Técnicas experimentales de detección de partículas

Técnicas experimentales de detección de partículas

Dra. Mary-Cruz Fouz CIEMAT

Dpt Investigación Básica

Física Experimental de Partículas y Cosmología

Master en Física Teórica – UCM (2013-14)

2013/14

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Índice Introducción Procesos de interacción de las partículas con la materia Detectores de Ionización

Detectores gaseosos Detectores de estado sólido

Detectores de centelleo Detectores de fotones Calorimetría PID – Identificación de partículas

TOF dE/dX Detectores Cherenkov TRD

Técnicas experimentales

Detectores de Ionización Detectores gaseosos –

continuación

MICROMEGAS – MICROMEsh GASeous Structure

2013/14 Técnicas experimentales

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Consiste de:

- Una región de deriva (~1kV/cm) de pocos mm - Una zona estrecha (25 -150 mm) de multiplicación (50-70 kV/cm) localizada entre una red metálica delgada (micromesh) y el electrodo de lectura

Como la zona de multiplicación es muy estrecha permite resoluciones espaciales de tan solo 12 mm


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Drift Tubes (DT)

dttvx D )(

x

ánodo

Región E bajoderiva

Región E alto amplificación

La partícula incidente ioniza el gas.Los electrones liberados se mueven hacia el ánodo (derivan) debido al campo eléctrico aplicado.En las inmediaciones del ánodo el campo es muy intenso y se produce una avalancha

Se mide el tiempo de llegada de las señales con respecto a la señal de disparo t0 que generalmente se proporciona por otro detector.Esto nos permite calcular la posición de paso de la partícula incidente

VD=Velocidad de deriva (~50 micras/ns)

Una ventaja es que se reduce el número de canales de lectura (respecto a MWPC o CSC)


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Drift Tubes (DT)

dttvx D )(

La resolución (50-200 mm) depende de: La difusión en el gas (sobre todo en el caso de largas distancias de deriva) La emisión de rayos d que pueden falsear la medida La homogeneidad de la velocidad de deriva en el volumen del gas

Se necesita calibrar con precisión: t0 y vD

Importante la precisión mecánicaSe necesita una buena precisión en el posicionado del hilo sensor: ~50 mmLa sagita del hilo debido a la gravedad debe ser mínima (tensionado del hilo)

Diseño Voltaje aplicado Mezcla de gases Presencia de campos magnéticos

Calibración T0

Se determina mirando la distribución de tiempos en el detector.

Se necesita acumular una cierta estadística

DT CMS DT ATLAS

Geometría rectangular

Geometría cilíndrica

Drift Tubes (DT)


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Dificultad Indeterminación Izda-Dcha

No podemos saber a que lado del hilo se produjo la señal

Solución Capas de DT desplazadas

ATLAS Drift Tubes

La “segunda” coordenada puede obtenerse:

A partir de la señal del hilo, midiendo a) La diferencia del tiempo de llegada de la señal en cada extremo b) La proporción de carga en cada extremo Con un segundo grupo de planos perpendicular al primero

Time Projection Chamber (TPC)8

(o líquido)

ÁNODO

CÁTODO

La TPC usa las técnicas de las cámaras de deriva

Es un cilindro de grandes dimensiones (m) relleno de un gas (a veces un líquido).

Al paso de una partícula se producen e- que derivan hacia el ánodo. En el ánodo se coloca un plano detector

que permite reconstruir la traza del paso de la partícula en 2D

Midiendo el tiempo de llegada de los electrones de deriva se puede hacer la reconstrucción en 3D

Los primeros (y más comunes) detectores usados fueron MWPC usados pero pueden usarse otros como GEM

Permite medidas precisas de dE/dxEn presencia de un campo magnético permite hacer medidas del momento de la partícula (a través de su curvatura)

Dado su tamaño es necesario que la velocidad de deriva y por tanto el campo sean muy homogéneos La difusión puede reducirse con B


Detectores de Ionización Detectores semiconductores

Semiconductores10

En un átomo aislado los electrones tienen sólo niveles discretos de energía.En un sólido los niveles atómicos dan lugar a bandas continuas de energía.Las bandas de energía que están completamente ocupadas por electrones a T=0K se denominan bandas de valencia

Al aumentar T aumenta el número de e- en la banda de conducción aumenta la conductividad del material

Dependiendo del gap entre las bandas los materiales serán

AislanteSemiconductorConductor


Si T≠0 los electrones pueden excitarse térmicamente y pasar a la banda de conducción si adquieren energía suficiente para ello. Quedará entonces un hueco en la banda de valencia. Lo mismo puede ocurrir si una partícula excita el átomo.

Los e- de la banda de valencia están ligados a un átomo, los de la banda de conducción pertenecen a todo el cristal. Los e de la banda de conducción y los huecos pueden moverse por el material.

Tabla Periódica


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Semiconductores12

Electrón de valencia

Los elementos del Grupo IV como el Si y Ge son semiconductores elementales. Tienen 4 electrones en la última capa. Esta capa puede completarse formando enlaces covalentes con otros 4 átomos.

Red de diamante

T=0K

A T>0 los electrones pueden pasar a la banda de conducción y moverse.A su vez los huecos se pueden rellenar por otros electrones lo que permite que los huecos también se muevan

Electrón Libre(En banda conducción)

Hueco

T> 0K

Un semiconductor que tiene el mismo número de huecos y electrones que pueden moverse bajo la influencia de un campo eléctrico se llama SEMICONDUCTOR INTRINSECO


Semiconductores - Dopping13

Semiconductor tipo-n

Semiconductor tipo-p

Exceso de electrones

Exceso de huecos

X= Grupo V (Valencia 5): As,Pb,Sb (donante)

X= Grupo III (Valencia 3): B, Al, Ga, In (aceptor)

SEMICONDUCTOR EXTRÍNSECOPodemos aumentar la conductividad de un semiconductor intrínseco dopándolo

El exceso de e- crea un nivel de energía cercano a la banda de conducción

El exceso de huecos crea un nivel de energía cercano a la banda de valencia


Si T > 0K tendremos electrones libres que también se moverán en ese campo eléctrico Ruido.

Semiconductores -Ionización


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Cuando una partícula atraviesa un material semiconductor puede ionizar y producir un par electrón-hueco

Si aplicamos un campo eléctrico podemos recoger la señal igual que se hacía en los detectores gaseosos

PERO

A temperatura ambiente el número de electrones libres es órdenes de magnitud superior al número de electrones que puede generar una partícula por ionización

¿Cómo pueden eliminarse los electrones libres?

“Depletion region” en una unión p-n

p

Semiconductores – Unión p-n15

Si ponemos en contacto un semiconductor tipo-p (exceso de huecos) y otro tipo-n (exceso de electrones)

Debido a las diferencias de concentración de huecos y electrones en ambos materiales:

Los huecos se difundirán a través de la unión hacia el material tipo-nLos electrones se difundirán a través de la unión hacia el material tipo-p

Esto crea un campo eléctrico que detiene la difusión tDepletion region


No hay cargas libres que enmascaren la señalEl campo E originado permite la deriva de los electrones producidos por la partícula incidente que pueden recogerse para producir la señal (pero este campo es débil)

Se crea una zona “depletion región” sin cargas libres. Llamada también zona de carga espacial

Esta zona puede usarse como detector

Semiconductores – Unión p-n16

V

- +

Eext

V

+ -

Eext

Reverse bias Forward bias

Si aplicamos un campo eléctrico externo podemos mejorar la recolección de carga y aumentar la zona donde puede detectarse la señal :

a) b)Depletion region

Disminuye la zona sin cargas libres (“depletion zone”)

V+ atraerá los e- del material de tipo n (V- cede e- a los huecos del material de tipo p) aumentando la zona sin cargas libres (“depletion zone”) Mayor zona de detección

Polarización inversa Polarización directa

El ancho (W) de la zona sin cargas libres: e= Cte dielétricaV = Voltaje externo aplicadoVbi = Voltaje creado por la unión p-n ( típicamente ~0.5V)N = Densidad del dopante


Semiconductores- Unión p-n


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Corriente vs Voltaje

Diodo p-i-n


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Un diodo p-i-n consiste de una región de semiconductor intrínseco entre dos zonas altamente dopadas p+ y n+, donde se aplica un voltaje con polarización inversa (reverse bias).

La zona de carga espacial está prácticamente definida por la región del material intrínseco

V

- +

En la práctica no se necesita que el material será verdaderamente intrínseco, basta con que tenga una alta resistividad (ligeramente dopado de tipo p o n)

Detectores de Silicio19

Los detectores de silicio son diodos p-n operando con polarización inversaLas partículas cruzando la zona sin cargas libres producirán electrones que se moverán en el campo eléctrico y producirán una señal como ocurría en los detectores gaseosos

Debido a la alta densidad del silicio (especialmente si lo comparamos con un gas) y a su baja energía de ionización (WI = 3.6 eV) bastan 100-300 mm para poder tener una señal.

Pero solo será posible trabajar en la zona sin cargas libres puesto que el silicio a 300K tiene 4.35 108 pares e-h en 300mm en un área 1x1 cm2

En los detectores gaseosos por ionización se producen tan solo ~100 pares e-ion por cm Se necesita trabajar en modo avalancha para tener señales mayores

Al igual que en los detectores gaseosos los electrones Derivan (los huecos tienen vd similar a e-, no

como los iones en el gas) Se difunden (~8mm en 300mm de deriva)

Se ven afectados por

Del mismo modo que con los detectores gaseosos necesitamos un circuito y electrónica externa para leer las señales


(dE/dx)Silicio = 3.87 MeV /cm 3.2 104 pares e-h en 300mm ~106 pares/mm

p

MSD – Microstrip Silicon detectors


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Voltaje operación <200 VEspesor ~300mmDistancia entre bandas 20-150mm

Podemos segmentar un electrodo en bandas (“strips”) para poder tener medidas precisas de la posición de paso de la partícula incidente en 1D

Los pares e-h+ derivaran hacia los electrodos y su movimiento creará una señal en las bandas.

Dependiendo de la posición y ángulo de la partícula producirá señales en más o menos bandas

Campo eléctrico en el interior del detector

(SiO2 aislante)

MSD – Medida de la posición21

Dependiendo de la posición y ángulo de la partícula producirá señales en más o menos bandas. La precisión a partir de la posición de una sola banda:

Midiendo la cantidad de carga recogida en cada banda podemos medir la posición de la partícula incidente calculando el centro de gravedad

𝜎 𝑥=𝑑√12

Si la carga se reparte entre varias bandas mejora la precisión de la medida a pocas micras

Al igual que en los detectores gaseoso algunos efectos empeoran la resolución como:

- Emisión de rayos – d- Difusión- Campo magnético


Residuo = X medida – X partícula

Usar bandas en ambos lados, n y p

Double Sided Silicon Detectors (DSSD)


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Para hacer una medida en 2D podemos añadir otro detector con las bandas en la otra dirección Demasiado material al paso de la partícula que puede afectar a medidas de física en un experimento real (necesitamos varias capas de detectores en cada dirección para poder reconstruir la trayectoria)

Solución: DSSD

Presenta problemas para aislar las bandas del lado n y resulta más complicado de construir(La unión Si-SiO2 tiene una carga positiva, se pueden acumular electrones y hacer que las bandas se interconecten, se necesitan por ejemplo bandas de material p (p-stops) intercaladas con las bandas-n)

Otro problema es la alta combinatoria cuando tenemos muchas partículas incidiendo a la vez (como en el LHC)

n2 combinaciones n2-n falsas

Detectores de pixel


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Una opción que permite información 2D sin las ambigüedades del DSSD es usar “pads”

Su mayor problema es el gran número de canales lo que dificulta la electrónica de lectura

Detectores de pixel híbridos


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Electrónica de lectura con la misma geometría que el detector El tamaño mínimo del pixel limitado por la electrónica (30-100 mm)

Interconectados por “bump bonding” que permite la conexión eléctrica entre el detector y la electrónica

Detectores de silico 3D25

Sensor plano Sensor 3D

Los implantes p-n no están en las superficies del detector como en los sensores planos sino que van a través del detector.

Pixel altamente segmentado

Permite desacoplar el espesor del substrato y la distancia entre electrodos porque la zona de carga espacial se desarrolla lateralmente.

Los electrodos pueden estar más cerca que en un sensor plano

Menor voltaje (<10-20 V)Importante en entornos de alta radiación porque esta requiere aumentar el voltaje para mantener la misma zona de carga espacial

Mayor rapidez de recolección de señalPermite trabajar con mayores flujos de partículas

Chip

Diferentes diseños @ CNM - Barcelona

Electrodos introducen espacios muertos

Avalanche PhotoDiodes APDs


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Si en un diodo pn o pin operando con un V en polarización inversa (reverse bias) aumentamos V suficientemente, el campo E generado puede acelerar los e- producidos por la partícula incidente con una energía suficiente para crear nuevos pares e-h+.

Si es suficientemente alto se produce una avalancha, como veíamos en los detectores gaseosos.

El detector puede operar en modo: Proporcional Modo Geiger (G-APD)

Un inconveniente es que al aumentar el V también aumenta el nivel de ruido

𝐺=ⅇ𝛼𝑛𝑑

depende de E y T

Avalanche PhotoDiodes APDs


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La amplificación se produce principalmente en la unión p-n+ donde hay un alto E.

Las zonas altamente dopadas n+ y p+ tienen baja resistencia y por tanto poca caída de potencial

Generalmente se usa un material con bajo dopaje, como en las uniones p-i-n, y se añade una capa extra de tipo p entre i y n+.

Los electrones producidos por la partícula incidente derivan en la zona de bajo dopaje y se multiplican en la zona p-n+ generando una avalancha

Silicon PhotoMultipliers SiPM


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SiPM es una matriz de pixels APD (~1000 pixels/mm2) leídos en paralelo, cada uno 20-100mm, operando en modo Geiger (G~105-107).

Sumando las señales de todos los pixeles podemos contar el número de fotones que han atravesado el detector

Debido al alto V los propios e- del material pueden dar lugar a avalanchas, habrá corriente dentro del propio detector (corriente oscura) incluso sin que incidan partículas (~105 Hz/mm2)(En experimentos con un sistema de disparo externo pueden suprimirse)

La señal en cada pixel es independiente del número de fotones incidentes, al tener pixeles pequeños podremos reducir la probabilidad de tener varios fotones en el mismo.

Pixel: 50x50mm2

1x1mm2

1 fotón

CCD - Charge –coupled device29

Basadas en semiconductores MOS (Metal-Oxido-Semiconductor)

La carga que se produce en el detector queda “atrapada” en el pozo de potencial durante el tiempo de “exposición” acumulándose carga a medida que llegan los fotones y que posteriormente se “transferirá”

La capa metálica superior está segmentada Permite formar pozos de potencial usando voltajes alternos apropiados.


CCD - Charge –coupled device


30

Las CCD están formadas por una matriz de pixeles MOS

Cada celda de la matriz almacena carga durante el tiempo de “exposición” que luego se transfiere durante el tiempo de “lectura” a un amplificador externo y de ahí la señal analógica a un convertidor ADC

CCD - Charge –coupled device31

Cada 3 electrodos están conectados a una misma línea de voltajeVariando esos voltajes se cambian los pozos de potencial (como un sistema de compuertas) y se pueden pasar la carga acumulada de un pixel a otro y de ahí a un registro externo que los transfiere a la electrónica de lectura.

time

Los CCD necesitan pocos canales de lectura pero un tiempo de lectura largo


CCD - Charge –coupled device


32

Si queremos color en las imágenes se utilizan filtros para detectar los 3 colores RGB en distintos pixeles y a partir de la interpolación de la señal en cada uno podemos obtener imágenes en color.

En las cámaras de fotos se usan 4 pixeles1Rojo, 1 Azul, 2 Verdes para simular el comportamiento del ojo humano más sensible al verde

CMOS – Complementary metal oxide semiconductor


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Los CMOS se diferencia de las CCD en que cada pixel tiene su propio conversor de carga a voltaje (en la CCD era compartido para toda la matriz) que está integrado con el sensor CMOS de forma análoga a los píxeles híbridos

Se podrían leer pixeles de forma independiente

Detectores semiconductores - “Zoo”


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Detectores de Centelleo

Centelleadores

2013/14 Técnicas Experimentales

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Las partículas incidentes pueden excitar átomos o moléculas en el medioEn algunos casos los estados excitados pueden decaer emitiendo luzEn muchos casos la luz que se emite es reabsorbida en el mismo material pero en otros casos no

Existen diferentes materiales que pueden producir luz al paso de una partícula.En general podemos clasificarlos en varias categorías, en cada una la luz se produce por un mecanismo diferente.

Centelleadores orgánicos (p.ej plásticos)Centelleadores inorgánicos (p.ej cristales)Gases/Liquidos nobles (Ar líquido, Xe líquido… )

Centelleadores orgánicos37

En centelleadores orgánicos la emisión de luz de centelleo es debida a transiciones en moléculas individuales, es una propiedad molecular

La luz de centello surge a partir de los electrones en los orbitales p de la molécula

Los estados electrónicos estados singletes (Spin 0) estados tripletes (Spin 1)Cada uno de ellos se subdivide en varios estados rotacionales

En el estado fundamental la mayoría de las moléculas están en estado singlete S00

~3-4 V

Puede ocurrir en estado sólido, líquido y gaseosos, o embebidos dentro de otro material


Centelleadores orgánicos38

Cuando una partícula cargada atraviesa el material parte de su energía puede ser absorbida excitando un electrón a un estado S superior

Ab

sort

ion

Flu

ore

scen

ce

Ph

osp

ho

resc

ence

El átomo se des-excita rápidamente al estado S10 sin emitir radiación (la energía se convierte en modos vibracionales)

Y a continuación de des-excita al estado S0X

emitiendo luz (fluorescencia)

Puede también ocurrir que el estado singlete S1 decaiga al estado triplete T1 con mayor tiempo de vida media.

Al tener T1 un nivel de energía menor, la longitud de onda de fosforescencia es mayor que por fluorescencia

Algunas moléculas en el estado T1 se pueden excitar térmicamente al estado S10 que al decaer al S0X producirá fluorescencia retrasada.

Estos estados pueden posteriormente des-excitarse a un estado S0X emitiendo luz (fosforescencia). Esta emisión de luz está retrasada (emisión 10-6 s vs 10-8 s)


Centelleadores orgánicos


39

Ab

sort

ion

Flu

ore

scen

ce

Ab

sort

ion

Flu

ore

scen

ce

Si el centelleador está formado por varios componentes la energía puede transferirse de unas moléculas a otras antes de que ocurre la des-excitación

El nuevo material emitirá en una longitud de onda mayor por lo que no podrá ser reabsorbido por el primero

Podemos mejorar las prestaciones de un material disolviendo una pequeña concentración de un material centelleador de mayor eficiencia (al que se denomina “flúor”), la energía del primero se puede transmitir a las moléculas del segundo por procesos radiactivos o no radiactivos y estas emitirán luz.

Solvente X “Flúor” Y

La molécula solvente X se excita a un nivel S y se des-excita a S1X

a) Transferir energía, sin radiar, a la molécula de “flúor” (FRET- Forster (Fluorescence) Resonance Energy Transfer) que se excita a S1Y

A continuación puede:

b) Emite luz que posteriormente absorbe el “flúor”El flúor se des-excita re-emitiéndola

y se des-excita emitiendo luz.

Centelleadores orgánicos


40

Las ventajas de utilización de un soluto centelleador Puede permitir aumentar la cantidad de luz emitida. El “fluor” tiene una mayor emisión de fotones Además emitirá en una longitud de onda mayor por lo que no podrá ser reabsorbido por el primero

Podemos añadir un tercer material que funcione como WLS (Wave Length Shifter). Este material absorbe la luz emitida por el primero y la re-emite con una longitud de onda diferente

Esto permite adaptar la longitud de onda al rango de detección del detector de fotones que se use para leer la señal del centelleador

Cristales orgánicos: Antraceno, Naftaleno

Líquidos orgánicos: Solvente: Xileno, Tolueno, Benzeno

Soluto: PBD, PPO (2,5-diphenyloxazole), p-terfenilo Plásticos:

Solvente: PVT (poliviniltolueno), poliestireno (PS)Soluto: PBD, p-terfenilo , PBOSoluto WLS: POPOP

Centelleadores inorgánicos41

En materiales inorgánicos las transiciones entre niveles de energía están determinados por la red cristalina del material. No es un proceso molecular

La emisión de fotones es ineficiente. Además cuando se excita un electrón, al volver a la banda de valencia tiene demasiada energía para emitir en el rango visible

En un aislante tenemos bandas discretas de energía, y el gap entre la banda de valencia y de conducción es demasiado grande.


Centelleadores inorgánicos42

Para aumentar la probabilidad de emisión de luz visible en se pueden añadir impurezas al material (Activadores) que en determinados lugares de la red del cristal modifican la estructura de bandas normal. Crean estados de energía dentro de la banda prohibida y la des-excitación a través de ellos permitirá la producción de luz visible

Estas zonas de des-excitación se denominan centros de luminiscencia

En algunos casos el e- puede crear un estado excitado que no puede volver al estado fundamental directamente, pero puede ser excitado térmicamente y emitir más tarde Fosforescencia

El electrón puede ser también capturado por el activador y el estado final no volver al fundamenteal emitiendo luz Quenching

Algunos materiales presentan ellos mismos variaciones en la red del cristal que actúan como activadores.


Propiedades de algunos centelleadores cristales inorgánicos


43

Gas nobles (estado gaseoso y líquido) -Ar, Xe, Kr


44

Al paso de una partícula los átomos pueden ionizarse o excitarse

Los estados excitados pueden combinarse con un átomo en estado fundamental y formar un excímero

𝑿∗+𝑿→ 𝑿𝟐∗

Estos excímeros se des-excitarán produciendo dos átomos independientes en estado fundamental produciendo luz ( en el UV) por el proceso análogo al explicado para los centelleadores orgánicos.

Si el proceso es a través de un estado singlete la emisión de luz ocurrirá rápidamente (~6ns en Ar)

Si proviene de un estado triplete se producirá en ms

La luz producida no es suficiente para excitar el átomo por lo que no puede ser reabsorbida

Quenching en centelleadores


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El “quenching” es un proceso que des-excita el centelleador sin producir fluorescencia.

El material excitado puede transferir la energía a moléculas de oxígeno u otras impurezas reduciéndose por tanto la emisión de luz. Competirá con las moléculas de “fluor” del cristal orgánico y con los centros activadores de los cristales inorgánicos.

En un líquido orgánico bastan una baja concentración de tan solo ppm de oxigeno para reducir la emisión de luz.

Existe también la posibilidad de que el electrón pueda ser también capturado por el propio activador y el estado final no volver al fundamental emitiendo luz

Centelleadores orgánicos vs inorgánicos


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Los inorgánicos son los usados más en calorímetros debido a su alta densidad.Son lentos pero producen mucha luz y por tanto mejor resolución en energía

Señal más baja Rápidos (<ns) Baja densidadNo dependen de T (entre -20 y 60C)Más baratos Más fáciles de fabricar en distinto tamaño y forma

Orgánicos

Señal alta Más lentos (hasta ms)Alta densidadDependen de TMás carosMás difíciles de fabricar (crecimiento cristal)

Inorgánicos

𝑷𝒃𝑾 𝑶𝟒

Producción de la señal en un detector de centelleo

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Una vez que se ha producido la luz en el detector necesitamos transformarla en una señal medible.

Para ello necesitamos un detector de fotones (como los SiPM descritos en la parte de detectores semiconductores)

Además necesitamos algún modo de guiar a los fotones hasta el detector

cent

elle

ador

detector

Fibras embebidas

SiPM

CALICE HCAL Cell

Se pueden usar además guías de luz WLS (Wave Length Shifter) que absorben la luz y la reemiten en un valor más adecuado al rango de trabajo del fotodetector

CentelleadorGuía de luz

Detector


Fibras ópticas de plástico centelleadoras

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También podríamos optar por usar fibras de plástico centelleadoras en las cuales se produce la señal que luego ella misma conduce hasta el detector de fotones por reflexión


Técnicas experimentales

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2013/14

Drift tubes


50

No B

y B paralelo al hilo

CMS DT cell

𝑣𝑑𝐵=

𝑣𝑑

√1+(𝜔𝜏 )2

𝝎=−𝒒𝑩𝒎𝒆 Frecuencia de ciclotrón

En presencia de un campo magnético la velocidad de deriva se verá afectada modificándose la trayectoria de la misma.

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