Introduction ( très rapide) aux techniques de détection en

physique des particules

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 d’une charge électrique (directe ou indirecte) associée.

Excitation et Ionisation des particules chargéesExcitation et Ionisation des particules chargées

ChargedParticle

Free Electron

Electric Field

IonIonization

Le passage d’une particule chargée près d’un atome ionise celui-ci ou Le passage d’une particule chargée près d’un atome ionise celui-ci ou produit une excitation qui est suivie par une émission Electromagnétiqueproduit une excitation qui est suivie par une émission Electromagnétique

Interaction a courte distance

Interaction a longue distance

Une particule chargée lourde cède une fraction de sonUne particule chargée lourde cède une fraction de sonénergie aux électrons du milieu de façon continueénergie aux électrons du milieu de façon continue. .

BetheBloch

Bethe – Bloch FormulaBethe – Bloch Formula

v/c

in drift chambergas

e

Minimum d’ionisationMinimum d’ionisation ~ 2MeV cm~ 2MeV cm22/g/g

Séparation

Pas de séparation

Rayonnement électromagnétique par des particules Rayonnement électromagnétique par des particules chargéeschargées

Rayonnement primaire -> cohérent

-> non isotrope

Bremsstrahlung ou Cyclotron (freinage accélération )

Rayons X

Anodee

Perte d’énergie des électronsPerte d’énergie des électrons

Particule chargée

Rayonnement Cerenkov : émission du milieu

1 2 3 4

VVparticuleparticule > V > Vlumière dans milieulumière dans milieu

Front d’onde (Interférence constructive)

• Particule chargée• Milieu transparent

OP

A

particle trajectory

cn

t

ct

n = cvL

= vP

c

Dans l’eau pour des particules relativistes

Nombre de / cm est environ N = 490 sin2 θ

cm dans l’H2O (dans le visible : 400 < λ < 700 nm)

Effet Cerenkov produit par les électrons dans une centrale nucléaire

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.

Interaction du rayonnement électromagnétiqueInteraction du rayonnement électromagnétique

Effet photoélectrique

Section efficace (probabilité) ~ Z5

Ephotoelec = E – E couche atom 2ZCompton

Interaction du rayonnement électromagnétiqueInteraction du rayonnement électromagnétique

Effet Compton : + e

Diffusion des sur des électrons quasi stationnaires

ZCompton

Interaction du rayonnement électromagnétiqueInteraction du rayonnement électromagnétique

Création des paires

(E = m c2)

2ZPaires

E > 2 x me ( 1.022 MeV)

Détecteurs Détecteurs àà gaz gaz

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

Modes de fonctionnement d’un détecteur Modes de fonctionnement d’un détecteur àà gaz gaz

MWPC => G. Charpak

Détecteurs Détecteurs àà scintillation scintillation

• 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 produitLorsque l’impureté se désexcite.

Mécanisme scintillation. Scintillateur non organique

Spectre d’émission des scintillateurs non organiquesSpectre 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•

~500 ns•Bon rendement•Grand Z , grande densité => meilleure absorption

< 10 ps

ns

Mécanisme scintillation. Scintillateur non organique

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 (s)

Wave length shifter

Dectection de la lumière de scintillation Le Photomultiplicateur

Photomultiplicateur

e

EffetPhotoelectrique

e

EffetPhotoelectrique

e

n e

• Efficite Quantique de la photocathode:

10 – 30 %

• Amplification:

jusqu'a 107

Nombre d’électrons produits Nombre de photon incidents

Nombre d’ e sortant a l’anode pour un e entrant a la première dynode

Application Application àà la Roue Cosmique la Roue Cosmique

Scintillateur plastiqueScintillateur plastique

Photomultiplicateur

V ns

Discriminateur

Principe de coïncidence

50 ns

Distribution angulaire

PM

Barre plexiglassou tube PVC + eau

muonmuon

Lumière Cherenkov

Comptage

Faible comptage

Sens des muons

y = 221,04e-0,4456x

R2 = 0,9169

0

50

100

150

200

250

0 2 4 6 8 10 12

Série1

Exponentiel (Série1)

= 2.24 s

s

Vie moyenne du muon

Scintillateur PM

e e + e +

~ 10s

PMScintillateur/eau

~ 10s

PMScintillateur/eau

stop

e

t

e

stop