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RIVELATORI Rivelatori a ionizzazione Scintillatori Semiconduttori Camere con gas Cerenkov Transition radiation Calorimetria Calorimetri e.m. Calorimetri.

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1 RIVELATORI Rivelatori a ionizzazione Scintillatori Semiconduttori Camere con gas Cerenkov Transition radiation Calorimetria Calorimetri e.m. Calorimetri adronici EAS Compensazione nella calori- metria Spettrometri magnetici.

2 RIVELATORI Dispositivi adatti a rivelare il passaggio delle particelle. A scintillazione Scarica nei gas Calorimetri Cherenkov Bolometri ….

3 Caratteristiche generali dei Rivelatori SensibilitàSensibilità: capacità di produrre un segnale utilizzabile per un certo tipo di radiazione Risposta del rivelatoreRisposta del rivelatore: lineare o meno; digitale - analogica Risoluzione Energetica. Fattore di FanoRisoluzione Energetica. Fattore di Fano: Funzione di rispostaFunzione di risposta: R(E,E) Tempo di rispostaTempo di risposta: EfficienzaEfficienza: =Eventi registrati/Eventi da registrare Tempo mortoTempo morto: Riferimento: LEO «Technique for Nucl…» cap. 5

4 Contatori a scintillazione Ionizzazione materia Diseccitazione Emissione di luce Rivelazione della luce

5 SCINTILLATORI I materiali scintillanti usulmente utilizzati nella rivelazione della radiazione sono di due tipi Cristalli scintillanti inorganici Scintillatori organici Il meccanismo che porta allemissione della luce è differente nei due tipi di materiale.

6 Scintillatori Inorganici 17/03/11 Meccanismo di scintillazione dipende dalla struttura del reticolo cristallino Nei cristalli puri un elettrone portato in banda di conduzione può emettere luce quando latomo si diseccita (processo poco efficiente). Laggiunta di impurezze (attivatori) cambia localmente la struttura a bande degradando lenergia della radiazione emessa (Stokes shift) Band Gap

7 Scintillatori Inorganici 17/03/11 NaI(Tl)CsI(Tl)BaF ­­ ­ 2 BGOLSOGSOYAPLuAP Emission peak (nm)410565/ / Light Yied (ph/KeV)386511/ Decay time (ns)230680/ / / Density (g/cm 2 )

8 Scintillatori Inorganici 17/03/11

9 Scintillatori Organici La radiazione incidente provoca una transizione ad un livello eccitato (qualche eV). La molecola si diseccita con transizioni vibrazionali (dellordine 0.1 eV) La diseccitazione avviene ad unenergia differente delleccitazione Il materiale è quindi trasparente alle luce di fluorescenza Tipicamente per m.i.p

10 Luce ed Energia negli scintillatori 17/03/11 La regola di Birks

11 dL/dx vs dE/dx 17/03/11

12 Quenching della luce di scintillazione Formula di Birks

13 Stokes shift When a system (be it a molecule or atom) absorbs a photon, it gains energy and enters an excited state. One way for the system to relax is to emit a photon, thus losing its energy (another method would be the loss of heat energy). When the emitted photon has less energy than the absorbed photon, this energy difference is the Stokes shift. Stokes shift

14 Scintillatori Organici 17/03/11 ScintillatorSTATE max [nm] Decaytime [ns] Density [gcm -3] Ph/kev AntraceneCrystal Pilot UPlastic NE104 Plastic NE102Liquid

15 Scintillatori Organici 17/03/11

16 Meccanismo di scintillazione Lenergia rilasciata nello scintillatore viene trasformata in radiazione luminosa tra il 7% (scintillatori inorganici) al 3% (scintillatori organici). La separazione di Stokes permette alla luce di propagarsi nello scintillatore.

17 Scintillazione Ordini di grandezza Perdita di energia in plastico: ~ 2 MeV/cm Efficienza di scintillazione: ~ 1γ/100 eV Efficienza di raccolta: ~ 0.1 Efficienza del fotocatodo: ~ x 1/100 x 0.1 x 0.25 γ=500 γ

18 Contatore a scintillazione

19 FOTOMOLTIPLICATORE

20 Partitore di tensione per PM Partitore per PM a 12 stadi. La tensione del primo dinodo e fissata con zener. Partitore resistenze uguali. I condensatori sulle ultime resistenze presuppongono lutilizzo per impulsi di luce Al posto di W leggasi Ω Guadagno di un dinodo Guadagno totale (N dinodi):

21 Segnale di uno scintillatore

22 D D D D D D ADC TDC GATE

23 DISCRIMINATORE 17/03/11 Dispositivo tipicamente usato per discriminare Il segnale (il segnale è «grande») dal fondo (tipicamente quanto più numerosi quanto più piccoli)

24 Tempo di Volo (ToF) Soglia Correzione Principio della correzione del tempo di volo in base allampiezza del segnale B

25 Conteggi di coincidenze casuali 17/03/11 Coincidenza di due contatori: Contatore n.1 in singola frequenza media: Contatore n.2 in singola frequenza media: Durata degli impulsi del Discriminatore: Nellunità di tempo il contatore n.1 è ON per un tempo In questo intervallo temporale ci saranno quindi : Analogamente scambiando i contatori Coincidenze casuali:

26 Contatori Cherenkov

27 Ring Imaging Detectors

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30 Un rivelatore Cherenkov: Super-Kamiokande 17/03/11 The Super-K consists of a cylindrical stainless steel tank that is 41.4 m tall and 39.3 m diameter holding 50,000 tons of ultra-pure water. About PMs m

31 Super-Kamiokande (fase di costruzione) 17/03/11

32 Evento di Super-Kamiokande 17/03/11

33 La Formazione dellanello C F Equazione dello specchio sferico (raggi parassiali)

34 Rivelatori a Gas VoVo R a b V0V0 Elementi di base di un rivelatore a gas proporzionale: contenitore (tipicamente) cilindrico filo al centro del cilindro gas poco sensibile alle scariche e in grado di degradare lenergia dei fotoni energetici filo ba r E(r)

35 Rivelatori a Gas VoVo R a b V0V0 Elementi di base di un rivelatore a gas proporzionale Sviluppo della scarica attorno al filo 1 Ione/30eV persi

36 Campo Elettrico in un contatore cilindrico E (V/m) r (mm) 0.1mm

37 Contatore proporzionale 17/03/11 Numero di ioni raccolti in funzione della tensione applicata al contatore

38 Formazione dellimpulso (vedi ieee_sauli1.pp: NO segnale di tensione!!) Se una carica q si sposta di dr nel contatore varia la sua energia di Questa energia e bilanciata dalla variazione di energia del condensatore. Supponendo trascurabile la variazione di tensione di alimentazione V 0, possiamo valutare la variazione di tensione su filo

39 Formazione dellimpulso Una ionizzazione nel contatore in r indurrà negli elettrodi un segnale dovuto sia al moto degli elettroni sia a quello degli ioni positivi: Il segnale e essenzialmente dovuto agli ioni

40 Sviluppo temporale dellimpulso Una ionizzazione nel contatore in r indurrà negli elettrodi un segnale dovuto essenzialmente al moto degli ioni positivi: Mobilità Impulso differenziato

41 Gas nelle camere proporzionali Scelta del Gas: Bassa tensione di lavoro Alto guadagno Buona proporzionalità Capacita di sopportare alte frequenze di conteggio Mobilità Tipicamente si sceglie una miscela di gas: ARGON gas nobile-basso costo-alta energia ionizzazione 11.6 eV GAS – POLIATOMICO (Metano, CO2,Isobutano ….) (quencher)

42 MWPC MultiWire Proportional Chambers (camere a Multi-fili proporzionali)

43 MWPC

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45 Camere a Deriva (DRIFT chamber) La camera a deriva sfrutta il fenomeno del trasporto degli elettroni in un campo elettrico con una velocità costante (o quasi)

46 Camere a Deriva (DRIFT chamber)

47 Drift Chamber

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49 The Geiger Counter reloaded: Drift TubePrimary electrons are drifting to the wire. (W. Riegler/CERN) Electron avalanche at the wire. Many of these circles define the particle track. ATLAS MDTs, 80 m per tube Calibrated Radius-Time correlation The measured drift time is converted to a radius by a (calibrated) radius- time correlation.

50 Prestazioni delle Camere a DRIFT La camera a deriva Risoluzione spaziale di 100micron Pochi fili (~1 per ogni 10 cm) => costo contenuto dellelettronica di lettura Ma: Necessita di un tempo zero Non è utilizzabile come trigger Lungo tempo di risposta: decine di microsecondi (sovrapposizione di eventi)

51 RPC Resistive Plate Chamber E un sandwich di 2mm bachelite 2 mm gas 2 mm bachelite 17/03/11 Conduttore Conduttività bachelite 10**-9 Ohm cm

52 RPC Resistive Plate Chamber: Tecnica costruttiva 17/03/11

53 RPC High Voltage ~ 10kV 17/03/11 Spark Gas: Argon (15%),Isobutano (10%), TetraFluoroEtano(75%)

54 Generazione del segnale di tensione Teorema o seconda identità di Green Teorema della divergenza Teorema di Green

55 Generazione del segnale di corrente -Q+Q l q Per la soluzione: (1) condensatore senza carica e piani a massa ( =0) + (2) condensatore con carica e piatti a potenziale 1 e 2 fissi. Il problema: Una carica q è posta tra due piani paralleli e infinti collegati a massa. Qual è la carica indotta sui piani?

56 17/03/11

57 Generazione del segnale di corrente in contatori a elettrodi paralleli

58 Generazione del segnale di tensione x dx E V l q Segnale sul catodo da moto di una carica positiva Segnale sullanodo E x V A

59 Time Projection Chamber (TPC) La TPC e formata da un cilindro riempito di gas e usa camere MWPC come chiusure del cilindro. A metà del cilindro vi è un disco conduttore ad alta tensione, che stabilisce un campo elettrico tra il centro e le piastre laterali. Alle volte è applicato 17/03/11 un campo magnetico, parallelo al campo elettrico, per ridurre al minimo la diffusione degli elettroni provenienti dalla ionizzazione del gas.

60 Time Projection Chamber (TPC) 17/03/11

61 Time Projection Chamber Esperimento ALICE 17/03/11

62 Time Projection Chamber Esperimento Delphi 17/03/11

63 Time Projection Chamber Esperimento STAR 17/03/11

64 Time Projection Chamber Esperimento STAR 17/03/11 Evento Au-Au con produzione di anti-elio (in rosso)

65 Calorimetria Lo scopo della calorimetria è quello di misurare lenergia delle particelle prodotte in uninterazione assorbendone lintera energia. Particelle neutre e cariche possono perdere tutta lenergia cinetica nella materia Lincertezza su E diminuisce con laumentare dellenergia (al contrario di altri rivelatori) Risposta veloce (minore di ~50ns) – Trigger 17/03/11

66 Calorimetri Calorimetri a «sampling» – Piani di assorbitore (passivi): Pb, Fe, U, Cu, Al,… – Piani di rivelatori (attivi) : Scintillatore, MWPC, Ar, … 17/03/11 Calorimetri omogenei – Nei calorimetri omogenei lintero volume contribuisce del rivelatore contribuisce alla formazione del segnale. Materiali tipici: Vetro-Piombo (luce Cherenkov), BGO, BaF2, CeF3 (scintillazione)

67 Calorimetro a «sampling» 17/03/11 Assorbitore Strato attivo Deposito di Energia

68 Calorimetria Calorimetri elettromagnetici – Lassorbimento scala con la lunghezza di radiazione (X 0 =180A/Z 2 g/cm 2 ) Calorimetri adronici – Lassorbimento scala principalmente con la lunghezza di interazione ( int ) – Non tutta lenergia nellinterazione forte è rivelabile (neutrini, energia di legame nucleare, mu,…) 17/03/11

69 Sciami Elettromagnetici Lo sciame si sviluppa a causa delle reazioni creazione di coppie ( ee) bremstrahlung (e e 17/03/11 La moltiplicazione delle poarticelle continua fino a quando lenergia media delle particelle dello sciame raggiunge Ec. Il resto dellenergia si perde via ionizzazione

70 Sciami Elettromagnetici Sviluppo longitudinale 17/03/11 Le dimensioni dello sciame crescono logaritmicamente con lenergia della particella.

71 Sciami Adronici Lo sciame si sviluppa a causa delle reazioni nucleari, ma i neutri danno origine a sciami em dentro quelli adronici. Negli sciami adronici ci sono due lunghezze scala: nt nucleare e X 0 per gli sciami iniziati dai 17/03/11 hadron

72 Materiali per la Calorimetria 17/03/11

73 Calorimetria 17/03/11

74 RISOLUZIONE IN ENERGIA DEI CALORIMETRI 17/03/11 Fluttuazione poissoniana Termine doninante nel range di interesse Calibrazione – non linearità elettronica poissoniana Effetto del rumore e piedistallo degli ADC

75 Development of hadron cascade Large fluctuations due to o production

76 Dominance of low energy particles

77 Lateral cascade distribution Lead- scintillating fibre calorimeter The EM Component more concentrated on the central part of the shower: EM core

78 Hadronic vs EM response For instance in lead (Pb): Nuclear break-up (invisible) energy: 42% Ionization energy: 43% Slow neutrons (E~ 1 MeV): 12% Low energy s (E γ ~ 1 MeV): 3% Not all hadronic energy is visible: Lost nuclear binding energy neutrino energy Slow neutrons, …

79 Gli sciami adronici danno meno energia visibile rispetto a quelli em e hanno maggiori fluttuazioni e/h = 1/

80 Compensazione intrinseca (vedi la prossima): Recuperando parte della energia invisibile Diminuire il contributo della componente elettromagnetica (uso di più assorbitori ) Compensazione Off-line: Da informazioni multiple sullo sviluppo dello sciame Metodi di Compensazione (principalmente sampling calorimeters)

81 Compensazione La compensazione si ottiene, principalmente nel calorimetri a sampling diminuendo lo spessore degli strati attivi (a basso Z) ovvero aumentando lo spessore di quelli passivi (ad alto Z). Infatti, una frazione importante dellenergia dello sciame è dovuta a gamma di bassa energia (sez.durto Z 5 )

82 Tuning Pb thickness for e/ =1

83 EAS Extensive Atmospheric Shower

84 Un esempio dello sviluppo di un sciame di altissima energia eV

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91 photonselectrons/positrons muonsneutrons

92 Simulazione di uno Sciame Atmosferico Esteso

93 Osservatorio Internazionale di Raggi Cosmici YanBaiJing 4300m (Tibet) Esperimento As Esperimento ARGO

94 Lesperimento AUGER Area: 3000 km 2 50km 1600 Stazioni di Conteggio Ricerca dei raggi cosmici di più alta energia

95 Come si misurano i Raggi Cosmici? Cerenkov Satelliti Array a terra Array a terra Rivelatori sotterranei Rivelatori sotterranei Atmosfera Terrestre

96 Rivelatori a Semiconduttore 17/03/11 Rivelatore a scintillazione 20/30 eV a gamma Rivelatore a semiconduttore 2/3 eV a coppia Problema del rumore (resistività del semiconduttore)

97 Teoria a Bande 17/03/11 Una radiazione di energia sufficiente che entri nel cristallo può ionizzare un atomo spostando un elettrone dalla banda di valenza alla banda di conduzione, creando una coppia elettrone-lacuna. Un campo elettrico applicato al semiconduttore raccoglie la carica generata

98 Rivelatori al Silicio e Germanio 17/03/11

99 Rivelatori a Semiconduttore (strip) 17/03/11

100 Rivelatori al Germanio 17/03/11 Spettrometria gamma HPGE ( g/g) Devono operare alla temperatura dellazoto liquido

101 Sistemi di Rivelatori: Spettrometri Magnetici 17/03/11

102 Spettrometri Magnetici: misura di p 17/03/11 R.Gluckstern Nuc. Instr. Meth 24(1963)381 + Contributo del multiple scattering: (B in Tesla, in metri e p GeV/c) è lincertezza delle N misure di posizione A N ~ angolo m.s. (rms) C N ~ 1.3

103 RADIAZIONE di TRANSIZIONE 17/03/11 La radiazione di transizione è prodotta quando una particella relativistica attraversa un mezzo non omogeneo (variazione della costante dielettrica). In particolare il confine tra materiali. Lintensità della radiazione di transizione è approssimativamente proporzionale a della particella.

104 17/03/11 Questa radiazione permette la possibilità di identificazione delle particelle quando Cherenkov e perdita per ionizzazione non sono più efficaci. Lintensità della radiazione di transizione è molto bassa (.8 X se = ) per transizione. Lemissione della radiazione è in avanti: =1/

105 Progetto NOE 17/03/11

106 Esercizio Rivelatori Tempo Morto. Se un rivelatore (contatore) rimane insensibile per un tempo dopo aver contato un evento come bisogna correggere i suoi conteggi nellunità di tempo? 17/03/11

107 La segnatura di un evento Trovare una particolare configurazione che possa essere interpretata come «FIRMA» dellevento o processo cercato. La «bontà» di una segnatura consiste nel suo grado di immunità dal rumore di fondo

108 Esempio Rivelazione di anti-neutrini Decadimento di elementi della crosta terrestre Anti-neutrini da reattori Anti-neutrini e neutrini da supenovae

109 The Borexino Solar Neutrino Experiment

110 The Borexino Detector

111 La segnatura di un evento: come rilevare gli antineutrini Prompt 190 s, di cattura t t=0 t 190 s

112 17/03/11 Geoneutrini Anti-neutrini da reattore Anti-neutrini solari ( 8 B) BOREXINO

113 La segnatura di un evento creazione di una coppia di B Esperimento per la misure della Sezione durto di produzione di B a soglia Magnete MWPC Calorimetro Assorbitore (Fe) Odoscopio

114 Criteri di selezione GOLDEN EVENTS 4 fondo trascurabile ma pochi EVENTS 3 calcolo dei fondi: DY + prompt

115 Riferimenti bibliografici per approfondimenti e fonti. 1.W.R. Leo Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments. Springer 2.PDB (Particle Data Book) 3.S.P.Ahlen Theoretical and experimental aspects of the energy loss of relativistic heavily ionizing particles Rev. Mod. Pys 52(1980)121 4.S.M. Seltzer and M.J. Berger, Int. J. of Applied Rad. 33 (1982) S.M. Seltzer and M.J. Berger, Int. J. of Applied Rad. 35 (1984) F.Sauli Principles of operation of Multiwire and proportional chambers. Yellow Report CERN ….. 8.R.Wigmans Advances in Hadron calorimetry. Annu. Rev. Nuc!. Part.Sci. 41(1991) 9.W. RieglerParticle Detectors, CERN Summer Student Lecture 2008


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