différentes (gerbe cosmique)

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

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

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

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

5 Bethe Bloch b = v/c Bethe – Bloch Formula

6 in drift chamber gas Séparation Pas de séparation e Minimum d’ionisation ~ 2MeV cm2/g

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

8 Perte d’énergie des électrons

9 Rayonnement Cerenkov : émission du milieu
Particule chargée

10 Vparticule > Vlumière dans milieu
Front d’onde (Interférence constructive) Particule chargée Milieu transparent Vparticule > Vlumière dans milieu

11 A n = c vL c n t  bct O P particle trajectory b = vP c

12 Dans l’eau pour des particules relativistes Q ~ 42o
Nombre de g / cm est environ N = 490 sin2 θ ~ 200 g / cm dans l’H2O (dans le visible : 400 < λ < 700 nm)

13 Effet Cerenkov produit par les électrons b 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 Ephotoelec = Eg – E couche atom Section efficace (probabilité) ~ Z5

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

17 Interaction du rayonnement électromagnétique
Création des paires (E = m c2) Eg > 2 x me ( MeV)

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19 Détecteurs à gaz

20 A proximité de l’anode le champ peut atteindre 104 − 105 V/cm.
C’est cet endroit que la multiplication des ´électrons a lieu. Le facteur de multiplication peut atteindre 106

21 Modes de fonctionnement d’un détecteur à gaz

22 MWPC => G. Charpak

23 Détecteurs à scintillation

24 Mécanisme scintillation. Scintillateur non organique
• Une radiation incidente provoque la création d’une paire électron-trou (trou dans la bande de valence et l’électron dans la bande de conduction). • Le trou se propage dans la bande de valence jusqu’à ce qu’il ionise une impureté. • L’électron se propage dans la bande de conduction jusqu’à être capté sur un niveau excité d’une impureté ionisée. • Une transition radiative se produit Lorsque l’impureté se désexcite.

25 Spectre d’émission 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• t~500 ns •Bon rendement •Grand Z , grande densité => meilleure absorption

26 Mécanisme scintillation. Scintillateur non organique
< 10 ps ns Etat vibrationnel L’état fondamental est un état Singulet S0 L’excitation peut porter l’électron dans un état Singulet ou Triplet excité. Les états Singulets se désexcitent rapidement par dégradation interne puis par fluorescence en 10-8 s Les états Triplets se désexcitent par collision moléculaires en états Singulet excité puis par phosphorescence (ms)

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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- g Effet Photoelectrique

35 e- g e- n e- Effet Photoelectrique

36 Efficite Quantique de la photocathode: 10 – 30 %
Nombre d’électrons produits Nombre de photon incidents Efficite Quantique de la photocathode: 10 – 30 % Amplification: jusqu'a 107 Nombre d’ e- sortant a l’anode pour un e- entrant a la première dynode

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40 Application à la Roue Cosmique

41 Photomultiplicateur Scintillateur plastique

42 0.8 V ~ 30 ns Discriminateur

43 Principe de coïncidence
50 ns Distribution angulaire

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

45 Vie moyenne du muon m- ----> e- + ne + nm ms e- m Scintillateur PM
tm = 2.24 ms ms

46 m PM Scintillateur/eau m ~ 10ms

47 m PM Scintillateur/eau m ~ 10ms mstop mstop e- e- Dt