Scintillatori, cristalli, fotorivelatori. Gianluca Cavoto Nov 2011 room: 202e - ph. num.: (34249)

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1 Scintillatori, cristalli, fotorivelatori Gianluca Cavoto Nov 2011 room: 202e - ph. num.: (34249)

2 Sommario Scintillatori. Fotorivelatori (PMT,PD) Esempi di vita vissuta. Fonti: Radiation Detection and Measurement, 3rd Edition, Glenn F. Knoll, Wiley (ISBN ).

3 Generalita

4 SCINTILLATORI

5 Scintillatori proprieta fondamentali Materiale luminescente Fluorescenza (rapida, 10 ns), ma anche fosforescenza (lenta) Misura di energia (calorimetro, de/dx,..), PID Misura di tempo, trigger,

6 Produzione di luce Assorbimento (molto rapido, 100 ps) (1-10ns)

7 Due tipi Organici (idrocarburi) Abbastanza luce, veloci, facili da maneggiare Inorganici Tanta luce, piuttosto lenti, cristallini (delicati) Meccanismi fisici di scintillazione differenti - ORGANICI: Transizioni di elettroni di valenza delle molecole - INORGANICI: Struttura a bande elettroniche

8 Scintillatori organici: meccanismo 0.15 ev 3-4 ev [prompt] Thermal energy (kt) ev

9 Scintillatori organici: meccanismo(2)

10 (non) Linearita della risposta Effetti di quenching

11 Resa di luce (protoni e elettroni) Heavy (protons, alpha, ions) particles are more sensitive to quenching (alpha-to-beta ratio) Light yield is reduced wrt electrons

12 BC 412 Plastici, liquidi o solidi

13 Additivi luminescenti in una polimero (polistirene) trasparente Wavelength shifting

14 Scintillatori inorganici Cristallo trasparente alla luce da centri attivatori!!!

15 Efficienza di scintillazione Regola empirica: INORGANICO: 3 volte Egap per creare coppia e-h» Ex: NaI 20eV; coppie ogni MeV di E depositata» In NaI(Tl) ~12% Edepositata e convertita in luce» E_ph = 3eV Circa un fotone per ogni coppia e-h! ORGANICO: 100 ev per fotone

16 Cristalli BGO LYSO

17 Spettri di luce

18 Resa di luce e temperatura Variazioni di riflettivita superficiale (?)

19 Scintillazione in gas/liquidi nobili Emettono nel vicino ultravioletto Risposte differenti a seconda del tipo di particella (fotone/elettrone vs ione)

20 Identificazione di particelle In Xe liquido Tempo di Ricombinazione e 45 ns Scint organico Stati di tripletto eccitti da maggiore de/dx (delayed fluorescence) Pulse shape discrimination!

21 Lista di scintillatori inorganici

22 Lista scint organici

23 Raccolta di luce Accoppiamento al fotorivelatore Perdite nell interfaccia scint-rivelatore Trasmissione della luce (guide di luce) Massimizzare raccolta dei fotoni (risoluzione) Luce diretta vs luce riflessa sulle pareti Riflessione totale Aria / scint Specchi o diffusori

24 Guide di luce NB: non si vuole riflessione totale nella zona affacciata al PMT

25 Immagini di light pipes Trasparenti alla luce (e non scintillano..)

26 Riflessione totale

27 Conservazione volume spazio delle fasi

28 Fibre scintillanti Frazione di angolo sottesa Massima (teorica) frazione di luce raccolta (da un lato) Specchio all altro capo della fibra!

29 Trasporto per riflessione totale In pratica serve cladding di materiale plastico per proteggere core scintillante!

30 Multi-cladding

31 Propagazione della luce Lunghezza di attenuazione Da metri a ~10cm Light yield (flouri) e L sono inversamente proporzionali Sul PMT pochi fotoni

32 Fibre per estrarre luce

33 Tracciamento con fibre

34 Riassumendo Efficienza: 100eV per un fotone (non)linearita : effetti di quenching (particelle pesanti) Trasparenza: emissione/assorbimento differenti Trasmissione luce, accoppiamenti ottici

35 FOTORIVELATORI

36 Rivelare la luce (~visibile) EFFETTO FOTOELETTRICO Tanto meglio quanto e efficiente il processo di conversione (efficienza quantica)

37 Fotomoltipicatore (PMT)

38 Schema di funzionamento Linearita : corrente all anodo proporzionale ai fotoni incidenti (energia rilasciata)

39 Descrizione del funzionamento di PMT

40 Il fotocatodo PRODUZIONE di ELETTRONI da FOTONE INCIDENTE hv incidente: 3 ev Collisioni e-e (escape depth) Work function: 3-4eV per i metalli, 1.5 ev per semic.

41 Emissione fotone Barriera in uscita: cut-off su minima energia del fotone rivelabile (rosso o vicino infrarosso) Elettroni vengono da strato superficiale del fotocatodo (se no perdono energia...) meglio semiconduttori che metalli: 25 nm Ma e sottile da essere semitrasparente!!! Energia fotone : > Egap Promuove elettrone nella banda di conduzione Affinita elettronica

42 Band gap e affinita elettronica Semiconduttori hanno work function piu bassa dei mettali: questo implica che hanno una emissione termionica piu elevata!!! [noise]

43 Finestra del PMT

44 Fotocatodi e finestre Cutoff dovuto a vetro della finestra Cutoff dovuto a barriera Quarzo (sintetico)

45 Pertanto (eff.quantica)

46 Metalli con work function piccola! Bialkali/multialkali

47 Esempi di QE(λ)

48 Moltiplicazione degli elettroni Emissione secondaria: elettrone sbatte su dinode ed estrae piu elettroni Energia cinetica bassa: Pochi elettroni secondari Ma superficiali Energia cinetica alta: Molti elettroni secondari Ma in profondita

49 Affinita elettronica negativa PMT a basso spread in tempo di transito hanno dinodi con materiale con NEA: 1) piu elettroni secondari per stage e dunque meno dinodi 2) distribuzione di energia dei secondari piu uniforme.

50 Dinodi Focalizzazione!! Traiettori degli elettroni sensibili a campi magnetici!! [PMT schermati con mu-metal]

51 Partitori di tensione per I dinodi Numero di elettroni secondari (medio) Varianza relativa di ampiezza dell impulso (Poisson)

52 Spettri osservati Single photoelectron sensitivity Distribuzione delle AMPIEZZE misurate all anodo

53 Risposta temporale 1) Traiettorie dal fotocado al primo dinodo 2) Distribuzioe di velocita degli elettroni decine ns

54 Circuito equivalente del PMT PMT e un generatore di corrente!

55 Forma dell impulso anodico Funzionamento in corrente o In tensione (preferito ma limite sul Rate in ingresso)

56 Vari impulsi anodici Q*1/τ S Impulso di luce esponenziale Costante anodica grande τ>>τ S Costante anodica piccola τ<<τ S

57 Risoluzione in energia Efficienza scint geometria Quantum eff Guadagno

58 Data sheet

59 Corrente del PMT Emissione termoionica

60 Dinodi alternativi

61 Multianode PMT Matrice di 16x16 Fotocatodi (quadrati, 3mm) Compatti per leggere In poco spazio molti canali (fibre scintillanti, imaging come gamma camera) Possibile cross-talk e uniformita di guadagno (un solo HV)

62 Microchannel plates Tubicini rivestiti di materiale resistivo Dinodo continuo Fluttuazione transit time Ridotte (50ps) Guadagni Meno sensibili a campi magnetici Ioni positivi migrano al Catodo:ageing Rate limitato

63 Fotodiodi Elettroni non devono sfuggire! Nessuna moltiplicazione, il rumore e un problema

64 Fotodiodi, risposta spettrale Cfr con spettri di emissione degli scintillatori In certi casi meglio PD che PMT

65 Fotodiodi a valanga (APD) Guadagno sensibile a temperatura e HV!!!

66 Fotodiodi ibridi HPD

67 Single p.e. detection!

68 Silicon PhotoMultiplier Matrice di (piccoli) APD Basso HV e alto guadagno Alta efficienza al singolo p.e.! (come un PMT ma minuscolo) Ottimo timing, alto rate

69 Gamma ray spectroscopy Vedi CALORIMETRO

70 Backstattered photon! Rivelatore piccolo

71 Esempi dalla vita vera Come misurare il guadagno di un PMT Come misurare l efficienza quantica Come misurare la posizione di incidenza Come calibrare la risposta in energia scint +PMT

72 Guadagno PMT con LED Illuminare PMT con luce di opportuna lunghezza d onda LED! Si puo variare intensita relativa (numero di fotoni incidenti sul fotocatodo) In conteggi (ADC) guadagno piedistallo Carica (anodica) Fotoni incidenti

73 Misura guadagno

74 Efficienza quantica in esperimento PMT su facce di Calorimetro a LXe Su un filo di fronte ai PMT e depositata sorgente di Am emette alpha (5.4 MeV) da un punto [1mm] Distanza dalle sorgenti ai PMT e nota ed e fissa.

75 Ricostruzione posizione e QE MonteCarlo predice quanta luce arriva su ciascun PMT (angolo solido)

76 Ricostruzione posizione Velocita efficace : 15cm/ns (diffusione, riflessioni) h = v eff t 0 t const Risoluzioni : qualche cm!

77 Altra ricostruzione posizione! Risoluzione 2-3 volte peggiore

78 Calorimetro a LXe MEG Experiment

79 Backup

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