Radiation Monitoring Systems &Radiation Monitoring Systems & Waste Characterization
Lecture 2 - Scintillating DetectorsLecture 2 Scintillating Detectors
MASTER UNIVERSITARIO DI II˚ LIVELLO IN SCIENZE E TECNOLOGIE DEGLI IMPIANTI NUCLEARI
M.Taiuti
ScintillatoriScintillatori• Materiali che emettono luce quando colpiti da
una radiazione ionizzante– rivelatore più diffuso nella fisica nucleare e delle
alte energie– la luce di scintillazione viene trasformata in una
(debole) corrente elettrica accoppiando lo scintillatore ad un fotomoltiplicatoreun fotomoltiplicatore
– materiale scintillante (trasparente): • cristalli organici (plastica)• cristalli organici (plastica), • liquidi organici (idrocarburi),• cristalli inorganici, • gas e vetri
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ScintillatoriScintillatori• Quali informazioni fornisce uno scintillatore?
– Energia: in un certo intervallo e sopra una certa soglia lo scintillatore emette una quantità di luce linearmente proporzionale all'energia depositata p p g p→ calorimetria, spettroscopia
– Tempo: lo scintillatore ha un tempo di risposta e di recupero– Tempo: lo scintillatore ha un tempo di risposta e di recupero rapido che permette di misurare il tempo di passaggio di una particella nel materiale. Inoltre sopporta rate di segnale elevatielevati.→ time-of-flight, triggering
– Particle Id: in certi casi, l'impulso del segnale e' diverso per le diverse particelle che lo attraversano→ pulse shape discrimination→ pulse shape discrimination
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La LuminescenzaLa Luminescenza• La luminescenza è la caratteristica di un materiale di
l ( i ibil l i l i i ) demettere luce (visibile o ultravioletto vicino) quando esposto ad una qualche forma di energia (luce, calore radiazione )calore, radiazione, ...)
• Il materiale scintillante assorbe energia (eccitazione di molecole o di un livello di un solido) in tempi moltodi molecole o di un livello di un solido) in tempi molto brevi rispetto al tempo di riemissione (diseccitazione) sotto forma di luce
• Fluorescenza: emissione contemporanea all'assorbimento (<10 ns) di interesse per gli
llscintillatori• Fosforescenza: emissione ritardata (ms - ore)
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La LuminescenzaLa Luminescenza– più correttamente doppio esponenziale con costante di
tempo veloce (t ) e lenta (t )tempo veloce (tf) e lenta (ts)
– normalmente domina la componente veloce– alla base della pulse-shape discrimination
• Caratteristiche di un buon scintillatorelt ffi i di i i /l– alta efficienza di conversione energia/luce
– trasparenza alla luce emessa– emissione in un range spettrale consistente con la rispostaemissione in un range spettrale consistente con la risposta
spettrale dei fotorivelatori– costante di tempo veloce
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Scintillatori organiciScintillatori organici• Composti da idrocarburi
i iCC CC
quasi sempre contenenti l'anello del benzeneScintillazione dovuta alla
CC CC
• Scintillazione dovuta alla transizione di elettroni di valenza liberi della molecola (elettroni delocalizzati
CCCC
valenza liberi della molecola (elettroni delocalizzati che occupano gli orbitali molecolari π)
• Le due componenti sono legate alle diverse forme di p gdiseccitazioni molecolare:– componente veloce: eccitazione molecolare ad uno stato che
d d (i ) i t t i t di h d d (i )decade (in ps) in uno stato intermedio che decade (in ns) nello stato fondamentale
– componente lenta: molecole eccitate che si diseccitano p(>100 ns) interagendo tra loro attraverso il reticolo (fononi)
Scintillatori organiciScintillatori organici• Il passaggio attraverso uno stato
i di i h ilintermedio, garantisce che il materiale sia trasparente alla radiazione luminosa finaleradiazione luminosa finale
• Al componente fluorescente• Al componente fluorescente primario si aggiunge solitamente una piccola quantità di un p qagente fluorescente secondario (wave-lenght-shifter) che ha il
d bcompito di assorbire e riemettere la radiazione luminosa ad una frequenzaluminosa ad una frequenza differente 7
Scintillatori organiciScintillatori organici• Cristalli organici
– Antracene (C H )• Veloci: ~ns (antracene ~30ns)• Affidabili ma risposta alla– Antracene (C14H10)
– Naftalene (C10H8)– Stilbene
Liquidi organici
• Affidabili ma risposta alla radiazione anisotropa
• Antracene ha il massimo light yield ~2 fotoni per 100 eV depositati• Liquidi organici
– soluzione liquida di uno o più scintillatori organici (qualche ‰) in un solvente organico
p p
• Veloci: 3-4 nsorganico– processo di scintillazione simile a quanto
detto prima ma anche il solvente gioca un ruolo importante nell'assorbimento e
Veloci: 3 4 ns• Molto sensibili alle impurezze nel
solvente e all'ossidazione (effetto sul light yield e sulla trasmissione p
trasferimento dell'energia primaria– il solvente agisce da wave-length-shifter
assorbendo la radiazione e i tt d l di λ
della luce)• Tossici e velenosi (benzine!)
riemettendola a diversa λ– scintillatori: PBD, PPO, (POPOP: wave
length shifter)sol enti X lene tol ene ben ene– solventi: Xylene, toluene, benzene ...
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Scintillatori organiciScintillatori organici• Plastiche
i li idi i i
• Densità: 1.03 – 1.2 g/cm3
• Light yield: 1 fotone per 100 eV– come per i liquidi organici ma con un 'solvente' polimerizzato (plastica)
i till t i PBD PPO POPOP
• Light yield: 1 fotone per 100 eV depositati
• Veloci: tempi di decadimento td = 1-10 ns– scintillatori: PBD, PPO, POPOP
– solventi: Poliviniltoluene (PVT) Polistirene (PS) ...
td = 1 10 ns• Robusti, affidabili e relativamente
economici• Facilmente lavorabili
– i più utilizzati nella fisica nucleare e delle particelle
Facilmente lavorabili
• Invecchiamento se esposti alla luce (superficiale e bulk)• Invecchiamento se esposti alla luce (superficiale e bulk)• Lunghezza di attenuazione: non solo determinata dalle proprietà del
materiale ma anche dalla lavorazione e dalla geometria• Campi magnetici: effetti (non lineari) sul light yield• Campi magnetici: effetti (non lineari) sul light-yield• Danneggiamento da radiazione: peggioramento di light yield e
lunghezza di radiazione
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La Trasmissione della LuceLa Trasmissione della Luce• La perdita della luce da uno scintillatore avviene in due
di dit tt l fi i l t limodi: per perdita attraverso le superfici laterali e per riassorbimento da parte dello scintillatore stesso
• Scintillatori di grandi dimensioni (>1m) risentono diScintillatori di grandi dimensioni (>1m) risentono di questo effetto
• La lunghezza di attenuazione λ dipende dalla geometria del rivelatore e dalla lavorazione delle superficiI data sheets riportano λ per un mezzo infinito (bulk) nel• I data sheets riportano λ per un mezzo infinito (bulk), nel caso specifico occorre simularlo o misurarlo
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Legge di BirksLegge di Birks• La risposta di uno scintillatore dipende dall'energia
depositata e dal tipo di particelladepositata e dal tipo di particella
• All'aumentare dell'energia depositata la quantità di luce prodotta (per unità di energia) negliluce prodotta (per unità di energia) negli scintillatori plastici e liquidi diminuisce
• Per es., nello scintillatore plastico, una particella αdi E~100 MeV emette ~ 1/3 della luce prodotta da un elettrone di uguale energia
• La non linearità è legata ad un effetto di saturazione nella diseccitazione delle molecole
dE/dx: perdita di energia per ionizzazioneY0: Intensità luminosa a bassa densità di ionizzazione
Luce prodotta per unità di lunghezza
ionizzazionekB : parametro che lega la densità dei centri di ionizzazione a dE/dx (fit dei dati sperimentali)
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Scintillatori InorganiciScintillatori Inorganici• Cristalli isolanti (tipicamente) alcalini contenenti una piccola
percentuale di impurità fluorescenti: NaI(Tl) CsI(Tl)percentuale di impurità fluorescenti: NaI(Tl), CsI(Tl)• Altri cristalli non-alcalini: BGO, BaF2, PbWO4
• Meccanismo di scintillazione legato alla struttura a bande genergetiche del cristallo
• Una particella ionizzante può:eccita e n elett one dalla banda di alen a a q ella di cond ione– eccitare un elettrone dalla banda di valenza a quella di conduzione
(creazione di lacuna/e liberi)– creare un eccitone, eccitando un elettrone in una banda
i di t t tt l b d di d iimmediatamente sotto la banda di conduzione– gli atomi presenti nel reticolo
possono essere ionizzati dalle l (lib d
c o n d u c t i o n b a n d
e l e c t r o ne x c i t o nb a n dlacune (libere o prodotte
dall'eccitone)– la luce di scintillazione viene
à
E gt r a p s
a c t i v a t i o nc e n t r e s( i m p u r i t i e s )
lum
ines
cens
e
quen
chin
g
s c i n t i l l a t i o n
exci
tatio
n
b a n d
emessa dalle impurità durante la diseccitazione 13
v a l e n c e b a n dh o l e
s c i n t i l l a t i o n( 2 0 0 - 6 0 0 n m )
Scintillatori InorganiciScintillatori Inorganici• Caratteristiche
– densità elevata: 4-8 g/cm3– densità elevata: 4-8 g/cm3
– Z elevato– alto output di luce: ~4 fotoni per 100 eV depositati
ottima risoluzione energetica anche a basse energie– ottima risoluzione energetica anche a basse energie
• Ideali per applicazioni dove è richiesto un elevato stopping power e/o alta efficienza di conversione e-/alta efficienza di conversione e-/γ– calorimetri elettromagnetici– rivelatori per γ
• Forte dipendenza dell’output di luce dalla temperatura
• Alcuni cristalli sono igroscopici
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Più usato, alto yield di luce, emissione nel range dei gfotocatodi bialcalini ma molto igroscopico e difficile da lavorare
Alta densità, bassa X0, i i
Ha la componente fastmolto veloce
non igroscopico
Alta densità, ma basso output luminoso
Oltre ai cristalli 'classici' sono allo studio nuovi composti dell'ittrio e del lutezio quali YAP e LuAP (ottima linearità
tti i l ie ottima risoluzione energetica)
Il light output assoluto va poi considerato in relazione al fotorivelatore usato:
Npe/MeV = L QE Ng/MeV L: trasmissione, riflessione e geometria del cristalloNpe/MeV L QE Ng/MeV gQE : quantum efficiency del fotocatodoNg= light yieldN fotoelettroni misurati
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• Scintillatori GassosiGas nobili come xenon, krypton, argon, elio ... ad alta pressione o liquidi
A2*A
Acollision
excited molecule
de-excitation and dissociation
UV A*excitation
liquidiEccitazione dei singoli atomi con diseccitazione molto rapida (<1ns)Necessitano un wave-length-shifter (depositato sulle pareti del contenitore) per spostare l'emissione luminosa dall'UV al visibile
V t i till t
A
A+ A2+
A
e-
ionization
collisionwith g.s.atoms
ionizedmolecule
130nm (Ar)150nm (Kr)175nm (Xe)A2
*
recombination
Borosilicati attivati con cerioScarso light yieldOttima resistenza chimico/meccanica li rende adatti ad impieghi in situazioni estremeTempi di risposta di decine di ns
• Vetro scintillante e
Tempi di risposta di decine di nsLight yield: 20-30% dell'antracene
• Pulse shape discriminationMateriali scintillanti con
due costanti di tempoforte dipendenza delle costanti di tempo da dE/dx
Possibilità di identificare la particella dalla forma del segnale
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Guide di luceGuide di luce
UV light enters the WLS materialLight is transformed into longer wavelengthTotal internal reflection inside the
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Total internal reflection inside the WLS material
‘transport’ of the light to the photo detector
Fibre Ottichelight transport by total internal reflectionFibre Ottiche
• Optical Fibers typ. 25 μmθ
internal reflection
corepolystyrene
cladding(PMMA)n=1.49 n1
polystyrenen=1.59
t i ll 1
n2
– Minimize ncladding
– Ideal: n = 1 (air), but impossible due to surface imperfections
typically <1 mm
cladding
• Multi-clad fibers– Improved aperture
core
cladding(PMMA)n=1.49 25 μm
– Long(er) absorption length for visible
corepolystyrene
n=1.59
fluorinated t l ddiLong(er) absorption length for visible
light (> 10 m)1825 μm
outer claddingn=1.42
Fotomoltiplicatore (PMT)
4) F t l tt i l tt i 5) Elettrodo focalizzante
Fotomoltiplicatore (PMT)
4) Foto-elettroni elettroni (primari) espulsi con una certa probabilità (efficienza quantica) dal fotocatodo
9) Vuoto Il moto degli elettroni avviene nel vuoto spinto (~10-6 mb) in un contenitore di vetro
5) Elettrodo focalizzanteRaccoglie i foto elettroni accelerandoli
8) Pins Alimentazione ai 1) Luce incidente dinodi (ΔV) e raccolta del
segnale all'anodo
2) Finestra trasparente alla
7) Anodo Viene raccolta la carica finale amplificata
3) Fotocatodo Materiale fotoemissivo che colpito dalla luce emette elettroni per
radiazione luminosa che si vuole misurare(vetro o quarzo)
6) Elettrodi moltiplicanti (dinodi)Accelerano e moltiplicano gli elettroni secondari (amplificazione) grazie ad una ΔV e al materiale di cui sono fatti
effetto fotoelettrico
La Finestra di IngressoLa Finestra di Ingresso• Il materiale di cui è composta
determina il taglio in frequenza adetermina il taglio in frequenza a basse λ (UV)– vetro leggero (lime glass)– borosilicato (vetro duro)– vetro UV-trasparente– quarzo (fused silica)quarzo (fused silica)
• Dovrà essere trasparente e adatta al segnale che vogliamo misurare e al fotocatodo che si usa
• Esempi di distribuzione spettraleEsempi di distribuzione spettrale di emissione luminosa di alcuni scintillatori inorganici
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Il FotocatodoRadiant sensitivity + Materiale finestra
Il Fotocatodo• Sottile strato di materiale depositato sulla
finestra di ingresso (vetro o quarzo) Bialkali
• Per effetto foto-elettrico i fotoni ottici incidenti sul fotocatodo vengono trasformati in (foto-) elettroni
• La risposta di un PMT alla luce può essere fornita in diversi modi:
Bialkalia basso rumore
Te-Cs(Quarzo)
Bialkali(Quarzo)fornita in diversi modi:
• QE ~ 5 30%
Cs - I
(Quarzo)Ne
emessiEfficienza quantica (QE) =Ng
incidenti
• QE ~ 5 - 30%• dipende fortemente da λ incidente e dal
materiale di cui è fatto il fotocatodo• Tipicamente materiali alcalini con basso
potenziale di ionizzazione. Più comuni:potenziale di ionizzazione. Più comuni: Bialkali (SbKCs): buona risposta nel visibile (blu). Variazioni sul tema per aumentare la QE nel verde o nel rosso
124I prodottaRadiant sensitivity =
• Più comoda da misurare• Semplice relazione con QE
QE (%) =124
λ (nm)Radiant sensitivity(mA/W)
Radiant sensitivity =Potenza incidente
• Il fotocatodo si ossida facilmente → la
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• Il fotocatodo si ossida facilmente → la pressione parziale di O2 deve essere ancora minore (10-8 mbar)
Il Guadagno del PMTIl Guadagno del PMT• I foto-elettroni emessi dal catodo vengono
accelerati e raccolti sul primo dinodoaccelerati e raccolti sul primo dinodo
• I dinodi (metallici) sono mantenuti ad una differenza di potenziale (ΔV) edifferenza di potenziale (ΔV) e ricoperti di materiali bialkalini con un coefficiente di emissione secondaria d>1
• Il coefficiente d (tipicamente ~2-5) dipende dall'energia dell'elettrone incidente e quindi dalla ΔV applicata
• La tensione di alimentazione del PMT (~400-2500 V) viene divisa e distribuita ai dinodi attraverso un partitore di tensione (resistivo o p (capacitivo)
Lecture 2 - Scintillating Detectors 22
Il Guadagno del PMTIl Guadagno del PMT• Il guadagno di un PMT viene definito come il rapporto tra la corrente
all'anodo e la corrente al catodo:all anodo e la corrente al catodo:– K= costante che dipende dalle dimensioni del
PMT e geometria di raccolta– ΔV = diff. di potenziale tra i vari dinodi (può non G = dn =(K ΔV)n
essere costante) ~ 100-300V– n = Numero dinodi (10-14)– G ~ 104 - 107
ΔG/G = n ΔV/V
• Per n=10 una variazione dello 1% sulla alimentazione produce una variazione del 10% sul guadagno
• Il processo è statistico e quindi d fluttua secondo la statistica di Poisson (σ=√d)
• Le fluttuazioni sul numero di foto-elettroni (ed il guadagno del primo dinodo) dominano la statistica di raccolta e quindi la larghezza dello spettro finalespettro finale
Lecture 2 - Scintillating Detectors 23Q = G Npe (σQ /Q)2 = Npe
1d -1d
Il Partitore di TensioneIl Partitore di Tensione• La tensione di alimentazione del PMT (~400-2500V) viene divisa e distribuita ai
dinodi attraverso un partitore di tensione (resistivo o capacitivo)p ( p )
• Il PMT può essere alimentato positivamente (fotocatodo a massa e anodo a potenziale positivo) oppure negativamente (anodo a massa e fotocatodo apotenziale positivo) oppure negativamente (anodo a massa e fotocatodo a potenziale negativo)
• Vista l'estrema sensibilità del G rispetto a ΔV, occorre che l'alimentatore sia stabilizzato (<0.05%) e che la corrente di partitore sia » alla corrente dovuta agli elettroni emessi dai dinodi (che scorre in parallelo)
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Rumore del PMTRumore del PMT• Il fotocatodo può emettere elettroni per effetto
t i i ( t ) h i di ltermoionico (corrente oscura) anche in assenza di luce
• La corrente media è proporzionale alla temperatura• La corrente media è proporzionale alla temperatura variando da qualche nA a mA per i PMT più grandi
• Il processo è stocastico quindi la corrente fluttua (statistica di Poisson) causando un rumore non eliminabile ( bb d l d l PMT )(se non abbassando la temperatura del PMT )
Il rumore ha il suo massimo per l'emissione di un singolo• Il rumore ha il suo massimo per l'emissione di un singolo foto elettrone
Lecture 2 - Scintillating Detectors 25
Altre CaratteristicheAltre Caratteristiche• Risoluzione temporale
il t di t it d l l tt il f t t b (l l– il tempo di transito del segnale attraverso il fototubo (luce sul pc -segnale all'anodo) dipende dalle dimensioni del PMT e varia da qualche ns a qualche decina di ns (il PMT è un dispositivo veloce!)l fl tt i i d l t it ti (T it ti S d jitt ) è– le fluttuazioni del transit-time (Transit time Spread o jitter) è proporzionale a 1/ √Npe. Dipende dalle dimensioni del PMT, dalla zona di raccolta, dalla tensione applicata.
à• Linearità– misura il rapporto tra il numero di fotoni incidenti e la carica
raccolta all'anodo– nella realtà ci sono diversi fattori che possono pregiudicare la
linearità del PMT:• eccessiva corrente degli elettroni tra i dinodi,eccessiva corrente degli elettroni tra i dinodi, • variazione di tensione tra i dinodi, • drift del G
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Altre CaratteristicheAltre Caratteristiche• Stabilità
– misura la stabilità del guadagno del PMT nel tempo– misura la stabilità del guadagno del PMT nel tempo– cause di non-stabilità sono:
• variazione della temperatura• cambio di G dovuto ad illuminazione costantecambio di G dovuto ad illuminazione costante• riaccensione dopo un lungo periodo di inattività
– per queste ragioni i PMT vanno alimentati per qualche giorno prima di poter essere utilizzati
• Sensibilità ai campi magnetici– la presenza di un campo magnetico (anche quello terrestre!) altera il
funzionamento di un PMT– l'efficienza di raccolta, il jitter ed il G ne sono alterati– se i PMT devono operare necessariamente all'interno di campi magnetici,
occorre schermarli con l'utilizzo di schermi magnetici (mu-metal, ferro dolce ...)
– schermi magnetici di ragionevoli spessori sono possibili per B~1-200 Gauss
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Altre CaratteristicheAltre Caratteristiche
Plastic scintillator
10 nsec / division
Inorganic crystal, NaI
5000 nsec / division
28(Longer time scale forfluorescence to occur)
Esempi di PMTEsempi di PMT