I RIVELATORI A SCINTILLAZIONE
IDEA DI FONDO
ENERGIA DEPOSTA DA PARTICELLA IONIZZANTE ECCITAZIONE ATOMICA/MOLECOLARE
DISECCITAZIONE LAMPO DI LUCE (LUMINESCENZA)
GLI SCINTILLATORI SONO RIVELATORI A MULTI-USO
SPETTROSCOPIA
CALORIMETRI
TEMPO DI VOLO
SISTEMI DI TRIGGER
SISTEMI DI VETO
TRACCIANTI
DUE GRANDI CLASSI DI SCINTILLATORI
INORGANICI ORGANICI
Buona resa in luce, ma lenti Bassa resa in luce, ma veloci
MECCANISMO DI SCINTILLAZIONE
CRISTALLI INORGANICI (NaI, CsI, BGO…)
SPESSO 2 TEMPI CARATTERISTICI:
RICOMBINAZIONE VELOCE (ns-s)DAI CENTRI DI RICOMBINAZIONE
RICOMBINAZIONE RITARDATA (100 ms)DOVUTA AI CENTRI DI INTRAPPOLAMENTO
L’ALTA DENSITA’ E L’ALTO Z LI RENDE ADATTI ALLA RIVELAZIONE DI PARTICELLE CARICHE O
MECCANISMO DI SCINTILLAZIONE
SCINTILLATORI ORGANICI
MONOCRISTALLI ORGANICI (antracene, stilbene…)
SCINTILLATORI LIQUIDI O PLASTICIComposti da un solvente nel quale e’ disciolto lo scintillatoreA volte presenza anche di WAVELENGHT SHIFTERS
TEMPI DI EMISSIONE MOLTO BREVI (1-5 ns)IDEALI PER MISURE TEMPORALI MOLTO PRECISE
MOLTO ECONOMICI
BASSO Z MA ALTO CONTENUTO DI H
La scintillazione si basasugli elettroni dei 2 orbitali dei legami C-C
MOLECOLE DI TIPO AROMATICO
Luce emessa nell’ ultravioletto
LO SCINTILLATORE IDEALECONVERTE E IN L CON ALTA EFF. DI SCINTILLAZIONE
LA CONVERSIONE DOVREBBE ESSERE LINEARE
GLI SPETTRI DI EMISSIONE E ASSORBIMENTO DEVONO SOVRAPPORSI IL MENO POSSIBILE (alta trasparenza)
PROPRIETA’ OTTICHE E MECC. BUONE. MANEGGIABILITA’
LA COSTANTE DI TEMPO CARATTERISTICA 0 DEV’ESSEREBREVE PER AVERE ALTA RISOLUZIONE TEMPORALE
INDICE DI RIFRAZIONE SIMILE AL VETRO (~1.5) PER UN BUON ACCOPPIAMENTO OTTICO AL FOTOMOLTIPLICATORE
IMPOSSIBILE SODDISFARE TUTTE LE RICHIESTE
E
LS
L = S · E
Legge temporale di scintillazione
I = I0 exp (-t/0 ) + I1 exp (-t/1 ) - I0 exp (-t/p )Fosforescenza, fluerescenza rit. popolamento dei livelli
Raccolta di luce Cristalli grandiForme e dim. variabili
Cristalli igroscopicifragili
S NON DEVE DIPENDERE DALLA POSIZIONE NELLO SCINTILLATORE
VALORI TIPICI: QUALCHE % (PER NaI : 12%)
POICHE’ Eph~ 3-4 eV w ~ 50 – 100 eV/fotone
Non competitivi con i diodi a semiconduttore !
EFFICIENZA DI SCINTILLAZIONE
DIPENDE DALL’ ENERGIA
dxdE
kB
dxdE
S
dx
dL
1
L = S · E
FORMULA DI BIRKS(scintillatori organici)
MENO IMPORTANTE NEGLI INORGANICI
kB
S
dx
dL
elettroni
dL
/dx
DIPENDE DALLA PARTICELLA PIU’ IMPORTANTE NEGLI ORGANICI
SUBISCE IL DETERIORAMENTO DA ESPOSIZIONE E DA USO(nei plastici anche alla luce e/o all’ossigeno)
DIPENDE DALLE IMPUREZZE PRESENTI (PB DEL QUENCHING)
MECCANISMI IN COMPETIZIONE CON LA SCINT. BUONA
ad es. 1inorgorg
S
S
S
S
E CAMBIA SE CAMBIA dx
dE
PROFILO TEMPORALE EMISSIONE
DIPENDE DALLA TEMPERATURA (SCINTILLATORI INORGANICI)
Legge temporale di scintillazione
Fosforescenza
Fluorescenza ritardata
Quenching (disecc. senza emissione di fotoni)
AFTERGLOW
LA RACCOLTA DI LUCELA LUCE E’ EMESSA ISOTROPICAMENTE
PROBLEMA DELL’ AUTOASSORBIMENTO: SCARSOPROBLEMA DELLE PERDITE ALLA SUPERFICIE: IMPORTANTE
ANGOLO CRITICO PER RIFLESSIONE TOTALE
• RIDUCE LE PERDITE ALLA SUPERFICIE• OSTACOLA LA TRASMISSIONE AL FOTOCATODO
USO DI ACCOPPIATORI OTTICI
LE GUIDE DI LUCE
SCINTILLATORE – FOTOMOLTIPLICATORE DISTANTI PER:
NECESSITA’ COSTRUTTIVE PRESENZA DI CAMPO MAGNETICO NECESSITA’ DI UNIFORMARE LA RISPOSTA DEL FOTOC.
IL FUNZIONAMENTO SI BASA SUL PRINCIPIO DI RIFLESSIONE TOTALE
0
1sinn
nc l sse n1 < n0
GRASSO OTTICO, SILICONE
= 80%
IL FOTOCATODOPROCESSO DI FOTOEMISSIONE
L’ e- MIGRA SULLA SUPERFICIE. PERDE ENERGIA(nei metalli R ~ nm TROPPO PICCOLO Y SEMICONDUTTORI)
IL FOTONE VIENE ASSORBITO E L’EN. VIENE TRASFERITA AD 1 e-eVEEe 3~
_
max
L’ e- SFUGGE DALLA SUPERFICIE DEL CATODO, PURCHE’(nei metalli W ~ 3-4 eV NO! Materiali appositi con W ~ 1-2 eV)
WEe_
FOTOELETTRONE
LAVORO DI ESTRAZIONE
DA SEGUE CHE TUTTI I FOTOCATODI HANNO UN CUT-OFFDA SEGUE CHE PROFONDITA’ DI FUGA 25 nm
bassa capacita’ di fermare i fotoni semitrasparenza
IL FOTOMOLTIPLICATOREPRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO
EMISSIONE DI e- SEC. DAI DINODI
GUADAGNO DI SINGOLO DINODO: g= 3-50
GUADAGNO TOTALE
N
iigM
1
10 DINODI CON g = 4 M = 410y106
FOTOEMISSIONE DAL FOTOCATODO
Q.E. = Nfotoel/Nfotoni
sse E > W CUT-OFF
~ 20-30 %SEMPRE FUNZIONE DI
RISOLUZIONE ENERGETICA
DOMINATA DALLE FLUTTUAZIONI STAT. DEGLI e- EMESSI DAI DINODI
FLUTTUAZIONI > PER <n 1° DINODO
nei metalli W y3-4 eV NO! Materiali appositi con W y 1-2 eV
RACCOLTA ALL’ ANODO. SEGNALE
RUMORE TERMOIONICO
semicond: 100 – 10000 / cm2 s
KT ~ 25 meV @ 300 K, ma prob. K 0 Eth > W
metalli: 100 e- / m2 s
DIPENDE (OVVIAMENTE!) DALLA TEMPERATURA
ESEMPI NUMERICI:
E = 1 MeVWe-h ~ 3 G Egap ~ 20 eV # coppie = E / W ~ 50000
SNaI ~ 12%
EFFICIENZA DI SCINTILLAZIONE IN NaI
L = SE ~ 120 keVEfot ~ 3 eV (visibile) # fotoni = L / Efot ~ 40000
~ 1 fotone ogni coppia e--h prodotta
IL TRASFERIMENTO DI ENERGIA DAL “BULK”ALL’ ATTIVATORE E’ MOLTO EFFICIENTE
EMISSIONE TERMOIONICA
N = 103 e- / s G = 106
Ibuio = 103 G1.6G10-19G106 A = 160 pA I ~ Ibuio
RISOLUZIONE INFLUENZATA DALLE FLUTTUAZIONI DI Ibuio
Y
STATISTICA DELLA MOLTIPLICAZIONE
non e’ costante Y fluttuazioniY allargamento della distribuz. del # di e-
prodotti ad ogni nuovo stadio di amplificazione
1° STADIO
12
nn n
n
N-ESIMO STADIO2
12
2
2
2
1
21
1
1...
11...
nnnnn nnn
TOT
TOTnn
SE >> 1
IN REALTA’ E’ IMPORTANTE SOLO QUANDO SI HANNO POCHI FOTOELETTRONI INIZIALI
ANCORA SUI FOTOTUBI...
ESEMPI NUMERICI:
sensibilita’ occhio umano ~ 10 fotoni nella banda del visibile
LA SCINTILLAZIONE IN NaI E’ VISIBILE?
diam. pupilla al buio ~ 3 mm d = 10 cm
E = 1 MeV SNaI ~ 12% Efot ~ 3 eV (visibile)
# fotoni = L / Efot = SE / Efot ~ 400005
2
2
106.54
d
rpupilla
Ynvisti = 40000G5.6G10-5= 2.24
NON E’ VISIBILE
QUANTO VALE LA CORRENTE DI PICCO?
MATERIALI SPECIALI
CARATTERISTICHE DEI FOTOTUBI
PROPRIETA’ TEMPORALI (vedi dopo)
TENSIONI E CORRENTI MASSIME G = G(V)
IMPULSI SPURI E RUMORE (vedi dopo)
DIFFERENZE STRUTTURALI
SENSIBILITA’ ALLA LUCE E ALLA POTENZA RADIANTEUTILIZZO IN MODO CONTINUO
CORRENTE DI BUIO CORRENTE ALL’ANODO CON CATODO NON ILLUM.
LINEARITA’ NON BUONA SE: 1) Pb di carica spaziale x imp. molto grandi2) variaz. di tensione ai dinodi
DISUNIFORMITA’ DEL FOTOCATODONELLA RISPOSTA NELLA RACCOLTA AL 1° DINODO GUIDE DI LUCE
VARIAZIONI DI GUADAGNO CON IL TASSO DI CONTEGGICAUSATE DA VARIAZIONI SU V INTERDINODICA
Tipica richiesta: G/G ~ 1% per tassi di 103 – 104 c/s
ANALISI DELLA FORMA DELL’ IMPULSOLEGGE TEMPORALE DELLA SCINTILLAZIONE
ttt eitieIeII D 00/
0 )( ALLARGAMENTO NEL t DI TRANSITO TRASCURABILE
tQetiQidttiQ
)()( 0
0
)(1
)( tt eeC
QtV
)(tiRi Ci
R C
RC
1
CASO 1 RC >> D <<
CASO 2 RC << D >>
)()( tt eeC
QtV
)()( tt eeC
QtV
CR iiti )(
risetime dipendente da decay time dipendente da RCVMAX = Q/C
PER ALLUNGARE RC SI FA CRESCERE R MANTENENDO C PICCOLO, COSI’ VMAX E’ GRANDE
risetime dipendente da RCdecay time dipendente da D
VMAX =C
Q
C
Q
In realta’ VMAX e’ sensibile alle fluttuazioni che originano dalla natura statistica della produzione di fotoelettroni
Fissate le condizioni (, ) sembra VMAX I Q
TEMPO DI TRANSITO E TIME SPREADEs: 14 dinodi
2 kV totale Ek media y 75 eV
2
322
60
1
10511
1502
mc
Ek
Tipica velocità media
Tipico tempo di transito
nsscm
cm20
/103601
10
10
FLUTTUAZIONI DI Distribuzione energetica iniziale (0-2 eV)
Fluttuzioni del percorso catodo - I dinodo
y 0.2 – 0.3 ns
150 V interdinodica
CALCOLO DELL’ AMPIEZZA DI SEGNALE ASPETTATO
E= 1.2 MeV S = 12 % = 70 % Q.E. = 20 %
M = 105 C = 100 pF
n = EHS / h= 4.5 G104
L.y. = 38000/MeV
h= (S/L.y.)G106= 3.2 eV
Q = n HHQ.E.HM Hqe= 4.5G104G0.7G0.2G105G1.62G10-19 C = 0.1 nC
V = Q/C y 1 V
IMPULSI SPURI E RUMOREELETTRONI DA EMISSIONE TERMOIONICA
IMPULSI DA SINGOLO e- Y MOLTO SPESSO ELIMINABILI
ALTRIMENTI CERCARE DI RIDURRE IL PROBLEMA A MONTE:• SUP. FOTOCATODO + PICCOLA POSSIBILE• MATERIALI “SILENZIOSI”• FOTOTUBI CON MINOR CORRENTE DI BUIO
MODO IMPULSATOt ~ 1 ms Y sh ~ s = POCO DISTURBOVENGONO DISCRIMINATI Y NESSUN RUMORE AGGIUNTO
MODO IN CORRENTE
LA CORRENTE DI BUIO SI SOMMA COMPLETAMENTELE SUE FLUTTUAZIONI CONTRIBUISCONO ALLA RISOLUZIONE
SOLUZIONERAFFREDDAMENTO DEL FOTOCATODO Y buiobuio II
100
1~'
SVANTAGGI:
CONDENSAAUMENTO DELLA R DEL CATODO DISTORSIONE DEL CAMPO ELETTRICO PERDITA DI EFF. NELLA RACCOLTA DEI FOTOELETTRONI
SE ALIMENTATI, SEMPRE AL BUIO (IA TROPPO ALTA)
ALTRA SORGENTE DI IMPULSI SPURI: LA RADIOATT. NAT.• 40K E 232Th IN VETRO ~ 10-100 Bq/Kg• RAD. COSMICA (da’ luogo a Cerenkov) impulsi piccoli, da pochi fotoel.
IMPULSI RITARDATIDa emessi alla fine della moltiplicazione, che risalgono al catodo:
t ~ ttransito IMPULSI PICCOLI
Da ioni+ dovuti a gas residuo t >> ttransito IMPULSI NON PICCOLISSIMI
CAMBIARE FOTOTUBO
ALTERNATIVE: FOTODIODI E HPMTFOTODIODI CONVENZIONALI p-i-n
VANTAGGI: • MAGGIOR Q.E. (60% - 80%)• MINOR POTENZA RICHIESTA• PIU’ COMPATTI• PIU’ RESISTENTI• INSENSIBILI A B• RISPOSTA SPETTRALE AMPIA (cut-off a en. minori).
MA NIENTE MOLTIPLICAZIONERUMORE ELETTRONICO (serie + parallelo) NON TRASCURABILE
(peggiore per Ariv maggiori)
RISOLUZIONE ENERGETICA PEGGIORE DEI PMT
FOTODIODI A VALANGAALTO V Y PRODUZ. DI NUOVE COPPIE e- - h YG ~ 100
BUONA Q.E. E BUONA RISOL. TEMPORALE
SENSIBILITA’ A E MINORI MA RISOLUZ. EN. PEGGIORE DEI PMT
HPMTFOTOCATODO + FOTODIODO AL Si
UN UNICO STADIO DI MOLTIPLICAZIONE CON V GRANDE
GTOT ~ 3000 (ANZICHE’ 106) MA ~ 3000 ANZICHE’ 5 (O 25)risoluzione energetica migliore
buona discriminaz. tra eventi da singolo fotoel. ed eventi da 2,3,4,... fotoel.(noise termoionico)
G IV anziche’ I(V)7 Y G PIU’ STABILE, Ibias <<, BUONE CARATTER. TEMPORALI
MICROCHANNEL PLATEIL FATTORE MOLTIPLICATIVO NON E’ FISSO Y SATURAZIONE
~ 15 – 50 m OGNI FOTOEL. ENTRA IN UN CANALE DIVERSO
QTOT = NCh G QSAT I nfotoel I nfotoni
Proprieta’ di tempo ECCELLENTI ttransito ~ ns (anziche’ 20 – 80 ns STANDARD)t ~ 100 ps ( 2-3 volte meglio)
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