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Radiation Monitoring Systems &Radiation Monitoring Systems & Waste Characterization

Lecture 2 - Scintillating DetectorsLecture 2 Scintillating Detectors

MASTER UNIVERSITARIO DI II˚ LIVELLO IN SCIENZE E TECNOLOGIE DEGLI IMPIANTI NUCLEARI

M.Taiuti

ScintillatoriScintillatori• Materiali che emettono luce quando colpiti da

una radiazione ionizzante– rivelatore più diffuso nella fisica nucleare e delle

alte energie– la luce di scintillazione viene trasformata in una

(debole) corrente elettrica accoppiando lo scintillatore ad un fotomoltiplicatoreun fotomoltiplicatore

– materiale scintillante (trasparente): • cristalli organici (plastica)• cristalli organici (plastica), • liquidi organici (idrocarburi),• cristalli inorganici, • gas e vetri

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ScintillatoriScintillatori• Quali informazioni fornisce uno scintillatore?

– Energia: in un certo intervallo e sopra una certa soglia lo scintillatore emette una quantità di luce linearmente proporzionale all'energia depositata p p g p→ calorimetria, spettroscopia

– Tempo: lo scintillatore ha un tempo di risposta e di recupero– Tempo: lo scintillatore ha un tempo di risposta e di recupero rapido che permette di misurare il tempo di passaggio di una particella nel materiale. Inoltre sopporta rate di segnale elevatielevati.→ time-of-flight, triggering

– Particle Id: in certi casi, l'impulso del segnale e' diverso per le diverse particelle che lo attraversano→ pulse shape discrimination→ pulse shape discrimination

Lecture 2 - Scintillating Detectors 3

La LuminescenzaLa Luminescenza• La luminescenza è la caratteristica di un materiale di

l ( i ibil l i l i i ) demettere luce (visibile o ultravioletto vicino) quando esposto ad una qualche forma di energia (luce, calore radiazione )calore, radiazione, ...)

• Il materiale scintillante assorbe energia (eccitazione di molecole o di un livello di un solido) in tempi moltodi molecole o di un livello di un solido) in tempi molto brevi rispetto al tempo di riemissione (diseccitazione) sotto forma di luce

• Fluorescenza: emissione contemporanea all'assorbimento (<10 ns) di interesse per gli

llscintillatori• Fosforescenza: emissione ritardata (ms - ore)


La LuminescenzaLa Luminescenza– più correttamente doppio esponenziale con costante di

tempo veloce (t ) e lenta (t )tempo veloce (tf) e lenta (ts)

– normalmente domina la componente veloce– alla base della pulse-shape discrimination

• Caratteristiche di un buon scintillatorelt ffi i di i i /l– alta efficienza di conversione energia/luce

– trasparenza alla luce emessa– emissione in un range spettrale consistente con la rispostaemissione in un range spettrale consistente con la risposta

spettrale dei fotorivelatori– costante di tempo veloce


Scintillatori organiciScintillatori organici• Composti da idrocarburi

i iCC CC

quasi sempre contenenti l'anello del benzeneScintillazione dovuta alla

CC CC

• Scintillazione dovuta alla transizione di elettroni di valenza liberi della molecola (elettroni delocalizzati

CCCC

valenza liberi della molecola (elettroni delocalizzati che occupano gli orbitali molecolari π)

• Le due componenti sono legate alle diverse forme di p gdiseccitazioni molecolare:– componente veloce: eccitazione molecolare ad uno stato che

d d (i ) i t t i t di h d d (i )decade (in ps) in uno stato intermedio che decade (in ns) nello stato fondamentale

– componente lenta: molecole eccitate che si diseccitano p(>100 ns) interagendo tra loro attraverso il reticolo (fononi)

Scintillatori organiciScintillatori organici• Il passaggio attraverso uno stato

i di i h ilintermedio, garantisce che il materiale sia trasparente alla radiazione luminosa finaleradiazione luminosa finale

• Al componente fluorescente• Al componente fluorescente primario si aggiunge solitamente una piccola quantità di un p qagente fluorescente secondario (wave-lenght-shifter) che ha il

d bcompito di assorbire e riemettere la radiazione luminosa ad una frequenzaluminosa ad una frequenza differente 7

Scintillatori organiciScintillatori organici• Cristalli organici

– Antracene (C H )• Veloci: ~ns (antracene ~30ns)• Affidabili ma risposta alla– Antracene (C14H10)

– Naftalene (C10H8)– Stilbene

Liquidi organici

• Affidabili ma risposta alla radiazione anisotropa

• Antracene ha il massimo light yield ~2 fotoni per 100 eV depositati• Liquidi organici

– soluzione liquida di uno o più scintillatori organici (qualche ‰) in un solvente organico

p p

• Veloci: 3-4 nsorganico– processo di scintillazione simile a quanto

detto prima ma anche il solvente gioca un ruolo importante nell'assorbimento e

Veloci: 3 4 ns• Molto sensibili alle impurezze nel

solvente e all'ossidazione (effetto sul light yield e sulla trasmissione p

trasferimento dell'energia primaria– il solvente agisce da wave-length-shifter

assorbendo la radiazione e i tt d l di λ

della luce)• Tossici e velenosi (benzine!)

riemettendola a diversa λ– scintillatori: PBD, PPO, (POPOP: wave

length shifter)sol enti X lene tol ene ben ene– solventi: Xylene, toluene, benzene ...


Scintillatori organiciScintillatori organici• Plastiche

i li idi i i

• Densità: 1.03 – 1.2 g/cm3

• Light yield: 1 fotone per 100 eV– come per i liquidi organici ma con un 'solvente' polimerizzato (plastica)

i till t i PBD PPO POPOP

• Light yield: 1 fotone per 100 eV depositati

• Veloci: tempi di decadimento td = 1-10 ns– scintillatori: PBD, PPO, POPOP

– solventi: Poliviniltoluene (PVT) Polistirene (PS) ...

td = 1 10 ns• Robusti, affidabili e relativamente

economici• Facilmente lavorabili

– i più utilizzati nella fisica nucleare e delle particelle

Facilmente lavorabili

• Invecchiamento se esposti alla luce (superficiale e bulk)• Invecchiamento se esposti alla luce (superficiale e bulk)• Lunghezza di attenuazione: non solo determinata dalle proprietà del

materiale ma anche dalla lavorazione e dalla geometria• Campi magnetici: effetti (non lineari) sul light yield• Campi magnetici: effetti (non lineari) sul light-yield• Danneggiamento da radiazione: peggioramento di light yield e

lunghezza di radiazione


La Trasmissione della LuceLa Trasmissione della Luce• La perdita della luce da uno scintillatore avviene in due

di dit tt l fi i l t limodi: per perdita attraverso le superfici laterali e per riassorbimento da parte dello scintillatore stesso

• Scintillatori di grandi dimensioni (>1m) risentono diScintillatori di grandi dimensioni (>1m) risentono di questo effetto

• La lunghezza di attenuazione λ dipende dalla geometria del rivelatore e dalla lavorazione delle superficiI data sheets riportano λ per un mezzo infinito (bulk) nel• I data sheets riportano λ per un mezzo infinito (bulk), nel caso specifico occorre simularlo o misurarlo


Legge di BirksLegge di Birks• La risposta di uno scintillatore dipende dall'energia

depositata e dal tipo di particelladepositata e dal tipo di particella

• All'aumentare dell'energia depositata la quantità di luce prodotta (per unità di energia) negliluce prodotta (per unità di energia) negli scintillatori plastici e liquidi diminuisce

• Per es., nello scintillatore plastico, una particella αdi E~100 MeV emette ~ 1/3 della luce prodotta da un elettrone di uguale energia

• La non linearità è legata ad un effetto di saturazione nella diseccitazione delle molecole

dE/dx: perdita di energia per ionizzazioneY0: Intensità luminosa a bassa densità di ionizzazione

Luce prodotta per unità di lunghezza

ionizzazionekB : parametro che lega la densità dei centri di ionizzazione a dE/dx (fit dei dati sperimentali)

12 Lecture 2 - Scintillating Detectors

Scintillatori InorganiciScintillatori Inorganici• Cristalli isolanti (tipicamente) alcalini contenenti una piccola

percentuale di impurità fluorescenti: NaI(Tl) CsI(Tl)percentuale di impurità fluorescenti: NaI(Tl), CsI(Tl)• Altri cristalli non-alcalini: BGO, BaF2, PbWO4

• Meccanismo di scintillazione legato alla struttura a bande genergetiche del cristallo

• Una particella ionizzante può:eccita e n elett one dalla banda di alen a a q ella di cond ione– eccitare un elettrone dalla banda di valenza a quella di conduzione

(creazione di lacuna/e liberi)– creare un eccitone, eccitando un elettrone in una banda

i di t t tt l b d di d iimmediatamente sotto la banda di conduzione– gli atomi presenti nel reticolo

possono essere ionizzati dalle l (lib d

c o n d u c t i o n b a n d

e l e c t r o ne x c i t o nb a n dlacune (libere o prodotte

dall'eccitone)– la luce di scintillazione viene

à

E gt r a p s

a c t i v a t i o nc e n t r e s( i m p u r i t i e s )

lum

ines

cens

e

quen

chin

g

s c i n t i l l a t i o n

exci

tatio

n

b a n d

emessa dalle impurità durante la diseccitazione 13

v a l e n c e b a n dh o l e

s c i n t i l l a t i o n( 2 0 0 - 6 0 0 n m )

Scintillatori InorganiciScintillatori Inorganici• Caratteristiche

– densità elevata: 4-8 g/cm3– densità elevata: 4-8 g/cm3

– Z elevato– alto output di luce: ~4 fotoni per 100 eV depositati

ottima risoluzione energetica anche a basse energie– ottima risoluzione energetica anche a basse energie

• Ideali per applicazioni dove è richiesto un elevato stopping power e/o alta efficienza di conversione e-/alta efficienza di conversione e-/γ– calorimetri elettromagnetici– rivelatori per γ

• Forte dipendenza dell’output di luce dalla temperatura

• Alcuni cristalli sono igroscopici


Più usato, alto yield di luce, emissione nel range dei gfotocatodi bialcalini ma molto igroscopico e difficile da lavorare

Alta densità, bassa X0, i i

Ha la componente fastmolto veloce

non igroscopico

Alta densità, ma basso output luminoso

Oltre ai cristalli 'classici' sono allo studio nuovi composti dell'ittrio e del lutezio quali YAP e LuAP (ottima linearità

tti i l ie ottima risoluzione energetica)

Il light output assoluto va poi considerato in relazione al fotorivelatore usato:

Npe/MeV = L QE Ng/MeV L: trasmissione, riflessione e geometria del cristalloNpe/MeV L QE Ng/MeV gQE : quantum efficiency del fotocatodoNg= light yieldN fotoelettroni misurati

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• Scintillatori GassosiGas nobili come xenon, krypton, argon, elio ... ad alta pressione o liquidi

A2*A

Acollision

excited molecule

de-excitation and dissociation

UV A*excitation

liquidiEccitazione dei singoli atomi con diseccitazione molto rapida (<1ns)Necessitano un wave-length-shifter (depositato sulle pareti del contenitore) per spostare l'emissione luminosa dall'UV al visibile

V t i till t

A

A+ A2+

A

e-

ionization

collisionwith g.s.atoms

ionizedmolecule

130nm (Ar)150nm (Kr)175nm (Xe)A2

*

recombination

Borosilicati attivati con cerioScarso light yieldOttima resistenza chimico/meccanica li rende adatti ad impieghi in situazioni estremeTempi di risposta di decine di ns

• Vetro scintillante e

Tempi di risposta di decine di nsLight yield: 20-30% dell'antracene

• Pulse shape discriminationMateriali scintillanti con

due costanti di tempoforte dipendenza delle costanti di tempo da dE/dx

Possibilità di identificare la particella dalla forma del segnale

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Guide di luceGuide di luce

UV light enters the WLS materialLight is transformed into longer wavelengthTotal internal reflection inside the

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Total internal reflection inside the WLS material

‘transport’ of the light to the photo detector

Fibre Ottichelight transport by total internal reflectionFibre Ottiche

• Optical Fibers typ. 25 μmθ

internal reflection

corepolystyrene

cladding(PMMA)n=1.49 n1

polystyrenen=1.59

t i ll 1

n2

– Minimize ncladding

– Ideal: n = 1 (air), but impossible due to surface imperfections

typically <1 mm

cladding

• Multi-clad fibers– Improved aperture

core

cladding(PMMA)n=1.49 25 μm

– Long(er) absorption length for visible

corepolystyrene

n=1.59

fluorinated t l ddiLong(er) absorption length for visible

light (> 10 m)1825 μm

outer claddingn=1.42

Fotomoltiplicatore (PMT)

4) F t l tt i l tt i 5) Elettrodo focalizzante

Fotomoltiplicatore (PMT)

4) Foto-elettroni elettroni (primari) espulsi con una certa probabilità (efficienza quantica) dal fotocatodo

9) Vuoto Il moto degli elettroni avviene nel vuoto spinto (~10-6 mb) in un contenitore di vetro

5) Elettrodo focalizzanteRaccoglie i foto elettroni accelerandoli

8) Pins Alimentazione ai 1) Luce incidente dinodi (ΔV) e raccolta del

segnale all'anodo

2) Finestra trasparente alla

7) Anodo Viene raccolta la carica finale amplificata

3) Fotocatodo Materiale fotoemissivo che colpito dalla luce emette elettroni per

radiazione luminosa che si vuole misurare(vetro o quarzo)

6) Elettrodi moltiplicanti (dinodi)Accelerano e moltiplicano gli elettroni secondari (amplificazione) grazie ad una ΔV e al materiale di cui sono fatti

effetto fotoelettrico

La Finestra di IngressoLa Finestra di Ingresso• Il materiale di cui è composta

determina il taglio in frequenza adetermina il taglio in frequenza a basse λ (UV)– vetro leggero (lime glass)– borosilicato (vetro duro)– vetro UV-trasparente– quarzo (fused silica)quarzo (fused silica)

• Dovrà essere trasparente e adatta al segnale che vogliamo misurare e al fotocatodo che si usa

• Esempi di distribuzione spettraleEsempi di distribuzione spettrale di emissione luminosa di alcuni scintillatori inorganici

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Il FotocatodoRadiant sensitivity + Materiale finestra

Il Fotocatodo• Sottile strato di materiale depositato sulla

finestra di ingresso (vetro o quarzo) Bialkali

• Per effetto foto-elettrico i fotoni ottici incidenti sul fotocatodo vengono trasformati in (foto-) elettroni

• La risposta di un PMT alla luce può essere fornita in diversi modi:

Bialkalia basso rumore

Te-Cs(Quarzo)

Bialkali(Quarzo)fornita in diversi modi:

• QE ~ 5 30%

Cs - I

(Quarzo)Ne

emessiEfficienza quantica (QE) =Ng

incidenti

• QE ~ 5 - 30%• dipende fortemente da λ incidente e dal

materiale di cui è fatto il fotocatodo• Tipicamente materiali alcalini con basso

potenziale di ionizzazione. Più comuni:potenziale di ionizzazione. Più comuni: Bialkali (SbKCs): buona risposta nel visibile (blu). Variazioni sul tema per aumentare la QE nel verde o nel rosso

124I prodottaRadiant sensitivity =

• Più comoda da misurare• Semplice relazione con QE

QE (%) =124

λ (nm)Radiant sensitivity(mA/W)

Radiant sensitivity =Potenza incidente

• Il fotocatodo si ossida facilmente → la

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• Il fotocatodo si ossida facilmente → la pressione parziale di O2 deve essere ancora minore (10-8 mbar)

Il Guadagno del PMTIl Guadagno del PMT• I foto-elettroni emessi dal catodo vengono

accelerati e raccolti sul primo dinodoaccelerati e raccolti sul primo dinodo

• I dinodi (metallici) sono mantenuti ad una differenza di potenziale (ΔV) edifferenza di potenziale (ΔV) e ricoperti di materiali bialkalini con un coefficiente di emissione secondaria d>1

• Il coefficiente d (tipicamente ~2-5) dipende dall'energia dell'elettrone incidente e quindi dalla ΔV applicata

• La tensione di alimentazione del PMT (~400-2500 V) viene divisa e distribuita ai dinodi attraverso un partitore di tensione (resistivo o p (capacitivo)


Il Guadagno del PMTIl Guadagno del PMT• Il guadagno di un PMT viene definito come il rapporto tra la corrente

all'anodo e la corrente al catodo:all anodo e la corrente al catodo:– K= costante che dipende dalle dimensioni del

PMT e geometria di raccolta– ΔV = diff. di potenziale tra i vari dinodi (può non G = dn =(K ΔV)n

essere costante) ~ 100-300V– n = Numero dinodi (10-14)– G ~ 104 - 107

ΔG/G = n ΔV/V

• Per n=10 una variazione dello 1% sulla alimentazione produce una variazione del 10% sul guadagno

• Il processo è statistico e quindi d fluttua secondo la statistica di Poisson (σ=√d)

• Le fluttuazioni sul numero di foto-elettroni (ed il guadagno del primo dinodo) dominano la statistica di raccolta e quindi la larghezza dello spettro finalespettro finale

Lecture 2 - Scintillating Detectors 23Q = G Npe (σQ /Q)2 = Npe

1d -1d

Il Partitore di TensioneIl Partitore di Tensione• La tensione di alimentazione del PMT (~400-2500V) viene divisa e distribuita ai

dinodi attraverso un partitore di tensione (resistivo o capacitivo)p ( p )

• Il PMT può essere alimentato positivamente (fotocatodo a massa e anodo a potenziale positivo) oppure negativamente (anodo a massa e fotocatodo apotenziale positivo) oppure negativamente (anodo a massa e fotocatodo a potenziale negativo)

• Vista l'estrema sensibilità del G rispetto a ΔV, occorre che l'alimentatore sia stabilizzato (<0.05%) e che la corrente di partitore sia » alla corrente dovuta agli elettroni emessi dai dinodi (che scorre in parallelo)

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Rumore del PMTRumore del PMT• Il fotocatodo può emettere elettroni per effetto

t i i ( t ) h i di ltermoionico (corrente oscura) anche in assenza di luce

• La corrente media è proporzionale alla temperatura• La corrente media è proporzionale alla temperatura variando da qualche nA a mA per i PMT più grandi

• Il processo è stocastico quindi la corrente fluttua (statistica di Poisson) causando un rumore non eliminabile ( bb d l d l PMT )(se non abbassando la temperatura del PMT )

Il rumore ha il suo massimo per l'emissione di un singolo• Il rumore ha il suo massimo per l'emissione di un singolo foto elettrone


Altre CaratteristicheAltre Caratteristiche• Risoluzione temporale

il t di t it d l l tt il f t t b (l l– il tempo di transito del segnale attraverso il fototubo (luce sul pc -segnale all'anodo) dipende dalle dimensioni del PMT e varia da qualche ns a qualche decina di ns (il PMT è un dispositivo veloce!)l fl tt i i d l t it ti (T it ti S d jitt ) è– le fluttuazioni del transit-time (Transit time Spread o jitter) è proporzionale a 1/ √Npe. Dipende dalle dimensioni del PMT, dalla zona di raccolta, dalla tensione applicata.

à• Linearità– misura il rapporto tra il numero di fotoni incidenti e la carica

raccolta all'anodo– nella realtà ci sono diversi fattori che possono pregiudicare la

linearità del PMT:• eccessiva corrente degli elettroni tra i dinodi,eccessiva corrente degli elettroni tra i dinodi, • variazione di tensione tra i dinodi, • drift del G


Altre CaratteristicheAltre Caratteristiche• Stabilità

– misura la stabilità del guadagno del PMT nel tempo– misura la stabilità del guadagno del PMT nel tempo– cause di non-stabilità sono:

• variazione della temperatura• cambio di G dovuto ad illuminazione costantecambio di G dovuto ad illuminazione costante• riaccensione dopo un lungo periodo di inattività

– per queste ragioni i PMT vanno alimentati per qualche giorno prima di poter essere utilizzati

• Sensibilità ai campi magnetici– la presenza di un campo magnetico (anche quello terrestre!) altera il

funzionamento di un PMT– l'efficienza di raccolta, il jitter ed il G ne sono alterati– se i PMT devono operare necessariamente all'interno di campi magnetici,

occorre schermarli con l'utilizzo di schermi magnetici (mu-metal, ferro dolce ...)

– schermi magnetici di ragionevoli spessori sono possibili per B~1-200 Gauss


Altre CaratteristicheAltre Caratteristiche

Plastic scintillator

10 nsec / division

Inorganic crystal, NaI

5000 nsec / division

28(Longer time scale forfluorescence to occur)

Esempi di PMTEsempi di PMT

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