2. Détecteurs à scintillateur

(1)

UE6

Costel Petrache, Université Paris XI & IPN Orsay

2. Détecteurs à

scintillateur

(2)

18/12/07 C. Petrache, UE6-II 2

Scintillateurs

Conversent dE/dx -> Photons (lumière)

Inorganiques Organiques

(structure cristalline) (plastiques ou solutions liquides) Jusqu’à 40000 photons par MeV Jusqu’à 10000 photons par MeV

Large Z Petit Z

Grande variété de Z et ρ ρ∼1g/cm³

Dopés et non dopés Dopés

Temps de désexcitation ns-µs Temps de désexcitation ns

Couteux Relativement pas chères

Absorption grande pour γ Absorption faible pour γ

Structure cristalline simple Molécules organiques Complexes Résistantes à la radiation Peu résistantes à la radiation

EM-calorimétrie Traceurs, TOF, trigger, hodoscope Compact(X0, RM), rapide (τ) Particules chargées, neutrons

(3)

Scintillateur inorganique standard : iodure de sodium [NaI(Tl)].

Bandes d’énergie dans les cristaux activés avec des impuretés

Scintillateurs inorganiques

From O.Ullaland, CERN SSL 2005

(4)

Dépendance forte de l’output lumineux et

du temps de désexcitation avec la température.

* Bismuth germinate Bi₄Ge₃O₁₂ is the crystalline form of an inorganic oxide with cubic eulytine** structure, colourless, transparent, and insoluble in water.

** From the Greek eulitos = "easily liquefiable", in allusion to its low melting point.

*

Cristal: Scintillateurs

(5)

L’intensité I d’une faisceau γ qui traverse une cible d’épaisseur d est

où µ est la somme de trois processus ayant lieu dans le matériel:

Abs. Photoél. → Z⁴ to Z⁵ , E^-3.5 - E^-1

Diff. Compton → Z , E^-3.5 - E^-1

Production de pairs → Z² , ln E

e

d

I

I =

₀ ⁻^µ

Absorption des photons YAP:Ce *

* YAP (Yttrium Aluminium Provskite YAlO ) crystals

Linear attenuation coefficient (cm1 )

Energy (MeV)

(6)

From RenYuan Zhu, GSI, 2005

CMS ALICE PANDA?

(BTeV)…

L3

BELLE PANDA?

TAPS (L*) (GEM)

KTeV

CLEO BaBar BELLE BES III

Crystal Ball

Experiment

0.1

~0

1.9

1.6

2

~0

0.6 0.3

~0

d(LY)/dT ^b (%/ ºC)

30 75

0.1 0.6 13

21 2.7 5.6

2.3 45

100

Light Yield ^b,c (%)

60 40

50 10 300

630 0.9 35

6 1300

230

Decay Time ^b (ns)

440 420

560 420 480

300 220 420

310 560

410

Luminescence ^b (nm) (at peak)

No No

No Slight

Slight Yes

Hygroscopicity

1.85 1.82

2.20 2.15

1.50 1.95

1.79 1.85

Refractive Index ^a

22.2 20.9

20.7 22.8

30.7 39.3

39.3 42.9

Interaction Length (cm)

2.23 2.07

2.00 2.23

3.10 3.57

3.57 4.13

Molière Radius (cm)

1.38 1.14

0.89 1.12

2.03 1.86

1.86 2.59

Radiation Length (cm)

1950 2050

1123 1050

1280 621

621 651

Melting Point (ºC)

6.71 7.40

8.3 7.13

4.89 4.51

4.51 3.67

Density (g/cm³)

GSO(Ce) LSO(Ce)

PbWO₄ BGO

BaF₂ CsI

CsI(Tl) NaI(Tl)

Crystal

Scintillateurs anorganiques (produits en masse)

(7)

Define X₀ as the Radiative Mean Path.

X₀ : Radiation Length

dx dE E

X ρ

1 1

0

≡

0 2 3

2 0

183 ) ln(

) 1 (

1 4

Z X A

r Z A

Z N

X Z

^a ^e

  ⇒ ∝

 

 

  +

= ρ α

∝ A Z

²

1 X₀ is the distance over which an electron/positron looses 63.2% of its energy in Bremsstrahlung.

The energy loss probability across a path length

x

Radiation Length

(8)

1.5 X

₀

Cubic

Full Size Samples BaBar CsI(Tl): 16 X

₀

L3 BGO: 22 X

₀

CMS PWO(Y): 25 X

₀

BaBar CsI(Tl)

L3 BGO CMS

PWO(Y) PbWO

₄

BGO C eF

₃

BaF

₂

CsI

Densité du cristal (longueur de radiation)

From RenYuan Zhu, GSI, 2005

(9)

Rapidité de scintillation (temps de désexcitation)

Cristaux rapides

Output lumineux faible

(l‘aire au dessous du signal) Deux composantes

de scintillation:

identification des particules

Cristaux lentes

Output lumineux plus grand (aire au dessous du signal)

(10)

Cube: 1.7 X1.7 x 1.7 cm (1.5 X

₀

) Barre: 2.5 x 2.5 x 20 cm (18 X

₀

)

CPI LYSO

SaintGobain LYSO SIC BGO

CTI LSO

Nouveaux matériaux: LSO LYSO

(11)

Benzene C₆H₆

Single Bond = sigma Bond

Double Bond = one sigma + one pi Bond Pi Bond

chimie:

Scintillateurs organiques

(12)

~10^-11 sec

Fluorescence 10^-8 - 10^-9 sec

pic ~ 320 nm Phosphorescence

≥ 10^-4 sec Niveaux d’énergie électroniques π

Transition non-radiative

~ 10^-6 sec

Scintillateurs organiques

(13)

La longueur d’onde émise est toujours plus

longue ou égale à la longueur d’onde incidente.

La différence est absorbée comme chaleur dans le réseau du matériel.

Les scintillateurs organiques utilisent un solvant (polymère)

+ large concentration de colorant primaire (Coumarine) + faible concentration de colorant secondaire (Coumarine)

+ ...

Scintillateurs organiques (scintillateur plastique)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

Bialkali: SbKCs, SbRbCs Multialkali: SbNa₂KCs (alkali metals have low work function)

(Hamamatsu)

GaAsP GaAs

(solar CsTe blind)

Multialkali Bialkali

AgOCs

Photon energy E_γ (eV)

12.3 3.1 1.76 1.13

from T. Gys, Academic Training, 2005

Efficacité quantique (QE) des photocathodes

QE = N_e/N_photons

(19)

Amplification

N_photons~ 10000 Photons / MeV

Efficacité de collection de la lumière ~0.2 QE ~ 0.2

Pour une énergie déposée de 100 MeV

N_e~0.2 x 0.2 x 10 MeV x 10000 Photons / MeV N_e~ 4000 e = 0.64 10^-15 C = 0.64 fC

Besoin d’amplification du signal électronique amplifier: Photomultiplicateur

(20)

Analogue à l’effet photoélectrique: l’énergie des électrons incidents est transférée aux électrons -> émission électronique secondaire

Matériaux communs : Ag/Mg, Cu/Be and Cs/Sb. Matériaux avec affinité négative : GaP.

Emission électronique secondaire

(21)

1) Photocathode: Photon -> Electron

2) Dynodes: émission électronique secondaire Gain typique ≈ 10⁶ .

Dispersion du temps de transit ≈ 200 ps

Tube Photomultiplicateur (PMT)

Anode

Photo Cathode

Dynodes

(22)

(23)

Tube photomultiplicateur (PMT)

(24)

Fluctuations du gain des PMTs

 Déterminées principalement par les fluctuations du nombre m(δ) des e^-secondaires émis par les

dynodes;

 Distribution Poisson :

 Déviation standard :

⇒ fluctuations dominées par le gain de la 1^ère dynode;

) !

( m

m e

P_δ = δ ^m ⁻^δ

δ δ δ δ

σ^m = = 1

Pulse height

(H. Houtermanns, NIM 112 (1973) 121)

GaP(Cs) dynodes E_A<0

SE coefficient δ

Ε energy

(Photonis)

1 pe 2 pe

Counts 3 pe

(Photonis)

1 pe

Noise

CuBe dynodes E_A>0

Pulse height

Counts

SE coefficient δ

E energy

(Photonis)

(25)

(26)

(Hamamatsu) “Continuous”

dynode chain Pbglass

Multiplicateur 2D d’électrons : - utilisé en Vacuum

- gain élevé jusqu’à 5·10⁴;

- signal rapide (dispersion du temps de transit ~50 ps);

-peu sensitive au champ B (0.1 T);

- temps de vie limité (0.5 C/cm²);

- taux limité (µA/cm²);

The Micro Channel Plate (MCP)

(Burle Industries)

Pore ∅: 2 µm Pitch: 3 µm

(27)

(28)

(29)

(30)

(31)

(32)

(33)

(34)

(35)

(36)

(37)

(38)

(39)

(40)

(41)

(42)

(43)

(44)

(45)

Photomultiplicateur hybride

Tube Photomultiplicateur

Senseur Silicium

Hybrid Photo Diode

p⁺ n⁺

n

+ +

+

∆V photocathode

focusing electrodes

electron

Ajoute

à l’intérieur du tube

~ 4 - 5000 pairs électron-trou → Bonne résolution en énergie Elimine dynodes et anode

[Energie cinétique des électrons incidents]

 [travail pour dépasser la surface]

Pairs Electron-trou = 

[Energie d’ionisation du Silicium]

(46)

• Bruit électronique ≥ 500 e

2 . 2 int

2 . 2 .

2

σ

int

σ σ σ

σ

_total

= +

_E_loss

+

_elec

>>

O.Ullaland CERN 2005

• Rétrodiffusion des électrons sur la surface du Si

18 . 0

Si

≈ α

probabilité rétrodiffusion à E ≈ 20 kV

20% des électrons déposent seulement une fraction o≤ε<1 de l’énergie initiale dans le senseur Si .

→ fond continu (côté basse énergie)

C. D’Ambrosio et al.

NIM A 338 (1994) p. 396.

3 parameters:

σ <n_pe>

α_Si

2. Détecteurs à scintillateur

2. Détecteurs à

scintillateur

Scintillateurs

Scintillateurs inorganiques

Cristal: Scintillateurs

e

I

I =

Scintillateurs anorganiques (produits en masse)

dx dE E

X ρ

1 1

≡

183 ) ln(

) 1 (

1 4

Z X A

r Z A

Z N

X Z

  ⇒ ∝

 

 

  +

= ρ α

∝ A Z

x

Radiation Length

1.5 X

Cubic

Full Size Samples BaBar CsI(Tl): 16 X

L3 BGO: 22 X

CMS PWO(Y): 25 X

BaBar CsI(Tl)

L3 BGO CMS

PWO(Y) PbWO

BGO C eF

BaF

CsI

Densité du cristal (longueur de radiation)

Rapidité de scintillation (temps de désexcitation)

Cube: 1.7 X1.7 x 1.7 cm (1.5 X

) Barre: 2.5 x 2.5 x 20 cm (18 X

)

CPI LYSO

Saint­Gobain LYSO SIC BGO

CTI LSO

Nouveaux matériaux: LSO LYSO

Scintillateurs organiques

Scintillateurs organiques

Scintillateurs organiques (scintillateur plastique)

Efficacité quantique (QE) des photocathodes

Amplification

Emission électronique secondaire

Tube Photomultiplicateur (PMT)

Tube photomultiplicateur (PMT)

Fluctuations du gain des PMTs

The Micro Channel Plate (MCP)

Photomultiplicateur hybride

σ

σ σ σ

σ

= +

+

>>

18 . 0

≈ α

SaintGobain LYSO SIC BGO