Misure di test con scintillatori LaBr3 e semiconduttori al Germanio per la rivelazione dei raggi gamma

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1 Stage ai LNL 211 tema B) Misure di test con scintillatori LaBr3 e semiconduttori al Germanio per la rivelazione dei raggi gamma A cura di: Marco Visentin & Giacomo Mingardo 28/6/211 Tutori: Caterina Michelagnoli Jose Javier Valiente-Dobon

2 Di cosa parleremo: Introduzione: struttura dei nuclei atomici Rivelazione dei raggi gamma (interazione dei gamma con la materia) Rivelatori a scintillazione: cosa sono e come funzionano Caratteristiche dei rivelatori di raggi gamma I rivelatori a semiconduttore (Ge)

3 Struttura del nucleo atomico In quanto sistema quantistico, il nucleo atomico si fa osservare in stati discreti, ciascuno caratterizzato da una determinata energia (momento angolare, parita`, vita media). Una volta eccitato in uno stato a una certa energia, il nucleo decade attraverso gli stati intermedi, verso lo stato fondamentale, con l'emissione di quanti di radiazione gamma.

4 Interazione dei raggi gamma con la materia - Effetto fotoelettrico (E < 1 kev): assorbimento di un fotone da parte di un elettrone legato, che in seguito viene espulso dal legame originario; - Scattering Compton (E > 1 kev): collisione elastica tra un elettrone legato e un fotone. E'=E/[(1+(E/m c2)(1-cos theta)] e - Creazione di coppie (E > 1,2 MeV): ovvero la formazione di una coppia elettrone-positrone. (I valori dei energia sono indicativi) Rivelare un raggio gamma = tradurre il suo arrivo in un segnale elettrico misurabile

5 Rivelatori di raggi gamma Semiconduttori (Germanio) Rivelatori a scintillazione (LaBr3:Ce)

6 Scintillatori Gli scintillatori sono cristalli che traducono l'arrivo dei raggi gamma in luce visibile. Con la presenza di droganti nel reticolo cristallino, gli elettroni eccitati possono passare dalla banda di conduzione alla banda di valenza (stato fondamentale) attraverso diversi livelli intermedi con emissione di fotoni visibili. Con l'utilizzo di fotomoltiplicatori questi si traducono in segnale elettrico.

7 Componenti di un rivelatore a scintillazione: es. del LaBr3 1.5 x 1.5 da noi studiato Fotomoltiplicatore Scintillatore Struttura di un fotomoltiplicatore: Divisore di tensione

8 Come si preleva e si tratta il segnale corrispondente alla rivelazione di un raggio gamma Istogramma

9 Spettro di energia da una sorgente di Co-6 Picchi di piena energia (Co-6) Attivita' interna Backscattering Fondo Compton

10 Analisi degli spettri gamma Centroide (E kev) FWHM Dal fit gaussiano di un picco nello spettro gamma si ottengono: -Centroide -Larghezza a metà altezza -Area I fattori di merito - Risoluzione (FWHM/E); - Efficienza assoluta e intrinseca (N fotoni rivelati/n fotoni emessi dalla sorgente e N fotoni rivelati/ fotoni incidenti sul rivelatore); - Linearita' del guadagno in funzione dell'energia; - Rapporto picco su fondo (Areapicco/Areafondo)

11 Spettri analizzati per il test 661 kev Cs kev Eu kev 344 kev 778 kev Co kev 1332 kev 148 kev

12 Passaggi principali dell'analisi Per diverse tensioni al fotomoltiplicatore: 1) Calibrazione lineare tra 344 kev e 1173 kev. Calibrazione dello spettro HV=-9V Linear Regression for HV=-9V HV=-75V Linear Regression for HV=-75V HV=-15V Linear Regression for HV=15V E (kev) E (canali)

13 2)Valutazione della linearita' dei guadagni in funzione dell'energia Variazione di linearita' dei guadagni E lett - E exp [kev] -1 HV=-75V HV=-9V HV=-15V Energia [kev]

14 3) Valutazione della risoluzione in funzione dell'energia Variazione della Risoluzione Risoluzione.6 HV=-75V HV=-9V HV=-15V Energia [kev]

15 4) Valutazione dell'efficienza in funzione dell'energia Variazione dell'efficienza Area/Intensita' 25 HV=-75V HV=-15V HV=-9V Energia [kev]

16 Rivelatori al Germanio (Ge) Foto del Dimostratore di AGATA Esempio di spettro gamma conseguente a una reazione di fusione-evaporazione

17 Confronto spettri Cobalto-6 LaBr3 Ge

18 Confronto tra Ge e LaBr3: 1) Linearita' LaBr3 (Ce) [-9 V] L in e a rita ' E n erg ia [kev ] E lett - E exp [kev] E lett - E exp [kev] Germanio 6 L in e a rit a ' E n erg ia [kev ]

19 Confronto tra Ge e LaBr3: 2) Risoluzione Germanio LaBr3 (Ce) [-9 V] Risoluzione E.18 Risoluzione Risoluzione Risoluzione E Energia [kev] Energia [kev]

20 Conclusioni - Abbiamo determinato le condizioni ottimali di lavoro di un rivelatore a scintillazione LaBr3 confrontando i fattori di merito a diverse tensioni applicate al fototubo. - In tali condizioni abbiamo confrontato i risultati con quelli di un rivelatore al Ge (cristalli di AGATA) conludendo che quest'ultimo ha miglior risoluzione e linearita'. Spesso, pero', i rivelatori al LaBr3 forniscono un'informazione complementare a quella dei rivelatori al Ge prossimi esperimenti con AGATA