Caratterizzazione di scintillatori plastici con taglio custom per un polarimetro ad effetto Compton

Caratterizzazione di scintillatori plastici con tagliocustom per un polarimetro ad effetto Compton

Armando Brandonisio Federica Duras

Dipartimento di FisicaUniversita di Roma, La Sapienza

26 Gennaio, 2015

Introduzione Polarimetria X e rivelatori Strategia di misura Risultati Sperimentali Prospettive future Bibliografia

Introduzione

Polarimetro basato sullo scatteringCompton

Fisica del sistema:

1 interazione fotone X bacchetta discintillatore

2 produzione fotoelettroni rivelati dalMAPMT

3 fotoni Compton raccolti dall’assorbitoree rivelati dal MAPMT

Finalita del lavoro: confronto resaluminosa di bacchette con taglio custom ebacchette di riferimento

Armando Brandonisio Federica Duras Dipartimento di Fisica. Universita “La Sapienza”, Roma

Caratterizzazione di scintillatori plastici con taglio custom per un polarimetro ad effetto Compton


Polarimetria in astrofisica dei raggi X


La misura del grado di polarizzazione dei fotoni X provenienti da sorgentiastronomiche offre nuovi elementi di studio per la verifica di modelliteorici di astrofisica e costituisce uno strumento per valutare la natura ele caratteristiche dell’emissione osservata.

Radiazione polarizzata:

Processi non termici

Ciclotrone

Sincrotrone

Bremsstrahlung non termica

Scattering in geometrie asferiche

Scattering Thomson

Scattering Compton

Compton inverso





Sorgenti X da cui ci si aspetta un’emissione polarizzata

Pulsar Wind Nebulae (PWNe)

Pulsar (PSR)

Stelle di neutroni isolate (INS)

Binarie X (XRB)

MicroQuasar (µQSO)

Nebulose a riflessione (RN)

Nuclei galattici attivi (AGN)

Variabili cataclismiche (CVs)

Lampi gamma (GRB)

ecc...

Unica sorgente polarizzata rivelata: Crab Nebula

OSO-8 PL = (19.22± 0.92)%,φ = 155.8 ± 1.4 @ 2.6 keV e 5.2keV (Weisskopf et al. 1978)




Interazione dei fotoni X

Effetto Fotoelettrico

Emissione di un fotoelettrone dopo l’assorbimento di un fotone:

Energia assorbita dal fotone:

Ee− = hν − Eb

Sezione d’urto

σ ' Z n

E 3.5γ

(4 < n < 5)

Fenomeno dominante nel rangedi energie da 0 a 150 keV





Scattering Compton

Fotone incidente su un elettrone atomico

Energia del fotone scatterato:

E ′γ =Eγ

1 +Eγ

mec2(1− cos θ)

Energia dell’elettrone:

T = hν−hν′ = hνγ(1− cos θ)

1 + γ(1− cos θ)Armando Brandonisio Federica Duras Dipartimento di Fisica. Universita “La Sapienza”, Roma




Sezione d’urto Klein-Nishinadalla teoria relativistica dell’elettrone di Dirac(Klein-Nishina):

dσ

dΩ=

r2e

2

E ′2

E 2

[E

E ′+

E ′

E− 2 sin2 θ cos2 φ

] Scattering Thompson

dσ

dΩ=

1

2

(1 + cos2 θ

)r 2e




Polarimetri X

Polarimetri XIl polarimetro e un dispositivo che produce un segnale modulato, sul pianoperpendicolare alla direzione di propagazione del fascio di radiazione.

Fisica dei polarimetri X: diffrazione di Bragg, effetto fotoelettrico, scattering.

Polarimetri Compton:

rivelatore: basso Z

calorimetro: alto Z

Segnale modulato:C(η) = A cos

(2(η − ϕ+ π

2

))+ B

Fattore di modulazione:

µp =Cp,max − Cp,min

Cp,max + Cp,min=

A

(2B + A)

Polarizzazione: P =µp

µ100

Polarizzazione minima misurabile:

MDP(99%) = 4.29µ100Rsrc

√Rsrc+Rbgd

T




Polarimetri X

Polarimetri Compton




Scintillatori

Scintillatori

Resa luminosa: fotoni ottici / energia depositata.L’intensita della radiazione decade (fluorescenza) come:

I = I0e− t

τ

Scintillatori Organici:

L’energia trasferita da una particellacarica eccita i livelli energeticielettronici della struttura molecolare.Dalla diseccitazione sono prodottifotoni ottici.

Scintillatori Inorganici:

cristallo dopato

la particella carica eccita glielettroni della banda diconduzione

le lacune formatesi ionizzano gliatomi attivatori

la diseccitazione produce fotoniche viaggiano indisturbati nelcristallo. (E < Elegame).




Scintillatori

Propagazione dei fotoni ottici

I fotoni ottici vanno trattati facendo uso delle leggi alla base dell’otticageometrica.

Coefficienti di riflessione:

R⊥ =

(ncosi − µ

µ′

√n′2 − n2sin2i

ncosi + µµ′


)2

R‖ =

(n′2cosi − µ

µ′


n′2cosi + µµ′


)2

Coefficienti di trasmissione:

T⊥ = 1− R⊥ , T‖ = 1− R‖




Scintillatori

Fotomoltiplicatori multianodo (MAPMT)

I fotomoltiplicatori sono dispositivi che trasformano un segnale luminoso

incidente in un segnale elettrico.

Componenti:

fotocatodo: emette elettroni pereffetto fotoelettrico

dinodi: producono per estrazioneelettroni secondari

anodo: elettrodo di raccolta deglielettroni secondari

Vantaggi MAPMT:

localizzare fotoni incidenti sulfotocatodo

maggior numero di segnali rispettoa un PMT

esperimenti di grande area




Strategia di misura

Range energetico dei raggi X

Obiettivo: operare nella banda dei raggi X duri per poter sviluppare unesperimento utilizzabile su satellite.

Flusso sorgenti X segue unalegge di potenza.Es. Crab Nebula (5-100 keV):

dNγdE

= 10E−2.05 photons

cm2 s keV

Tra 1 e 5 keV forteassorbimento polvere

Scattering Compton dominanteper energie superiori ai 20 keV

A energie piu basse polarimetribasati sull’effetto fotoelettrico




Strategia di misura

Scelta dei materiali per la scintillazione

scatteratore: basso Z (Es.: H,Z=1)

assorbitore: alto Z (Es.: C,Z=6)

spettro fotoni emessi dalloscintillatore confrontabile conspettro di assorbimento delPMT

scintillatori inorganici spessoigroscopici




Strategia di misura

Determinazione della raccolta di luce a varie altezze dellostadio a diffusione

I fotoni ottici generati (Compton) hanno una probabilita di essereriassorbiti dagli atomi della bacchetta stessa.

Cammino ottico medio : λ = 1nσ BC-404: λ ' 1m




Esperimenti

Prima Parte

Misure con LaBr3(Ce)

Rivelatore BrilLanCe 380 pereffettuare misurazioni di emissioni Xdi sorgenti note: 241Am, 109Cd e55Fe.

Seconda parte

Misure con BC-404

Analisi di uno scintillatore plastico(BC-404) studiando la resa luminosadi bacchette di diversa dimensione elavorazione.Studio della dispersione lungol’altezza della bacchetta.






Cristallo cilindrico LaBr3: spessore 2.5mm, ∅ = 2.54cm.Finestra di Berillio spessa 220µm.





Setup Sperimentale





Definizione range operativo

E necessario conoscere l’intervallo di massima efficienza del rivelatore e lacomponente della corrente di buio con eventuali rumori.

Trasparenza di un elemento rispetto ad una radiazione di energia E:

T (E ) = e−ρδσtot(E)

Assorbimento:A(E ) = 1− e−ρδσphot(E)

Efficienza del rivelatore:

ε(E ) = T (E ) · A(E )

Conoscendo la densita del Berillio (1.848g/cm3) e del LaBr3(5.08g/cm3) e possibile stimare le sezioni d’urto in funzione dell’energia.





Sezioni d’urto

Berillio LaBr3





Efficienza BrilLanCe 380





Calibrazione del circuito

Energia(keV ) = A + B · canaleArmando Brandonisio Federica Duras Dipartimento di Fisica. Universita “La Sapienza”, Roma




Risultati del fit

A = (1.97± 0.82) keV

B = (0.141± 0.002) keV /canale




Misure con BC-404

Misure con BC-404




Misure con BC-404

Setup sperimentale




Misure con BC-404

Setup sperimentale - Collimatore

Diametro foro collimatore: ∅ = 4mmDiametro sorgenti: ∅Cd = 5mm ∅Am = 1mm




Misure con BC-404

Setup strumentale




Misure con BC-404

Definizione range operativo - Sezioni d’urto BC-404




Misure con BC-404

Definizione range dinamico

E necessario scegliere il guadagno dell’amplificatore in modo che ilfotopicco sia all’interno dell’intervallo dinamico del MCA.

Intensa sorgente luminosa: 241Am diluito in BC-400. (Particelleα = 5.485MeV )

Range dinamico MCA: 0-10 V.




Misure con BC-404

Setup elettronico




Misure con BC-404

Calibrazione cirtuito

La calibrazione del circuito e utile per ricavare i fotoelettroni relativi aifotopicchi, in modo da ottenere il numero di fotoni che arrivano sulfotocatodo.Per effettuarla, abbiamo simulato i segnali prodotti dal PMT mediante ungeneratore di impulsi di diversa ampiezza e li abbiamo inviati all’ingressodi test del preamplificatore SILENA-207.

Conversione Tensione (V) - Carica (pC)

Q = VT · CT

I punti sperimentali sono poi stati fittati con una funzione lineare:

Carica (pC) = A + B ∗ canale




Misure con BC-404

Risultati dei fit

A = (0.5± 0.2) pC ; B = (6.6± 0.1) · 10−2 pC/canale




Misure con BC-404

Analisi bacchetta di riferimento (Saint-Gobain)

Caratteristiche: h = 30mm, ∅ = 5mm, wrapping= VM-2000 + Teflon.




Misure con BC-404

Analisi bacchette con taglio su misura

Caratteristiche:2 lunghezze: 30mm e 60mm

2 tagli: lucidato (polished) erugoso (rugged)

con e senza wrapping (Teflon)




Misure con BC-404

Bacchette 60 mm




Misure con BC-404

Bacchette 30 mm




Misure con BC-404

Confronto della resa luminosa




Misure in coincidenza

Efficienza di tagging

εtag =Rcoinc − Rspcoinc

Rtop − Rbkg




Stima efficienza di tagging e confronto




Bibliografia1 C. Weisskopf, E. H. Silver, H. L. Kestenbaum, K. S. Long, and R. Novick. A

precision measurement of the X-ray polarization of the Crab Nebula withoutpulsar contamination. ApJ, 220:L117, 1978.

2 J. Dean, D. J. Clark, J. B. Stephen, V. A. McBride, L. Bassani, A. Bazzano, A.J. Bird, A. B. Hill, S. E. Shaw, and P. Ubertini. Polarized Gamma-Ray Emissionfrom the Crab. Science, 321:1183, 2008.

3 Sergio Fabiani, Riccardo Campana, Enrico Costa, Ettore Del Monte, FabioMuleri, Alda Rubini, Paolo Soffitta. Characterization of scatterers for an activefocal plane Compton polarimeter. arXiv:1301.1161 [astro-ph.IM], 2013.

4 Sergio Fabiani, Riccardo Campana, Enrico Costa, Ettore Del Monte, FabioMuleri, Alda Rubini, Paolo Soffitta. Characterization of scatterers for an activefocal plane Compton polarimeter. arXiv:1301.1161 [astro-ph.IM], 2013.

5 P. Soffitta, E. Costa, F. Muleri, R. Campana, E. Del Monte, S. di Cosimo, Y.Evangelista, S. Fabiani, M. Feroci, F. Lazzarotto, A. Rubini, R. Bellazzini, A.Brez, M. Minuti, N. Omodei, M. Pinchera, M. Razzano, C. Sgro, G. Spandre, A.Argan, and G. Matt. A set of x-ray polarimeters for the New Hard X-ray Imagingand Polarimetric Mission. In Proc. of SPIE, volume 7732 of Presented at theSociety of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE) Conference, page77321A, 2010.



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