I RIVELATORI A SCINTILLAZIONE

IDEA DI FONDO

ENERGIA DEPOSTA DA PARTICELLA IONIZZANTE ECCITAZIONE ATOMICA/MOLECOLARE

DISECCITAZIONE LAMPO DI LUCE (LUMINESCENZA)

GLI SCINTILLATORI SONO RIVELATORI A MULTI-USO

SPETTROSCOPIA

CALORIMETRI

TEMPO DI VOLO

SISTEMI DI TRIGGER

SISTEMI DI VETO

TRACCIANTI

DUE GRANDI CLASSI DI SCINTILLATORI

INORGANICI ORGANICI

Buona resa in luce, ma lenti Bassa resa in luce, ma veloci

MECCANISMO DI SCINTILLAZIONE

CRISTALLI INORGANICI (NaI, CsI, BGO…)

SPESSO 2 TEMPI CARATTERISTICI:

RICOMBINAZIONE VELOCE (ns-s)DAI CENTRI DI RICOMBINAZIONE

RICOMBINAZIONE RITARDATA (100 ms)DOVUTA AI CENTRI DI INTRAPPOLAMENTO

L’ALTA DENSITA’ E L’ALTO Z LI RENDE ADATTI ALLA RIVELAZIONE DI PARTICELLE CARICHE O

MECCANISMO DI SCINTILLAZIONE

SCINTILLATORI ORGANICI

MONOCRISTALLI ORGANICI (antracene, stilbene…)

SCINTILLATORI LIQUIDI O PLASTICIComposti da un solvente nel quale e’ disciolto lo scintillatoreA volte presenza anche di WAVELENGHT SHIFTERS

TEMPI DI EMISSIONE MOLTO BREVI (1-5 ns)IDEALI PER MISURE TEMPORALI MOLTO PRECISE

MOLTO ECONOMICI

BASSO Z MA ALTO CONTENUTO DI H

La scintillazione si basasugli elettroni dei 2 orbitali dei legami C-C

MOLECOLE DI TIPO AROMATICO

Luce emessa nell’ ultravioletto

LO SCINTILLATORE IDEALECONVERTE E IN L CON ALTA EFF. DI SCINTILLAZIONE

LA CONVERSIONE DOVREBBE ESSERE LINEARE

GLI SPETTRI DI EMISSIONE E ASSORBIMENTO DEVONO SOVRAPPORSI IL MENO POSSIBILE (alta trasparenza)

PROPRIETA’ OTTICHE E MECC. BUONE. MANEGGIABILITA’

LA COSTANTE DI TEMPO CARATTERISTICA 0 DEV’ESSEREBREVE PER AVERE ALTA RISOLUZIONE TEMPORALE

INDICE DI RIFRAZIONE SIMILE AL VETRO (~1.5) PER UN BUON ACCOPPIAMENTO OTTICO AL FOTOMOLTIPLICATORE

IMPOSSIBILE SODDISFARE TUTTE LE RICHIESTE

E

LS

L = S · E

Legge temporale di scintillazione

I = I0 exp (-t/0 ) + I1 exp (-t/1 ) - I0 exp (-t/p )Fosforescenza, fluerescenza rit. popolamento dei livelli

Raccolta di luce Cristalli grandiForme e dim. variabili

Cristalli igroscopicifragili

S NON DEVE DIPENDERE DALLA POSIZIONE NELLO SCINTILLATORE

VALORI TIPICI: QUALCHE % (PER NaI : 12%)

POICHE’ Eph~ 3-4 eV w ~ 50 – 100 eV/fotone

Non competitivi con i diodi a semiconduttore !

EFFICIENZA DI SCINTILLAZIONE

DIPENDE DALL’ ENERGIA

dxdE

kB

dxdE

S

dx

dL

1

L = S · E

FORMULA DI BIRKS(scintillatori organici)

MENO IMPORTANTE NEGLI INORGANICI

kB

S

dx

dL

elettroni

dL

/dx

DIPENDE DALLA PARTICELLA PIU’ IMPORTANTE NEGLI ORGANICI

SUBISCE IL DETERIORAMENTO DA ESPOSIZIONE E DA USO(nei plastici anche alla luce e/o all’ossigeno)

DIPENDE DALLE IMPUREZZE PRESENTI (PB DEL QUENCHING)

MECCANISMI IN COMPETIZIONE CON LA SCINT. BUONA

ad es. 1inorgorg

S

S

S

S

E CAMBIA SE CAMBIA dx

dE

PROFILO TEMPORALE EMISSIONE

DIPENDE DALLA TEMPERATURA (SCINTILLATORI INORGANICI)

Legge temporale di scintillazione

Fosforescenza

Fluorescenza ritardata

Quenching (disecc. senza emissione di fotoni)

AFTERGLOW

LA RACCOLTA DI LUCELA LUCE E’ EMESSA ISOTROPICAMENTE

PROBLEMA DELL’ AUTOASSORBIMENTO: SCARSOPROBLEMA DELLE PERDITE ALLA SUPERFICIE: IMPORTANTE

ANGOLO CRITICO PER RIFLESSIONE TOTALE

• RIDUCE LE PERDITE ALLA SUPERFICIE• OSTACOLA LA TRASMISSIONE AL FOTOCATODO

USO DI ACCOPPIATORI OTTICI

LE GUIDE DI LUCE

SCINTILLATORE – FOTOMOLTIPLICATORE DISTANTI PER:

NECESSITA’ COSTRUTTIVE PRESENZA DI CAMPO MAGNETICO NECESSITA’ DI UNIFORMARE LA RISPOSTA DEL FOTOC.

IL FUNZIONAMENTO SI BASA SUL PRINCIPIO DI RIFLESSIONE TOTALE

0

1sinn

nc l sse n1 < n0

GRASSO OTTICO, SILICONE

= 80%

IL FOTOCATODOPROCESSO DI FOTOEMISSIONE

L’ e- MIGRA SULLA SUPERFICIE. PERDE ENERGIA(nei metalli R ~ nm TROPPO PICCOLO Y SEMICONDUTTORI)

IL FOTONE VIENE ASSORBITO E L’EN. VIENE TRASFERITA AD 1 e-eVEEe 3~

_

max

L’ e- SFUGGE DALLA SUPERFICIE DEL CATODO, PURCHE’(nei metalli W ~ 3-4 eV NO! Materiali appositi con W ~ 1-2 eV)

WEe_

FOTOELETTRONE

LAVORO DI ESTRAZIONE

DA SEGUE CHE TUTTI I FOTOCATODI HANNO UN CUT-OFFDA SEGUE CHE PROFONDITA’ DI FUGA 25 nm

bassa capacita’ di fermare i fotoni semitrasparenza

IL FOTOMOLTIPLICATOREPRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO

EMISSIONE DI e- SEC. DAI DINODI

GUADAGNO DI SINGOLO DINODO: g= 3-50

GUADAGNO TOTALE

N

iigM

1

10 DINODI CON g = 4 M = 410y106

FOTOEMISSIONE DAL FOTOCATODO

Q.E. = Nfotoel/Nfotoni

sse E > W CUT-OFF

~ 20-30 %SEMPRE FUNZIONE DI

RISOLUZIONE ENERGETICA

DOMINATA DALLE FLUTTUAZIONI STAT. DEGLI e- EMESSI DAI DINODI

FLUTTUAZIONI > PER <n 1° DINODO

nei metalli W y3-4 eV NO! Materiali appositi con W y 1-2 eV

RACCOLTA ALL’ ANODO. SEGNALE

RUMORE TERMOIONICO

semicond: 100 – 10000 / cm2 s

KT ~ 25 meV @ 300 K, ma prob. K 0 Eth > W

metalli: 100 e- / m2 s

DIPENDE (OVVIAMENTE!) DALLA TEMPERATURA

ESEMPI NUMERICI:

E = 1 MeVWe-h ~ 3 G Egap ~ 20 eV # coppie = E / W ~ 50000

SNaI ~ 12%

EFFICIENZA DI SCINTILLAZIONE IN NaI

L = SE ~ 120 keVEfot ~ 3 eV (visibile) # fotoni = L / Efot ~ 40000

~ 1 fotone ogni coppia e--h prodotta

IL TRASFERIMENTO DI ENERGIA DAL “BULK”ALL’ ATTIVATORE E’ MOLTO EFFICIENTE

EMISSIONE TERMOIONICA

N = 103 e- / s G = 106

Ibuio = 103 G1.6G10-19G106 A = 160 pA I ~ Ibuio

RISOLUZIONE INFLUENZATA DALLE FLUTTUAZIONI DI Ibuio

Y

STATISTICA DELLA MOLTIPLICAZIONE

non e’ costante Y fluttuazioniY allargamento della distribuz. del # di e-

prodotti ad ogni nuovo stadio di amplificazione

1° STADIO

12

nn n

n

N-ESIMO STADIO2

12

2

2

2

1

21

1

1...

11...

nnnnn nnn

TOT

TOTnn

SE >> 1

IN REALTA’ E’ IMPORTANTE SOLO QUANDO SI HANNO POCHI FOTOELETTRONI INIZIALI

ANCORA SUI FOTOTUBI...

ESEMPI NUMERICI:

sensibilita’ occhio umano ~ 10 fotoni nella banda del visibile

LA SCINTILLAZIONE IN NaI E’ VISIBILE?

diam. pupilla al buio ~ 3 mm d = 10 cm

E = 1 MeV SNaI ~ 12% Efot ~ 3 eV (visibile)

# fotoni = L / Efot = SE / Efot ~ 400005

2

2

106.54

d

rpupilla

Ynvisti = 40000G5.6G10-5= 2.24

NON E’ VISIBILE

QUANTO VALE LA CORRENTE DI PICCO?

MATERIALI SPECIALI

CARATTERISTICHE DEI FOTOTUBI

PROPRIETA’ TEMPORALI (vedi dopo)

TENSIONI E CORRENTI MASSIME G = G(V)

IMPULSI SPURI E RUMORE (vedi dopo)

DIFFERENZE STRUTTURALI

SENSIBILITA’ ALLA LUCE E ALLA POTENZA RADIANTEUTILIZZO IN MODO CONTINUO

CORRENTE DI BUIO CORRENTE ALL’ANODO CON CATODO NON ILLUM.

LINEARITA’ NON BUONA SE: 1) Pb di carica spaziale x imp. molto grandi2) variaz. di tensione ai dinodi

DISUNIFORMITA’ DEL FOTOCATODONELLA RISPOSTA NELLA RACCOLTA AL 1° DINODO GUIDE DI LUCE

VARIAZIONI DI GUADAGNO CON IL TASSO DI CONTEGGICAUSATE DA VARIAZIONI SU V INTERDINODICA

Tipica richiesta: G/G ~ 1% per tassi di 103 – 104 c/s

ANALISI DELLA FORMA DELL’ IMPULSOLEGGE TEMPORALE DELLA SCINTILLAZIONE

ttt eitieIeII D 00/

0 )( ALLARGAMENTO NEL t DI TRANSITO TRASCURABILE

tQetiQidttiQ

)()( 0

0

)(1

)( tt eeC

QtV

)(tiRi Ci

R C

RC

1

CASO 1 RC >> D <<

CASO 2 RC << D >>

)()( tt eeC

QtV

)()( tt eeC

QtV

CR iiti )(

risetime dipendente da decay time dipendente da RCVMAX = Q/C

PER ALLUNGARE RC SI FA CRESCERE R MANTENENDO C PICCOLO, COSI’ VMAX E’ GRANDE

risetime dipendente da RCdecay time dipendente da D

VMAX =C

Q

C

Q

In realta’ VMAX e’ sensibile alle fluttuazioni che originano dalla natura statistica della produzione di fotoelettroni

Fissate le condizioni (, ) sembra VMAX I Q

TEMPO DI TRANSITO E TIME SPREADEs: 14 dinodi

2 kV totale Ek media y 75 eV

2

322

60

1

10511

1502

mc

Ek

Tipica velocità media

Tipico tempo di transito

nsscm

cm20

/103601

10

10

FLUTTUAZIONI DI Distribuzione energetica iniziale (0-2 eV)

Fluttuzioni del percorso catodo - I dinodo

y 0.2 – 0.3 ns

150 V interdinodica

CALCOLO DELL’ AMPIEZZA DI SEGNALE ASPETTATO

E= 1.2 MeV S = 12 % = 70 % Q.E. = 20 %

M = 105 C = 100 pF

n = EHS / h= 4.5 G104

L.y. = 38000/MeV

h= (S/L.y.)G106= 3.2 eV

Q = n HHQ.E.HM Hqe= 4.5G104G0.7G0.2G105G1.62G10-19 C = 0.1 nC

V = Q/C y 1 V

IMPULSI SPURI E RUMOREELETTRONI DA EMISSIONE TERMOIONICA

IMPULSI DA SINGOLO e- Y MOLTO SPESSO ELIMINABILI

ALTRIMENTI CERCARE DI RIDURRE IL PROBLEMA A MONTE:• SUP. FOTOCATODO + PICCOLA POSSIBILE• MATERIALI “SILENZIOSI”• FOTOTUBI CON MINOR CORRENTE DI BUIO

MODO IMPULSATOt ~ 1 ms Y sh ~ s = POCO DISTURBOVENGONO DISCRIMINATI Y NESSUN RUMORE AGGIUNTO

MODO IN CORRENTE

LA CORRENTE DI BUIO SI SOMMA COMPLETAMENTELE SUE FLUTTUAZIONI CONTRIBUISCONO ALLA RISOLUZIONE

SOLUZIONERAFFREDDAMENTO DEL FOTOCATODO Y buiobuio II

100

1~'

SVANTAGGI:

CONDENSAAUMENTO DELLA R DEL CATODO DISTORSIONE DEL CAMPO ELETTRICO PERDITA DI EFF. NELLA RACCOLTA DEI FOTOELETTRONI

SE ALIMENTATI, SEMPRE AL BUIO (IA TROPPO ALTA)

ALTRA SORGENTE DI IMPULSI SPURI: LA RADIOATT. NAT.• 40K E 232Th IN VETRO ~ 10-100 Bq/Kg• RAD. COSMICA (da’ luogo a Cerenkov) impulsi piccoli, da pochi fotoel.

IMPULSI RITARDATIDa emessi alla fine della moltiplicazione, che risalgono al catodo:

t ~ ttransito IMPULSI PICCOLI

Da ioni+ dovuti a gas residuo t >> ttransito IMPULSI NON PICCOLISSIMI

CAMBIARE FOTOTUBO

ALTERNATIVE: FOTODIODI E HPMTFOTODIODI CONVENZIONALI p-i-n

VANTAGGI: • MAGGIOR Q.E. (60% - 80%)• MINOR POTENZA RICHIESTA• PIU’ COMPATTI• PIU’ RESISTENTI• INSENSIBILI A B• RISPOSTA SPETTRALE AMPIA (cut-off a en. minori).

MA NIENTE MOLTIPLICAZIONERUMORE ELETTRONICO (serie + parallelo) NON TRASCURABILE

(peggiore per Ariv maggiori)

RISOLUZIONE ENERGETICA PEGGIORE DEI PMT

FOTODIODI A VALANGAALTO V Y PRODUZ. DI NUOVE COPPIE e- - h YG ~ 100

BUONA Q.E. E BUONA RISOL. TEMPORALE

SENSIBILITA’ A E MINORI MA RISOLUZ. EN. PEGGIORE DEI PMT

HPMTFOTOCATODO + FOTODIODO AL Si

UN UNICO STADIO DI MOLTIPLICAZIONE CON V GRANDE

GTOT ~ 3000 (ANZICHE’ 106) MA ~ 3000 ANZICHE’ 5 (O 25)risoluzione energetica migliore

buona discriminaz. tra eventi da singolo fotoel. ed eventi da 2,3,4,... fotoel.(noise termoionico)

G IV anziche’ I(V)7 Y G PIU’ STABILE, Ibias <<, BUONE CARATTER. TEMPORALI

MICROCHANNEL PLATEIL FATTORE MOLTIPLICATIVO NON E’ FISSO Y SATURAZIONE

~ 15 – 50 m OGNI FOTOEL. ENTRA IN UN CANALE DIVERSO

QTOT = NCh G QSAT I nfotoel I nfotoni

Proprieta’ di tempo ECCELLENTI ttransito ~ ns (anziche’ 20 – 80 ns STANDARD)t ~ 100 ps ( 2-3 volte meglio)