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CONTATORI contano singoli fotoni di una certa energia RIVELATORI PER RAGGI X Scelta INTEGRATORI generano segnali la cui ampiezza è proporzionale al flusso.

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1 CONTATORI contano singoli fotoni di una certa energia RIVELATORI PER RAGGI X Scelta INTEGRATORI generano segnali la cui ampiezza è proporzionale al flusso di fotoni Tipo di misuraInformazione Flusso, energia, posizione, tempo,... Classificazione principale

2 Proprietà dei rivelatori Intervallo di lunghezze donda Efficienza di rivelazione Frazione percentuale di fotoni che produce un segnale rivelabile rispetto al numero totale di fotoni che entrano nel rivelatore Rapporto fra numero di impulsi in uscita ed il numero di fotoni incidenti in un dato intervallo di tempo Efficienza quantica Numero di portatori di carica/fotone Intervallo dinamico intervallo di livelli di segnale entro il quale il rivelatore fornisce una risposta lineare rapporto fra segnale di saturazione e segnale di rumore Segnale di saturazione intensità massima oltre cui si perde la proporzionalità fra segnale di ingresso e segnale duscita (in un contatore dipende dal tempo morto)

3 Rumore (noise) Fluttuazioni del segnale rivelato dipendenti da cause diverse, che impongono un limite allintensità minima di fotoni rivelabile Photon noise Fluttuazioni statistiche del numero di di fotoni che raggiungono il rivelatore in un dato t Dark noise Fluttuazioni statistiche di segnali in uscita che si generano in assenza di radiazione incidente Read-out noise Rumore introdotto dallelettronica associata al rivelatore Risoluzione in energia E/E Risoluzione spaziale x/x Risoluzione temporale t/t

4 CONTATORI INTEGRATORI Caratteristiche principali Rumore di lettura read out noise Elevata dinamica Sorgenti luminose Caratteristiche principali Nessun rumore di lettura Limitata coun rate Sorgenti deboli Contatori proporzionali

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7 Principio di funzionamento Per energie E < 50 K eV il processo primario su cui si basano i rivelatori per raggi X è lassorbimento Cu K Cu 29 N M K L N M K L Cu K photon Auger electron Primary X-ray photon Excited system Cu 29 N M K L e - photoelectron Processo primario Processi secondari

8 Ionizzazione Fotoionizzazione Processi di eccitazione.... One-step processes... e di rilassamento FluorescenzaEffetto Auger Multi-step processesTwo-step processes Emissone secondaria

9 Processo primario: assorbimento Processi secondari: Rivelazione Assorbimento in un un gas ioni + elettroni Assorbimento in un semiconduttore elettroni + lacune Assorbimento in un materiale scintillatore fotoelettrone da un fotocatodo Assorbimento Fluorescenza radiazione visibile o U,V. Assorbimento Effetti chimici riduzione di bromuro di argento in Ag metallico in una emulsione fotografica

10 Gas Anodo Catodo Finestra trasparente ai Raggi x Rivelatori a gas: schema di principio Fotoelettrone di energia: Energia di legame del fotoelettone Ione positivo Numero di coppie elettrone-ione prodotte: Potenziale di ionizzazione efficace, cioè un valor medio tra i potenziali di ionizzazione di più elettroni dello stesso atomo

11 Un atomo può perdere più di un elettrone Per es.: i primi 4 potenziali di ionizzazione di un atomo di Xe sono: V 1 = 12 eV; V 2 = 21 eV; V 3 = 32 eV; V 4 = 46eV. Gas del rivelatore Primo potenziale di ionizzazione (eV) Potenziale efficace di ionizzazione (eV) Numero medio di coppie di ioni per fotone X, N. (*) Cu K E = eV Mo K E = eV He Ne Ar Kr Xe (*)Es.: He, N=8040/27.8 = 289

12 La tensione applicata agli elettrodi del rivelatore ne determina il funzionamento come: Camera a ionizzazione, Contatore proporzionale o contatore Geiger G = Fattore di amplificazione = Numero di elettroni N raccolti dallanodo Numero di elettroni N 0 prodotti dal fotone G dipende dalla tensione applicata al rivelatore G

13 Zona attiva G anello di guardia A Anodo C catodo A G C G L anello di guardia riduce le distorsioni del campo elettrico ai confini della regione attiva. Gli elettroni prodotti dala ionizzazione vengono raccolti dallanodo. Gli ioni, che hanno una mobilità molto minore di quella degli elettroni vengono raccolti dallanodo La scelta del gas e della finestra viene ottimizzata in funzione dellintervallo di lunghezze donda di operazione del rivelatore

14 n = numero di fotoni assorbiti dal gas I Intensità della radiazione penetrata nel rivelatore (ph/s) L lunghezza della camera (cm) densità del gas (g/cm 3 ) Sezione durto di assorbiment (cm 2 /g) N = Numero di coppie elettrone–ione prodotte I 0 Intensità della radiazione incidente (ph/s) T trasmittanza della finestra efficienza di fotoionizzazione del gas (elettroni/ph) Sezione durto di assorbiment (cm 2 /g) Nel caso il flusso di fotoni è completamente assorbito entro la camera (A) Queste relazioni sono valide in regime di camera a ionizzazione

15 Il segnale minimo rivelabile è limitato dallamplificazione di corrente ed è dellordine di A ( 10 4 ph s -1 ) Il flusso massimo rivelabile è limitato da effetti di carica spaziale ed è dellordine di ph s -1 cm -3

16 Contatori proporzionali Al crescere della tensione applicata, ciascun fotoelettrone produce una moltiplicazione a valanga. Il numero di moltiplicazioni a valanga è circa uguale al numero di ionizzazioni iniziali e, siccome tutti gli elettroni vengono raccolti, la carica totale raccolta è proporzionale allenergia del fotone X G 10 2 ÷

17 Finestra rere E campo elettrico alla distanza x dall, V tensione applicata, r e raggio del catodo cilindrico r a raggio del filo anodico x E Il valore molto alto di E in prossimità dellanodo farà sì che la maggior parte delle moltiplicazioni a valanga avvenga vicino allanodo Tempi di raccolta degli elettroni: 0.1 ÷ 0.2 s

18 Effetto di carica spaziale La localizzazione di una valanga può produrre leffetto di carica spaziale. La ragione di ciò è che la mobilità degli ioni positivi è molto minore di quella degli elettroni. In presenza di un alto flusso incidente in una regione localizzata, gli ioni positivi prodotti nella valanga non possono allontanarsi abbastanza velocemente dallanodo per cui si forma una carica positiva attorno allanodo. Ciò modifica il campo elettrico rendendo il diametro efficace del filo più grande e riducendo così il guadagno del gas Ioni positivi elettroni - + E anodo Mobilities of various ions GasIoniMobilità (cm 2 V -1 s -1 ) Ar(OCH 3 ) 2 CH Iso C4 H10(OCH 3 ) 2 CH (OCH3)2 CH2 (OCH 3 ) 2 CH Ar Iso C 4 H Iso C4 H10 Iso C 4 H ArCH CH4CH ArCO CO2CO Arelectrons~1000

19 Gas Il gas ha una doppia funzione: Servire per la rivelazione Spegnere leffetto provocato dalla rivelazione Per questo motivo si ricorre a miscele di gas: Gas di rivelazione: He, Ne, Ar, Kr, Xe Quenching gas: vapori organici (CH 4, CH 3 CH 3 ) o alogeni (F, Cl) es. 90% Ar + 10% CH 4 Il gas di quencing assorbe la radiazione U.V. Ed elettroni secondari. Inoltre neutralizza alcuni ioni positivi donando elettroni perchè il suo potenziale di ionizzazione è inferiore a quello del gas rivelatore Effetti negativi del metano sono la produzione di C ed idrocarburi sullanodo Una miscela più conveniente è: 90% Ar + 10% CO 2

20 Contatori Geiger Al crescere della tensione anodo-catodo la moltiplicazione a valanga diviene Generalizzata. Uno stesso elettrone può dar luogo a più moltiplicazioni a valanga Gli stessi ioni acquistano sufficiente energia da produrre radiazione U.V. nellimpatto con il catodo. Quando gli elettroni urtano contro lanodo causano lemissione di raggi X di bassa energia ed elettroni secondari. Ques ti danno vita a nuove valanghe. Perdita di proporzionalità fra segnale duscita e flusso di fotoni in ingresso. Gli impulsi in uscita hanno essenzialmente la stessa ampiezza, circa mille volte più intensi che nella regione proporzionale (1V contro 1 mV). Tempo morto 200 s

21 Rivelatori a gas sensibili alla posizione La valanga sullanodo induce segnali di polarità opposta sui due piani dei catodi Questi segnali danno informazione sulla posizione X-Y del fotone La distribuzione del campo elettrico attorno a due fili anodici in n MWPC Il guadagno è più di un milione di elettroni per impulso è sufficiente per rivelare fotoni singoli con unaccuratezza sulla scala dei tempi dellordine dei ns. Si misurano rates of 10 6 conteggi/s/mm 2

22 Amlificatore Analizzatore di impulsi Contatore Fotomoltiplicatore H.V. Scintillatore Fotocatodo Contatori a scintillazione Il fotone X di energia h viene assorbito dallo scintillatore Dallinterazione vengono prodotti N fotoni visibili: N h x I fotoni visibili assorbiti dal fotocatodo causano lemissione di fotoelettroni I fotoelettroni vengono accelerati verso verso il primo dinodo del fotomoltiplicatore e provocano lemissioe di elettroni secondari Questi vengono accelerati verso altri dinodi e producono altri elettroni secondari moltiplicandosi Principio di funzionamento

23 Raggi XLuminescenza Scintillatore Materiale: NaI (Tl) scintillatore inorganico con impurezze h Vis. VB CB Livelli impurezze Proprietà dello scintillatore Buon coefficiente di assorbimento di Raggi X Alta efficienza dii conversione Trasparenza alla propria fluorescenza Buon accoppiamento ottico con il fototubo Tempi di eccitazione brevi, alto flusso (ph/s)

24 NaI:Tl Soddisfa buona parte di queste richieste Lo I è un buon assorbitore di raggi X Potenziale di ionizzazione: V i 50 eV Fotoni visibili (blu): 4100 Ǻ T d tempo di decadimeno del processo 0.25 s Dimensioni del cristallo: diametro 2.5 cm; spessore 2 ÷ 5 mm NaI è igroscopico, va tenuto sotto vuoto

25 Fotomoltiplicatore Dinodo, doppia funzione di raccolta ed emissione Il fototubo va schermato dalla luce visibile esterna e da campi magnetici I dinodi sono ricoperti di ossido di Be

26 Alcune caratteristiche di un contatore a scintillazione Efficienza accoppiamentoottico Fotoni fotocatodo 0.9 Efficienza del fotocatodo frazione di fotoni che produce 1 fotoelettrone 0.1 – 0.9 Efficienza di raccolta del primo dinodo K = 0.9 Numero di elettroni secondari emessi per ogni elettrone incidente sul dinodo G D = 2 – 4, Guadagno del fotomoltiplicatore G = k G D n n numero di dinodi. G 10 6 Guadagno del fotomoltiplicatore G = k G D n n numero di dinodi. G 10 6


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