Lezione 16 Scintillatori

Lezione 16 Scintillatori
Scintillatori inorganici Scintillatori organici Fibre Fotorivelatori Rivelatori di Particelle

Il contatore a scintillazione è uno dei più vecchi apparati sperimentali usati per la radiazione nucleare. Prima del contatore a scintillazione si usava l’occhio nudo, osservando i flash di luce emessi quando le particelle colpivano uno schermo di solfato di zinco. Pare che la sensibilità dell’occhio umano aumenta con una tazza di buon caffè (molto forte), possibilmente con l’aggiunta di una piccola dose di stricnina…!!!! Dopo un lungo periodo di adattamento, l’occhio umano può vedere circa 15 fotoni se emessi in un intervallo di tempo non superiore ad 1/10 di secondo e con lunghezza d’onda pari a quella cui l’occhio umano e’ più sensibile (verde). 1/10 s e’ il tempo di persistenza dell’immagine sulla retina. Henry&Baucels (J.Phys.Path.Gen. XIII (1911),841) affermano che è visibile ad occhio nudo un deposito di energia di 3 eV corrispondente ad un singolo fotone nel verde. Rivelatori di Particelle

La funzione di uno scintillatore è duplice: Emettere luce (luminescenza) Trasmetterla al rivelatore di fotoni (e.g. fotomoltiplicatore) Definiamo scintillatore qualunque materiale che emette un impulso di luce poco dopo il passaggio di una particella carica. Rivelatori di Particelle

Proprietà generali di uno scintillatore Uno scintillatore consiste generalmente in un materiale scintillante accoppiato otticamente ad un fotomoltiplicatore (PM) o direttamente o tramite una guida di luce. Quando la particella passa attraverso lo scintillatore eccita gli atomi e le molecole dello scintillatore  si emette luce. la luce viene trasmessa al PM e viene convertita in una debole corrente di fotoelettroni, amplificata dai dinodi (altri elettrodi ) del PM.  abbiamo un segnale in corrente facilmente rivelabile dall’elettronica Rivelatori di Particelle

Lo scintillatore può fornire molte informazioni fra cui: Sensibile all’energia ( ~ lineare ed il PM è lineare)  il segnale di uscita è proporzionale all’energia di eccitazione.  può essere usato come spettrometro di energia (calorimetri, dE/dx etc.) Risposta temporale rapida  misura di tempi (tempo di volo, trigger, etc.) Discriminazione fra varie particelle, studiando la forma dell’impulso di uscita. Con alcuni tipi di scintillatore è possibile distinguere fra le varie particelle, analizzando la forma dell’impulso di uscita. Questo a causa di diversi meccanismi di eccitazione per particelle con diverso potere ionizzante (a, n, g, etc.) Rivelatori di Particelle

Gli scintillatori hanno proprietà note come luminescenza. Materiali luminescenti assorbono energia e la riemettono sotto forma di luce visibile. Se l’emissione avviene subito dopo l’assorbimento (10-8 s) il processo è chiamato fluorescenza. Se invece l’emissione è ritardata (lo stato eccitato è metastabile) il processo si chiama fosforescenza. In questo caso il tempo fra l’assorbimento e la ri-emissione può durare dai ms alle ore (dipende dal materiale). Generalmente la componente veloce è quella che domina (e che ci interessa) Rivelatori di Particelle

In prima approssimazione l’evoluzione temporale del processo di riemissione può essere descritto da una semplice legge esponenziale: dove N è il numero di fotoni emessi al tempo t, td il tempo di decadimento ed N0 il numero totale di fotoni emessi. Il tempo di assorbimento dell’energia (eccitazione degli atomi e delle molecole) è in generale molto più breve del tempo di ri-emissione (per semplicità l’abbiamo assunto 0). Luce tempo Rivelatori di Particelle

Luce Tempo totale Componente veloce Componente lenta Quasi tutti gli scintillatori hanno 2 componenti di ri-emissione, una veloce ed una lenta (fluorescenza e fosforescenza)  Generalmente la componente veloce è quella che domina (e che ci interessa) Rivelatori di Particelle

Sebbene esistano molti materiali scintillanti non tutti sono adatti per costruire apparati sperimentali. Un buon scintillatore (utilizzabile) deve avere: alta efficienza per convertire l’energia di eccitazione in fluorescenza trasparenza alla luce di fluorescenza in modo da poterla trasmettere emissione sulla lunghezza d’onda in cui funzionano i rivelatori di luce (generalmente luce visibile) una costante di tempo di decadimento t breve Rivelatori di Particelle

Esistono 2 tipi di materiale scintillante: Scintillatori organici (poca luce, ma veloci) Scintillatori inorganici (molta luce, ma generalmente lenti) Esistono diversi meccanismi di scintillazione (essenzialmente 3) Rivelatori di Particelle

Lezione 16 Scintillatori inorganici
Scintillatori inorganici cristallini. Sono scintillatori inorganici NaI, CsI, Bi4Ge3O12 (noto come BGO), PbWO4, BaF2… Il meccanismo di scintillazione negli scintillatori inorganici è caratteristico della struttura a bande elettroniche che si trovano nei cristalli. Rivelatori di Particelle

Quando una particella entra in un cristallo possono accadere 2 processi: si eccita un elettrone dalla banda di valenza in quella di conduzione, creando così un elettrone ed una lacuna liberi. (ionizzazione) si crea un eccitone spostando un elettrone dalla banda di valenza in quella degli eccitoni (posta appena al di sotto della banda di conduzione). In questo caso elettrone e lacuna rimangono legati, ma possono muoversi liberamente (in coppia) nel cristallo.(eccitazione) Se il cristallo contiene delle impurità (sono necessarie), si possono creare localmente dei livelli elettronici nella banda delle energie proibite. Gli atomi di impurità sono chiamati centri attivatori. Se una lacuna libera od una lacuna di un eccitone incontra uno di questi centri attivatori, può ionizzare uno di questi atomi di impurità. Se ora arriva un altro elettrone, questo cade nel buco (lacuna) lasciato dalla ionizzazione precedente  si emette luce ( se tale modo di diseccitazione è permesso). Se la transizione avviene senza emissione di radiazione (rapida) l’impurità diventa una trappola e l’energia può essere persa in altri modi o con tempi lunghi. Spesso si hanno 2 costanti di tempo: ricombinazione rapida dai centri di attivazione (ns-ms) ricombinazione ritardata (trappole) (~100 ms) Rivelatori di Particelle

L’emissione di luce dai cristalli scintillanti dipende fortemente dalla temperatura: BGO PbWO4 (From Harshaw catalog) Rivelatori di Particelle

Elementi nobili liquidi (LAr, LXe, LKr…) Rivelatori di Particelle

La luce emessa è difficile da rivelare in quanto è tendenzialmente emessa nell’ultravioletto: Ar 130 nm Kr 150 nm Xe 175 nm Anche i gas nobili (ad alta pressione) possono scintillare. Anche nel caso di gas nobili si hanno 2 costanti di tempo: rapida (pochi ns) lenta (100÷1000 ns) ma con la medesima lunghezza d’onda. Rivelatori di Particelle

scintillatore densità (g/cm3) indice rifrazione lunghezza d’onda (nm) costante di tempo (ms) scintillaz. (relativa a NaI(Tl) note fotoni/MeV NaI 3.67 1.78 303 0.06 190 NaI(Tl) 1.85 410 0.25 100 a 80 K 4x104 CsI 4.51 1.80 310 0.01 6 CsI(Tl) 565 1.0 45 1.1x104 6LiI(Eu) 4.06 1.96 1.4 35 1.4x104 BaF2 4.88 1.49 190/ 0.0006 0.63 5 15 6.5x103 2x103 Bi4Ge3O12 7.13 2.15 480 0.30 10 2.8x103 PbWO4 8.28 1.82 440,530 0.1 LAr 1.29 0.005/0.860 a 170 nm LKr 2.41 1.40 0.002/0.085 LXe 3.06 1.60 0.003/0.022 Rivelatori di Particelle

Lezione 16 Scintillatori organici
Gli scintillatori organici sono dei composti di idrocarburi che contengono delle strutture ad anello di benzene. In questi composti la luce di scintillazione deriva da transizioni degli elettroni di valenza liberi delle molecole. Questi elettroni non sono associati ad un atomo particolare nella molecola ed occupano gli orbitali molecolari p. Rivelatori di Particelle

Molecular states singlet states triplet states S T 1 2 3 non- radiative fluorescence 10 -8 - 10 -9 s phosohorescence >10 - 4 -11 degradazione interna Scintillation is based on the 2 p electrons of the C-C bonds. Emitted light is in the UV range. Rivelatori di Particelle

L’energia rilasciata dalla particella eccita sia i livelli elettronici che vibrazionali. (Linee rosse tratteggiate) Le eccitazioni dello stato di singoletto decadono in ≤10 ps senza emettere radiazione (degradazione interna). dallo stato S1 è facile decadere nello stato fondamentale S0 con emissione di luce di fluorescenza in 1÷ 10 ns. Analogamente dallo stato di tripletto si arriva tramite degradazione interna allo stato T1 e poi si scende a T0 in maniera complessa con emissione di luce di fosforescenza (lenta > 10-4 s) Molecular states singlet states triplet states S T 1 2 3 non- radiative fluorescence 10 -8 - 10 -9 s phosohorescence >10 - 4 -11 degradazione interna Rivelatori di Particelle

Gli scintillatori organici possono essere: Cristalli organici : i più comuni sono antracene e naftalene. L’antracene è relativamente lento (30 ns), ma dà abbastanza luce. Il naftalene è rapido, ma dà poca luce. Scintillatori liquidi e plastici: sono quelli più usati. Liquidi: sono soluzioni di 1 o più scintillatori organici disciolti in un solvente organico. L’energia rilasciata dalla particella è, in generale, assorbita dal solvente e poi rilasciata al soluto (trasferimento rapido ed efficiente). Il soluto (o i soluti) funzionano da wawe length shifter ovvero assorbono, ad esempio, nell’ultravioletto ed emettono nel visibile. Plastici: sono del tutto analoghi agli scintillatori liquidi per il funzionamento e la composizione (solvente e soluto/i), ma sono solidi. Rivelatori di Particelle

Solventi e soluti comunemente usati : Rivelatori di Particelle

Rappresentazione schematica del principio di wawe length shifting: (C. Zorn, Instrumentation In High Energy Physics, World Scientific,1992) Rivelatori di Particelle

I tempi di risposta degli scintillatori liquidi e plastici sono brevi: Liquidi : 3÷4 ns Solidi : 2÷ 3 ns Attenzione: gli scintillatori organici hanno basso Z (sono H,C)  scarsa efficienza per rivelare g (praticamente solo effetto Compton). Ricordiamo infatti che l’effetto fotoelettrico va come Z5 e la produzione di coppie come Z2, mentre l’effetto Compton è lineare in Z Hanno invece alta efficienza per rivelare neutroni (reazioni n+pn+p). Rivelatori di Particelle

Proprietà di alcuni scintillatori organici materiale densità (g/cm3) n l (nm) t (ns) scint. rel antr H/C note yeild/ NaI naphthalene 1.15 1.58 348 11 0.800 monocrist. anthracene 1.25 1.59 448 30-32 100 0.714 0.5 NE 102 A 1.032 425 2.5 65 1.105 Nucl. Ent. NE 104 405 1.8 68 1.100 NE 110 437 3.3 60 BC 412 434 1.104 Bicron BC 414 392 1.110 BC 416 4.0 50 Rivelatori di Particelle

La risposta degli scintillatori plastici non è lineare con la perdita di energia,ma vale la formula empirica di Birk. La luce è ridotta a causa della ricombinazione delle molecole eccitate  la non linearità è proporzionale a dE/dx. Per piccoli dE/dx è praticamente lineare. Un altro effetto non totalmente capito è la dipendenza della luce di scintillazione dal campo magnetico. (cresce al crescere di B di qualche %) Luce emessa per unità di lunghezza dL/dx J.B.Birks, Proc. Phys. Soc. A64,874 (1951) Esistono anche altri modelli e parametrizzazioni Rivelatori di Particelle

Rivelatori di Particelle
Lezione 16 Guide di luce Lettura della luce di scintillazione. Normalmente la luce di scintillazione viene letta tramite un fototubo. Bisogna quindi adattare sia geometricamente che spettralmente la luce di scintillazione allo spettro e dimensioni del PM. Guide di luce: la luce viene trasferita tramite riflessione totale. Gli indici di rifrazione della guida e dello scintillatore sono praticamente uguali. Rivelatori di Particelle

Lezione 16 Guide di luce Trasmissione della luce attraverso guide di luce Quando si accoppia uno scintillatore ad un fototubo la tentazione di adattare uno scintillatore di grossa area ad un piccolo fototubo è grande. In questo modo si risparmierebbe notevolmente (Ad esempio usando come rivelatori dei fotodiodi che costano pochissimo). Ma qual è l’efficienza di trasmissione della luce? L’efficienza di trasmissione della luce è limitata da: L’angolo di riflessione totale Conservazione dello spazio delle fasi (teorema di Liouville) Rivelatori di Particelle

Lezione 16 Guide di luce Riflessione totale Per avere riflessione totale: Se Q è l’angolo limite di riflessione totale, la luce arriva al fototubo con un angolo massimo: Poiché il massimo angolo di riflessione nella guida di luce è p/2, il minimo angolo dei raggi riflessi che arrivano al fototubo è f, mentre i raggi diretti possono arrivare ad angolo 0. ne=1 (aria) n= indice rifr. guida Scintillatore Guida di Luce Fotomoltiplicatore f a2 Q a1 Dx1 Dx2 Rivelatori di Particelle

Lezione 16 Guide di luce Conservazione dello spazio delle fasi Le traiettorie dei fotoni possono essere descritte come un punto nello spazio delle fasi con coordinate x e p=nsin(a) (con n = indice di rifrazione del mezzo e a divergenza angolare del fascio di luce.(*) All’ingresso della guida di luce la dimensione trasversa è Dx1 e se a1 è l’angolo massimo di un raggio di luce l’elemento di volume nello spazio delle fasi è: Dx1Dp1=2Dx1nsina1 All’uscita della guida di luce l’elemento di volume è: Dx2Dp2=2Dx2nsina2 ma per il teorema di Liouville: Dx1Dp1=Dx2Dp2 Un angolo massimo di accettanza a2 all’uscita della guida comporta che solo raggi con un angolo di entrata sina1=(Dx2/Dx1)sina2 si possono propagare nella guida di luce. Notiamo che anche nel caso che si abbia riflessione totale per tutti gli angoli (n=∞) una guida di luce con Dx1<< Dx2 comporta una notevole perdita di luce a causa del teorema di Liouville (*) Ci limitiamo a due dimensioni per semplicità. Tradotto in 3 dimensioni la conservazione dello spazio delle fasi significa che il flusso di fotoni per unità di area e per angolo solido unitario è costante Scintillatore Guida di Luce Fotomoltiplicatore f a2 Q a1 Dx1 Dx2 Rivelatori di Particelle

Lezione 16 Guide di luce Abbiamo visto che la riflessione interna totale permette un angolo massimo: per cui: e nell’ipotesi che f<<Q: il massimo angolo di accettanza all’ingresso della guida imposto dallo spazio delle fasi è: Scintillatori e guide di luce hanno tipicamente n=1.5  sina1=0.75 Scintillatore Guida di Luce Fotomoltiplicatore f a2 Q a1 Dx1 Dx2 Rivelatori di Particelle

Lezione 16 Guide di luce Barre di wavelength shifter (WLS) Per grandi aree si usano sbarrette di BBQ, Y7, K27. Assorbono sui 400nm e riemettono sui 500 nm. Hanno una lunghezza di assorbimento per lo spettro emesso (~500nm) fino a 10 m. Rivelatori di Particelle

Lezione 16 Guide di luce Fibre (polistirene n=1.59) Rivelatori di Particelle

Lezione 16 Guide di luce Conviene usare un cladding (guaina) con l’indice di rifrazione il più piccolo possibile per massimizzare la luce raccolta per riflessione totale. Rivelatori di Particelle

Lezione 16 Guide di luce Le fibre sono spesso usate per ragioni di geometria in calorimetri a sampling. Rivelatori di Particelle

Lezione 16 Scintillatori e guide di luce
Calorimetro adronico di ATLAS Calorimetro adronico costruito da tegole di scintillatore (spesse 3mm) messe in una struttura di ferro (calorimetro a campionamento). Il calorimetro è spesso 2m e lungo 11m (cilindro). Le tegole di scintillatore sono lette da entrambi i lati da delle fibre. Rivelatori di Particelle

Lezione 16 Fibre scintillanti
Tracciamento con fibre scintillanti. Molto flessibili Elevata granularità Bassa massa Risposta rapida (ns) (se l’elettronica di read out e’ veloce)  usate come trigger di primo livello geometrie planari (end cap) geometrie circolari (barrel) Rivelatori di Particelle

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