Rivelatori a scintillazione

Rivelatori a scintillazione

Principio di funzionamento Passaggio di radiazione attraverso materiale scintillante eccitazione di atomi e molecole del materiale con emissione di luce Raccolta e trasmessa (direttamente o via una guida di luce) ad un fotorivelatore (fotomoltiplicatore PMT o fotodiodo ) Convertita in corrente elettrica analizzata da un sistema elettronico

Passaggi fondamentali Quanto incide nello scintillatore, deposita tutta o parte della propria energia efficienza di rivelazione (sezione d urto) Gli stati eccitati nello scintillatore emettono UV o luce visibile e ritornano allo stato fondamentale. I fotoni di scintillazione vengono emessi in tutte le direzioni. efficienza di scintillazione (fotoni/mev)

Passaggi fondamentali I fotoni di scintillazione vengono riflessi e diffusi fino ad assorbimento o fuga dallo scintillatore. efficienza di raccolta della luce Una frazione di fotoni di scintillazione raggiunge il fotorivelatore e viene convertita in carica elettrica. efficienza quantica (elettrone/fotone)

Diagramma

Scintillatore ideale Alta efficienza di rivelazione (alto Z per i gamma/x) Alta efficienza di scintillazione Il rendimento in luce deve essere proporzionale all energia depositata. Il materiale deve essere trasparente alla lunghezza d onda della propria emissione La lunghezza d onda della luce emessa deve essere in accordo con la sensibilita del fotorivelatore Il tempo di decadimento della luminescenza indotta deve essere breve in modo da avere rapidi segnali impulsivi. Il suo indice di rifrazione deve essere il più possibile vicino a quello del vetro (n= 1.5) per permettere una efficiente trasmissione della luce di scintillazione al fotocatodo.

Tipi di scintillatori ORGANICI (amorfi) Organici puri (antracene) Plastici (polyviniltoluene+fluoro) Liquidi Caricati (Sn, Pp per rivelazione X/gamma) INORGANICI Puri (CsF, NaI, CsI, BaF 2, Bi 4 Ge 3, O 12 ) Attivati (NaI (Tl), CsI(Tl), Lu 2 Si 5 (Ce)) ALTRi Vetri Gas nobili (He, Ar, Xe)

Processo di Scintillazione Luminescenza: assorbimento di energia in una sostanza e sua riemissione sotto forma di radiazione nel visibile a seguito di un processo iniziale di eccitazione dovuto a luce, sollecitazione meccanica, reazione chimica, riscaldamento La scintillazione è il processo di emissione luminosa che accompagna l interazione di una radiazione con la sostanza scintillante e trae la sua origine dalle eccitazioni e dalle ionizzazioni prodotte Fluorescenza: emissione luminosa che avviene durante l eccitazione o entro un intervallo temporale dell ordine di 10-8 s (pronta o ritardata) Fosforescenza: emissione che avviene dopo che l eccitazione è cessata (ms)

Scintillatori organici Nei materiali scintillanti organici (idrocarburi aromatici) il meccanismo di scintillazione dipende dai livelli energetici degli elettroni di valenza associati alle molecole. S= singoletto (spin=0) T= tripletto (spin=1) S 0 S 1 radiazione ionizzante (<1 ns) S 0 T 1 proibita, spin flip proibito S 1 S 0 (fluorescenza veloce) S 1 T 1 (danno o processi termici lenti) T 1 S 0 fluorescenza lenta (fosforescenza)

Spettro di emissione-assorbimento I fotoni emessi hanno una lunghezza d onda maggiore (minore energia) dei fotoni assorbiti Luce UV è facilmente assorbita nella maggior parte dei materiali organici aggiunta di secondo materiale fluorescente in cui questa luce è convertita in luce visibile: wavelength shifter

Scintillatori inorganici attivati Nei materiali inorganici il meccanismo di scintillazione dipende dagli stati energetici determinati dal reticolo cristallino del materiale. Piccole quantità di impurità sono generalmente aggiunte agli scintillatori inorganici, e ne modificano la struttura a bande.

Decadimento Scintillatori inorganici attivati decadono lentamente a causa delle transizioni proibite allo stato fondamentale

TABELLA CON LE PRINCIPALI CARATTERISTICHE DEI CRISTALLI A SCINTILLAZIONE Materiali Densità (g /cm 3 ) Lungh. atten. (2) 1/µ (cm) di Resa Luminosa (Fotoni/ MeV) BaF 2 4.88 2.29 10000 1800 Costante Princ. Decad. (ns) 630 0.8 Indice Rifrazion (*) 1.50 1.54 Lungh. d'onda di max emissione 310 (nm) 220 BGO 7.13 1.11 8200 300 2.15 480 15-20 CaF2(Eu) 3.81 3.72 19000 940 1.40 435 50 Resa luminosa Relativa (1) allo NaI (%) 16 5 CaW O 4 6.10 1.50 6000 6000 1.92 430 16 CeF 3 6.16 1.77 4200 27 1.62 340 3 CsF 4.64 2.69 2500 3 1.48 390 5-7 CsI 4.51 2.43 2300 16 1.79 315 4-6 CsI (3) 4.51 2.43 126500 600 1.79 400 220 CsI(Na) 4.51 2.43 39000 630 1.79 420 85 CsI(Tl) 4.51 2.43 52000 1000 1.79 550 45 LiI(Eu) 4.08 2.73 11000 1400 1.96 470 35 NaI (3) 3.67 3.05 76000 60 1.85 303 200 NaI(Tl) 3.67 3.05 38000 230 1.85 415 100

Raccolta della luce La luce di scintillazione èemessa in modo isotropo: una piccola frazione di essa è diretta verso la superficie di contatto col fototubo. la parte rimanente, per poter essere raccolta, deve essere riflessa una o più volte da parte delle altre superfici del cristallo. n 1 <n 0 θ c = 1 n sin 1 n 0 Situazioni all interfaccia di due mezzi ottici diversi (n 0 >n 1 ). Il raggio può uscire, mentre il viene riflesso. θ > θ c riflessione totale θ < θ c riflessione e trasmissione parziale attraverso la superficie θ θ c frazione riflessa pari a pochi percento

Raccolta della luce Scintillatore ideale : riflessione totale interna alle superfici riflessione totale interna minima sulla faccia rivolta verso il fototubo (per evitare l effetto di intrappolamento della luce all interno del cristallo). La luce deve trovarsi entro il cono di fuga θ < θ C n 1 = superficie lucidata n 2 = mezzo trasparent3 Riflessione della luce alla superficie: a) angolo d incidenza > θ c ; b) angolo d incidenza < θ c ; c) riflettore speculare (foglio di alluminio); d) riflettore diffuso (superficie diffusa ricoperta da un riflettore, es:mgo). L indice di rifrazione degli scintillatori plastici, liquidi e vetrosi è normalmente molto prossimo a quello del vetro del fototubo (n~1.5). Un buon accoppiamento si ottiene interponendo tra cristallo e fototubo una sostanza fluida con pari indice di rifrazione (es. olio di silicone ).

Risoluzione energetica Le condizioni di raccolta della luce influiscono sulla risoluzione energetica di uno scintillatore in due distinte maniere: La prima riguarda il peggioramento della risposta che si verifica quando si riduce il numero di fotoni che contribuiscono all impulso. La seconda concerne l uniformità della raccolta di luce che influisce sulla variazione dell ampiezza del segnale in relazione alla posizione nella quale ha luogo l interazione. Il caso ideale si ha quando tutti gli eventi che depositano la stessa energia in un punto qualunque dello scintillatore producono la stessa ampiezza media di impulsi di carica.

LIGHT SHARING CRYSTAL OPTICALLY ISOLATED CRYSTALS PSEUDO-OPTICALLY ISOLATED CRYSTALS Scintillation Crystals Position- Sensitive Photodetector RES0LUTION FUNCTIONS

Montaggio dei cristalli Il montaggio fisico dei cristalli e l accoppiamento col tubo fotomoltiplicatore rivestono particolare importanza. Lo scintillatore viene incapsulato per motivi di protezione meccanica e per protezione dalla luce ambientale; inoltre, come nel caso dello NaI(Tl) che presenta forte igroscopicità, esso va sigillato ermeticamente. La figura mostra un cristallo NaI(Tl) sigillato, rivestito da uno strato riflettente di MgO e provvisto di una finestra di vetro per la trasmissione della luce al fotocatodo. Sia il rivestimento in alluminio che il riflettore in α-allumina hanno spessore minimizzato per prevenire la formazione di elettroni secondari e il degrado dello spettro gamma in esame all interno dell involucro.

Fotomoltiplicatori Convertono i segnali luminosi estremamente deboli prodotti dal materiale scintillante in segnali elettrici. Struttura semplificata di un fototubo: strato fotosensibile: fotocatodo sistema di moltiplicazione elettronica anodo di raccolta della carica elettrica

Il processo di emissione fotoelettrica assorbimento del fotone incidente trasferimento dell energia ad un elettrone del mezzo fotoemissivo (luce blu 3eV) migrazione dell elettrone verso la superficie del fotocatodo (dispersione di energia in collisioni con elettroni) allontanamento dell elettrone dal fotocatodo (è necessario un valore minimo di energia per superare la barriera di potenziale che esiste all interfaccia tra il mezzo e il vuoto: 3 4 ev per molti metalli; 1.5 2 ev per semiconduttori appositamente studiati).

Il processo di emissione termoionica Energia Cinetica Termica degli elettroni di conduzione del fotocatodo (T=25 C): Ec 0.025 ev (valore medio) Segnale spontaneo di origine termica Gli elettroni di conduzione con energie superiori alla barriera di potenziale che si trovano in prossimità della superficie possono allontanarsi dal fotocatodo. Nei metalli: 100 elettroni m -2 s -1 (elevata barriera di potenziale) Nei semiconduttori: 10 6 10 8 elettroni m -2 s -1. La maggiore sensibilità alla luce è raggiunta solo a prezzo di una maggiore emissione di origine termica.

Efficienza quantica del fotocatodo E q = numero di fotoelettroni emessi numero di fotoni luminosi incidenti Fotocatodo ideale: E q =100% NaI(Tl) BGO Fotocatodo reale: E q èfunzione di λ della luce incidente Cut-off alla lunghezza D onda del rosso (funzione lavoro ~ 1 ev)

Sensibilita spettrale Spettri di emissione di alcuni scintillatori inorganici e curve di risposta di due tipi di fotocatodo di largo uso

Emissione elettronica secondaria Gli elettroni emessi dal fotocatodo vengono accelerati da un apposito campo elettrico e colpiscono la superficie dell elettrodo acceleratore, detto dinodo. Segue l emissione di più di un elettrone dalla superficie del dinodo. Ec 1 ev energia cinetica Dei fotoelettroni uscenti dal fotocatodo Eg 2 3 ev energia del Band-gap del dinodo Necessario accelerare i fotelettroni con ddp

Guadagno dei PMT Amplificazioni dell ordine di 10 6 nei tubi fotomoltiplicatori comportano l utilizzo di molti stadi dinodici. Gli elettroni che lasciano il fotocatodo vengono attirati sul primo dinodo e producono in media δ elettroni secondari. Se N è il numero degli stadi della sezione di moltiplicazione, il guadagno totale del fototubo sarà: G = α δ N dove α rappresenta la frazione di fotoelettroni emessi dal fotocatodo che viene raccolta dal primo dinodo. Valori tipici : δ = 5 ed α 1. G= 10 6 si ottiene con 8 9 stadi

Spettrometri a scintillazione 1. assorbimento di una particella nello scintillatore con produzione di eccitazioni e ionizzazioni; 2. conversione dell energia dissipata in energia luminosa mediante il processo di luminescenza; 3. trasmissione dei fotoni verso il fotocatodo del fotomoltiplicatore; 4. assorbimento dei fotoni al fotocatodo ed emissione di elettroni; 5. moltiplicazione elettronica all interno del fotomoltiplicatore; 6. analisi dell impulso di corrente in uscita dal fotomoltiplicatore con un opportuna catena elettronica

Funzione risposta NaI molto utilizzato per alto numero atomico dello Iodio (Z = 53) Alta efficienza di rivelazione Alta photofraction Alta resa luminosa e breve tempo di decadimento Preferibile a CsI e BGO Migliore risoluzione energetica Escape peak a meno 25 kev dal full energy peak Risoluzione energetica al variare Dell energia incidente

Spettri

Risoluzione energetica Energia spesa nel rivelatore (efficienza di rivelazione) Efficienza di scintillazione Ψ Efficienza di raccolta della luce ε Efficienza quantica del fotocatodo (QE) Uniformita nella raccolta, nel guadagno del fototubo, drift del guadagno, nonlinearita nella luce prodotta FWHM R = = H 0 2.35 N NaI(Tl) Gamma 511 kev N numero di elettroni prodotti al fotocatodo N= E QE ε Ψ Scintillatore= 20000 fotoni Fotocatodo= 15000 fotoni E energia dei gamma incidenti Fwhm = 4% Primo dinodo= 3000 fotoelettroni Anodo = 3 x 10 9 elettroni

Spettri misurati e calcolati BGO NaI(Tl) Confronto spettro sperimentale Spettro Monte Carlo

Risoluzione energetica La risoluzione energetica viene riportata di solito all energia di riferimento del Cs137 (662 kev) Rivelatori NaI di buona qualita accoppiati ai moderni PM presentano RE 6-7 % a 662keV lnr= lnk ½lnE

Linearita L efficienza di scintillazione o quantita di energia generata per unita di energia persa (dl/de) dipende dal tipo di particella interagente e dall energia Per NaI e fotoni la risposta e abbastanza lineare Necessaria una calibrazione

Efficienza di un rivelatore ai raggi gamma Una stima dell efficienza di uno scintillatore per raggi g può essere fatta calcolando la frazione di g assorbiti nell interazione con lo scintillatore. Si assume che tutti i processi di assorbimento all interno del cristallo, indipendentemente dalla loro natura, siano riassunti dal coefficiente di assorbimento totale µ il cui andamento in funzione dell energia è riportato a fianco. Per un fascio parallelo di gamma incidenti su uno strato di spessore d l efficienza intrinseca è semplicemente: ε = 1 Nel caso di una sorgente puntiforme posta sull asse di uno scintillatore cilindrico, l efficienza intrinseca può essere calcolata come: ( ) 1 e µ x dω Ω0 ε = Ω0 dove Ω 0 è l angolo solido sotteso dal cristallo e misurato dal punto in cui è posta la sorgente. e µd

Efficienza di rivelazione Cristalli prodotti in massa in forme e volumi definiti Cilindrico retto (diametro e altezza) Cristallo a pozzetto (misure di attivita ) Dati tabulati efficienza Efficienza assoluta Efficienza intrinseca Efficienza di picco Photofraction (picco/totale)

Efficienza assoluta

Efficienza intrinseca

Photofraction e efficienza di picco

Efficienza intrinseca Efficienza intrinseca in funzione dell energia dei raggi γ per distanze da 0 a 1.5 cm; (cristallo NaI(Tl) di dimensioni Φ = 1 ½ x 1 ) Efficienza intrinseca in funzione dell energia dei raggi γ per distanze da 2 cm a ; (cristallo NaI(Tl) di dimensioni Φ 1 ½ x 1 ) Valori di ε calcolati per uno scintillatore cilindrico NaI(Tl) di dimensioni Φ = 1 ½ x 1