Misure di test con scintillatori LaBr3

e semiconduttori al Germanio per la rivelazione dei raggi gamma

A cura di: Marco Visentin & Giacomo Mingardo

Tutori: Caterina Michelagnoli Jose Javier Valiente-Dobon

28/06/2011

Stage ai LNL 2011 tema B)

Di cosa parleremo:

● Introduzione: struttura dei nuclei atomici● Rivelazione dei raggi gamma (interazione

dei gamma con la materia)● Rivelatori a scintillazione: cosa sono e

come funzionano● Caratteristiche dei rivelatori di raggi

gamma● I rivelatori a semiconduttore (Ge)

Struttura del nucleo atomicoIn quanto sistema quantistico, il nucleo atomico si “fa osservare” in stati discreti, ciascuno caratterizzato da una determinata energia (momento angolare, parita`, vita media).

Una volta eccitato in uno stato a una certa energia, il nucleo decade attraverso gli stati intermedi, verso lo stato fondamentale, con l'emissione di quanti di radiazione gamma.

Interazione dei raggi gamma con la materia

- Effetto fotoelettrico (E < 100 keV): assorbimento di un fotone da parte di un elettrone legato, che in seguito viene espulso dal legame originario;

- Creazione di coppie (E > 1,02 MeV): ovvero la formazione di una coppia elettrone-positrone.

- Scattering Compton (E > 100 keV): collisione elastica tra un elettrone legato e un fotone.

E'=E/[(1+(E/mec2)(1-cos theta)]

(I valori dei energia sono indicativi)

Rivelare un raggio gamma = tradurre il suo arrivo in un segnale elettrico misurabile

Rivelatori di raggi gamma

Semiconduttori(Germanio)

Rivelatori a scintillazione

(LaBr3:Ce)

ScintillatoriGli scintillatori sono cristalli che traducono l'arrivo dei raggi gamma in luce visibile. Con la presenza di droganti nel reticolo cristallino, gli elettroni eccitati possono passare dalla banda di conduzione alla banda di valenza (stato fondamentale) attraverso diversi livelli intermedi con emissione di fotoni visibili. Con l'utilizzo di fotomoltiplicatori questi si traducono in segnale elettrico.

Componenti di un rivelatore a scintillazione: es. del LaBr3 1.5” x 1.5” da noi studiato

•

Divisore di tensione

Fotomoltiplicatore Scintillatore

Struttura di un fotomoltiplicatore:

Come si preleva e si tratta il segnale corrispondente alla rivelazione di un raggio gamma

Istogramma

Spettro di energia da una sorgente di Co-60

Picchi di piena energia (Co-60)

Fondo Compton

Attivita' interna

Backscattering

I “fattori di merito”- Risoluzione (FWHM/E);

- Efficienza assoluta e intrinseca (N fotoni rivelati/N fotoni emessi dalla sorgente e N fotoni rivelati/ fotoni incidenti sul rivelatore);

- Linearita' del guadagno in funzione dell'energia;

- Rapporto picco su fondo (Areapicco/Areafondo)

●

Analisi degli spettri gamma

Dal fit gaussiano di un picco nello spettro gamma si ottengono:-Centroide-Larghezza a metà altezza-Area

Centroide (E keV)

FWHM

Spettri analizzati per il testCs-137

Eu-152

Co-601173 keV 1332 keV

121 keV

244 keV

344 keV778 keV

1408 keV

661 keV

Passaggi principali dell'analisiPer diverse tensioni al fotomoltiplicatore: 1) Calibrazione lineare tra 344 keV e 1173 keV.

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 35000

200

400

600

800

1000

1200

1400

Calibrazione dello spettro

HV=-900VLinear Regression for HV=-900VHV=-750VLinear Regression for HV=-750VHV=-1050VLinear Regression for HV=-1050V

E (canali)

E (

keV

)

2)Valutazione della linearita' dei guadagni in funzione dell'energia

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

Variazione di linearita' dei guadagni

HV=-750VHV=-900VHV=-1050V

Energia [keV]

E le

tt -

E e

xp [k

eV

]

3) Valutazione della risoluzione in funzione dell'energia

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.1

Variazione della Risoluzione

HV=-750VHV=-900VHV=-1050V

Energia [keV]

Ris

olu

zio

ne

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000 Variazione dell'efficienza

HV=-750VHV=-1050VHV=-900V

Energia

Are

a/In

tens

i ta'

4) Valutazione dell'efficienza in funzione dell'energia

[keV]

Rivelatori al Germanio (Ge)

Foto del Dimostratore di AGATA

Esempio di spettro gamma conseguente a una reazione di fusione-evaporazione

Confronto spettri Cobalto-60

LaBr3 Ge

1 0 0 0 1 50 0 2 0 0 0 2 50 0 3 0 0 00

0 .0 5

0 .1

0 .1 5

0 .2

0 .2 5

0 .3

0 .3 5

0 .4

L in e a rita '

E n erg ia [keV]

E le

tt - E

ex p

[keV

]

Germanio

0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0 1 6 0 0­2

0

2

4

6

8

1 0

1 2

1 4

L in e a ri t a '

E n erg ia [keV ]

E le

tt - E

exp

[keV

]

LaBr3 (Ce) [-900 V]

Confronto tra Ge e LaBr3:1) Linearita'

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.1

Risoluzione E

Energia [keV]

Ris

olu

zio

ne

LaBr3 (Ce) [-900 V]Germanio

1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 28000.0012

0.0014

0.0016

0.0018

0.0020

0.0022

0.0024

0.0026

0.0028

Risoluzione E

Energia [keV]

Ris

olu

zio

ne

Confronto tra Ge e LaBr3:2) Risoluzione

Conclusioni

- Abbiamo determinato le condizioni ottimali di lavoro di un rivelatore a scintillazione LaBr3 confrontando i fattori di merito a diverse tensioni applicate al fototubo.

- In tali condizioni abbiamo confrontato i risultati con quelli di un rivelatore al Ge (cristalli di AGATA) conludendo che quest'ultimo ha miglior risoluzione e linearita'.

Spesso, pero', i rivelatori al LaBr3 forniscono un'informazione complementare a quella dei rivelatori al Ge prossimi esperimenti con AGATA