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CONTATORI contano singoli fotoni di una certa energia DETECTOR 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 DETECTOR 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

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3 Rivelatori integratori non misuriamo il singolo impulso, quindi non abbiamo una risoluzione energetica, ma misuriamo una corrente Viene misurata la corrente mediata su un tempo caratteristico T (0.1 – 0.5 s):

4 Rivelatori integratori (non misuriamo il singolo impulso, quindi non abbiamo una risoluzione energetica, ma misuriamo una corrente) Viene misurata la corrente mediata su un tempo caratteristico T (0.1 – 0.5 s): Per un flusso costante di N fotoni al secondo, di energia E, assorbiti dal rivelatore la corrente sarà: e carica dellelettrone w energia media richiesta per produrre una coppia elettrone – ione (o elettrone – lacuna) quindi, E/w è il numero di coppie che si riesce a produrre per ognuno degli N fotoni

5 Rivelatori contatori Viene rivelato il singolo impulso Se = RC (tempo di scarica del circuito RC) >> t c (tempo tipico di produzione della carica) landamento della tensione V(t) sarà:

6 Posso fare unistogramma delle varie ampiezze degli impulsi Spettro in energia

7 Principio di funzionamento Per energie E < 50 KeV il processo primario su cui si basano i detector 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 Assorbimento in un un gas coppie ioni + elettroni Assorbimento in un semiconduttore coppie elettroni + lacune Assorbimento in un materiale scintillatore fotoelettrone da un fotocatodo Processi primari in tre tipi di detector

9 Rivelatori a gas Gas Anodo Catodo Finestra trasparente ai Raggi x Fotoelettrone di energia: Energia di legame del fotoelettone Ione positivo Schema di principio Questi dispositivi sono stati tra i primi utilizzati per la rivelazione di particelle. Essi sfruttano la ionizzazione prodotta dal passaggio di un fotone in un gas;ionizzazione in tale processo un elettrone viene rimosso da un atomo o da una molecola in modo da creare una coppia elettrone - ione positivo.

10 Rivelatori a gas Gas Anodo Catodo Finestra trasparente ai Raggi x Fotoelettrone di energia: Energia di legame del fotoelettone Ione positivo Un gas è un mezzo naturale per la raccolta della ionizzazione provocata dalla radiazione, grazie alla grande mobilità che in esso hanno ioni ed elettroni. Esistono diverse configurazioni per i rivelatori a gas, ma in ogni caso essi sono costituiti da un contenitore riempito con un gas facilmente ionizzabile, e poi vi sono almeno altri due componenti: un catodo e un anodo. mobilitàdiverse configurazioni

11 Gas Anodo Catodo Finestra trasparente ai Raggi x Fotoelettrone di energia : Energia di legame del fotoelettone Ione positivo Il numero medio di coppie create è proporzionale all'energia depositata dal fotone X. Sotto l'azione del campo elettrico, gli elettroni vengono accelerati verso l'anodo e gli ioni verso il catodo. 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 Rivelatori a gas

12 Il segnale in uscita dipende dal potenziale applicato Nella regione A non tutte le cariche prodotte vengono raccolte in quanto, a causa del piccolo valore del campo elettrico, il processo di ricombinazione delle varie coppie ione-elettrone è notevole. E >E A anodo C catodo Rivelatori a gas

13 Nella regione B, chiamata regione di saturazione o camera a ionizzazione, gli effetti della ricombinazione diventano trascurabili e la carica raccolta è tutta quella prodotta. Gli elettroni vengono raccolti dallanodo; gli ioni, che hanno una mobilità molto minore, vengono raccolti al catodo. La camera di ionizzazione è usualmente utilizzata come integratore: si misura la corrente generata. E >E A anodo C catodo Rivelatori a gas

14 Nelle regioni C e D il campo elettrico è sufficientemente intenso da far acquistare agli elettroni primari prodotti energia cinetica sufficiente a ionizzare gli atomi del gas producendo una moltiplicazione a valanga di ioni. moltiplicazione a valanga La ionizzazione secondaria è ancora strettamente dipendente da quella primaria ed è in questa regione che lavorano i contatori proporzionali. E >E A anodo C catodo Rivelatori a gas

15 Nella regione E, detta di Geiger-Muller, la carica raccolta non è più proporzionale alla ionizzazione primaria. Nella regione F non è più possibile nessun tipo di rivelazione: l'impulso in uscita non dipende più dalla radiazione incidente, poiché avviene una scarica in presenza o meno di radiazione. E >E A anodo C catodo Rivelatori a gas

16 Contatori Geiger-Müller Operano nella regione E della curva segnale d'uscita-potenziale in un rivelatore a gas.regione E Al crescere della tensione anodo-catodo la moltiplicazione a valanga diviene generalizzata e non dipende più dallenergia del fotone assorbito. Basta una sola coppia primaria per dar luogo ad una scarica a valanga completa e quindi l'ampiezza dell'impulso in uscita non è più una misura della ionizzazione primaria: in questi dispositivi la carica raccolta è indipendente dalla ionizzazione primaria. Infatti oltre alla ionizzazione si hanno fenomeni quali l'eccitazione seguita da emissione di luce visibile e ultravioletta. Una piccola parte di tali fotoni dà luogo ad emissione di fotoelettroni che generano nuova ionizzazione, tramite il processo della moltiplicazione a valanga.ionizzazionemoltiplicazione a valanga Un contatore Geiger può essere utilizzato come contatore di radiazione e non in esperimenti di spettroscopia. Rivelatori a gas

17 Gli scintillatori Alcuni materiali presentano la proprietà conosciuta come luminescenza. Questo fenomeno consiste nell'assorbimento dell'energia di una radiazione e nella riemissione di questa sotto forma di luce visibile. L'emissione di luce avviene dopo un tempo caratteristico t c dall'assorbimento della radiazione; In particolare se il processo cessa al cessare della causa eccitatrice, cioè tra assorbimento e riemissione c'è solo l'intervallo di tempo necessario per la transizione atomica (t c < s) il processo viene chiamato fluorescenza; se invece lo stato di eccitazione è metastabile, la luminescenza persiste, cioè la riemissione è ritardata e in tal caso il processo è detto fosforescenza. scintillatori Nei contatori di scintillazioni vengono contati i fotoni emessi da alcune sostanze luminescenti, come i cristalli di NaI contenenti piccole quantità di Tallio (1-3 %) eccitati per bombardamento con raggi X.

18 NaI(Tl) Tl è un drogante che crea i Centri di colore in cui e - e h + si ricombinano E=hv Tl Vis scintillatori La struttura regolare del cristallo NaI forma delle bande energetiche separate da una banda proibita. VB, banda di valenza (l'ultima banda occupata) CB banda di conduzione (la prima banda vuota) "band gap: Ec – Ev I fotoni X da rivelare cedono energia ali elettroni che vengono eccitati passando dalla banda di valenza a quella di conduzione, formando una coppia elettrone-lacuna. Con laggiunta di impurità (Tallio) la struttura a banda è modificata perché si formano livelli energetici nella banda proibita del cristallo, che rappresentano dei centri di attivazione dove cè la maggiore probabilità di ricombinazione tra le lacune nella banda di valenza e gli elettroni nella banda di conduzione. SENZA IMPURITA NON CI SAREBBE LUMINESCENZA

19 Un rivelatore a scintillazione è costituito da un cristallo scintillatore, generalmente a forma di cilindro, con una delle basi rivolta verso il catodo di un fotomoltiplicatore. Il numero di fotoni raccolti dal fotomoltiplicatore, trasformati in impulsi elettrici, amplificati e conteggiati, è proporzionale allenergia delle radiazioni incidenti. scintillatori I fotomoltiplicatori sono dei dispositivi capaci di convertire un segnale luminoso in un segnale elettrico. Costituenti del fotomoltiplicatore: 1. fotocatodo 2. moltiplicatore di elettronifotocatodo

20 scintillatori Il fotocatodo converte la luce incidente in corrente di elettroni sfruttando l'effetto fotoelettrico.effetto fotoelettrico Esso è costituito da una sostanza fotoemittente depositata in sottilissimo strato sulla parete interna della finestra di ingresso del fotomoltiplicatore. L'efficienza di conversione fotoelettrica varia fortemente con la frequenza della luce incidente e con la struttura del materiale

21 Moltiplicatore di elettroni viene posizionato subito dopo il fotocatodo e ha la funzione di amplificare la debole fotocorrente da questo proveniente, in modo tale da ottenere all'anodo una corrente misurabile.fotocatodo Esso è costituito da una serie di elettrodi, mantenuti a diverso potenziale in modo da accelerare e guidare gli elettroni lungo il moltiplicatore; tali elettrodi sono chiamati dinodi ed è in essi che avviene l'emissione secondaria di elettroni. Il guadagno che si ha in ciascun elettrodo è conosciuto come fattore di emissione secondaria, d. scintillatori


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