2/3/20141 Laboratorio di Fisica I Esperienze Dipartimento di Fisica Anno Accademico 2002/2003.

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1 2/3/20141 Laboratorio di Fisica I Esperienze Dipartimento di Fisica Anno Accademico 2002/2003

2 2/3/20142 Esperienza N. 1 – Misure di conteggio con scintillatori, ricerca di plateau di funzionamento, misura di efficienza di un contatore a scintillazione. Variazioni del plateau ed efficienza in funzione della soglia di discriminazione. Contatori a scintillazione (fotomoltiplicatore+guida di luce+scintillatore). Passaggio di particelle cariche rivelato attraverso emissione di luce (tradotta in segnale elettrico dal tubo fotomoltiplicatore).Flusso primario di raggi cosmici a livello del mare composto principalmente da Muoni. Frequenza di conteggio per particelle perpendicolari : 1 cm -2 min -1. Rivelatore di area nota (A). Esposizione di tempo nota (DT). Il numero di eventi (particelle, conteggi) nel tempo DT è A*DT (con a in cm 2 e DT in min). Vero per un sistema con efficienza 100%. Importante determinare il punto di lavoro (Tensione) di un contatore. Condizioni di lavoro stabili: poca sensibilità a fattori esterni (temperatura, umidità…..) Un buon rivelatore ha normalmente un plateau piuttosto ampio ed unefficienza di rivelazione alta.

3 2/3/20143 Frequenza di conteggio di un contatore a scintillazione Frequenza di conteggio di un contatore a scintillazione segnale analogicosegnale digitale (NIM o ECL) soglia discriminatore Scaler Singole di un contatore in funzione della soglia di discriminazione: in presenza di un singolo contributo (sorgente radioattiva, raggi cosmici,…) ci si aspetta una distribuzione che tende ad un valore noto. Questo però non è necessariamente vero se si considerano sorgenti esterne (rumore).

4 2/3/20144 Aumentando la tensione Maggiore % di segnale Minore % di segnale

5 2/3/20145 Frequenza di conteggio di un contatore a scintillazione Frequenza di conteggio di un contatore a scintillazione La frequenza di conteggio viene studiata in funzione della tensione di alimentazione del tubo fotomoltiplicatore e della soglia dei discriminatori utilizzati. HV da 1400 a 1900 Volts (50 Volts/steps). Prima di partire a fare misure provate a stimare il tempo necessario per completare il set di misure. Maggiore è lestensione del plateau, migliore sono le prestazioni del rivelatore Soglie di discriminazione: 30 mV, 60, mV, 100 mV. Lideale sarebbe, ovviamente, poter lavorare con la soglia più bassa possibile: questo normalmente è impossibile a causa del rumore che imporrebbe delle frequenze di conteggio troppo elevate.

6 2/3/20146 HV Discr1 Discr2 Lefficienza di rivelazione dipende dalle soglie utilizzate nei discriminatori e dal valore della tensione utilizzata per il tubo fotomoltiplicatore. Occorre definire un evento: cioè il passaggio di una particella nellapparato sperimentale. Coincidenza tra due contatori a scintillazione. S1.and.S3. def evento S1.and.S2.and.S3 def efficienza S1 S2 S3

7 2/3/20147 DIS DEL NDND NTNT Misure di efficienza Definizione = N t /N d Dipende fortemente da HV e THR HV THR Da non confondere con laccettanza geometrica

8 2/3/20148 Errore sulle misure di efficienza = N t /N d esempio = 9/10 = 0.9+/-? Quanto vale lerrore su N D. Distribuzione binomiale Problema delle prove ripetute : si fanno n=N D prove e si domanda quale la probabilita di avere successo k=N T volte, p = probabilita di successo nella singola prova = e

9 2/3/20149 Casi particolari : Quando lefficienza e piccola lerrore e poissoniano Quando lefficienza e alta lerrore e poissoniano sullinefficienza Errore sulla misura di efficienza

10 2/3/201410 Esperienza N. 2 – Misura della risoluzione temporale di un contatore a scintillazione. IL segnale di un contatore a scintillazione, una volta formato in modo logico da un discriminatore, consente una misura di tempo (rispetto ad un segnale di tempo campione noto, start). La risoluzione temporale di un contatore dipende da un certo numero di fattori: geometria del rivelatore soglia del discriminatore ampiezza di impulso del segnale analogico …dal primo fotoelettrone che arriva! Il contatotore deve essere disegnato per ottimizzare la precisione della misura.

11 2/3/201411 Misure di tempo 400 cm 300 cm 20 cm Disc TDC Start Stop Particle Trajectory 100 cm 450 ns

12 2/3/201412 Misure di tempo - velocità caratteristiche c = 30 cm/ns v scint = c/n = 20 cm/ns v eff = 16 cm/ns v pmt = 0.6 cm/ns v cable = 20 cm/ns t ~ 0.1 ns x ~ 3 cm

13 2/3/201413 Misure di tempo - velocità caratteristiche acrilicoScintillatore n = 1.58 PMT glass n = 1.5 Large-angle ray lost

14 2/3/201414 Misure di tempo – slewing correction

15 2/3/201415 Lunghezza di attenuazione La luce emessa dal materiale scintillante può essere riassorbita dal materiale stesso. La lunghezza di attenuazione è la distanza rispetto al punto di produzione alla quale lintensità della luce si riduce di un fattore 1/e. L(x)=L(0)exp(-x/l att ) Se l att è più piccola delle dimensioni dello scintillatore si ha una perdita di fotoni.

16 2/3/201416 Lunghezza di attenuazione Per poter misurare la lunghezza di attenuazione di uno scintillatore occorre misurare il numero di fotoni generati a varie distanze dal fotomoltiplicatore X1X1 X2X2 Come facciamo a selezionare le particelle che passano solo ad una certa distanza dal fotomoltiplicatore ?

17 2/3/201417 Lunghezza di attenuazione Il numero di fotoni che incide sul fotocatodo è proporzionale al numero di elettroni in uscita dal fotomoltiplicatore e quindi alla carica contenuta nel segnale analogico -> area del segnale! Per misurare lampiezza del segnale si utilizza lADC (Analog to Digital Converter).

18 2/3/201418 Lunghezza di attenuazione I dati dellADC possono essere registrati sul computer ed essere elaborati per poter determinare la carica media e quindi il numero medio di fotoni che arrivano sul fotomoltiplicatore in funzione della distanza. L(x)=L(0)exp(-x/l att )

19 2/3/201419 Studio dellampiezza di impulso (1) Il PM è un generatore di corrente ideale. La resistenza R e la capacità C, rappresentano la resistenza e la capacità dellanodo oltre a quelle di ogni elemento del circuito di uscita ( R di carico sullanodo, cavi ecc.) Il segnale di uscita allanodo è un segnale in corrente (o carica) proporzionale al numero di elettroni emessi dal catodo il PM è un generatore di corrente.

20 2/3/201420 Studio dellampiezza di impulso (2) La corrente allanodo è, assumendo che lingresso è la luce di uno scintillatore, descritta da un decadimento esponenziale : dove G è il guadagno totale del PM, N il numero di fotoelettroni emessi al catodo, e la carica dellelettrone e t s la costante di tempo di decadimento dello scintillatore. dove τ =RC

21 2/3/201421 Studio dellampiezza di impulso (3) << s current mode >> s pulse mode s : costante di decadimento dello scintillatore Per t<<t s, funzionamento in corrente (la tensione V(t) è data dalla corrente che passa in R, V(t)=RI(t)). Per t>>t s funzionamento in voltaggio (corrente integrata da C, V(t) è dato dal voltaggio ai capi del condensatore C.)

22 2/3/201422 Studio dellampiezza di impulso Studio dellampiezza dimpulso di un contatore a scintillazione in funzione della tensione applicata al tubo fotomoltiplicatore.