-La fotorivelazione
-Principi di funzionamento dei fotomoltiplicatori
fotocatodi, amplificazione a dinodi.
caratteristiche di funzionamento
-Rivelatori a semiconduttore
-Fotomoltiplicatori ibridi (fotocatodo+semiconduttore)
-Applicazioni: fotomoltiplicatori per
Air cerenkov
Fluorescenza
Water cerenkov
Scintillatori
Applicazioni mediche
Applicazioni industriali
Rivelazione di radiazioni X, gamma, particelle cariche e neutre
principi base (eccitazione, ionizzazione)
Eccitazione atomi
di sostanze liquide
e solide: emissione
di luce
la luce produce
corrente di elettroni
per effetto fotoelettrico
Amplicazione
Segnale
elettrico
X, g,
p.-+
Ionizzazione del
materiale: corrente
di elettroni. Gas,
liquido, semiconduttore
Misura diretta
Della corrente
di elettroni
X, g,
p.-+
conversione luce-corrente
-non solo volumi scintillanti da hoc
-anche grandi volumi di atmosfera
Rivelatori = generatori di
corrente
scintillazione di atomi e molecole leggeri
emissione visibile, UV
• Assorbimento
atmosferico:
gamma
– Astrofisica Spaziale;
• Elevato potere
penetrante:
– Elevati volumi e aree;
• Tecniche indirette per:
– Spettrometria;
– Imaging;
photodetector
Definiamo scintillatore qualunque
materiale che emette un impulso di luce
poco dopo il passaggio di una particella
carica.
La funzione di uno scintillatore è duplice:
Emettere luce (luminescenza)
Trasmetterla al rivelatore di fotoni (e.g. fotomoltiplicatore)
Volumi scintillanti ad hoc (1)
X-ray/gamma-ray
absorber - e.g. CsI,
NaI, BGO
Light guide
Electronic
signal
Light -> econverter
(PMT/diode)
e
Scintillation crystal NaI (Tl) Light guide
0.5 MeV -> 3 eV g’s, ~12% 80% efficient
efficiency
0,5x10^6/3x0,12
20000 g
16000 g
Bialkali photocath.
20% efficient
3200 e-
DE/E ~
2.35*(1/sqrt(3200))
= 4% FHWM
Occorrono fotorivelatori ad alta efficienza
Gli scintillatori
Gli scintillatori più usati sono composti da
materiale plastico. Quando una particella
carica attraversa il rivelatore, ne eccita la
plastica scintillante che, diseccitandosi,
emette fotoni di luce.
Accoppiando uno scintillatore a un
fotomoltiplicatore si ottiene quindi un
segnale elettrico proporzionale alla
quantità di luce ricevuta. Questo permette
di ottenere così una stima del numero di
particelle cariche che hanno attraversato il
rivelatore.
Nota: nello schema il PMT non è collegato allo scintillatore.
Grandi volumi naturali (2)
Fluorescenza: scintillazione
in atmosfera, emissione di luce
array di fotomoltiplicatori
Rivelatori di luce, visibile/UV
fotomoltiplicatori
Rivelazione particelle nel fronte
dello sciame: contatori a
scintillazione o contatori Cerenkov
in acqua
Effetto Cerenkov: v (particella)> c/n generato da una
asimmetria nei momenti di dipolo temporanei negli
atomi/molecole nel mezzo al passaggio della particella
Ritorno configurazione iniziale:emissione di luce
b>c/n
Spettro di fotoni Cherenkov
per 300nm< ¢ < 650nm
Effetto Cherenkov - 5
Nel disegno di rivelatori di luce Cherenkov è opportuno calcolare il numero di
fotoni emessi per unità di cammino percorso (x [cm]) per una particella di carica
ze per unità di energia o di lunghezza d’onda:
d 2 N z 2#
=
d² dx
c
&
1 )
d 2 N 2 z 2#
=
(1
+ oppure
2 2
d, dx
,2
¢ % n (² )
&
1 )
(1
+
2 2
¢ % n (, )
Trascurando la dispersione nel mezzo (considerando cioè n indipendente da ¢ )
ed integrando su un opportuno intervallo di lunghezza d'onda
¢
dN
1
2
= 2² z # )1
,
2 2
dx
( % n ( &) +
&2
&1
¢ 1
d&
2
2
= 2² z # sin . C )
2
&
( &1
Fisica Nucleare e Subnucleare II, 2007-8
1
,
&2 +
Neutrino Detection
• Neutrino interacts with a nucleon
and produces a lepton
• Lepton emits Cherenkov light as it
travels through ice (in 41° cone)
• Light is detected by Digital Optical
Module (DOM)
• 35 cm pressure vessel surrounding a 25
cm Photomultiplier
• 400 ns recording time
• 3 channels gives a 14 bit dynamic range
• 1 - 2% of DOMs fail during freeze-in
• 15 year survival probability 96%
10
Cerenkov Imaging - Whipple
10 m
379 PMTs
TeV particle-astro
FNAL 2005
Array Imaging
Multiple Telescopes:
improve angular resolution
improve energy resolution
reduce background
eliminate muons
improve stability
IACT - Imaging Air Cerenkov
Telescope
from CANGAROO www site
TeV particle-astro
FNAL 2005
-In tutti questi esempi, la scintillazione (ma anche
Cerenkov) sono eventi di eccitazione e
diseccitazione di atomi e molecole
-i fotoni emessi sono quelli tipici dei livelli atomici:
unita’ di elettronvolt
luce visibile/UV
-Il fotorivelatore e’ composto da due sezioni:
-fotocatodo: trasforma i fotoni in cariche
elettriche (fotoelettroni)
-amplificatore di cariche (di fotoelettroni)
Il fotomoltiplicatore
Quando una radiazione luminosa incide
sull'elemento sensibile (fotocatodo),
questo emette elettroni per effetto
fotoelettrico (Hertz, 1887), che vengono
convogliati da un campo elettrico su una
serie di dinodi.
Su ciascun dinodo gli elettroni si
moltiplicano per effetto termoelettrico in
un processo a cascata. La corrente che si
ottiene sull anodo può essere anche un
miliardo di volte più intensa di quella
iniziale. Normalmente il fattore di
amplificazione varia tra 105 e 107.
Il materiale costituente il fotocatodo
determina l efficienza quantica di
conversione dei fotoni in elettroni.
Attualmente si possono costruire
fotomoltiplicatori sensibili dai raggi X
all'infrarosso.
