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Principi di Funzionamento dei Rivelatori a Scintillazione sfruttano leccitazione prodotta dalle collisioni delle particelle cariche nel loro passaggio.

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Presentazione sul tema: "Principi di Funzionamento dei Rivelatori a Scintillazione sfruttano leccitazione prodotta dalle collisioni delle particelle cariche nel loro passaggio."— Transcript della presentazione:

1 Principi di Funzionamento dei Rivelatori a Scintillazione sfruttano leccitazione prodotta dalle collisioni delle particelle cariche nel loro passaggio attraverso la materia diversamente da altri rivelatori di particelle il cui principio di funzionamento è invece basato sulla ionizzazione Un fotomoltiplicatore (PMT) raccoglie il debole segnale luminoso, lo converte in un impulso di elettroni ed amplifica in una corrente elettrica misurabile successivamente analizzata dall elettronica di acquisizione gli scintillatori sono sempre accoppiati ad un PMT la diseccitazione avviene con emissione di luce mediante fluorescenza OSS: i fotoni X e vengono rivelati indirettamente, mediante la rilevazione degli elettroni secondari prodotti per effetto fotoelettrico, Compton e produzione di coppie

2 Leccitazione verso stati di energia superiore a S 10 è seguita da una rapidissima transizione (nellordine del ps) non radiativa verso S 10. Da questo livello le molecole si diseccitano verso lo stato fondamentale S 00 o uno degli stati vibrazionali S i0 emettendo luce di fluorescenza. piccola sovrapposizione Scintillatori Organici fluorescence decay time ns phosphorescence decay time ms 3 – 4 eV nellultravioletto

3 Il drogaggio del cristallo con impurità, chiamate attivatori, modifica la normale struttura a bande introducendo livelli energetici nella banda proibita Un elettrone eccitato tornerebbe nella banda di valenza emettendo un fotone di energia pari a quella della gap e perciò verrebbe riassorbito rapidamente. un elettrone che migri nel cristallo (in quanto eccitato nella banda di conduzione) potrebbe rimanere intrappolato in uno stato attivatore eccitato. Per attivatori opportunamente scelti la diseccitazione da questi stati avviene con emissione di fotoni di luce il processo richiede la configurazione energetica dei cristalli: per gli elettroni sono disponibili le bande di valenza e conduzione mentre è proibita la banda intermedia. Scintillatori Inorganici

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5 NB : gli scintillatori devono essere trasparenti alla lunghezza donda della luce emessa e questa deve essere accordata alla sensibilità del PMT. OSS: Leccitazione può essere considerata istantanea rispetto al decadimento per fluorescenza che avviene con tempi ~ ns. Lintensità di florescenza decresce come dove I 0 =I(t=0).

6 Un tipico valore del coefficiente di emissione secondaria è =4. Il coefficiente di emissione secondaria è legato ad E dalla relazione di proporzionalità: dove varia tra 0.7 e 0.8 in funzione del materiale costituente i dinodi e della loro geometria. Il fotone di luce attraversa una finestra di vetro incidendo su un catodo di metallo alcalino depositato sulla superficie interna del vetro. Lefficienza quantica di questo processo è tipicamente 20-25% dallanodo verso massa fluisce un impulso di carica negativa Un partitore resistivo, tra i cui estremi è connessa una singola sorgente di alto voltaggio in continua, fornisce ai dinodi una tensione progressivamente crescente fino allanodo. Tipicamente i PMT vengono alimentati con una tensione V=1.5-2 kV e presentano una catena di n=8-12 dinodi tra i quali viene stabilita una d.d.p. E= V ottenuta dalla partizione. La d.d.p. tra il fotocatodo ed il primo dinodo è in realtà maggiore di E per un fattore pari a qualche unità in modo da migliorare lefficienza di raccolta. Funzionamento di un PMT

7 ES : per ogni elettrone emesso dal catodo, lanodo di un PMT con 10 dinodi raccoglie circa elettroni. In generale per il guadagno G di un PMT, cioè per il rapporto tra la corrente elettrica in uscita dallanodo e quella fotoelettrica in uscita dal catodo, vale la relazione varia tra 6 e 10 V ed E devono essere molto stabili Circuito di alimentazione con polarità negativa negli ultimi step della catena sono inseriti condensatori stabilizzanti prevengono variazioni di E quando la corrente interna del PMT diventa confrontabile con quella che attraversa le resistenze del partitore lalta tensione negativa e costante è applicata al catodo

8 Funzionamento di un PMT può avvenire in modalità analogica modalità digitale dallanodo proviene un treno di impulsi quando lintervallo tra gli impulsi è più stretto della larghezza dei singoli impulsi o il circuito di analisi del segnale non è sufficientemente veloce, viene acquisita una corrente continua con fluttuazioni di rumore conteggio fotonico per un rate di irradiazione sufficientemente basso dallanodo provengono impulsi discreti in numero a quello dei fotoni incidenti vengono acquisiti come distinti luno dallaltro

9 C = capacità equivalente dellanodo, del cavo e del circuito di acquisizione ipotesi semplificatrici: dallanodo proviene una corrente i(t) positiva se il tempo di transito nel PMT è piccolo rispetto al tempo di decadimento, tale corrente è ben rappresentata dalla decrescita esponenziale Lintegrale rappresenta la carica prodotta da una singola particella ionizzante (o quanto di radiazione) ed è direttamente legata allenergia di tale particella è disegnato per operare in modalità impulso Sistema di acquisizione prevede innanzitutto la trasformazione dellimpulso di corrente proveniente dallanodo in uno di tensione tale elettrodo vene collegato attraverso la resistenza di carico R ad una tensione costante coincidente con la massa nel caso di alimentazione negativa del PMT NB: Il funzionamento dei rivelatori in modalità impulso consente di ottenere informazioni sullenergia liberata negli eventi di interazione e sul loro rate di accadimento

10 Costante di tempo dellanodo lunga: RC >> salita determinata dalla costante di tempo dello scintillatore discesa determinato dalla costante di tempo del circuito di carico La condizione RC >> è adottata quasi sempre perché massimizza laltezza degli impulsi - RC= 5-10 e comunque non troppo lunga per prevenire sovrapposizione tra impulsi successivi; - si mantiene C al valore minimo in modo da massimizzare Q/C. generalmente Forma dellimpulso di tensione

11 rispetto al caso precedente dellimpulso sono molto ridotte la durata lampiezza Costante di tempo dellanodo corta: RC << salita determinata dalla costante di tempo del circuito di carico discesa uguale a quella della luce emessa dallo scintillatore

12 plastic scintillator inorganic crystal, NaI 10 ns / division 5 s / division longer time scale for fluorescence to occur

13 Per ogni particella rivelata dallo scintillatore, in ingresso al circuito di acquisizione è V max ~ mV Esempio di calcolo : su un cristallo scintillatore di NaI(Tl) incidono fotoni di 0.5 MeV. Lo scintillatore è connesso ad un PMT con efficienza di conteggio CE=15 % e guadagno G=10 6. Lanodo è chiuso su una resistenza di carico R=50. Lanodo raccoglie elettroni per una carica complessiva Si può assumere RC=10 =2.3 s Per lNAI(Tl): Preamplifier V max ~ mV Amplifier V max ~ 100 mV V max ~ V entrambi modificano inoltre la forma dellimpulso

14 Successivo stadio di elaborazione per un rivelatore di particelle in modalità impulso DISCRIMINATORE DALTEZZA produce in uscita un impulso logico può essere integrale: elimina il rumore selezionando gli impulsi di ampiezza superiore ad una soglia prefissata a finestra: seleziona gli impulsi di ampiezza compresa tra un Lower ed un Upper Level prefissati Single Channel Analyzer (SCA) può essere usato nei CONTATORE DI IMPULSI Si può ricostruire la distribuzione in ampiezza degli impulsi ( SPETTROMETRO) con una serie di SCA settati su finestre strette e successive oppure con un Analog-to-Digitale Converter (ADC) trasforma limpulso in un numero proporzionale alla sua ampiezza

15 Analisi Altezza dellImpulso può seguire due vie: Multi Channel Analyzer (MCA) consiste di un convertitore analogico digitale, di un controllo logico, memoria e display Single Channel Analyzer (SCA) Counter Ratemeter


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