• Très bonne résolution en énergie

(1)

Calorimètres

(2)

Y.Karyotakis 2

Types de calorimètres

Calorimètres homogènes

• Détecteur = absorber

• Très bonne résolution en énergie

• Résolution spatiale moyenne

• Pas de profil longitudinal

⇒ Détection de la lumière de Scintillatation ou Cherenkov.

⇒ Lecture par diodes triodes APD, PM

⇒ L3 : BGO

⇒ BaBar Belle CsI(Tl)

⇒ CMS PbWO

₄

⇒ Opal Verre au plomb

⇒ NA48 LKr

Calorimètres à échantillonnage

• Absorber Fe Cu Pb W etc...

• Détecteur Scintillateur,fibres, détecteurs Si, MWPC, liquides chauds (TMP, TMS) liquide froids (Ar, Kr)

• Résolution en énergie et spatiale moyenne

• Segmentation longitudinale, identification de particules e-p

ALEPH : Plomb - MWPC ATLAS :Accordéon Pb-Lar KLOE : Pb-Fibres

LHCB : Shashlik

(3)

Calorimètres homogènes

Cristaux

Liquides nobles

(4)

Y.Karyotakis 4

Calorimètres homogènes

Calibrage par : Bhabhas, Lumière et source radioactive (photons 6.1MeV)

σ( ) σ_ϑ

( ) .

( )

E

E E GeV

mr

E GeV mr

= 1% ⊕ = ⊕

1 2% 3

4 2

• L3 : BGO (Bi

₄

Ge

₃

O

₁₂

) 11 K cristaux, en 2 demi barrels et 2 end caps

• BaBar : CsI (Tl) 6780 cristaux, 1

baril et 1 end cap avant. 16 et

17.5 X

₀

en fonction de θθ.

(5)

• Maintenir le terme c petit :

– Uniformité du cristal ( réponse en profondeur ) – Transparence

– Dimensions, géométrie ( tilt en φ ) – Calibration

– Suivi de la calibration ( court terme et long terme vieillissement) – Contrôle de le température

– Electronique, et maîtrise du bruit de fond

Cristal Ball et L3 ont montré que c’est possible

Calorimètres homogènes

(6)

Y.Karyotakis 6

Calorimètre à LKr NA48

Calorimètre presque homogène, pas d’absorber, le LKr (T=120K) sert de détecteur et radiateur.

Electrodes en léger accordéon le long de la direction du faisceau

Résolution

: σσ (E) 3.25% terme stochastique

σσ

_x

,

_y

< 1mm

(7)

ATLAS :

Sandwich LAr(90K) -Plomb-Inox 1-2 mm Détection : chambre d’ionisation 1GeV = 5 10⁶e^- Géométrie en accordéon, minimise les zones mortes ! Segmentation fine, homogénéité, résistant aux

radiations Pre-shower

Calorimètres à échantillonnage

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(8)

Détection de la lumière

Scintillateurs

Photomultiplicateurs

Jeudi 3 Décembre

(9)

Scintillateurs

⇒ Tout matériaux qui produit une impulsion lumineuse juste après le passage d’une particule.

⇒ Le phénomène est lié à la luminescence : émission de la lumière après l’absorption d’un quantum de lumière

⇒ Scintillateurs non-organiques, essentiellement des cristaux, CsI,BGO, NaI etc..., et organiques, solides et liquides polymérisés. Mécanismes d’émission de lumière

différents, et caractéristiques différentes.

⇒ Scintillateurs non-organiques

– Cristaux dopés en cours de production ex: CsI(Tl) présence de centres d’activation ou centre de couleurs, le long de la maille cristalline.

– Production de lumière: Au passage d’une particule, libération d’électrons-trous

(10)

Y.Karyotakis 10

Scintillateurs non-organiques

⇒ Luminescence :

Photons (200 - 600nm) émis par les centres colores = imperfections de la structure cristalline, ou dopants.

– Centres de luminescence : Capture d ’un exciton ( e-trou ) ou d’ un e de conduction et un trou de valence. Centre excite et émission de lumière ( fluorescence )

– Centre de quenching : émission de phonons

– Piéges : niveaux métastables, et e trous et excitons y restent longtemps, avant d’ aller vers les centres de luminescence ou quenching. Phosphorescence, émission retardée

Luminescence : Structure cristalline

(11)

Scintillateurs non-organiques

Les scintillateurs non-organiques sont généralement lents, ~100 ns (sauf quelques exceptions)

Ils produisent plus de lumière que les scintillateurs organiques, mais le signal dépend de la température !

( ex BGO -1.5/% par deg !)

Scintillateur Densité (g/cm3) X0(cm) Photons/MeV τ(ns) et λ(nm) Radiations Commentaires

NaI(Tl) 3.67 2.59 40000 230 415 >=10 Fragile Hydro

CsI(Tl) 4.51 1.86 50000 1005 565 >=10

CsI 4.51 1.86 40000 10 310 1000

36 310

BaF2 4.87 2.03 10000 0.6 220 100000

620 310

BGO 7.13 1.13 8000 300 480 10 f(T)

PbWO4 8.28 0.89 100 440 large sp 10000 f(T)

( )

s∝exp −E₁/kT

(12)

Y.Karyotakis 12

Monocristaux, naphtalène, anthracène, ... ou plastiques Polystyrène Poly...., ou liquides

Le mécanisme de scintillation dépend de la structure moléculaire.

Excitations du milieu scintillant au passage d’une particule. Retour à l’état fondamentale par dissipation de chaleur et vibrations (quenching). Petite partie de l’énergie est récupérée en lumière. ex 3.5% pour l’anthracène.

Les impuretés baissent l’efficacité.

Scintillateurs organiques

Luminescence :

Transitions électroniques entre les différents niveaux énergétiques des molécules

•L’état S1 revient en S0, en émettant un photon en 1 ns.

•L’état T1, longue durée de vie, revient en S0 (~ms), ou interaction avec un autre T1 et passage en S1.

(13)

Excitation du milieu scintillant et émission de lumière UV, qui serait absorbée ( λλ

_a

est court). On ajoute un deuxième composant, wavelength shifter, qui

absorbe le UV et re émet à une longueur d’onde supérieure.

Scintillateurs organiques = 2(3) composants

•Temps de désintégration très court qq ns

•Moins de lumière que les cristaux

•Absorption d ’électrons et neutrons, mauvaise efficacité pour les gammas Très utilisés en physique, calorimètres, compteurs de trigger etc....

Scintillateurs organiques

(14)

Y.Karyotakis 14

Collection de lumière. Guides de lumière

•Transport de la lumière jusqu’ à la face d’entrée d’un photodétecteur.

•Emission de lumière est isotrope dans le scintillateur.

– La lumière dans le scintillateur est réfléchie sur les face par réflexion total.

Avec n l’indice de milieu initial.

Fraction de lumière transmise :

si n=1.58 f=0.113

Réflecteur à la face opposée au guide – Atténuation dans le scintillateur.

n sinθ_c = n⁰



 



 − −

= θ θ π π

=₄¹ ^θ

∫

² ^sin ^d ₂¹ ¹ _n¹ ⁿ ¹

f ²

0

c

Guides de lumière

La section S du scintillateur est différente de Sp, section du photo détecteur

Guides de lumière en plastique ou air. La lumière se propage par réflexion totale Th. De Liouville : Fraction maximale de la lumière transmise = Sp / S.

Guide adiabatique, cône de Winston etc...

(15)

Réflexion et Diffusion

• Réflexion spéculaire

Réflecteurs : aluminium, aluminisation R = 70-80 %

• Diffusion

Diffuseurs : Téflon PTFE, papier blanc, peinture etc...

(16)

Y.Karyotakis 16

Photo détecteurs

⇒ Transformer la lumière en signal électrique

• Photomultiplicateurs

Photo émission : Effet photoélectrique sur la cathode émission de photoélectrons

Emission d’ électrons secondaires

→ Photocathode : flux d’ e

→ Optique de focalisation et accélération

→ Multiplicateur d’ e, dynodes

→ Anode qui produit le signal

Accélération et focalisation des e par le champ électrique entre dynodes obtenu par division de voltage ( Base )

Gain:

Si n_k photoélectrons arrivent sur la 1^eredynode de gain g_i , on obtient ng e soit pour N dynodes :

M = n_a / n_k . Pour g_i = 4 M = 10⁶ .

∏

=

= ^N

1 i

i k

a n g

n

(17)

Photomultiplicateurs

• Photocathodes :

Dépôt de semi conducteur, transparent ou opaque.

– AgOCs, SbCs

– Bi (Tri) alkali composites SbKCs, SbRbCs, SbNa₂KCs.

Sensitivité spectrale est limitée par :

Transparence de la fenêtre pour λ petit Seuil de photoémission du matériaux Efficacité quantique (rapport n_k / n_p ) ~20%

Transmission de la fenêtre: Cut off à 250 - 300 nm pour des fenêtres en verre borosilicate. Quartz, LiF, transparents aux UV

Gain: ^M=^kV^N^α α=⁰^.⁶⁰^.⁸

(18)

Y.Karyotakis 18

Détection de la lumière dans un champ magnétique

Un PM conventionnel ne marche plus dans un champ magnétique.

Le gain s’effondre, puisque les trajectoires des e entre dynodes sont modifiées.

– Protection avec du fer doux, µ métal. Ok pour des champs très faibles, coûte cher, ajoute beaucoup de matière

– Transporter la lumière loin du champ. Utiliser des fibres optiques. Ex : Fibre noyée dans un scintillateur, très longue

– Utiliser un détecteur insensible au champ

• Triodes

• Fine mesh

• HPD

• APD

• Photodiodes

(19)

Photodétecteurs dans les champs magnétiques

• Triodes : PM à un étage. 1 dynode Gain ~10. Marche dans un champ de 1T, OPAL, DELPHI, L3 (Lecture de fibres optiques d’un calorimètre SPACAL)

• Fine mesh: PM avec des dynodes en

grilles au dessus de l’anode. Minimise la

distance entre anodes. 19 étages et G=10

⁸

.

Très bon comportement dans un champ

jusqu’à 1.5T. Perte d’un facteur 1000 si

l’axe est // à B.

(20)

Y.Karyotakis 20

• Photodiodes: Couche P en surface et sur le substrat forment une jonction PN.

Couche P: 1 µ de Bore

Les électrons passent de la bande de valence à la bande de conduction, il reste les trous. Les électrons dérivent vers la couche N et trous vers P.

Charge positive en P et négative en N,.

Gain : 1 , efficacité quantique 80%

Lecture du BGO dans L3 ou du CsI à BaBar

Photodétecteurs dans les champs magnétiques

(21)

• Hybride Photo Diodes: Une

photocathode convertit la lumière en électrons, qui sont accélérés dans un champ électrique fort, jusqu’à une diode au Silicium(

pixels, strips ). Gain ~10000, insensible au champ magnétique, très bonne résolution en énergie.

• Photodiodes à Avalanche (APD) Champ électrique interne très fort,

production d ’avalanche et Gain=100

Photodétecteurs dans les champs magnétiques

(22)

Y.Karyotakis 22