Introduction ( très rapide) aux techniques de détection en
physique des particules
Très grand nombre de particules différentes (gerbe cosmique)
e- (q ≠ 0), (q ≠ 0), p (q ≠ 0), n (q = 0), (q ≠ 0), (q = 0), ± (q ≠ 0), . . .
Même si q = 0 les particules sont toujours (presque) détectées par la
présence d’une charge électrique (directe ou indirecte) associée.
Excitation et Ionisation des particules chargéesExcitation et Ionisation des particules chargées
ChargedParticle
Free Electron
Electric Field
IonIonization
Le passage d’une particule chargée près d’un atome ionise celui-ci ou Le passage d’une particule chargée près d’un atome ionise celui-ci ou produit une excitation qui est suivie par une émission Electromagnétiqueproduit une excitation qui est suivie par une émission Electromagnétique
Interaction a courte distance
Interaction a longue distance
Une particule chargée lourde cède une fraction de sonUne particule chargée lourde cède une fraction de sonénergie aux électrons du milieu de façon continueénergie aux électrons du milieu de façon continue. .
BetheBloch
Bethe – Bloch FormulaBethe – Bloch Formula
v/c
in drift chambergas
e
Minimum d’ionisationMinimum d’ionisation ~ 2MeV cm~ 2MeV cm22/g/g
Séparation
Pas de séparation
Rayonnement électromagnétique par des particules Rayonnement électromagnétique par des particules chargéeschargées
Rayonnement primaire -> cohérent
-> non isotrope
Bremsstrahlung ou Cyclotron (freinage accélération )
Rayons X
Anodee
Perte d’énergie des électronsPerte d’énergie des électrons
Particule chargée
Rayonnement Cerenkov : émission du milieu
1 2 3 4
VVparticuleparticule > V > Vlumière dans milieulumière dans milieu
Front d’onde (Interférence constructive)
• Particule chargée• Milieu transparent
OP
A
particle trajectory
cn
t
ct
n = cvL
= vP
c
Dans l’eau pour des particules relativistes
Nombre de / cm est environ N = 490 sin2 θ
cm dans l’H2O (dans le visible : 400 < λ < 700 nm)
Effet Cerenkov produit par les électrons dans une centrale nucléaire
Rayonnement secondaire : Scintillation
-> Rayonnement décalé dans le temps
-> Non cohérent et isotrope
Utilisés au début du siècle dans les expériences de diffusion de particules (écran de ZnS par Crookes en 1903 et Geiger Marsden )
Couplé à un photomultiplicateur à partir de 1944.
Interaction du rayonnement électromagnétiqueInteraction du rayonnement électromagnétique
Effet photoélectrique
Section efficace (probabilité) ~ Z5
Ephotoelec = E – E couche atom 2ZCompton
Interaction du rayonnement électromagnétiqueInteraction du rayonnement électromagnétique
Effet Compton : + e
Diffusion des sur des électrons quasi stationnaires
ZCompton
Interaction du rayonnement électromagnétiqueInteraction du rayonnement électromagnétique
Création des paires
(E = m c2)
2ZPaires
E > 2 x me ( 1.022 MeV)
Détecteurs Détecteurs àà gaz gaz
A proximité de l’anode le champ peut atteindre 104 − 105 V/cm. C’est cet endroit que la multiplication des ´électrons a lieu.
Le facteur de multiplication peut atteindre 106
Modes de fonctionnement d’un détecteur Modes de fonctionnement d’un détecteur àà gaz gaz
MWPC => G. Charpak
Détecteurs Détecteurs àà scintillation scintillation
• Une radiation incidente provoque la création d’une paire électron-trou (trou dans la bande de valence et l’électron dans la bande de conduction).• Le trou se propage dans la bande de valence jusqu’à ce qu’il ionise une impureté.• L’électron se propage dans la bande de conduction jusqu’à être capté sur un niveau excité d’une impureté ionisée.• Une transition radiative se produitLorsque l’impureté se désexcite.
Mécanisme scintillation. Scintillateur non organique
Spectre d’émission des scintillateurs non organiquesSpectre d’émission des scintillateurs non organiques
Alcalins
•NaI(Tl) : 25 eV/photon•CsI(Tl)•CsF2•CsI(Na)•KI(Tl)•LiI(Eu)
Non alcalins
• BGO (Bi4Ge3O12) : 300 eV/photon• BaF2• ZnS(Ag)• Zn0(Ga)• CaWO4• CdWO4•
~500 ns•Bon rendement•Grand Z , grande densité => meilleure absorption
< 10 ps
ns
Mécanisme scintillation. Scintillateur non organique
Etat vibrationnel
L’état fondamental est un état Singulet S0
L’excitation peut porter l’électron dans un état Singulet ou Triplet excité.
Les états Singulets se désexcitent rapidement par dégradation interne puis par fluorescence en 10-8 s
Les états Triplets se désexcitent par collision moléculaires en états Singulet excité puis par phosphorescence (s)
Wave length shifter
Dectection de la lumière de scintillation Le Photomultiplicateur
Photomultiplicateur
e
EffetPhotoelectrique
e
EffetPhotoelectrique
e
n e
• Efficite Quantique de la photocathode:
10 – 30 %
• Amplification:
jusqu'a 107
Nombre d’électrons produits Nombre de photon incidents
Nombre d’ e sortant a l’anode pour un e entrant a la première dynode
Application Application àà la Roue Cosmique la Roue Cosmique
Scintillateur plastiqueScintillateur plastique
Photomultiplicateur
V ns
Discriminateur
Principe de coïncidence
50 ns
Distribution angulaire
PM
Barre plexiglassou tube PVC + eau
muonmuon
Lumière Cherenkov
Comptage
Faible comptage
Sens des muons
y = 221,04e-0,4456x
R2 = 0,9169
0
50
100
150
200
250
0 2 4 6 8 10 12
Série1
Exponentiel (Série1)
= 2.24 s
s
Vie moyenne du muon
Scintillateur PM
e e + e +
~ 10s
PMScintillateur/eau
~ 10s
PMScintillateur/eau
stop
e
t
e
stop