Rivelatori per raggi X
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RIVELATORI 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, ... Proprietà dei rivelatori Intervallo di lunghezze d’onda Efficienza di rivelazione Frazione percentuale di fotoni che produce un segnale rivelabile rispetto al numero totale di fotoni che entrano nel rivelatore Rapporto fra numero di impulsi in uscita ed il numero di fotoni incidenti in un dato intervallo di tempo Efficienza quantica Numero di portatori di carica/fotone Intervallo dinamico intervallo di livelli di segnale entro il quale il rivelatore fornisce una risposta lineare rapporto fra segnale di saturazione e segnale di rumore Segnale di saturazione intensità massima oltre cui si perde la proporzionalità fra segnale di ingresso e segnale d’uscita (in un contatore dipende dal tempo morto) Rumore (noise) Fluttuazioni del segnale rivelato dipendenti da cause diverse, che impongono un limite all’intensità minima di fotoni rivelabile Photon noise Fluttuazioni statistiche del numero di di fotoni che raggiungono il rivelatore in un dato Dt Dark noise Fluttuazioni statistiche di segnali in uscita che si generano in assenza di radiazione incidente Read-out noise Rumore introdotto dall’elettronica associata al rivelatore Risoluzione in energia DE/E Risoluzione spaziale Dx/x Risoluzione temporale Dt/t CONTATORI INTEGRATORI Caratteristiche principali Caratteristiche principali Nessun rumore di lettura Rumore di lettura read out noise Limitata coun rate Elevata dinamica Sorgenti deboli Sorgenti luminose Contatori proporzionali Principio di funzionamento Per energie E < 50 K eV il processo primario su cui si basano i rivelatori per raggi X è l’assorbimento Processo primario Processi secondari Cu K ephotoelectron Cu29 Primary X-ray photon K Cu29 K L M N Auger electron L Cu K photon M N Cu29 Excited system K L M N Processi di eccitazione .... One-step processes h 0 e e 0 e e0 Fotoionizzazione Ionizzazione ... e di rilassamento h f Fluorescenza e Effetto Auger Two-step processes e Emissone secondaria Multi-step processes Processo primario: assorbimento Processi secondari: Rivelazione Assorbimento in un un gas ioni + elettroni Assorbimento in un semiconduttore elettroni + lacune Assorbimento in un materiale scintillatore fotoelettrone da un fotocatodo Assorbimento Fluorescenza radiazione visibile o U,V. Assorbimento Effetti chimici riduzione di bromuro di argento in Ag metallico in una emulsione fotografica Rivelatori a gas: schema di principio 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 Numero di coppie elettrone-ione prodotte: N E Vi Vi Potenziale di ionizzazione efficace, cioè un valor medio tra i potenziali di ionizzazione di più elettroni dello stesso atomo Un atomo può perdere più di un elettrone Per es.: i primi 4 potenziali di ionizzazione di un atomo di Xe sono: V1= 12 eV; V2= 21 eV; V3= 32 eV; V4= 46eV. Gas del rivelatore Primo potenziale di ionizzazione (eV) Potenziale efficace di ionizzazione (eV) Numero medio di coppie di ioni per fotone X , N. (*) Vi Cu K E = 8040 eV Mo K E = 17440 eV He 24.5 27.8 289 628 Ne 21.5 27.4 293 637 Ar 15.7 26.4 304 660 Kr 13.9 22.8 352 765 Xe 12.1 20.8 386 838 (*) N E Vi Es.: He, N=8040/27.8 = 289 La tensione applicata agli elettrodi del rivelatore ne determina il funzionamento come: Camera a ionizzazione, Contatore proporzionale o contatore Geiger 1010 G 105 10 1 Numero di elettroni N raccolti dall’anodo G = Fattore di amplificazione = Numero di elettroni N0 prodotti dal fotone Vi N G N N0 E G dipende dalla tensione applicata al rivelatore G A G G anello di guardia A Anodo C catodo Zona attiva C L’ anello di guardia riduce le distorsioni del campo elettrico ai confini della regione attiva. Gli elettroni prodotti dala ionizzazione vengono raccolti dall’anodo. Gli ioni, che hanno una mobilità molto minore di quella degli elettroni vengono raccolti dall’anodo La scelta del gas e della finestra viene ottimizzata in funzione dell’intervallo di lunghezze d’onda di operazione del rivelatore n = numero di fotoni assorbiti dal gas n I 1 e L I Intensità della radiazione penetrata nel rivelatore (ph/s) L lunghezza della camera (cm) densità del gas (g/cm3) Sezione d’urto di assorbiment (cm2/g) N = Numero di coppie elettrone–ione prodotte N I 0 T g 1 e L I0 Intensità della radiazione incidente (ph/s) T trasmittanza della finestra g efficienza di fotoionizzazione del gas (elettroni/ph) Sezione d’urto di assorbiment (cm2/g) Nel caso il flusso di fotoni è completamente assorbito entro la camera i N e I0 T g e (A) Queste relazioni sono valide in regime di camera a ionizzazione Il segnale minimo rivelabile è limitato dall’amplificazione di corrente ed è dell’ordine di 10-14 A ( 104 ph s-1) Il flusso massimo rivelabile è limitato da effetti di carica spaziale ed è dell’ordine di 1011 ph s-1 cm-3 Contatori proporzionali Al crescere della tensione applicata, ciascun fotoelettrone produce una moltiplicazione a valanga. Il numero di moltiplicazioni a valanga è circa uguale al numero di ionizzazioni iniziali e, siccome tutti gli elettroni vengono raccolti, la carica totale raccolta è proporzionale all’energia del fotone X G 102 ÷ 105 - + Finestra E re x E V x ln re ra E campo elettrico alla distanza x dall’, V tensione applicata, re raggio del catodo cilindrico ra raggio del filo anodico Il valore molto alto di E in prossimità dell’anodo farà sì che la maggior parte delle moltiplicazioni a valanga avvenga vicino all’anodo Tempi di raccolta degli elettroni: 0.1 ÷ 0.2 ms Effetto di carica spaziale Mobilities of various ions La localizzazione di una valanga può produrre l’effetto di carica spaziale. La ragione di ciò è che la mobilità degli ioni positivi è molto minore di quella degli elettroni. In presenza di un alto flusso incidente in una regione localizzata, gli ioni positivi prodotti nella valanga non possono allontanarsi abbastanza velocemente dall’anodo per cui si forma una carica positiva attorno all’anodo. Ciò modifica il campo elettrico rendendo il diametro efficace del filo più grande e riducendo così il guadagno del gas + Ioni positivi E - elettroni Gas Ioni Mobilità (cm2 V-1 s-1) Ar (OCH3)2 CH2+ 1.51 Iso C4 H10 (OCH3)2 CH2+ 0.55 (OCH3)2 CH2 (OCH3)2 CH2+ 0.26 Ar Iso C4 H10+ 1.56 Iso C4 H10 Iso C4 H10+ 0.61 Ar CH4+ 1.87 CH4 CH4+ 2.26 Ar CO2+ 1.72 CO2 CO2+ 1.09 Ar electrons ~1000 anodo [email protected] Gas Il gas ha una doppia funzione: •Servire per la rivelazione •Spegnere l’effetto provocato dalla rivelazione Per questo motivo si ricorre a miscele di gas: Gas di rivelazione: He, Ne, Ar, Kr, Xe Quenching gas: vapori organici (CH4, CH3CH3) o alogeni (F, Cl) es. 90% Ar + 10% CH4 Il gas di quencing assorbe la radiazione U.V. Ed elettroni secondari. Inoltre neutralizza alcuni ioni positivi donando elettroni perchè il suo potenziale di ionizzazione è inferiore a quello del gas rivelatore Effetti negativi del metano sono la produzione di C ed idrocarburi sull’anodo Una miscela più conveniente è: 90% Ar + 10% CO2 Contatori Geiger Al crescere della tensione anodo-catodo la moltiplicazione a valanga diviene Generalizzata. Uno stesso elettrone può dar luogo a più moltiplicazioni a valanga Gli stessi ioni acquistano sufficiente energia da produrre radiazione U.V. nell’impatto con il catodo. Quando gli elettroni urtano contro l’anodo causano l’emissione di raggi X di bassa energia ed elettroni secondari. Ques ti danno vita a nuove valanghe. Perdita di proporzionalità fra segnale d’uscita e flusso di fotoni in ingresso. Gli impulsi in uscita hanno essenzialmente la stessa ampiezza, circa mille volte più intensi che nella regione proporzionale (1V contro 1 mV). Tempo morto 200 ms Rivelatori a gas sensibili alla posizione La valanga sull’anodo induce segnali di polarità opposta sui due piani dei catodi Questi segnali danno informazione sulla posizione X-Y del fotone La distribuzione del campo elettrico attorno a due fili anodici in n MWPC Il guadagno è più di un milione di elettroni per impulso è sufficiente per rivelare fotoni singoli con un’accuratezza sulla scala dei tempi dell’ordine dei ns. Si misurano rates of 106 conteggi/s/mm2 Contatori a scintillazione Fotocatodo Fotomoltiplicatore Scintillatore Amlificatore Analizzatore di impulsi Contatore H.V. Principio di funzionamento Il fotone X di energia h viene assorbito dallo scintillatore Dall’interazione vengono prodotti N fotoni visibili: N hx I fotoni visibili assorbiti dal fotocatodo causano l’emissione di fotoelettroni I fotoelettroni vengono accelerati verso verso il primo dinodo del fotomoltiplicatore e provocano l’emissioe di elettroni secondari Questi vengono accelerati verso altri dinodi e producono altri elettroni secondari moltiplicandosi Scintillatore Raggi X Luminescenza Materiale: NaI (Tl) scintillatore inorganico con impurezze CB Livelli impurezze VB Proprietà dello scintillatore Buon coefficiente di assorbimento di Raggi X Alta efficienza dii conversione Trasparenza alla propria fluorescenza Buon accoppiamento ottico con il fototubo Tempi di eccitazione brevi, alto flusso (ph/s) hVis. NaI:Tl Soddisfa buona parte di queste richieste Lo I è un buon assorbitore di raggi X Potenziale di ionizzazione: Vi 50 eV Fotoni visibili (blu): 4100 Ǻ Td tempo di decadimeno del processo 0.25 ms Dimensioni del cristallo: diametro 2.5 cm; spessore 2 ÷ 5 mm NaI è igroscopico, va tenuto sotto vuoto Fotomoltiplicatore Dinodo, doppia funzione di raccolta ed emissione Il fototubo va schermato dalla luce visibile esterna e da campi magnetici I dinodi sono ricoperti di ossido di Be Alcune caratteristiche di un contatore a scintillazione Efficienza accoppiamentoottico Fotoni fotocatodo 0.9 Efficienza del fotocatodo frazione di fotoni che produce 1 fotoelettrone 0.1 – 0.9 Efficienza di raccolta del primo dinodo K = 0.9 Numero di elettroni secondari emessi per ogni elettrone incidente sul dinodo GD = 2 – 4, Guadagno del fotomoltiplicatore G = k GDn n numero di dinodi. G 106 Guadagno del fotomoltiplicatore G = k GDn n numero di dinodi. G 106
