a1mht2016-detetores

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MH Tabacniks, 4302504, IFUSP 2014, 2016
4302504 – Técnicas de Caracterização de Materiais
2016-A1
Prof. Manfredo H Tabacniks
Prof. Antonio Domingues dos Santos
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MH Tabacniks, 4302504, IFUSP 2014, 2016 Um detetor no J-Labs (2012)
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MH Tabacniks, 4302504, IFUSP 2014, 2016
Detetores em nosso dia a dia:
alfasDetetor de fumaça
fótonsSensor de Infravermelho
fótonsCâmera Digital
fótonsChapa de Raios-X
elétronsTubo CRT
fótonsOlho Humano
Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006
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MH Tabacniks, 4302504, IFUSP 2014, 2016
Detetores são sempre 
conjugados com o sinal a medir
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luz, IR, UV
raios-X
raios-γ
elétrons
neutrons
íons
Edans Masculino, Sociedade Secreta Ogboni, Nigéria, África, século XX. Acervo MAE-USP
D E T E T
O R
sonda sinal
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UtilidadeTecnologiaCategoria
Part. CarregadasCloud/Bubble Chambers
Contadores Proporcionais
Wire Chambers
Time Projection Chambers
Câmara de 
Ionização
Partículas 
Carregadas
Meio dielétricoDet. De Radiação 
Cherenkov
Silício, Germânio
Cristais / plásticos / água.
Filmes.
Partículas/fótonsDetetor
Semicondutor
Partículas/fótons/
Nêutrons
Detetor Cintilador
Part. CarregadasDetetor de Emulsão
Detetores em f ísica Nuclear:
Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006
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Interação da radiação EM (luz)
Microondas:
A energia do fóton é muito pequena 0,0001 eV,
portanto existe um número reduzido de estados de 
energia. Outra alternativa são atenas (de dipolo) como 
dentro do seu telefone celular.
Luz Infra-vermelho:
Densidade de estados finais maior. E max ~0,5 eV.
Luz Visível:
Forte absorção devido aos estados de excitação 
atômica, 2 eV.
Luz ultra-violeta:
Energia suficiente para causar ionização, 50 eV.
Marcelo Sant’Anna, UFRJ - 2008
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Antena emissora de dipolo Campo de dipolo
Antena receptora de 
dipolo num celular: um 
dos braços é o chassis 
do aparelho
½ 1.575 GHz 
http://www.antenna-theory.com/design/gps.php
Radiação EM: modelo clássico
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Os átomos do grupo CH2X2 em compostos orgânicos (X é um átomo 
qualquer) podem vibrar em nove formas diferentes. Seis dessas 
vibrações envolvem apenas a molécula de CH2
https://en.wikipedia.org/wiki/Infrared_spectroscopy
Espectro de absorção IR. A 
molécula absorve um 
quanta de radiação para 
saltar entre dois níveis 
quânticos.
Radiação EM: modelo quântico
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Detetar o que?
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Strengthening weak cohesive forces among molecules and atoms by light
Numerical simulations show that weak 
cohesive forces acting among molecules and 
atoms that are not chemically bonded can be 
strengthened by irradiation of light whose 
wavelength (related to its energy) is tuned. The 
cause of strengthening the cohesive forces is 
induction of oscillating positive and negative 
charges on molecules/atoms which generates 
electric attraction. 
http://phys.org/news/2014-05-weak-cohesive-molecules-atoms.html
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Fótons (raios X e γ) na matéria (Absorção e espalhamento)
I0(E)
Espalhamento incoerente
EEE ∆−= 0
Espalhamento coerente
Raios-X característicos
Elétrons Auger
Foto-elétrons
Efeito fotoelétrico
Absorção
µ = τ + σcoer+ σincoer
Adaptado de Jenkins, Gould & Gedke. Quantitative X-ray Spectrometry. Marcel Dekker, 1981: 26
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Espalhamento para Ex = 8046 eV (Cu-Kα) em carbono
cm2/g fração
Esp.Incoerente 0,133 0,029
Esp.Coerente 0,231 0,051
Esp. Total 0,364 0,081
Fotoelétrico 4,15 0,919
Total 4,51
Jenkins, Gould & Gedke. Quantitative X-ray Spectrometry. Marcel Dekker, 1981: 26
E(keV)
4.12
)A( =λ o
Efeito fotoelétrico, τEspalhamento coerente
‘elástico’
Espalhamento incoerente
‘inelástico’ (compton)
µ
Fótons (raios X e γ) na matéria (Absorção e espalhamento)
λµ /
00
Xx eIeII −− ==
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Interação de fótons com a matéria
λµ /
00
Xx eIeII −− ==
µ : é o coeficiente de atenuação 
de massa [cm2/g]
x : é a espessura do absorvedor
λ : é o livre caminho médio (µρ)-1
Marcelo Sant’Anna, UFRJ - 2008
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Interação de Radiação com a matéria
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Interação de Raios-X e γ com a matéria
As principais interações de raio-X e raio Gama coma matéria são:
Efeito fotoelétrico
Espalhamento Compton
Produção de Pares
amedeo.staiano@to.infn.it
fotoelétrico
compton
pair prod.
cm
2 /
g 
so
di
u
m
 io
d
id
e
MeV
Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006
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Track Halo
superfícieíon incidente
Secondary
electrons
• molecular breakup (scisoning)
• Recombination (cross-linking)
• gas emission
Electronic Electronic 
stoppingstopping
E > 1 MeV
Track
Core
NuclearNuclear
stoppingstopping
E ~ keV
• ion implantation
• dislocations
Íons em movimento (MeV) na matéria (10-14 to 10-10s)
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superfícieíon incidente
A
lcanceR
 (~1 a 500 µm
)
~10 nm
~500 nm
D Fink
Íons em movimento (MeV) na matéria (10-14 to 10-10s)
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Fótons na matéria
Íons na matéria
∆x
xe
N
N ∆−
=
.
0
µ
cteE =ν
cteN =0
x
dx
dE
EE ∆

−= 0'
Stopping power
poder de freamento
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Interação de íons energéticos com a matéria
• A interação de partículas (átomos ionizados) com alta velocidade nummeio material é um processo probabilístico. 
• Ao penetrar num meio material, a partícula perde parte (ou todos) seus elétrons. O equilíbrio de cargas depende de sua velocidade no meio. 
• O número de interações com elétrons do meio é grande em um comprimento macroscópico. A energia perdida em cada interação épequena.
• As flutuações de energia são pequenas e se pode obter um valor médio da perda de energia.
• A perda de energia por unidade de comprimento é denomindada “poder de freamento”. É uma espécie de força viscosa, que depende da velocidade da partícula no meio. 
dx
dE
S −=
freamento dePoder 
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MeVAZZ
e
MEs
2
22
0
025,0
4
1
2
1 ≈

=
hπε
Carga efetiva
A
d
ap
ta
do
 d
e
Z
ie
gl
er
, 
19
80
N
as
ta
si
et
a
l.,
 1
99
6
Íon neutro: vp = vK
prótons
250 keV
(β ≡ v/c = 0,023)
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

 −−−−= 2)1(
2
ln
2
14 2
max22
22
0
22
0
24 δββ
β
β
π
T
I
cm
A
Z
N
cm
ze
dx
dE
A fórmula de Bethe-Bloch considera a transferência de energia da partícula incidente para o meio parametrizado pela transferência quantizada de momento.
1
1. Característica da partícula incidente
2. Característica do meio, densidade de elétrons
3. I: Potencial médio de excitação.
4. Tmax: é a energia máxima que pode ser transferida em uma colisão. 5. Correção devido a efeitos de densidade e polarização do meio. 
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Interação de íons energéticos com a matéria
A fórmula de Bethe-Bloch
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dE/dx
No caso de partículas leves como os elétrons e múons, a perda de energia por radiação Bremsstrahlung é dominante na região de altas energias.
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Nêutrons na matéria
Os nêutrons não possuem carga. Não interagem com o campo coulombiano.
O nêutrons interagem via força forte, com os núcleos dos átomos, em distâncias próximas do núcleo (d<10-13cm).
A interação de nêutrons ocorre principalmente por:
• Espalhamento elástico: A(n,n)A
• Espalhamento inelástico: A(n,n)A*
• Captura de nêutrons: n+(Z,A)-> (Z,A+1)*
• Reação nuclear (fissão, produção de chuveiro hadrônico ...)
K+++= CapturaInelastElastTot σσσσ ..26
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� Fontes Naturais de Radiação:
� Radioisótopos – baixa energia (MeV)
� Raios Cósmicos - Alta energia (GeV)
� Tipos de Radiação:
� Neutra nêutrons, neutrino, gama
� Carregada Léptons, hádrons, prótons, núcleos
� Tipos de Interação:
� Eletromagnética partículas carregadas, gamas
� Forte nêutrons
� Fraca neutrinos
� gravitacional grávitons
Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006
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� Sensibilidade do detector para diferentes eventos (partículas)
� Relação Sinal - Ruído
� Resolução em energia
� Resolução espacial
� Resolução temporal
� Resolução do próprio evento
� Tempo morto
� Eficiência (eventos registrados / eventos ocorridos) 
� Ângulo sólido / áreas mortas / cobertura
� Resistência a danos de radiação, ambientais, etc.
� Custo
Principais Características 
de detetores:
Adaptado de Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006
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Princípio Geral de um detector
Meio que interage com a partícula ou radiação a ser medida.
• Sólido (semicondutores, cristais, chumbo, gelo,filme)
• Líquido (cintilador, água)
• Gás (Ar, P10, argônio)
Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006
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Princípio Geral de um detector
A interação gera partículas (radiação) secundária:
• elétrons (semicondutores)
• Luz (cintiladores)
e-
e-
e-
e-
e+
e+
e+
e+
e+
e-
Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006
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Princípio Geral de um detector
No caso da radiação secundária ser fótons (Luz) é necessário um conversor de luz para elétrons (Fotocatodo)
e-
e-
e-
e-
e+
e+
e+
e+
e+
e-
e+
e-
e+
e-
Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006
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Princípio Geral de um detector
Após a coleta dos elétrons, é necessário amplificar o pulso de corrente para extrair um sinal acima do ruído eletrônico. Muitas vezes (detectores a gás), a amplificação do sinal é efetuado no próprio meio interagente.
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-
Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006
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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
Jun Takahashi – VI Escola do CBPF, RJ, 17-21 de Julho de 2006
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detetores “vintage”
da era pré-elétrica
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A câmara de nuvens
C. T. R. Wilson, Proc. Roy. Soc. (London), 87, 292 (1912).
PN:1927
C.T.R. Wilson
Criada em 1912, por C.T.R.Wilson. 
Numa câmara com vapor de água saturado, a passagem de uma partícula 
carregada causa a condensação de pequenas gotas de água revelando a
trajetória das partículas. 
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A câmara de Bolhas
1964, foi medido em 
BNL, pela primeira 
vez o Ω-.
K+p -> Ω+K+k0
Ω -> π+Xi
Xi -> Λ -> γγ
Na câmara de bolhas, um líquido (H líquido por exemplo) é em temperatura 
acima da ebulição. Quando uma partícula carregada atravessa o líquido, a 
perturbação causada cria pequenas bolhas de ebulição. O líquido serve como o 
meio de detecção e alvo (por isso H) para os experimentos de partículas em 
alta energia. Câmeras fotográficas registravam o evento para análise 
posterior.
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Câmara de bolhas do National Brookhaven Laboratory (1966)
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Filmes de Emulsão
Powel,
PN:1950
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From both astrophysical and particle physics considerations, stable and 
heavy Weakly Interacting Massive Particle (WIMP) candidates that arise 
naturally from extensions to the Standard Model 
Dark Matter forms an extended halo around galaxies such that our solar 
system. Moving through this halo is exposed to an apparent flux of 
WIMPs. These WIMPs may be directly detected by recording the energy 
deposition made by a recoiling nucleus following a WIMP scatter. The 
recoil would generate energies of only a few keV. 
Matéria Escura
https://www.hep.ucl.ac.uk/darkMatter/
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Matéria Escura
https://www.hep.ucl.ac.uk/darkMatter/
Detectors with very low thresholds, very low intrinsic and external 
radiological background, located in deep underground sites shielded 
from cosmic rays. 
The LUX-ZEPLIN (LZ) detector with 7 t of liquid xenon. It will have 
the sensitivity to sweep virtually all the theoretically favoured parameter 
space for WIMPs. 
UCL (University College London) 
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MH Tabacniks, 4302504, IFUSP 2014, 2016
Liquid xenon is a 
detector of WIMPs. 
When a WIMP collides 
with a xenon nucleus, 
theory predicts it will 
impart enough energy to 
cause ionization and 
scintillation. Liquid 
xenon is useful for these 
experiments because its 
density makes dark 
matter interaction more 
likely and it permits a 
quiet detector through 
self-shielding.
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MH Tabacniks, 4302504, IFUSP 2014, 2016 http://phys.org/news/2016-07-world-sensitive-dark-detector.html
One calibration technique 
used neutrons as stand-ins 
for WIMPs. A beam of 
neutrons was used to 
quantify how the LUX 
detector responds to the 
signal expected to be 
produced from a WIMP 
collision. 
Other calibration techniques 
involved injecting 
radioactive gases into the 
detector to help distinguish 
between signals produced 
by ambient radioactivity 
and a potential dark matter 
signal.
The LUX dark matter detector is surrounded by light 
sensors that can detect the emission of just a single 
photon emmited if a dark matter particle were to 
interact with the detector's xenon target material.
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MH Tabacniks, 4302504, IFUSP 2014, 2016
Um detector “elétrico”
esquemático
� A partícula deposita sua energia, ou parte dela, no detector.
� Assim, gera cargas livres que são coletadas de alguma forma. 
� Mede-se a d.d.p. ou corrente (um pulso ou uma medida contínua).
partícula
detector
d.d.p.
ou
corrente
Marcelo Sant’Anna, UFRJ - 2008
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MH Tabacniks, 4302504, IFUSP 2014, 2016
Sensibilidade e Eficiência
� Sensibilidade : Capacidade de produzir um 
sinal, em um dado intervalo de “energia”.
� Eficiência . Razão entre o número de 
eventos registrados / no. de eventos 
incidentes.
Marcelo Sant’Anna, UFRJ - 2008
• Seção de choque da interação;
• Tamanho do detector;
• Ruído intrínseco.
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Modelo simples
� O tempo de interação curto (ns em gases ou ps em 
sólidos): deposição de energia instantânea
� A interação resulta numa carga elétrica dentro do 
volume ativo do detector. 
� (Modelo) A carga aparece instantaneamente em 
t = 0, resultado da interação de uma única partícula. 
Marcelo Sant’Anna, UFRJ - 2008
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MH Tabacniks, 4302504, IFUSP 2014, 2016
� A carga deve ser 
coletada e formar 
um sinal elétrico. 
� O tempo para
coletar a carga
varia de um 
detector para 
outro. 
Fig. Resposta de um detector a uma única interação. 
Na figura tc é o tempo de coleta da carga. 
∫= c
t
dttiQ
0
)(
Marcelo Sant’Anna, UFRJ - 2008
I(t)
tempotc
I(t)
tempotc
∫= c
t
dttiQ
0
)(
tc
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Modo pulso versus Modo corrente
� O modo pulso (mais comum). O detetor registra cada quantum de 
radiação ou partícula que incide no detector. 
� Mede-se a carga total (a integral no tempo de cada pulso). 
Q é proporcional à energia depositada.
Todos os detectores de fótons operam no modo pulso. 
� Para taxas de eventos muito altas, o modo pulso torna-se 
impraticável. Nestes casos o modo corrente é uma alternativa.
Ex.: copo de faraday
Marcelo Sant’Anna, UFRJ -2008
ht
tp
://
w
w
w
.b
ea
m
im
a
gi
n
g.
co
m
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� Deseja-se preservar informação de forma do pulso. A natureza do 
pulso de sinal produzido depende das características de entrada do 
circuito conectado na saída do detetor (normalmente o pré-
amplificador). O circuito equivalente é representado na figura abaixo. 
Onde R representa a resistência de entrada do circuito, e C representa a 
capacitância equivalente do detetor, cabo e do pré-amplificador. 
� Dois extremos de operação podem ser identificados dependendo do 
valor da constante de tempo do circuito τ = RC.
� Caso 1: tc >> τ
� Caso 2: tc << τ
Modo Pulso
Marcelo Sant’Anna, UFRJ - 2008
RCdetector RCdetector
detetor
ideal
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�Caso 1: tc >> τ
A corrente em R é essencialmente 
igual ao valor instantâneo da corrente 
no detector. O sinal V(t) tem a forma 
aproximadada corrente no detector.
�Caso 2: tc << τ
Caso mais comum. Pouca corrente 
flui na resistência de carga durante o 
tempo de coleção e a corrente do 
detector é momentaneamente 
integrada no capacitor e 
descarregada através do resistor.
I(t)
tempotc
I(t)
tempotcI(t)
tempotc
I(t)
tempotc
V(t)
V(t)
Vmax = Q/C
RC>>tc
RC<<tc
Q
a
b
c
I(t)
tempotc
I(t)
tempotcI(t)
tempotc
I(t)
tempotc
V(t)
V(t)
Vmax = Q/C
RC>>tc
RC<<tc
Q
a
b
c
RCdetector RCdetector
Marcelo Sant’Anna, UFRJ - 2008
RC=τ
13
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Continuação Caso 2: tc << τ
� tc (tempo de coleta de carga) depende só do detetor. O tempo necessário para a 
ddp alcançar o seu valor é determinado pelo tempo de coleta da carga.
O tempo de decaimento, depende da constante de tempo do circuito de carga. A 
amplitude do sinal Vmax é determinada pela razão da carga total Q criada no 
detector e a capacitância C do circuito equivalente. Como estas capacitâncias são 
fixas, a amplitude do pulso de sinal é diretamente proporcional a carga gerada no 
detector Vmax = Q/C.
� A medida da taxa dos pulsos é a medida da taxa que a radiação incide no detector
A amplitude de cada pulso reflete a quantidade de carga gerada em cada interação 
individual. A distribuição de alturas de pulso irá refletir a distribuição de energias. 
� A proporcionalidade entre Vmax e Q apenas vale se a capacitância for constante. 
Isto é verdade apenas para alguns detectores. Para outros, como os diodos 
semicondutores, as capacitâncias mudam. De modo a preservar a informação 
básica contida nos pulsos, utiliza-se um tipo de pré-amplificador chamado de 
charge-sensitive, que restauram a proporcionalidade entre Vmax e Q. 
Marcelo Sant’Anna, UFRJ - 2008
V(t)
Vmax = Q/C
V(t)
Vmax = Q/C
RC>>tcRC>>tc
c
50
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Resolução em energia
FWHM
E
o
má resolução
boa resolução
In
te
ns
id
ad
e
Energia 
R = FWHM/Eo



 −−=
2
2
2
)(
exp
2
)(
σπσ
oEEA
EP
(continua)
Marcelo Sant’Anna, UFRJ - 2008
NN =σ
A formação de cada evento segue a 
estatística de Poisson. A função resposta 
deve ter uma forma Gaussiana como 
mostrado na figura, supondo N grande (note 
que E ∝ altura do pulso ∝ N )
As flutuações na energia detetada são devido a 
natureza discreta do sinal medido. A carga Q 
gerada no detector varia evento a evento, ainda 
que a mesma quantidade de energia seja 
depositada. 
FWHM= 2.35 σ , E0 é o 
centróide e A a área .
51
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kNE =
NkkN
N
E
FWHM
R
35,235,2
===
Detetores semicondutores geram um grande 
número de portadores de carga por unidade de 
energia (detetada), k alto.
k
E
N ==σ
A resposta da maioria dos 
detetores é linear.
O desvio padrão σ do altura 
de pulso do pico é
Dado
σ35,2=FWHM
A resolução de um 
detetor é dada por
E
FWHM
R=
2
235
%1 


=→=
k
NR Qto maior 
k, menor N
...: 222 ++= EletrônicaoEstatísticTotal FWHMFWHMFWHMObs 52
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Tempo morto
� Para todos os detetores há tempo mínimo entre a deteção de dois 
eventos para que sejam detetados como dois pulsos separados. 
� Este tempo mínimo é usualmente chamado de tempo morto (dead
time). 
� Devido a natureza estatística das contagens, pode ocorrer que um 
evento seja perdido porque ocorreu “junto” com outro evento. Este 
problema de perda por tempo morto pode se tornar importante em 
altas taxas de contagem.
Marcelo Sant’Anna, UFRJ - 2008
14
53
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Tempo morto: 
resposta paralizável versus resposta não paralizável
� Figura: A) paralizavel B) não-paralizavel
tempo
vivo
morto
τ
vivo
τ
morto
tempo
tempo
A
B
tempo
vivo
morto
τ
vivo
τ
morto
tempo
tempo
A
B
Marcelo Sant’Anna, UFRJ - 2008
54
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Alguns detetores
55
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Detetor à gás: Ionização do Gás
Ionização Primária
Ionização Total
ii
ltota W
x
dx
dE
W
E
n
∆
=∆=
ntotal = número total de par elétron-buraco
ΔE = Perda de energia da partícula
Wi= 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
V
rE
/ln
0=
Sinal
+V0
Catodo
Janela
Anodo
56
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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.
15
57
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Câmara de Ionização
Sinal coletado = Ionização do gás
Corrente 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.
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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.
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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
V
rE
/ln
0=
60
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Contador Proporcional
A multiplicação do sinal depende dos elétrons
O gás utilizado não deve absorver os elétrons
Utilizam-se 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 Eγ=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.
16
61
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MutiWireProportinal Chambers (MWPC)
Sinal proporcional à quantidade de radiação.O anodo que coleta o sinal proporciona a posição da radiação.
PN 1992: Georges Charpak
Pelo 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 élimitada pela uniformidade do campo elétrico e a estabilidade do potencial aplicado (V0). 62
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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.
63
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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 y
x
pads
Drifting e-
avalanche
y
z
Efetua-se uma pixelização dos catodos na direção Y, que irá coletar as cargas positivas da avalanche.
64
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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.
17
65
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Detalhes do TPC:
Layout:
Comprimento: 4.2 m.
Raio: 0.5 – 2.0 m
Cobertura: -1.8 < η < +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/µs. 
Tempo de deslocamento: 40 µs.
Uniformidade de B, melhor que 1% (50µm).
Readout:
24 subsectors, cada uma com 45 pad rows.
66
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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.
π
K
p
d
e
µd
E
/d
x
(k
eV
/c
m
)
67
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GEM – Gas Electron Multiplier
+HV
e-
70µm
Polymide foil
Electron collection
50µm
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. 
68
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O modelo padrão
All visible matter in the universe is built of 
subatomic particles called quarks and 
gluons . These particles combine to form 
the protons and neutrons found in the 
nucleus of the atom. 
18
69
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Acelerador de elétrons 5GeV
70
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Num acelerador, as partículas colidem entre si ou com 
um alvo estacionário. Cada colisão é um evento . Os 
eventos podem ser muito complicados com a produção 
de muitos partículas. A maioria dessas partículas têm 
meia-vida muito curta de forma qua percorrem 
distâncias muito curtas antes de decair. 
Para observar as várias partículas emitidas numa reação usam-se 
detetores multi-componente. Cada componente mede a energia ou o 
momento linear para distinguir as diferentes partículas. 
Alvo Fixo: As partículas produzidas pelo feixe incidente
geralmente voam para frente, por isso os detectores são
na forma de cones ao longo da direção do feixe. 
Feixes em colisão: Num experimento envolvendo
feixes em colisão, as partículas são espalhadas em
todas as direções; assim, o detector mais adequado é
esférico ou cilíndrico. 
71
MH Tabacniks, 4302504, IFUSP 2014, 2016
Detetores modernos contém vários setores que testam diferentes propriedades de 
um evento. Eles são ordenados de tal forma para extrair um méximo de informação 
possível das partículas geradas no evento. 
Tracking chamber: The inner region of the 
detector is filled with highly segmented sensing 
devices of various kinds, so that charged particle 
trajectories can be very accurately determined. 
Electromagnetic Calorimeter: This device measures the total 
energy of e+, e-, and photons. These particles produce showers 
of e+/e- pairs in the material. The e-'s (or e+'s) are deflected by 
the electric fields of atoms, causing them to radiate photons. The 
photons then make e-/e+ pairs, which then radiate photons, etc. 
The number of final e+, e- pairs is proportional to the energy of 
the initiating particle. 
Hadron Calorimeter: This device measures the total energy of hadrons. 
The hadrons interact with the dense material in this region, producing a 
shower of charged particles. The energy that these charged particles 
deposit is then measured. 
Muon Chambers: Only muons and neutrinos get this far. The muons
are detected, but the weakly interacting neutrinos escape. The presence 
of neutrinos can be inferred by the "missing" energy. 
72
MH Tabacniks, 4302504, IFUSP 2014, 2016
Charged particles, like electrons and protons , are detected both in the tracking chamber and the electromagnetic 
calorimeter. Neutral particles, like neutrons and photons, are not detectable in the tracking chamber; they are only 
evident when they interact with the detector. Photons are detected by the electromagnetic calorimeter, while 
neutrons are evidenced by the energy they deposit in the hadron calorimeter. 
Each particle type has its own "signature" in the detector. For example, if a physicist detects a particle only in the 
electromagnetic calorimeter, then he is fairly certain that he observed a photon. 
Neutrinos are not 
shown because they 
rarely interact with 
matter, and can only 
be detected by missing 
matter and energy. 
Just so you know, the 
pion ( π+ ) is a 
charged meson. 
http://www.particleadventure.org/component_detector.html
19
73
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� Detectores pré-era elétrica
� Detectores a gás
� Câmara de Ionização
� Contador Proporcional
� Contador Geiger
� MWPC
� Drift Chambers
� TPC
� Detectores Cintiladores
� Detectores Semicondutores 
74
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Detetores Cintiladores
Partícula
Carregada
Fótons
Guia de Luz
Fotocatodo
Partículas atravessando um
cintilador criam excitações
atômicas. O decaimento dos
átomos emite radiação na faixa 
da luz visível coletado por uma 
fotomultiplicadora. 
Na fotomultiplicadora, os 
fótons são convertidos em 
elétrons através da película de 
fotocatodo. Os elétrons são
multiplicados em estágios 
seqüenciais com um ganho de 
aprox. 109.
Cintilador
Dinodos
75
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Alguns detectores Cintiladores
Super Kamiokande
ANTARES
AMANDAAUGER
76
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Detetores Semicondutores
Detetores Semicondutores são 
usados para medir a energia das 
partículas.
O alto poder de freamento dos 
semicondutores resulta em ótima
resolução de energia, tornando os 
mais atrativos do que detetores
Cintiladores.
Típicos detectores 
semicondutores são Si, Ge, GaAs.
+
-
Sinal
+
+
-
-
V+V
20
77
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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 dosilício 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.
78
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Semicondutores
É preciso “dopar” o semicondutor para que ele se torne um condutor. Para isso, átomos de silício são substituídos por outros átomos “doadores”(fósforo, arsênico) ou receptores (gálio, boro, alumínio) de elétrons.
tipo-N tipo-P
Nível de energia intermediária causado pela Impureza 
Doador Receptor
79
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Junção p-n
- - - - -
- - - - -
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+ +
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
- -
-
-+
+
+
+
80
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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
21
81
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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 formam os pares de ionização elétron-buraco com a passagem de uma partícula carregada. 
Tipo-P Tipo-N
--
---
+
+
+++
+
-
-
-
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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.
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Detetores Micro-strips
implante
tipo n+
substrato
tipo n
implante tipo p+
Fornecem a energia e a posição 
em uma dimensão. Para duas
dimensões, é necessário utilizar 
duas camadas de MSD.
Muito utilizado na reconstrução 
de trajetórias das partículas.
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Detectores tipo pixel
implante tipo n+
substrato
tipo n
linhas metálicas para o sinal A pixelização em X-Y fornece posição da partícula sem ambiguidades com boa resolução espacial.
A capacitância e o ruído eletrônico édeterminado pelo tamanho dos pixeis, e a minimização dos mesmos é limitado pelo custo e pela geometria do detector.
15µm
22
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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 longo tempo deleitura.
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.
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O Silicon Drift Detector, SDD
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.
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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˚C
Companhias que já fabricam ou fabricaram SDDs:
SINTEF, CANBERRA, EUROSYS, KTEK, 
PNSensor, Infineon, Micron, HAMMAMATSU