RIVELATORI

Rivelatori a ionizzazione

Scintillatori

Semiconduttori

Camere con gas

Cerenkov

Transition radiation

Calorimetria

Calorimetri e.m.

Calorimetri adronici

EAS

Compensazione nella calori-metria

Spettrometri magnetici.

RIVELATORI• Dispositivi adatti a rivelare il passaggio delle

particelle.• A scintillazione• Scarica nei gas• Calorimetri• Cherenkov• Bolometri• ….

Caratteristiche generali dei Rivelatori

• Sensibilità: capacità di produrre un segnale utilizzabile per

un certo tipo di radiazione

• Risposta del rivelatore: lineare o meno; digitale - analogica

• Risoluzione Energetica. Fattore di Fano:

• Funzione di risposta: R(E,E’)

• Tempo di risposta:

• Efficienza: =Eventi registrati/Eventi da registrare

• Tempo morto:

Riferimento: LEO «Technique for Nucl…» cap. 5

Contatori a scintillazione

• Ionizzazione materia• Diseccitazione• Emissione di luce• Rivelazione della luce

SCINTILLATORI

I materiali scintillanti usulmente utilizzati nella rivelazione della radiazione sono di due tipi

• Cristalli scintillanti inorganici

• Scintillatori organici

Il meccanismo che porta all’emissione della luce è differente nei due tipi di materiale.

Scintillatori Inorganici

17/03/11

Meccanismo di scintillazione dipende dalla struttura del reticolo cristallino

Nei cristalli puri un elettrone portato in banda di conduzione può emettere luce quando l’atomo si diseccita (processo poco efficiente).

L’aggiunta di impurezze (attivatori) cambia localmente la struttura a bande degradando l’energia della radiazione emessa (Stokes shift)

Band Gap Band Gap

Scintillatori Inorganici

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NaI(Tl) CsI(Tl) BaF 2 BGO LSO GSO YAP LuAP

Emission peak (nm) 410 565/420 310/220

480 420 440 360 365

Light Yied (ph/KeV) 38 65 11/15 8.2 25 9 18 12

Decay time (ns) 230 680/3000 600/0.8 300 40 400/60 27 17

Density (g/cm2) 3.7 4.5 4.9 7.1 7.4 6.7 5.4 8.4

Scintillatori Inorganici

17/03/11

Scintillatori Organici

• La radiazione incidente provoca una transizione ad un livello eccitato (qualche eV).

• La molecola si diseccita con transizioni vibrazionali (dell’ordine 0.1 eV)

• La diseccitazione avviene ad un’energia differente dell’eccitazione

• Il materiale è quindi trasparente alle luce di fluorescenza

dx

dEn

dxdE

k

dxdE

nn

B

0

0

1

Tipicamente per m.i.p

Luce ed Energia negli scintillatori

17/03/11

La regola di Birks

dL/dx vs dE/dx

17/03/11

“Quenching” della luce di scintillazione

dxdE

k

dxdE

n

dx

dL

B

1

0

Formula di Birks

Stokes shiftWhen a system (be it a molecule or atom) absorbs a photon, it gains energy and enters an excited state. One way for the system to relax is to emit a photon, thus losing its energy (another method would be the loss of heat energy). When the emitted photon has less energy than the absorbed photon, this energy difference is the Stokes shift.

Stokes shift

Scintillatori Organici

17/03/11

Scintillator STATE lmax[nm] Decaytime [ns]

Density [gcm-3]

Ph/kev

Antracene Crystal 447 30 1.25 16

Pilot U Plastic 391 1.4 1.03 10

NE104 Plastic 406 1.8 1.03 10

NE102 Liquid 425 2.6 1.51 12

Scintillatori Organici

17/03/11

Meccanismo di scintillazione

• L’energia rilasciata nello scintillatore viene trasformata in radiazione luminosa tra il 7% (scintillatori inorganici) al 3% (scintillatori organici).

• La separazione di Stokes permette alla luce di propagarsi nello scintillatore.

Scintillazione Ordini di grandezza

• Perdita di energia in plastico: ~ 2 MeV/cm• Efficienza di scintillazione: ~ 1γ/100 eV• Efficienza di raccolta: ~ 0.1 • Efficienza del fotocatodo: ~ 0.25

2 106 x 1/100 x 0.1 x 0.25 γ=500 γ

Contatore a scintillazione

FOTOMOLTIPLICATORE

Partitore di tensione per PM

Partitore per PM a 12 stadi.La tensione del primo dinodo e’ fissata con zener. Partitore resistenze uguali. I condensatori sulle ultime resistenze presuppongono l’utilizzo per impulsi di luce

Al p

osto

di W

legg

asi Ω

Vki Guadagno di un dinodo

Guadagno totale (N dinodi):

NN

i i

iNNN

ii

NN

ii V

R

RVkVkG 0

10

11

Segnale di uno scintillatore

D

D

DADC

TDC

“GATE”

DISCRIMINATORE

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Dispositivo tipicamente usato per discriminareIl segnale (il segnale è «grande») dal fondo (tipicamente quanto più numerosi quanto più piccoli)

Tempo di Volo (ToF)

Soglia

Correzione

Principio della correzione del tempo di volo in base all’ampiezza del segnale

B

Conteggi di coincidenze casuali

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Coincidenza di due contatori:Contatore n.1 in “singola” frequenza media:Contatore n.2 in “singola” frequenza media: Durata degli impulsi del Discriminatore:

1

2

t1, t2

Nell’unità di tempo il contatore n.1 è “ON” per un tempo In questo intervallo temporale ci saranno quindi : Analogamente scambiando i contatori Coincidenze casuali:

1t

(1t) 2 1 2t

1 2(t1 t2)

1

2

t1

t2

Contatori Cherenkov

Ring Imaging Detectors

Ring Imaging Detectors

Ring Imaging Detectors

Un rivelatore Cherenkov: Super-Kamiokande

17/03/11

The Super-K consists of a cylindrical stainless steel tank that is 41.4 m tall and 39.3 m diameter holding 50,000 tons of ultra-pure water. About 13000 PM’s.

- 1000 m

Super-Kamiokande(fase di costruzione)

17/03/11

Evento di Super-Kamiokande

17/03/11

La Formazione dell’anello

rfqp

2111

2;

q

PV

r

PV

p

PV ;;

C

F

Equazione dello specchio sferico(raggi parassiali)

Rivelatori a Gas

Vo

R a

b

V0

Elementi di base di un rivelatore a gas proporzionale:• contenitore (tipicamente)

cilindrico• filo al centro del cilindro• gas poco sensibile alle

scariche e in grado di degradare l’energia dei fotoni energetici

filoba r

E(r)

Rivelatori a Gas

Vo

R a

b

V0

1 Ione/30eV persi

Campo Elettrico in un contatore cilindrico

0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.000.00E+00

5.00E+05

1.00E+06

1.50E+06

2.00E+06

2.50E+06

3.00E+06

3.50E+06

4.00E+06

4.50E+06

5.00E+06

E (

V/m

)

r (mm)

0.1mm

Contatore proporzionale

17/03/11

Numero di ioni raccolti in funzione della tensione applicata al contatore

Formazione dell’impulso(vedi ieee_sauli1.pp: NO segnale di tensione!!)

Se una carica q si sposta di dr nel contatore varia la sua energia di

Questa energia e’ bilanciata dalla variazione di energia del condensatore. Supponendo trascurabile la variazione di tensione di alimentazione V0 , possiamo valutare la variazione di tensione su filo

Formazione dell’impulsoUna ionizzazione nel contatore in r’ indurrà negli elettrodi un segnale dovuto sia al moto degli elettroni sia a quello degli ioni positivi:

Il segnale e’ essenzialmente dovuto agli ioni

Sviluppo temporale dell’impulsoUna ionizzazione nel contatore in r’ indurrà negli elettrodi un segnale dovuto essenzialmente al moto degli ioni positivi:

Mobilità

Impulso “differenziato”

Gas nelle camere proporzionaliScelta del Gas:•Bassa tensione di lavoro•Alto guadagno•Buona proporzionalità •Capacita di sopportare alte frequenze di conteggio

Mobilità

Tipicamente si sceglie una miscela di gas:ARGON gas nobile-basso costo-alta energia ionizzazione 11.6 eVGAS – POLIATOMICO (Metano, CO2,Isobutano ….) (quencher)

MWPCMultiWire Proportional Chambers (camere a Multi-fili proporzionali)

MWPC

MWPC

Camere a Deriva (DRIFT chamber)La camera a deriva sfrutta il fenomeno del trasporto degli elettroni in un campo elettrico con una velocità costante (o quasi)

Camere a Deriva (DRIFT chamber)

Drift Chamber

Drift Chamber

The Geiger Counter reloaded: Drift TubePrimary electrons are drifting to the wire.

(W. Riegler/CERN)• Electron avalanche at the wire.

• Many of these circles define the particle track.

• ATLAS MDTs, 80m per tube

• Calibrated Radius-Time correlation

The measured drift time is converted to a radius by a (calibrated) radius-time correlation.

Prestazioni delle Camere a DRIFTLa camera a deriva

Risoluzione spaziale di 100micron

Pochi fili (~1 per ogni 10 cm) => costo contenuto dell’elettronica di lettura

Ma:

Necessita di un “tempo zero”

Non è utilizzabile come trigger

Lungo tempo di risposta: decine di microsecondi (sovrapposizione di eventi)

RPC

Resistive Plate Chamber

E’ un sandwich di 2mm bachelite 2 mm gas 2 mm bachelite

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Conduttore

Conduttività bachelite 10**-9 Ohm cm

RPC

Resistive Plate Chamber: Tecnica costruttiva

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RPC

High Voltage ~ 10kV

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Spark

Gas: Argon (15%),Isobutano (10%), TetraFluoroEtano(75%)

Generazione del segnale di corrente

-Q +Ql

q

Per la soluzione: (1) condensatore senza carica e piani a massa (=0) + (2) condensatore con carica e piatti a potenziale 1 e 2 fissi.

dV

dsnn

xdSV

322 )(

Il problema: Una carica q è posta tra due piani paralleli e infinti collegati a massa. Qual è la carica indotta sui piani?

Sds

n0)1(

0

)2(

nEnn

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22110

20

221

0

112 21 1

1SS

SSSSS

QQ

dsdsdsn

dsn

dsn

)()()()(

0

00

3

0

0

0

02

0

2

xq

xdxxxqxxq

totalecarica

V

Generazione del segnale di correntein contatori a elettrodi paralleli

+Q

-Q

-Q

+Q

-Q

-Q

Time Projection Chamber (TPC)La TPC e’ formata da un cilindro riempito di gas e usa camere MWPC come chiusure del cilindro. A metà del cilindro vi è un disco conduttore ad alta tensione, che stabilisce un campo elettrico tra il centro e le piastre laterali. Alle volte è applicato

17/03/11

un campo magnetico, parallelo al campo elettrico, per ridurre al minimo la diffusione degli elettroni provenienti dalla ionizzazione del gas.

Time Projection Chamber (TPC)

17/03/11

Time Projection Chamber Esperimento ALICE

17/03/11

Time Projection Chamber Esperimento Delphi

17/03/11

Time Projection Chamber Esperimento STAR

17/03/11

Time Projection Chamber Esperimento STAR

17/03/11

Evento Au-Au con produzione di anti-elio (in rosso)

Calorimetria• Lo scopo della calorimetria è quello di misurare

l’energia delle particelle prodotte in un’interazione assorbendone l’intera energia.

• Particelle neutre e cariche possono perdere tutta l’energia cinetica nella materia

• L’incertezza su E diminuisce con l’aumentare dell’energia (al contrario di altri rivelatori)

• Risposta veloce (minore di ~50ns) – Trigger

17/03/11

Calorimetri

• Calorimetri a «sampling»– Piani di assorbitore (passivi): Pb, Fe, U, Cu, Al,…– Piani di rivelatori (attivi) : Scintillatore, MWPC, Ar, …

17/03/11

• Calorimetri omogenei– Nei calorimetri omogenei l’intero volume contribuisce del

rivelatore contribuisce alla formazione del segnale. Materiali tipici: Vetro-Piombo (luce Cherenkov), BGO, BaF2, CeF3 (scintillazione)

Calorimetro a «sampling»

17/03/11Assorbitore

Strato attivo

Deposito di Energia

Calorimetria

• Calorimetri elettromagnetici– L’assorbimento “scala” con la lunghezza di

radiazione (X0=180A/Z2 g/cm2)

• Calorimetri adronici– L’assorbimento “scala” principalmente con la

lunghezza di interazione (lint)

– Non tutta l’energia nell’interazione forte è rivelabile (neutrini, energia di legame nucleare, mu,…)

17/03/11

Sciami Elettromagnetici

Lo sciame si sviluppa a causa delle reazionicreazione di coppie (g→ee)bremstrahlung (e →e )g

17/03/11

La moltiplicazione delle poarticelle continua fino a quando l’energia media delle particelle dello sciame raggiunge Ec. Il resto dell’energia si perde via ionizzazione

Sciami Elettromagnetici

Sviluppo longitudinale

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Le dimensioni dello sciame crescono logaritmicamente con l’energia della particella.

Sciami Adronici

Lo sciame si sviluppa a causa delle reazioni nucleari, ma i p neutri danno origine a sciami em dentro quelli adronici. Negli sciami adronici ci sono due lunghezze scala: lint nucleare e X0 per gli sciami iniziati dai g

17/03/11

hadrongg

po

Materiali per la Calorimetria

17/03/11

Calorimetria

17/03/11

RISOLUZIONE IN ENERGIA DEI CALORIMETRI

17/03/11

constE

EE

EE

syst

instr

fluct

.

.

.

1

1

Fluttuazione poissoniana Termine doninante nel range di interesse

Calibrazione – non linearità elettronica poissoniana

Effetto del rumore e piedistallo degli ADC

cE

b

E

a

E

Development of hadron cascade

Large fluctuations

due to

po production

Dominance of low energy particles

Lateral cascade distribution

Lead-scintillating fibrecalorimeter

The EM Componentmore concentrated on the central part of the shower: EM core

Hadronic vs EM response

For instance in lead (Pb):Nuclear break-up (invisible) energy: 42%Ionization energy: 43%Slow neutrons (E~ 1 MeV): 12%Low energy g’s (Eγ~ 1 MeV): 3%

Not all hadronic energy is “visible”: Lost nuclear binding energy neutrino energy Slow neutrons, …

Gli sciami adronici danno meno energia visibile rispetto a quelli em e hanno

maggiori fluttuazioni

e/h = 1/

• Compensazione intrinseca (vedi la prossima):• Recuperando parte della ”energia invisibile”• Diminuire il contributo della componente

elettromagnetica (uso di più assorbitori )

• Compensazione Off-line:• Da informazioni multiple sullo sviluppo dello sciame

Metodi di Compensazione(principalmente sampling

calorimeters)

Compensazione

La compensazione si ottiene, principalmente nel calorimetri a “sampling” diminuendo lo spessore degli strati attivi (a basso Z) ovvero aumentando lo spessore di quelli passivi (ad alto Z).

Infatti, una frazione importante dell’energia dello sciame è dovuta a gamma di bassa energia (sez.d’urto Z5)

Tuning Pb thickness for e/p =1

EASExtensive Atmospheric Shower

Un esempio dello sviluppo di un sciame di altissima energia 1020eV

photonselectrons/positrons

muons neutrons

Simulazione di uno Sciame Atmosferico Esteso

Osservatorio Internazionale di Raggi Cosmici YanBaiJing 4300m (Tibet)

Esperimento As

Esperimento ARGO

L’esperimento AUGER

Area: 3000 km2

50km

50km1600 Stazioni di Conteggio

Ricerca dei raggi cosmici di più alta energia

Come si misurano i Raggi Cosmici?

CerenkovCerenkov

SatellitiSatelliti

“Array” aterra“Array” aterra

RivelatorisotterraneiRivelatorisotterranei

AtmosferaTerrestre

Rivelatori a Semiconduttore

17/03/11

• Rivelatore a scintillazione 20/30 eV a gamma• Rivelatore a semiconduttore 2/3 eV a coppia• Problema del rumore (resistività del semiconduttore)

Teoria a Bande

17/03/11

Una radiazione di energia sufficiente che entri nel cristallo può ionizzare un atomo spostando un elettrone dalla banda di valenza alla banda di conduzione, creando una coppia elettrone-lacuna.Un campo elettrico applicato al semiconduttore raccoglie la carica generata

Rivelatori al Silicio e Germanio

17/03/11

Rivelatori a Semiconduttore (strip)

17/03/11

Rivelatori al Germanio

17/03/11

• Spettrometria gamma • HPGE (10-12g/g) • Devono operare alla temperatura dell’azoto liquido

Sistemi di Rivelatori: Spettrometri Magnetici

17/03/11

Spettrometri Magnetici: misura di p

17/03/11

r

R.Gluckstern Nuc. Instr. Meth 24(1963)381

+ Contributo del multiple scattering:

(B in Tesla, r in metri e p GeV/c)

• e è l’incertezza delle N misure di posizione

• AN ~ 96-73• x angolo m.s. (rms)• CN ~ 1.3

RADIAZIONE di TRANSIZIONE

17/03/11

• La radiazione di transizione è prodotta quando una particella relativistica attraversa un mezzo non omogeneo (variazione della costante dielettrica). In particolare il confine tra materiali.

• L’intensità della radiazione di transizione è approssimativamente proporzionale a g della particella.

17/03/11

• Questa radiazione permette la possibilità di identificazione delle particelle quando Cherenkov e perdita per ionizzazione non sono più efficaci.

• L’intensità della radiazione di transizione è molto bassa (.8 g X se g=2 103) per transizione.

• L’emissione della radiazione è in avanti: q=1/g

Progetto NOE

17/03/11

Esercizio Rivelatori

• Tempo Morto.• Se un rivelatore (contatore) rimane insensibile

per un tempo t dopo aver contato un evento come bisogna correggere i suoi conteggi nell’unità di tempo?

17/03/11

La “segnatura” di un evento

• Trovare una particolare configurazione che possa essere interpretata come «FIRMA» dell’evento o processo cercato.

• La «bontà» di una segnatura consiste nel suo grado di immunità dal rumore di fondo

Esempio Rivelazione di anti-neutrini

• Decadimento di elementi della crosta terrestre• Anti-neutrini da reattori• Anti-neutrini e neutrini da supenovae

The Borexino Solar Neutrino Experiment

The Borexino Detector

La “segnatura” di un evento:come rilevare gli antineutrini

)2.2(

)51.051.0(

MeVDpn

MeVee

enp

Prompt

190ms , t di cattura

tt=0 t190ms

17/03/11

Geoneutrini

Anti-neutrini da reattore

Anti-neutrini solari (8B)

BOREXINO

La “segnatura” di un eventocreazione di una coppia di B

dc

dc

cb

cb

XBBNp

Esperimento per la misure della Sezione d’urto di produzione di B a soglia

Magnete

MWPC

Calorimetro

Assorbitore (Fe)

Odoscopio

Criteri di selezione

dc

dc

• GOLDEN EVENTS 4 (m fondo trascurabile ma pochi)

• EVENTS 3 (m calcolo dei fondi: DY + prompt)

Riferimenti bibliografici per approfondimenti e fonti.

1. W.R. Leo Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments. Springer

2. PDB (Particle Data Book)

3. S.P.Ahlen “Theoretical and experimental aspects of the energy loss of relativistic heavily ionizing particles” Rev. Mod. Pys 52(1980)121

4. S.M. Seltzer and M.J. Berger, Int. J. of Applied Rad. 33 (1982)1189 .

5. S.M. Seltzer and M.J. Berger, Int. J. of Applied Rad. 35 (1984)665.

6. F.Sauli Principles of operation of Multiwire and proportional chambers. Yellow Report CERN 77-09

7. …..

8. R.Wigmans Advances in Hadron calorimetry. Annu. Rev. Nuc!. Part.Sci. 41(1991)

9. W. RieglerParticle Detectors, CERN Summer Student Lecture 2008