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Introduction ( très rapide) aux techniques de détection en physique des particules.

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1 Introduction ( très rapide) aux techniques de détection en physique des particules

2 Très grand nombre de particules différentes (gerbe cosmique) e- (q 0), (q 0), p (q 0), n (q = 0), (q 0), (q = 0), ± (q 0),... Même si q = 0 les particules sont toujours (presque) détectées par la présence dune charge électrique (directe ou indirecte) associée.

3 Excitation et Ionisation des particules chargées Charged Particle Free Electron Electric Field Ion Ionization Le passage dune particule chargée près dun atome ionise celui-ci ou produit une excitation qui est suivie par une émission Electromagnétique

4 Interaction a courte distance Interaction a longue distance Une particule chargée lourde cède une fraction de son énergie aux électrons du milieu de façon continue.

5 Bethe Bloch Bethe – Bloch Formula v/c

6 in drift chamber gas e Minimum dionisation ~ 2MeV cm 2 /g ~ 2MeV cm 2 /g Séparation Pas de séparation

7 Rayonnement électromagnétique par des particules chargées Rayonnement primaire -> cohérent -> non isotrope Bremsstrahlung ou Cyclotron (freinage accélération ) Rayons X Anod e e

8 Perte dénergie des électrons

9 Particule chargée Rayonnement Cerenkov : émission du milieu

10 V particule > V lumière dans milieu Front donde (Interférence constructive) Particule chargée Milieu transparent

11 O P A particle trajectory cncn t ct n = cvLcvL = vPcvPc

12 Dans leau pour des particules relativistes Nombre de / cm est environ N = 490 sin2 θ cm dans lH 2 O (dans le visible : 400 < λ < 700 nm)

13 Effet Cerenkov produit par les électrons dans une centrale nucléaire

14 Rayonnement secondaire : Scintillation -> Rayonnement décalé dans le temps -> Non cohérent et isotrope Utilisés au début du siècle dans les expériences de diffusion de particules (écran de ZnS par Crookes en 1903 et Geiger Marsden ) Couplé à un photomultiplicateur à partir de 1944.

15 Interaction du rayonnement électromagnétique Effet photoélectrique Section efficace (probabilité) ~ Z 5 E photoelec = E – E couche atom

16 Interaction du rayonnement électromagnétique Effet Compton : + e Diffusion des sur des électrons quasi stationnaires

17 Interaction du rayonnement électromagnétique Création des paires (E = m c 2 ) E > 2 x m e ( MeV)

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19 Détecteurs à gaz

20 A proximité de lanode le champ peut atteindre V/cm. Cest cet endroit que la multiplication des ´électrons a lieu. Le facteur de multiplication peut atteindre 10 6

21 Modes de fonctionnement dun détecteur à gaz

22 MWPC => G. Charpak

23 Détecteurs à scintillation

24 Une radiation incidente provoque la création dune paire électron-trou (trou dans la bande de valence et lélectron dans la bande de conduction). Le trou se propage dans la bande de valence jusquà ce quil ionise une impureté. Lélectron se propage dans la bande de conduction jusquà être capté sur un niveau excité dune impureté ionisée. Une transition radiative se produit Lorsque limpureté se désexcite. Mécanisme scintillation. Scintillateur non organique

25 Spectre démission des scintillateurs non organiques Alcalins NaI(Tl) : 25 eV/photon CsI(Tl) CsF2 CsI(Na) KI(Tl) LiI(Eu) Non alcalins BGO (Bi4Ge3O12) : 300 eV/photon BaF2 ZnS(Ag) Zn0(Ga) CaWO4 CdWO4 ~500 ns Bon rendement Grand Z, grande densité => meilleure absorption

26 < 10 ps ns Mécanisme scintillation. Scintillateur non organique Etat vibrationnel Létat fondamental est un état Singulet S 0 Lexcitation peut porter lélectron dans un état Singulet ou Triplet excité. Les états Singulets se désexcitent rapidement par dégradation interne puis par fluorescence en s Les états Triplets se désexcitent par collision moléculaires en états Singulet excité puis par phosphorescence ( s)

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28 Wave length shifter

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32 Dectection de la lumière de scintillation Le Photomultiplicateur

33 Photomultiplicateur

34 e Effet Photoelectrique

35 e Effet Photoelectrique e n e

36 Efficite Quantique de la photocathode: 10 – 30 % Amplification: jusqu'a 10 7 Nombre délectrons produits Nombre de photon incidents Nombre d e sortant a lanode pour un e entrant a la première dynode

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40 Application à la Roue Cosmique

41 Scintillateur plastique Photomultiplicateur

42 V ns Discriminateur

43 Principe de coïncidence 50 ns Distribution angulaire

44 PM Barre plexiglass ou tube PVC + eau muon Lumière Cherenkov Comptage Faible comptage Sens des muons

45 = 2.24 s s Vie moyenne du muon Scintillateur PM e e + e +

46 ~ 10 s PM Scintillateur/eau

47 ~ 10 s PM Scintillateur/eau stop e t e


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