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Fotosensori La luce di scintillazione prodotta in un mezzo dal passaggio di una radiazione può essere raccolta da opportuni fotosensori, per produrre un.

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Presentazione sul tema: "Fotosensori La luce di scintillazione prodotta in un mezzo dal passaggio di una radiazione può essere raccolta da opportuni fotosensori, per produrre un."— Transcript della presentazione:

1 Fotosensori La luce di scintillazione prodotta in un mezzo dal passaggio di una radiazione può essere raccolta da opportuni fotosensori, per produrre un segnale elettrico e dare informazioni sulla radiazione originaria. Esempi di fotosensori attualmente usati: Fotomoltiplicatori Avalanche photodiodes (APD) Silicon photomultipliers (SiPM) ….

2 I fotomoltiplicatori Schema di funzionamento di un fotomoltiplicatore tradizionale: Raccolta di luce Emissione di elettroni dal fotocatodo Moltiplicazione di elettroni tra i dinodi Segnale elettrico finale

3 I fotomoltiplicatori: il fotocatodo Fotocatodo: -Produce elettroni per effetto fotoelettrico generato dalla luce incidente -Energia fotoni luce scintillazione: circa 3 eV -Fotocatodo rivestito da materiale semiconduttore, con lavoro estrazione eV - Emissione spontanea per effetto termico (energia media elettroni a T ambiente = eV)

4 Il fotomoltiplicatore: emissione spontanea e dark current Emissione spontanea di elettroni dal fotocatodo per effetto termico Energia media degli elettroni a T ambiente = eV La distribuzione in energia degli elettroni fa sì che una certa frazione possa avere energia sufficiente a sfuggire Rate di emissione a T ambiente: Nei metalli: circa 100/s m 2 Nei semiconduttori: circa /s m 2 Effetto di questa emissione: dark current (corrente di elettroni anche in assenza di radiazione incidente)

5 Il fotomoltiplicatore: Quantum efficiency e Spectral Response Parametri che definiscono un fotomoltiplicatore: Quantum Efficiency (QE) = N. fotoelettroni emessi/N. fotoni incidenti Valori tipici nei fotomoltiplicatori: circa 20-30% QE fortemente dipendente dalla lunghezza d’onda Ottimizzazione tra emissione da parte dello scintillatore e sensibilità del PMT

6 Il fotomoltiplicatore: emissione secondaria e processo di moltiplicazione -Elettroni emessi con energie di circa 1 eV -Differenza di potenziale tra dinodi: dell’ordine di 100 V -Energia richiesta per creare un elettrone secondario: 2-3 eV -Fattore di moltiplicazione: N.elettroni emessi/elettrone incidente (circa 30) -Di questi, solo una frazione δ (circa 5) contribuisce alla resa complessiva -Per n dinodi, fattore di guadagno complessivo G =α δ n, dove α è circa 1. - Per n=10, α=1 e δ=5, G=5 10 = 10 7

7 Il fotomoltiplicatore: fluttuazioni statistiche -Il fattore δ tuttavia non è costante da evento a evento -Le fluttuazioni statistiche possono essere descritte in prima approssimazione da una distribuzione di Poisson, con media δ e deviazione standard √ δ -Dopo n stadi di amplificazione (n dinodi), il valor medio del numero di elettroni secondari è δ n -Quando l’evento è iniziato da un grande numero (decine/centinaia) di fotoelettroni, il segnale è molto più grande del rumore, prodotto in genere da singoli fotoelettroni, altrimenti può confondersi con il rumore.

8 Il fotomoltiplicatore: risposta temporale -Tempo caratteristico emissione fotoelettroni: <0.1 ns -Tempo di transito attraverso i dinodi, da fotocatodo ad anodo: decine di ns -Dispersione nel tempo di transito (TTS= Transit Time Spread): 1-3 ns Parametro importante ai fini della risposta temporale complessiva Migliorabile con opportuna geometria dei dinodi Diminuisce con il numero di fotoelettroni - Rise time: valori tipici 1-10 ns

9 Il fotomoltiplicatore: noise - Sorgente di rumore principale in un PMT: emissione termoionica di elettroni - Tipicamente un solo fotoelettrone alla volta emesso -Il contributo di questo rumore può non essere trascurabile se il valore medio del numero di fotoelettroni dal segnale «vero» è piccolo -Il rumore può essere diminuito abbassando la temperatura -Un fotomoltiplicatore non deve essere esposto alla luce, neppure quando non è alimentato. Se succede, la dark current può aumentare di molto, anche per diverse ore (causa: emissione di luce da fosforescenza del vetro) -Altra causa di dark current: radioattività del vetro ( 40 K, Th), oppure radiazione cosmica secondaria (muoni, elettroni) -Afterpulses: segnali prodotti da luce emessa negli stadi successivi e che raggiunge il fotocatodo. Tempi caratteristici simili al tempo di transito (decine di ns). Importanti specialmente in misure di timing -

10 Il fotomoltiplicatore: alimentazione -Alimentazione del PMT: usualmente distribuita tra i vari dinodi mediante partitori di tensione, con condensatori o diodi zener in parallelo. -In genere tra fotocatodo e primo dinodo è applicata una tensione maggiore, allo scopo di focalizzare meglio gli elettroni emessi dal fotocatodo -La polarità può essere stabilita in 2 modi equivalenti, con il fotocatodo a –HV e l’anodo a zero, oppure fotocatodo a zero e anodo a +HV

11 Il fotomoltiplicatore: schermo magnetico -Poiché gli elettroni all’interno del PMT hanno energie molto basse (pochi eV- centinaia di eV), possono essere deviati facilmente da un campo magnetico -In presenza di campi magnetici un PMT deve essere schermato con schermi in mu-metal (lega metallica ad alta permeabilità magnetica) -Anche il campo magnetico terrestre può influenzare il comportamento di un PMT (guadagno differente a seconda dell’orientazione rispetto al campo magnetico) -In rivelatori di particelle, posti all’interno di grandi magneti, l’uso di fotomoltiplicatori è precluso, e bisogna utilizzare altri tipi di fotosensori

12 Il fotomoltiplicatore: forma e dimensioni In genere di forma cilindrica, con diametri da pochi cm ad alcune decine di cm.

13 Il fotomoltiplicatore: applicazioni Data l’estrema sensibilità ai fotoni, sono adoperati in tutte le applicazioni in cui è necessario rivelare luce di bassa intensità: - luce di scintillazione da scintillatori - luce Cerenkov prodotta nell’atmosfera - luce raccolta da telescopi ottici, in astronomia - in medicina (diagnostica per immagini) e biologia (bioluminescenza),.. - …

14 Una galleria di immagini/1 L’esperimento Super-Kamiokande impiega oltre fotomoltiplicatori in una miniera abbandonata piena di acqua, per rivelare i neutrini

15 Una galleria di immagini/2 L’esperimento Auger impiega oltre fotomoltiplicatori per rivelare la luce di fluorescenza prodotta nell’atmosfera dai cosmici

16 Galleria di immagini/3 L’esperimento WA98 al CERN impiega oltre fotomoltiplicatori per rivelare la luce di scintillazione prodotta nei cristalli del calorimetro elettromagnetico

17 Non solo PMT: Fotosensori di altro genere

18 Galleria di immagini/4 Anche nell’esperimento AMS (AntiMatterSearch) a bordo della Stazione Spaziale Internazionale si impiegano fotomoltiplicatori.

19 Galleria di immagini/5 In bioluminescenza si misura mediante fotomoltiplicatori la debole emissione di luce prodotta da organismi viventi

20 Non solo PMT: altri fotosensori In molte applicazioni, i tradizionali fotomoltiplicatori presentano dei problemi: - Dimensioni talvolta troppo grandi rispetto all’area sensibile - Influenzati dai campi magnetici - Risposta spettrale non sempre adatta alla luce da rivelare - Efficienza quantica non elevata - Stabilità del guadagno non sempre ottimale - Tensioni di alimentazione elevata (kV) In tempi più recenti sono stati sviluppati fotosensori più compatti a stato solido, in particolare: - Avalanche photodiodes (APD) - Silicon photomultipliers (SiPM)

21 Avalanche photodiodes - Primi prototipi di APD sviluppati circa 40 anni addietro - Inizialmente molto piccoli (1 mm 2 ), sensibili solo all’infrarosso, di basso guadagno e ad elevato costo -In tempi più recenti, disponibili devices di area più elevata (decine di mm 2 ), sensibilità spettrale nel blu e ultravioletto, basso costo e relativamente alto guadagno, con tensioni più basse dei PMT -Usati adesso in molte applicazioni con scintillatori per rivelatori di particelle ad alta energia

22 APD: cosa sono? Componenti a stato solido che sfruttano l’effetto fotoelettrico per creare cariche, le quali vengono poi moltiplicate da un opportuno campo elettrico

23 APD: parametri operativi -A causa di uno strato anti-riflesso in superficie, la maggior parte dei fotoni è convertita in segnale, con efficienze dell’ordine dell’80% -La tensione di alimentazione è di alcune centinaia di volt -Guadagni non elevatissimi, dell’ordine di Alta sensibilità alla temperatura, necessitano di correzioni (qualche % per ogni grado di variazione) -Proprietà temporali buone -Particolarmente adatti a convertire la luce proveniente da fibre WLS o da piccoli scintillatori -Dimensioni da 1x1 a 5x5 mm 2 e oltre

24 Uso di APD in calorimetri elettromagnetici I calorimetri elettromagnetici dell’esperimento utilizzano circa APD per leggere la luce di scintillazione prodotta nei moduli di rivelazione, attraverso fibre WLS

25 Silicon photomultipliers (SiPM) - Costituiti da una matrice di fotodiodi a valanga su un substrato comune -Dimensioni di ogni cella: da decine a centinaia di micron (densità dell’ordine di 1000/mm 2 ) -Ogni cella lavora in modo (quasi) indipendente. Un fotone dà segnale in una cella, ma non (in prima approssimazione) nelle altre

26 Silicon photomultipliers (SiPM) - Lavorano a tensione molto bassa (30-70 V) -Efficienza quantica: 20-30% -Guadagni elevati, fino a Risoluzione temporale molto buona (<< 1ns) -Indipendenti dal campo magnetico -Tuttavia: dimensioni ancora molto piccole, circa 10 mm 2 dark count rate molto elevati

27 Silicon photomultipliers (SiPM) Conosciuti anche con altri nomi: MRS-APD MPPC … Alcuni modelli Hamamatsu

28 Silicon photomultipliers (SiPM) -Prendendo la somma di tutte le celle colpite, si può valutare quante celle sono state interessate, e quindi quanti fotoni sono stati rivelati. -Tutte le celle sono lette in parallelo, quindi la matrice genera un segnale analogico, proporzionale entro certi limiti al numero di fotoni che la colpiscono

29 SiPM: Photon Detection Efficiency (PDE) -La PDE è il risultato di 3 fattori: 1) Il fill factor geometrico 2) La quantum efficiency (QE), dipendente dalla lunghezza d’onda 3) La probabilità di trigger della valanga (dipende dalla tensione)

30 SiPM: Fill factor Rapporto tra area attiva e area totale - Dipende dal design - Celle più piccole danno fill factor minori Ad esempio celle piccole da 20 micron danno Fill factor dell’ordine del 30%, mentre celle da 100 micron possono arrivare a fill factor dell’80%

31 SiPM: Quantum Efficiency -La quantum efficiency intrinseca può essere anche molto elevata, dell’ordine dell’80-90%.

32 SiPM: Trigger probability La probabilità di triggerare una valanga dipende dalla posizione in cui è stata creata la carica, dal tipo di carica (elettrone/lacuna) e dalla tensione di alimentazione.

33 SiPM: possibili strutture

34 Readout of light from WLS fibers In molte applicazioni, i SiPM sono usati per la lettura della luce trasportata da fibre WLS poste all’interno di scintillatori

35 SiPM: applicazioni tipiche Lettura luce di scintillazione prodotta in scintillatori e trasportata da fibre WLS (calorimetri)

36 Test di prototipi per PET a tempo di volo mediante correlazione gamma-gamma da 22 Na: cristalli scintillanti di LYSO letti da SiPM SiPM: applicazioni tipiche/2

37 Confronto tra fotosensori


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