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E. Casarejos Laboratorio de Técnicas Experimentales Avanzadas USC, febrero 2008
detectores
Técnicas Experimentales Avanzadas
detectores: una introducción
Enrique Casarejos
It doesn't matter how beautiful your theory is, it doesn't matter how smart you are. If it doesn't agree with experiment, it's wrong. Richard P. Feynman
E. Casarejos Laboratorio de Técnicas Experimentales Avanzadas USC, febrero 2008
detectores
Observación de partículas: � transferencia de energía al medio activo del detector� conversión de esa transferencia en una señal útil
Detección
Sistemas de detección son DEDICADOS a la radiación a observar
Sensibilidad
Observación de partículas: � sección eficaz de los procesos de transferencia de energía � masa/tamaño del detector� ruido del sistema de detección (+ electrónica)� barreras de acceso a la zona activa del sistema
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detectores
Sistemas de detección
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detectores
Super-Kamiokande
39 m
42 m
50,000 ton water Cherenkov detector
(22.5 kton fiducial volume)
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detectores
ContarSeleccionar tipo de particulasMedir energia / dEMedir posicion � tracking Medir tiempo de vuelo
� ATLAS-CERNGeiger-Marsden (1910)
complejidad}Detectores
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detectores
forma de observaciónóptica
eléctrica
Detectores
Ionizacion
digitalización
estadísitica
sucesos aislados
Centelleo
sólidos
líquidos
gaseosos
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detectores
Paso de partículas cargadas por el medio activo, produce efectos ‘observables’.Traza de condensación� observación ‘directa’Transporte de iones/elecctrónes� inducción de carga
Detectores de ionización
Ópticos Eléctricos
Camara de ionización
Contador proporcional
Contador Geiger-Muller
Multi-wire proportional chamber MWPC
Drift chamber
Time projection chamber TPC
< 40’s
> 60’s
cámara Wilson, de burbujas
���� gaseosos
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detectores
Mecanismos de ionización
recombinación y attachment
resolución en energía
Fenómenos de transporte
difusión (eq. térmico)
campos eléctricos
Creación de avalanchas y multiplicación
campos E : deriva y mobilidad de carga
oonización secundaria
Detectores de ionización
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detectores
Camara de ionizacion
Contador proporcional
Contador Geiger-Muller
Detector : geometría, tamañoGas: mezcla, T, P
Radiación
Detectores de ionización
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detectores
� inducción: movimiento de cargas en un campo
formación de pulso
twwCd
Ne)( +− +−
)(: twxCd
NeTtT o
++− +−≤≤
oxCd
NeTt 2: −≥ +
msT ≈+
sT µ≈−
chopp-off
Modelo simplificado planos paralelos:
Detectores de ionización
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detectores
Geiger-Muller
Eficiencia 100% iones‘alta’ electronesfew % gammas
campo eléctrico alto � multiplicación independiente tipo/energía partícula
(avalanchas townsend en cadena)
gas noble + gas quenching
quenching electrónico
� Independiente del tipo de radiación
Detectores de ionización
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detectores
Typical applications of Geiger Muller tubes
include the following, which occur in and around nuclear power stations: checking satisfactory performance of shielding ensuring safety of working staff warning of any release of contamination recording exposure levels monitoring environment near nuclear installations detecting hazards for emergency service staff
additional applications not specifically associated with nuclear power stations include: external monitoring of fluid levels in processing tanks in the chemical and petroleum industries external monitoring of levels in coal hoppers, smelting furnaces, and liquified gas containers thickness measurement by absorption in paint layers, thin metal sheets, and abrasive layers
on 'sand papers' finding cracks or voids in metal or stone tracking the radioactive isotope 'labels' frequently used as tracers in chemistry, agriculture,
civil engineering, petroleum engineering, and medicine detecting tracers used for indicating a change of oil in a time-share oil pipe line,
or for tracking underground movement of water oil well logging measuring output from nuclear sources in various types of educational experimentation
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detectores
ópticos
eléctricos �� tubos FotoMultiplicadores(Curran-Baker, 1944)
Sensibilidad a energía
Respuesta rápida en tiempo (ns)
Pulse Shape Analysis / Discrimination
Detectores de centelleo
luminiscenciaFluorescencia ( τ ~ atomic transitions)
Fosforescencia / afterglow (τ ~ µs � horas){spinthariscope (Crookes, 1903) : Geiger-Marsden (1910)
acoplo centelleador + PMT
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detectores
J.B. Birks, The Theory and Practice of Scintillation Counting,NY, 1964
materiales orgánicos materials inorgánicos
scintillation principles
Detectores de centelleo
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detectores
OrgánicosLíquidosSólidos cristales
plásticos
Inorgánicos
estructuras cristalinas NaI(Tl) CsI(Tl, Na) …
cristales amorfos Li(Ce), B-silicatos
gases nobles
Alta eficiencia en conversión Eex en fluorescencia
Alta transparencia –transmisión a la radiación de fluorescencia
Rango emisión compatible con PMTs
Pulsos rápidos y tiempos de relajación cortos
Propiedades
Detectores de centelleo
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detectores
Fotocátodo
Sistema de entrada electro-óptico
Semiconductor + metal alcalino� Rango espectro útil
Recolección electrónica eficienteIndependencia de posición
� resolución de tiempo
Dynodos (electródos)Divisor de voltaje� ganancia
Sección de multiplicación electrónica
Detectores de centelleo
Tubos FotoMultiplicadores (PMTs)
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detectores
)exp()exp(sf
tt BAN ττγ−− +=
N = N(E)
τ ~ ns
� linearidad amplitud / E (!)
)]exp()[exp( ττττ
ttGNeR
scisci
−−−−
−
)exp(2 scisci
ttGNeR τ
τ− sciττ =
sciττ ≠ RC=τ
=)(tV
I V
τ << τ sci : modo corrienteτ >> τ sci : modo voltaje
RC
Detectores de centelleo
Acoplo centelleador + PMT : generación de pulso
Generación de luz �
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detectores
Tubos FotoMultiplicadores (PMTs)
Detectores de centelleo
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detectores
Resolución : tiempo / energía / posición
Calibración : tiempo / energía / posición
Plateau de trabajo
Eficiencia : tipo de radiación, intrínseca, geométrica, total
Tiempo muerto : detector y electrónica
Detectores: caracterización
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detectores
Resolución en energía
Fluctuaciones estadísticasen la formación de los portadores de carga/ deposiciónde e nergía
Ruido del detector y de la electronica asociada
Recoleccion/trasmisión incompleta de carga producida
Detectores: caracterización
Ex.
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detectores
Plateau de trabajo
Vr
r
∆
∆
Detectores: caracterización
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detectores
Detectores: caracterización
Eficiencia TOTAL de un detector/sistema de detección� alcanzar medio activo del detector� transferencia de energía al medio activo � conversión en una señal útil
� geometría� probabilidad de interacción� tipo de radiación INTRINSECAGEOMTOT εεε •=
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detectores
Detectores: caracterización
Eficiencia INTRÍNSECA de un detector/sistema de detección
� transferencia de energía al medio activo
� conversión en una señal útil
Eficiencia GEOMETRICA de un detector/sistema de detección
� radiación debe alcanzar el medio activo del detector
� En general se calcula por métodos MonteCarlo
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detectores
tiempo muertoDetectores: caracterización
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detectores
lógicas
analógicas � DIGITALIZACION
ContarStart/stop � medidas de posición, tiempoTrigger Ventanas de lectura, coincidencia, vetos,…
ADCFlash-ADCQDCTDC
NIMCAMACVME
CAMACVME
setup electrónico
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detectores
setup electrónico
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detectores
HISTOGRAMAS
Calibraciónenergía
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detectores
Geiger-Muller caracterización, estadística, atenuación, tiempo muerto, eficienciasgeométrica e intrínseca
Espectrometría gamma calibración energía, eficiencia según energía, atenuación
Radiación cósmicacaracterización, estadística, atenuación, eficiencia, coincidencias2
Difusion compton
Coincidencia γ - γ
Prácticas