Lezione 16 Scintillatori

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1 Scintillatori inorganici Lezione 16 Scintillatori Scintillatori organici Fibre Fotorivelatori Rivelatori di Particelle 1

2 Scintillatori Il contatore a scintillazione è uno dei più vecchi apparati sperimentali usati per la radiazione nucleare. Prima del contatore a scintillazione si usava l occhio nudo, osservando i flash di luce emessi quando le particelle colpivano uno schermo di solfato di zinco. Pare che la sensibilità dell occhio umano aumenta con una tazza di buon caffè (molto forte), possibilmente con l aggiunta di una piccola dose di stricnina!!!! Dopo un lungo periodo di adattamento, l occhio umano può vedere circa 15 fotoni se emessi in un intervallo di tempo non superiore ad 1/10 di secondo e con lunghezza d onda pari a quella cui l occhio umano e più sensibile (verde). 1/10 s e il tempo di persistenza dell immagine sulla retina. Henry&Baucels (J.Phys.Path.Gen. XIII (1911),841) affermano che è visibile ad occhio nudo un deposito di energia di 3 ev corrispondente ad un singolo fotone nel verde. Rivelatori di Particelle 2

3 Scintillatori photodetector Definiamo scintillatore qualunque materiale che emette un impulso di luce poco dopo il passaggio di una particella carica. La funzione di uno scintillatore è duplice: Emettere luce (luminescenza) Trasmetterla al rivelatore di fotoni (e.g. fotomoltiplicatore) Rivelatori di Particelle 3

4 Scintillatori Proprietà generali di uno scintillatore Uno scintillatore consiste generalmente in un materiale scintillante accoppiato otticamente ad un fotomoltiplicatore (PM) o direttamente o tramite una guida di luce. Quando la particella passa attraverso lo scintillatore eccita gli atomi e le molecole dello scintillatore si emette luce. la luce viene trasmessa al PM e viene convertita in una debole corrente di fotoelettroni, amplificata dai dinodi (altri elettrodi ) del PM. abbiamo un segnale in corrente facilmente rivelabile dall elettronica Rivelatori di Particelle 4

5 Scintillatori Lo scintillatore può fornire molte informazioni fra cui: 1. Sensibile all energia ( ~ lineare ed il PM è lineare) il segnale di uscita è proporzionale all energia di eccitazione. può essere usato come spettrometro di energia (calorimetri, de/dx etc.) 2. Risposta temporale rapida misura di tempi (tempo di volo, trigger, etc.) 3. Discriminazione fra varie particelle, studiando la forma dell impulso di uscita. Con alcuni tipi di scintillatore è possibile distinguere fra le varie particelle, analizzando la forma dell impulso di uscita. Questo a causa di diversi meccanismi di eccitazione per particelle con diverso potere ionizzante (α, n, γ, etc.) Rivelatori di Particelle 5

6 Scintillatori Gli scintillatori hanno proprietà note come luminescenza. Materiali luminescenti assorbono energia e la riemettono sotto forma di luce visibile. Se l emissione avviene subito dopo l assorbimento (10-8 s) il processo è chiamato fluorescenza. Se invece l emissione è ritardata (lo stato eccitato è metastabile) il processo si chiama fosforescenza. In questo caso il tempo fra l assorbimento e la ri-emissione può durare dai µs alle ore (dipende dal materiale). Generalmente la componente veloce è quella che domina (e che ci interessa) Rivelatori di Particelle 6

7 Scintillatori Luce In prima approssimazione l evoluzione temporale del processo di riemissione può essere descritto da una semplice legge esponenziale: N N τ = 0 d e t τ dove N è il numero di fotoni emessi al tempo t, t d il tempo di decadimento ed N 0 il numero totale di fotoni emessi. Il tempo di assorbimento dell energia (eccitazione degli atomi e delle molecole) è in generale molto più breve del tempo di ri-emissione (per semplicità l abbiamo assunto 0). d tempo Rivelatori di Particelle 7

8 Scintillatori Luce totale Componente veloce Componente lenta Tempo Quasi tutti gli scintillatori hanno 2 componenti di ri-emissione, una veloce ed una lenta (fluorescenza e fosforescenza) N = Ae t t + Be f t s t Generalmente la componente veloce è quella che domina (e che ci interessa) Rivelatori di Particelle 8

9 Scintillatori Sebbene esistano molti materiali scintillanti non tutti sono adatti per costruire apparati sperimentali. Un buon scintillatore (utilizzabile) deve avere: 1. alta efficienza per convertire l energia di eccitazione in fluorescenza 2. trasparenza alla luce di fluorescenza in modo da poterla trasmettere 3. emissione sulla lunghezza d onda in cui funzionano i rivelatori di luce (generalmente luce visibile) 4. una costante di tempo di decadimento τ breve Rivelatori di Particelle 9

10 Scintillatori Esistono 2 tipi di materiale scintillante: Scintillatori organici (poca luce, ma veloci) Scintillatori inorganici (molta luce, ma generalmente lenti) Esistono diversi meccanismi di scintillazione (essenzialmente 3) Rivelatori di Particelle 10

11 Scintillatori inorganici Scintillatori inorganici cristallini. Sono scintillatori inorganici NaI, CsI, Bi 4 Ge 3 O 12 (noto come BGO), PbWO 4, BaF 2 Il meccanismo di scintillazione negli scintillatori inorganici è caratteristico della struttura a bande elettroniche che si trovano nei cristalli. Rivelatori di Particelle 11

12 exciton band activation centres (impurities) scintillation ( nm) luminescense Lezione 16 Scintillatori inorganici Quando una particella entra in un cristallo possono accadere 2 processi: conduction band electron quenching excitation hole valence band traps E g i. si eccita un elettrone dalla banda di valenza in quella di conduzione, creando così un elettrone ed una lacuna liberi. (ionizzazione) ii. si crea un eccitone spostando un elettrone dalla banda di valenza in quella degli eccitoni (posta appena al di sotto della banda di conduzione). In questo caso elettrone e lacuna rimangono legati, ma possono muoversi liberamente (in coppia) nel cristallo.(eccitazione) Se il cristallo contiene delle impurità (sono necessarie), si possono creare localmente dei livelli elettronici nella banda delle energie proibite. Gli atomi di impurità sono chiamati centri attivatori. Se una lacuna libera od una lacuna di un eccitone incontra uno di questi centri attivatori, può ionizzare uno di questi atomi di impurità. Se ora arriva un altro elettrone, questo cade nel buco (lacuna) lasciato dalla ionizzazione precedente si emette luce ( se tale modo di diseccitazione è permesso). Se la transizione avviene senza emissione di radiazione (rapida) l impurità diventa una trappola e l energia può essere persa in altri modi o con tempi lunghi. Spesso si hanno 2 costanti di tempo: ricombinazione rapida dai centri di attivazione (ns-µs) ricombinazione ritardata (trappole) (~100 ms) Rivelatori di Particelle 12

13 Scintillatori inorganici L emissione di luce dai cristalli scintillanti dipende fortemente dalla temperatura: (From Harshaw catalog) BGO PbWO 4 Rivelatori di Particelle 13

14 Scintillatori inorganici Elementi nobili liquidi (LAr, LXe, LKr ) A excitation ionization A* A + collision with g.s. atoms excited molecule A 2 * A 2 + de-excitation and dissociation A A A 2 * UV 130nm (Ar) 150nm (Kr) 175nm (Xe) ionized molecule recombination e - Rivelatori di Particelle 14

15 Scintillatori inorganici La luce emessa è difficile da rivelare in quanto è tendenzialmente emessa nell ultravioletto: Ar Kr Xe 130 nm 150 nm 175 nm Anche i gas nobili (ad alta pressione) possono scintillare. Anche nel caso di gas nobili si hanno 2 costanti di tempo: rapida (pochi ns) lenta ( ns) ma con la medesima lunghezza d onda. Rivelatori di Particelle 15

16 Scintillatori inorganici scintillatore densità (g/cm3) indice rifrazione lunghezza d onda (nm) costante di tempo (µs) scintillaz. (relativa a NaI(Tl) note fotoni/mev NaI NaI(Tl) a 80 K 4x10 4 CsI a 80 K CsI(Tl) a 80 K 1.1x LiI(Eu) a 80 K 1.4x10 4 BaF / x10 3 2x10 3 Bi 4 Ge 3 O x10 3 PbWO , LAr /0.860 a 170 nm LKr /0.085 a 170 nm LXe /0.022 a 170 nm 4x10 4 Rivelatori di Particelle 16

17 Scintillatori organici Gli scintillatori organici sono dei composti di idrocarburi che contengono delle strutture ad anello di benzene. In questi composti la luce di scintillazione deriva da transizioni degli elettroni di valenza liberi delle molecole. Questi elettroni non sono associati ad un atomo particolare nella molecola ed occupano gli orbitali molecolari π. Rivelatori di Particelle 17

18 Scintillatori organici Molecular states S 3 S 2 singlet states s degradazione interna triplet states Scintillation is based on the 2 π electrons of the C-C bonds. S 1 nonradiative T 2 T 1 phosohorescence >10-4 s Emitted light is in the UV range. S 0 Rivelatori di Particelle 18

19 Scintillatori organici S 3 S 2 S 1 S 0 singlet states Molecular states s degradazione interna nonradiative triplet states T 2 T 1 phosohorescence >10-4 s L energia rilasciata dalla particella eccita sia i livelli elettronici che vibrazionali. (Linee rosse tratteggiate) Le eccitazioni dello stato di singoletto decadono in 10 ps senza emettere radiazione (degradazione interna). dallo stato S 1 è facile decadere nello stato fondamentale S 0 con emissione di luce di fluorescenza in 1 10 ns. Analogamente dallo stato di tripletto si arriva tramite degradazione interna allo stato T 1 e poi si scende a T 0 in maniera complessa con emissione di luce di fosforescenza (lenta > 10-4 s) Rivelatori di Particelle 19

20 Scintillatori organici Gli scintillatori organici possono essere: Cristalli organici : i più comuni sono antracene e naftalene. L antracene è relativamente lento (30 ns), ma dà abbastanza luce. Il naftalene è rapido, ma dà poca luce. Scintillatori liquidi e plastici: sono quelli più usati. Liquidi: sono soluzioni di 1 o più scintillatori organici disciolti in un solvente organico. L energia rilasciata dalla particella è, in generale, assorbita dal solvente e poi rilasciata al soluto (trasferimento rapido ed efficiente). Il soluto (o i soluti) funzionano da wawe length shifter ovvero assorbono, ad esempio, nell ultravioletto ed emettono nel visibile. Plastici: sono del tutto analoghi agli scintillatori liquidi per il funzionamento e la composizione (solvente e soluto/i), ma sono solidi. Rivelatori di Particelle 20

21 Solventi e soluti comunemente usati : Lezione 16 Scintillatori organici Liquid scintillators Plastic scintillators solvent Benzene Toluene Xylene Polyvinylbenzene Polyvinyltoluene Polystyrene secondary fluor p-terphenyl DPO PBD p-terphenyl DPO PBD tertiary fluor POPOP BBO BPO POPOP TBP BBO DPS Rivelatori di Particelle 21

22 Scintillatori organici Rappresentazione schematica del principio di wawe length shifting: (C. Zorn, Instrumentation In High Energy Physics, World Scientific,1992) Rivelatori di Particelle 22

23 Scintillatori organici I tempi di risposta degli scintillatori liquidi e plastici sono brevi: Liquidi : 3 4 ns Solidi : 2 3 ns Attenzione: gli scintillatori organici hanno basso Z (sono H,C) scarsa efficienza per rivelare γ (praticamente solo effetto Compton). Ricordiamo infatti che l effetto fotoelettrico va come Z 5 e la produzione di coppie come Z 2, mentre l effetto Compton è lineare in Z Hanno invece alta efficienza per rivelare neutroni (reazioni n+p n+p). Rivelatori di Particelle 23

24 Scintillatori organici Proprietà di alcuni scintillatori organici materiale densità (g/cm 3 ) n λ (nm) τ (ns) scint. rel antr H/C note yeild/ NaI naphthalene monocrist. anthracene monocrist. 0.5 NE 102 A Nucl. Ent. NE Nucl. Ent. NE Nucl. Ent. BC Bicron BC Bicron BC Bicron Rivelatori di Particelle 24

25 Scintillatori organici La risposta degli scintillatori plastici non è lineare con la perdita di energia,ma vale la formula empirica di Birk. dl/dx dl dx Luce emessa per unità di lunghezza A de = dx 1 k de B + dx J.B.Birks, Proc. Phys. Soc. A64,874 (1951) Esistono anche altri modelli e parametrizzazioni La luce è ridotta a causa della ricombinazione delle molecole eccitate la non linearità è proporzionale a de/dx. Per piccoli de/dx è praticamente lineare. Un altro effetto non totalmente capito è la dipendenza della luce di scintillazione dal campo magnetico. (cresce al crescere di B di qualche %) Rivelatori di Particelle 25

26 Lettura della luce di scintillazione. Lezione 16 Guide di luce Normalmente la luce di scintillazione viene letta tramite un fototubo. Bisogna quindi adattare sia geometricamente che spettralmente la luce di scintillazione allo spettro e dimensioni del PM. Guide di luce: la luce viene trasferita tramite riflessione totale. Gli indici di rifrazione della guida e dello scintillatore sono praticamente uguali. Rivelatori di Particelle 26

27 Guide di luce Trasmissione della luce attraverso guide di luce Quando si accoppia uno scintillatore ad un fototubo la tentazione di adattare uno scintillatore di grossa area ad un piccolo fototubo è grande. In questo modo si risparmierebbe notevolmente (Ad esempio usando come rivelatori dei fotodiodi che costano pochissimo). Ma qual è l efficienza di trasmissione della luce? L efficienza di trasmissione della luce è limitata da: L angolo di riflessione totale Conservazione dello spazio delle fasi (teorema di Liouville) Rivelatori di Particelle 27

28 Guide di luce Scintillatore Riflessione totale Per avere riflessione totale: sin Θ n e n n e =1 (aria) n= indice rifr. guida Guida di Luce Θ α 1 x 1 φ α 2 x 2 Fotomoltiplicatore Se Θ è l angolo limite di riflessione totale, la luce arriva al fototubo con un angolo massimo: α = π / 2 + φ Θ 2 Poiché il massimo angolo di riflessione nella guida di luce è π/2, il minimo angolo dei raggi riflessi che arrivano al fototubo è φ, mentre i raggi diretti possono arrivare ad angolo 0. Rivelatori di Particelle 28

29 Guide di luce Conservazione dello spazio delle fasi Guida di Luce Scintillatore x 1 α 1 Θ φ α 2 x 2 Le traiettorie dei fotoni possono essere descritte come un punto nello spazio delle fasi con coordinate x e p=nsin(α) (con n = indice di rifrazione del mezzo e α divergenza angolare del fascio di luce.(*) All ingresso della guida di luce la dimensione trasversa è x 1 e se α 1 è l angolo massimo di un raggio di luce l elemento di volume nello spazio delle fasi è: x 1 p 1 =2 x 1 nsinα 1 All uscita della guida di luce l elemento di volume è: x 2 p 2 =2 x 2 nsinα 2 ma per il teorema di Liouville: x 1 p 1 = x 2 p 2 Un angolo massimo di accettanza α 2 all uscita della guida comporta che solo raggi con un angolo di entrata sinα 1 =( x 2 / x 1 )sinα 2 si possono propagare nella guida di luce. Notiamo che anche nel caso che si abbia riflessione totale per tutti gli angoli (n= ) una guida di luce con x 1 << x 2 comporta una notevole perdita di luce a causa del teorema di Liouville Fotomoltiplicatore (*) Ci limitiamo a due dimensioni per semplicità. Tradotto in 3 dimensioni la conservazione dello spazio delle fasi significa che il flusso di fotoni per unità di area e per angolo solido unitario è costante Rivelatori di Particelle 29

30 Guide di luce Guida di Luce Scintillatore Θ α 1 x 1 φ α 2 x 2 Fotomoltiplicatore Abbiamo visto che la riflessione interna totale permette un angolo massimo: per cui: e nell ipotesi che φ<<θ: π α 2 = + φ Θ 2 π sinα 2 = sin + φ Θ = cos sin 2 sinα 2 1 sin 2 ( Θ φ) = 1 ( Θ φ) il massimo angolo di accettanza all ingresso della guida imposto dallo spazio delle fasi è: sinα x sin 2 1 = α 2 x1 2 Θ = x = x n 2 1 n 2 Scintillatori e guide di luce hanno tipicamente n=1.5 sinα 1 =0.75 Rivelatori di Particelle 30

31 Barre di wavelength shifter (WLS) Lezione 16 Guide di luce Per grandi aree si usano sbarrette di BBQ, Y7, K27. Assorbono sui 400nm e riemettono sui 500 nm. Hanno una lunghezza di assorbimento per lo spettro emesso (~500nm) fino a 10 m. Rivelatori di Particelle 31

32 Guide di luce Fibre (polistirene n=1.59) Rivelatori di Particelle 32

33 Guide di luce Conviene usare un cladding (guaina) con l indice di rifrazione il più piccolo possibile per massimizzare la luce raccolta per riflessione totale. Rivelatori di Particelle 33

34 Guide di luce Le fibre sono spesso usate per ragioni di geometria in calorimetri a sampling. Rivelatori di Particelle 34

35 Scintillatori e guide di luce Calorimetro adronico di ATLAS Calorimetro adronico costruito da tegole di scintillatore (spesse 3mm) messe in una struttura di ferro (calorimetro a campionamento). Il calorimetro è spesso 2m e lungo 11m (cilindro). Le tegole di scintillatore sono lette da entrambi i lati da delle fibre. Rivelatori di Particelle 35

36 Tracciamento con fibre scintillanti. Lezione 16 Fibre scintillanti Molto flessibili Elevata granularità Bassa massa Risposta rapida (ns) (se l elettronica di read out e veloce) usate come trigger di primo livello geometrie planari (end cap) geometrie circolari (barrel) Rivelatori di Particelle 36