Laboratorio di Fisica Nucleare e Subnucleare Dipartimento di Fisica Anno Accademico 2002/2003 Laboratorio di Fisica Nucleare e Subnucleare Scintillatori generazione della luce propagazione della luce ed ottimizzazione della raccolta esempi 12/9/2018

Scintillatori Una particella carica, attraversando uno scintillatore, perde energia eccitando gli atomi del materiale. Questi ultimi, diseccitandosi, emettono luce visibile (detta luce di scintillazione). L’emissione di luce avviene in un tempo brevissimo (< 10-7 sec) ed in quantità proporzionale all’energia persa dalla particella. sci scint organici danno piu` luce, ma sono piu` lenti, quelli organici sono veloci, ma danno meno luce. Utilizzo molto comune per la rivelazione di particelle cariche negli esperimenti di fisica delle alte energie: tempo di risposta molto veloce, informazione sulla posizione (bassa precisione) e sulla molteplicità (misurando l’ampiezza d’impulso). 12/9/2018

Scintillatori organici e inorganici Scintillatori organici (BC102 …) sono complesse molecole organiche in cui si ha emissione di luce nell’ultravioletto in seguito all’eccitazione di livelli vibrazionali molecolari. All’interno del materiale si aggiungono sostanze per trasportare l’emissione nel visibile (“wave shifter”). I tempi di emissione sono < 10 ns Scintillatori inorganici (NaI, CsI, BGO, BaF2, PWO, L(Y)SO….) sono cristalli ionici drogati con impurita`. I tempi di emissione ~ 100 ns Banda di conduzione elettrone lacuna Gli scintillatori organici hanno una risposta luminosa mediamente peggiore di quelli inorganici, ma sono più veloci. Inoltre possono essere prodotti facilmente di grosse e svariate dimensioni (fibre scintillanti) Banda delle impurita` Eg = 6 8 eV Banda di valenza Fibre scintillanti a sezione esagonale Gli scintillatori inorganici hanno una migliore risposta luminosa, ma sono più lenti. La risposta luminosa si misura in fotoelettroni per MeV. Il materiale più efficiente è NaI con 40000 fotoni/MeV. La risposta luminosa varia con la temperatura. 12/9/2018

Gli scintillatori organici, devono il fenomeno della FLUORESCENZA alla struttura dei livelli energetici di una singola molecola, mentre quelli inorganici sono costituiti da cristalli contenenti dei centri di luminescenza dovuti ad impurita` o difetti reticolari. sci scint organici danno piu` luce, ma sono piu` lenti, quelli organici sono veloci, ma danno meno luce. Gli scintillatori inorganici con alto numero atomico Z (BGO, PBWO4) sono adatti anche per rivelare i fotoni (quanti di luce), pur non essendo particelle cariche. 12/9/2018

Struttura di un rivelatore a scintillazione La luce emessa da uno scintillatore viene trasportata attraverso una guida di luce ad uno strumento detto fotomoltiplicatore, che genera un impulso elettrico le cui caratteristiche dipendono dal segnale luminoso prodotto al suo ingresso. L’Insieme scintilatore-guida di luce- fotomoltiplicatore costituisce un contatore a scintillazione La luce di scintillazione è emessa isotropicamente. Quindi solo una parte di essa raggiunge drettamente la guida di luce: il resto la raggiunge solo dopo un certo numero di riflessioni. La luce che arriva al fotocatodo è perciò solo una frazione di quella emessa. Lo scintillatore viene accoppiato otticamente ad una guida di luce (raccordo superficiale). sci scint organici danno piu` luce, ma sono piu` lenti, quelli organici sono veloci, ma danno meno luce. 12/9/2018

Rivelatori di particelle “multi-purpose” utilizzati in molte applicazioni di fisica sperimentale. Utilizzati sia per particelle cariche che neutre, anche se il meccanismo di generazione della luce è molto diverso nei due casi. Schema di base: generazione di luce per perdita di energia attraverso il materiale scintillante, collezione della luce, il fotorivelatore trasforma il segnale ottico in segnale elettrico. Proprietà dei contatori a scintillazione Tempo di risposta molto veloce. Possono contare il numero di particelle utilizzando l’ampiezza di impulso. Informazione sulla posizione, basandosi sulle dimensioni del materiale scintillante. 12/9/2018

Il Fotomoltiplicatore (PM o PMT) genera segnali elettrici Principio di funzionamento Il passaggio di una particella carica genera luce nello Scintillatore. Particella carica Guida di luce: trasmette i fotoni al fotorivelatore. Il Fotomoltiplicatore (PM o PMT) genera segnali elettrici 12/9/2018

Esempi di applicazioni in esperimenti di Fisica delle Alte energie agli acceleratori di particelle; Odoscopi -- matrici di contatori a scintillazione che ricoprono anche aree di grandi dimensioni Contatori di Veto – per particelle che non devono essere misurate Calorimetria – misura l’energia di una particella Triggering – segnale veloce che indica la presenza di un evento potenzialmente interessante da registrare 12/9/2018

Tipico spettro di emissione di uno scintillatore plastico Lunghezza d’onda della luce emessa 1 nm = 1  10-9 metri 1 nm = 10 Angstroms, 1 Angstrom approx dimensioni di un atomo Emissione massima a circa 425 nm 12/9/2018

Lunghezza d’onda della luce visibile 12/9/2018

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Raccolta della luce Scopo -- Raccogliere la maggior quantità possibile di luce generata nel materiale scintillante. Necessità di realizzare rivelatori che non abbiano perdite di luce. Trasmissione della luce negli scintillatori: Riflessione sulle superfici, riflessione totale interna trasmissione superficiale angolo critico importanza di avere superfici “lisce” e “pulite” utilizzo di materiali riflettenti (alluminio, pitture…) riflessioni multiple (tante!) attenuazione della luce nello scintillatore 12/9/2018

Trasmissione della luce nello scintillatore La particella carica entra qui… Scintillatore Fotoni Tubo Fotomoltiplicatore 12/9/2018

Riflessione e trasmissione sulle superfici Aria Scintillatore Luce totalmente riflesse internamente per angoli di Incidenza più grandi di critico (che dipende dalle proprietà ottiche dei due mezzi…) Scintillatore Rifrazione (i.e. trasmissione) fuori dallo scintillatore per angoli di incidenza minori di critico Aria 12/9/2018

Raccolta di luce 12/9/2018

Fibre Ottiche Nucleo centrale (core) e cladding ottimizzati per minimizzare la perdita di luce. Trasmissione del 95% della luce su lunghezze di 1 Km. Se questo fosse vero per l’acqua del mare, si potrebbe chiaramente vedere il fondo marino di molti oceani. 12/9/2018

Interfacce e connessioni ottiche Scopo -- Garantire la massima trasmissione della luce la rivelatore allo strumento di fotorivelazione. Alta efficienza di trasmissione, non “distorsione” del segnale. Interfaccia tra materiale scintillatore e : guide di luce fibre ottiche Wavelength-shifting Interfaccia tra guida di luce e : fotorivelatore Normalmente utilizzate cementi ottici e colle, grasso ottico o semplicemente “aria”… 12/9/2018

Pochissimi esempi 12/9/2018