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1Pascal Vincent – LPNHE Cargèse – 25 au 31 mars 2007
Ecole des techniques de basedes détecteurs
Pascal VincentUniversité Pierre et Marie Curie
LPNHE, Paris
Cargèse – 25 au 31 mars 2007
3Pascal Vincent – LPNHE Cargèse – 25 au 31 mars 2007
Types de détecteurs
● On peut les classer suivant :
– L’interaction – Le milieu détecteur– La fonction attendue pour la physique
(mesure de grandeurs physiques)
4Pascal Vincent – LPNHE Cargèse – 25 au 31 mars 2007
Suivant la fonctionLa position :
Les scintillateursCompteurs proportionnelsChambres à dériveLes dét. à radiation de transitionChambre a déchargesLes émulsions nucléaires Les semi-conducteurs
Energie et impulsion :Les scintillateurs photomultiplicateursLes semi-conducteurs bolomètresDétecteurs CherenkovCalorimètres et spectromètres (champs magnétiques)
Identification :Imageurs CherenkovLes chambres d’ionisationSystèmes
Comptage :Les Geiger MullerCompteurs CherenkovLes scintillateurs photomultiplicateurs
6Pascal Vincent – LPNHE Cargèse – 25 au 31 mars 2007
Chambre d'ionisation
∫+−=∆
dxx
xdx
dxdEEIonisation d’un milieu gazeux :
Sur une distance de détecteur dx une particule chargée perdra une énergie ∆E.
cette particule ionise le milieu et le nombre moyen de charges positives et négatives créées dépend du potentiel d’ionisation W caractéristique du milieu :
Gaz
oo enQWEn −=⇒
∆=+
++
++
++
+
--
--
--
--
33,8BF3
26,6Argon35,0AirW (eV)Gaz
CathodeAnode
7Pascal Vincent – LPNHE Cargèse – 25 au 31 mars 2007
Mesure de la position dans une chambre proportionnelle
ParticuleChargée
+ + - - - + + + - - + + + - - -
+U0
Rrc ra
Cathode
Anode SignalAnode
Cathode
Mesure
8Pascal Vincent – LPNHE Cargèse – 25 au 31 mars 2007
Mesure de la position dans une chambre proportionnelle
• Contrairement aux chambres d’ionisations, le champs électrique dans la chambre n’est pas constant.
• Aux voisinages de l’anode le champs diverge. La particule est fortement accélérée. Elle gagne de l’énergie.
rUrE 1)( 0 ⋅∝
+ + - - - + + + - - + + + - - -
+U0
R
ParticuleChargée
Signal
ra
ri
r0
rr
rFEqFam 1)( ∝⇒==
9Pascal Vincent – LPNHE Cargèse – 25 au 31 mars 2007
Mesure de la position dans une chambre proportionnelle
EAneQ
∝⋅⋅−= 0
Le facteur A est le facteur de multiplication de la chambre. Une formule empirique est donnée par la relation :
V
iaiia
eAKrrpr
VVrr
VA ∝⇒
−
∆
= ln)ln(
ln2ln)ln(
ln
10Pascal Vincent – LPNHE Cargèse – 25 au 31 mars 2007
Mode d’avalanche• Lorsque la tension augmente l’avalanche se développe dans
tout le volume de la chambre : mode Geiger-Muller
• La charge collectée ne dépend plus de l’énergie de la particule incidente. Le mode Geiger-Muller permet un comptage des particules.
• Un mode déclenché permet de retrouver cette proportionnalité (chambre à dard « streamed chamber »).
11Pascal Vincent – LPNHE Cargèse – 25 au 31 mars 2007
Détecteurs à gaz
Les différents modes de fonctionnement d’une
chambre à gaz en fonction de la tension
appliquée
12Pascal Vincent – LPNHE Cargèse – 25 au 31 mars 2007
Evolution des chambres
1 points dans l’espaceCompteurproportionnel
« n » points
Chambre multi-fils proportionnel : MWPC
13Pascal Vincent – LPNHE Cargèse – 25 au 31 mars 2007
Chambre multi-fils
meilleur résolution spatiale : méthode de reconstruction barycentrique.
15Pascal Vincent – LPNHE Cargèse – 25 au 31 mars 2007
La chambre à projection temporelle
Chambre à projection temporelle de l’expérience
DELPHI du CERN
17Pascal Vincent – LPNHE Cargèse – 25 au 31 mars 2007
Ionisation et excitation
}}
Gaz
Solides Isolant ½-cond conducteur
~1eV
Bande de conduction : électrons mobiles
Gaz rares : ionisation assurée mais potentiel important.Solides : plus de niveaux, potentiel d’ionisation + faible.
{libres ~6eV~20 eV
{occupés
σBande de valence:
électrons lies
18Pascal Vincent – LPNHE Cargèse – 25 au 31 mars 2007
Les semi-conducteurs
Dopage N: donneur en charges négatives
-- ---
Dopage P: receveur de charges négatives
++
+ +
- - - -
+ + + +
+ + + +
-- - - -
N
P
+
-
-- ---
++
+ + Application d’un champ externe : création d’une zone déplété
migration des
charges négatives
EextEint
++
+ +
-- ---
19Pascal Vincent – LPNHE Cargèse – 25 au 31 mars 2007
Principe d’une jonction
- - - -
+ + + +
+ + + +
- - - - -
Eext
N
P
+
-
++
++ +
--
--
-
Anode
Cathode
Une Particule chargée ionise le milieu déplété.
Les charges négatives sont collectées par l’anode et produisent un signal détectable.
Détecteur rapide et de bonne résolution spatiale.
22Pascal Vincent – LPNHE Cargèse – 25 au 31 mars 2007
Détermination de la charge et l’impulsion
qBP
qBmvR
BVqiRVmamF
==⇒
∧===rrrrr 2 F
r
Br
Vr
+q
-q
• Il faut reconstruire la trajectoire de la particule dans un champ magnétique :
• La courbure de la trajectoire donne une mesure de l’impulsion
• Les sens de la courbure détermine le signe et de charge
24Pascal Vincent – LPNHE Cargèse – 25 au 31 mars 2007
Gerbes électromagnétiquesÀ haute énergie (GeV), les électrons perdent leurs énergies presque exclusivement par rayonnement de freinage et les photons perdent les leurs par production de paire. Le seuil correspond à l’énergie critique définit par :
La combinaison de ces deux effets résulte en la formation d’une gerbe électromagnétique quand un électron ou un photon entre dans un milieu dense.
( )( ) 1~
ion
rad
dxdEdxdE
Electron
s et ph
otons
25Pascal Vincent – LPNHE Cargèse – 25 au 31 mars 2007
Gerbes hadroniques
Composante hadronique
Composante électromagnétique
Ion
Milieu absorbeur
adrons (pro
tons, ions,
neutrons …)
H
27Pascal Vincent – LPNHE Cargèse – 25 au 31 mars 2007
Détecteurs à échantillonnage
Particule incidente
Absorbeur
Plomb, Tungstène, Uranium
Détecteur
scintillateur, silicium, liquide noble
29Pascal Vincent – LPNHE Cargèse – 25 au 31 mars 2007
Compteur Cherenkov à seuil
Il donne un signal seulement pour les particules dont β > βthIl sont utilises, par exemple, pour identifier un certain type de particule dans un faisceau mixteDans le cas d'un milieu gazeux, l'indice de reflection et donc le seuil peut être ajuster par control de la pression :
n = n0 . (P/P0)
exemples :
milieu indice ρ p(938) π(139) e(0.511)eau 1.33 1.52 1.4 GeV 211 MeV 776 keVhélium 1+4.3.10-5 0.123 115 GeV 17. GeV 62.8 MeV
p, π+, e+
PM
30Pascal Vincent – LPNHE Cargèse – 25 au 31 mars 2007
Compteur Cherenkov différentiel
L'utilisation d'un miroir permet de sélectionner un intervalle en β (ce qui correspond, pour une impulsion donnée à un intervalle de masse).
L’angle d’émission de la lumière Cherenkov augmente avec l’énergie du faisceau.
31Pascal Vincent – LPNHE Cargèse – 25 au 31 mars 2007
VD TPC ECAL HCAL Ch µ
Br
1 trace + ECAL<<HCAL(Ch µ)
ECAL<<HCAL(Ch µ)
ECAL
1 trace(+ECAL+HCAL)+Chµ
Energie manquantedirigée vers une partie
instrumenté
1 trace + ECAL>>HCAL
e+, e-
α, p, K±
n, K0L
γ
µ-
ν
32Pascal Vincent – LPNHE Cargèse – 25 au 31 mars 2007
• Z0 µ+ µ-
Reconstruction de vertex
( ) ( )( )2222
?
222?
44 µµµ
µµµµ
mPEm
EEPPm
EE fCM
iCM
+==
+−+=−
=
−+−+
rr
Z0