Rivelatori integratori

DETECTOR PER RAGGI X
Classificazione principale
INTEGRATORI
CONTATORI
generano segnali la cui
ampiezza è proporzionale
al flusso di fotoni
contano singoli fotoni di
una certa energia
Scelta
Tipo di misura
Informazione
Flusso, energia, posizione, tempo, ...
Rivelatori integratori
non misuriamo il singolo impulso, quindi non abbiamo una
risoluzione energetica, ma misuriamo una corrente
• Viene misurata la corrente mediata su un tempo caratteristico T
(0.1 – 0.5 s):
Rivelatori contatori
• Viene rivelato il singolo impulso
• Se = RC (tempo di scarica del circuito RC) >> tc
(tempo tipico di produzione della carica) l’andamento
della tensione V(t) sarà:
Posso fare un’istogramma delle varie ampiezze degli impulsi  Spettro in energia
Principio di funzionamento
Per energie E < 50 KeV il processo primario su cui si basano i detector per raggi X è l’assorbimento
Processo primario
Processi secondari
Cu K
ephotoelectron
Cu29
Primary
X-ray photon
K
Cu29
K
L
M
N
L
Cu K
photon
M N
Cu29
Excited system
Auger electron
K
L
M
N
Processi primari in tre tipi di detector
Assorbimento in un un gas  coppie ioni + elettroni
Assorbimento in un semiconduttore coppie elettroni + lacune
Assorbimento in un materiale scintillatore  fotoelettrone da un fotocatodo
Rivelatori a gas
Schema di principio
Questi dispositivi sono stati tra i primi utilizzati per la rivelazione di particelle.
Essi sfruttano la ionizzazione prodotta dal passaggio di un fotone in un gas;
in tale processo un elettrone viene rimosso da un atomo o da una molecola in modo da
creare una coppia elettrone - ione positivo.
h 0
Gas
Finestra trasparente ai Raggi x
+
+
Anodo
Catodo
Fotoelettrone di energia:
E  h 0  Eb
Eb Energia di legame del fotoelettone
Ione positivo
Rivelatori a gas
h 0
Gas
Finestra trasparente ai Raggi x
+
+
Anodo
Catodo
Fotoelettrone di energia:
E  h 0  Eb
Eb Energia di legame del fotoelettone
Ione positivo
Un gas è un mezzo naturale per la raccolta della ionizzazione provocata dalla radiazione, grazie alla
grande mobilità che in esso hanno ioni ed elettroni.
Esistono diverse configurazioni per i rivelatori a gas, ma in ogni caso essi sono costituiti da un contenitore
riempito con un gas facilmente ionizzabile, e poi vi sono almeno altri due componenti: un catodo e un
anodo.
Rivelatori a gas
h 0
Gas
Finestra trasparente ai Raggi x
+
+
Anodo
Catodo
Fotoelettrone di energia: E  h 0  Eb
Eb Energia di legame del fotoelettone
Ione positivo
Il numero medio di coppie create è proporzionale all'energia depositata dal fotone X.
Sotto l'azione del campo elettrico, gli elettroni vengono accelerati verso l'anodo e gli ioni
verso il catodo.
Numero di coppie elettrone-ione prodotte:
Vi
N
E
Vi
Potenziale di ionizzazione efficace, cioè un valor medio tra i potenziali
di ionizzazione di più elettroni dello stesso atomo
Rivelatori a gas
Il segnale in uscita dipende dal potenziale applicato
E>E
A anodo
C catodo
Nella regione A non tutte le cariche prodotte vengono raccolte in quanto, a causa del piccolo valore
del campo elettrico, il processo di ricombinazione delle varie coppie ione-elettrone è notevole.
Rivelatori a gas
E>E
A anodo
C catodo
Nella regione B, chiamata regione di saturazione o
camera a ionizzazione, gli effetti della
ricombinazione diventano trascurabili e la carica raccolta è tutta quella prodotta.
Gli elettroni vengono raccolti dall’anodo; gli ioni, che hanno una mobilità molto minore, vengono raccolti
al catodo.
La camera di ionizzazione è usualmente utilizzata come integratore: si misura la corrente generata.
Rivelatori a gas
E>E
A anodo
C catodo
Nelle regioni C e D il campo elettrico è sufficientemente intenso da far acquistare agli elettroni
primari prodotti energia cinetica sufficiente a ionizzare gli atomi del gas producendo una
moltiplicazione a valanga di ioni.
La ionizzazione secondaria è ancora strettamente dipendente da quella primaria ed è in
questa regione che lavorano i contatori proporzionali.
Rivelatori a gas
E>E
A anodo
C catodo
Nella regione E, detta di Geiger-Muller, la carica raccolta non è più proporzionale alla
ionizzazione primaria.
Nella regione F non è più possibile nessun tipo di rivelazione: l'impulso in uscita non dipende
più dalla radiazione incidente, poiché avviene una scarica in presenza o meno di radiazione.
Contatori Geiger-Müller
Rivelatori a gas
Operano nella regione E della curva segnale d'uscita-potenziale in un rivelatore a gas.
Al crescere della tensione anodo-catodo la moltiplicazione a valanga diviene generalizzata
e non dipende più dall’energia del fotone assorbito.
Basta una sola coppia primaria per dar luogo ad una scarica a valanga completa e quindi
l'ampiezza dell'impulso in uscita non è più una misura della ionizzazione primaria: in questi
dispositivi la carica raccolta è indipendente dalla ionizzazione primaria.
Infatti oltre alla ionizzazione si hanno fenomeni quali l'eccitazione seguita da emissione di luce
visibile e ultravioletta. Una piccola parte di tali fotoni dà luogo ad emissione di fotoelettroni che
generano nuova ionizzazione, tramite il processo della moltiplicazione a valanga.
Un contatore Geiger può essere
utilizzato come contatore di
radiazione e non in esperimenti
di spettroscopia.
scintillatori
Gli scintillatori
Alcuni materiali presentano
conosciuta come luminescenza.
la
proprietà
Questo fenomeno consiste nell'assorbimento
dell'energia di una radiazione e nella
riemissione di questa sotto forma di luce
visibile.
L'emissione di luce avviene dopo un tempo
caratteristico tc dall'assorbimento della
radiazione;
In particolare se il processo cessa al cessare
della causa eccitatrice, cioè tra assorbimento e
riemissione c'è solo l'intervallo di tempo
necessario per la transizione atomica (tc< 10-8s)
il processo viene chiamato fluorescenza;
se invece lo stato di eccitazione è metastabile,
la luminescenza persiste, cioè la riemissione è
ritardata e in tal caso il processo è detto
fosforescenza.
Nei contatori di scintillazioni vengono contati i fotoni emessi da alcune sostanze
luminescenti, come i cristalli di NaI contenenti piccole quantità di Tallio (1-3 %) eccitati
per bombardamento con raggi X.
scintillatori
La struttura regolare del cristallo NaI forma delle
NaI(Tl)
bande energetiche separate da una banda proibita.
VB, banda di valenza (l'ultima banda occupata)
CB banda di conduzione (la prima banda vuota)
"band gap“: Ec – Ev
I fotoni X da rivelare cedono energia ali elettroni
Vis
che vengono eccitati passando dalla banda di
valenza a quella di conduzione, formando una
coppia elettrone-lacuna.
Tl
Con l’aggiunta di “impurità” (Tallio) la struttura a
banda è modificata perché si formano livelli
energetici nella banda proibita del cristallo, che
rappresentano dei centri di attivazione dove c’è la
maggiore probabilità di ricombinazione tra le
lacune nella banda di valenza e gli elettroni nella
banda di conduzione.
SENZA IMPURITA’ NON CI SAREBBE
LUMINESCENZA
E=hv
Tl è un drogante che crea i “Centri di colore” in cui e- e h+ si ricombinano
scintillatori
Un rivelatore a scintillazione è costituito da un cristallo scintillatore, generalmente a
forma di cilindro, con una delle basi rivolta verso il catodo di un fotomoltiplicatore.
Il numero di fotoni raccolti dal fotomoltiplicatore, trasformati in impulsi elettrici,
amplificati e conteggiati, è proporzionale all’energia delle radiazioni incidenti.
I fotomoltiplicatori sono dei dispositivi capaci di convertire un segnale luminoso in un
segnale elettrico.
Costituenti del fotomoltiplicatore:
1. fotocatodo
2. moltiplicatore di elettroni
scintillatori
Il fotocatodo converte la
luce incidente in corrente di
elettroni sfruttando
l'effetto fotoelettrico.
Esso è costituito da
una sostanza fotoemittente
depositata in sottilissimo
strato sulla parete interna
della finestra di ingresso del
fotomoltiplicatore.
L'efficienza di conversione
fotoelettrica varia
fortemente con la frequenza
della luce incidente e con la
struttura del materiale
scintillatori
Moltiplicatore di elettroni viene posizionato subito dopo il fotocatodo e ha la funzione
di amplificare la debole fotocorrente da questo proveniente, in modo tale da ottenere
all'anodo una corrente misurabile.
Esso è costituito da una serie di elettrodi, mantenuti a diverso potenziale in modo da
accelerare e guidare gli elettroni lungo il moltiplicatore; tali elettrodi sono chiamati
dinodi ed è in essi che avviene l'emissione secondaria di elettroni. Il guadagno che si ha
in ciascun elettrodo è conosciuto come fattore di emissione secondaria, d.