DETECTOR PER RAGGI X CONTATORI INTEGRATORI Scelta Tipo di misura Classificazione principale CONTATORI INTEGRATORI generano segnali la cui ampiezza è proporzionale al flusso di fotoni contano singoli fotoni di una certa energia Scelta Tipo di misura Informazione Flusso, energia, posizione, tempo, ...

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):

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 dell’elettrone 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

Rivelatori contatori • Viene rivelato il singolo impulso • Se = RC (tempo di scarica del circuito RC) >> tc (tempo tipico di produzione della carica) l’andamento della tensione V(t) sarà:

Posso fare un’istogramma delle varie ampiezze degli impulsi  Spettro in energia

Principio di funzionamento Per energie E < 50 KeV il processo primario su cui si basano i detector per raggi X è l’assorbimento Processo primario Processi secondari Cu K Cu29 N M K L e- photoelectron Primary X-ray photon Cu29 N M K L Cu Ka photon Auger electron Cu29 K L M N Excited system

Processi primari in tre tipi di detector Assorbimento in un un gas  coppie ioni + elettroni Assorbimento in un semiconduttore coppie elettroni + lacune Assorbimento in un materiale scintillatore  fotoelettrone da un fotocatodo

Rivelatori a gas + - 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; in tale processo un elettrone viene rimosso da un atomo o da una molecola in modo da creare una coppia elettrone - ione positivo. Gas Anodo Catodo Finestra trasparente ai Raggi x - + Fotoelettrone di energia: Energia di legame del fotoelettone Ione positivo

+ - Fotoelettrone di energia: Energia di legame del fotoelettone 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. 

Rivelatori a gas 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

Il segnale in uscita dipende dal potenziale applicato Rivelatori a gas Il segnale in uscita dipende dal potenziale applicato E>E A anodo C catodo 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.

Rivelatori a gas E>E A anodo C catodo 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 dall’anodo; 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.

Rivelatori a gas E>E A anodo C catodo 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. La ionizzazione secondaria è ancora strettamente dipendente da quella primaria ed è in questa regione che lavorano i contatori proporzionali.

Rivelatori a gas E>E A anodo C catodo 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.

Contatori Geiger-Müller Rivelatori a gas Contatori Geiger-Müller Operano nella regione E della curva segnale d'uscita-potenziale in un rivelatore a gas. Al crescere della tensione anodo-catodo la moltiplicazione a valanga diviene generalizzata e non dipende più dall’energia 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. Un contatore Geiger può essere utilizzato come contatore di radiazione e non in esperimenti di spettroscopia.

scintillatori 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 tc 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 (tc< 10-8s) 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. 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.

E=hv NaI(Tl) "band gap“: Ec – Ev Vis Tl 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 l’aggiunta 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 c’è 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 NaI(Tl) Vis E=hv Tl Tl è un drogante che crea i “Centri di colore” in cui e- e h+ si ricombinano

Costituenti del fotomoltiplicatore: scintillatori 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 all’energia delle radiazioni incidenti. I fotomoltiplicatori sono dei dispositivi capaci di convertire un segnale luminoso in un segnale elettrico.  Costituenti del fotomoltiplicatore:             1.  fotocatodo             2. moltiplicatore di elettroni

scintillatori Il fotocatodo converte la luce incidente in corrente di elettroni sfruttando l'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

scintillatori 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. 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.