Stage ai LNL 2011
tema B)
Misure di test con scintillatori LaBr3
e semiconduttori al Germanio
per la rivelazione dei raggi gamma
A cura di: Marco Visentin &
Giacomo Mingardo
28/06/2011
Tutori: Caterina Michelagnoli
Jose Javier Valiente-Dobon
Di cosa parleremo:
●
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Introduzione: struttura dei nuclei atomici
Rivelazione dei raggi gamma (interazione
dei gamma con la materia)
Rivelatori a scintillazione: cosa sono e
come funzionano
Caratteristiche dei rivelatori di raggi
gamma
I rivelatori a semiconduttore (Ge)
Struttura del nucleo atomico
In quanto sistema quantistico, il
nucleo atomico si “fa osservare” in
stati discreti, ciascuno
caratterizzato da una determinata
energia (momento angolare, parita`,
vita media).
Una volta eccitato in uno stato a una
certa energia, il nucleo decade
attraverso gli stati intermedi, verso
lo stato fondamentale, con
l'emissione di quanti di radiazione
gamma.
Interazione dei raggi gamma
con la materia
- Effetto fotoelettrico (E < 100 keV): assorbimento di un fotone
da parte di un elettrone legato, che in seguito viene espulso dal
legame originario;
- Scattering Compton (E > 100 keV):
collisione elastica tra un elettrone legato
e un fotone.
E'=E/[(1+(E/m c2)(1-cos theta)]
e
- Creazione di coppie (E > 1,02
MeV): ovvero la formazione di una
coppia elettrone-positrone.
(I valori dei energia sono indicativi)
Rivelare un raggio gamma = tradurre il suo arrivo in un segnale
elettrico misurabile
Rivelatori di raggi gamma
Semiconduttori
(Germanio)
Rivelatori a scintillazione
(LaBr3:Ce)
Scintillatori
Gli scintillatori sono cristalli che traducono l'arrivo dei raggi gamma
in luce visibile. Con la presenza di droganti nel reticolo cristallino,
gli elettroni eccitati possono passare dalla banda di conduzione alla
banda di valenza (stato fondamentale) attraverso diversi livelli
intermedi con emissione di fotoni visibili. Con l'utilizzo di
fotomoltiplicatori questi si traducono in segnale elettrico.
Componenti di un rivelatore a scintillazione:
es. del LaBr3 1.5” x 1.5” da noi studiato
Fotomoltiplicatore
Scintillatore
•
Struttura di un
fotomoltiplicatore:
Divisore di tensione
Come si preleva e si tratta il segnale corrispondente
alla rivelazione di un raggio gamma
Istogramma
Spettro di energia
da una sorgente di Co-60
Picchi di piena energia (Co-60)
Attivita'
interna
Backscattering
Fondo Compton
Analisi degli spettri gamma
Centroide (E keV)
FWHM
Dal fit gaussiano di un
picco nello spettro
gamma si ottengono:
-Centroide
-Larghezza a metà
altezza
-Area
I “fattori di merito”
- Risoluzione (FWHM/E);
- Efficienza assoluta e intrinseca (N fotoni rivelati/N fotoni emessi
dalla sorgente e N fotoni rivelati/ fotoni incidenti sul rivelatore);
- Linearita' del guadagno in funzione dell'energia;
- Rapporto picco su fondo (Areapicco/Areafondo)
Spettri analizzati per il test
661 keV
Cs-137
121 keV
Eu-152
244 keV
344 keV
778 keV
Co-60
1173 keV
1332 keV
1408 keV
Passaggi principali dell'analisi
Per diverse tensioni al fotomoltiplicatore:
1) Calibrazione lineare tra 344 keV e 1173 keV.
Calibrazione dello spettro
1400
1200
1000
HV=-900V
Linear Regression for HV=-900V
HV=-750V
Linear Regression for HV=-750V
HV=-1050V
Linear Regression for HV=1050V
E (keV)
800
600
400
200
0
0
500
1000
1500
E (canali)
2000
2500
3000
3500
2)Valutazione della linearita' dei guadagni in funzione dell'energia
Variazione di linearita' dei guadagni
10
0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
E lett - E exp [keV]
-10
HV=-750V
HV=-900V
HV=-1050V
-20
-30
-40
-50
Energia [keV]
3) Valutazione della risoluzione in funzione dell'energia
Variazione della Risoluzione
0.1
0.09
0.08
0.07
Risoluzione
0.06
HV=-750V
HV=-900V
HV=-1050V
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
0
0
200
400
600
800
Energia [keV]
1000
1200
1400
1600
4) Valutazione dell'efficienza in funzione dell'energia
Variazione dell'efficienza
4000
3500
3000
Area/Intensita'
2500
HV=-750V
HV=-1050V
HV=-900V
2000
1500
1000
500
0
0
200
400
600
800
Energia
[keV]
1000
1200
1400
1600
Rivelatori al Germanio (Ge)
Foto del Dimostratore di AGATA
Esempio di spettro gamma conseguente a
una reazione di fusione-evaporazione
Confronto spettri Cobalto-60
LaBr3
Ge
Confronto tra Ge e LaBr3:
1) Linearita'
LaBr3 (Ce) [-900 V]
0 .4
14
0 .3 5
12
0 .3
10
0 .2 5
8
0 .2
L in e a rita '
0 .1 5
0 .1
0 .0 5
0
1 0 0 0 1 50 0 2 0 0 0 2 50 0 3 0 0 0
E n erg ia [keV ]
E lett - E exp [keV]
E lett - E exp [keV]
Germanio
6
L in e a rit a '
4
2
0
­2
0
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
E n erg ia [keV ]
Confronto tra Ge e LaBr3:
2) Risoluzione
Germanio
LaBr3 (Ce) [-900 V]
0.0028
0.1
0.0026
0.09
0.08
0.0024
0.07
0.0020
Risoluzione E
0.0018
Risoluzione
Risoluzione
0.0022
0.06
0.05
Risoluzione E
0.04
0.03
0.02
0.0016
0.01
0.0014
0
0.0012
1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800
Energia [keV]
0
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
Energia [keV]
Conclusioni
- Abbiamo determinato le condizioni ottimali di
lavoro di un rivelatore a scintillazione LaBr3
confrontando i fattori di merito a diverse tensioni
applicate al fototubo.
- In tali condizioni abbiamo confrontato i risultati
con quelli di un rivelatore al Ge (cristalli di AGATA)
conludendo che quest'ultimo ha miglior
risoluzione e linearita'.
Spesso, pero', i rivelatori al LaBr3 forniscono
un'informazione complementare a quella dei
rivelatori al Ge
prossimi esperimenti con AGATA
