Detectores de Partículas - Universidad Complutense de Madrid
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Detectores de Partículas Física de Astropartículas Master de Física Fundamental Juan Abel Barrio, Curso 12/13 Universidad Complutense de Madrid Juan Abel Barrio, UCM, Curso 12/13 1 Física de Astropartículas, Master de Fundamental Detección de radiación Radiación Detector Señal Normalmente Eléctrica Amplificación Electrónica Digitalización Análisis Energía © Fernando Arqueros, Jose Luis Contreras, Juan Abel Barrio Juan Abel Barrio, UCM, Curso 12/13 2 Física de Astropartículas, Master de Fundamental Detectores de partículas • Propiedades generales (1.5 h) • Técnicas de Montecarlo (0.5 h) • Detectores de radiaciones ionizantes (2 h) − Cámaras de ionización − Detectores de centelleo − Detectores de estado sólido • Fotosensores (1 h) − Fotomultiplicadores − Fotosensores de estado sólido • Técnicas de detección (1 h) − Espectroscopía con centelleadores − Detectores de trazas − Calorímetros − Detectores combinados (LHC) Juan Abel Barrio, UCM, Curso 12/13 3 Física de Astropartículas, Master de Fundamental Detectores de partículas • Propiedades generales (1.5 h) • Técnicas de Montecarlo (0.5 h) • Detectores de radiaciones ionizantes (2 h) − Cámaras de ionización − Detectores de centelleo − Detectores de estado sólido • Fotosensores (1 h) − Fotomultiplicadores − Fotosensores de estado sólido • Técnicas de detección (1 h) − Espectroscopía con centelleadores − Detectores de trazas − Calorímetros − Detectores combinados (LHC) Juan Abel Barrio, UCM, Curso 12/13 4 Física de Astropartículas, Master de Fundamental Índice Radiación Detector Señal • Sensibilidad. • Respuesta a partículas: − Modos de operación − Instrumentación • Respuesta en energía: Resolución. • Eficiencia • Respuesta temporal: Tiempo muerto. Juan Abel Barrio, UCM, Curso 12/13 5 Física de Astropartículas, Master de Fundamental Sensibilidad • Sección eficaz del proceso (s) de detección. • Tamaño • Tipo partícula • Cargadas • Neutras • Neutrinos • Ruido Juan Abel Barrio, UCM, Curso 12/13 6 Física de Astropartículas, Master de Fundamental Respuesta a partículas sólido • Medio de interacción líquido gas e- e- γ Q: Cada partícula individual (α, e-, γ) libera pares de portadores de carga (e-, ión, hueco, …) ti: tiempo de interacción es muy breve ns (gases), ps (liquidos y sólidos) e- / ión tc: tiempo de colección de carga breve (ns – μs) detección de partículas individuales directa / amplificada • Medida de la carga liberada luz de centelleo carga Juan Abel Barrio, UCM, Curso 12/13 7 Física de Astropartículas, Master de Fundamental Respuesta a partículas Respuesta a una partícula individual Q= ! tc 0 i(t)dt tc i(t) " E tiempo Respuesta a una sucesión de partículas i(t) tiempo Tren de impulsos eléctricos individuales detección de partículas individuales Juan Abel Barrio, UCM, Curso 12/13 8 Física de Astropartículas, Master de Fundamental Índice Radiación Detector Señal • Sensibilidad. • Respuesta a partículas: − Modos de operación − Instrumentación • Respuesta en energía: Resolución. • Eficiencia • Respuesta temporal: Tiempo muerto. Juan Abel Barrio, UCM, Curso 12/13 9 Física de Astropartículas, Master de Fundamental Modos de operación Corriente (eléctrica): Medida del “flujo” de partículas T >> t c 1 I(t) = T " i γ t i(t')dt ' t!T Promedia las fluctuaciones en un intervalo de tiempo T = tiempo de respuesta del detector e- e- i(t) T tiempo Aplicación: Dosimetría Juan Abel Barrio, UCM, Curso 12/13 10 Física de Astropartículas, Master de Fundamental Modos de operación Impulso (Tensión): Detección de partículas individuales e- e- Caso a): RC << tc γ C R V(t) τ = RC del detector + electrónica i(t) Aplicación: tc tc Q = ∫ i (t )dt 0 ­ Medida de tiempos ­ Medida con fondo reducido tiempo V(t) V(t) = R x i(t) tiempo Juan Abel Barrio, UCM, Curso 12/13 11 Física de Astropartículas, Master de Fundamental Modos de operación Impulso (Tensión): Detección de partículas individuales e- e- Caso b): RC >> tc γ C R V(t) τ = RC del detector + electrónica i(t) tc tc Q = ∫ i (t )dt 0 Aplicación: ­ Espectros de energía V0 = Q / C = H tiempo V(t) V α e-t/RC tiempo Juan Abel Barrio, UCM, Curso 12/13 12 Física de Astropartículas, Master de Fundamental Modos de operación Impulso (Tensión): Detección de partículas individuales Caso b): RC >> tc H V dH espectro de amplitudes = espectro de energía N0 = número total de impulsos N0 = ∫ ∞ 0 tiempo dN dH dN dH dH Juan Abel Barrio, UCM, Curso 12/13 dH 13 amplitud H Física de Astropartículas, Master de Fundamental Índice Radiación Detector Señal • Sensibilidad. • Respuesta a partículas: − Modos de operación − Instrumentación • Respuesta en energía: Resolución. • Eficiencia • Respuesta temporal: Tiempo muerto. Juan Abel Barrio, UCM, Curso 12/13 14 Física de Astropartículas, Master de Fundamental Instrumentación Fuente de tensión γ Detector e- e- C R V(t) τ = RC del detector + electrónica Preamplificador Amplificador Digitalizador Contador Juan Abel Barrio, UCM, Curso 12/13 15 Física de Astropartículas, Master de Fundamental Instrumentación Detector Señal (V) Duración (µs) NaI Cent. Liq. 10-1 – 1 10-2 – 10-1 0.25 10-2 Cent. Plast 10-1 10-2 Semicond. 10-4 – 10-3 10-1 – 1 Gas proporc. 10-3 – 10-2 10-1 – 1 Geiger 1 – 10 50 – 300 Juan Abel Barrio, UCM, Curso 12/13 16 Física de Astropartículas, Master de Fundamental Instrumentación Tipos Preamplificador R2 Voltaje: Funciones R1 -A Vin • Amplifica la señal Vout,0 ! " • Acopla impedancias R2 Vin,0 R1 Rf • Da forma a la señal Carga: • Reduce el ruido de cables Vout,0 17 Cf Vin C in • Reduce capacidades parásitas Juan Abel Barrio, UCM, Curso 12/13 Vout -A Vout " Q ! ; Vout ! Vout,0e Cf t R fC f Física de Astropartículas, Master de Fundamental Instrumentación Amplificador Funciones • Amplificar la señal C • Mejorar los pulsos Vin C1 Vin Juan Abel Barrio, UCM, Curso 12/13 x1 R1 R Vout R2 C2 18 Vout Física de Astropartículas, Master de Fundamental Instrumentación Otros módulos H V • Single Channel Analyzer dH • Multi Channel Analyzer tiempo • Time Amplitude Converter dN dH • Analog to Digital Converters • Time to Digital Converters dH • Unidad de Coincidencias Juan Abel Barrio, UCM, Curso 12/13 19 amplitud H Física de Astropartículas, Master de Fundamental Índice Radiación Detector Señal • Sensibilidad. • Respuesta a partículas: − Modos de operación − Instrumentación • Respuesta en energía: Resolución. • Eficiencia • Respuesta temporal: Tiempo muerto. Juan Abel Barrio, UCM, Curso 12/13 20 Física de Astropartículas, Master de Fundamental Respuesta en energía • Importante para detectores que miden energía • Relación entre la energía de la partícula y la señal de salida (tamaño del pulso). • Linealidad dN dH amplitud H dH F ( H ) = ∫ S (E ) R(H , E ) dE Distribución amplitudes Respuesta del detector Señal Juan Abel Barrio, UCM, Curso 12/13 21 Física de Astropartículas, Master de Fundamental Respuesta en energía Resolución en energía Anchura a media altura FWHM = Si un haz mono-energético incide Sobre un detector ∑ (diver. contrib.) 2 FWHM = 2.35 σ H H0 E Resolución: R = FWHM H0 R se expresa habitualmente en % Juan Abel Barrio, UCM, Curso 12/13 22 Física de Astropartículas, Master de Fundamental Respuesta en energía Resolución en energía Normalmente la partícula cede su energía al detector en muchas interacciones semejantes (ionización…), de carácter Poissoniano E N= w E = Energía total depositada w = Energía suceso elemental Número de procesos elementales !N 1 w = 2.35 = 2.35 Poisson: !N = N " R # 2.35 N N E F ; F $1 No - Poisson: !N = F N " R # 2.35 N Factor de Fano Juan Abel Barrio, UCM, Curso 12/13 23 Física de Astropartículas, Master de Fundamental Índice Radiación Detector Señal • Sensibilidad. • Respuesta a partículas: − Modos de operación − Instrumentación • Respuesta en energía: Resolución. • Eficiencia • Respuesta temporal: Tiempo muerto. Juan Abel Barrio, UCM, Curso 12/13 24 Física de Astropartículas, Master de Fundamental Eficiencia de detección • No todas las partículas interaccionan con el detector y son medidas. Num. partículas observadas No !tot = = Num. partículas emitidas por la fuente N e Ne = No !tot • Se puede desglosar en varias componentes. – Geométrica ε ≈ ε × ε × ε tot geo int ener – Intrínseca. – En ventana de energía. – En la fuente (absorción y dispersión). Juan Abel Barrio, UCM, Curso 12/13 25 ×… Física de Astropartículas, Master de Fundamental Eficiencia de detección Eficiencia geométrica Partículas que atraviesan el detector !geo = Partículas emitidas por la fuente !geo Juan Abel Barrio, UCM, Curso 12/13 A " 2 4# r ! r 26 Física de Astropartículas, Master de Fundamental Eficiencia de detección Eficiencia geométrica – En general: ε geo 1 ≈ Ω det 4π Ωdet 1 = ∫ 2 ur ⋅ ds r det r ur = r – Para un área circular, no muy lejos: ! ur θ Juan Abel Barrio, UCM, Curso 12/13 ! ds 27 ε geo 1 ≈ (1 − cosθ ) 2 Física de Astropartículas, Master de Fundamental Eficiencia de detección Eficiencia intrínseca !int Partículas que interaccionan en el detector = Partículas que atraviesan el detector Para un detector de γ ε int = 1 − e − µ (E )⋅ x l Probabilidad de interacción: µl (E ) Depende mucho de E Juan Abel Barrio, UCM, Curso 12/13 28 Física de Astropartículas, Master de Fundamental Eficiencia de detección Eficiencia en ventana de energía (de pico) ! pico N. part. en rango energías seleccionado = N. part observadas Habitual en medida de γ: ventana = pico = energía total εpico dN dH H Juan Abel Barrio, UCM, Curso 12/13 29 Física de Astropartículas, Master de Fundamental Eficiencia de detección Complicaciones – Detectores inhomogeneos: ε tot ≈ ε geo × ε int × ε ener × … – Radiaciones emitidas en coincidencia. Aparecen picos extra, combinatorios. Es necesario un análisis que lo corrija – Atenuación y dispersión fuera del detector. Análisis complejo. Calibración para corregir. Ventanas de entrada finas Juan Abel Barrio, UCM, Curso 12/13 30 Física de Astropartículas, Master de Fundamental Eficiencia de detección Juan Abel Barrio, UCM, Curso 12/13 31 Física de Astropartículas, Master de Fundamental Eficiencia de detección Fuentes de calibración – Permiten medir la eficiencia experimentalmente. – Radiación similar (E, tipo) a la que se mide: • Haz de partículas. • Fuentes radiactivas con vida media larga. Juan Abel Barrio, UCM, Curso 12/13 32 Física de Astropartículas, Master de Fundamental Eficiencia de detección Otros aspectos En general podemos estimar las eficiencias usando simulaciones Monte Carlo ε MC Num. partículas aceptadas = Num. partículas generadas Incertidumbre en la eficiencia: Distribución binomial Juan Abel Barrio, UCM, Curso 12/13 33 Δε = ε (1 − ε ) N Física de Astropartículas, Master de Fundamental Índice Radiación Detector Señal • Sensibilidad. • Respuesta a partículas: − Modos de operación − Instrumentación • Respuesta en energía: Resolución. • Eficiencia • Respuesta temporal: Tiempo muerto. Juan Abel Barrio, UCM, Curso 12/13 34 Física de Astropartículas, Master de Fundamental Tiempo Muerto Tiempo muerto τ = Tiempo mínimo entre dos sucesos consecutivos necesario para ser registrados como partículas diferentes. τ≠ 0 Pérdidas por tiempo muerto n = número verdadero de sucesos m = número registrado de sucesos paralizable Dos casos: m=4 tiempo n=7 no paralizable m=5 Juan Abel Barrio, UCM, Curso 12/13 35 Física de Astropartículas, Master de Fundamental Tiempo Muerto Juan Abel Barrio, UCM, Curso 12/13 36 Física de Astropartículas, Master de Fundamental Tiempo Muerto Rt = ritmo verdadero de sucesos R0 = ritmo registrado de sucesos Rt = R0 + R0 ! ! ! Rt Ritmo sucesos reales Ritmo sucesos medidos Fracción tiempo muerto no paralizable Rt R0 = 1+ Rt ! Ritmo sucesos perdidos tiempo n=7 m=5 T Juan Abel Barrio, UCM, Curso 12/13 37 Física de Astropartículas, Master de Fundamental Tiempo Muerto Medida de tiempo muerto • Electrónico Con un generador de pulsos. • Físico Usando dos fuentes midiendo por separado (R1, R2) y conjuntamente (R12) : τ = f (R1, R2 , R12 ) Distinta paralizable o no paralizable Juan Abel Barrio, UCM, Curso 12/13 40 Física de Astropartículas, Master de Fundamental Tiempo Muerto Medida del Rt Podemos medir Rt = ritmo verdadero de sucesos directamente de los datos Representamos la separación temporal entre sucesos consecutivos P(t > τ ) = e − Rt τ Entonces Rt es la pendiente de la recta En escala logarítmica. Juan Abel Barrio, UCM, Curso 12/13 41 Física de Astropartículas, Master de Fundamental Bibliografía • Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments, W.R. Leo. • Radiation Detection and Measurement G.F. Knoll. • Review of Particle Physics http://pdg.web.cern.ch/pdg/PDG • The Particle Detector BriefBook http://rd11.web.cern.ch/ RD11/rkb/titleD.htm R. Bock Juan Abel Barrio, UCM, Curso 12/13 42 Física de Astropartículas, Master de Fundamental
