmara de Ionização Usualmente operada em modo de corrente. Radiação estacionária R Taxa de ionização I = f(r). Recombinação / captura. Coleta incompleta. Aumento do campo E aumento da coleta. Valor crítico de E. Saturação iônica. Corrente de ionização i é proporcional à taxa R. 19/03/09 Partículas I, Thiago Tomei 10
11 Aumento do campo E. Contador Proporcional Ionização passa a gerar avalanches de elétrons. dn n Variação de número de elétrons / unid. comprimento: = dx n x =n 0 e x Geometria cilíndrica região de campo intenso muito pequena. Magnitude do pulso ~ número de íons primarios. 19/03/09 Partículas I, Thiago Tomei 11
12 Contador Geiger-Muller Raio da região de descarga. Campo elétrico mínimo para formação de descarga. Aumento do campo E. Avalanches passam a gerar outras avalanches. Reação em cadeia descarga Geiger. Descarga termina devido a acúmulo de íons positivos no anodo. Altura do pulso depende apenas da tensão aplicada. Proporcional à sobrevoltagem. 19/03/09 Partículas I, Thiago Tomei 12
13 Multiwire Proportional Chamber Aprimoramento do contador proporcional. Geometria: Plano de fios (anodos) paralelos entre dois planos catodos. Ionização elétrons e íons vão em direções distintas. Cada fio age como um contador proporcional + sinal em um único fio. Medida simultânea de energia e posição. 19/03/09 Partículas I, Thiago Tomei 13
14 Multiwire Proportional Chamber Exemplo de Multiwire Proportional Chamber. 19/03/09 Partículas I, Thiago Tomei 14
15 Materiais Cintiladores Material cintilador é aquele que emite luz quando da passagem de uma partícula. Características desejáveis: Conversão da energia cinética da partícula em luz detectável de maneira eficiente. Luminosidade proporcional à energia depositada. Transparente à luz emitida por ele mesmo. Tempo de emissão da luz deve ser curto. Boa qualidade ótica e facilimente manufaturável. Índice de refração próximo ao do vidro para acoplar com um sensor de luz. 19/03/09 Partículas I, Thiago Tomei 15
16 Cintiladores Orgânicos Materiais com estrutura molecular do tipo -elétron níveis de energia com estrutura fina. Níveis S(n,m) (singletos) e T(n,m) (tripletos). Excitação: S(0,0) para S(1,m). De-excitação: S(1,m) para S(1,0): degradação interna (~ ps) S(1,0) para S(0,m'): fluorescência (~ s) Passagem por T(1,0): fosforescência (~ ms). 19/03/09 Partículas I, Thiago Tomei 16
17 Cintiladores Inorgânicos Materiais cristalinos com estrutura de bandas Valência, condução e proibida. Dopagem sítios ativadores. Conduction band Scintillation photon Valence band Activator excited states Activator ground state Preenchimento parcial da banda proibida com níveis discretos. Fóton par elétron-lacuna. Lacuna migra para sítio ativador e o ioniza. Elétron migra para sítio ionizado e o coloca em um estado excitado. De-excitação fluorescência. 19/03/09 Partículas I, Thiago Tomei 17
18 Detectores de Estado Sólido Semicondutores apresentam estrutura de bandas com bandgap muito pequeno. É possível ''dopar'' o semicondutor para que ele se torne um condutor. Substituem-se átomos do cristal por átomos de outro material que seja: ''Doador'' de elétrons (fósforo): semicondutor tipo N. ''Receptor'' de elétrons (boro): semicondutor tipo P. O tipo do dopante determina se os principais portadores de carga serão elétrons (pretos) ou lacunas (brancos). 19/03/09 Partículas I, Thiago Tomei 18
19 Detectores de Estado Sólido Combinação de um semicondutor P com um N junção PN popularmente conhecida como diodo. Na junção elétrons (lacunas) migram para o lado P (N), deixando cargas imóveis atrás de si. O efeito final é a existência de carga negativa (positiva) do lado P (N). Criação de região depletada na junção, sujeita a um campo E e uma tensão ~ 0.6 V. Para uso como detector: aplicação de tensão reversa. Aumento da região depletada age como capacitor dependente da tensão aplicada. Passagem de partícula carregada criação de pares elétron / lacuna corrente de ionização. 19/03/09 Partículas I, Thiago Tomei 19
20 Detectores de Estado Sólido Detectores construídos a partir de grandes números de pequenas unidades (wafers) de junções PN. Um conjunto dessas unidades, cobrindo uma grande área, possibilita a medida da posição da partícula. 19/03/09 Partículas I, Thiago Tomei 20
21 Outros Detectores Detectores baseados em radiação de transição e radiação Cherenkov. Radiação Cherenkov: velocidade da partícula > velocidade de fase da luz no meio. cos C = 1 n Radiação de transição: partícula passa por interface entre meios com diferentes índices de refração. I = z2 e 2 p 3c Usados para medir velocidade das partículas. 19/03/09 Partículas I, Thiago Tomei 21
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