Rivelatori basati su scintillatori

Il passaggio di particelle/radiazioni produce in certi materiali (scintillatori) l’emissione di luce di scintillazione, che opportunamente raccolta, può dare informazioni sulle caratteristiche delle particelle che hanno interagito con il materiale.

Proprietà ideali di uno scintillatore

● Alta efficienza di scintillazione (conversione in luce dell’energia depositata con resa – fotoni/MeV - elevata)

● Resa in luce proporzionale all’energia depositata

● Spettro della luce di scintillazione adatto ad essere rivelato da opportuni fotosensori

● Trasparenza alla luce emessa (lunghezza di assorbimento elevata)

● Risposta veloce (tempi di decadimento piccoli)

● Indice di rifrazione simile a quello del vetro (1.5)

Esistono svariati tipi di scintillatori, ognuno dei quali presenta una o più di queste caratteristiche

Il processo di scintillazione

● Fluorescenza: emissione pronta di luce visibile da parte di atomi eccitati

● Fosforescenza: emissione di luce con tempi caratteristici più grandi, e spettro di emissione con lunghezze d’onda maggiori

● Fluorescenza ritardata: emissione con tempi caratteristici ancora maggiori ma lunghezze d’onda simili a quelle della fluorescenza

Tempi caratteristici:

Fluorescenza: 1-100 ns

Fosforescenza: ms - s

Tipologie di scintillatori

Esistono diverse categorie di scintillatori:

● Scintillatori organici (a base di C,H,O)

Cristalli organici puri

Liquidi organici

Scintillatori plastici

● Scintillatori inorganici

Cristalli inorganici

Scintillatori a vetro (SiO2 + altro)

Scintillatori a gas

Processo di scintillazione negli scintillatori organici

L’assorbimento di radiazione induce una transizione dallo stato S00 ad uno degli stati S1, S2, S3,..

Mediante conversione interna – senza radiazione – dagli stati S2, S3,.. si arriva a popolare lo stato S1.

La fluorescenza pronta è l’emissione corrispondente alla transizione dallo stato S1 a uno degli stati vibrazionali di S0

Spettri di emissione e assorbimento

Ogni materiale ha uno spettro caratteristico di emissione.

A causa della struttura dei livelli, spettro di assorbimento e spettro di emissione sono spostati, per cui il materiale è circa trasparente alla luce emessa da se stesso.

Un tipico spettro di emissione di uno scintillatore plastico

Processo di scintillazione negli scintillatori inorganici

Drogaggio con attivatori aventi livelli nella banda “proibita”

Spettri di emissione

Spettri di emissione tipici di alcuni scintillatori inorganici

Esempi di scintillatori inorganici

Risposta in luce

Solo una frazione della energia depositata in uno scintillatore è convertita in luce; il resto dà luogo a processi non radiativi.

Questa frazione dell’energia depositata è costante con l’energia e con il tipo di particella?

NO!

Ad esempio, per uno scintillatore plastico (NE-102) la risposta in luce per protoni è circa 10 volte minore che per gli elettroni.

Inoltre, la risposta in luce non è del tutto lineare con l’energia.

Relazione di Birks

dL/dx dE/dx

Risposta in luce Energia depositata

In assenza di effetti secondari (quenching) dovrebbe essere:

dL/dx = S dE/dx

Si assume comunemente (legge di Birks) che lungo una traccia con alta densità dE/dx diminuisca l’efficienza di scintillazione (quenching), a causa del danneggiamento delle molecole.

Questo porta ad una relazione:

KB = parametro ricavato dai dati dxdE

kB

dxdE

S

dx

dL

1

Risposta temporale

Il profilo temporale di un impulso di luce in uno scintillatore può avere tempi di salita e tempi di discesa tra i ns e le centinaia di ns, a seconda dello scintillatore.

Un segnale da uno scintillatore (LYSO). Base dei tempi: 50 ns

La raccolta della luce/1

La luce prodotta nello scintillatore lungo la traccia è emessa isotropicamente. Essa deve essere raccolta e misurata da un opportuno fotosensore.

La raccolta della luce/2

La luce prodotta nello scintillatore lungo la traccia è emessa isotropicamente. Essa deve essere raccolta e misurata da un opportuno fotosensore.

Fotosensore

Per fare questo lo scintillatore si riveste da tutti i lati (escluso il lato del fotosensore) di materiale riflettente.

I fotoni di scintillazione possono essere riflessi dalle pareti fino a raggiungere il fotosensore.

La raccolta della luce/3

Quali processi avvengono per i fotoni di scintillazione?

Fotosensore

Assorbimento nel materiale (Self-absorption)

I = I0 exp(-x/L), L=attenuation length

Assorbimento nelle pareti (parzialmente riflettenti)

Coefficiente di riflettività

La raccolta della luce/4

Esempio di riflessione “speculare”

Fotosensore

Alle pareti si può avere riflessione “diffusa” (ad esempio con uno strato bianco opaco di Teflon, vernice,…) oppure “speculare” (ad esempio con uno strato di alluminio sottile)

La raccolta della luce/4

La superficie inoltre può essere liscia o “rugosa”

Fotosensore

Un esercizio di simulazione

La risoluzione temporale in volumi grandi dipende anche dalla dispersione delle distanze percorse dai fotoni prima di arrivare al fotosensore.

Dato un volume 2D (un rettangolo), estrarre un punto a caso, uniformemente distribuito dentro l’area del rettangolo, una direzione casuale (tra 0 e 360°) e propagare un raggio luminoso (v=c) facendolo riflettere specularmente sulle pareti, finché non arriva sul fotosensore.

Calcolare in ciascun evento la lunghezza della traccia e costruirne la distribuzione.

Simulazioni “professionali”/1

Il fenomeno della raccolta della luce in scintillatori è oggetto di simulazioni professionali (esempio: codice GEANT4), che tengono conto di diversi fattori:

Simulazioni professionali/2

Ad esempio:

La riflettività da parte della superficie alluminizzata può essere considerata come dipendente dalla lunghezza d’onda, anziché costante.

Simulazioni professionali/3

Esempio: il trasporto dei fotoni ottici di scintillazione in uno scintillatore a forma di barra di grandi dimensioni (1 m)

Tipici risultati:

N. di fotoni capaci di arrivare ad una data distanza dal punto di emissione, per diverse condizioni della superficie

Guide di luce

Quando le dimensioni dello scintillatore non si adattano bene a quelle del fotosensore, si impiega una guida di luce (ad esempio in plexiglas)

Devono essere sagomate in modo da convogliare quanta più luce possibile da un’estremità all’altra.

La frazione di luce max raccolta è pari al rapporto delle superfici

F = Afotosensore / Ascintillatore

Scintillatore Guida di luceFotosensore

Fibre WLS

Una tecnica diversa, per raccogliere la luce di scintillazione in rivelatori lunghi, è quella di usare fibre WLS (WaveLenght Shifter), immerse nello scintillatore.

Esse assorbono la luce di scintillazione, la riemettono a lunghezze d’onda spostate (più adatte al tipo di fotosensore impiegato) e la trasportano come delle fibre ottiche, con bassa attenuazione.

Rivelatori basati su scintillatori

Rivelatori per la fisica nucleare e astroparticellare

Calorimetri elettromagnetici e adronici

Rivelatori per raggi cosmici

….

Rivelatori per la fisica applicata

Analisi elementale

X-ray fluorescent analysis

…..

Rivelatori per applicazioni mediche

Un esempio di applicazione: la PET

Tra i tanti esempi di impiego di scintillatori in campi diversi dalla fisica nucleare/particellare, la PET = Positron Emission Tomography

Sorgente di 22Na

(2 fotoni da 511 keV emessi a 180°)

Scint #1

Scint #2