Che materia stai cercando?

Anteprima

ESTRATTO DOCUMENTO

Introduzione ai rivelatori di particelle

scintillatori plastici

Linearità

• formula di Birks

– dE

A

dL dx

= dE

dx +

1 B dx

dove A è l’efficienza di produzione di luce dello

• scintillatore

B è una costante che dipende dal materiale e in

• parte anche dal tipo di particella ionizzante

per perdite di energia piccole lo scintillatore è

– lineare

dL dE dL

= → = → =

A A L AE

dx dx dE

per perdite di energia molto grandi si arriva a

– una saturazione

dL A

= indipendente da E

dx B

AA 2008/2009 Cesare Voci - Roberto Carlin 8

Introduzione ai rivelatori di particelle

Scintillatori gassosi o liquidi non

• organici

He,Ar, Xe,Kr

– veloci (1 ns)

• emettono nell’UV (poco adatti alla risposta

• dei rivelatori

120÷180nm

– uso di wavelength shifters sulle pareti del

– contenitore o sulla superficie del rivelatore

Z più alto rispetto agli scintillatori plastici

• più adatti a rivelare fotoni di bassa energia

– (sotto la soglia di pair production)

Vetri

• silicati di boro o litio attivati con

– Cerio

ottima resistenza meccanica e chimica

• light yield ≈ 30%Antracene

• più lenti dei plastici (decine di ns)

• adatti alla rivelazione di neutroni lenti

• arricchiti in Li o Bo

6 10

AA 2008/2009 Cesare Voci - Roberto Carlin 9

Introduzione ai rivelatori di particelle

Cristalli inorganici

• NaI,CsI con tracce di Tallio, Bi Ge O (BGO),

– 4 3 12

CsF etc.

in genere lenti (500ns)

• spesso fortemente igroscopici (a parte BGO)

• Molto densi, piccole lunghezze di radiazione

• ottimo light yield

• CsI più di 10 volte rispetto all’antracene

– c’e’ una sensibile dipendenza dalla temperatura

Molto adatti a realizzare calorimetri

• elettromagnetici spettro di

scintillazioni di

alcuni cristalli

confrontata con

la risposta di due

rivelatori di luce

(PMT e APD)

AA 2008/2009 Cesare Voci - Roberto Carlin 10

Introduzione ai rivelatori di particelle

proprietà di alcuni scintillatori cristallini

AA 2008/2009 Cesare Voci - Roberto Carlin 11

Introduzione ai rivelatori di particelle

rivelatori a scintillazione

rivelatore

guida di fotoni

scintillatore di luce

Luce prodotta un uno scintillatore plastico

• densità ≈ 1g/cm, 1.7MeV/cm per una MIP

– circa 10 fotoni prodotti per MeV

4

– E =hc/λ≈ 3eV per fotone con

• λ=420nm

ν

Energia luminosa ≈ 30keV/MIP

• circa il 2% dell’energia trasformata in luce (supponendo

• lo spettro monocromatico a 420nm)

Effetti che riducono il segnale originario di uno

• scintillatore

attenuazione della luce nello scintillatore

– perdita di luce dalle superfici

– perdita di luce nelle guide di luce e negli

– accoppiamenti con il rivelatore di fotoni

efficienza quantica del rivelatore

– numero di elettroni generati per fotone incidente

Segnale per una MIP piccolo, serve amplificazione

• nel rivelatore di fotoni

AA 2008/2009 Cesare Voci - Roberto Carlin 12

Introduzione ai rivelatori di particelle

rivelatori a scintillazione

attenuazione della luce = 1÷2m

• λ ATT

per scintillatori nuovi, non danneggiati da

– radiazione etc.

effetto piccolo

trasporto della luce nello scintillatore

• riflessione totale per angoli maggiori

– dell’angolo limite

F= frazione di luce che viene riflessa in avanti

– per riflessione totale

per n=1.58 si ottiene F=20%

– n

0

ϑ n

C

Φ

n C

ϑ = 0

sin L n

Ω 1 1

φ φ ( )

∫ ∫ π φ φ

= = Ω =

L L

F d 2 sin d

π π π

4 4 4

0 0 ⎛ ⎞

1 1 1 n

( ) ( )

φ ϑ

= = = 0

F 1− cos 1− sin 1−

⎝ ⎠

L L

2 2 2 n

AA 2008/2009 Cesare Voci - Roberto Carlin 13

Introduzione ai rivelatori di particelle

rivelatori a scintillazione

trasporto della luce nello scintillatore

• per recuperare parte della luce non riflessa

– internamente

si ricopre lo scintillatore con un foglio riflettente

• (alluminio)

oppure con sostanze bianche diffondenti

• tyvek = materiale con cui sono fatti i camici bianchi

©

– “usa e getta”

oppure ossidi di magnesio o di alluminio

il tutto racchiuso in materiale completamente

• opaco (carta o plastica nera) per evitare che filtri

luce dall’esterno

guide di luce

AA 2008/2009 Cesare Voci - Roberto Carlin 14

Introduzione ai rivelatori di particelle

rivelatori a scintillazione

spesso lo scintillatore non si può accoppiare

• direttamente con il rivelatore di fotoni

per ex fogli di scintillatore di sezione traversale = 2×20cm da

– accoppiare ad un fotomoltiplicatore con finestra di ingresso

circolare

oppure lo scintillatore è in campo magnetico che

– disturberebbe il rivelatore di fotoni

si usano guide di luce in plastica trasparente per il trasporto

– la sezione minima A della guida non deve essere minore

– della sezione iniziale A (non si deve restringere), altrimenti

I

la frazione di luce trasmessa è al massimo A/A I

un’alternativa sono fibre di wavelenght shifter inserite nello

– scintillatore, o piani di wavelenght shifter affacciati allo

scintillatore, che assorbono la luce e la riemettono all’interno

della fibra o del piano

AA 2008/2009 Cesare Voci - Roberto Carlin 15

Introduzione ai rivelatori di particelle

rivelatori di fotoni

Funzionamento dei rivelatori di fotoni

• 1. assorbimento del fotone generazione di un

fotoelettrone o coppia elettrone-lacuna primario

2. amplificazione del segnale con processi di

emissione secondaria o valanga

3. collezione del segnale amplificato

Caratteristiche importanti

• quantum efficiency (QE): probabilità che un fotone

– generi un elettrone

in genere viene riportata quella alla lunghezza d’onda di

• massima sensibilità

efficienza di raccolta del segnale

– guadagno (numero di elettroni finali per fotone)

– rumore

– risposta in tempo: tempo di transito e sue

– fluttuazioni

range dinamico e linearità

– capacità di sostenere alti flussi

Classi principali

• rivelatori a vuoto

– PMT (fotomoltiplicatori), MCP, HPD

rivelatori a gas

– fotocatodo seguito da GEM, Micromegas ..

rivelatori a stato solido

– SiPD (G=1), APD,SiPM

AA 2008/2009 Cesare Voci - Roberto Carlin 16

Introduzione ai rivelatori di particelle

fotomoltiplicatore

Principio di funzionamento del PM

• finestra di ingresso trasparente (vetro o quarzo)

– sul lato interno è depositato il fotocatodo

– metalli alcalini pesanti (K CsSb)

• 2

il fotone estrae un elettrone dal fotocatodo per

– effetto fotoelettrico (NB∝Z )

5

l’elettrone viene accelerato e produce una cascata di

– elettroni estratti (emissione secondaria) nei vari

elettrodi successivi (dinodi)

nell’ultimo elettrodo viene raccolto il segnale

– (negativo) della cascata di elettroni

AA 2008/2009 Cesare Voci - Roberto Carlin 17

Introduzione ai rivelatori di particelle

efficienza

L’efficienza del PM dipende essenzialmente

• dall’efficienza quantica del fotocatodo

(percentuale di fotoni incidenti che emettono un

fotoelettrone)

l’efficienza quantica dipende dalla lunghezza

– d’onda, ed è diversa per diverse scelte del

fotocatodo

si arriva a efficienze quantiche di ≈25% sul picco

– della sensibilità

il PM va scelto adattandolo allo spettro di luce

– prodotta dal rivelatore (400÷500 nm sono tipici per

uno scintillatore)

altro fattore è l’efficienza di raccolta del primo

• fotoelettrone (focusing)

dipende dalla tensione

AA 2008/2009 Cesare Voci - Roberto Carlin 18

Introduzione ai rivelatori di particelle

alimentazione PM

Una catena di resistenze crea il campo

• accelerante tra i dinodi

EX: fotocatodo a -2000V, primo dinodo a

– 1800V etc

leghe metalliche ricoperte da BeO, MgO,GaP,

• GaAsP

per ogni dinodo il fattore di moltiplicazione è

– 3÷5

il guadagno totale dipende dal numero di

– dinodi (G=10 ÷ 10 )

5 8

AA 2008/2009 Cesare Voci - Roberto Carlin 19

Introduzione ai rivelatori di particelle

PM

Numerosissimi tipi di PM

• differiscono per

– dimensioni della finestra di ingresso

• sensibilità spettrale

• guadagno

• range dinamico e linearità

• velocità

• sensibilità al campo magnetico

AA 2008/2009 Cesare Voci - Roberto Carlin 20


PAGINE

29

PESO

3.04 MB

AUTORE

Atreyu

PUBBLICATO

+1 anno fa


DESCRIZIONE DISPENSA

Materiale didattico per il corso di Introduzione ai rivelatori di particelle del Prof. Roberto Carlin, all'interno del quale sono affrontati i seguenti argomenti: i rivelatori a scintillazione; gli scintillatori organici; gli scintillatori plastici; la formula di Birks; scintillatori cristallini; i rivelatori di fotoni, il fotomoltiplicatore; rivelatori di fotoni a stato solido e a stato liquido.


DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea in fisica
SSD:
Università: Padova - Unipd
A.A.: 2011-2012

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher Atreyu di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Introduzione ai rivelatori di particelle e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Padova - Unipd o del prof Carlin Roberto.

Acquista con carta o conto PayPal

Scarica il file tutte le volte che vuoi

Paga con un conto PayPal per usufruire della garanzia Soddisfatto o rimborsato

Recensioni
Ti è piaciuto questo appunto? Valutalo!

Altri appunti di Introduzione ai rivelatori di particelle

Rivelatori a gas
Dispensa
Rivelatori a silicio
Dispensa
Rivelatori di particelle - Classificazione
Dispensa
Sorgenti di particelle e acceleratori
Dispensa