Principi di Funzionamento dei Rivelatori a Scintillazione

1. OSS: i fotoni X e  vengono rivelati indirettamente, mediante la rilevazione degli elettroni secondari prodotti per effetto fotoelettrico, Compton e produzione di coppie Principi di Funzionamento dei Rivelatori a Scintillazione sfruttano l’eccitazione prodotta dalle collisioni delle particelle cariche nel loro passaggio attraverso la materia diversamente da altri rivelatori di particelle il cui principio di funzionamento è invece basato sulla ionizzazione la diseccitazione avviene con emissione di luce mediante fluorescenza Un fotomoltiplicatore (PMT) raccoglie il debole segnale luminoso, lo converte in un impulso di elettroni ed amplifica in una corrente elettrica misurabile successivamente analizzata dall’ elettronica di acquisizione gli scintillatori sono sempre accoppiati ad un PMT

2. 3 – 4 eV  nell’ultravioletto  fluorescence decay time  ns phosphorescence decay time  ms piccola sovrapposizione Scintillatori Organici L’eccitazione verso stati di energia superiore a S10 è seguita da una rapidissima transizione (nell’ordine del ps) non radiativa verso S10. Da questo livello le molecole si diseccitano verso lo stato fondamentale S00 o uno degli stati vibrazionali Si0 emettendo luce di fluorescenza.

3. Scintillatori Inorganici il processo richiede la configurazione energetica dei cristalli: per gli elettroni sono disponibili le bande di valenza e conduzione mentre è proibita la banda intermedia. Un elettrone eccitato tornerebbe nella banda di valenza emettendo un fotone di energia pari a quella della gap e perciò verrebbe riassorbito rapidamente. Il drogaggio del cristallo con impurità, chiamate attivatori, modifica la normale struttura a bande introducendo livelli energetici nella banda proibita un elettrone che migri nel cristallo (in quanto eccitato nella banda di conduzione) potrebbe rimanere intrappolato in uno stato attivatore eccitato. Per attivatori opportunamente scelti la diseccitazione da questi stati avviene con emissione di fotoni di luce

5. L’intensità di florescenza decresce come dove I0 =I(t=0). NB: gli scintillatori devono essere trasparenti alla lunghezza d’onda della luce emessa e questa deve essere accordata alla sensibilità del PMT. OSS: L’eccitazione può essere considerata istantanea rispetto al decadimento per fluorescenza che avviene con tempi  ~ 1-100 ns.

6. Tipicamente i PMT vengono alimentati con una tensione V=1.5-2 kV e presentano una catena di n=8-12 dinodi tra i quali viene stabilita una d.d.p. E=100-150 V ottenuta dalla partizione . La d.d.p. tra il fotocatodo ed il primo dinodo è in realtà maggiore di E per un fattore pari a qualche unità in modo da migliorare l’efficienza di raccolta. Il coefficiente di emissione secondaria  è legato ad E dalla relazione di proporzionalità: dove  varia tra 0.7 e 0.8 in funzione del materiale costituente i dinodi e della loro geometria. Funzionamento di un PMT Il fotone di luce attraversa una finestra di vetro incidendo su un catodo di metallo alcalino depositato sulla superficie interna del vetro. L’efficienza quantica di questo processo è tipicamente 20-25% Un partitore resistivo, tra i cui estremi è connessa una singola sorgente di alto voltaggio in continua, fornisce ai dinodi una tensione progressivamente crescente fino all’anodo. dall’anodo verso massa fluisce un impulso di carica negativa Un tipico valore del coefficiente di emissione secondaria è d=4.

7. In generale per il guadagno G di un PMT, cioè per il rapporto tra la corrente elettrica in uscita dall’anodo e quella fotoelettrica in uscita dal catodo, vale la relazione varia tra 6 e 10 V ed E devono essere molto stabili negli ultimi step della catena sono inseriti condensatori stabilizzanti prevengono variazioni di E quando la corrente interna del PMT diventa confrontabile con quella che attraversa le resistenze del partitore ES: per ogni elettrone emesso dal catodo, l’anodo di un PMT con 10 dinodi raccoglie circa 410  106 elettroni. Circuito di alimentazione con polarità negativa l’alta tensione negativa e costante è applicata al catodo

8. modalità analogica dall’anodo proviene un treno di impulsi quando l’intervallo tra gli impulsi è più stretto della larghezza dei singoli impulsi o il circuito di analisi del segnale non è sufficientemente veloce, viene acquisita una corrente continua con fluttuazioni di rumore Funzionamento di un PMT può avvenire in modalità digitale per un rate di irradiazione sufficientemente basso dall’anodo provengono impulsi discreti in numero  a quello dei fotoni incidenti vengono acquisiti come distinti l’uno dall’altro conteggio fotonico

9. L’integrale rappresenta la carica prodotta da una singola particella ionizzante (o quanto di radiazione) ed è direttamente legata all’energia di tale particella NB: Il funzionamento dei rivelatori in modalità impulso consente di ottenere informazioni sull’energia liberata negli eventi di interazione e sul loro rate di accadimento ipotesi semplificatrici: dall’anodo proviene una corrente i(t) positiva se il tempo di transito nel PMT è piccolo rispetto al tempo di decadimento , tale corrente è ben rappresentata dalla decrescita esponenziale Sistema di acquisizione è disegnato per operare in modalità impulso C = capacità equivalente dell’anodo, del cavo e del circuito di acquisizione prevede innanzitutto la trasformazione dell’impulso di corrente proveniente dall’anodo in uno di tensione tale elettrodo vene collegato attraverso la resistenza di carico R ad una tensione costante coincidente con la massa nel caso di alimentazione negativa del PMT

10. Forma dell’impulso di tensione - RC= 5-10  e comunque non troppo lunga per prevenire sovrapposizione tra impulsi successivi; - si mantiene C al valore minimo in modo da massimizzare Q/C. generalmente discesa determinato dalla costante di tempo del circuito di carico salita determinata dalla costante di tempo dello scintillatore Costante di tempo dell’anodo lunga: RC >>  La condizione RC >> è adottata quasi sempre perché massimizza l’altezza degli impulsi

11. discesa uguale a quella della luce emessa dallo scintillatore salita determinata dalla costante di tempo del circuito di carico la durata l’ampiezza rispetto al caso precedente dell’impulso sono molto ridotte Costante di tempo dell’anodo corta: RC << 

12. plastic scintillator  10 ns / division longer time scale for fluorescence to occur inorganic crystal, NaI  5s / division

13. L’anodo raccoglie elettroni per una carica complessiva Si può assumere RC=10=2.3 s Vmax~ V Vmax~ 100 mV Vmax~ mV Amplifier Preamplifier Per ogni particella rivelata dallo scintillatore, in ingresso al circuito di acquisizione è Vmax~ mV Esempio di calcolo: su un cristallo scintillatore di NaI(Tl) incidono fotoni di 0.5 MeV. Lo scintillatore è connesso ad un PMT con efficienza di conteggio CE=15 % e guadagno G=106. L’anodo è chiuso su una resistenza di carico R=50 . Per l’NAI(Tl): entrambi modificano inoltre la forma dell’impulso

14. Single Channel Analyzer (SCA) Si può ricostruire la distribuzione in ampiezza degli impulsi (SPETTROMETRO) con una serie di SCA settati su finestre strette e successive oppure con un Analog-to-Digitale Converter (ADC) Successivo stadio di elaborazione per un rivelatore di particelle in modalità impulsoDISCRIMINATORE D’ALTEZZA produce in uscita un impulso logico può essere può essere usato nei CONTATORE DI IMPULSI integrale: elimina il rumore selezionando gli impulsi di ampiezza superiore ad una soglia prefissata a finestra: seleziona gli impulsi di ampiezza compresa tra un Lower ed un Upper Level prefissati trasforma l’impulso in un numero proporzionale alla sua ampiezza

15. Counter Single Channel Analyzer (SCA) Ratemeter Analisi Altezza dell’Impulso può seguire due vie: Multi Channel Analyzer (MCA) consiste di un convertitore analogico digitale, di un controllo logico, memoria e display