Step del processo di rivelazione di radiazione ionizzante mediante uno scintillarore: Interazione della radiazione (ionizzazione e eccitazione) Processi di diseccitazione (emissione di luce) Raccolta della luce di scintillazione Conversione dei fotoni luminosi in elettroni (segnale elettrico) Amplificazione e processamento del segnale elettrico } } } Scintillatore Guida di luce Foto-rivelatore
Il processo di conversione da radiazione ionizzante a radiazione luminosa (VIS/UV) è piuttosto complesso e costituita da alcuni step. Iniziamo a vedere le cose per uno scintillatore inorganico.
6-7 ev Diagramma rappresentante uno scintillatore inorganico: Materiale isolante Presenza di livelli trappola nel gap proibito tra BV e BC (da evitare/minimizzare) Presenza di livelli attivatori nel gap proibito tra BC e BC (centri di luminescenza)
1. Conversione: interazione di un fotone di alta energia con il materiale dello scintillatore tramite effetto fotoelettrico, Compton, produzione di coppie. Liberazione di cariche (per ionizzazione) che perdono energia nel mezzo (termalizzazione). Le cariche possono essere create anche dall interazione di radiazione corpuscolare (alfa, beta, protoni, neutroni..)
2. Trasporto: diffusione delle coppie elettroni/lacune attraverso il materiale. Durante questa fase le cariche possono: - essere intrappolate in livelli tra BV e BC dovuti all inevitabile presenza di impurezze nel reticolo cristallino - subire delle ricombinazioni non radiative (che non danno cioè origine a segnali di scintillazione)
3. Luminescenza: Processi di ricombinazione radiativa di elettroni/lacune nei centri di luminescenza (centri di ricombinazione). In genere i processi di ricombinazione coinvolgono stati eccitati del centro di luminescenza. La diseccitazione da origine a fotoni nel visibile/uv
Proprietà ideali di un buon scintillatore 1. Elevata efficienza di scintillazione 2. Conversione lineare tra energia assorbita dalla radiazione ionizzante ed intensità luminosa della scintillazione 3. Trasparenza rispetto ai fotoni di scintillazione emessi 4. Breve tempo di decadimento (rapidità del segnale) 5. Spettro di emissione del segnale di scintillazione che possa essere facilmente rivelato dal foto-rivelatore accoppiato 6. Stabilità chimica e resistenza alla radiazione 7. Elevata densità e numero atomico (specie per la rivelazione dei fotoni )
Efficienza di scintillazione RIVELATORI A SCINTILLAZIONE Il numero di coppie elettroni/lacune liberate per effetto dell assorbimento di una energia E della radiazione ionizzante è N e h E E e h E e-h è l energia media necessaria per creare una coppia di elettrone/lacuna termalizzata Tipicamente: E e h Egap 2 3 E gap Il conseguente numero di fotoni di scintillazione N ph emessi è: N ph N e h S Q E E gap S Q S è l efficienza di trasporto degli elettroni/lacune ai centri di luminescenza Q è l efficienza quantica dei centri di luminescenza (ricombinazioni radiative.)
Efficienza di scintillazione RIVELATORI A SCINTILLAZIONE N ph N e h S Q E E gap S Q Importanza di E gap Per avere un segnale elevato e una buona risoluzione è necessario massimizzare il numero di fotoni di scintillazione. Quindi l energia del gap tra BC e BV dovrebbe essere più piccola possibile. D altro canto tale gap deve essere sufficientemente elevato da evitare fenomeni di autoassorbimento dei fotoni di scintillazione emessi (questi non devono cioè dare origine a nuove transizioni tra bande, devono essere trasparenti al cristallo) E quindi necessario raggiungere un compromesso nel valore di E gap quando si sceglie/sviluppa uno scintillatore
Trasparenza Nel processo di scintillazione l attivatore ha un ruolo fondamentale nel garantire la trasparenza dello scintillatore ai fotoni emessi CB Egap Scintillation photon Activator excited state Activator ground state VB La diseccitazione diretta dalla BC alla BV originerebbe infatti fotoni troppo energetici (non nello spettro del visibile/uv) con una elevata probabilità di auto-assorbimento e difficoltà di rivelazione da parte del foto-rivelatore accoppiato allo scintillatore Esempio: per un gap di 7 ev: hc E 1240 7 ev nm ev 177nm lontano UV
Tempo di scintillazione RIVELATORI A SCINTILLAZIONE Riprendendo le tre fasi che danno luogo al processo di scintillazione si osserva che la conversione è il processo più rapido (si conclude entro 1ps). Quindi a determinare il tempo di risposta di uno scintillatore sono le fasi di trasporto e luminescenza Light intensity I I 0 e ( t / ) time Nel caso più semplice l intensità del segnale luminoso decresce esponenzialmente nel tempo. La costante di decadimento varia a seconda dell attivatore presente nello scintillatore (da poche decine di nanosecondi fino a qualche millisecondo) Molto spesso l andamento temporale del segnale di scintillazione è più complesso (non mono-esponenziale) per effetto di altri fenomeni che contribuiscono a rallentare il sistema, tipicamente processi di trapping durante la fase di trasporto delle cariche.
Spettro di emissione e accoppiamento con il foto-rivelatore Ogni scintillatore è caratterizzato da un proprio spettro di emissione (emette cioè fotoni di scintillazione in un determinato intervallo di lunghezze d onda). Per la loro rivelazione da parte di un foto-rivelatore (es. fotomoltiplicatore o fotodiodo) è essenziale che tale spettro si sovrapponi alla curva di sensibilità del foto-rivelatore. Come regola generale si ha che scintillatori che hanno uno spettro di emissione nella regione del bluvicino UV possono essere ben accoppiati con un comune fotomotiplicatore. Per emissioni a lunghezze d onda maggiori (verderosso) possono essere più efficienti i fotodiodi
ESEMPI DI SCINTILLATORI RIVELATORI A SCINTILLAZIONE Diversi tipologie e forme di materiali scintillatori vengono impiegati a seconda del tipo di radiazione da rivelare: Per la rivelazione di particelle cariche pesanti (tipicamente particelle alfa) è sufficiente uno scintillatore molto sottile (visto il breve range di queste particelle). Un materiale scintillatore molto usato è il solfuro di zinco attivato all argento ZnS(Ag). Questo scintillatore è molto efficiente e disponibile in forma di polvere, usata per la realizzazione di sottili schermi scintillanti
ESEMPI DI SCINTILLATORI RIVELATORI A SCINTILLAZIONE Diversi tipologie e forme di materiali scintillatori vengono impiegati a seconda del tipo di radiazione da rivelare: Per la rivelazione di radiazione gamma sono necessari cristalli di elevata densità e numero atomico efficace, così da massimizzare la probabilità di interazione per effetto fotoelettrico
ESEMPI DI SCINTILLATORI NaI(Tl) Ioduro di sodio attivato al tallio CsI(Na) Ioduro di cesio attivato al sodio I più usati per la rivelazione della radiazione gamma. Hanno un elevata efficienza di scintillazione e spettri di emissione che ben si accoppiano ai fotomoltiplicatori. Sono igroscopici, quindi necessitano di un buon rivestimento E uno scintillatore intrinseco (autoattivato). Non necessità cioè di un attivatore aggiunto. Ha una elevatà densità e numero atomico, quindi è favotia l interazione dei fotoni per effetto fotoelettrico BGO germanato di bismuto (Bi 4 Ge 3 O 12 )
Gli esempi di scintillatori inorganici sono molteplici, ciascuno con proprie caratteristiche di efficienza, velocità, emissione, ecc.. A seconda dell applicazione si può preferire un sistema rispetto ad un altro. La ricerca verso lo sviluppo di nuovi scintillatori è sempre attiva. Scintillator Density (g/cm 3 ) 4 Z eff (10 6 ) Attenuation length at 511 kev (mm)/prob. phot. eff. (%) Hygroscopicity Light yield (photons/mev) Decay time (ns) Afterglow (% after 3 ms / 100 ms) Emission maximum (nm) NaI(Tl) 3.67 24.5 29.1 / 17 Yes 41 000 230 410 CsI(Na) 4.51 38 22.9 / 21 Yes 40 000 630 420 CsI(Tl) 4.51 38 22.9 / 21 Slightly 66 000 800 >2/0.3 550 Bi 4 Ge 3 O 12 7.1 227 10.4 / 40 No 9 000 300 480 (BGO) Lu 2 SiO 5 :Ce 7.4 143 11.4 / 32 No 26 000 40 420 (LSO) Gd 2 SiO 5 :Ce 6.7 84 14.1 / 25 No 8 000 60 440 (GSO) Gd 2 O 2 S:Tb 7.3 103 12.7 /27 No 60 000* 1x10 6 545 Gd 2 O 2 S:Pr,Ce,F 7.3 103 12.7 /27 No 35 000* 4x10 3 <0.1/<0.01 510 Gd 2 O 2 S:Pr 7.3 103 12.7 /27 No 50 000* 3x10 3 0.02/0.002 510 YAlO 3 :Ce (YAP) LuAlO 3 :Ce (LuAP) Lu 2 Si 2 O 7 :Ce (LPS) 5.5 21.3/4.2 No 21 000 30 350 8.3 148 10.5/30 No 12 000 18 365 6.2 103 16.1/29 No 30 000 30 380
Oltre agli scintillatori inorganici esiste la famiglia degli scintillator organici. Questi possono essere: cristalli organici puri, limitati però a piccole dimensioni, scintillatori organici liquidi, prodotti dalla dissoluzione di uno scintillatore organico in un opportuno solvente. E così possibile ottenere grandi volumi di rivelazione. Scintillatori liquidi sono utili nella misura dell attività di un composto radioattivo che può essere disciolto nella soluzione scintillatori plastici, prodotti per polimerizzazione di uno scintillatore organico dissolto in un solvente. Gli scintillatori plastici possono essere prodotti in svariate forme e dimensioni.
Oltre agli scintillatori inorganici esiste la famiglia degli scintillator organici. I processi di assorbimento e diseccitazione negli scintillatori organici coinvolgono direttamente gli stati energetici (lielli vibrazionali) delle macro-molecole (il processo di scintillatore non è quindi mediato da un attivatore) Sono più veloci degli scintillatori organici (t ~10-9 s) Sono naturalmente trasparenti ai loro fotoni emessi I fotoni di scintillazione emessi non hanno energia sufficiente a produrre nuovi stati eccitati Gli scintillatori organici sono caratterizzati da una bassa densità e numero atomico efficace, quindi risultano scarsamente efficienti per la rivelazione dei raggi X e gamma
TUBO TUBO FOTOMOLIPLICATORE I fotoni emessi nei processi di scintillazione giungono (eventualmente tramite una guida di luce) su un fotocatodo dove si ha la conversione in elettroni. Questo processo di conversione avviene in tre fasi: 1) Effetto fotoelettrico (emissione di elettroni). 2) Migrazione degli elettroni verso la superficie (perdita di energia in collisioni) 3) Rilascio dalla superficie (barriera di potenziale interfaccia metallo-vuoto) E quindi necessario che il fotocatodo abbia: -Basso potenziale di estrazione per elettroni (metalli alcalini) -Spessore di pochi nm -Spettro di assorbimento che ben si sovrappone allo spettro di emissione dello scintillatore Efficienza quantica numero fotoelettroni emessi QE numero fotoni incidenti 20-30% dipende dalla lunghezza d onda dei fotoni
TUBO TUBO FOTOMOLIPLICATORE Gli elettroni che fuoriescono dal fotocatodo sono troppo pochi per generare un segnale elettrico rivelabile. Vengono quindi moltiplicati all interno del fotomoltiplicatore. Dinodi: elettrodi mantenuti a potenziale crescente in cui avviene l emissione secondaria di elettroni. Il fattore di moltiplicazione di un singolo dinodo è: numero elettroni numero elettroni secondari emessi primari incidenti Per i dinodi convenzionali (in BeO, MgO): 5 Se N è il numero di dinodi, il fattore di moltiplicazione totale M è: M N Per un PMT a 10 stadi: 10 7 M 5 10
RISOLUZIONE ENERGETICA DI DI UN UN RIVELATORE Il numero di coppie N prodotte da una radiazione di energia E 0 che incide nel volume sensibile di un rivelatore è soggetto ad una indeterminazione pari a N (statistica di Poisson). Ricordiamo che: E0 N w w: energia media necessaria per creare una coppia di cariche Risoluzione intrinseca: R FWHM E 0 L altezza a metà altezza (FWHM) è correlabile alla deviazione standard: FWHM 2. 35 R FWHM E 0 2.35 w w N N 2.35 N Maggiore è il numero di coppie prodotte, migliore è la risoluzione Oltre al limite statistico, ad influire sulla risoluzione sono poi altri fattori nel processo di rivelazione (elettronica, etc )
RISOLUZIONE ENERGETICA DI DI UN UN RIVELATORE La risoluzione di un rivelatore a semicondutore è migliore rispetto a quella di un rivelatore a gas o uno scintillatore inorganico. L energia media necessaria per creare una coppia di portatori di cariche è infatti inferiore e dunque, a parità di energia rilasciata dalla radiazione nel rivelatore, il numero cariche è maggiore