Introduction trs rapide aux techniques de dtection en physique des particules

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Introduction ( très rapide) aux techniques de
détection en physique des particules
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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 dune charge
électrique (directe ou indirecte) associée.
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Excitation et Ionisation des particules chargées
Le passage dune particule chargée près dun
atome ionise celui-ci ou produit une excitation
qui est suivie par une émission Electromagnétique
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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
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b v/c
Bethe Bloch Formula
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Séparation
Pas de séparation
e
Minimum dionisation 2MeV cm2/g
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Rayonnement électromagnétique par des particules
chargées

• Rayonnement primaire
• -gt cohérent
• -gt non isotrope

• Bremsstrahlung ou Cyclotron (freinage -gt
  accélération )

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Perte dénergie des électrons
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• Rayonnement Cerenkov émission du milieu

Particule chargée
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• Particule chargée
• Milieu transparent

1 2
3 4
Vparticule gt Vlumière dans milieu
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A
?
bct
O
P
particle trajectory
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Dans leau pour des particules relativistes Q
42o
Nombre de g / cm est environ N 490 sin2 ?
200 g / cm dans lH2O (dans le visible 400 lt
? lt 700 nm)
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Effet Cerenkov produit par les électrons b dans
une centrale nucléaire
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• Rayonnement secondaire Scintillation

-gt Rayonnement décalé dans le temps -gt 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.
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Interaction du rayonnement électromagnétique

• Effet photoélectrique

Ephotoelec Eg E couche atom
Section efficace (probabilité) Z5
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Interaction du rayonnement électromagnétique

• Effet Compton g -gt g e-

Diffusion des g sur des électrons quasi
stationnaires
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Interaction du rayonnement électromagnétique

• Création des paires

(E m c2)
Eg gt 2 x me ( 1.022 MeV)
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(No Transcript)
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Détecteurs à gaz
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A proximité de lanode le champ peut atteindre
104 - 105 V/cm. Cest cet endroit que la
multiplication des électrons a lieu. Le
facteur de multiplication peut atteindre 106
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Modes de fonctionnement dun détecteur à gaz
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MWPC gt G. Charpak
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Détecteurs à scintillation
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Mécanisme scintillation. Scintillateur non
organique
Une radiation incidente provoque la création
dune paire électron-trou (trou dans la bande de
valence et lélectron dans la bande de
conduction). Le trou se propage dans la bande
de valence jusquà ce quil ionise une
impureté. Lélectron se propage dans la bande
de conduction jusquà être capté sur un niveau
excité dune impureté ionisée. Une transition
radiative se produit Lorsque limpureté se
désexcite.
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Spectre démission 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

t500 ns Bon rendement Grand Z , grande
densité gt meilleure absorption
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Mécanisme scintillation. Scintillateur non
organique
lt 10 ps
ns
Etat vibrationnel
Létat fondamental est un état Singulet S0
Lexcitation peut porter lélectron 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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(No Transcript)
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Wave length shifter
29
(No Transcript)
30
(No Transcript)
31
(No Transcript)
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Dectection de la lumière de scintillation Le
Photomultiplicateur
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Photomultiplicateur
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e-
g
Effet Photoelectrique
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e-
g
e-
n e-
Effet Photoelectrique
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Nombre délectrons produits Nombre de photon
incidents

• Efficite Quantique de la photocathode
• 10 30
• Amplification
• jusqu'a 107

Nombre d e- sortant a lanode pour un e- entrant
a la première dynode
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(No Transcript)
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(No Transcript)
39
(No Transcript)
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Application à la Roue Cosmique
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Photomultiplicateur
Scintillateur plastique
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Discriminateur
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Principe de coïncidence
Distribution angulaire
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Sens des muons
muon
muon
Lumière Cherenkov
Faible comptage
PM
Barre plexiglass ou tube PVC eau
Comptage
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Vie moyenne du muon
m
m- ----gt e- ne nm
e-
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