RIVELATORIRivelatoriaionizzazioneScintillatoriSemiconduttoriCamerecongas

CerenkovTransitionradiation

CalorimetriaCalorimetrie.m.CalorimetriadroniciEAS

Compensazionenellacalori-metriaSpettrometrimagnetici.

Vedi anche (miniera di info): http://www.kip.uni-heidelberg.de/~coulon/Lectures/Detectors/Free_PDFs

RIVELATORIDispositiviadattiarivelareilpassaggiodelleparticelle.Classificazionedeirivelatori:

•  Ascintillazione•  Scaricaneigas•  Calorimetri•  Cherenkov•  Bolometri•  GEM(GasElectronMultiplier)•  …..

CaratteristichegeneralideiRivelatori

• Sensibilità: capacità di produrre un segnale utilizzabile per

un certo tipo di radiazione (d Risp./ d Soll.)

• Risposta del rivelatore: lineare o meno; digitale - analogica

• Risoluzione Energetica. Fattore di Fano:

• Funzione di risposta: R(E,E’)

• Tempo di risposta:

• Efficienza: =Eventi registrati/Eventi da registrare

• Tempo morto:

Riferimento: LEO «Technique for Nucl…» cap. 5

Risoluzione energetica

•  La misura di una energia vera E0 e’ distribuita in genere come una gaussiana con una larghezza finita

FWHM: DE/E •  Risoluzione migliora con il crescere dell’energia

•  Conto poissoniano: piu’ energia à piu’ scintillazione

•  Caso di assorbimento non totale •  (fluttuazioni, ogni ionizzazione e’ indipendente): •  R = 2.35 sqrt(J)/J = 2.35 sqrt(w/E)

•  Caso di assorbimento totale, non piu’ poissoniano. R = Rpoisssqrt(F) •  F = Fattore di Fano, in genere < 1 (migliore risoluzione)

Funzione di risposta •  Forma degli impulsi di risposta alla sollecitazione

(ionizzazione) •  Interazioni del segnale incidente (energia non tutta depositata,

trasformata in fotoni) •  Effetti di geometria/propagazione della luce •  Segnale deformato rispetto ad un picco gaussiano standard

•  Quindi risposta dipende da particella incidente e materiale (Z)

•  Siccome il segnale in uscita e’ la convoluzione di entrata e risposta, S si ottiene dallo spettro misurato invertendo R

•  “unfolding”

Tempo morto •  Tempo richiesto da un (elemento di) rivelatore per processare un evento

(e.g. passaggio di una particella) •  Non vediamo altri eventi se il rivelatore non e’ sensibile in questo

tempo •  Vediamo una deformazione del segnale iniziale (somma di segnali/

pile-up) se rimane sensibile •  In ogni caso, minimizzare il tempo morto (ovvero il tempo di risposta

del rivelatore) e’ importante

Rivelatori a scintillazione e PMT

Contatoriascintillazione

•  Ionizzazionemateria•  Diseccitazione•  Emissionediluce•  Rivelazionedellaluce

Vedi anche (miniera di info): http://www.kip.uni-heidelberg.de/~coulon/Lectures/Detectors/Free_PDFs

SCINTILLATORI

Imaterialiscintillantiusulmenteutilizzatinellarivelazionedellaradiazionesonodiduetipi

• Cristalliscintillantiinorganici

• Scintillatoriorganici

Ilmeccanismocheportaall’emissionedellaluceèdifferenteneiduetipidimateriale.

Meccanismoscintillazione•  Radiazioneattraversomaterialeeccitaatomi/molecole,

provocandoluceriemessaperdis-eccitazione.•  Inunbuonscintillatorequestalucenone’dellastessaenergia

necessariaari-eccitaregliatomiànonvieneriassorbitaesipropagaailimitidelvolume

•  Raccoltadafoto-moltiplicatori(PMT)etrasformatainsegnaleelettrico

•  Requisitiprincipali:linearita’conildE/dxerapidita’nellarisposta

•  2fenomeni:–  Fluorescenza=emissionerapidadiluce(<10-8s)–  Fosforescenza=statodiarrivopost-eccitazionemetastabileàulteriorerilasciodilucealunghitempi

N=Aexp(-t/tau1) + B(exp-t/tau2), tau2>>tau1

StokesshiftWhen a system (be it a molecule or atom) absorbs a photon, it gains energy and enters an excited state. One way for the system to relax is to emit a photon, thus losing its energy. When the emitted photon has less energy than the absorbed photon (i.e. larger wave length), this energy difference is the Stokes shift.

Stokes shift

TipidiScintillatoriInorganici

NaI(Tl) CsI(Tl) BaF---2 BGO LSO GSO YAP LuAP

Emissionpeak(nm) 410 565/420 310/220

480 420 440 360 365

LightYield(Nph/keV)

38 65 11/15 8.2 25 9 18 12

Decaytime(ns) 230 680/3000 600/0.8 300 40 400/60 27 17

Density(g/cm2) 3.7 4.5 4.9 7.1 7.4 6.7 5.4 8.4

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The density of lead tungstate is 8.3 g/cm3

ScintillatoriInorganici

ScintillatoriOrganici

• La radiazione incidente provoca una transizione ad un livello eccitato (qualche eV). • La molecola si diseccita con transizioni vibrazionali (dell’ordine 0.1 eV) • La diseccitazione avviene ad un’energia differente dell’eccitazione

•  (non va allo stato fondamentale) • Il materiale è quindi trasparente alle luce di fluorescenza

Linearita’:leggediBirks

dxdEn

dxdEkdxdEn

nB

0

0

1≅

+=

La linearita’ della risposta di uno scintillatore (proporzionalita’ diretta tra segnale emesso ed energia persa dalla particelle incidente) e’ parzialmente persa per fenomeni di quenching

e.g. parte della energia non e’ trasferita tra solvente e soluto (liquidi) per interferenze di altre molecole à attenuazione della fluorescenza

La legge che regola la risposta in numero di fotoni e’ la legge di Birks:

kB tiene in conto le non linearita’ dovute a Z, particella incidente, ecc. Particelle piu’ pesanti perdono piu’ energia per ionizzazione (minore 1/beta2).

Eccitano piu’ molecole -> piu’ quenching -> output di luce piu’ piccolo

€

dLdx

=n0dEdx

1+ kBdEdx

Formula di Birks

DipendenzadallatemperaturaResidua dipendenza della quantita’ di fotoni emessi anche dalla temperatura •  particolarmente vero per cristalli inorganici •  la temperatura modifica la densita’ di elettroni in

banda di conduzione

Efficienzaditrasformazioneinluce•  Efficienza=rapportotraenergiaincidenteedenergiatrasformatainfotoni

•  L’energiarilasciatanelloscintillatorevienetrasformatainradiazioneluminosatrail7%(scintillatoriinorganici)edil3%(scintillatoriorganici).

•  Tipicheefficienzetramoltopiccolee~10%:

Light yield Energy/photon

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High Z

Dallascintillazionealsegnaleelettrico..

•  Per“vedere”lascintillazioneequantificaredE/dxdellaparticellaincidente,bisogna“registrare”ifotonidiscintillazione

•  Quellochesifae’accoppiareloscintillatoreafoto-moltiplicatoriche:1.  raccolgonoifotonichesipropaganoailimitidelvolume

discintillatore2.  Estraggonoelettronipereffettofoto-elettrico3.  Liguidanoversostadidiaccelerazione(dinodi),

amplificandoneilnumero4.  Creanocosi’unsegnaleelettricoproporzionaleal

numerodifotoniincidenti(contaointegrazionedicarica)

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Fotocatodo•  Estrazionedielettronipereff.fotoelettrico•  Sez.d’urtoeff.F.E.dipendedahv,Z,ecc.

–  >NontuttiIfotoniproduconofoto-elettroni–  Lafrazionee’l’efficienzaquantistica(QE)–  Ilgioco:trovarelegheopportunetalicheQEsiamassimaalle

lunghezzed’ondadeifotoninelloscintillatoreamonte

Eγ<mec2 → σeff ∼ Z5Eγ-7/2 Eγ>mec2 → σeff ∼ Z5Eγ-1

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Quantum efficiency

RaccoltaluceversofotocatodoRiflessione interna: per angoli maggiore dell’angolo limite, la luce “rimbalza” sulla parete del mezzo

Questo fenomeno si puo’ sfruttare per guidare la luce in uscita dallo scintillatore verso il PMT Guide di luce sagomate per passare da volume dello scintillatore a cilindro-PMT

forme ottimizzate, ad esempio “fettucce”

FOTOMOLTIPLICATORE

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Segnalediunoscintillatore

Nota: cascata a stadi (dinodi) – possibilita’ di estrarre segnale “in parallelo” dopo m dinodi su N totali

Fattorididisturbo:campimagnetici•  Raccolta e propagazione elettroni guidata da linee di campo

elettrico •  Deviazioni dalla traiettoria ottimale comportano:

inefficienze (segnale elettrico ad anodo attenuato) peggiore risoluzione in carica e in tempo (segnale elettrico

ad anodo deformato) •  Se I PMT sono immersi in campo magnetico (e.g. in

esperimenti dove si vuole misurare impulso di particelle cariche via forza di Lorentz) e’ bene schermarli dal campo

•  Campi lungo l’asse del PMT hanno l’effetto minore sulle linee di campo (i.e. sulle prestazioni del PMT)

ScintillazioneOrdinidigrandezza

•  Perditadienergiainplastico:~2MeV/cm•  Efficienzadiscintillazione:~1γ/100eV•  Efficienzadiraccolta:~0.1•  Efficienzadelfotocatodo:~0.25

2 106 x 1/100 x 0.1 x 0.25 γ=500 γ/cm visti dal PMT

RumoreSegnali elettrici “spuri” (non da foto-elettroni) sono presenti, in genere in piccole intensita’, come ‘fondo’ •  “correnti oscure”: correnti di intensita’ (Eq. Richardson)

•  Dovute a rumore termico di catodo e dinodi o a correnti parassitiche (da alimentazione foto-tubo)

•  Ridurre la temperatura aiuta, ma non sempre si puo’..

•  After-pulse: residui di gas o materiali radioattivi nel tubo vengono ionizzati da foto-elettroni e, migrando, generano correnti ritardate (30-60 ns ritardo)

•  Non eliminabili, ma “calibrabili” e piccole

TempodiVolo(ToF)

Soglia

Correzione

Principio della correzione del tempo di volo in base all’ampiezza del segnale

Correggere effetti “geometrici” dovuti alla velocita’ Finita della particella incidente nello scintillatore -> Fotoni creati a tempi diversi

Varie

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ScintillatoriInorganiciMeccanismodiscintillazionedipendedallastrutturadelreticolocristallino

Neicristallipuriunelettroneportatoinbandadiconduzionepuòemetterelucequandol’atomosidiseccita(processopocoefficiente).

L’aggiuntadiimpurezze(attivatori)cambialocalmentelastrutturaabandedegradandol’energiadellaradiazioneemessa(Stokesshift)

Band Gap Band Gap