Calorimètres. Y.Karyotakis2 Types de calorimètres Calorimètres homogènes Détecteur = absorber Très bonne résolution en énergie Résolution spatiale moyenne.

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1 Calorimètres

2 Y.Karyotakis2 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 Y.Karyotakis3 Calorimètres homogènes Cristaux Liquides nobles

4 Y.Karyotakis4 Calorimètres homogènes Calibrage par : Bhabhas, Lumière et source radioactive (photons 6.1MeV) 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 .

5 Y.Karyotakis5 Maintenir le terme c petit : –Uniformité du cristal ( réponse en profondeur ) –Transparence –Dimensions, géométrie ( tilt en  ) –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.Karyotakis6 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 :  (E) 3.25% terme stochastique  x, y < 1mm

7 Y.Karyotakis7 ATLAS : Sandwich LAr(90K) -Plomb-Inox 1-2 mm Détection : chambre d’ionisation 1GeV = 5 10 6 e - Géométrie en accordéon, minimise les zones mortes ! Segmentation fine, homogénéité, résistant aux radiations Pre-shower Calorimètres à échantillonnage

8 Détection de la lumière Scintillateurs Photomultiplicateurs Jeudi 3 Décembre

9 Y.Karyotakis9 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 (excitons) de la couche de valence à des niveaux d’énergie plus élevée. Les excitons migrent à travers le cristal jusqu’au moment où ils transfèrent leur énergie à un centre coloré, qui passe à un état excité. Désexcitation par émission de lumière ou de phonons. Le temps de vie du niveau excité définit la rapidité du cristal.

10 Y.Karyotakis10 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 Y.Karyotakis11 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 !) Deux constantes de temps, une rapide et une lente. La résistance aux radiations dépend du cristal et des dopants

12 Y.Karyotakis12 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 Y.Karyotakis13 Excitation du milieu scintillant et émission de lumière UV, qui serait absorbée ( 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.Karyotakis14 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. 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 Y.Karyotakis15 Réflexion et Diffusion Réflexion spéculaire Réflecteurs : aluminium, aluminisation R = 70-80 % Diffusion Diffuseurs : Téflon PTFE, papier blanc, peinture etc...

16 Y.Karyotakis16 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 ere dynode de gain g i, on obtient ng e soit pour N dynodes : M = n a / n k. Pour g i = 4 M = 10 6.

17 Y.Karyotakis17 Photomultiplicateurs Photocathodes : Dépôt de semi conducteur, transparent ou opaque. –AgOCs, SbCs –Bi (Tri) alkali composites SbKCs, SbRbCs, SbNa 2 KCs. Sensitivité spectrale est limitée par : Transparence de la fenêtre pour 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: Le gain varie vite avec la tension Résolution en énergie: dominée par les fluctuations sur le nombre d’électrons secondaires émis par les dynodes. Matériaux de dynodes, isolants et semi-conducteurs, AgMgO(Cs) (dépend aussi de la tension)

18 Y.Karyotakis18 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,  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 Y.Karyotakis19 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. BELLE : lecture du PID en aérogel

20 Y.Karyotakis20 Photodiodes: Couche P en surface et sur le substrat forment une jonction PN. Couche P: 1  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 Y.Karyotakis21 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.Karyotakis22 Calibration de photo détecteurs  Calibration = nb de photoélectrons Quand ce nombre est petit, il va fluctuer comme une distribution de Poisson, et parfois on aura zero, ce qui affecte l’efficacité de la détection. Calibration avec une source de lumière LED, réglée à un niveau très faible. Si la résolution en énergie est bonne on observe les pics de 1,2, etc... photoélectrons Cas d’un fine mesh : Quantité de lumière réglée pour que 95% des événements soient dans le pedestal