Rivelatori a scintillazione

Principio di funzionamento

Passaggio di radiazione attraverso materiale scintillante → eccitazione di atomi e molecole del materiale con emissione di luce Raccolta e trasmessa (direttamente o via una guida di luce) ad un fotorivelatore(fotomoltiplicatore PMT o fotodiodo )Convertita in corrente elettrica analizzata da un sistema elettronico

Passaggi fondamentali

Quanto incide nello scintillatore, deposita tutta o parte della propria energia• “efficienza di rivelazione” (sezione d’urto)

Gli stati eccitati nello scintillatore emettono UV o luce visibile e ritornano allo stato fondamentale. I fotoni di scintillazione vengono emessi in tutte le direzioni.• “efficienza di scintillazione” (fotoni/MeV)

Passaggi fondamentali I fotoni di scintillazione vengono riflessi e diffusifino ad assorbimento o fuga dallo scintillatore. • “efficienza di raccolta della luce”

Una frazione di fotoni di scintillazione raggiunge ilfotorivelatore e viene convertita in carica elettrica. • “efficienza quantica” (elettrone/fotone)

Diagramma

Scintillatore idealeAlta efficienza di rivelazione (alto Z per i gamma/X)

Alta efficienza di scintillazione

Il rendimento in luce deve essere proporzionale all’energia depositata.

Il materiale deve essere trasparente alla lunghezza d’onda della propria emissione

La lunghezza d’onda della luce emessa deve essere in accordo con la sensibilita’ del fotorivelatore

Il tempo di decadimento della luminescenza indotta deve essere breve in modo da avere rapidi segnali impulsivi.

Il suo indice di rifrazione deve essere il più possibile vicino a quello del vetro (n= 1.5) per permettere una efficiente trasmissione della luce di scintillazione al fotocatodo.

Tipi di scintillatori

ORGANICI (amorfi)• Organici puri (antracene)• Plastici (polyviniltoluene+fluoro)• Liquidi• Caricati (Sn, Pp per rivelazione X/gamma)INORGANICI• Puri (CsF, NaI, CsI, BaF2, Bi4 Ge3, O12)• Attivati (NaI (Tl), CsI(Tl), Lu2Si5(Ce))ALTRi• Vetri• Gas nobili (He, Ar, Xe)

Processo di Scintillazione

Luminescenza: assorbimento di energia in una sostanza e sua riemissione sotto forma di radiazione nel visibile a seguito di un processo iniziale di eccitazione dovuto a luce, sollecitazione meccanica, reazione chimica, riscaldamento

La scintillazione è il processo di emissione luminosa che accompagna l’interazione di una radiazione con la sostanza scintillante e trae la sua origine dalle eccitazioni e dalle ionizzazioni prodotte

Fluorescenza: emissione luminosa che avviene durante l’eccitazione o entro un intervallo temporale dell’ordine di 10-8 s (pronta o ritardata)Fosforescenza: emissione che avviene dopo che l’eccitazione è cessata (ms)

Scintillatori organiciNei materiali scintillanti organici (idrocarburi aromatici) il meccanismo di scintillazione dipende dai livellienergetici degli elettroni di valenza associati allemolecole.

S= singoletto (spin=0)T= tripletto (spin=1)S0 S1 radiazione ionizzante (<1 ns)S0 |T1 proibita, spin flip proibitoS1 S0 (fluorescenza veloce)S1 T1 (danno o processi termicilenti)T1 S0 fluorescenza lenta

• (fosforescenza)

Spettro di emissione-assorbimento

I fotoni emessi hanno una lunghezza d’ondamaggiore (minore energia) dei fotoniassorbiti

Luce UV è facilmente assorbita nella maggior parte dei materiali organici →aggiunta di secondo materiale fluorescente in cui questa luce èconvertita in luce visibile: wavelengthshifter

Scintillatori inorganici attivatiNei materiali inorganici il meccanismo di scintillazione dipende dagli stati energetici determinati dal reticolo cristallino del materiale.Piccole quantità di impurità sono generalmente aggiunte agli scintillatori inorganici, e ne modificano la struttura a bande.

DecadimentoScintillatori inorganici attivati decadono lentamente a causa

delle transizioni “proibite” allo stato fondamentale

Materiali

Densità

(g /cm3)

Lungh. di atten. (2)1/µ(cm)

Resa Luminosa(Fotoni/ MeV)

CostantePrinc.Decad.

(ns)

IndiceRifrazion(*)

Lungh.d'onda di maxemissione

(nm)

Resa luminosaRelativa (1) allo NaI (%)

BaF2 4.88 2.29 100001800

6300.8

1.501.54

310220

165

BGO 7.13 1.11 8200 300 2.15 480 15-20

CaF2(Eu) 3.81 3.72 19000 940 1.40 435 50

CaW O4 6.10 1.50 6000 6000 1.92 430 16

CeF3 6.16 1.77 4200 27 1.62 340 3

CsF 4.64 2.69 2500 3 1.48 390 5-7

CsI 4.51 2.43 2300 16 1.79 315 4-6

CsI (3) 4.51 2.43 126500 600 1.79 400 220

CsI(Na) 4.51 2.43 39000 630 1.79 420 85

CsI(Tl) 4.51 2.43 52000 1000 1.79 550 45

LiI(Eu) 4.08 2.73 11000 1400 1.96 470 35

NaI (3) 3.67 3.05 76000 60 1.85 303 200

NaI(Tl) 3.67 3.05 38000 230 1.85 415 100

TABELLA CON LE PRINCIPALI CARATTERISTICHE DEI CRISTALLI A SCINTILLAZIONE

Raccolta della luce

La luce di scintillazione è emessa in modo isotropo:una piccola frazione di essa è diretta verso la superficie di

contatto col fototubo.la parte rimanente, per poter essere raccolta, deve essere

riflessa una o più volte da parte delle altre superfici del cristallo.

Situazioni all’interfaccia di due mezzi ottici diversi (n0>n1). Il raggio può uscire, mentre il viene riflesso.

θ > θc riflessione totaleθ < θc riflessione e trasmissione parziale attraverso la superficieθ ∼ θc frazione riflessa pari a pochi percento

n1<n0

0

11n

nsinc

−=θ

Raccolta della luce

L’indice di rifrazione degli scintillatori plastici, liquidi e vetrosi è normalmente molto prossimo a quello del vetro del fototubo (n~1.5). Un buon accoppiamento si ottiene interponendo tra cristallo e fototubo una sostanza fluida con pari indice di rifrazione (es. olio di silicone ).

Scintillatore ideale :• riflessione totale interna alle superfici• riflessione totale interna minima sulla faccia rivolta

verso il fototubo (per evitare l’effetto di “intrappolamento” della luce all’interno del cristallo). La luce deve trovarsi entro il cono di fuga θ < θC

Riflessione della luce alla superficie: a) angolo d’incidenza > θc ;b) angolo d’incidenza < θc ; c) riflettore speculare (foglio di alluminio); d) riflettore diffuso (superficie “diffusa” ricoperta da un riflettore, es:MgO).

n1= superficie lucidata

n2= mezzo trasparent3

Risoluzione energetica

Le condizioni di raccolta della luce influiscono sulla risoluzione energetica di uno scintillatore in due distinte maniere:

La prima riguarda il peggioramento della risposta che si verifica quando si riduce il numero di fotoni che contribuiscono all’impulso.

La seconda concerne l’uniformità della raccolta di luce che influisce sulla variazione dell’ampiezza del segnale in relazione alla posizione nella quale ha luogo l’interazione. Il caso ideale si ha quando tutti gli eventi che depositano la stessa energia in un punto qualunque dello scintillatore producono la stessa ampiezza media di impulsi di carica.

ScintillationCrystals

Position-Sensitive

Photodetector

LIGHT SHARING CRYSTAL OPTICALLY ISOLATED CRYSTALS PSEUDO-OPTICALLY ISOLATED CRYSTALS

RES0LUTIONFUNCTIONS

Montaggio dei cristalliIl montaggio fisico dei cristalli e l’accoppiamento col tubo fotomoltiplicatore rivestono particolare importanza.

Lo scintillatore viene incapsulato per motivi di protezione meccanica e per protezione dalla luce ambientale; inoltre, come nel caso dello NaI(Tl) che presenta forte igroscopicità, esso va sigillato ermeticamente. La figura mostra un cristallo NaI(Tl) sigillato, rivestito da uno strato riflettente di MgO e provvisto di una finestra di vetro per la trasmissione della luce al fotocatodo.

Sia il rivestimento in alluminio che il riflettore in α-allumina hanno spessore minimizzato per prevenire la formazione di elettroni secondari e il degrado dello spettro gamma in esame all’interno dell’involucro.

FotomoltiplicatoriConvertono i segnali luminosi estremamente deboli prodotti dal materiale scintillante in segnali elettrici.

Struttura semplificata di un fototubo:

strato fotosensibile: fotocatodo

sistema di moltiplicazione elettronica

anodo di raccolta della carica elettrica

Il processo di emissione fotoelettrica

assorbimento del fotone incidentetrasferimento dell’energia ad un elettrone del mezzo fotoemissivo (luce blu →3eV)migrazione dell’elettrone verso la superficie del fotocatodo(dispersione di energia in collisioni con elettroni)allontanamento dell’elettrone dal fotocatodo (è necessario un valore minimo di energia per superare la barriera di potenziale che esiste all’interfaccia tra il mezzo e il vuoto: 3÷4 eV per molti metalli; 1.5÷2 eV per semiconduttori appositamente studiati).

Il processo di emissione termoionicaEnergia Cinetica Termica degli elettroni di conduzione del fotocatodo (T=25°C):

Ec∼ 0.025 eV (valore medio)

Segnale spontaneo di origine termicaGli elettroni di conduzione con energie superiori alla barriera di potenziale che si trovano in prossimità della superficie possono allontanarsi dal fotocatodo.

Nei metalli: 100 elettroni m-2 s-1 (elevata barriera di potenziale)Nei semiconduttori: 106÷108 elettroni m-2 s-1.

La maggiore sensibilità alla luce è raggiunta solo a prezzo di una maggiore emissione di origine termica.

Efficienza quantica del fotocatodo

incidenti luminosi fotoni di numeroemessi onifotoelettr di numeroEq =

Fotocatodoideale:Eq =100%

Fotocatodoreale:Eq è funzione

di λ della luce incidente

NaI(Tl) BGO

Cut-off alla lunghezzaD’onda del rosso(funzione lavoro ~ 1 eV)

Sensibilita’ spettrale

Spettri di emissione di alcuni scintillatori inorganici e curve di risposta di due tipi di fotocatodo di largo uso

Emissione elettronica secondariaGli elettroni emessi dal fotocatodo vengono accelerati da un apposito campo elettrico e colpiscono la superficie dell’elettrodo acceleratore, detto dinodo.

Segue l’emissione di più di un elettrone dalla superficie del dinodo.

Ec ∼ 1 eV energia cinetica Dei fotoelettroni uscenti dalfotocatodoEg ∼ 2÷3 eV energia del Band-gap del dinodo

Necessario accelerare i fotelettroni con ddp

Guadagno dei PMTAmplificazioni dell’ordine di 106 nei tubi fotomoltiplicatori comportano l’utilizzo di molti stadi dinodici. Gli elettroni che lasciano il fotocatodo vengono attirati sul primo dinodo e producono in media δ elettroni secondari. Se N è il numero degli stadi della sezione di moltiplicazione, il guadagno totale del fototubo sarà:

dove α rappresenta la frazione di fotoelettroni emessi dal fotocatodo che viene raccolta dal primo dinodo. Valori tipici : δ = 5 ed α ≅ 1.

G= 106 si ottiene con 8÷9 stadi

NG δα =

Spettrometri a scintillazione

1. assorbimento di una particella nello scintillatore con produzione di eccitazioni e ionizzazioni;

2. conversione dell’energia dissipata in energia luminosa mediante il processo di luminescenza;

3. trasmissione dei fotoni verso il fotocatodo del fotomoltiplicatore;4. assorbimento dei fotoni al fotocatodo ed emissione di elettroni;5. moltiplicazione elettronica all’interno del fotomoltiplicatore;6. analisi dell’impulso di corrente in uscita dal fotomoltiplicatore con un’opportuna catena

elettronica

Funzione rispostaNaI molto utilizzato per alto numero atomico dello Iodio (Z = 53)• Alta efficienza di rivelazione• Alta photofraction

Alta resa luminosa e “breve” tempo di decadimento• Preferibile a CsI e BGO • Migliore risoluzione energetica

Escape peak a meno 25 keVdal full energy peak

Risoluzione energetica al variareDell’energia incidente

Spettri

Risoluzione energeticaEnergia spesa nel rivelatore (efficienza di rivelazione)Efficienza di scintillazione ΨEfficienza di raccolta della luce ε Efficienza quantica del fotocatodo (QE)Uniformita’ nella raccolta, nel guadagno del fototubo, drift del guadagno, nonlinearita’ nella luce prodotta

NaI(Tl)

0

2.35FWHMRH N

= =

N numero di elettroni prodotti al fotocatodo Scintillatore= 20000 fotoni

Fotocatodo= 15000 fotoni

Primo dinodo= 3000 fotoelettroni

Anodo = 3 x 109 elettroni

Gamma 511 keV

Fwhm = 4%

N= E QE ε Ψ

E energia dei gamma incidenti

Spettri misurati e calcolati

BGO

NaI(Tl)

Confronto spettro sperimentaleSpettro Monte Carlo

Risoluzione energeticaLa risoluzione energetica viene riportata di solitoall’energia di riferimento del Cs137 (662 keV)Rivelatori NaI di buona qualita’ accoppiati aimoderni PM presentano RE 6-7 % a 662keV

lnR = lnK – ½ ln E

Linearita’L’efficienza di scintillazione o quantita’ di energiagenerata per unita’ di energia persa (dL/dE) dipende dal tipo di particella interagente e dall’energiaPer NaI e fotoni la risposta e’ “abbastanza” lineareNecessaria una calibrazione

Una stima dell’efficienza di uno scintillatore per raggi g può essere fatta calcolando la frazione di g assorbiti nell’interazione con lo scintillatore. Si assume che tutti i processi di assorbimento all’interno del cristallo, indipendentemente dalla loro natura, siano riassunti dal coefficiente di assorbimento totale µ il cui andamento in funzione dell’energia è riportato a fianco.

Per un fascio parallelo di gamma incidenti su uno strato di spessore d l’efficienza intrinseca è semplicemente:

Nel caso di una sorgente puntiforme posta sull’asse di uno scintillatore cilindrico, l’efficienza intrinseca può essere calcolata come:

dove Ω0 è l’angolo solido sotteso dal cristallo e misurato dal punto in cui è posta la sorgente.

de µε −−= 1

( )0

1 0

Ω

Ω−=

∫Ω

− de xµ

ε

Efficienza di un rivelatore ai raggi gamma

Efficienza di rivelazione

Cristalli prodotti in massa in forme e volumidefiniti• Cilindrico retto (diametro e altezza)• Cristallo a pozzetto (misure di attivita’)Dati tabulati efficienza• Efficienza assoluta• Efficienza intrinseca• Efficienza di picco• Photofraction (picco/totale)

Efficienza assoluta

Efficienza intrinseca

Photofraction e efficienza di picco

Efficienza intrinseca

Efficienza intrinseca in funzione dell’energia dei raggi γper distanze da 2 cm a ∞;(cristallo NaI(Tl) di dimensioni Φ 1 ½” x 1”)

Efficienza intrinseca in funzione dell’energia dei raggi γ per distanze da 0 a 1.5 cm; (cristallo NaI(Tl) di dimensioni Φ = 1 ½” x 1”)

Valori di ε calcolati per uno scintillatore cilindrico NaI(Tl) di dimensioni Φ = 1 ½” x 1”