Detectores de Centelleo

1. Detectores de Centelleo Suficiencia Investigadora Carmen Iglesias Escudero Universidad Aut�noma de Barcelona Departamento de F�sica

2. INDICE Material Centelleador Fotomultiplicadores Acoplamiento Centelleador-PMT Ejemplo: TileCal

3. INTRODUCCI�N PRINCIPIO: Radiaci�n atraviesa centelleador, excita �tomos ? emisi�n de luz. La luz se transmite por gu�as al PMT: fotones ? e- Se amplifica la se�al que se analiza en el sist. electr�nico. INFORMACION: Energ�a depositada o total de la part�cula Tiempo de llegada del fotoe- (<1ns) Posici�n (�rea que abarca en el centelleador)

4. 1.MAT. CENTELLEADOR Part�culas atraviesan detector ? ioniza �tomos ?�tomos o mol�culas ionizados vuelven al estd. fund: - TRANS. NO-RADIATIVAS - TRANS. RADIATIVAS: luminiscencia:emisi�n de luz a) �tomos:luz emitida en UV b) Mol�culas:(org�nicos) Gran n� de niveles de energ�a, ancho espectro trans.radiativas y no-radiativas.2 procs de desexc. c) Cristales: (inorg�nicos)Un e- se excita hasta banda conducci�n y queda un hueco en band valencia. O se crea un excit�n, par e-hueco acoplados. 1) un h del exciton encontraun �tomo y lo ioniza. 2) un e- se recombina con un �tomo emitiendo un fot�n Este proceso lleva tiempo, Ej: (NaI Tl)?300ns

5. Rendimiento La se�al detectada se mide en t�rminos de: NaI: 1/25eV Pl�stico: 1/100eV BGO:1/300eV El rendimiento del detector: Eficiencias t�picas del PMT ? 30% ? de todos los fotones recogidos, s�lo el 30% ser�n detectados. Si la respuesta del centelleador es lineal a Eexcitac, la luz emitida es proporcional a Eionizaci�n: L ? ?Eionizacion En realidad, depende tambi�n del tipo de part�cula, densidad �onizaci�n (dE/dx) y eficiencia de centelleo

6. Fotoc�todo: foton ? e- , por efect fotoelectrico. Colector de e- : focaliza e- mediante un campo E hacia el ldier dinodo. Multiplicador: acelera e- del ler dinodo a una serie de electrodos secundarios, generando m�s e- en cada nuevo choque en los dinodos. Anodo: Recoge la cascada de e- en corriente de se�al para poder ser amplificada y analizada. 2.FOTOMULTIPLICADOR

7. Fotoc�todo Consiste en una fina capa de material fotosensible dentro de la ventana del PM . Convierte fot�n ? e- , por efect fotoelectrico : E: energ�a cin�tica del e- emitido E = h? - ? ?: frecuencia de luz incidente ? : funci�n trabajo Es necesaria una ? m�nima para que se produzca. La eficiencia cu�ntica del PMT : varia fuertemente con ? y la estructura del material - metales: QE ? 0.1% - semiconductores: QE ? 20-30 %

8. Dirige los e- desde el c�todo hacia el ler dinodo del multiplicador. Se utiliza un electrodo acelerador al mismo V que el dinodo, junto con un electrodo focalizador situado en la pantalla de cristal: - el mayor n� de e- debe llegar al dinodo desde cualquier punto del catodo. - el tiempo del e- en llegar al ler dinodo debe ser independiente del punto de emisi�n. Sistema Colector

9. Multiplicador Los e - del ler dinodo generan emisiones secundarias que son aceleradas a una cadena de dinodos donde aumentan el n� de e - en cada choque Se crea 105 -107 e � por cada fotoe - emitido por el c�todo. La amplificaci�n depende del n� de dinodos y del V.Ganacia total del PMT con n dinodos: G = ?n ? = ? ?V dinod-dinod factor emisi�n 2ria Cambios de 1% en ?V din-din llevan a cambios de n% en ganancia ?HV debe esta regulado!!!

10. Linearidad de Corriente La linearidad del PMT depende del tipo de dinodo y corriente del tubo. La corrte aumenta con el V hasta un nivel de saturaci�n ?existencia de nube de e- que anula campo E y evita aceleraci�n de e- . Importante trabajar con V suficiente alto para tener I estable Idealmente, la ganancia del multiplicador es cte. En la pr�ctica, no es as� por la estad�stica de la multiplicaci�n de e�. El espectro de carga, para un solo e� la distribuci�n del n� de e� sigue es de Poisson: Los 2 primeros dinodos dominan la dispersi�n de QA. Para reducir dispersi�n: uso alto ?V en primeros dinodos

11. Se�al en el �nodo Varios factores afectan a la forma de la se�al: a) La dispersi�n en la llegada de los e-: para un e-originario emitido desde el catado los e- secundarios no siguen el mismo recorrido. ligeramente asim�trica con cola en la drcha? se�al mas lenta b) La se�al de varios fotoe- ser� m�s ancha que la de uno solo: los fotoe- llegan en tiempos distribuido seg�n el espectro temporal del centelleador c) El circuito de salida (R y C)

12. A veces no es posible unir centelleador y PMT por: Falta de espacio Presencia de campo magn�tico Inconvenientes con la forma del centellador La luz del centelleador se transmite al PMT a trav�s de guias de luz: 1) L�mina que adapta la forma rectangular del centelleador a la cara circular del PMT 2) Diferentes tiras unidas al borde del centelleador y retorcidas para converger en el c�todo del PMT El acoplamiento de la gu�a al centelleador y al PMT debe ser tal que permita: recogida de la mayor cantidad de luz transporte eficiente de luz 3.Gu�as de luz

13. Recogida de luz

14. Transporte de luz Es importarte transportar el mayor n� de fotones al c�todo del PMT. El contacto centelleador y PMT debe tener alta calidad �ptica ?Materiales t�picos son: - plexiglass, plasticos, cristal; - fibras opticas: son flexibles (ej: TileCal ) - guias de liquidos Trabajan bajo el principio de reflexi�n interna: la luz avanza reflejandose en las paredes interiores. Solo la fraccion de luz con ang > ?B es transmitida. Debido a la ley de Liouville, el area de sec. eficaz de la guia de luz no puede ser reducido sin perdida de luz. Se escoge un radio de curvatura: d = diametro guia de luz r = radio curvatura Con este radio, la luz entrante frontal a la guia de luz se transmite por reflexion total.

15. 4.EJEMPLO:Tilecal Tilecal: Calor�metro hadr�nico de ATLAS