Principi di Funzionamento dei Rivelatori a Scintillazione

sfruttano l’eccitazione prodotta dalle collisioni delleparticelle cariche nel loro passaggio attraverso la materia

diversamente da altri rivelatori di particelleil cui principio di funzionamento è invecebasato sulla ionizzazione

Un fotomoltiplicatore (PMT) raccoglie il debolesegnale luminoso, lo converte in un impulso di elettroni ed amplifica in una corrente elettricamisurabile successivamente analizzata dall’elettronica di acquisizione

gli scintillatori sono sempre accoppiati ad un PMT

la diseccitazione avviene con emissionedi luce mediante fluorescenza

OSS: i fotoni X e vengono rivelati indirettamente,mediante la rilevazione degli elettroni secondariprodotti per effetto fotoelettrico, Comptone produzione di coppie

L’eccitazione verso stati di energia superiore a S10 è seguita da una rapidissima transizione (nell’ordine del ps) non radiativa verso S10. Da questo livello le molecole si diseccitano verso lo stato fondamentale S00 o uno degli stati vibrazionali Si0 emettendo luce di fluorescenza.

piccola sovrapposizione

Scintillatori Organici

fluorescencedecay time ns

phosphorescencedecay time ms

3 – 4 eV

nell’ultravioletto

Il drogaggio del cristallo con impurità, chiamate attivatori, modifica la normale struttura a bande introducendo livelli energetici nella banda proibita

Un elettrone eccitato tornerebbe nella banda di valenzaemettendo un fotone di energia pari a quella della gap eperciò verrebbe riassorbito rapidamente.

un elettrone che migri nel cristallo(in quanto eccitato nella banda diconduzione) potrebbe rimanere intrappolatoin uno stato attivatore eccitato.

Per attivatori opportunamente scelti la diseccitazione da questi stati avviene con emissione di fotoni di luce

il processo richiede la configurazione energetica dei cristalli: per gli elettroni sono disponibili le bande divalenza e conduzione mentre è proibita la banda intermedia.

Scintillatori Inorganici

NB: gli scintillatori devono essere trasparenti alla lunghezza d’onda della luce emessa e questa deve essere accordata alla sensibilità del PMT.

OSS: L’eccitazione può essere considerata istantanea rispetto al decadimento per fluorescenza che avviene con tempi ~ 1-100 ns.

t0eII

L’intensità di florescenza decresce come

dove I0 =I(t=0).

Un tipico valore del coefficiente di emissione secondaria è =4.

Il coefficiente di emissione secondaria è legato ad Edalla relazione di proporzionalità:

dove varia tra 0.7 e 0.8 in funzione del materiale costituentei dinodi e della loro geometria.

1n

VE

Il fotone di luce attraversa una finestra di vetro incidendosu un catodo di metallo alcalino depositato sulla superficie interna del vetro. L’efficienza quantica di questo processo è tipicamente 20-25%

dall’anodo verso massa fluisceun impulso di carica negativa

Un partitore resistivo, trai cui estremi è connessa unasingola sorgente di alto voltaggio in continua, fornisce ai dinodi una tensione progressivamente crescente fino all’anodo.

Tipicamente i PMT vengono alimentati con una tensione V=1.5-2 kV epresentano una catena di n=8-12 dinodi tra i quali viene stabilita una

d.d.p. E=100-150 V ottenuta dalla partizione .

La d.d.p. tra il fotocatodo ed il primo dinodo è in realtà maggiore diE per un fattore pari a qualche unità in modo da migliorare l’efficienzadi raccolta.

1n

VE

Funzionamento di un PMT

ES: per ogni elettrone emesso dal catodo, l’anodo di un PMTcon 10 dinodi raccoglie circa 410 106 elettroni.

In generale per il guadagno G di un PMT, cioè per il rapporto trala corrente elettrica in uscita dall’anodo e quella fotoelettrica inuscita dal catodo, vale la relazione

nnn

1n

VEG

varia tra 6 e 10

V ed E devono essere molto stabili

Circuito di alimentazione con polarità negativa

negli ultimi step della catena sonoinseriti condensatori stabilizzanti

prevengono variazioni di E quando la corrente interna del PMT diventaconfrontabile con quella che attraversale resistenze del partitore

l’alta tensione negativa e costante è applicata al catodo

Funzionamento di un PMT

può avvenire in

modalità analogica

modalità digitale

dall’anodo proviene un treno di impulsi

quando l’intervallo tra gli impulsi è più stretto dellalarghezza dei singoli impulsi o il circuito di analisi delsegnale non è sufficientemente veloce, viene acquisitauna corrente continua con fluttuazioni di rumore

conteggio fotonico

per un rate di irradiazione sufficientemente bassodall’anodo provengono impulsi discreti in numero a quello dei fotoni incidenti

vengono acquisiti come distinti l’uno dall’altro

t

RC

t

eeRC

RQ)t(V

RClog

RC

RCtmax

C = capacità equivalente dell’anodo, del cavo e del circuito di acquisizione

t0ei)t(i

ipotesi semplificatrici: dall’anodo proviene una corrente i(t) positiva

se il tempo di transito nel PMT è piccolo rispetto al tempo di decadimento , tale corrente è ben rappresentata dalla decrescita esponenziale

0

0idt)t(iQL’integrale rappresenta la carica prodotta da una singola particella ionizzante (o quanto diradiazione) ed è direttamente legata all’energia di tale particella

è disegnato per operare in modalità impulsoSistema di acquisizione

prevede innanzitutto la trasformazione dell’impulso di corrente proveniente dall’anodo in uno di tensione

tale elettrodo vene collegato attraverso la resistenzadi carico R ad una tensione costante coincidente con lamassa nel caso di alimentazione negativa del PMT

NB: Il funzionamento dei rivelatori in modalità impulsoconsente di ottenere informazioni sull’energia liberata negli eventi di interazione e sul loro rate di accadimento

)texp(1RC

texp

C

Q

tRC

11exp1

RC

texp

C

Q)t(V

Costante di tempo dell’anodo lunga: RC >>

salita determinata dalla costantedi tempo dello scintillatore

)texp(1C

Q)t(V

t

discesa determinato dallacostante di tempo del circuito di carico

)RCtexp(C

Q)t(V

RCt

La condizione RC >> è adottata quasi sempreperché massimizza l’altezza degli impulsi

- RC= 5-10 e comunque non troppo lunga per prevenire sovrapposizione tra impulsi successivi; - si mantiene C al valore minimo in modo da massimizzare Q/C.

generalmente

Forma dell’impulso di tensione

C

Q

RC1

C

Q

RClogexp1

RClog

RCexp

C

QV

RClogt maxmax

)RCt(exp1t

expRQ

t1

RC

1exp1

texp

RQ)t(V

rispetto al caso precedente dell’impulso sono molto ridotte la durata

l’ampiezza

Costante di tempo dell’anodo corta: RC <<

RQRC1

RQ

RClogexp1

RClog

RCexp

RQV

RClogRCt maxmax

salita determinata dalla costante di tempo del circuito di carico

RQ

)RCtexp(1RQ

)t(V

RCt

)texp(RQ

)t(V

t

discesa uguale a quella della luce emessa dallo scintillatore

plastic scintillator

inorganic crystal, NaI

10 ns / division

5 s / division

longer time scale forfluorescence to occur

Per ogni particella rivelata dallo scintillatore, in ingresso al circuito di acquisizione è Vmax~ mV

Esempio di calcolo: su un cristallo scintillatore di NaI(Tl) incidono fotoni di 0.5 MeV. Lo scintillatore è connesso ad un PMT con efficienza di conteggio CE=15 % e guadagno G=106. L’anodo è chiuso su una resistenza di carico R=50 .

4104MeV

emessifotoninumero

964 1031015.05.0104 L’anodo raccoglie elettroni per una carica complessiva C105C106.1103Q 10199

Si può assumere RC=10=2.3 s

Vm10s103.2

50C105

C

QV

6

10

max

Per l’NAI(Tl):

s23.0

PreamplifierVmax~ mV AmplifierVmax~ 100 mV Vmax~ V

entrambi modificano inoltrela forma dell’impulso

Successivo stadio di elaborazione per un rivelatore di particelle

in modalità impulso DISCRIMINATORE D’ALTEZZA

produce in uscita un impulso logico

può essere

integrale: elimina il rumore selezionando gli impulsi di ampiezza superiore ad una soglia prefissata

a finestra: seleziona gli impulsi di ampiezza compresa tra un Lower ed un Upper Level prefissati

Single ChannelAnalyzer (SCA)

può essere usato nei CONTATORE DI IMPULSI

Si può ricostruire la distribuzione in ampiezza

degli impulsi ( SPETTROMETRO)con una serie di SCA settati su finestre strettee successive oppure con un

Analog-to-Digitale Converter (ADC) trasforma l’impulso in un numeroproporzionale alla sua ampiezza

Analisi Altezza dell’Impulso può seguire due vie:

Multi ChannelAnalyzer (MCA)

consiste di un convertitore analogico digitale, di un controllo logico, memoria e display

Single ChannelAnalyzer (SCA)

Counter

Ratemeter