Danilo DomeniciDanilo Domenici

Rivelatori di Rivelatori di ParticelleParticelle

Rivelatori di ParticelleRivelatori di Particelle

I rivelatori di particelle sono strumenti che producono un segnale osservabile quando vengono colpiti da una particella. Sono solitamente

costituiti da un elemento attivo (con cui interagisce la radiazione) e da un sistema di lettura (che forma il segnale e lo invia all’acquisizione dati)

I rivelatori di particelle sono strumenti che producono un segnale osservabile quando vengono colpiti da una particella. Sono solitamente

costituiti da un elemento attivo (con cui interagisce la radiazione) e da un sistema di lettura (che forma il segnale e lo invia all’acquisizione dati)

Nella fisica sperimentale, un rivelatore di particelle o rivelatore di radiazione è uno strumento usato per rivelare, tracciare e identificare particelle. (Wikipedia)Nella fisica sperimentale, un rivelatore di particelle o rivelatore di radiazione è uno strumento usato per rivelare, tracciare e identificare particelle. (Wikipedia)

area attiva

elettronica di lettura

elettronica di lettura

Rivelatori di ParticelleRivelatori di Particelle

• Molto generalmenete un rivelatore può essere pensato come un accumulatore di energia elettrica.

• La molla è un accumulatore di energia meccanica: se caricata possiede un’energia potenziale che si trasforma in energia cinetica quando scatta.

• Similmente possiamo pensare un rivelatore come un condensatore. Quando viene attraversato da una particella “scatta”, e il potenziale elettrico si trasforma in segnale elettrico.

• Molto generalmenete un rivelatore può essere pensato come un accumulatore di energia elettrica.

• La molla è un accumulatore di energia meccanica: se caricata possiede un’energia potenziale che si trasforma in energia cinetica quando scatta.

• Similmente possiamo pensare un rivelatore come un condensatore. Quando viene attraversato da una particella “scatta”, e il potenziale elettrico si trasforma in segnale elettrico.

Caratteristiche dei RivelatoriCaratteristiche dei Rivelatori

• Sensibiltà: capacità di produrre un segnale utile per un certo tipo di radiazione e di energia. Nessun rivelatore può essere sensibile a tutti i tipi di radiazione. Ogni rivelatore è progettato per essere sensibile ad un tipo di radiazione in un certo intervallo di energia.

• Risposta: tipo di segnale utile prodotto. Spesso il segnale prodotto da un rivelatore è un impulso di corrente la cui ampiezza è proporzionale all’energia rilasciata dalla particella.

• Risoluzione: differenza minima di una grandezza fisica misurata (es. energia) necessaria perchè il rivelatore possa distinguere due misure vicine. Si esprime in termini di deviazione standard della distribuzione della grandezza misurata.Es.: Risoluzione spaziale. E’ la distanza minima alla quale un rivelatore distingue il passaggio di due particelle.

• Sensibiltà: capacità di produrre un segnale utile per un certo tipo di radiazione e di energia. Nessun rivelatore può essere sensibile a tutti i tipi di radiazione. Ogni rivelatore è progettato per essere sensibile ad un tipo di radiazione in un certo intervallo di energia.

• Risposta: tipo di segnale utile prodotto. Spesso il segnale prodotto da un rivelatore è un impulso di corrente la cui ampiezza è proporzionale all’energia rilasciata dalla particella.

• Risoluzione: differenza minima di una grandezza fisica misurata (es. energia) necessaria perchè il rivelatore possa distinguere due misure vicine. Si esprime in termini di deviazione standard della distribuzione della grandezza misurata.Es.: Risoluzione spaziale. E’ la distanza minima alla quale un rivelatore distingue il passaggio di due particelle.

Caratteristiche dei RivelatoriCaratteristiche dei Rivelatori

• Efficienza: efficienza assoluta: frazione di particelle rivelate dal rivelatore rispetto a quelle emesse dalla sorgente. Efficienza intrinseca: frazione di particelle rivelate dal rivelatore rispetto a quelle che lo colpiscono.

• Tempo morto: tempo necessario al rivelatore per formare il segnale dopo che è passata la particella. Dipende molto dall’elettronica di lettura. Il tempo morto può ridurre l’efficienza se il rivelatore non è in grado di rivelare una particella perchè ancora impegnato a processare l’evento precedente. Questo fenomeno aumenta quanto più è elevata la frequenza di arrivo delle particelle.

• Efficienza: efficienza assoluta: frazione di particelle rivelate dal rivelatore rispetto a quelle emesse dalla sorgente. Efficienza intrinseca: frazione di particelle rivelate dal rivelatore rispetto a quelle che lo colpiscono.

• Tempo morto: tempo necessario al rivelatore per formare il segnale dopo che è passata la particella. Dipende molto dall’elettronica di lettura. Il tempo morto può ridurre l’efficienza se il rivelatore non è in grado di rivelare una particella perchè ancora impegnato a processare l’evento precedente. Questo fenomeno aumenta quanto più è elevata la frequenza di arrivo delle particelle.

sorgente

bersaglio

rivelatore

L’occhio umano è un rivelatore di particelle: i fotoni

L’occhio umano è un rivelatore di particelle: i fotoni

I fotoni sono le particelle elementari di cui è costituita la luce

Noi vediamo un oggetto perché viene colpito da fotoni che poi rimbalzano e vengono rivelati dal nostro occhio

I fotoni sono le particelle elementari di cui è costituita la luce

Noi vediamo un oggetto perché viene colpito da fotoni che poi rimbalzano e vengono rivelati dal nostro occhio

Noi “vediamo” la materia subatomica perché la colpiamo con particelle prodotte dagli acceleratori che

rimbalzano sui rivelatori

Noi “vediamo” la materia subatomica perché la colpiamo con particelle prodotte dagli acceleratori che

rimbalzano sui rivelatori

Dal modo in cui rimbalzano riusciamo a capire molte caratteristiche delle particelle

Dal modo in cui rimbalzano riusciamo a capire molte caratteristiche delle particelle

Esperimento di RutherfordEsperimento di Rutherford

Ernest Rutherford 1909

Rivelatori: alla ricerca di tracce…

Rivelatori: alla ricerca di tracce…

Esistono molti diversi tipi di rivelatore, ottimizzati per rivelare e misurare tipi diversi di particelle ed informazioni fisiche

diverse (energie, momenti…)

Esistono molti diversi tipi di rivelatore, ottimizzati per rivelare e misurare tipi diversi di particelle ed informazioni fisiche

diverse (energie, momenti…)

2 famiglie fondamentali: tracciatori e calorimetri2 famiglie fondamentali: tracciatori e calorimetri

• Un sistema di tracciaturadetermina la traiettoria dellaParticella

• Rivela solo particelle cariche. Se immerso in un campomagnetico B si riescono adeterminare anche la carica Qed il momento P

• La particella subisce unaminima perdita d’energia nelsistema

• Un sistema di tracciaturadetermina la traiettoria dellaParticella

• Rivela solo particelle cariche. Se immerso in un campomagnetico B si riescono adeterminare anche la carica Qed il momento P

• La particella subisce unaminima perdita d’energia nelsistema

• Un sistema calorimetricodetermina l’energia dellaparticella

• La particella viene completamente assorbita

• A differenza di sistemi di tracciatura può rivelare anche particelle neutre (fotoni, neutroni)

• Un sistema calorimetricodetermina l’energia dellaparticella

• La particella viene completamente assorbita

• A differenza di sistemi di tracciatura può rivelare anche particelle neutre (fotoni, neutroni)

Un calorimetro è un rivelatore di particelle che misura l’energia di una particella

Un calorimetro è un rivelatore di particelle che misura l’energia di una particella

• La particella interagendo con il calorimetro crea uno sciame e viene completamente assorbita

• Il segnale prodotto è proporzionale all’energia della particella:

S = kE

• La particella interagendo con il calorimetro crea uno sciame e viene completamente assorbita

• Il segnale prodotto è proporzionale all’energia della particella:

S = kE

Esistono 2 tipi di calorimetri:

• Calorimetri Elettromagnetici (rivelazione di elettroni, positroni e fotoni)• Calorimetri Adronici (rivelazione di adroni carichi e neutri: p,n,π,K)

Esistono 2 tipi di calorimetri:

• Calorimetri Elettromagnetici (rivelazione di elettroni, positroni e fotoni)• Calorimetri Adronici (rivelazione di adroni carichi e neutri: p,n,π,K)

particella incidente

calorimetro

Tutti i grandi esperimenti di fisica delle particelle usano dei

calorimetri. Spesso ne hanno uno di tipo elettromagnetico e uno di

tipo adronico

Tutti i grandi esperimenti di fisica delle particelle usano dei

calorimetri. Spesso ne hanno uno di tipo elettromagnetico e uno di

tipo adronico

Calorimetro di KLOE

Calorimetro di BaBar

• Un grande esperimento di fisica delle particelle è costituito da diversi tipi di rivelatori uno dentro l’altro intorno al punto dove si scontrano le particelle.• I rivelatori interni devono avere un’alta risoluzione spaziale per distinguere tracce molto vicine.• I rivelatori esterni devono coprire superfici molto grandi

• Un grande esperimento di fisica delle particelle è costituito da diversi tipi di rivelatori uno dentro l’altro intorno al punto dove si scontrano le particelle.• I rivelatori interni devono avere un’alta risoluzione spaziale per distinguere tracce molto vicine.• I rivelatori esterni devono coprire superfici molto grandi

ATLASAltezza 25 m

Lunghezza 46 m

Peso 7000 tonProfondità 80 mSuperficie rivelatori 6000 m2

• Tracciatore: particelle cariche• Magnete: piega le tracce delle particelle cariche• Calorimetro EM: elettroni, positroni e fotoni• Calorimetro adronico: adroni carichi e neutri• Rivelatore di Muoni: muoni

• Tracciatore: particelle cariche• Magnete: piega le tracce delle particelle cariche• Calorimetro EM: elettroni, positroni e fotoni• Calorimetro adronico: adroni carichi e neutri• Rivelatore di Muoni: muoni

Fotoni

Elettroni

Muoni

Pioni

Neutroni

Analisi degli eventiAnalisi degli eventi

Elettronica di letturaElettronica di letturaPer analizzare i segnali dei rivelatori si usa una elettronica altamente specializzata. I segnali

vengono poi inviati a complessi sistemi di acquisizione che li analizzano e li memorizzano

Per analizzare i segnali dei rivelatori si usa una elettronica altamente specializzata. I segnali

vengono poi inviati a complessi sistemi di acquisizione che li analizzano e li memorizzano

Schede di Front-EndSchede di Front-EndSchede di acquisizioneSchede di acquisizione

L’elettronica di acquisizione deve anche filtrare i dati per ridurre 1 PB/s in uscita dal

rivelatore a 1 PB/y da memorizzare su hard-disk

L’elettronica di acquisizione deve anche filtrare i dati per ridurre 1 PB/s in uscita dal

rivelatore a 1 PB/y da memorizzare su hard-disk

L’analisi di questi dati viene fatta da

centinaia di computer sparsi in tutto il

mondo collegati tra loro in una rete: la

GRID

L’analisi di questi dati viene fatta da

centinaia di computer sparsi in tutto il

mondo collegati tra loro in una rete: la

GRID

Camera a BolleCamera a Bolle • E’ costituita da un recipiente metallico contenente un liquido surriscaldato e compresso.• Una particella carica ionizza il liquido e lungo il percorso si formano bollicine che possono essere fotografate ottenendo una ricostruzione delle tracce.

• E’ costituita da un recipiente metallico contenente un liquido surriscaldato e compresso.• Una particella carica ionizza il liquido e lungo il percorso si formano bollicine che possono essere fotografate ottenendo una ricostruzione delle tracce.

Tracce fotografate in Camera a Bolle

Tracce fotografate in Camera a Bolle

Rivelatori a ScintillazioneRivelatori a Scintillazione

Il fenomeno di Scintillazione è causato dalla eccitazione e successiva diseccitazione degli

atomi dei materiali scintillanti

Il fenomeno di Scintillazione è causato dalla eccitazione e successiva diseccitazione degli

atomi dei materiali scintillanti

Esistono vari tipi di materiali scintillanti:• cristalli • materiali plastici

Esistono vari tipi di materiali scintillanti:• cristalli • materiali plastici

Questi rivelatori usano come elemento attivo dei materiali che hanno la proprietà

di emettere luce visibile quando sono attraversati da particelle cariche

Questi rivelatori usano come elemento attivo dei materiali che hanno la proprietà

di emettere luce visibile quando sono attraversati da particelle cariche

La scintillazione e’ utilizzataprincipalmente nei calorimetri

Nei laboratori di fisica delle particelle si fa un larghissimo uso di

scintillatori plastici per rivelazione di raggi cosmici

Nei laboratori di fisica delle particelle si fa un larghissimo uso di

scintillatori plastici per rivelazione di raggi cosmici

La luce di scintillazione prodotta dalla

particella si propaga all’interno dello

scintillatore e viene raccolta da

Fotomoltiplicatori

La luce di scintillazione prodotta dalla

particella si propaga all’interno dello

scintillatore e viene raccolta da

Fotomoltiplicatori

FotomoltiplicatoriFotomoltiplicatori• I fotomoltiplicatori sono rivelatori di luce.Sono costituiti da un tubo di vetro sotto vuoto in cui sono presenti un fotocatodo, un anodo e diversi dinodi. I fotoni colpiscono il fotocatodo che, per effetto fotoelettrico, emette elettroni che sono poi moltiplicati sui dinodi e raccolti sull’anodo.• Sono rivelatori molto sensibili. Riescono a produrre un segnale elettrico anche se vengono colpiti da un solo fotone. Vengono spesso usati in combinazione con scintillatori

• I fotomoltiplicatori sono rivelatori di luce.Sono costituiti da un tubo di vetro sotto vuoto in cui sono presenti un fotocatodo, un anodo e diversi dinodi. I fotoni colpiscono il fotocatodo che, per effetto fotoelettrico, emette elettroni che sono poi moltiplicati sui dinodi e raccolti sull’anodo.• Sono rivelatori molto sensibili. Riescono a produrre un segnale elettrico anche se vengono colpiti da un solo fotone. Vengono spesso usati in combinazione con scintillatori

FotomoltiplicatoriFotomoltiplicatori

Rivelatori a Radiazione CherenkovRivelatori a Radiazione Cherenkov

L’effetto Cherenkov consiste nell'emissione di radiazione elettromagnetica (luce) da parte di una particella in moto ad una velocità superiore alla velocità della luce nel mezzo attraversato.

L’effetto Cherenkov consiste nell'emissione di radiazione elettromagnetica (luce) da parte di una particella in moto ad una velocità superiore alla velocità della luce nel mezzo attraversato.

Misurando l’angolo del cono di luce si ricava la

velocità della particella

Misurando l’angolo del cono di luce si ricava la

velocità della particella

Analogia con un aereo che supera la barriera del suono (1238 km/h)

Analogia con un aereo che supera la barriera del suono (1238 km/h)

Rivelatori a GasRivelatori a Gas• Questi rivelatori usano un gas come elemento attivo.• Il gas viene ionizzato dalle particelle cariche, che creano coppie elettrone (e–) Ione (X+) (Ionizzazione primaria).• Gli e– emessi (δ-rays) vengono accelerati applicando un campo elettrico e possono produrre a loro volta Ionizzazione Secondaria innescando una Moltiplicazione a Valanga

• Questi rivelatori usano un gas come elemento attivo.• Il gas viene ionizzato dalle particelle cariche, che creano coppie elettrone (e–) Ione (X+) (Ionizzazione primaria).• Gli e– emessi (δ-rays) vengono accelerati applicando un campo elettrico e possono produrre a loro volta Ionizzazione Secondaria innescando una Moltiplicazione a Valanga

La ionizzazione e’ utilizzata principalmente

nei rivelatori traccianti

La ionizzazione e’ utilizzata principalmente

nei rivelatori traccianti

Un tipico rivelatore a ionizzazione è costiruito da un cilindro riempito di gas con al centro un filo metallico posto ad alta tensione (HV ≈ 3000V)

Un tipico rivelatore a ionizzazione è costiruito da un cilindro riempito di gas con al centro un filo metallico posto ad alta tensione (HV ≈ 3000V)

Rivelatori a Ionizzazione a geometria cilindrica

Rivelatori a Ionizzazione a geometria cilindrica

Il campo elettrico radiale E = k/r crea la valanga nelle immediate

vicinanze del filo. La carica finale può arrivare fino a 108

volte la carica iniziale. Tale valore si chiama Guadagno de Rivelatore

Il campo elettrico radiale E = k/r crea la valanga nelle immediate

vicinanze del filo. La carica finale può arrivare fino a 108

volte la carica iniziale. Tale valore si chiama Guadagno de Rivelatore

αx

i

f eqQ

G

x è il cammino dell’elettroneα è il Coefficiente di Townsendx è il cammino dell’elettrone

α è il Coefficiente di Townsend

• In presenza di campo elettrico gli elettroni viaggiano verso l’anodo (gli ioni verso il catodo), producendo un segnale elettrico• Cambiando la tensione applicata si hanno diversi modi di funzionamento:• Camera a Ionizzazione• Contatore Proporzionale• Contatore Geiger

• In presenza di campo elettrico gli elettroni viaggiano verso l’anodo (gli ioni verso il catodo), producendo un segnale elettrico• Cambiando la tensione applicata si hanno diversi modi di funzionamento:• Camera a Ionizzazione• Contatore Proporzionale• Contatore Geiger

Rivelatori a IonizzazioneRivelatori a Ionizzazione

Camere Proporzionali a Multifilo (MWPC)Camere Proporzionali a Multifilo (MWPC)

• Il principio è quello dei rivelatori a gas a geometria cilindrica.

• Il rivelatore è formato da molti fili paralleli posti tra 2 catodi ad una distanza di ~ 2 mm.

• Il principio è quello dei rivelatori a gas a geometria cilindrica.

• Il rivelatore è formato da molti fili paralleli posti tra 2 catodi ad una distanza di ~ 2 mm.

George Charpak, 1968Premio Nobel 1992

• Ogni filo si comporta come un rivelatore indipendente.

• Il segnale elettrico si forma sul filo più vicino alla particella dando una informazione sulla sua posizione.

• Ogni filo si comporta come un rivelatore indipendente.

• Il segnale elettrico si forma sul filo più vicino alla particella dando una informazione sulla sua posizione.

Camere Proporzionali a Multifilo (MWPC)Camere Proporzionali a Multifilo (MWPC)

KLOE

Rivelatori al SilicioRivelatori al Silicio

• Questi rivelatori usano un sottile strato di Silicio come elemento attivo.

• Il Silicio viene ionizzato dalle particelle cariche, che creano coppie elettrone (e) lacuna (h) (Ionizzazione primaria).

• In presenza di campo elettrico gli elettroni viaggiano verso l’anodo e le lacune verso il catodo, producendo un segnale elettrico.A differenza dei rivelatori a gas non c’è né Ionizzazione Secondaria né Moltiplicazione a Valanga.

• Questi rivelatori usano un sottile strato di Silicio come elemento attivo.

• Il Silicio viene ionizzato dalle particelle cariche, che creano coppie elettrone (e) lacuna (h) (Ionizzazione primaria).

• In presenza di campo elettrico gli elettroni viaggiano verso l’anodo e le lacune verso il catodo, producendo un segnale elettrico.A differenza dei rivelatori a gas non c’è né Ionizzazione Secondaria né Moltiplicazione a Valanga.

Rivelatori al SilicioRivelatori al Silicio

LHCb

BaBar

Sono rivelatori ad altissima risoluzione spaziale (50µm) usa ti spesso come rivelatori

di vertice, in zone molto vicine al punto di collisione

dei fasci di particelle

Sono rivelatori ad altissima risoluzione spaziale (50µm) usa ti spesso come rivelatori

di vertice, in zone molto vicine al punto di collisione

dei fasci di particelle

CLEO III

ATLAS

Rivelatori a GEMRivelatori a GEM

• I rivelatori a GEM sono rivelatori a gas inventati da Fabio Sauli nel 1997.• Una GEM (Gas Electron Multiplier) è costituita da un sottile foglio di materiale plastico (kapton) ricoperto di Rame su entrambi i lati. Il foglio contiene tanti piccolissimi fori (diametro 70 µm, passo 140 µm).

• I rivelatori a GEM sono rivelatori a gas inventati da Fabio Sauli nel 1997.• Una GEM (Gas Electron Multiplier) è costituita da un sottile foglio di materiale plastico (kapton) ricoperto di Rame su entrambi i lati. Il foglio contiene tanti piccolissimi fori (diametro 70 µm, passo 140 µm).

Rivelatori a GEMRivelatori a GEM

Applicando una differenza di potenziale (400 V) tra le facce della GEM si crea un campo elettrico molto alto all’interno dei fori, che innesca la moltiplicazione a valanga degli elettroni.Un guadagno di 106 si può ottenere con una Tripla-GEM

Applicando una differenza di potenziale (400 V) tra le facce della GEM si crea un campo elettrico molto alto all’interno dei fori, che innesca la moltiplicazione a valanga degli elettroni.Un guadagno di 106 si può ottenere con una Tripla-GEM

Conversion & Drift

Transfer 1

Transfer 2

Induction

Cathode

GEM 1

GEM 2

GEM 3

Anode

Read-out

3 mm

2 mm

2 mm

2 mm

Un rivelatore a Tripla-GEM è composto da un Catodo, 3 GEM e un Anodo dove si forma il segnale.

Un rivelatore a Tripla-GEM è composto da un Catodo, 3 GEM e un Anodo dove si forma il segnale.

Rivelatori di vertice a GEM CilindricaRivelatori di vertice a GEM Cilindrica

3 mm

2 mm

2 mm

2 mm

Cathode

GEM 1

GEM 2

GEM 3

Anode

Read-out

Le GEM si possono adattare a diverse geometrie. Uno sviluppo interessante è la

realizzazione di rivelatori a GEM Cilindrica.

Le GEM si possono adattare a diverse geometrie. Uno sviluppo interessante è la

realizzazione di rivelatori a GEM Cilindrica.

Un Tracciatore Interno fatto da rivelatori a GEM Cilindrica verrà

installato nel 2009 nel nuovo KLOE

Un Tracciatore Interno fatto da rivelatori a GEM Cilindrica verrà

installato nel 2009 nel nuovo KLOE

PET (Positron Emission Tomography)PET (Positron Emission Tomography)

Tomografo di rivelatori

Tomografo di rivelatori

Si inietta un radiofarmaco nel corpo del paziente e si

rivelano i fotoni emessi

Si inietta un radiofarmaco nel corpo del paziente e si

rivelano i fotoni emessi

Si ottengono immagini sulla funzionalità dell’organismoSi ottengono immagini sulla funzionalità dell’organismo

PET (Positron Emission Tomography)PET (Positron Emission Tomography)

PET (Positron Emission Tomography)PET (Positron Emission Tomography)

Lo sviluppo sui rivelatori ha contribuito a migliorare la

risoluzione delle immagini

Lo sviluppo sui rivelatori ha contribuito a migliorare la

risoluzione delle immagini

Zone diverse del cervello

mostrano attività quando si legge o

si ascolta

Zone diverse del cervello

mostrano attività quando si legge o

si ascolta