Waste Characterization

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1 Radiation Monitoring Systems & Waste Characterization Lecture 2 - Scintillating Detectors M.Taiuti MASTER UNIVERSITARIO DI II LIVELLO IN SCIENZE E TECNOLOGIE DEGLI IMPIANTI NUCLEARI

2 Scintillatori Materiali che emettono luce quando colpiti da una radiazione ionizzante rivelatore più diffuso nella fisica nucleare e delle alte energie la luce di scintillazione viene trasformata in una (debole) corrente elettrica accoppiando lo scintillatore ad un fotomoltiplicatore materiale scintillante (trasparente): cristalli organici (plastica), liquidi organici (idrocarburi), cristalli inorganici, gas e vetri 2

3 Scintillatori Quali informazioni fornisce uno scintillatore? Energia: in un certo intervallo e sopra una certa soglia lo scintillatore emette una quantità di luce linearmente proporzionale p all'energia depositata calorimetria, spettroscopia Tempo: lo scintillatore ha un tempo di risposta e di recupero rapido che permette di misurare il tempo di passaggio di una particella nel materiale. Inoltre sopporta rate di segnale elevati. time-of-flight, triggering Particle Id: in certi casi, l'impulso del segnale e' diverso per le diverse particelle che lo attraversano pulse shape discrimination Lecture 2 - Scintillating Detectors 3

4 La Luminescenza La luminescenza è la caratteristica di un materiale di emettere luce (visibile ibil o ultravioletto l vicino) i quando esposto ad una qualche forma di energia (luce, calore, radiazione,...) Il materiale scintillante assorbe energia (eccitazione di molecole o di un livello di un solido) in tempi molto brevi rispetto al tempo di riemissione (diseccitazione) sotto forma di luce Fluorescenza: emissione contemporanea all'assorbimento (<10 ns) di interesse per gli scintillatori Fosforescenza: emissione ritardata (ms - ore) Lecture 2 - Scintillating Detectors 4

5 La Luminescenza più correttamente doppio esponenziale con costante di tempo veloce (t f )elenta(t) s ) normalmente domina la componente veloce alla base della pulse-shape discrimination Caratteristiche di un buon scintillatore alta efficienza i di conversione energia/luce trasparenza alla luce emessa emissione in un range spettrale consistente con la risposta spettrale dei fotorivelatori costante di tempo veloce Lecture 2 - Scintillating Detectors 5

6 Scintillatori organici Composti da idrocarburi C C quasi sempre contenenti l'anello del benzene C C Scintillazione dovuta alla transizione di elettroni di C C valenza liberi della molecola (elettroni delocalizzati che occupano gli orbitali molecolari π) Le due componenti sono legate alle diverse forme di diseccitazioni molecolare: componente veloce: eccitazione molecolare ad uno stato che decade d (in ps) in uno stato t intermedio che decade d (in ns) nello stato fondamentale componente lenta: molecole eccitate che si diseccitano (>100 ns) interagendo tra loro attraverso il reticolo (fononi)

7 Scintillatori organici Il passaggio attraverso uno stato intermedio, garantisce che il materiale sia trasparente alla radiazione luminosa finale Al componente fluorescente primario si aggiunge solitamente una piccola quantità di un agente fluorescente secondario (wave-lenght-shifter) che ha il compito di assorbire e riemettere la radiazione luminosa ad una frequenza differente 7

8 Cristalli organici Antracene (C 14 H 10 ) Scintillatori organici Naftalene (C 10 H 8 ) Stilbene Liquidi organici soluzione liquida di uno o più scintillatori organici (qualche ) in un solvente organico processo di scintillazione simile a quanto detto prima ma anche il solvente gioca un ruolo importante nell'assorbimento e trasferimento dell'energia primaria il solvente agisce da wave-length-shifter assorbendo la radiazione e riemettendola a diversa λ scintillatori: PBD, PPO, (POPOP: wave length shifter) solventi: Xylene, toluene, benzene ene... Veloci: ~ns (antracene ~30ns) Affidabili ma risposta alla radiazione anisotropa Antracene ha il massimo light yield ~2 fotoni per 100 ev depositati Veloci: 3-4 ns Molto sensibili alle impurezze nel solvente e all'ossidazione (effetto sul light yield e sulla trasmissione della luce) Tossici e velenosi (benzine!) Lecture 2 - Scintillating Detectors 8

9 Plastiche Scintillatori organici come per ili liquidi idiorganici ima con un 'solvente' polimerizzato (plastica) scintillatori: t i PBD, PPO, POPOP solventi: Poliviniltoluene (PVT) Polistirene (PS)... i più utilizzati nella fisica nucleare e delle particelle Densità: g/cm 3 Light yield: 1 fotone per 100 ev depositati Veloci: tempi di decadimento t d = ns Robusti, affidabili e relativamente economici Facilmente lavorabili Invecchiamento se esposti alla luce (superficiale e bulk) Lunghezza di attenuazione: non solo determinata dalle proprietà del materiale ma anche dalla lavorazione e dalla geometria Campi magnetici: effetti (non lineari) sul light-yield Danneggiamento da radiazione: peggioramento di light yield e lunghezza di radiazione Lecture 2 - Scintillating Detectors 9

10 La Trasmissione della Luce La perdita della luce da uno scintillatore avviene in due modi: per perdita attraverso le superfici i laterali li e per riassorbimento da parte dello scintillatore stesso Scintillatori di grandi dimensioni (>1m) risentono di questo effetto La lunghezza di attenuazione λ dipende dalla geometria del rivelatore e dalla lavorazione delle superfici I data sheets riportano λ per un mezzo infinito (bulk), nel caso specifico occorre simularlo o misurarlo Lecture 2 - Scintillating Detectors 10

11 Legge di Birks La risposta di uno scintillatore dipende dall'energia depositata e dal tipo di particella All'aumentare dell'energia depositata la quantità di luce prodotta (per unità di energia) negli scintillatori plastici e liquidi diminuisce Per es., nello scintillatore plastico, una particella α di E~100 MeV emette ~ 1/3 della luce prodotta da un elettrone di uguale energia La non linearità è legata ad un effetto di saturazione nella diseccitazione delle molecole Luce prodotta per unità di lunghezza de/dx: perdita di energia per ionizzazione Y 0 : Intensità luminosa a bassa densità di ionizzazione k B : parametro che lega la densità dei centri di ionizzazione a de/dx (fit dei dati sperimentali)

12 12 Lecture 2 - Scintillating Detectors

13 Scintillatori Inorganici Cristalli isolanti (tipicamente) alcalini contenenti una piccola percentuale di impurità fluorescenti: NaI(Tl), CsI(Tl) Altri cristalli non-alcalini: BGO, BaF 2, PbWO 4 Meccanismo di scintillazione legato alla struttura a bande energetiche del cristallo Una particella ionizzante può: eccitare e un elettrone dalla banda di valenza a a quella di conduzione (creazione di lacuna/e liberi) creare un eccitone, eccitando un elettrone in una banda immediatamente t sotto la banda di conduzione gli atomi presenti nel reticolo possono essere ionizzati dalle exciton conduction band electron band lacune (libere o prodotte activation centres dall'eccitone) (im pu rities) traps la luce di scintillazione viene scintillatio n emessa dalle impurità durante ( nm ) la diseccitazione hole 13 valence band luminescense quenching excitation E g

14 Caratteristiche Scintillatori Inorganici densità elevata: 4-8 g/cm 3 Z elevato alto output di luce: ~4 fotoni per 100 ev depositati ottima risoluzione energetica anche a basse energie Ideali per applicazioni dove è richiesto un elevato stopping power e/o alta efficienza di conversione e - /γ calorimetri elettromagnetici rivelatori per γ Forte dipendenza dell output di luce dalla temperatura Alcuni cristalli sono igroscopici Lecture 2 - Scintillating Detectors 14

15 Più usato, alto yield di luce, emissione nel range dei fotocatodi bialcalini ma molto igroscopico e difficile da lavorare Alta densità, bassa X 0, non igroscopicoi Ha la componente fast molto veloce Alta densità, ma basso output luminoso Oltre ai cristalli 'classici' sono allo studio nuovi composti dell'ittrio e del lutezio quali YAP e LuAP (ottima linearità e ottima risoluzione i energetica) Il light output assoluto va poi considerato in relazione al fotorivelatore usato: N pe /MeV = LQEN g /MeV g N fotoelettroni misurati L: trasmissione, riflessione e geometria del cristallo QE : quantum efficiency del fotocatodo N g = light yield 15

16 Scintillatori Gassosi Gas nobili come xenon, krypton, argon, elio... ad alta pressione o liquidi Eccitazione dei singoli atomi con diseccitazione molto rapida (<1ns) Necessitano un wave-length-shifter (depositato sulle pareti del contenitore) per spostare l'emissione luminosa dall'uv al visibile Vetro scintillante t A excitation ionization Borosilicati attivati con cerio Scarso light yield Ottima resistenza chimico/meccanica li rende adatti ad impieghi in situazioni estreme Tempidirispostadidecinedins decine ns Light yield: 20-30% dell'antracene A* collision with g.s. atoms excited molecule A 2 * A + A 2 + ionized molecule de-excitation and dissociation A A A 2 * recombination e - UV 130nm (Ar) 150nm (Kr) 175nm (Xe) Pulse shape discrimination Materiali scintillanti con due costanti di tempo forte dipendenza delle costanti di tempo da de/dx Possibilità di identificare la particella dalla forma del segnale 16

17 Guide di luce UV light enters the WLS material Light is transformed into longer wavelength Total internal reflection inside the WLS material transport of the light to the 17photo detector

18 Fibre Ottiche Optical Fibers typ. 25 μm core polystyrene n=1.59 cladding (PMMA) n=1.49 n 1 light transport by total internal reflection n 2 θ typically <1 mm Minimize n cladding Ideal: n = 1 (air), but impossible due to surface imperfections Multi-clad fibers Improved aperture Long(er) absorption length for visible light (> 10 m) core polystyrene n=1.59 cladding (PMMA) n= μm fluorinated outer cladding n= μm 18

19 Fotomoltiplicatore (PMT) 4) Foto-elettroni tt elettroni 5) Elettrodo focalizzante (primari) espulsi con una certa Raccoglie i foto elettroni probabilità (efficienza quantica) accelerandoli dal fotocatodo 9) Vuoto Il moto degli elettroni avviene nel vuoto spinto (~10-6 mb) in un contenitore di vetro 8) Pins Alimentazione ai 1) Luce incidente dinodi (ΔV) e raccolta del segnale all'anodo 2) Finestra trasparente alla radiazione luminosa che si vuole misurare(vetro o quarzo) 3) Fotocatodo Materiale fotoemissivo che colpito dalla luce emette elettroni per effetto fotoelettrico 7) Anodo Viene raccolta la carica finale amplificata 6) Elettrodi moltiplicanti (dinodi) Accelerano e moltiplicano gli elettroni secondari (amplificazione) grazie ad una ΔV e al materiale di cui sono fatti

20 La Finestra di Ingresso Il materiale di cui è composta determina il taglio in frequenza a basse λ (UV) vetro leggero (lime glass) borosilicato (vetro duro) vetro UV-trasparente quarzo (fused silica) Dovrà essere trasparente e adatta al segnale che vogliamo misurare e al fotocatodo che si usa Esempi di distribuzione spettrale di emissione luminosa di alcuni scintillatori inorganici 20

21 Il Fotocatodo Radiant sensitivity + Materiale finestra Sottile strato di materiale depositato sulla finestra di ingresso (vetro o quarzo) Per effetto foto-elettrico i fotoni ottici incidenti sul fotocatodo vengono trasformati in (foto-) elettroni La risposta di un PMT alla luce può essere fornita in diversi modi: Efficienza quantica (QE) = N e emessi N g incidenti QE ~ 5-30% dipende fortemente da λ incidente e dal materiale di cui è fatto il fotocatodo Tipicamente materiali alcalini con basso potenziale di ionizzazione. Più comuni: Bialkali (SbKCs): buona risposta nel visibile (blu). Variazioni sul tema per aumentare la QE nel verde o nel rosso I prodotta Radiant sensitivity = Potenza incidente Più comoda da misurare Semplice relazione con QE QE (%) = Cs - I Te-Cs (Quarzo) Bialkali (Quarzo) 124 λ (nm) Bialkali Bialkali a basso rumore Radiant sensitivity (ma/w) Il fotocatodo si ossida facilmente la pressione parziale di O 2 deve essere ancora minore (10-8 mbar) 21

22 Il Guadagno del PMT I foto-elettroni emessi dal catodo vengono accelerati e raccolti sul primo dinodo I dinodi (metallici) sono mantenuti ad una differenza di potenziale (ΔV) e ricoperti di materiali bialkalini con un coefficiente di emissione secondaria d>1 Il coefficiente d (tipicamente ~2-5) dipende dall'energia dell'elettrone incidente e quindi dalla ΔV applicata La tensione di alimentazione del PMT (~ V) viene divisa e distribuita ai dinodi attraverso un partitore di tensione (resistivo o capacitivo) Lecture 2 - Scintillating Detectors 22

23 Il Guadagno del PMT Il guadagno di un PMT viene definito come il rapporto tra la corrente all'anodo anodo e la corrente al catodo: K= costante che dipende dalle dimensioni del G = d n =(K ΔV) n PMT e geometria di raccolta ΔV = diff. di potenziale tra i vari dinodi (può non essere costante) ~ V ΔG/G = n ΔV/V n = Numero dinodi (10-14) G ~ Per n=10 una variazione dello 1% sulla alimentazione produce una variazione del 10% sul guadagno Il processo è statistico e quindi d fluttua secondo la statistica di Poisson (σ= d) Le fluttuazioni sul numero di foto-elettroni (ed il guadagno del primo dinodo) dominano la statistica di raccolta e quindi la larghezza dello spettro finale 1 d Q = G N pe (σ Q /Q) 2 = d -1 Lecture 2 - Scintillating Detectors N 23 pe

24 Il Partitore di Tensione La tensione di alimentazione del PMT (~ V) viene divisa e distribuita ai dinodi attraverso un partitore di tensione (resistivo o capacitivo) Il PMT può essere alimentato positivamente (fotocatodo a massa e anodo a potenziale positivo) oppure negativamente (anodo a massa e fotocatodo a potenziale negativo) Vista l'estrema sensibilità del G rispetto a ΔV, occorre che l'alimentatore sia stabilizzato (<0.05%) e che la corrente di partitore sia» alla corrente dovuta agli elettroni emessi dai dinodi (che scorre in parallelo) 24

25 Rumore del PMT Il fotocatodo può emettere elettroni per effetto termoionico i (corrente oscura) anche in assenza di luce La corrente media è proporzionale alla temperatura variando da qualche na a ma per i PMT più grandi Il processo è stocastico quindi la corrente fluttua (statistica di Poisson) causando un rumore non eliminabile (se non abbassando la temperatura del PMT ) Il rumore ha il suo massimo per l'emissione di un singolo foto elettrone Lecture 2 - Scintillating Detectors 25

26 Risoluzione temporale Altre Caratteristiche il tempo di transito del segnale attraverso il fototubo t (luce sul pc - segnale all'anodo) dipende dalle dimensioni del PMT e varia da qualche ns a qualche decina di ns (il PMT è un dispositivo veloce!) le fluttuazioni i del transit-time ti (Transit time Spread o jitter) è proporzionale a 1/ N pe. Dipende dalle dimensioni del PMT, dalla zona di raccolta, dalla tensione applicata. Linearità misura il rapporto tra il numero di fotoni incidenti e la carica raccolta all'anodo nella realtà ci sono diversi fattori che possono pregiudicare la linearità del PMT: eccessiva corrente degli elettroni tra i dinodi, variazione di tensione tra i dinodi, drift del G Lecture 2 - Scintillating Detectors 26

27 Stabilità Altre Caratteristiche misura la stabilità del guadagno del PMT nel tempo cause di non-stabilità sono: variazione della temperatura cambio di G dovuto ad illuminazione costante riaccensione dopo un lungo periodo di inattività per queste ragioni i PMT vanno alimentati per qualche giorno prima di poter essere utilizzati Sensibilità ai campi magnetici la presenza di un campo magnetico (anche quello terrestre!) altera il funzionamento di un PMT l'efficienza di raccolta, il jitter ed il G ne sono alterati se i PMT devono operare necessariamente all'interno di campi magnetici, occorre schermarli con l'utilizzo di schermi magnetici (mu-metal, ferro dolce...) schermi magnetici di ragionevoli spessori sono possibili per B~1-200 Gauss Lecture 2 - Scintillating Detectors 27

28 Altre Caratteristiche Plastic scintillator 10 nsec / division Inorganic crystal, NaI 5000 nsec / division (Longer time scale for fluorescence to occur) 28

29 Esempi di PMT