Eksperimentalne metode moderne fizike

1. Eksperimentalne metode moderne fizike Opće karakteristike detektora Dr. sc. Nikola Godinovic (Nikola.Godinovic@fesb.hr)

2. Uvod • Osnovno načelo detektora - upadno zračenje deponira dio ili čitavu svoju energiju unutar volumena detektora a koja se onda konvertira u signal prikladan za uočavanje i mjerenje. • Nabijena čestica predaje energiju tvari preko sudara s elektronima i tako izaziva ionizaciju ili pobuđenje atoma • Neutralno zračenje mora doživjeti neku reakciju koja će rezultirati nastajanjem nabijene čestice a koja onda izaziva ionizaciju ili pobudjenje atoma detektora. • U kojoj će se formi iskazati energija pohranjena u volumenu detektora ovisi o detektoru i samom dizajnu detektora. • Plinski detektoru su dizajnirani da sakupe elektrone proizvedene ionizacijom kako bi se dobio strujni puls proporcionalan energiji upadnog zračenja. • Kod scintilacijskih detektora pobuđenja i ionizacija izazivaju molekularne prijelaze koja se očituju u emisiji svjetla – količina svjetla proporcionala energiji upadnog zarčenja • Fotografske emulzije – ionizacija inducira kemijske reakcije kako bi putanja čestica bila uočena. • Moderni detektori su u svoj biti električne prirode u nekom trenutku informacija pohranjena u detektoru se pretvara u električni signal i dalje elektronički odnosno računalno obrađuje.

3. Osjetljivost • Osjetljivost detektora – sposobnost da se u detektoru proizvede mjerljiv signal za dano upadno zračenje i danu energiju. • Detektori su u načelu dizajnirani za detekciju samo pojedinog tipa i za dano energijsko područje. • Osjetljivost detektora za pojedini tip i područje energije upadnog zračenja ovisi: • Udarnom presjeku za ionizaciju u volumenu detektora • masi (volumenu) detektora (za neutrine masa se mjeri u tonama) • Intrisičnom šumu detektora – fluktuacije napona i struje su uvijek prisutne i kad nema upadnog zračenja. • Materijalu koji okružuje detektor

4. Odziv detektora • Detektor da bi odredio ne samo tip zračenja već i energiju upadnog zračenja mora dati signal koji je proporcionalan energiji upadnog zračenja. • Količina ionizacije se očituje u količini električnog naboja koju sadrži strujni puls detektora izazvan upadnim zračenjem. Ako je oblik pulsa isti od događaja do događaja onda je integral direktno proporcionalan amplitudi ili visini pulsa. • Odnos između energije upadnog zračenja i količine naboja ili visine pulsa je u biti odziv detektora. • Idealno odziv može biti linearan ali i ne mora. • Odziv može biti linearan za jedan tip zračenja a ne mora za drugi tip zračenja.

5. Energijska rezolucija • Kvaliteta detektora koji su namijenjeni mjerenju energije upadnog zračenja definirana je energijskom rezolucijom. • Energijska rezolucija – mogućnost razlikovanja dvije bliske energije. • Energijska rezolucija se mjeri iz spektra detektora izazvanog monoenergetskim upadnim zračenjem. • U idealnom slučaju spektar je delta funkcija a u stvarnosti je to vrh s određenom strukturom- vrh konačne širine -obično Gaussovog oblika. • Širina vrha nastaje jer od događaja do događaja fluktuira broj ionizacija i ekscitacija atoma detektora. • Rezolucija: FWHM/E

6. Energijska rezolucija - ilustarcija

7. Energijska rezolucija • Rezolucija je funkcija energije deponirane u detektoru i popravlja se s porastom energije deponirane u detektoru. • Srednja energija ionizacije w ovisi samo o materijalu, pa ako je energija deponirana u detektoru E u prosjeku je nastalo E/w ionizacija. Kako energija raste, raste i broj ionizacija što rezultira manjom fluktuacijom – prema Poissonovoj statistici. • Za detektore čija debljina/volumen nije dovoljno velik pa je samo dio energije je deponiran u detektoru a broj događaja mjerljivih signala N izazvanih upadnim zračenjem ponaša se po Poissonovoj statistici: 2= N, N- srednji broj događaja (N~E, N1/2 ~E) • Ako je sva energija upadnog zračenja apsorbirana – ionizacijski događaji nisu međusobno neovisni i Poissonova statistika se ne može primijeniti.

8. Energijska rezolucija • Fano je pokazao da je varijanca 2= FN (F-fano faktor) kad ionizacijski događaji nisu međusobno neovisni. • F – funkcija različitih fundamentalnih procesa koji dovode do deponiranja energije u detektor, fononske ekscitacije, itd… • F-intrinsična konstanta danog medija detektora, teško ga je izračunati. • Rezolucija je: • Ako je F=1, rezolucija je ista kao i za Poissonovu razdiobu, što uglavnom vrijedi za scintilatore, dok je za mnoge detektore kao što su poluvodički ili plinski F<1, a to dovodi do znatnog poboljšanja rezolucije. • Uz fluktuacije u broju ionizacija, brojni drugi vanjski faktori utječu na rezoluciju, elektronika preko šuma, nesavršenosti u dizajnu detektora, …Ako su svi ovi doprinosi međusobno neovisni i ako se ravnaju po Gaussovoj razdiobi, ukupna neodređenost u energiji je:

9. Funkcija odziva detektora • Za mjerenje energijskog spektra bitno je poznavati funkciju odziva (respone function) detektora. • Funkcija odziva R(E) detektora je dana spektrom amplitude pulsova kad ne detektor pada monoenergetski snop danog tipa zračenja. (Odziv detektora na delta funkciju) • Idealan slučaj bi bio kad bi za upadni snop fiksne energije spektar amplitude pulsova bio delta funkcija, za fiksnu upadnu energiju se dobije i fiksna amplituda pulsa ili Gaussov arazdioba pulsova s fiksnom srednjom vrijednosti i širinom. • Odzivna funkcija za danu fiksnu upadnu energiju i dani tip zračenja ovisi o različitim interakcijama zračenja s atomima detektora kao i o dizajnu i geometriji detektora. • Razmotrimo: snop monoenergetskih elektrona upada u detektor-ako svi elektroni gube energije samo mehanizmom sudara s atomima – sepktar amplitude pulosva je dan Gaussovom razidobom. Međutim neki elektroni će se raspršiti van detektora prije nego što ostave svu energiju u detektoru, što će se očitovati u niskoenergetskom repu Gaussove razdiobe, neki će izgubiti energiju zakočnim zračenjem koje može izići van detektora što se također očituje u lijevom (niskoenergetskom) repu Gaussove razdiobe. • Odziv se sastoji od Gaussovog vrha s to izraženijim lijevim repom što je broj raspršenih elektrona i fotona nastalih zakočnim zračenjem van volumena detektora veći.

10. Funkcija odziva detektora • Razmotrimo monoenergetski snop gama zraka koji upada na detektor – moguće interakcije su: fotoefekt, Comptonov efekt, tvorba parova • Fotoefekt – gama zraka se konvertira u fotoelektron koji se zasutavi u detektoru, ovaj proces daje oštar vrh u spektru • Comptonov efekt – daje elektrone s kontinuiranim energijama u određenom području – očito odziv više nije jasno izražen vrh • Kad se detektor koristi za mjerenje energijskog spektra odziv detektora je dana konvolucijom odzivne funkcije detektora R(E-E’) i spektra upadnog zračenja S(E’) • Da bi smo iz izmjerenog spektra D(E) odredili energijski spektar upadnog zračenja S(E) potrebno je poznavati funkciju odziva detektora R(E) odnos napraviti dekonvoluciju. Ako je R(E-E’)=(E-E’) onda je izmjereni spektar upravo jednak upadnom spektru. • Konvolucija je tehnika kojom se određuje odziv sistema iz poznavanja odziva sistema na jedinični ulaz i samog proizvoljnog ulaza. (http://www.jhu.edu/~signals/discreteconv2/index.html)

11. Funkcija odziva detektora

12. Ilustracija konvolucije

13. Vrijeme odziva i efikasnost detektora • Vrijeme odziva (response time) je vrijeme koje je proteklo od dolaska zračenja do formiranja izlaznog signala, vrijeme koje je potrebno detektoru da generira signal. • Za dobro vremensko razlučivanje bitno je da se signal što brže formira u oštar puls s vertikalnim uzlaznim dijelom. • Vrijeme trajanja pulsa je također bitno, jer se drugi događaj ne može procesuirati-detektor neosjetljiv ili će se drugi puls superponirati na prvi (pile-up), što doprinosi mrtvom vremenu (dead time) detektora. • Apsolutna efikasnost=(događaji koji padaju na detektor)/(broj događaja koje emitira izvor), ovisi o geometriji detektora i intreakcijama u detektoru. • Intrinsična efikasnost=(registrirani događaji)/(događaji koji padaju na detektor) ovisi o udarnom presjeku tj.o vrsti zračenja,energiji zračenja i materijalu detektora

14. Ionizacijski mehanizmi u plinu • Pobudjenje atoma X upadnom nabijenom česticom p: X+pX*+p, je rezonantna reakcija – atomu treba predati egzaktan iznos energije, za plemenite plinove: =10-17 cm2. U ovom procesu ne nastaju slobodni elektroni, ali pobuđeni atom se deekscitira te emitira foton koji može izazvati ionizaciju. • Ionizacija X+pX++e-+p,za plemenite plinove:=10-16 cm2. • Ionizacija je slučajan proces opisan Poissonovom razdiobom, dvije identične upadna čestice neće proizvesti isti broj ion-elektron parova. • Za plinove je srednja energija za stvaranje ion-elektron para oko 30 eV i gotovo da ne ovisi o tipu čestice, a slabo ovisi o plinu.

15. Plinski ionizacijski detektori Zračenje pri prolasku kroz plin ionizira atome/molekule plina • Tri plinska detektora • ionizacijska komora • proporcionalni brojač • Geiger-Müllerov brojač • Sva ova tri detektora su u biti isti uređaj koji radi u tri različita radna područja

16. Načelo rada plinskih detektora lavinski proces – eksponencijalni porast broja elektrona

17. Modovi rada plinskog ionizacijskog detektora • Ionizacijski mod – nema multiplikacije naboja samo primarna ionizacija, sav naboj se sakupi. • Proporcionalni mod – započinje sekundarna ionizacija, detektirani signal proporcionalan primarnoj ionizaciji, odnosno energiji upadnog zračenja,pojačanje 104 -105 • Ograničeni proporcionalni mod-uz lokalni lavniski proces izazvan upadnim zračenjem javljaju se lavinski procesu izazvani samim izbojem u plinu – atom/ molekula plina se deekscitira i emitira foton koji na drugom kraju okida lavinski proces. Potrebno je ugasiti lavinu (quenching) (smanjiti napon ili dodati plin koji aposrbira fotone) • Geiger-Müllerov mod –daljnjim povećanjem napona izlazni signal je isti bez obzira na energiju upadnog zračenja.

18. Multiwire Proportional Chamber (MWPC) • Charpak 1968 (Nobelova nagrada) pokazao da niz gusto raspoređenih anodnih žica u istoj komori može funkcionirati kao neovisni proporcionalni brojač. Vrlo brzo su našle primjenu u fizici visokih energija, medicini, astrofizici, kristalografiji. Prostorna rezolucija ovisi o udaljenosti između anodnih žica i iznosi oko pola te udaljenosti, najčešće 0,5 mm.

19. “Driftne” komore Mjeri se vrijem dolaska elektrona do anode

20. E B Time Projection Chamber (TPC) • TPC je u biti trodimenzionalni detektor tragova – daje informaciju o x,y,z koordinatama velikog broja točaka putanje čestice. • TPC koristi ideju MWPC i driftnih komora gas volume with E&B fields drift y x z wire chamber to detect projected tracks

21. ALICE TPC ALICE TPC 556 cm Volumen 95 m3, 570 312 kanala za isčitavanje

22. Scintilacijski detektori • Scintilatori materijali koji emitiraju svjetlosni puls kad na njih upadne zračenje. • Svjetlosni puls se pretvara u električni signal iz kojeg se dobiva informacija o upadnom zračenju.

23. Scintilacijski detektori • Scintilator apsorbira energija i reemitira je u formi vidljivog svijetla: Fluorescencija – emisija unutar 10-8 sekundi, fosforescencija znatno sporija re-emisija. • Vrste scintilatorskih materijala: organski kristali, anorganski kristali, plastika, plinovi, staklo, organske tekućine • Scintilatorski signal može dati različite informacije o upadnom zračenju: • Energija – iznad određenog minimuma energije većina scintilatora ima linearan odziv na deponiranu energiju, količina scintilacijskog svjetla proporcionala je upadnoj energiji zračenja • Brzi vremenski odziv –omogućuje mjerenje vremenskog intervala između dva događaja. • “Pulse shape discimination” – kod nekih scintilatora oblik pulsa je različit za različite upadne čestice. Različite čestice imaju različite sposobnost ionizacije što se očituje u pobuđivanju različitih fluorescentnih mehanizama a koji rezultiraju različitim oblicima pulsa.

24. Scintilatori – potrebne karakteristike • Ima mnogo scintilacijskih materijala ali da bi se mogli koristi u detektorima potrebna su sljedeća svojstva: • Visoka efikasnost konverzije deponirane energije u scintilacijsko svjetlo • Linearna ovisnost scintilacijskog svjetla i deponirane energije • Veliki svjetlosni prinos • Medij koji je transparentan za emitirano scintilacijsko svjetlo • Kratko vrijeme luminiscentnog raspada • Visoki indeks loma za efikasno spajane na fotodetektor

25. Scintilatori – anorganski kristali • Najpoznatiji neorganski scintilatori: NaI(Tl) – Tl –aktivacijska nećistoća, Bi4Ge3O12 (BGO), BaF2, PbWO4 elektromagnetski kalorimetar CMS detektora)

26. * Scintilatori – ovisnost o temperaturi • Jaka ovisnost svjetlosnog prinosa o temperaturi

27. Tekući plementi plin LAr, LXe, LKr

28. Vrste i karakteristike scintilatora