Calorimtres

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Calorimètres
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Types de calorimètres

• Calorimètres homogènes
• Détecteur absorber
• Très bonne résolution en énergie
• Résolution spatiale moyenne
• Pas de profil longitudinal
• Détection de la lumière de Scintillatation ou
  Cherenkov.
• Lecture par diodes triodes APD, PM
• L3 BGO
• BaBar Belle CsI(Tl)
• CMS PbWO4
• Opal Verre au plomb
• NA48 LKr

• Calorimètres à échantillonnage
• Absorber Fe Cu Pb W etc...
• Détecteur Scintillateur,fibres, détecteurs Si,
  MWPC, liquides chauds (TMP, TMS) liquide froids
  (Ar, Kr)
• Résolution en énergie et spatiale moyenne
• Segmentation longitudinale, identification de
  particules e-p
• ALEPH Plomb - MWPC
• ATLAS Accordéon Pb-Lar
• KLOE Pb-Fibres
• LHCB Shashlik

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Calorimètres homogènes
Cristaux
Liquides nobles
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Calorimètres homogènes

• L3 BGO (Bi4Ge3O12) 11 K cristaux, en 2 demi
  barrels et 2 end caps
• BaBar CsI (Tl) 6780 cristaux, 1 baril et 1 end
  cap avant. 16 et 17.5 X0 en fonction de q.

• Calibrage par Bhabhas, Lumière et source
  radioactive (photons 6.1MeV)

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Calorimètres homogènes

• Maintenir le terme c petit
• Uniformité du cristal ( réponse en profondeur )
• Transparence
• Dimensions, géométrie ( tilt en f )
• Calibration
• Suivi de la calibration ( court terme et long
  terme vieillissement)
• Contrôle de le température
• Electronique, et maîtrise du bruit de fond
• Cristal Ball et L3 ont montré que cest possible

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Calorimètre à LKr NA48

• Calorimètre presque homogène, pas dabsorber, le
  LKr (T120K) sert de détecteur et radiateur.
• Electrodes en léger accordéon le long de la
  direction du faisceau

Résolution s(E) 3.25 terme stochastique
sx,y lt 1mm
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Calorimètres à échantillonnage

• ATLAS Sandwich LAr(90K) -Plomb-Inox 1-2 mm
• Détection chambre dionisation 1GeV 5 106 e-
• Géométrie en accordéon, minimise les zones mortes
  !
• Segmentation fine, homogénéité, résistant aux
  radiations
• Pre-shower

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Détection de la lumière

• Scintillateurs Photomultiplicateurs
• Jeudi 3 Décembre

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Scintillateurs

• Tout matériaux qui produit une impulsion
  lumineuse juste après le passage dune particule.
• Le phénomène est lié à la luminescence émission
  de la lumière après labsorption dun quantum de
  lumière
• Scintillateurs non-organiques, essentiellement
  des cristaux, CsI,BGO, NaI etc..., et
  organiques, solides et liquides polymérisés.
  Mécanismes démission de lumière différents, et
  caractéristiques différentes.
• Scintillateurs non-organiques
• Cristaux dopés en cours de production ex CsI(Tl)
  présence de centres dactivation ou centre de
  couleurs, le long de la maille cristalline.
• Production de lumière Au passage dune
  particule, libération délectrons-trous
  (excitons) de la couche de valence à des niveaux
  dénergie plus élevée. Les excitons migrent à
  travers le cristal jusquau moment où ils
  transfèrent leur énergie à un centre coloré, qui
  passe à un état excité. Désexcitation par
  émission de lumière ou de phonons. Le temps de
  vie du niveau excité définit la rapidité du
  cristal.

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Scintillateurs non-organiques
Luminescence Structure cristalline

• Luminescence Photons (200 - 600nm) émis par les
  centres colores imperfections de la structure
  cristalline, ou dopants.
• Centres de luminescence Capture d un exciton (
  e-trou ) ou d un e de conduction et un trou de
  valence. Centre excite et émission de lumière (
  fluorescence )
• Centre de quenching émission de phonons
• Piéges niveaux métastables, et e trous et
  excitons y restent longtemps, avant d aller vers
  les centres de luminescence ou quenching.
  Phosphorescence, émission retardée

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Scintillateurs non-organiques

• Les scintillateurs non-organiques sont
  généralement lents, 100 ns (sauf quelques
  exceptions)
• Ils produisent plus de lumière que les
  scintillateurs organiques, mais le signal dépend
  de la température !
• ( ex BGO -1.5/ par deg !)

• Deux constantes de temps, une rapide et une
  lente.
• La résistance aux radiations dépend du cristal et
  des dopants

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Scintillateurs organiques

• Monocristaux, naphtalène, anthracène, ... ou
  plastiques Polystyrène Poly...., ou liquides
• Le mécanisme de scintillation dépend de la
  structure moléculaire.
• Excitations du milieu scintillant au passage
  dune particule. Retour à létat fondamentale par
  dissipation de chaleur et vibrations (quenching).
  Petite partie de lénergie est récupérée en
  lumière. ex 3.5 pour lanthracène.
• Les impuretés baissent lefficacité.

• Luminescence Transitions électroniques entre
  les différents niveaux énergétiques des molécules
• Létat S1 revient en S0, en émettant un photon en
  1 ns.
• Létat T1, longue durée de vie, revient en S0
  (ms), ou interaction avec un autre T1 et passage
  en S1.

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Scintillateurs organiques

• Excitation du milieu scintillant et émission de
  lumière UV, qui serait absorbée ( la est court).
  On ajoute un deuxième composant, wavelength
  shifter, qui absorbe le UV et re émet à une
  longueur donde supérieure.
• Scintillateurs organiques 2(3) composants
• Temps de désintégration très court qq ns
• Moins de lumière que les cristaux
• Absorption d électrons et neutrons, mauvaise
  efficacité pour les gammas
• Très utilisés en physique, calorimètres,
  compteurs de trigger etc....

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Collection de lumière. Guides de lumière

• Transport de la lumière jusqu à la face dentrée
  dun photodétecteur.
• Emission de lumière est isotrope dans le
  scintillateur.
• La lumière dans le scintillateur est réfléchie
  sur les face par réflexion total.
• Avec n lindice de milieu initial.
• Fraction de lumière transmise
• si n1.58 f0.113
• Réflecteur à la face opposée au guide
• Atténuation dans le scintillateur.

Guides de lumière La section S du scintillateur
est différente de Sp, section du photo
détecteur Guides de lumière en plastique ou air.
La lumière se propage par réflexion totale Th.
De Liouville Fraction maximale de la lumière
transmise Sp / S. Guide adiabatique, cône de
Winston etc...
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Réflexion et Diffusion

• Réflexion spéculaire
• Réflecteurs aluminium, aluminisation R 70-80
  
• Diffusion
• Diffuseurs Téflon PTFE, papier blanc, peinture
  etc...

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Photo détecteurs

• Transformer la lumière en signal électrique
• Photomultiplicateurs
• Photo émission Effet photoélectrique sur la
  cathode émission de photoélectrons
• Emission d électrons secondaires
• Photocathode flux d e
• Optique de focalisation et accélération
• Multiplicateur d e, dynodes
• Anode qui produit le signal
• Accélération et focalisation des e par le champ
  électrique entre dynodes obtenu par division de
  voltage ( Base )
• Gain
• Si nk photoélectrons arrivent sur la 1ere
  dynode de gain gi , on obtient ng e soit pour N
  dynodes
• M na / nk . Pour gi 4 M 106 .

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Photomultiplicateurs

• Photocathodes Dépôt de semi conducteur,
  transparent ou opaque.
• AgOCs, SbCs
• Bi (Tri) alkali composites SbKCs, SbRbCs,
  SbNa2KCs.
• Sensitivité spectrale est limitée par
• Transparence de la fenêtre pour l petit
• Seuil de photoémission du matériaux
• Efficacité quantique (rapport nk / np ) 20
• Transmission de la fenêtre Cut off à 250 - 300
  nm pour des fenêtres en verre borosilicate.
  Quartz, LiF, transparents aux UV

Gain Le gain varie vite avec la tension
Résolution en énergie dominée par les
fluctuations sur le nombre délectrons
secondaires émis par les dynodes. Matériaux de
dynodes, isolants et semi-conducteurs, AgMgO(Cs)
(dépend aussi de la tension)
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Détection de la lumière dans un champ magnétique

• Un PM conventionnel ne marche plus dans un champ
  magnétique.
• Le gain seffondre, puisque les trajectoires des
  e entre dynodes sont modifiées.
• Protection avec du fer doux, m métal. Ok pour
  des champs très faibles, coûte cher, ajoute
  beaucoup de matière
• Transporter la lumière loin du champ. Utiliser
  des fibres optiques. Ex Fibre noyée dans un
  scintillateur, très longue
• Utiliser un détecteur insensible au champ
• Triodes
• Fine mesh
• HPD
• APD
• Photodiodes

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Photodétecteurs dans les champs magnétiques

• Triodes PM à un étage. 1 dynode Gain 10.
  Marche dans un champ de 1T, OPAL, DELPHI, L3
  (Lecture de fibres optiques dun calorimètre
  SPACAL)

• Fine mesh PM avec des dynodes en grilles au
  dessus de lanode. Minimise la distance entre
  anodes. 19 étages et G108. Très bon comportement
  dans un champ jusquà 1.5T. Perte dun facteur
  1000 si laxe est // à B.
• BELLE lecture du PID en aérogel

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Photodétecteurs dans les champs magnétiques

• Photodiodes Couche P en surface et sur le
  substrat forment une jonction PN.
• Couche P 1m de Bore
• Les électrons passent de la bande de valence à
  la bande de conduction, il reste les trous. Les
  électrons dérivent vers la couche N et trous vers
  P. Charge positive en P et négative en N,.
• Gain 1 , efficacité quantique 80
• Lecture du BGO dans L3 ou du CsI à BaBar

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Photodétecteurs dans les champs magnétiques

• Hybride Photo Diodes Une photocathode convertit
  la lumière en électrons, qui sont accélérés dans
  un champ électrique fort, jusquà une diode au
  Silicium( pixels, strips ). Gain 10000,
  insensible au champ magnétique, très bonne
  résolution en énergie.
• Photodiodes à Avalanche (APD)
• Champ électrique interne très fort, production
  d avalanche et Gain100

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Calibration de photo détecteurs

• Calibration nb de photoélectrons
• Quand ce nombre est petit, il va fluctuer comme
  une distribution de Poisson, et parfois on aura
  zero, ce qui affecte lefficacité de la
  détection.
• Calibration avec une source de lumière LED,
  réglée à un niveau très faible.
• Si la résolution en énergie est bonne on observe
  les pics de 1,2, etc... photoélectrons
• Cas dun fine mesh Quantité de lumière réglée
  pour que 95 des événements soient dans le
  pedestal