I rivelatori di particelle - Istituto Nazionale di Fisica...
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I rivelatori di particelle E. Fioretto INFN – Laboratori Nazionali di Legnaro
Transcript of I rivelatori di particelle - Istituto Nazionale di Fisica...
I rivelatori di particelle
E. Fioretto
INFN – Laboratori Nazionali di Legnaro
I LNL nel contesto internazionale
GANIL
GSI
LNL-INFN
LNS-INFN
JYL
ALTO-CNRSELI-NP / IFIN-HH
ISOLDE-CERN
I UWAR-HIL & IFJ PANKVI-CART
LNL 2004 - 2008
Responsabile nazionale : E. Fioretto
LNL - LNS 2010 - 2014
Responsabile nazionale : E. Fioretto
TNA Deputy Coordinator : R. Alba
LNL - LNS 2016 - 2020
Responsabile nazionale : S. Romano
TNA Deputy Coordinator : M. Cinausero
Large Scale Facility
Uno dei laboratori europei di fisica nucleare di classe
internazionale per:
• le specifiche degli acceleratori – fasci di ioni
pesanti di qualità eccellente e ad energie da poche
decine di keV/u a pochi GeV/u
• gli apparati sperimentali installati che rappresen-
tano lo stato dell’arte della strumentazione per
esperimenti di fisica nucleare ECT*
Le dimensioni del mondo che ci circonda
Acceleratori Microscopi Telescopi ottici e radio-telescopiBinocoli
Il nucleo atomico 10-14 m La nostra stella
~ 109 m
Nel sistema solare un fattore 10301.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 !
1,58 a.l.
1016 m
Il nucleo atomico 10-14 m
Un fattore 10361.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 !
M31 – galassia di Andromeda
La galassia più vicina alla nostra Via Lattea
2,5 x 106 a.l.
1022 m
Definizione di eV
1 V
+-1 eV è l’energia cinetica acquistata da un elettrone
sottoposto ad una differenza di potenziale di 1 V
1012 eV = 1 TeV
109 eV = 1 GeV
106 eV = 1 MeV
103 eV = 1 keV
L’energia di una particella si misura in eV
(e suoi multipli)
1 eV rappresenta un’energia molto piccola
1 eV = 1 V · 1,602 · 10-19 C = 1,602 · 10-19 joules
Lampadina da 100 W
accesa per 1 ora
Auto da corsa
V = 370 km/h
Caldaia da 12.600 kcal
In funzione per 1 ora
360.000 joules
2,24 · 1024 eV
4.500.000 joules
28 · 1024 eV
52.000.000 joules
324 · 1024 eV
Perchè usare un acceleratore di particelle?
Relazione di De Broglie
l = h/p
Potere risolvente
Ep ~ keV
l ~ 10-10 m
Ep ~ MeV
l ~ 10-14 m
Ep ~ GeV - TeV
l < 10-15 m
Fisica Atomica Fisica Nucleare Fisica Subnucleare
Ato
mo
Nu
cle
o
Nu
cle
on
e
Acceleratore
Dualismo onda-corpuscolo
Argomenti trattati
Di cosa è fatto il mondo che ci circonda?
Interazione radiazione materia
Rivelatori di particelle: concetti generali
Qualche nozione di fisica nucleare e metodologia di indagine
Rivelatori a gas
Camere a ionizzazione, MWPC, GEM, MICROMEGAS
Rivelatori a semiconduttore
Si, Ge
Rivelatori a scintillazione
Scintillatori inorganici
Scintillatori plastici
Un esempio di ricaduta tecnologica dei rivelatori
Di cosa è fatto il mondo che ci circonda?
Sin dall’antichità l’uomo ha cercato di capire quali fossero i costituenti
fondamentali dell’universo
terra fuoco acqua aria
Teoria dei quattro elementi naturali, introdotta a partire dal VI secolo a.C. dal
filosofo greco antico Anassimene di Mileto e, successivamente, dal filosofo
Empedocle e assimilata anche da filosofi greci Socrate e Aristotele
Di cosa è fatto il mondo che ci circonda?
Democrito (V secolo a.C.) propose che tutta la materia fosse composta di
particelle fondamentali e indivisibili che lui chiamò atomi.
Atomo dal greco ἄτομος (àtomos) - indivisibile
L’incessante movimento porta gli atomi ad aggregarsi e a separarsi,
dando luogo alla nascita, alla trasformazione e alla morte di tutto ciò che
esiste. Le cose sono pertanto combinazioni di atomi.
Le idee essenziali della sua teoria sono le
seguenti:
• tutto ciò che ci circonda è composto di
atomi, che sono fisicamente indivisibili
• gli atomi sono indistruttibili e costan-
temente in moto
• tra gli atomi c’è spazio vuoto
La tavola periodica degli elementi
La prima tavola periodica fu ideata da Mendeleev nel 1869 utilizzando come criterio di
classificazione il peso atomico per ordinare i 63 elementi conosciuti fino ad allora.
Pochi anni dopo furono scoperti gli elementi Sc, Ga e Ge
le proprietà fisiche previste dalla loro posizione nella tavola furono confermate
Dopo circa 2300 anni ..............
L’organizzazione degli elementi
chimici in una Tabella Periodica è
di fatto il suggerimento che esiste
una struttura più semplice che ne
governa la regolarità.
La tavola periodica sta ancora crescendo .......
118 elementi includendo anche i nuclei super-pesanti
Joseph John Thomson Scoperta dell’elettrone 1897
Se l’elettrone è carico negativamente l’atomo non è elementare perché,
essendo neutro, deve contenere anche una carica positiva
A
La struttura dell’atomo
Modello atomico di Thomson
Elettroni
Carica positiva distribuita
17106,6 m
e 17106,6 m
e
C/kg10 1,75882 11m
e
Attualmente misurato
Premio Nobel nel 1922
La struttura dell’atomo
Ernest Rutherford (1911) Diffusione di a su una lamina di Au
Ogni tanto le a colpivano qualche piccolo oggetto all’interno degli atomi e
venivano deflesse: all’interno dell’atomo doveva esserci un punto minuto e con
una certa massa il nucleo atomico.
Modello atomico di RutherfordElettroni
Carica positiva centrale: il nucleo atomico 10-14 m
La struttura dell’atomo
terra aria
Niels Bohr Modello atomico 1913
Ancora problemi irrisolti Equazione di Schrödinger (1926)
Premio Nobel nel 1922
Nel modello atomico di Bohr neutroni e
protoni occupano una regione centrale
molto densa chiamata nucleo, e gli
elettroni orbitano intorno al nucleo
come i pianeti intorno al Sole
Essi non sono confinati su orbite planari
come i pianeti del sistema solare
La struttura del nucleo atomico
terra aria
James Chadwick Scoperta del neutrone 1932
La materia è composta di protoni, neutroni ed elettroni
Premio Nobel nel 1935
La struttura dell’atomo
terra aria
400 a.C
La struttura del nucleo atomico
terra aria
Il nucleo rappresenta l'elemento centrale di un
atomo ed in esso risiede più del 99.9% della massa
dell'atomo stesso.
Il neutrone ed il protone pesano circa quanto 2000
elettroni.
Il nucleo atomico è estremamente piccolo e denso :
R ~ 10-14 cm (10 fm)
r ~ 100.000.000.000.000 g/cm3
I nucleoni sono fatti di quark
Atomo
Quanti nuclei conosciamo?
Attualmente circa 3300 nuclidi nel piano (N,Z)
diversi sono noti ma ne sono previsti esistere
altri 3000–4000
Nuclidi con lo stesso Z ma diverso N sono detti
ISOTOPI (corrispondono allo stesso elemento
chimico)
Nuclidi con lo stesso A sono detti ISOBARI
Nuclidi con lo stesso N sono detti ISOTONI
N
Z
ISOTOPI
ISOBARI
ISOTONI
Z = Numero atomico
N = Numero di neutroni
A = Numero di massa = N+Z
Interazioni radiazione materia
Interazione di particelle cariche con la materia
Una particella carica in un materiale perde energia con molti piccoli urti con gli
elettroni atomici continuando nella sua traiettoria fino a fermarsi
• Processo principale
─ interazione EM con gli elettroni del materiale attraversato
Ionizzazione degli atomi
Eccitazione degli atomi
Excitation Ionization
La perdita di energia di particelle cariche
DE
Dx
Curva di Bragg
)(2 IfA
Zz
dx
dE
Formula di Bethe-Block
Fisica atomica ed
effetti relativistici
Z
IC
I
Tcmz
A
ZK
dx
dE e
r ,
2
2ln
2
1 2
2
max
222
2
2
Medium Particella incidente
• Range : percorso medio nell’assorbitore
• Fluttuazioni statistiche (straggling)
nella distanza attraversata
in energia
Qualche esempio di applicazione
DE
Dx
Terapia medica contro i tumori
Adroterapia (con fasci di protoni e di C)
Centro di
protonterapia (TN)
Centro Nazionale di Adroterapia
Oncologica (PV)
CATANA
INFN-LNS (CT)
Interazione di e n con la materia
Effetto fotoelettrico Effetto Compton Produzione di coppie
I fotoni vengono rivelati indirettamente attraverso gli elettroni prodotti per:
I neutroni subiscono interazioni forti
con i nuclei dei materiali producendo
particelle secondarie cariche che ne
permettono la rivelazione indiretta:
n + 6Li a + 3He
n + 10B a + 7Li
n + 3He p + 3H
n + p n + p
Rivelatori di particelle:
concetti generali
I rivelatori di particelle
I rivelatori di particelle sono strumenti che producono un segnale osservabile
quando vengono colpiti da una particella. Sono solitamente costituiti da un
elemento attivo (con cui interagisce la radiazione) e da un sistema di lettura
(che forma il segnale e lo invia all’acquisizione dati)
Nella fisica sperimentale, un rivelatore di particelle o rivelatore di radiazione è
uno strumento usato per rivelare, tracciare e identificare particelle. (Wikipedia)
area
attivaelettronica di
lettura
I rivelatori di particelle
• Molto generalmente un
rivelatore può essere pensato
come un accumulatore di
energia elettrica.
• La molla è un accumulatore di
energia meccanica: se caricata
possiede un’energia potenziale
che si trasforma in energia
cinetica quando scatta.
• Analogamente possiamo pen-
sare un rivelatore come un
condensatore. Quando viene
attraversato da una particella
“scatta”, e il potenziale elettrico
si trasforma in segnale elettrico.
Principali caratteristiche di un rivelatore
• Sensibilità : capacità di produrre un segnale utile per un certo
tipo di radiazione ed energia
• Risposta : tipo di segnale prodotto. Tipicamente è un segnale
in corrente dove l’ampiezza è proporzionale alla
perdita di energia della particella
• Risoluzione : capacità di discriminare tra due misure di una
quantità fisica. Viene espressa in termini di
deviazione standard della distribuzione della
quantità misurata
• Efficienza : frazione delle particelle rivelate rispetto a quelle
incidenti
• Tempo morto: tempo di recupero del rivelatore per poter essere
ancora attivo dopo la rivelazione di una particella e la
formazione del segnale corrispondente
Il più vecchio rivelatore : l’occhio umano
• Parecchi miliardi
• Alta sensibilità ai fotoni ~ 2 eV (efficienza ~100%)
• Buona risoluzione spaziale ~ 100 mm
• Ampio range dinamico (1:105)
• Regolazione automatica della soglia
• Discriminazione in energia (lunghezza d’onda)
• Frequenze sopportabili ~ 10 Hz
(incl. processamento)
130 x106 fotorecettori
6x106 coni posti sulla retina
visione a colori ( 3 tipi LMS RGB)
120x106 bastoncelli visione
notturna o con scarsa illuminazione,
solo informazione in bianco/nero
2.4 eV 2.2 eV
La visione nell’occhio umano
La visione : un esperimento di diffusione di fotoni
• una sorgente luminosa fornisce i fotoni;
• i fotoni colpiscono l’oggetto di nostro interesse – alcuni vengono assorbiti, altri diffusi o
riflessi;
• alcuni dei fotoni diffusi/riflessi arrivano nel nostro occhio e vengono focalizzati sulla retina;
• i fotoni vengono rivelati da sensori nella retina;
• vengono convertiti in un segnale elettrico (impulso nervoso) e amplificati quando
necessario;
• trasmessi al cervello per il processamento e l’interpretazione.
Il nostro occhio è un rivelatore di fotoni
La visione nell’occhio umano
terra acqua aria
Gli occhi (rivelatori) vedono gli oggetti come risultato dell’interazione tra I fotoni
(sonde) e gli oggetti che ci circondano (bersagli).
Alcuni animali usano le onde sonore come sonde.
Ogni tipo di onda riflessa può essere usata per ottenere informazioni.
La macchina fotografica
Reflex non modificataReflex modificata
Rimozione filtro IR-cut
Nebulosa Crescent
Digital Single Lens Reflex (DSLR)
CMOS (Complementary
Metal Oxide Semiconductor)
Charged Coupled Device (CCD)
Vantaggi CCD Svantaggi CCD
• gamma dinamica superiore
• livello del rumore digitale molto basso (raffreddamento
con celle Peltier)
• elevata efficienza
• fattore di riempimento elevato
• tecnologia più matura (quasi raggiunta dal CMOS)
• consumo di energia elettrica
superiore
• nessuna integrazione sul chip
Un po’ di storia dei rivelatori
Lastra fotografica
Uso di lastre fotografiche come rivelatori
(AgBr; AgCl)
Rivelazione di fotoni / raggi X
W. C. Röntgen, 1895 Scoperta dei raggi X
+ Ottima risoluzione spaziale
+ Buon range dinamico
- Nessuna registrazione on-line
- Nessuna risoluzione temporale
Tubo a raggi catodici
Tubo di W. Crookes 1879 J.J. Thomson 1897
Tubo a raggi catodici
Vetri scintillanti (ZnS)Controllo del fascio mediante un
campo elettrico E e magnetico B
Rivelatore
Catodo Anodo
Acceleratore
Vecchi TV o monitor
Il contatore Geiger
H. Geiger 1909
Primo segnale elettrico da una particella !
segnale
Contatore Geiger-Müller
Camere a nebbia
C. T. R. Wilson 1912
The general procedure was to allow water to evaporate in an enclosed
container to the point of saturation and then lower the pressure, producing a
super-saturated volume of air. Then the passage of a charged particle would
condense the vapor into tiny droplets, producing a visible trail marking the
particle's path.
Qualche nozione di Fisica Nucleare
e metodologia di indagine
Alcuni tipi di reazioni nucleari
Fusione
Fissione
Reazioni di trasferimento
Eccitazione coulombiana
Strumenti di indagine
Il confronto con calcoli teorici permette di ottenere preziose
informazioni sull’evoluzione della reazione e sulla struttura
del nucleo:
Una reazione nucleare viene studiata misurando gli angoli e
le energie cinetiche dei prodotti della reazione
opportunamente identificati:
……… qualche dettaglio in più
DE (MeV)
PS (
a.u.
)
H He Li Be B
C
Elettronica
Meccanismo
Struttura e forma
++
++
+ --
-
--
Tecniche di identificazione
E (a.u.)
TO
F (
a.u
.)D
E (
a.u
.)
a
DE (MeV)
pdt
a
p
PS
(a.u
.)
H He Li Be B
C
DE (MeV)
DE-E
TOF
PSD
Start Stop
TOF = L/v
DE
E
L
Rivelatori a gas
Principio di funzionamento
Alimentatore
Misuratore di
corrente
Particella ionizzante catodo
anodo
+
–
Campo
elettricogas
Il rivelatore più semplice è costituito da due elettrodi immersi in un gas tra i
quali viene applicata una differenza di potenziale producendo un campo
elettrico (Camera a ionizzazione)
Una particella ionizzante che attraversa il rivelatore collide con le molecole
del gas e produce coppie di elettroni e ioni positivi
Il campo elettrico separa le cariche che muovendosi verso gli elettrodi
producono un segnale elettrico
Gli ioni positivi (cationi) vengono attratti dall’elettrodo negativo (catodo); gli
elettroni (anioni) da quello positivo (anodo)
Meccanismi di ionizzazione
─ Ionizzazione primaria
la particella carica che attraversa il gas estrae elettroni
─ Ionizzazione secondaria
gli elettroni estratti sono sufficientemente energetici da produrre successive
ionizzazioni in atomi adiacenti (Moltiplicazione a valanga)
─ Effetto Penning
l’atomo viene eccitato, ma in uno stato metastabile. La diseccitazione
avviene per urto con un atomo vicino, con emissione di un elettrone
Meccanismo attivo soprattutto nelle miscele gas nobili
Non tutta l’energia ceduta dalla particella va in ionizzazione
parte va in eccitazione
si calcola un potenziale di ionizzazione efficace (W) che misura l’energia
persa dalla particella per ogni coppia di ioni formata
sostanzialmente maggiore del potenziale di ionizzazione
Rivelatori a geometria cilindrica
• Il contenitore è costituito da un cilindro
metallico di acciaio o alluminio riempito
con gas
• L’anodo è costituito da un filo interno
centrale di tungsteno dorato
─ il tungsteno fornisce un’elevata
resistenza alla rottura del sottile
filo
─ l’oro fornisce una migliore conduci-
bilità e non si ossida
Il campo elettrico radiale E = k/r crea la
valanga nelle immediate vicinanze del
filo.
La carica finale può arrivare fino a 108
volte la carica iniziale. Tale valore si
chiama Guadagno de Rivelatore
αx
i
f eq
QG
x è il cammino dell’elettrone
α è il Coefficiente di Townsend
Elettrone primario
Anodo
Tipi di rivelatori a gas
• Tre tipi di rivelatori a gas di uso
comune:
Camere a ionizzazione (G=1)
Contatori proporzionali (G=104-
105)
Contatori Geiger-Mueller GM
• il tipo è determinato principalmente
dalla tensione applicata tra i due
elettrodi
• le camere a ionizzazione hanno un
ampio range di forme (piatti paralleli,
cilindri concentrici, ecc.)
• i contatori proporzionali e i contatori
GM devono avere un anodo a filo
centrale
Camere a ionizzazione
C AFG
particella
Camera a campo assiale Camera a campo trasverso
C
FGA
Window
Mylar 1.5 mm
E E
particella
Tecnica ΔE-ESpettroscopia della curva di Bragg
Informazioni: perdita di energia DE, energia totale E, numero atomico Z
Camere proporzionali a fili (MWPC)
Il principio è quello dei rivelatori a gas a geometria cilindrica
George Charpak, 1968
Premio Nobel 1992
• Ogni filo si comporta come un rivelatore
indipendente.
• Il segnale elettrico si forma sul filo più
vicino alla particella dando una
informazione sulla sua posizione.
dCA = 2 - 4 mm
filo = 10 - 20 mm
dfili = 1 – 4 mm
Informazioni: perdita di energia DE, posizione X e Y (angoli), tempo t (basse p)
Rivelatori a gas a microstrutture
F. Sauli, 1997
V ~ 300-500 V
E ~ 60-100 KV/cm
Guadagni nel gas~ 10-20 per foil
~ 103-104 o più alte in strutture triple di GEM
140 mm
mm
mm
mm Kapton
+ 2 x 5-18 mm Copper
Gaseous Electron Multiplier (GEM)
Rivelatori a microstrutture
Uno strato di micromesh supportato da
distanziatori isolanti (50-100 µm) sopra il piano
dell’anodo
Moltiplicazione (fino a 105 o più) si ottiene tra
l’anodo e la mesh e la carica viene raccolta sull’anodo
Utilizza la tecnica standard di fabbricazione delle
PCB, permette la fabbricazione di rivelatori di
grossa superficie con elettronica di lettura integrata
sugli elettrodi
Y. Giomataris, 1996
Ar + DME (Dimethyl
ether) miscele
Alti rate fino a 109/mm2s
Micro-MEsh GAseous Structure (MICROMEGAS)
Rivelatori a semiconduttore
Principio di funzionamento
L’ elemento attivo è un sottile strato di
semiconduttore drogato,
principalmente Silicio
(ma anche Ge, ZnCdTe, Diamante, SiC)
Una particella ionizzante che attraversa il
rivelatore collide con il materiale
semiconduttore e produce coppie di
elettroni (e–) e lacune positive (h+)
Il campo elettrico separa le cariche che
muovendosi verso gli elettrodi
producono un segnale elettrico
A differenza dei rivelatori a gas non c’è
moltiplicazione a valanga perché la carica
iniziale è già molto grande
La costruzione sfrutta la tecnologia di
realizzazione dei microchip elettronici
Proprietà dei semiconduttori
Conducibilità elettrica intermedia tra quella di un conduttore e quella di un isolante
Non rispettano la I legge di Ohm I V
Hanno in genere una notevole sensibilità alla luce
Hanno un coefficiente di temperatura negativo
R = r l/S
rt = r (1+at)
Proprietà del Silicio
I semiconduttori hanno una struttura atomica che li rende molto adatti per
la rivelazione di particelle:
• Eg = 1.12 eV
• E (e-lacuna) = 3.6 eV (~ 30 eV nei gas)
• alta densita` 2.33 g/cm3 DE/dx elevato
• la rigidità meccanica del silicio permette di costruire rivelatori che si
autosostengono
Banda di conduzione
Banda di valenzalacuna
elettrone
Eg = 1.12 eV
E
Si
Si
Si
Qualche dettaglio sul Silicio
3s2 3p2 3d
2s2 2p6
1s2
Configurazione elettronica
Legame covalenteSi
Si
Si
SiSi
- -
--
--
--
Si
SiSi
Si
Struttura del reticolo
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Drogaggio di tipo N
I droganti che provocano questo configurazione
(P, As, An) vengono chiamati “donatori”
Aggiungendo nel reticolo delle impurità pentavalenti il cristallo si arricchisce
di cariche libere negative (elettroni) e, per questo, viene chiamato di tipo N.
Complessivamente il sistema risulta
essere, dal punto di vista elettrico, neutro
1012 atomi/cm3Banda di conduzione
Banda di valenza
elettrone
Eg = 1.12 eV
E
Drogaggio di tipo P
Aggiungendo nel reticolo delle impurità trivalenti il cristallo si arricchisce di
lacune libere (buche) e, per questo, viene chiamato di tipo P.
I droganti che provocano questo configurazione
(B, Al, In, Ga) vengono chiamati “accettori”
1015 atomi/cm3
Complessivamente il sistema risulta
essere, dal punto di vista elettrico, neutro
Banda di conduzione
Banda di valenza
Eg = 1.12 eV
E
lacuna
Giunzione P-N
P
P N
++++++
------
N
++++++
------
Polarizzazione inversaPolarizzazione diretta
P N
++++++
------
+-+ -
Applicando un potenziale esterno Vp>Vn
(polarizzazione diretta), elettroni e lacune
si spostano verso la zona svuotata: La
zona svuotata si restringe!
Applicando un potenziale esterno Vn>Vp
(polarizzazione inversa), elettroni e
lacune si allontanano dalla zona
svuotata: La zona svuotata si allarga!
Giunzione P-N
Esempi di dispositivi elettronici
Diodo
P N
Transistor NPN
P
N
P
N
P
N
B
E
B
C
E
Transistor PNP
BC
E
BC
E
Costruiamo un rivelatore al Si
SiO2
N
Passivazione
B
As
Al
Al
Apertura di finestre
Impiantazione
Annealing
Metallizzazione del lato P
Rimozione dell’Al dall’ossido
Metallizzazione del lato N
Un rivelatore al Si in azione!
Applicazione di una
tensione inversa
P N
+-
La giunzione raggiunge le dimensioni dello
spessore del rivelatore
+ + +
- - -
Deposizione dell’energia della
particella nella zona svuotata
+++ -
--
+- +- +-
Gli e- migrano verso la zona di tipo N
mentre le h+ verso quella di tipo P
1 2 3 4
1
2
3
4
segnale
Ep
Rivelatori a strip
Segmentando il lato con drogaggio P è possibile ottenere la posizione X o Y di
passaggio della particella
Single Sided Strip Detector
Double Sided Strip Detector
Segmentando anche il lato con
drogaggio N è possibile ottenere la
posizione X e Y di passaggio della
particella
Informazioni: perdita di energia DE, energia E, posizione X e Y (angoli), tempo t
Rivelatori a pixel
Si ottengono segmentando il Si in una matrice di diodi A
LIC
E -
LH
C C
ER
N
Anche l’elettronica deve avere la
stessa geometria
Connessione diretta del rivelatore con
l’elettronica
Rivelatori al Ge
• Necessitano di raffreddamento Azoto liquido (-197° C)
• Ottima risoluzione energetica (2 – 3 keV)
• Spettroscopia
Spettri GALILEO
Schema livelli
isotopi Cr
Rivelatori a scintillazione
Rivelatori a scintillazione
La particella incidente perde tutta o parte della sua energia nello scintillatore cau-
sando l’eccitazione di un elettrone.
La successiva diseccitazione provoca l’emissione di un fotone nel visibile (luce
di scintillazione).
• Scintillatori inorganici (cristalli)
• Scintillatori organici (plastici o soluzioni liquide)
Non viene applicata alcuna tensione a questi tipi di
rivelatori.
Quindi gli scintillatori sono dei materiali (organici o
inorganici) che, quando vengono attraversati da una
particella carica, emettono luce in un tempo
brevissimo (< 10-7 sec) ed in quantità proporzionale
all’energia persa dalla particella nell’attraversarli.
Evoluzione del processo di riemissione
Scintillatori inorganici
Il meccanismo di scintillazione dipende dalla struttura del reticolo cristallino
L’aggiunta di impurezze (attivatori) cambia
localmente la struttura a bande degradando
l’energia della radiazione emessa (Stokes shift).
L'energia dei fotoni emessi è minore della
differenza in energia tra le due bande
trasparenti alla propria luce di scintillazione
(fluorescenza).
Band gap
Nei cristalli puri un elettrone portato in banda di
conduzione può emettere luce quando l’atomo si
diseccita processo poco efficiente
Band gap
Banda di conduzione
Banda di valenza
Banda di conduzione
Banda di valenza
Scintillatori inorganici
La risposta luminosa di uno scintillatore si misura in fotoelettroni per MeV
Il materiale più efficiente è NaI:Tl con circa 41.000 fotoni/MeV
La risposta luminosa può variare con la temperatura
Sono cristalli drogati con impurità (attivatori). In generale gli scintillatori
inorganici hanno una risposta di 2-3 ordini di grandezza più lenta dei cristalli
organici.
I tempi di emissione sono dell’ordine delle centinaia di ns, tranne che per i
nuovi cristalli come LaBr (grazie ai drogaggi)
Problema per molti cristalli inorganici: sensibili all’umidità (igroscopicità)
Vantaggi degli scintillatori inorganici:
• elevato potere frenante (elevata densità e alto numero atomico)
• le più alte uscite in luce (pertanto, risultano fra i più adatti alla rivelazione
dei raggi e degli elettroni e positroni di alta energia)
Scintillatori inorganici
Caratteristiche principali degli scintillatori organici
Informazioni: energia E, tempo t, tipo di particella
Scintillatori inorganici
Scintillatori organici
Sono molecole organiche complesse in cui si ha emissione di luce
nell’ultravioletto in seguito alla eccitazione di livelli vibrazionali molecolari.
All’interno del materiale si aggiungono sostanze per trasportare l’emissione nel
visibile (“wave shifter”).
non-
radiative
10-8-10-9 s
>10-4 s
Scintillatori organici
Quindi gli scintillatori inorganici sono dei materiali che, quando vengono attraversati da
una particella carica, emettono luce in tempi dell’ordine di qualche ns o decina di ns.
Informazioni: perdita di energia DE, energia E, tempo t, tipo di particella
Struttura di un rivelatore a scintillazione
La luce emessa da uno scintillatore viene trasportata attraverso una guida di luce ad
uno sensore detto fotomoltiplicatore, che genera un impulso elettrico le cui
caratteristiche dipendono dal segnale luminoso prodotto al suo ingresso. L’insieme
scintillatore - guida di luce - fotomotiplicatore costituisce un contatore a scintillazione.
In particolare l'intensità della luce di scintillazione è proporzionale all'energia persa
dalla particella ionizzante nello scintillatore; perciò questi rivelatori forniscono
informazioni sull'energia della particella..
La luce di scintillazione e` emessa
isotropicamente. Quindi solo una parte di
essa raggiunge direttamente la guida di luce; il
resto la raggiunge solo dopo un certo numero
di riflessioni. La luce che arriva al fotocatodo
e` percio` solo una frazione di quella emesssa.
Lo scintillatore viene generalmente accoppiato
otticamente ad una guida di luce che ha lo
scopo di raccordare una superficie dello
scintillatore con quella del fotomoltiplicatore.
Il fotomoltiplicatore
E’ racchiuso in un’ ampolla di vetro, che
contiene:
un fotocatodo: materiale semitrasparente
fotosensibile emette elettroni quando viene
colpito dalla luce di scintillazione;
un’ ottica di ingresso: un insieme di elettrodi
che convogliano gli elettroni emessi dal
fotocatodo sul primo dinodo;
i dinodi: serie di elettrodi a tensione
crescente capaci di provocare l’emissione di
altri elettroni, definiti per questo elettroni
secondari;
un anodo: l’ultimo elettrodo che raccoglie
tutti gli elettroni creati nelle emissioni
secondarie
Il fotomoltiplicatore
Il fotocatodo converte la luce incidente in elettroni (detti fotoelettroni) per
mezzo dell’effetto fotoelettrico. Per facilitare il passaggio di questa luce, il
materiale foto-sensibile è depositato in uno strato sottile all’interno del vetro (o
quarzo) della finestra di ingresso del fotomoltiplicatore
L’efficienza quantica e(l) e` il rapporto tra il numero di fotoelettroni rilasciati e il
numero di fotoni incidenti sul catodo e dipende dalla lunghezza d’onda l dei
fotoni incidenti.
La massima efficienza si ha nella maggior parte dei casi per lunghezza d’onda
l = 400 440 nm (luce blu) e vale circa e(l) = 10 30 %
Il materiale fotosensibile deve avere un’alta efficienza quantica. Nella maggior
parte dei casi si tratta di materiali semiconduttori formati con antimonio con
l’aggiunta di uno o piu` metalli alcalini (es. Cesio).
Altri fotorivelatori
Fotodiodo
Guadagno interno G = 1
Fotodiodi a valanga
Alta tensione, guadagno interno G ~ 100
Q.E. = Np.e./Nfotoni
La deposizione dell’energia di una particella
produce luce di scintillazione (luminescenza).
Altri fotorivelatori
Un SiPM consiste di una matrice di piccoli elementi sensibili di piccole dimensioni (o pixel)
tutti connessi in parallelo. Ogni micro-cella è un Geiger-Mode Avalanche Photodiode (GM-
APD) che lavora oltre la tensione di scarica e integra una resistenza per il suo quenching.
Vantaggi di un SiPM
APD che operano in Geiger-Mode possono
rivelare singoli fotoni
alti guadagni (nel range 105107)
basse tensioni di alimentazione ~ 50 V
basso consumo in potenza
insensibile a campi magnetici
resistente al danneggiamento da radiazione
basso costo
ma alti conteggi di fondo
SiPM vengono sempre più usati in applicazioni in sostituzione di
fotomoltiplicatori standard e APD
Silicon Photo-Multiplier
Ricadute tecnologiche dei rivelatori
Positron Electron Tomography (PET)
Si inietta un radiofarmaco nel
corpo del paziente e si rivelano i
fotoni emessi
Lo sviluppo sui rivelatori ha
contribuito a migliorare la
risoluzione delle immagini
Ricadute tecnologiche dei rivelatori
Positron Electron Tomography (PET)
La sostanza iniettata raggiunge l’organo
che si vuole visualizzare (cuore, cervello
etc…) dove emette positroni
l’annichilazione dei positroni con gli
elettroni presenti del corpo produce 2
emessi in direzione opposta
Migliaia di scintillatori BGO
Ricadute tecnologiche dei rivelatori
Per ricostruire immagini tridimen-
sionali sono necessari software di
ricostruzione molto sofisticati che
tengano conto dei fenomeni di
diffusione attenuazione falsi eventi.
Positron Electron Tomography (PET)
La PET oggi è molto diffusa e praticata grazie anche agli enormi progressi fatti nella
produzione di cristalli BGO a basso costo da parte degli esperimenti di fisica
A che cosa serve il drogaggio?
In un materiale intrinseco (non drogato) la densità electronica ne e
la densità delle buche nh sono uguali: ne = nh = ni
Una particella a emessa da una sorgente di 241Am (E = 5.486 MeV)
produce nel Si circa 1.5x106 coppie e-h.
In questo volume di Si abbiamo circa
4.5x108 portatori di carica liberi
Per il Silicio : ni ~ 1.45x1010 cm-3
1 cm
1 c
m
Ridurre il numero dei portatori di carica liberi
Svuotare il rivelatore
Polarizzazione inversa della giunzione PN
