Rivelatori basati su scintillatori Il passaggio di particelleradiazioni

Rivelatori basati su scintillatori Il passaggio di particelle/radiazioni produce in certi materiali (scintillatori) l’emissione di luce di scintillazione, che opportunamente raccolta – mediante fotosensori - può dare informazioni sulle caratteristiche delle particelle che hanno interagito con il materiale. Scintillatore Fotomoltiplicatore

Proprietà ideali di uno scintillatore ● Alta efficienza di scintillazione (conversione in luce dell’energia depositata con resa – fotoni/Me. V - elevata) ● Resa in luce proporzionale all’energia depositata ● Spettro della luce di scintillazione adatto ad essere rivelato da opportuni fotosensori ● Trasparenza alla luce emessa (lunghezza di assorbimento elevata) ● Risposta veloce (tempi di decadimento piccoli) ● Indice di rifrazione simile a quello del vetro (1. 5) Esistono svariati tipi di scintillatori, ognuno dei quali presenta una o più di queste caratteristiche

Il processo di scintillazione ● Fluorescenza: emissione pronta di luce visibile da parte di atomi eccitati ● Fosforescenza: emissione di luce con tempi caratteristici più grandi, e spettro di emissione con lunghezze d’onda maggiori ● Fluorescenza ritardata: emissione con tempi caratteristici ancora maggiori ma lunghezze d’onda simili a quelle della fluorescenza Tempi caratteristici: Fluorescenza: 1 -100 ns Fosforescenza: ms - s

Cause di luminescenza

Tipologie di scintillatori Esistono diverse categorie di scintillatori: ● Scintillatori organici (a base di C, H, O) Cristalli organici puri Liquidi organici Scintillatori plastici ● Scintillatori inorganici Cristalli inorganici Scintillatori a vetro (Si. O 2 + altro) Scintillatori a gas

Processo di scintillazione negli scintillatori organici L’assorbimento di radiazione induce una transizione dallo stato S 00 ad uno degli stati S 1, S 2, S 3, . . Mediante conversione interna – senza radiazione – dagli stati S 2, S 3, . . si arriva a popolare lo stato S 1. La fluorescenza pronta è l’emissione corrispondente alla transizione dallo stato S 1 a uno degli stati vibrazionali di S 0

Spettri di emissione e assorbimento Ogni materiale ha uno spettro caratteristico di emissione. A causa della struttura dei livelli, spettro di assorbimento e spettro di emissione sono spostati, per cui il materiale è circa trasparente alla luce emessa da se stesso. Un tipico spettro di emissione di uno scintillatore plastico

Processo di scintillazione negli scintillatori inorganici Drogaggio con attivatori aventi livelli nella banda “proibita”

Spettri di emissione tipici di alcuni scintillatori inorganici

Spettri di emissione Spettro di emissione dello Ioduro di Sodio Na. I(Tl), confrontato con Cs. I(Na) e Cs. I(Tl)

Esempi di scintillatori inorganici

Alcuni esempi di scintillatori plastici

Risposta in luce Solo una frazione della energia depositata in uno scintillatore è convertita in luce; il resto dà luogo a processi non radiativi. Questa frazione dell’energia depositata è costante con l’energia e con il tipo di particella? NO! Ad esempio, per uno scintillatore plastico (NE-102) la risposta in luce per protoni è circa 10 volte minore che per gli elettroni. Inoltre, la risposta in luce non è del tutto lineare con l’energia.

Relazione di Birks d. L/dx Risposta in luce d. E/dx Energia depositata In assenza di effetti secondari (quenching) dovrebbe essere: d. L/dx = S d. E/dx Si assume comunemente (legge di Birks) che lungo una traccia con alta densità d. E/dx diminuisca l’efficienza di scintillazione (quenching), a causa del danneggiamento delle molecole. Questo porta ad una relazione: KB = parametro ricavato dai dati

Risposta temporale Il profilo temporale di un impulso di luce in uno scintillatore può avere tempi di salita e tempi di discesa tra i ns e le centinaia di ns, a seconda dello scintillatore. Un segnale da uno scintillatore (LYSO). Base dei tempi: 50 ns

Varietà di scintillatori

La raccolta della luce/1 La luce prodotta nello scintillatore lungo la traccia è emessa isotropicamente. Essa deve essere raccolta e misurata da un opportuno fotosensore.

La raccolta della luce/2 La luce prodotta nello scintillatore lungo la traccia è emessa isotropicamente. Essa deve essere raccolta e misurata da un opportuno fotosensore. Fotosensore Per fare questo lo scintillatore si riveste da tutti i lati (escluso il lato del fotosensore) di materiale riflettente. I fotoni di scintillazione possono essere riflessi dalle pareti fino a raggiungere il fotosensore.

La raccolta della luce/3 Quali processi avvengono per i fotoni di scintillazione? Fotosensore Assorbimento nel materiale (Self-absorption) I = I 0 exp(-x/L), L=attenuation length Assorbimento nelle pareti (parzialmente riflettenti) Coefficiente di riflettività

La raccolta della luce/4 Esempio di riflessione “speculare” Fotosensore Alle pareti si può avere riflessione “diffusa” (ad esempio con uno strato bianco opaco di Teflon, vernice, …) oppure “speculare” (ad esempio con uno strato di alluminio sottile)

La raccolta della luce/4 La superficie inoltre può essere liscia o “rugosa” Fotosensore

Un esercizio di simulazione La risoluzione temporale in volumi grandi dipende anche dalla dispersione delle distanze percorse dai fotoni prima di arrivare al fotosensore. Dato un volume 2 D (un rettangolo), estrarre un punto a caso, uniformemente distribuito dentro l’area del rettangolo, una direzione casuale (tra 0 e 360°) e propagare un raggio luminoso (v=c) facendolo riflettere specularmente sulle pareti, finché non arriva sul fotosensore. Calcolare in ciascun evento la lunghezza della traccia e costruirne la distribuzione.

Simulazioni “professionali”/1 Il fenomeno della raccolta della luce in scintillatori è oggetto di simulazioni professionali (esempio: codice GEANT 4), che tengono conto di diversi fattori:

Simulazioni professionali/2 Ad esempio: La riflettività da parte della superficie alluminizzata può essere considerata come dipendente dalla lunghezza d’onda, anziché costante.

Simulazioni professionali/3 Tipici risultati: Esempio: il trasporto dei fotoni ottici di scintillazione in uno scintillatore a forma di barra di grandi dimensioni (1 m) N. di fotoni capaci di arrivare ad una data distanza dal punto di emissione, per diverse condizioni della superficie

Guide di luce Quando le dimensioni dello scintillatore non si adattano bene a quelle del fotosensore, si impiega una guida di luce (ad esempio in plexiglas) Devono essere sagomate in modo da convogliare quanta più luce possibile da un’estremità all’altra. La frazione di luce max raccolta è pari al rapporto delle superfici F = Afotosensore / Ascintillatore Scintillatore Guida di luce Fotosensore

Guide di luce

Fibre WLS Una tecnica diversa, per raccogliere la luce di scintillazione in rivelatori lunghi, è quella di usare fibre WLS (Wave. Lenght Shifter), immerse nello scintillatore. Esse assorbono la luce di scintillazione, la riemettono a lunghezze d’onda spostate (più adatte al tipo di fotosensore impiegato) e la trasportano come delle fibre ottiche, con bassa attenuazione.

Rivelatori basati su scintillatori Rivelatori per la fisica nucleare e astroparticellare Calorimetri elettromagnetici e adronici Rivelatori per raggi cosmici …. Rivelatori per la fisica applicata Analisi elementale X-ray fluorescent analysis …. . Rivelatori per applicazioni mediche

Rivelatori basati su scintillatori Un singolo scintillatore accoppiato ad un fotomoltiplicatore Scintillatore Fotomoltiplicatore

Rivelatori basati su scintillatori Un array di scintillatori + fotomoltiplicatori

Un esempio di applicazione: la PET Tra i tanti esempi di impiego di scintillatori in campi diversi dalla fisica nucleare/particellare, la PET = Positron Emission Tomography Scint #2 Scint #1 Sorgente di 22 Na (2 fotoni da 511 ke. V emessi a 180°)

Un esempio di applicazione: la PET Un array di scintillatori per la PET Scint #1