Principi di Funzionamento dei Rivelatori a Scintillazione sfruttano leccitazione prodotta dalle...
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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