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Rivelatori di Particelle1 Lezione 17 Fotorivelatori Fotorivelatori Scopo dei vari fotorivelatori è quello di convertire la luce in segnali elettrici rivelabili.

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1 Rivelatori di Particelle1 Lezione 17 Fotorivelatori Fotorivelatori Scopo dei vari fotorivelatori è quello di convertire la luce in segnali elettrici rivelabili. Lo spettro che ci interessa va normalmente dallultravioletto al visibile.

2 Rivelatori di Particelle2 Lezione 17 Fotorivelatori Requisiti di un fotorivelatore: Alta sensibilità, normalmente indicata come Efficienza Quantica Q.E.=N p.e. /N fotoni I fotorivelatori possono essere suddivisi nelle seguenti categorie: Fotorivelatori a gas (e.g. vedi RICH) Fotorivelatori sottovuoto (e.g. PM) Fotorivelatori a stato solido (e.g. diodi)

3 Rivelatori di Particelle3 Lezione 17 Fotorivelatori Il Fotomoltiplicatore (Philips Photonic)

4 Rivelatori di Particelle4 Lezione 17 Fotorivelatori Il fotomoltiplicatore (PM) consiste in un catodo di materiale fotosensibile seguito da un sistema di raccolta degli elettroni, una sezione di moltiplicazione degli elettroni (dinodi) ed infine da un anodo dal quale si preleva il segnale elettrico. Tutto il sistema sta in un tubo di vetro sotto vuoto. Quando è in funzione si alimenta con una tensione negativa il catodo (a massa lanodo) ed i dinodi ad una tensione degradante dal valore catodico a quello dellanodo, come si può ottenere da un partitore di tensione. Quando un fotone urta il fotocatodo viene emesso un elettrone per effetto fotoelettrico. A causa della d.d.p. applicata viene focalizzato ed accelerato sul primo dinodo e, colpendolo, si ha emissione secondaria di elettroni. I nuovi elettroni vengono accelerati dal campo elettrico sul secondo, terzo … dinodo, producendo un fascio di elettroni diretti verso lanodo. Allanodo questo sciame di elettroni viene raccolto e fornisce un segnale di corrente che può essere ulteriormente amplificato e analizzato. e-e- photon

5 Rivelatori di Particelle5 Lezione 17 Fotorivelatori I fotomoltiplicatori possono funzionare sia in continua, ovvero con unilluminazione costante, sia in modo pulsato, come nel caso di PM accoppiati a scintillatori. In ogni caso, se il catodo ed il sistema di dinodi sono lineari (come è il caso se operati bene), la corrente allanodo è direttamente proporzionale al numero di fotoni incidenti, a sua volta in generale proporzionale allenergia rilasciata nello scintillatore.

6 Rivelatori di Particelle6 Lezione 17 Fotorivelatori Il fotocatodo Processo a 3 fasi : foto-ionizzazione della molecola propagazione degli elettroni nel catodo fuga degli elettroni nel vuoto e-e- glass PC e-e- Semitransparent photocathodeOpaque photocathode PC substrate

7 Rivelatori di Particelle7 Lezione 17 Fotorivelatori band model: Photon energy has to be sufficient to bridge the band gap E g, but also to overcome the electron affinity E A, so that the electron can be released into the vacuum. Most photocathodes are semiconductors:

8 Rivelatori di Particelle8 Lezione 17 Fotorivelatori Il fotocatodo converte la luce incidente in una corrente di elettroni, via effetto fotoelettrico. Per facilitare il passaggio della luce il materiale fotosensibile è depositato su uno strato sottile allinterno della finestra del PM in generale fatta di vetro o di quarzo.

9 Rivelatori di Particelle9 Lezione 17 Fotorivelatori L energia cinetica degli elettroni emessi dal fotocatodo è : T=h dove è lenergia per strappare lelettrone dallatomo e la frequenza della luce incidente. È quindi chiaro che serve unenergia minima del fotone per poter avere effetto fotoelettrico. Al di sopra di questa soglia tuttavia la probabilità di avere effetto fotoelettrico è ben diversa da 1. Dipende infatti fortemente dalla frequenza della luce incidente e dal materiale del fotocatodo.Questa probabilità è chiamata efficienza quantica (Q.E.) Q.E.=# fotoelettroni/# fotoni incidenti ( ) Una quantità equivalente è la sensibilità irraggiante del catodo definita da: sk e ( )=I k /P( ) dove I k è la corrente di elettroni fotoemessi dal catodo e P( ) è la potenza (di fotoni) incidente. la sensibilità irraggiante è connessa alla Q.E.: sk e ( )=( Q.E.( )e)/hc Se sk e ( è misurata in A/W e in nm si ha: sk e ( )=( Q.E.( ))/1240 [A/W]

10 Rivelatori di Particelle10 Lezione 17 Fotorivelatori Efficienza Quantica di fotocatodi tipici:

11 Rivelatori di Particelle11 Lezione 17 Fotorivelatori

12 Rivelatori di Particelle12 Lezione 17 Fotorivelatori Focalizzazione sul primo dinodo. Dopo lemissione dal fotocatodo, gli elettroni devono essere focalizzati verso la sezione di moltiplicazione (dinodi). La raccolta degli elettroni e la focalizzazione avviene tramite dei campi elettrici configurati ad hoc. qualunque sia il modo di focalizzazione 2 punti sono importanti: La raccolta degli elettroni sul primo dinodo deve essere il più efficiente possibile ed indipendente dal punto di origine sul fotocatodo Il tempo che un elettrone impiega per raggiungere il primo dinodo deve essere indipendente dal punto di emissione dellelettrone dal fotocatodo. Questa condizione è particolarmente importante per PM veloci, usati per misure di tempo risoluzione temporale dellapparato.

13 Rivelatori di Particelle13 Lezione 17 Fotorivelatori Lo stadio di moltiplicazione Lo stadio di moltiplicazione amplifica la debole corrente di elettroni prodotta dal fotocatodo, tramite una serie di elettrodi (dinodi) in modo da produrre una corrente misurabile allanodo. I dinodi sono di materiale tipo BeO oppure Mg-O-Cs, per assicurare unalta emissione secondaria. Sono infatti necessarie: Alta emissione secondaria g per ogni dinodo. Per energie degli elettroni da 100 a 200 eV (tipici voltaggi di accelerazione fra i vari dinodi) si hanno dai 3 ai 5 elettroni secondari emessi, per ogni elettrone primario. Stabilità dellemissione secondaria anche con alte correnti. Basso rumore (bassa emissione termoionica)

14 Rivelatori di Particelle14 Lezione 17 Fotorivelatori I PM più usuali hanno 10÷14 stadi con guadagni totali fino a 10 6 ÷10 7. Se il guadagno di ogni dinodo è g i in un PM con N dinodi avremo un guadagno totale G pari a: Esempio: 13 dinodi con guadagno=4 per ogni dinodo. G=4 13 7x10 7. La carica che arriva allanodo è ~ Q=eG=1.1x C che, raccolta in 5 ns fornisce una corrente i=dQ/dt2.2 mA. Se lanodo è terminato su 50 V=R(dQ/dt)110 mV.

15 Rivelatori di Particelle15 Lezione 17 Fotorivelatori Partitore di tensione Normalmente i dinodi sono connessi ad una catena resistiva. Possono avere resistenze uguali per cui il guadagno per ogni dinodo è uguale, essendo: g i =KV i dove V i è la differenza di potenziale fra due dinodi adiacenti. Possono anche avere resistenze diverse. Gli ultimi dinodi sono inoltre connessi a delle capacità, usate per mantenere costante la V i. Possibile usare degli Zener sugli ultimi dinodi.

16 Rivelatori di Particelle16 Lezione 17 Fotorivelatori Esempi di partitori di tensione.

17 Rivelatori di Particelle17 Lezione 17 Fotorivelatori Risposta temporale 2 effetti principali condizionano la risoluzione temporale di un fotomoltiplicatore : 1)Variazione del tempo di transito degli elettroni nel PM. 2 origini principali: 1 puramente geometrica dovuta ai diversi punti di emissione dal fotocatodo e quindi (se il fotocatodo è grande) diversi percorsi geometrici. Laltra dipende dalla direzione e dallenergia degli elettroni emessi. a)Elettroni più veloci raggiungeranno il primo dinodo prima di quelli più lenti. b)Elettroni quasi ortogonali al catodo raggiungeranno il primo dinodo prima di quelli emessi // al fotocatodo. La somma dei 2 effetti è dellordine di 0.2÷0.5 ns (per fototubi veloci). Può essere ridotta con catodi sferici ed aumentando il campo elettrico. Attenzione: non confondere la risoluzione temporale, con il tempo di transito totale (~40ns)

18 Rivelatori di Particelle18 Lezione 17 Fotorivelatori Risposta temporale Risposta temporale (continua) 2)Rumore statistico. La risoluzione temporale risente della natura statistica delleffetto fotoelettrico e dalla natura statistica del processo di emissione secondaria. IkIk tempo Rumore statistico di un PM illuminato con luce costante

19 Rivelatori di Particelle19 Lezione 17 Fotorivelatori Forma dellimpulso e tempo di salita Il segnale di uscita allanodo è un segnale in corrente (o carica) proporzionale al numero di elettroni emessi dal catodo il PM è un generatore di corrente. V C R I La resistenza R e la capacità C, rappresentano la resistenza e la capacità dellanodo oltre a quelle di ogni elemento del circuito di uscita ( R di carico sullanodo, cavi ecc.)

20 Rivelatori di Particelle20 Lezione 17 Fotorivelatori La corrente allanodo è, assumendo che lingresso è la luce di uno scintillatore, descritta da un decadimento esponenziale : dove G è il guadagno totale del PM, N il numero di fotoelettroni emessi al catodo, e la carica dellelettrone e s la costante di tempo di decadimento dello scintillatore. dove =RC

21 Rivelatori di Particelle21 Lezione 17 Fotorivelatori Per << s, il segnale V(t) è piccolo, ma riproduce il tempo di decadimento del segnale dingresso. Il tempo di salita è rapido ed è ~ =RC del circuito duscita funzionamento in corrente (la tensione V(t) è data dalla corrente che passa in R, V(t)=RI(t)). Per >> s il segnale V(t) è più grande, ma il tempo di decadimento è dominato da =RC del circuito duscita. Il tempo di salita del segnale è dato da s funzionamento in voltaggio (corrente integrata da C, V(t) è dato dal voltaggio ai capi del condensatore C.)

22 Rivelatori di Particelle22 Lezione 17 Fotorivelatori Il modo di funzionamento in voltaggio è preferito (segnale più grande e che fluttua poco perché integrato su C), ma rate raggiungibile minore in quanto gli impulsi si possono sovrapporre. Il rate è limitato a 1/ La RC del circuito di uscita deve essere adattata allo scintillatore usato si modifica la R dellanodo in modo da ottenere la RC voluta. La capacità C è mantenuta molto bassa (cavi corti) per massimizzare lampiezza del segnale. t

23 Rivelatori di Particelle23 Lezione 17 Fotorivelatori Risoluzione in energia La risoluzione in energia è determinata dalle fluttuazioni del numero di elettroni secondari emessi dai dinodi. Poisson distribution: Relative fluctuation: GaP(Cs) (Philips Photonic) Negative electron affinity (NEA) ! Fluttuazioni più grandi se piccolo primo dinodo

24 Rivelatori di Particelle24 Lezione 17 Fotorivelatori (Philips Photonic) noise Pulse height counts 1 p.e. 2 p.e. 3 p.e. (H. Houtermanns, NIM 112 (1973) 121) 1 p.e. Altezza dimpulso con dinodi di Cu-Be Altezza dimpulso con dinodi con affinità negativa (NEA)

25 Rivelatori di Particelle25 Lezione 17 Fotorivelatori Fattori ambientali I PM sono molto sensibili alla luce non metterli ad alta tensione alla luce. Possono recuperare (a volte) se tenuti dopo il misfatto luminoso al buio per molto tempo. I PM sono estremamente sensibili ai campi magnetici, sentono pure quello terrestre (fotoelettroni quasi fermi allemissione dal catodo) schermarli con -metal.

26 Rivelatori di Particelle26 Lezione 17 Fotorivelatori Configurazione dei dinodi position sensitive PMTs (Philips Photonics) traditional New micro-machined structures

27 Rivelatori di Particelle27 Lezione 17 Fotorivelatori PM a molti anodi example: Hamamatsu R5900 series. Up to 8x8 channels. Size: 28x28 mm 2. Active area 18x18 mm 2 (41%). Bialkali PC: Q.E. = 20% at max = 400 nm. Gain Gain uniformity and cross-talk used to be problematic, but recently much improved.

28 Rivelatori di Particelle28 Lezione 17 Fotorivelatori Microchannel plate Sono costituiti da tanti tubicini di vetro (10÷50 m) lunghi 5÷10 mm rivestiti allinterno da un materiale resistivo. Si applica una d.d.p. di ~1000 V al tubicino. Il fotone che arriva è convertito in elettrone da un fotocatodo (davanti ai tubicini). I fotoelettroni sono moltiplicati dai dinodi (dinodo continuo, cioè il rivestimento interno resistivo) percorso più breve fluttuazioni in tempo drasticamente ridotte ( ~50 ps). Guadagni G ~ 10 5 ÷10 6. Catodo e anodo molto vicini meno sensibili ai campi magnetici (funzionano anche con B=0.1 T). Presenza di ioni positivi prodotti dalle collisioni degli elettroni con gli atomi del gas residuo che migrano verso il fotocatodo vita media limitata (0.5 C/cm 2 ). Gli ioni vengono assorbiti usando delle finestre di alluminio trasparenti posizionate fra il fotocatodo ed i tubicini Limitati in rate (mA/cm 2 ) Possibile una lettura bidimensionale.

29 Rivelatori di Particelle29 Lezione 17 Fotorivelatori

30 Rivelatori di Particelle30 Lezione 17 Fotorivelatori Derivati dei PM i. fototriodi i. fototriodi (1 solo dinodo) ii. Tetrodi ii. Tetrodi (2 soli dinodi)

31 Rivelatori di Particelle31 Lezione 17 Fotorivelatori Fotodiodi ibridi (HPD) Photo cathode like in PMT, V kV (for V =20 kV) photo cathode + p.e. acceleration + silicon det. (pixel, strip, pads)

32 Rivelatori di Particelle32 Lezione 17 Fotorivelatori Single photon detection with high resolution Commercial HPD (DEP PP0270K) with slow electronic (2 s shaping time) (C.P. Datema et al. NIM A 387(1997) 100 Background from electron backscattering from silicon surface Poisson statistics with =5000 !

33 Rivelatori di Particelle33 Lezione 17 Fotorivelatori Fotodiodi Alla giunzione pn c è la zona di svuotamento libera da e-h (cariche libere). In questa zona esiste un campo elettrico E dovuto alla densità di carica dovuta agli atomi ionizzati del cristallo, positiva nella zona di donatori (n) e negativa nella zona di accettori (p). Applicando una polarizzazione inversa la zona di svuotamento aumenta ( può diventare grande come tutto il diodo). Se un ha E>E gap può mandare un e nella banda di conduzione coppia e-h si crea una corrente. In condizioni di lavoro Q.E. ~ 80% e G=1. Ovviamente non sentono il campo magnetico. tipo pn

34 Rivelatori di Particelle34 Lezione 17 Fotorivelatori Fotodiodi a valanga (APD) In questa configurazione gli e trovano prima un campo E basso e derivano verso un campo alto moltiplicazione a valanga La moltiplicazione avviene allinizio e poi tutti gli e secondari vanno verso la fine del diodo Alto voltaggio di polarizzazione inversa (100÷200 V) Funzionano in modo lineare fino a V di pol. inversa ~300 V; al di sopra regime Geiger Guadagni fino a 100 in zona lineare (più comune 50÷80) Dimensioni trasverse ~ 1cm.

35 Rivelatori di Particelle35 Lezione 17 Fotorivelatori Contatore di fotoni a luce visibile (VLPC) Si:As impurity band conduction avalanche diode Hole drifts towards highly doped drift region and ionizes a donor atom free electron. Multiplication by ionization of further neutral donor atoms. + - Intrinsic Region Gain Region Drift Region Spacer Region Photon e h Substrate e

36 Rivelatori di Particelle36 Lezione 17 Fotorivelatori VLPC Operation at low bias voltage (7V) High IR sensitivity Device requires cooling to LHe temperature. Q.E. 70% around 500 nm. Gain up to ! VLPC bialkali (ST) GaAs (opaque) Multialkali (ST) (nm) Q.E.

37 Rivelatori di Particelle37 Lezione 17 Fotorivelatori High gain real photon counting as in HPD pedestal noise no light with light ADC counts (a.u.) events Ø1 mm Fermilab D0 tracciamento con fibre (72000 canali) 8 pixel per chip (vapor phase epitaxial growth)


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