Rivelatori di radiazione

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1 Rivelatori di radiazione Catia Petta Dipartimento di Fisica e Astronomia Università di Catania & INFN

2 Summary Un compito da acchiappafantasmi Caratteristiche della preda Le strategie di cattura Gli attrezzi a disposizione Le conclusioni

3 1. Un compito da acchiappafantasmi: vedere la radiazione Nemmeno il microscopio più potente è in grado di far vedere le particelle sub-atomiche. Perché? La lunghezza d onda della sonda che usiamo per vedere deve essere più piccola delle dimensioni dell oggetto da risolvere.

4 Un compito da acchiappafantasmi: vedere la radiazione

5 Un compito da acchiappafantasmi: vedere la radiazione

6 Un compito da acchiappafantasmi: vedere la radiazione Se ci pensiamo bene, una presenza lascia sempre tracce

7 Un compito da acchiappafantasmi: vedere la radiazione Se ci pensiamo bene, una presenza lascia sempre tracce QUINDI, se non possiamo vedere la radiazione, possiamo rivelarne la presenza?

8 Un compito da acchiappafantasmi: vedere la radiazione I primi rivelatori rendevano visibili proprio le tracce del passaggio di particelle cariche. Camere a bolle Camere a nebbia Quali informazioni si possono trarre da questi disegni?

9 Un compito da acchiappafantasmi: vedere la radiazione - Intermezzo teorico Moto di una carica in un campo magnetico dal sito: proviamo a fare una simulazione della traiettoria del moto cui dà origine una particella carica quando è immersa in un campo magnetico.

10 Un compito da acchiappafantasmi: vedere la radiazione CAMERA A NEBBIA - simulazione dal sito: proviamo anche noi ad usare una camera a nebbia virtuale e studiamo il decadimento alfa e beta di alcune sorgenti radioattive

11 Un compito da acchiappafantasmi: vedere la radiazione CONTATORE GEIGER - simulazione dal sito: proviamo anche noi ad usare un Contatore Geiger e studiamo come cambiano i conteggi al variare dei materiali radioattivi, delle distanze e degli assorbitori.

12 1. Un compito da acchiappafantasmi: vederela radiazione

13 1. Un compito da acchiappafantasmi: sentirela radiazione

14 1. Un compito da acchiappafantasmi: RIVELARE la radiazione Quindi in questo compito qualcuno c è riuscito. E noi?

15 2. Le caratteristiche della preda Le particelle interagiscono con la materia. Quindi, se siamo in grado di rilevare gli effetti di questa interazione, e di misurarne l entità, possiamo vedere le particelle tramite dei segnali che esse producono nel materiale. Questi effetti dipendono: - dal materiale (struttura atomica, natura chimica, stato di aggregazione) - dalla particella (tipo, massa, carica, energia)

16 Le caratteristiche della preda INTERAZIONE particelle-materia: processi di ionizzazione In una collisione anelastica tra una particella carica e un elettrone di un atomo, la particella cede energia all elettrone, liberandolo. Si producono così elettroni e ioni (cioè atomi con un numero diverso di elettroni e protoni, e quindi dotati di una carica netta diversa da zero).

17 Le caratteristiche della preda INTERAZIONE particelle-materia: la scintillazione Gli elettroni che girano attorno al nucleo stanno in orbite ben precise, ciascuna con una ben definita energia. Se viene fornita energia ad un elettrone, esso può saltare verso un orbita più energetica, ma la quantità di energia fornita deve essere esattamente uguale alla differenza fra le energie delle due orbite. Quando l energia non viene più fornita, l elettrone torna al suo posto di partenza e restituisce l energia sotto forma di luce. atomo o molecola atomo o molecola Raccogliendo la luce prodotta, è possibile quantificare l energia che è stata persa dalla particella. atomo o molecola

18 Le caratteristiche della preda INTERAZIONE delle particelle cariche pesanti con la materia: la perdita di energia La perdita di energia varia man mano che la particella penetra nel materiale, raggiungendo un massimo ad una determinata profondità. Le curve che mostrano la dipendenza della perdita di energia in funzione dello spessore di materia attraversato, vengono chiamate curve di Bragg.

19 Le caratteristiche della preda INTERAZIONE di elettroni e positroni con la materia: il processo di bremsstrahlung Una particella carica sottoposta a frenamento, per effetto del campo elettrico prodotto dai nuclei atomici, emette energia sotto forma di radiazione. Tale processo è direttamente proporzionale all'energia e inversamente proporzionale al quadrato della massa delle particelle; ad energie di pochi MeV risulta ininfluente ma al crescere dell'energia esso può diventare il maggiore responsabile della perdita di energia per elettroni e positroni.

20 Le caratteristiche della preda INTERAZIONE di particelle cariche con la materia: il range Il range di una particella è la distanza da essa percorsa in un materiale, prima di perdere tutta la propria energia. Questa quantità dipende dal tipo di particella, dalla sua energia e dal tipo di materiale. Sperimentalmente questa quantità può essere misurata facendo passare un fascio di particelle della stessa energia attraverso diversi spessori di uno stesso materiale, in modo da vedere come varia il rapporto tra le particelle trasmesse e le particelle incidenti. L'unità di misura con cui vengono spesso dati i range è g/cm²; in tale misura è considerato il materiale su cui la particella incide, infatti, tale unità si ricava dal prodotto ρx, dove ρ è la densità del materiale e x la distanza percorsa dalla particella.

21 Le caratteristiche della preda INTERAZIONE fotoni-materia: effetto fotoelettrico dal sito: L'effetto fotoelettrico spiega l'emissione di elettroni da parte di un metallo colpito da radiazione elettromagnetica. La spiegazione di tale fenomeno fu un successo della meccanica quantistica e fu resa possibile quando nel 1905 Einstein estese le ipotesi quantistiche di Planck, postulando che la quantizzazione non era una proprietà del meccanismo di emissione, ma piuttosto una proprietà intrinseca del campo elettromagnetico. proviamo a fare una simulazione dell effetto fotoelettrico.

22 Le caratteristiche della preda INTERAZIONE fotoni-materia: effetto Compton h ν dal sito: T h ν ' Lo scattering Compton avviene su elettroni liberi non legati al nucleo, contrariamente all effetto fotoelettrico. Nell'interazione, il fotone di energia hν trasferisce ad un elettrone, che si suppone fermo e libero, parte della sua energia e del suo impulso. Come risultato si avrà un fotone diffuso ad un angolo θ con un energia h ν ', e l'elettrone deflesso ad un angolo φ con energia cinetica T. proviamo a fare una simulazione dell effetto Compton.

23 Le caratteristiche della preda INTERAZIONE fotoni-materia: creazione di coppie T(e-) + T(e+) = hν - 2mc² La creazione di coppie implica la trasformazione del fotone incidente in una coppia elettrone-positrone. Il processo può avvenire solo quando l'energia del fotone è pari almeno alla somma delle masse delle particelle create, cioè per Eg >2m e c² (1.022 MeV) e in presenza di un terzo corpo, in genere un nucleo, affinché ci sia conservazione della quantità di moto. Quando l'energia cinetica del positrone diventa bassa (confrontabile con l'energia termica degli elettroni nel mezzo) esso si ricombina con un elettrone dando luogo a due fotoni che sono emessi in direzioni opposte, ciascuno con energia pari a 0.51 MeV.

24 Le caratteristiche della preda INTERAZIONE particelle-materia: effetto Cherenkov La velocità della luce non sempre è insuperabile. Quando la luce attraversa un materiale, viagga a una velocità leggermente minore di quella che ha nel vuoto, e quindi è fisicamente possibile che una particella, attraversando lo stesso materiale, sia più veloce della luce dentro quel materiale. Quando ciò avviene, si verifica l effetto Cherenkov, ossia l emissione di un cono di luce attorno alla traiettoria della particella. Un fenomeno simile al bang supersonico. Studiando l ampiezza di questo cono, si può risalire alla velocità della particella, e quindi all energia.

25 3. Le strategie di cattura processi di ionizzazione, assorbimento fotoelettrico, creazione di coppie Se creo un campo elettrico attorno alla zona dove avviene la ionizzazione, gli elettroni e gli ioni prodotti vengono messi in movimento e raccolti agli elettrodi. Gli elettroni, piccoli e leggeri, viaggiano rapidamente, mentre gli ioni saranno più impacciati.

26 Le strategie di cattura processi di scintillazione, annichilamento di coppie e- e+ effetto Cherenkov

27 Le strategie di cattura Se mi interessa l energia: calorimetri stoppano totalmente una particella permettendomi di misurare tutta la sua energia Se mi interessa la traiettoria: rivelatori di posizione sanno dire con precisione da dove è passata la particella rivelatori di tracking permettono di seguire la traiettoria della particella combinati con un campo magnetico, consentono di ricostruire la quantità di moto della particella dal raggio della curvatura della sua traiettoria Se mi interessa identificare la particella: sistemi di identificazione in massa in genere costituiti da più parti, permettono di risalire al tipo di particella confrontandone diverse proprietà fisiche (energia e quantità di moto)

28 4. Gli attrezzi a disposizione Rivelatori a gas sfruttano l interazione di particelle con i gas (tipicamente ionizzazione) punto debole: tempi di risposta punto forte: dimensioni Rivelatori a scintillazione basati sul fenomeno della scintillazione, e corredati di dispositivi per raccogliere la luce punto debole: estremamente delicato punto forte: tempi di risposta Rivelatori a stato solido basati tipicamente su semiconduttori (silicio, germanio) drogati con impurità punto debole: dimensioni punto forte: tempi di risposta e potere risolutivo

29 Gli attrezzi a disposizione Rivelatori a gas CAMERE A IONIZZAZIONE La particella produce tante coppie ione + elettrone, man mano che attraversa il gas, lungo il suo percorso. Gli elettrodi di segno opposto attirano ioni ed elettroni, che però si muovono con velocità diverse: gli elettroni vanno più rapidi, mentre gli ioni, essendo più grossi, si trovano più impacciati.

30 Gli attrezzi a disposizione Rivelatori a gas CONTATORE PROPORZIONALE Applicando una d.d.p. alta fra gli elettrodi, gli ioni e gli elettroni di ionizzazione possono a loro volta ionizzare il gas, amplificando così il segnale. CONTATORE GEIGER A tensioni ancora più alte, anche una sola coppia di ioni creata dalla particella primaria, dà origine ad una scarica a valanga completa. In questo caso, però, non è più possibile mantenere l informazione relativa all energia depositata. I contatori Geiger, infatti, permettono solo di rilevare la presenza di radiazione, ma non di sapere di che tipo di radiazione si tratti o a che energia.

31 Gli attrezzi a disposizione Rivelatori a gas per misure di posizione CAMERE A FILI - I Il punto di forza dei rivelatori a gas è che possono essere straordinariamente grandi, senza costare uno sproposito. Dal momento che la particella produce ionizzazione lungo il suo percorso, è possibile usare un rivelatore a gas per seguirne la traiettoria. Obiettivo: costruire un rivelatore a gas che mi restituisca informazioni di posizione.

32 Gli attrezzi a disposizione Rivelatori a gas per misure di posizione CAMERE A FILI -II Se costruisco un rivelatore in cui gli anodi sono dei fili, e i catodi sono due piani alle estremità, quando passa la particella, solo gli anodi vicini ad essa risponderanno fortemente e subito, e così potrò capire da che parte è passata.

33 Gli attrezzi a disposizione Rivelatori a gas per misure di posizione CAMERE A DERIVA Se sono capace di misurare il tempo che le cariche impiegano per raggiungere gli elettrodi, posso stimare anche l altra dimensione, quella trasversale agli anodi.

34 Gli attrezzi a disposizione Rivelatori a scintillazione e fotomoltiplicatori Un cristallo scintillatore è il rivelatore vero e proprio, che reagisce al passaggio di particelle producendo luce Un collettore convoglia tutta la luce verso un dispositivo che sia in grado di trasformarla in elettroni di energia data, in modo che ci sia proporzionalità fra numero di elettroni prodotti e luce raccolta. Un fotomoltiplicatore è un dispositivo fatto da diverse piastre a potenziale elettrico crescente, in modo che gli elettroni che arrivano su una piastra vengano accelerati verso la successiva in modo così violento da strappare via alcuni elettroni da ciascuna piastra, con il risultato di moltiplicare il numero di elettroni iniziale per un fattore fisso. In questo modo, all uscita del fotomoltiplicatore, il segnale elettronico è proporzionale all energia persa dalla particella.

35 Gli attrezzi a disposizione Rivelatori a semiconduttore - I Un semiconduttore è un materiale a metà strada fra il conduttore e l isolante. Quando viene liberato un elettrone in un punto di un cristallo semiconduttore, rimane una lacuna (= un buco). Per creare una coppia elettrone-lacuna non serve una energia elevata come nel caso dei gas, ma dell ordine dell ev. A T ambiente basta l agitazione termica per cedere questa energia agli atomi e creare un certo numero di coppie. In un campo elettrico, non sarà solo l elettrone a muoversi, ma anche la lacuna in verso opposto: infatti il buco tende ad essere riempito da un altro elettrone del cristallo che vi si trova vicino, e ciò ha l effetto di far spostare la lacuna in senso opposto all elettrone liberato. Il passaggio di una radiazione nel semiconduttore, determina la formazione di un certo numero di coppie elettrone-lacuna, quindi di una carica corrispondente all energia depositata, che viene raccolta agli elettrodi. La differenza con il caso elettrone + ione è che in questo caso la lacuna non è massiccia come lo ione, e quindi i tempi impiegati dai due portatori di carica per raggiungere gli elettrodi è più simile. Ciò determina una maggiore velocità di risposta di questo tipo di rivelatore.

36 Gli attrezzi a disposizione Rivelatori a semiconduttore - II Inserendo nel cristallo di un semiconduttore degli atomi di tipo opportuno, detti droganti, si possono controllare le concentrazioni degli elettroni in eccesso (drogaggio N) oppure delle lacune in eccesso (drogaggio P). Un pezzetto di semiconduttore di tipo P a contatto con uno di tipo N, forma una GIUNZIONE (diodo): gli elettroni e lacune si ricombinano nella zona di contatto, ma così facendo, creano uno scompenso di carica fissa che produce un campo elettrico nella zona centrale. Tale campo elettrico contrasta la diffusione, e ad un certo punto la arresta, per cui si ottiene una zona di svuotamento priva di elettroni e lacune. Applicando dall esterno un campo elettrico opportuno (polarizzazione inversa), la zona di svuotamento può essere ingrandita.

37 Gli attrezzi a disposizione Rivelatori a semiconduttore APD AVALANCHE PHOTODIODES Sono diodi capaci di: 1. Convertire l intensità luminosa di frequenza opportuna, in un certo numero di coppie e-h+; 2.Sfruttare l effetto della valanga per produrre dalle coppie primarie una grande quantità ( valanga ) di coppie secondarie. Utili per sostituire il fotomoltiplicatore in situazioni dove è richiesta una miniaturizzazione. Forniscono segnali elevati, proporzionali all energia depositata dalla radiazione nello scintillatore.

38 Gli attrezzi a disposizione Rivelatori a semiconduttore per misure di posizione RIVELATORI A STRIP I rivelatori a semiconduttore permettono una forte miniaturizzazione, e quindi una notevole precisione per le misure di posizione. RIVELATORI A STRIP Da una o entrambe le facce del cristallo semiconduttore, anziché un singolo elettrodo, si piazzano molte strisce separate, che hanno un funzionamento simile a quello delle camere a fili, ma permettono una risoluzione spaziale molto maggiore.

39 Gli attrezzi a disposizione Rivelatori a semiconduttore per misure di posizione RIVELATORI A PIXEL E A DERIVA RIVELATORI A PIXEL Il cristallo di silicio è suddiviso in una matrice di singoli elementi indipendenti, ciascuno dotato della sua elettronica di lettura. Ogni pixel non dà un segnale proporzionale all energia ma un semplice si / no che indica se una particella lo ha attraversato o meno. I pixel possono essere molto piccoli (pochi µm), e consentire quindi una ottima risoluzione in posizione in un piano. RIVELATORI A DERIVA Sulla faccia in cui stanno i catodi, si mette un anodo all estremità, che permette di misurare il tempo impiegato dagli elettroni a raggiungerlo dal punto in cui è passata la particella. In questo modo è possibile misurare anche la posizione nella direzione trasversale a quella degli anodi, come avviene nelle camere a gas a deriva.

40 Le conclusioni Un compito da acchiappafantasmi Caratteristiche della preda Le strategie di cattura Gli attrezzi a disposizione A voi LO SCHEMA DI ATTACCO!