Lezione 16 Scintillatori

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Lezione 16 Scintillatori

• Scintillatori inorganici
• Scintillatori organici
• Fibre
• Fotorivelatori

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Lezione 16 Scintillatori

• Il contatore a scintillazione è uno dei più
  vecchi apparati sperimentali usati per la
  radiazione nucleare. Prima del contatore a
  scintillazione si usava locchio nudo, osservando
  i flash di luce emessi quando le particelle
  colpivano uno schermo di solfato di zinco.
• Pare che la sensibilità dellocchio umano aumenta
  con una tazza di buon caffè (molto forte),
  possibilmente con laggiunta di una piccola dose
  di stricnina!!!!
• Dopo un lungo periodo di adattamento, locchio
  umano può vedere circa 15 fotoni se emessi in un
  intervallo di tempo non superiore ad 1/10 di
  secondo e con lunghezza donda pari a quella cui
  locchio umano e più sensibile (verde). 1/10 s
  e il tempo di persistenza dellimmagine sulla
  retina.
• HenryBaucels (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.

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Lezione 16 Scintillatori

• 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.
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Lezione 16 Scintillatori

• 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 dallelettronica

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Lezione 16 Scintillatori

• Lo scintillatore può fornire molte informazioni
  fra cui
• Sensibile allenergia ( lineare ed il PM è
  lineare) ? il segnale di uscita è proporzionale
  allenergia 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 dellimpulso di uscita. Con alcuni tipi
  di scintillatore è possibile distinguere fra le
  varie particelle, analizzando la forma
  dellimpulso di uscita. Questo a causa di diversi
  meccanismi di eccitazione per particelle con
  diverso potere ionizzante (a, n, g, etc.)

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Lezione 16 Scintillatori

• Gli scintillatori hanno proprietà note come
  luminescenza. Materiali luminescenti assorbono
  energia e la riemettono sotto forma di luce
  visibile.
• Se lemissione avviene subito dopo lassorbimento
  (10-8 s) il processo è chiamato fluorescenza. Se
  invece lemissione è ritardata (lo stato eccitato
  è metastabile) il processo si chiama
  fosforescenza. In questo caso il tempo fra
  lassorbimento 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)

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Lezione 16 Scintillatori
Luce

• In prima approssimazione levoluzione 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 dellenergia
  (eccitazione degli atomi e delle molecole) è in
  generale molto più breve del tempo di
  ri-emissione (per semplicità labbiamo assunto
  0).

tempo
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Lezione 16 Scintillatori

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)
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Lezione 16 Scintillatori

• Sebbene esistano molti materiali scintillanti non
  tutti sono adatti per costruire apparati
  sperimentali. Un buon scintillatore
  (utilizzabile) deve avere
• alta efficienza per convertire lenergia di
  eccitazione in fluorescenza
• trasparenza alla luce di fluorescenza in modo da
  poterla trasmettere
• emissione sulla lunghezza donda in cui
  funzionano i rivelatori di luce (generalmente
  luce visibile)
• una costante di tempo di decadimento t breve

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Lezione 16 Scintillatori

• 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)

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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.

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Lezione 16 Scintillatori inorganici

• 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) limpurità diventa una
  trappola e lenergia 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)

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Lezione 16 Scintillatori inorganici

• Lemissione di luce dai cristalli scintillanti
  dipende fortemente dalla temperatura

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Lezione 16 Scintillatori inorganici

• Elementi nobili liquidi (LAr, LXe, LKr)

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Lezione 16 Scintillatori inorganici

• La luce emessa è difficile da rivelare in quanto
  è tendenzialmente emessa nellultravioletto
• 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 (1001000 ns)
• ma con la medesima lunghezza donda.

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Lezione 16 Scintillatori inorganici
scintillatore densità (g/cm3) indice rifrazione lunghezza donda (nm) costante di tempo (ms) scintillaz. (relativa a NaI(Tl) note fotoni/MeV
NaI 3.67 1.78 303 0.06 190
NaI(Tl) 3.67 1.85 410 0.25 100 a 80 K 4x104
CsI 4.51 1.80 310 0.01 6 a 80 K
CsI(Tl) 4.51 1.80 565 1.0 45 a 80 K 1.1x104
6LiI(Eu) 4.06 1.96 470-485 1.4 35 a 80 K 1.4x104
BaF2 4.88 1.49 190/220 310 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 0.1 100
LAr 1.4 1.29 120-170 0.005/0.860 a 170 nm
LKr 2.41 1.40 120-170 0.002/0.085 a 170 nm
LXe 3.06 1.60 120-170 0.003/0.022 a 170 nm 4x104

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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.

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Lezione 16 Scintillatori organici

Scintillation is based on the 2 p electrons of
the C-C bonds. Emitted light is in the UV
range.
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Lezione 16 Scintillatori organici

• Lenergia 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 gt 10-4 s)

degradazione interna
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Lezione 16 Scintillatori organici

• Gli scintillatori organici possono essere
• Cristalli organici i più comuni sono antracene
  e naftalene. Lantracene 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.
  Lenergia 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,
  nellultravioletto 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.

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Lezione 16 Scintillatori organici

• Solventi e soluti comunemente usati

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Lezione 16 Scintillatori organici

• Rappresentazione schematica del principio di wawe
  length shifting

(C. Zorn, Instrumentation In High Energy Physics,
World Scientific,1992)
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Lezione 16 Scintillatori organici

• I tempi di risposta degli scintillatori liquidi e
  plastici sono brevi
• Liquidi 34 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 leffetto fotoelettrico va
  come Z5 e la produzione di coppie come Z2, mentre
  leffetto Compton è lineare in Z
• Hanno invece alta efficienza per rivelare
  neutroni (reazioni np?np).

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Lezione 16 Scintillatori organici

• 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 11 0.800 monocrist.
anthracene 1.25 1.59 448 30-32 100 0.714 monocrist. 0.5
NE 102 A 1.032 1.58 425 2.5 65 1.105 Nucl. Ent.
NE 104 1.032 1.58 405 1.8 68 1.100 Nucl. Ent.
NE 110 1.032 1.58 437 3.3 60 1.105 Nucl. Ent.
BC 412 1.032 1.58 434 3.3 60 1.104 Bicron
BC 414 1.032 1.58 392 1.8 68 1.110 Bicron
BC 416 1.032 1.58 434 4.0 50 1.110 Bicron
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Lezione 16 Scintillatori organici

• 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
J.B.Birks, Proc. Phys. Soc. A64,874
(1951) Esistono anche altri modelli e
parametrizzazioni
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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.

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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 lefficienza di trasmissione della
  luce?
• Lefficienza di trasmissione della luce è
  limitata da
• Langolo di riflessione totale
• Conservazione dello spazio delle fasi (teorema di
  Liouville)

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Lezione 16 Guide di luce

• Riflessione totale
• Per avere riflessione totale
• Se Q è langolo 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.

ne1 (aria) n indice rifr. guida
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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 pnsin(a) (con n indice di
  rifrazione del mezzo e a divergenza angolare del
  fascio di luce.()
• Allingresso della guida di luce la dimensione
  trasversa è Dx1 e se a1 è langolo massimo di un
  raggio di luce lelemento di volume nello spazio
  delle fasi è
• Dx1Dp12Dx1nsina1
• Alluscita della guida di luce lelemento di
  volume è
• Dx2Dp22Dx2nsina2
• ma per il teorema di Liouville
• Dx1Dp1Dx2Dp2
• Un angolo massimo di accettanza a2 alluscita
  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 (n8) una
  guida di luce con Dx1ltlt 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

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Lezione 16 Guide di luce

• Abbiamo visto che la riflessione interna totale
  permette un angolo massimo
• per cui
• e nellipotesi che fltltQ
• ?il massimo angolo di accettanza allingresso
  della guida imposto dallo spazio delle fasi è
• Scintillatori e guide di luce hanno tipicamente
  n1.5 ? sina10.75

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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.

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Lezione 16 Guide di luce

• Fibre (polistirene n1.59)

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Lezione 16 Guide di luce

• Conviene usare un cladding (guaina) con lindice
  di rifrazione il più piccolo possibile per
  massimizzare la luce raccolta per riflessione
  totale.

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Lezione 16 Guide di luce

• Le fibre sono spesso usate per ragioni di
  geometria in calorimetri a sampling.

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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.

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Lezione 16 Fibre scintillanti

• Tracciamento con fibre scintillanti.
• Molto flessibili
• Elevata granularità
• Bassa massa
• Risposta rapida (ns) (se lelettronica di read
  out e veloce) ? usate come trigger di primo
  livello

geometrie planari (end cap)
geometrie circolari (barrel)