“Instrumentação para a Física de Partículas e Altas Energias” (Aula 03) Jun Takahashi...
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“Instrumentação para a Física de Partículas e Altas
Energias”(Aula 03)
“Instrumentação para a Física de Partículas e Altas
Energias”(Aula 03)
Jun Takahashi
IFGW-UNICAMP
2Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006
Índice:
Aula 01: Revisão sobre a Física de Partículas e noções básicas sobre aceleradores.
Aula 02: Radiações e interação da radiação com a matéria. Princípios gerais de detecção e um resumo sobre os principais tipos de detectores.
Aula 03: Detectores a gás, detectores semicondutores, e cintiladores.
Aula 04: Métodos de análise de dados, estatística, tracking, Vértices Secundários, PID e trigger.
Aula 05: Os experimentos do RHIC e do LHC. Experimentos de neutrinos e o observatório Auger. Aplicações de detectores em outras áreas.
3Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006
Princípio Geral de um detector
O sinal analógico é coletado pela eletrônica de “frente”, amplificado (pré-amplificação), formatado (shapping), digitalizado (ADC).
e-
e-
e-
e-
e+e+
e+e+
e+
e-
e+
e-
e+
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-e-
e-
e-
e-e-
e- ADC
4Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006
Principais características de Detectores
Sensibilidade do detector para as diferentes partículas
Ruído e Sinal
Resolução em energia
Resolução em posição
Resolução em tempo
Capacidade de Identificação
Tempo morto
Eficiência
Ângulo sólido / áreas mortas / cobertura
Resistência a danos de radiação
Custo
5Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006
Índice da Aula 03:
Detectores pré-era elétrica
Detectores a gás Câmara de Ionização Contador Proporcional Contador Geiger
Detectores Cintiladores
Detectores Semicondutores
6Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006
A câmara de nuvens
C. T. R. Wilson, Proc. Roy. Soc. (London), 87, 292 (1912).
PN:1927C.T.R. Wilson
Em 1912, C.T.R.Wilson, físico escocês, cria a câmara de nuvens, que consistia de uma câmara com vapor de água, que através do controle de pressão, era mantido em um estado super saturado. A passagem de uma partícula carregada causaria a condensação de pequenas gotas de água permitindo a visualização da trajetória das partículas. A câmara de nuvens foi utilizada para a descoberta do múon e do pósitron efetuada por D. Anderson.
A câmara de nuvens foi muito utilizada em física de partículas até o desenvolvimento da câmara de bolhas em 1952, por D.A.Glaser
PN:1936D. Anderson
7Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006
Câmara de nuvens
Câmaras de nuvens hoje podem ser produzidas nas escolas como um instrumento didático que demonstra o funcionamento de detectores e permite a “visualização” de partículas sub-atômicas, múons e elétrons provenientes de raios cósmicos.
Ao invés de utilizar valor de água, utiliza-se valor de álcool, e ao invés de controlar a pressão, utiliza-se a temperatura para manter o vapor em um estado super-saturado.
8Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006
Câmara de Bolhas1964, foi medido em BNL, pela primeira vez o -.
K+p -> +K+k0-> +XiXi -> ->
O princípio de funcionamento das câmaras de bolha se assemelha ao da câmara de nuvens. Neste caso, um líquido é mantido aquecido em um ponto acima do limiar de ebulição, de forma que quando uma partícula carregada atravessa o líquido, a perturbação causada gera a formação de pequenas bolhas de ebulição. O líquido servia ao mesmo tempo como o meio de detecção e alvo para os experimentos de partículas em alta energia. Câmeras fotográficas registravam o evento para análise posterior.
PN:1960D.A Glaser
9Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006
Filmes de Emulsão
Powel,PN:1950
10Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006
Índice da Aula 03:
Detectores pré-era elétrica
Detectores a gás Câmara de Ionização Contador Proporcional Contador Geiger MWPC Drift Chambers TPC
Detectores Cintiladores
Detectores Semicondutores
11Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006
Ionização do Gás
Ionização PrimáriaIonização Total
iiltota W
xdxdE
W
En
ntotal = número total de par elétron-buraco
ΔE = Perda de energia da partículaWi= Perda de energia efetiva por par elétron-buraco
Devido à grande mobilidade dos elétrons e dos íons, o gás é um dos meios mais utilizados para a detecção de partículas. Detectores de ionização foram os primeiros detectores elétricos desenvolvidos para a medida de radiação. Estes detectores se baseiam na coleta dos elétrons e íons produzidos pela passagem da radiação por um gás.
abr
VrE
/ln0
Sinal
+V0
Catodo
Janela
Anodo
12Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006
Detector de Ionização
I. O potencial V é ainda muito baixo e não é capaz de evitar o processo de recombinação de cargas. Com o aumento do potencial, mais a mais cargas são coletadas.II. Primeiro platô de saturação, onde toda carga ionizada é coletada. Mas o campo elétrico gerado ainda não é suficiente para multiplicar a carga.III. O campo aumenta e gera avalanches que amplificam a carga coletada. Amplificação varia entre 104 -105 até 1010. Nesta região ainda existe a proporcionalidade entre a carga gerada e a carga observada no sinal. IV. Região de descarga, grada por uma reação em cadeia de avalanches. Toda proporcionalidade é perdida. Corrente de saída saturada, proporcionando sempre a mesma amplitude de sinal.
13Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006
Câmara de Ionização
Sinal coletado = Ionização do gásCorrente de sinal baixo, geralmente medido utilizando um eletrômetro.Muito utilizado para medir radiação Gama, e também para medir fluxos elevados de radiação.Muito utilizado em aplicações de física médica para determinação de dose.
14Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006
Contador Geiger-Müller
Sinal proporcional somente à quantidade de radiação.
O sinal do contador Geiger não é proporcional á energia da partícula.
Muito utilizado em aplicações de monitoração de radiação.
15Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006
Contador Proporcional
Detectores proporcionais são preferidos em aplicações na física nuclear e na física de partículas pois o sinal gerado é proporcional à ionização e portanto, à energia da partícula, mantendo ainda um bom ganho do sinal sobre o ruído.A geometria preferida para contadores proporcionais é a cilíndrica, para manter uma uniformidade do ganho sobre quase todo o volume do detector.
abr
VrE
/ln0
16Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006
Contador Proporcional
A multiplicação do sinal depende dos elétrons
O gás utilizado não deve absorver os elétrons
Utiliza-se então, gases nobres (Ar, He, Xe)
Além da ionização do gás, as colisões de partículas acabam causando vibrações nas moléculas do gás, que des-excitam emitindo Gama de UV. Este Gama pode interagir por efeito fotoelétrico (Ar E=11.6eV) gerando elétrons secundários indesejados. Este efeito pode ser reduzido utilizando os chamados inibidores, como: CO2, CH4, C3H8, Isobutane, etc.
A mistura de gás usualmente utilizada é de 90% Ar e 10% Methano (CH4) , comumente conhecido como P10.
17Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006
MutiWire Proportinal Chambers (MWPC)
Sinal proporcional à quantidade de radiação.O anodo que coleta o sinal proporciona a posição da radiação.
PN 1992: Georges CharpakPelo desenvolvimento do “proportional multiwire chamber” Nucl. Instrum. Meth. 62 (1968)
262.
Este tipo de detector permitiu o desenvolvimento de experimentos de grande porte em física experimental de partículas, permitindo a reconstrução de trajetória de várias partículas. A geometria e a resolução dos MWPC é limitada pela uniformidade do campo elétrico e a estabilidade do potencial aplicado (V0).
18Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006
Drift Chambers
External fast detector Tstop
Tstart
xtttv stopstartdrift 0
A resolução espacial dos MWPC é limitado pela distância entre os fios coletores. Os Drift Chambers utilizam a medida do tempo de deslocamento da carga no gás, em cada célula de anodo para obter uma resolução espacial melhor do que a distância entre os anodos. Isto permite melhorar a resolução espacial e diminuir o número de anodos e canais de leitura.
19Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006
Time projection Chambers (TPC)
x
y
Wire plane
track
projected track
z
y
Os detectores TPC é a evolução 3D dos detectores “drift chambers”.Z – determ. pelo tempo.X – Fio de Anodo.Y - ?
Projeção da Trajetória yx
pads
Drifting e-
avalanchey
z
Efetua-se uma pixelização dos catodos na direção Y, que irá coletar as cargas positivas da avalanche.
20Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006
TPC: Time Projection Chamber
Principal detector de reconstrução de trajetórias do STAR.
Detector grande, com extensa cobertura angular.
Tecnologia relativamente simples e barata.
Detector robusto e durável, fácil de se analisar os dados.
21Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006
Detalhes do TPC:
Layout:
Comprimento: 4.2 m.
Raio: 0.5 – 2.0 m
Cobertura: -1.8 < < +1.8
Drift:
Gás: P10 - Argônio (90%)-Metano (10%).
Volume dividido em duas partes, com deslocamento longitudinal.
Vmax.= 31 kV, V = 145 V/cm,
Drift velocity = 6 cm/s.
Tempo de deslocamento: 40 s.
Uniformidade de B, melhor que 1% (50m).
Readout:
24 subsectors, cada uma com 45 pad rows.
Performance do TPC
Resolução de 500 µm na direção radial, e de 2 mm na direção longitudinal.
Poder de separação de duas trajetórias, melhor do que 2,0 cm.
Permite a identificação de partículas através de dE/dx.
K
pd
edE
/dx
(keV
/cm
)
23Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006
GEM – Gas Electron Multiplier
+HV
e-
70m
Polymide foil
Electron collection
50m
Esta tecnologia, proposta em meados da década de 90 permite a amplificação do sinal de elétrons gerados por detectores a gás. A amplificação do número de elétrons permite que sejam coletados em vários anodos, de forma a obter uma distribuição que resulta em uma melhor resolução espacial. Mais ainda, uma seqüência de vários estágios de amplificação permite uma maior resolução do sinal sobre o ruído.
24Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006
Índice da Aula 03:
Detectores pré-era elétrica
Detectores a gás Câmara de Ionização Contador Proporcional Contador Geiger MWPC Drift Chambers TPC
Detectores Cintiladores
Detectores Semicondutores
25Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006
Detectores Cintiladores
Partícula Carregada
Fótons
Guia de Luz
Fotocatodo
Partículas atravessando o material de cintilação causam excitações atômicas. A des-excitação consecutiva dos átomos emite radiação na faixa da luz visível que pode ser coletado por uma fotomultiplicadora.
Na fotomultiplicadora, os fótons são convertidos em elétrons através da película de fotocatodo. Os elétrons liberados são então multiplicados em estágios seqüenciais com um ganho de aprox. 109.
26Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006
Alguns detectores Cintiladores
Super Kamiokande
ANTARES
AMANDAAUGER
27Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006
Índice da Aula 03:
Detectores pré-era elétrica
Detectores a gás Câmara de Ionização Contador Proporcional Contador Geiger MWPC Drift Chambers TPC
Detectores Cintiladores
Detectores Semicondutores
28Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006
Detectores Semicondutores
Detectores Semicondutores foram desenvolvidos inicialmente para medir a energia das partículas. O alto poder de freamento dos semicondutores resulta em uma ótima resolução de energia, tornando os mais atrativos do que detectores Cintiladores.
Típicos detectores semicondutores são Si, Ge, GaAs.
+
-
Sinal
+
+
--
V+V
29Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006
Semicondutores
“Band-Gap” de energia
Isolante Semi-condutor
Condutor
Banda de Condução
Banda de Valência
“Gap” de Energia
Elétrons livres
Buracos
≈1 eV
A probabilidade de um elétron da banda de valência “pular” para a banda de condução é proporcional à largura do “Band-Gap”, dado por:
kT
EGAP
e
No caso do silício puro, o EGAP é da ordem de 1,1 eV e kT≈(1/40)eV, portanto, o silício puro se comporta mais como um isolante do que um condutor.
30Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006
Semicondutores
É preciso “dopar” o semicondutor para que ele se torne um condutor. Para isso, substitui-se átomos de silício por outros átomos que sejam “doadores” (Fósforo, arsênico), ou receptores (Gálio, Boro) de elétrons.
tipo-N tipo-P
Nível de energia intermediária causado pela Impureza
DoadorReceptor
31Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006
Junção p-n
- - - - -
- - - - -
+++
+ +
+++
++
+
+ ++
+
+
+
+
+
-
--
--
-
-- -
-
-+
+
+
+
32Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006
Junção p-n
- - - - -
- - - - -++
++
++
+
+
+
+
+
+
+
+--
-
-- -
-
-+
+
+
+
Região Depletada
Campo Elétrico
Essa junção se comporta como um diodo, que permite o translado de cargas somente em uma direção.A região de depleção pode ser ampliada aplicando um potencial inverso ao diodo, chegando a depletar completamente o semicondutor de cargas livres. Nestes caso, o semicondutor volta a se comportar como um isolante, com resistividades na ordem de vários kΩ por cm.
Tipo-P Tipo-N
33Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006
Junção p-n
-
- +
+
+ +
+
++
+
+--
-
---
-
-
Região Depletada
O volume da região depletada pode ser aumentado aplicando um potencial no sentido inverso do diodo. É dentro desta região depletada que se forma os pares de ionização elétron-buraco com a passagem de uma partícula carregada.
Tipo-P Tipo-N
-----+
+++
++-
--
34Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006
Placa de silício polido tipo-n
SiO2
oxidação do silício (~1000 0C)Cobertura de photoresistExposição de UV sobre máscaraRevelação do photoresistetchingDopagem do silício com Boro e Fósforo via implantação ou difusão.
B
P
Deposição de AlumínioEching final do Alumíniop+ p+
n+
Processo de Fabricação do Detector de Silício
35Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006
Desenvolvimento e fabricação do SDD:
Grupo de Semicondutores de ID-BNL
Procedimento completo:
Design.
Autocad.
Simulação.
Silvaco
Fabricação.
Oxidation
Litografia
Etching
Metalização
Cutting.
Testes.
36Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006
Detetor Barreira de Superfície
Barreira de Superfície:
(E)
Detector simples, de uma junção p-n, ou mesmo, uma junção semicondutor-metal.
Muito utilizado em aplicações de física nuclear, fornece a energia (E) com boa precisão.
Tamanho limitado pelo casamento da capacitância de entrada da eletrônica de leitura do sinal.
37Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006
Micro-strips
implantetipo n+
substratotipo n
implante tipo p+
Estes detectores fornecem não somente a energia mas a posição em uma dimensão. Para obter as duas dimensões, é necessário utilizar duas camadas de MSD.
Muito utilizado em aplicações de reconstrução de trajetórias em experimentos de física de partíoculas.
38Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006
Detectores tipo pixel
implante tipo n+
substratotipo n
linhas metálicas para o sinal A pixelização em X-Y permite obter a posição da partícula sem ambiguidades com boa resolução espacial.
A capacitância e o ruído eletrônico é determinado pelo tamanho dos pixeis, e a minimização dos mesmos é limitado pelo custo e pela geometria do detector.
15m
39Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006
CCD – Charge Coupled Devices
Estes detectores permitem a leitura em duas dimensões através do escoamento sequencial do sinal de cada pixel, para uma única saída. A desvantagem deste tipo de detector é o tempo demasiadamente longo que leva para efetuar a leitura.
Aplicações diversas, como câmeras fotográficas.
Para a física de partículas, além do tempo morto longo, este detector possui uma baixa resistência a danos de radiação.
40Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006
O Silicon Dirft Detector
Através de potenciais inversos aplicados na junção p-n, cria-se um canal de “escoamento” dos elétrons ionizados dentro da rede depletada de cargas livres.
Gradiente de V cte. proporciona uma velocidade cte. de deslocamento.
Anodos na extremidade coletam a carga que chega.
Sensível à posição em X-Y.
Posição exata sem ambigüidades .
Baixo número de canais de leitura.
Anodos de baixa capacitância.
41Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006
O SDD do STAR
Layout:• Detector com área ativa de 94%.• 6.3 x 6.3 cm2
• Wafer de 4”, tipo NTD com resistividade de 3 k cm.
• Espessura 300 m• 2x 240 anodos (“pitch” de 250 m).• 128 píxeis de tempo.• 61k píxeis de aprox. 250 x 250 m.
Operação:
• Vmax. = 1500 V
• Veloc. de deslocamento: 6 m/ns• Tempo de deslocamento: 5 s.
42Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006
Aplicação do SDD
Alta resolução em energia com sensibilidade homogênea em toda área do detector.Capacitância do anodo extremamente baixa, independente da área do detector, que permite melhor resolução em energia e menor “shapping time” que permite uma taxa de contagem maior.Pré-amplificador integrado diminui ruído, e anodo escoado continuamente eliminando tempo morto. FWHM < 145 eV @ -20˚CCompanhias que já fabricam ou fabricaram SDDs:
SINTEF, CANBERRA, EUROSYS, KTEK, PNSensor, Infineon, Micron, HAMMAMATSU
43Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006
Comparação do SDD com outras tecnologias:
Obrigado.