Rivelatori basati su scintillatori
Il passaggio di particelle/radiazioni
produce in certi materiali
(scintillatori) l’emissione di luce di
scintillazione, che opportunamente
raccolta, può dare informazioni sulle
caratteristiche delle particelle che
hanno interagito con il materiale.
Proprietà ideali di uno scintillatore
● Alta efficienza di scintillazione (conversione in luce
dell’energia depositata con resa – fotoni/MeV - elevata)
● Resa in luce proporzionale all’energia depositata
● Spettro della luce di scintillazione adatto ad essere rivelato
da opportuni fotosensori
● Trasparenza alla luce emessa (lunghezza di assorbimento
elevata)
● Risposta veloce (tempi di decadimento piccoli)
● Indice di rifrazione simile a quello del vetro (1.5)
Esistono svariati tipi di scintillatori, ognuno dei quali presenta
una o più di queste caratteristiche
Il processo di scintillazione
● Fluorescenza: emissione pronta di
luce visibile da parte di atomi
eccitati
● Fosforescenza: emissione di luce
con tempi caratteristici più grandi, e
spettro di emissione con lunghezze
d’onda maggiori
● Fluorescenza ritardata: emissione
con tempi caratteristici ancora
maggiori ma lunghezze d’onda simili a
quelle della fluorescenza
Tempi caratteristici:
Fluorescenza: 1-100 ns
Fosforescenza: ms - s
Tipologie di scintillatori
Esistono diverse categorie di scintillatori:
● Scintillatori organici (a base di C,H,O)
Cristalli organici puri
Liquidi organici
Scintillatori plastici
● Scintillatori inorganici
Cristalli inorganici
Scintillatori a vetro (SiO2 + altro)
Scintillatori a gas
Processo di scintillazione negli
scintillatori organici
L’assorbimento di radiazione
induce una transizione dallo
stato S00 ad uno degli stati
S1, S2, S3,..
Mediante conversione
interna – senza radiazione –
dagli stati S2, S3,.. si arriva a
popolare lo stato S1.
La fluorescenza pronta è
l’emissione corrispondente
alla transizione dallo stato S1
a uno degli stati vibrazionali
di S0
Spettri di emissione e assorbimento
Ogni materiale ha uno spettro
caratteristico di emissione.
A causa della struttura dei livelli,
spettro di assorbimento e spettro
di emissione sono spostati, per cui
il materiale è circa trasparente
alla luce emessa da se stesso.
Un tipico spettro di
emissione di uno
scintillatore plastico
Processo di scintillazione negli
scintillatori inorganici
Drogaggio con
attivatori aventi
livelli nella banda
“proibita”
Spettri di emissione
Spettri di emissione tipici di alcuni scintillatori
inorganici
Esempi di scintillatori inorganici
Risposta in luce
Solo una frazione della energia
depositata in uno scintillatore è
convertita in luce; il resto dà luogo
a processi non radiativi.
Questa frazione dell’energia
depositata è costante con l’energia
e con il tipo di particella?
NO!
Ad esempio, per uno scintillatore
plastico (NE-102) la risposta in luce
per protoni è circa 10 volte minore
che per gli elettroni.
Inoltre, la risposta in luce non è del
tutto lineare con l’energia.
Relazione di Birks
dL/dx
Risposta in luce
dE/dx
Energia depositata
In assenza di effetti secondari (quenching) dovrebbe essere:
dL/dx = S dE/dx
Si assume comunemente (legge di Birks) che lungo una traccia
con alta densità dE/dx diminuisca l’efficienza di scintillazione
(quenching), a causa del danneggiamento delle molecole.
Questo porta ad una relazione:
KB = parametro ricavato dai dati
dE
S
dL
dx

dx 1  kB dE
dx
Risposta temporale
Il profilo temporale di un impulso di
luce in uno scintillatore può avere
tempi di salita e tempi di discesa tra i
ns e le centinaia di ns, a seconda dello
scintillatore.
Un segnale da uno
scintillatore
(LYSO). Base dei
tempi: 50 ns
La raccolta della luce/1
La luce prodotta nello scintillatore lungo la traccia è
emessa isotropicamente. Essa deve essere raccolta e
misurata da un opportuno fotosensore.
La raccolta della luce/2
La luce prodotta nello scintillatore lungo la traccia è
emessa isotropicamente. Essa deve essere raccolta e
misurata da un opportuno fotosensore.
Fotosensore
Per fare questo lo scintillatore si riveste da tutti i
lati (escluso il lato del fotosensore) di materiale
riflettente.
I fotoni di scintillazione possono essere riflessi dalle
pareti fino a raggiungere il fotosensore.
La raccolta della luce/3
Quali processi avvengono per i fotoni di scintillazione?
Fotosensore
Assorbimento nel materiale (Self-absorption)
I = I0 exp(-x/L), L=attenuation length
Assorbimento nelle pareti (parzialmente riflettenti)
Coefficiente di riflettività
La raccolta della luce/4
Esempio di riflessione “speculare”
Fotosensore
Alle pareti si può avere riflessione “diffusa” (ad
esempio con uno strato bianco opaco di Teflon,
vernice,…) oppure “speculare” (ad esempio con uno
strato di alluminio sottile)
La raccolta della luce/4
La superficie inoltre può essere
liscia o “rugosa”
Fotosensore
Un esercizio di simulazione
La risoluzione temporale in volumi grandi dipende
anche dalla dispersione delle distanze percorse dai
fotoni prima di arrivare al fotosensore.
Dato un volume 2D (un rettangolo), estrarre un punto
a caso, uniformemente distribuito dentro l’area del
rettangolo, una direzione casuale (tra 0 e 360°) e
propagare un raggio luminoso (v=c) facendolo
riflettere specularmente sulle pareti, finché non
arriva sul fotosensore.
Calcolare in ciascun evento la lunghezza della
traccia e costruirne la distribuzione.
Simulazioni “professionali”/1
Il fenomeno della
raccolta della luce
in scintillatori è
oggetto di
simulazioni
professionali
(esempio: codice
GEANT4), che
tengono conto di
diversi fattori:
Simulazioni professionali/2
Ad esempio:
La riflettività da parte della
superficie alluminizzata può
essere considerata come
dipendente dalla lunghezza
d’onda, anziché costante.
Simulazioni professionali/3
Tipici risultati:
Esempio: il
trasporto dei
fotoni ottici di
scintillazione in
uno scintillatore
a forma di barra
di grandi
dimensioni (1 m)
N. di fotoni capaci di
arrivare ad una data
distanza dal punto di
emissione, per diverse
condizioni della superficie
Guide di luce
Quando le dimensioni dello scintillatore non si
adattano bene a quelle del fotosensore, si
impiega una guida di luce (ad esempio in plexiglas)
Devono essere sagomate in modo da convogliare
quanta più luce possibile da un’estremità all’altra.
La frazione di luce max raccolta è pari al
rapporto delle superfici
F = Afotosensore / Ascintillatore
Scintillatore
Guida di luce
Fotosensore
Fibre WLS
Una tecnica diversa, per raccogliere la luce di
scintillazione in rivelatori lunghi, è quella di
usare fibre WLS (WaveLenght Shifter),
immerse nello scintillatore.
Esse assorbono la luce di scintillazione, la
riemettono a lunghezze d’onda spostate (più
adatte al tipo di fotosensore impiegato) e la
trasportano come delle fibre ottiche, con
bassa attenuazione.
Rivelatori basati su scintillatori
Rivelatori per la fisica nucleare e astroparticellare
Calorimetri elettromagnetici e adronici
Rivelatori per raggi cosmici
….
Rivelatori per la fisica applicata
Analisi elementale
X-ray fluorescent analysis
…..
Rivelatori per applicazioni mediche
Un esempio di applicazione: la PET
Tra i tanti esempi di impiego di scintillatori in
campi diversi dalla fisica nucleare/particellare, la
PET = Positron Emission Tomography
Scint #2
Scint #1
Sorgente di 22Na
(2 fotoni da 511 keV
emessi a 180°)