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Rivelatori di Particelle1 Lezione 16 Scintillatori Scintillatori inorganici Scintillatori organici Fibre Fotorivelatori.

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Presentazione sul tema: "Rivelatori di Particelle1 Lezione 16 Scintillatori Scintillatori inorganici Scintillatori organici Fibre Fotorivelatori."— Transcript della presentazione:

1 Rivelatori di Particelle1 Lezione 16 Scintillatori Scintillatori inorganici Scintillatori organici Fibre Fotorivelatori

2 Rivelatori di Particelle2 Lezione 16 Scintillatori Il contatore a scintillazione è uno dei più vecchi apparati sperimentali usati per la radiazione nucleare. Prima del contatore a scintillazione si usava locchio nudo, osservando i flash di luce emessi quando le particelle colpivano uno schermo di solfato di zinco. Pare che la sensibilità dellocchio umano aumenta con una tazza di buon caffè (molto forte), possibilmente con laggiunta di una piccola dose di stricnina…!!!! Dopo un lungo periodo di adattamento, locchio umano può vedere circa 15 fotoni se emessi in un intervallo di tempo non superiore ad 1/10 di secondo e con lunghezza donda pari a quella cui locchio umano e più sensibile (verde). 1/10 s e il tempo di persistenza dellimmagine sulla retina. Henry&Baucels (J.Phys.Path.Gen. XIII (1911),841) affermano che è visibile ad occhio nudo un deposito di energia di 3 eV corrispondente ad un singolo fotone nel verde.

3 Rivelatori di Particelle3 Lezione 16 Scintillatori La funzione di uno scintillatore è duplice: Emettere luce (luminescenza) Trasmetterla al rivelatore di fotoni (e.g. fotomoltiplicatore) Definiamo scintillatore qualunque materiale che emette un impulso di luce poco dopo il passaggio di una particella carica.

4 Rivelatori di Particelle4 Lezione 16 Scintillatori Proprietà generali di uno scintillatore Uno scintillatore consiste generalmente in un materiale scintillante accoppiato otticamente ad un fotomoltiplicatore (PM) o direttamente o tramite una guida di luce. Quando la particella passa attraverso lo scintillatore eccita gli atomi e le molecole dello scintillatore si emette luce. la luce viene trasmessa al PM e viene convertita in una debole corrente di fotoelettroni, amplificata dai dinodi (altri elettrodi ) del PM. abbiamo un segnale in corrente facilmente rivelabile dallelettronica

5 Rivelatori di Particelle5 Lezione 16 Scintillatori Lo scintillatore può fornire molte informazioni fra cui: 1.Sensibile allenergia ( ~ lineare ed il PM è lineare) il segnale di uscita è proporzionale allenergia di eccitazione. può essere usato come spettrometro di energia (calorimetri, dE/dx etc.) 2.Risposta temporale rapida misura di tempi (tempo di volo, trigger, etc.) 3.Discriminazione fra varie particelle, studiando la forma dellimpulso di uscita. Con alcuni tipi di scintillatore è possibile distinguere fra le varie particelle, analizzando la forma dellimpulso di uscita. Questo a causa di diversi meccanismi di eccitazione per particelle con diverso potere ionizzante (, n,, etc.)

6 Rivelatori di Particelle6 Lezione 16 Scintillatori Gli scintillatori hanno proprietà note come luminescenza. Materiali luminescenti assorbono energia e la riemettono sotto forma di luce visibile. Se lemissione avviene subito dopo lassorbimento (10 -8 s) il processo è chiamato fluorescenza. Se invece lemissione è ritardata (lo stato eccitato è metastabile) il processo si chiama fosforescenza. In questo caso il tempo fra lassorbimento e la ri-emissione può durare dai s alle ore (dipende dal materiale). Generalmente la componente veloce è quella che domina (e che ci interessa)

7 Rivelatori di Particelle7 Lezione 16 Scintillatori In prima approssimazione levoluzione temporale del processo di riemissione può essere descritto da una semplice legge esponenziale: dove N è il numero di fotoni emessi al tempo t, t d il tempo di decadimento ed N 0 il numero totale di fotoni emessi. Il tempo di assorbimento dellenergia (eccitazione degli atomi e delle molecole) è in generale molto più breve del tempo di ri-emissione (per semplicità labbiamo assunto 0). Luce tempo

8 Rivelatori di Particelle8 Lezione 16 Scintillatori Luce Tempo totale Componente veloce Componente lenta Quasi tutti gli scintillatori hanno 2 componenti di ri-emissione, una veloce ed una lenta (fluorescenza e fosforescenza) Generalmente la componente veloce è quella che domina (e che ci interessa)

9 Rivelatori di Particelle9 Lezione 16 Scintillatori Sebbene esistano molti materiali scintillanti non tutti sono adatti per costruire apparati sperimentali. Un buon scintillatore (utilizzabile) deve avere: 1.alta efficienza per convertire lenergia di eccitazione in fluorescenza 2.trasparenza alla luce di fluorescenza in modo da poterla trasmettere 3.emissione sulla lunghezza donda in cui funzionano i rivelatori di luce (generalmente luce visibile) 4.una costante di tempo di decadimento breve

10 Rivelatori di Particelle10 Lezione 16 Scintillatori Esistono 2 tipi di materiale scintillante: Scintillatori organici (poca luce, ma veloci) Scintillatori inorganici (molta luce, ma generalmente lenti) Esistono diversi meccanismi di scintillazione (essenzialmente 3)

11 Rivelatori di Particelle11 Lezione 16 Scintillatori inorganici Scintillatori inorganici cristallini. Sono scintillatori inorganici NaI, CsI, Bi 4 Ge 3 O 12 (noto come BGO), PbWO 4, BaF 2 … Il meccanismo di scintillazione negli scintillatori inorganici è caratteristico della struttura a bande elettroniche che si trovano nei cristalli.

12 Rivelatori di Particelle12 Lezione 16 Scintillatori inorganici Quando una particella entra in un cristallo possono accadere 2 processi: i.si eccita un elettrone dalla banda di valenza in quella di conduzione, creando così un elettrone ed una lacuna liberi. (ionizzazione) ii.si crea un eccitone spostando un elettrone dalla banda di valenza in quella degli eccitoni (posta appena al di sotto della banda di conduzione). In questo caso elettrone e lacuna rimangono legati, ma possono muoversi liberamente (in coppia) nel cristallo.(eccitazione) Se il cristallo contiene delle impurità (sono necessarie), si possono creare localmente dei livelli elettronici nella banda delle energie proibite. Gli atomi di impurità sono chiamati centri attivatori. Se una lacuna libera od una lacuna di un eccitone incontra uno di questi centri attivatori, può ionizzare uno di questi atomi di impurità. Se ora arriva un altro elettrone, questo cade nel buco (lacuna) lasciato dalla ionizzazione precedente si emette luce ( se tale modo di diseccitazione è permesso). Se la transizione avviene senza emissione di radiazione (rapida) limpurità diventa una trappola e lenergia può essere persa in altri modi o con tempi lunghi. Spesso si hanno 2 costanti di tempo: ricombinazione rapida dai centri di attivazione (ns- s) ricombinazione ritardata (trappole) (~100 ms)

13 Rivelatori di Particelle13 Lezione 16 Scintillatori inorganici Lemissione di luce dai cristalli scintillanti dipende fortemente dalla temperatura: BGO PbWO 4 (From Harshaw catalog)

14 Rivelatori di Particelle14 Lezione 16 Scintillatori inorganici Elementi nobili liquidi Elementi nobili liquidi (LAr, LXe, LKr…)

15 Rivelatori di Particelle15 Lezione 16 Scintillatori inorganici La luce emessa è difficile da rivelare in quanto è tendenzialmente emessa nellultravioletto: Ar130 nm Kr150 nm Xe175 nm Anche i gas nobili (ad alta pressione) possono scintillare. Anche nel caso di gas nobili si hanno 2 costanti di tempo: rapida(pochi ns) lenta(100÷1000 ns) ma con la medesima lunghezza donda.

16 Rivelatori di Particelle16 Lezione 16 Scintillatori inorganici scintillatoredensità (g/cm3) indice rifrazione lunghezza donda (nm) costante di tempo ( s) scintillaz. (relativa a NaI(Tl) notefotoni/MeV NaI NaI(Tl) a 80 K4x10 4 CsI a 80 K CsI(Tl) a 80 K1.1x LiI(Eu) a 80 K1.4x10 4 BaF / x10 3 2x10 3 Bi 4 Ge 3 O x10 3 PbWO , LAr /0.860a 170 nm LKr /0.085a 170 nm LXe /0.022a 170 nm4x10 4

17 Rivelatori di Particelle17 Lezione 16 Scintillatori organici Gli scintillatori organici sono dei composti di idrocarburi che contengono delle strutture ad anello di benzene. In questi composti la luce di scintillazione deriva da transizioni degli elettroni di valenza liberi delle molecole. Questi elettroni non sono associati ad un atomo particolare nella molecola ed occupano gli orbitali molecolari

18 Rivelatori di Particelle18 Lezione 16 Scintillatori organici Scintillation is based on the 2 electrons of the C-C bonds. Emitted light is in the UV range. Molecular states singlet states triplet states S 0 T 1 T 2 S 1 S 2 S 3 singlet states triplet states S 0 T 2 S 1 S 2 S 3 non- radiative fluorescence s phosohorescence >10 -4 s s degradazione interna

19 Rivelatori di Particelle19 Lezione 16 Scintillatori organici Lenergia rilasciata dalla particella eccita sia i livelli elettronici che vibrazionali. (Linee rosse tratteggiate) Le eccitazioni dello stato di singoletto decadono in 10 ps senza emettere radiazione (degradazione interna). dallo stato S 1 è facile decadere nello stato fondamentale S 0 con emissione di luce di fluorescenza in 1÷ 10 ns. Analogamente dallo stato di tripletto si arriva tramite degradazione interna allo stato T 1 e poi si scende a T 0 in maniera complessa con emissione di luce di fosforescenza (lenta > s) degradazione interna

20 Rivelatori di Particelle20 Lezione 16 Scintillatori organici Gli scintillatori organici possono essere : Cristalli organici : i più comuni sono antracene e naftalene. Lantracene è relativamente lento (30 ns), ma dà abbastanza luce. Il naftalene è rapido, ma dà poca luce. Scintillatori liquidi e plastici: sono quelli più usati. Liquidi: sono soluzioni di 1 o più scintillatori organici disciolti in un solvente organico. Lenergia rilasciata dalla particella è, in generale, assorbita dal solvente e poi rilasciata al soluto (trasferimento rapido ed efficiente). Il soluto (o i soluti) funzionano da wawe length shifter ovvero assorbono, ad esempio, nellultravioletto ed emettono nel visibile. Plastici: sono del tutto analoghi agli scintillatori liquidi per il funzionamento e la composizione (solvente e soluto/i), ma sono solidi.

21 Rivelatori di Particelle21 Lezione 16 Scintillatori organici Solventi e soluti comunemente usati :

22 Rivelatori di Particelle22 Lezione 16 Scintillatori organici Rappresentazione schematica del principio di wawe length shifting: (C. Zorn, Instrumentation In High Energy Physics, World Scientific,1992)

23 Rivelatori di Particelle23 Lezione 16 Scintillatori organici I tempi di risposta degli scintillatori liquidi e plastici sono brevi: Liquidi : 3÷4 ns Solidi : 2÷ 3 ns Attenzione: gli scintillatori organici hanno basso Z (sono H,C) scarsa efficienza per rivelare (praticamente solo effetto Compton). Ricordiamo infatti che leffetto fotoelettrico va come Z 5 e la produzione di coppie come Z 2, mentre leffetto Compton è lineare in Z Hanno invece alta efficienza per rivelare neutroni (reazioni n+p n+p).

24 Rivelatori di Particelle24 Lezione 16 Scintillatori organici Proprietà di alcuni scintillatori organici materialedensità (g/cm 3 ) n (nm) (ns) scint. rel antr H/Cnoteyeild/ NaI naphthalene monocrist. anthracene monocrist.0.5 NE 102 A Nucl. Ent. NE Nucl. Ent. NE Nucl. Ent. BC Bicron BC Bicron BC Bicron

25 Rivelatori di Particelle25 Lezione 16 Scintillatori organici La risposta degli scintillatori plastici non è lineare con la perdita di energia,ma vale la formula empirica di Birk. La luce è ridotta a causa della ricombinazione delle molecole eccitate la non linearità è proporzionale a dE/dx. Per piccoli dE/dx è praticamente lineare. Un altro effetto non totalmente capito è la dipendenza della luce di scintillazione dal campo magnetico. (cresce al crescere di B di qualche %) dL/dx J.B.Birks, Proc. Phys. Soc. A64,874 (1951) Esistono anche altri modelli e parametrizzazioni Luce emessa per unità di lunghezza

26 Rivelatori di Particelle26 Lezione 16 Guide di luce Lettura della luce di scintillazione. Normalmente la luce di scintillazione viene letta tramite un fototubo. Bisogna quindi adattare sia geometricamente che spettralmente la luce di scintillazione allo spettro e dimensioni del PM. Guide di luce: la luce viene trasferita tramite riflessione totale. Gli indici di rifrazione della guida e dello scintillatore sono praticamente uguali.

27 Rivelatori di Particelle27 Lezione 16 Guide di luce Trasmissione della luce attraverso guide di luce Quando si accoppia uno scintillatore ad un fototubo la tentazione di adattare uno scintillatore di grossa area ad un piccolo fototubo è grande. In questo modo si risparmierebbe notevolmente (Ad esempio usando come rivelatori dei fotodiodi che costano pochissimo). Ma qual è lefficienza di trasmissione della luce? Lefficienza di trasmissione della luce è limitata da: Langolo di riflessione totale Conservazione dello spazio delle fasi (teorema di Liouville)

28 Rivelatori di Particelle28 Lezione 16 Guide di luce Riflessione totale Per avere riflessione totale: Se è langolo limite di riflessione totale, la luce arriva al fototubo con un angolo massimo: Poiché il massimo angolo di riflessione nella guida di luce è /2, il minimo angolo dei raggi riflessi che arrivano al fototubo è, mentre i raggi diretti possono arrivare ad angolo 0. n e =1 (aria) n= indice rifr. guida Scintillatore Guida di Luce Fotomoltiplicatore 2 x 1 x 2

29 Rivelatori di Particelle29 Lezione 16 Guide di luce Conservazione dello spazio delle fasi Le traiettorie dei fotoni possono essere descritte come un punto nello spazio delle fasi con coordinate x e p=nsin( con n = indice di rifrazione del mezzo e divergenza angolare del fascio di luce.(*) Allingresso della guida di luce la dimensione trasversa è x 1 e se 1 è langolo massimo di un raggio di luce lelemento di volume nello spazio delle fasi è: x 1 p 1 =2 x 1 nsin 1 Alluscita della guida di luce lelemento di volume è: x 2 p 2 =2 x 2 nsin 2 ma per il teorema di Liouville: x 1 p 1 = x 2 p 2 Un angolo massimo di accettanza alluscita della guida comporta che solo raggi con un angolo di entrata sin 1 =( x 2 / x 1 )sin 2 si possono propagare nella guida di luce. Notiamo che anche nel caso che si abbia riflessione totale per tutti gli angoli (n=) una guida di luce con x 1 << x 2 comporta una notevole perdita di luce a causa del teorema di Liouville (*) Ci limitiamo a due dimensioni per semplicità. Tradotto in 3 dimensioni la conservazione dello spazio delle fasi significa che il flusso di fotoni per unità di area e per angolo solido unitario è costante Scintillatore Guida di Luce Fotomoltiplicatore 2 x 1 x 2

30 Rivelatori di Particelle30 Lezione 16 Guide di luce Abbiamo visto che la riflessione interna totale permette un angolo massimo: per cui: e nellipotesi che << : il massimo angolo di accettanza allingresso della guida imposto dallo spazio delle fasi è: Scintillatori e guide di luce hanno tipicamente n=1.5 sin 1 =0.75 Scintillatore Guida di Luce Fotomoltiplicatore 2 x 1 x 2

31 Rivelatori di Particelle31 Lezione 16 Guide di luce Barre di wavelength shifter (WLS) Per grandi aree si usano sbarrette di BBQ, Y7, K27. Assorbono sui 400nm e riemettono sui 500 nm. Hanno una lunghezza di assorbimento per lo spettro emesso (~500nm) fino a 10 m.

32 Rivelatori di Particelle32 Lezione 16 Guide di luce Fibre (polistirene n=1.59)

33 Rivelatori di Particelle33 Lezione 16 Guide di luce Conviene usare un cladding (guaina) con lindice di rifrazione il più piccolo possibile per massimizzare la luce raccolta per riflessione totale.

34 Rivelatori di Particelle34 Lezione 16 Guide di luce Le fibre sono spesso usate per ragioni di geometria in calorimetri a sampling.

35 Rivelatori di Particelle35 Lezione 16 Scintillatori e guide di luce Calorimetro adronico di ATLAS Calorimetro adronico costruito da tegole di scintillatore (spesse 3mm) messe in una struttura di ferro (calorimetro a campionamento). Il calorimetro è spesso 2m e lungo 11m (cilindro). Le tegole di scintillatore sono lette da entrambi i lati da delle fibre.

36 Rivelatori di Particelle36 Lezione 16 Fibre scintillanti Tracciamento con fibre scintillanti. Molto flessibili Elevata granularità Bassa massa Risposta rapida (ns) (se lelettronica di read out e veloce) usate come trigger di primo livello geometrie planari (end cap) geometrie circolari (barrel)


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