Laboratorio di Fisica Nucleare e Subnucleare Dipartimento di Fisica Anno Accademico 2002/2003 Laboratorio di Fisica Nucleare e Subnucleare Fotorivelazione 12/3/2018
Fotodiodi a semiconduttore Charged-coupled devices (CCD) Scopo – conversione del segnale ottico (fotoni emessi durante il processo di scintillazione) in un segnale elettrico che può essere successivamente processato ed analizzato Fotomoltiplicatori Fotodiodi a semiconduttore Charged-coupled devices (CCD) Avalanche photodiodes (APD) Visible Light Photon Counter (VLPD, criogenici) Sensibilità Rapidità di risposta Ottima linearità Facilità di montaggio Semplicità di utilizzazione ( da IR a UV ) 12/3/2018
Schema di un tubo fotomoltiplicatore fotocatodo di materiale fotosensibile ottica di raccolta sezione moltipicatrice (dinodi) anodo di raccolta di carica I fotoni generano elettroni via effetto fotoelettrico Ogni elettrone incidente genera circa 4 nuovi elettronii ad ogni dinodo tubo a vuoto finestra di ingresso schermo magnetico Elettroni accelerati da uno stadio all’altro grazie ad una differenza di potenziale applicata tra i dinodi 12/3/2018
Definizione del GUADAGNO di un tubo fotomoltiplicatore = numero medio di elettroni generato ad ogni stadio Generalmente = 4 ma dipende dal materiale utilizzato per i dinodi e dalla differenze di potenziale tra di essi n = numero di stadi di moltiplicazione (dinodi) Guadagno del fototubo G = n Per n = 10 stadi e = 4 , G = 410 = 1 107 Ciò significa che UN elettrone emesso dal fotocatodo (fotoelettrone) genera 1 107 electroni al segnale in uscita 12/3/2018
Il fotocatodo Fotoni incidenti emettono elettroni dalla superficie metallica del fotocatodo effetto fotoelettrico. Gli elettroni liberati hanno energia cinetica uguale a quella dei fotoni a meno dell’energia richiesta per liberare i fotoni stessi. Meccanismo più complicato che in un singolo atomo isolato assorbimento del fotone incidente migrazione dell’elettrone fino alla superficie estrazione dell’elettrone dal mezzo 12/3/2018
La composizione del fotocatodo è importante La composizione del fotocatodo è importante. Tipicamente si usano materiale semiconduttori (tipo antimonio, Sb) e uno o più metalli alcalini (Cs, Na, K). Il fotocatodo è normalmente molto sottile, per facilitare l’uscita degli elettroni emessi per effetto fotoelettrico. Tipo di catodo Composizione Di picco (nm) () S1 (C) Ag-O-Cs 800 0.36 S4 Sb-Cs 400 16 S11 (A) 440 17 Super A 22 S13 (U) S20 (T) SbNa-KCs 420 20 S20R 550 8 TU Bialkali SbRb-Cs 26 Bialkali D Sb-K-Cs Sb Cs-Te 235 10 12/3/2018
Sensibilità Espressa in funzione di tramite l’efficienza quantica ()= N(p.e. liberati)/N(fotoni incidenti,) La massima efficienza si ha nella maggior parte dei casi per = 400440 nm (luce blue) e vale circa ()=1030%. 12/3/2018
Caratteristiche – ottica di raccolta Fotoelettroni estratti e portati, con il minimo delle perdite al primo stadio della catena di amplificazione dei dinodi. Viene creato un opportuno campo elettrico focheggiante (dal fotocatodo verso il primo dinodo) che serve a convogliare i fotoelettroni. Elettrodi di focalizzazione collocati lateralemente, le linee di forza forzano gli elettroni a traiettorie determinate, minimizzando gli effetti geometrici di dispersione del “fascio”. 12/3/2018
Caratteristiche – ottica di raccolta Grandi differenze di transito, ottica di raccolta verso il primo dinodo di fondamentale importanza: maggior numero possibile di fotoelettroni indipendentemente dal punto di emissione sul fotocatodo tempo impiegato per raggiungere il primo dinodo indipendente dal punto di impatto sul fotocatodo TTS (transit time spread) 12/3/2018
I dinodi I dinodi sono degli elettrodi di emissione secondaria, posti tra il fotocatodo e l’anodo del fotomoltiplicatore. Servono ad amplificare la debole corrente primaria di elettroni estratti dal fotocatodo. Il guadagno di ogni elettrodo si chiama fattore di emissione secondaria K. I dinodi sono composti da un sottile strato di materiale (con buona capacita` di emissione) depositato su una struttura metallica. Per esempio si usano delle leghe di metallo alcalino + metallo “nobile” (Ag-Mg, Cu-Be, ...). sci scint organici danno piu` luce, ma sono piu` lenti, quelli organici sono veloci, ma danno meno luce. Se indichiamo con n il numero di fotoelettroni prodotti dal fotocatodo, con d il numero di dinodi e con K il coefficiente di moltiplicazione per emissione secondaria, il numero di elettroni che raggiungono l’anodo e` n Kd. Tipicamente d=10 14 e K=3 4 il guadagno del fotomoltiplicatore e` Kd ~ 105 107. Il guadagno G = Kd dipende dalla tensione di alimentazione applicata in quanto varia la costante K G(HV)/G(HV0) (HV/HV0)d 12/3/2018
I dinodi Alta tensione applicata agli estremi dei dinodi genera un campo elettrico che guida gli elettroni da stadio a stadio. Partitore resistivo, distribuzione lineare delle tensioni tra i dinodi. circa 100 V differenza di potenziale per ogni stadio una serie di resistenze forma il partitore resistivo corrente tipica “tirata” da una base ~ 1-2 mA sci scint organici danno piu` luce, ma sono piu` lenti, quelli organici sono veloci, ma danno meno luce. 12/3/2018
Segnale in uscita Fotocatodo Corpo del tubo Alta tensione Dinodi Capacità per gli stadi finali, necessarie per immagazzinare la carica negli stadi finali Corrente di base 12/3/2018
Effetto del campo magnetico terrestre: tipicamente 0.5-1.0 Gauss traiettorie delle particelle cariche devieranno dalla retta ideale, curvatura dipendente dall’orientazione del campo può causare una perdita di elettroni secondari emessi dai dinodi i primi “stadi” sono i più vulnerabili, pochi elettroni utilizzo di schermi magnetici, MU metal, estensione ben oltre il tubo Tubo a vuoto: minimizza collisioni degli elettroni con le molecole del gas durante il loro moto. Richiede una struttura meccanica molto robusta, in particolare nella regione in cui i pin che forniscono le connessioni elettriche fuoriescono dal vetro. Possibilità di malfunzionamento dei fototubi a causa di molecole piccole (He) che riescono a penetrare all’interno del corpo del fototubo. 12/3/2018
Segnali tipici di fotomoltiplicatori Scintillatore plastico 5000 nsec / divisione (Fluorescenza, scala dei tempi più lunga) Cristallo inorganico, NaI 10 nsec / divisione 12/3/2018