detectores: unaintroducción - Universidade de Santiago de … · 2008-03-04 · conversión de esa transferencia en una señal útil Detección Sistemas de detección son DEDICADOS

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


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


detectores

Sistemas de detección


detectores

Super-Kamiokande

39 m

42 m

50,000 ton water Cherenkov detector

(22.5 kton fiducial volume)


detectores


detectores

ContarSeleccionar tipo de particulasMedir energia / dEMedir posicion � tracking Medir tiempo de vuelo

� ATLAS-CERNGeiger-Marsden (1910)

complejidad}Detectores


detectores

forma de observaciónóptica

eléctrica

Detectores

Ionizacion

digitalización

estadísitica

sucesos aislados

Centelleo

sólidos

líquidos

gaseosos


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


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

Camara de ionizacion

Contador proporcional

Contador Geiger-Muller

Detector : geometría, tamañoGas: mezcla, T, P

Radiación



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

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

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


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


detectores

J.B. Birks, The Theory and Practice of Scintillation Counting,NY, 1964

materiales orgánicos materials inorgánicos

scintillation principles



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

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


Tubos FotoMultiplicadores (PMTs)


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


Acoplo centelleador + PMT : generación de pulso

Generación de luz �


detectores

Tubos FotoMultiplicadores (PMTs)



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


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


Ex.


detectores

Plateau de trabajo

Vr

r

∆

∆



detectores


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 •=


detectores


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


detectores

tiempo muertoDetectores: caracterización


detectores

lógicas

analógicas � DIGITALIZACION

ContarStart/stop � medidas de posición, tiempoTrigger Ventanas de lectura, coincidencia, vetos,…

ADCFlash-ADCQDCTDC

NIMCAMACVME

CAMACVME

setup electrónico


detectores

setup electrónico


detectores

HISTOGRAMAS

Calibraciónenergía


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


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