Lezione 16
Scintillatori
 Scintillatori inorganici
 Scintillatori organici
 Fibre
 Fotorivelatori
Rivelatori di Particelle
1
Lezione 16
Scintillatori
Il contatore a scintillazione è uno dei più vecchi apparati sperimentali usati per la
radiazione nucleare. Prima del contatore a scintillazione si usava l’occhio nudo,
osservando i flash di luce emessi quando le particelle colpivano uno schermo di
solfato di zinco.
Pare che la sensibilità dell’occhio umano aumenta con una tazza di buon caffè
(molto forte), possibilmente con l’aggiunta di una piccola dose di stricnina…!!!!
Dopo un lungo periodo di adattamento, l’occhio umano può vedere circa 15 fotoni
se emessi in un intervallo di tempo non superiore ad 1/10 di secondo e con
lunghezza d’onda pari a quella cui l’occhio umano e’ più sensibile (verde). 1/10 s e’
il tempo di persistenza dell’immagine sulla retina.
Henry&Baucels (J.Phys.Path.Gen. XIII (1911),841) affermano che è visibile ad
occhio nudo un deposito di energia di 3 eV corrispondente ad un singolo fotone nel
verde.
Rivelatori di Particelle
2
Lezione 16
Scintillatori
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)
Rivelatori di Particelle
3
Lezione 16
Scintillatori
Proprietà generali di uno scintillatore
Uno scintillatore consiste generalmente in un materiale scintillante
accoppiato otticamente ad un fotomoltiplicatore (PM) o direttamente o
tramite una guida di luce. Quando la particella passa attraverso lo
scintillatore eccita gli atomi e le molecole dello scintillatore  si emette
luce.
la luce viene trasmessa al PM e viene convertita in una debole corrente
di fotoelettroni, amplificata dai dinodi (altri elettrodi ) del PM. 
abbiamo un segnale in corrente facilmente rivelabile dall’elettronica
Rivelatori di Particelle
4
Lezione 16
Scintillatori
Lo scintillatore può fornire molte informazioni fra cui:
1.
Sensibile all’energia ( ~ lineare ed il PM è lineare)  il segnale di
uscita è proporzionale all’energia di eccitazione.  può essere usato
come spettrometro di energia (calorimetri, dE/dx etc.)
2.
Risposta temporale rapida  misura di tempi (tempo di volo, trigger,
etc.)
3.
Discriminazione fra varie particelle, studiando la forma dell’impulso di
uscita. Con alcuni tipi di scintillatore è possibile distinguere fra le
varie particelle, analizzando la forma dell’impulso di uscita. Questo a
causa di diversi meccanismi di eccitazione per particelle con diverso
potere ionizzante (a, n, g, etc.)
Rivelatori di Particelle
5
Lezione 16
Scintillatori
Gli scintillatori hanno proprietà note come luminescenza.
Materiali luminescenti assorbono energia e la riemettono
sotto forma di luce visibile.
Se l’emissione avviene subito dopo l’assorbimento (10-8 s) il
processo è chiamato fluorescenza. Se invece l’emissione è
ritardata (lo stato eccitato è metastabile) il processo si
chiama fosforescenza. In questo caso il tempo fra
l’assorbimento e la ri-emissione può durare dai ms alle ore
(dipende dal materiale).
Generalmente la componente veloce è quella che domina (e
che ci interessa)
Rivelatori di Particelle
6
Lezione 16
Scintillatori
Luce
tempo
In prima approssimazione l’evoluzione temporale del processo di riemissione può essere
descritto da una semplice legge esponenziale:
N
N0
d
e
 t
d
dove N è il numero di fotoni emessi al tempo t, td il tempo di decadimento ed N0 il numero
totale di fotoni emessi.
Il tempo di assorbimento dell’energia (eccitazione degli atomi e delle molecole) è in
generale molto più breve del tempo di ri-emissione (per semplicità l’abbiamo assunto
0).
Rivelatori di Particelle
7
Lezione 16
Scintillatori
Luce
totale
Componente veloce
Componente lenta
Tempo
Quasi tutti gli scintillatori hanno 2 componenti di ri-emissione, una veloce ed una
lenta (fluorescenza e fosforescenza) 
N  Ae
 t
tf
 Be
 t
ts
Generalmente la componente veloce è quella che domina (e che ci interessa)
Rivelatori di Particelle
8
Lezione 16
Scintillatori
Sebbene esistano molti materiali scintillanti non tutti sono adatti per
costruire apparati sperimentali. Un buon scintillatore (utilizzabile) deve
avere:
1.
2.
3.
4.
alta efficienza per convertire l’energia di eccitazione in
fluorescenza
trasparenza alla luce di fluorescenza in modo da poterla
trasmettere
emissione sulla lunghezza d’onda in cui funzionano i rivelatori di
luce (generalmente luce visibile)
una costante di tempo di decadimento  breve
Rivelatori di Particelle
9
Lezione 16
Scintillatori
Esistono 2 tipi di materiale scintillante:
 Scintillatori organici (poca luce, ma veloci)
 Scintillatori inorganici (molta luce, ma generalmente
lenti)
Esistono diversi meccanismi di scintillazione
(essenzialmente 3)
Rivelatori di Particelle
10
Lezione 16
Scintillatori inorganici
Scintillatori inorganici cristallini.
Sono scintillatori inorganici NaI, CsI, Bi4Ge3O12 (noto come BGO),
PbWO4, BaF2…
Il meccanismo di scintillazione negli scintillatori inorganici è
caratteristico della struttura a bande elettroniche che si trovano nei
cristalli.
Rivelatori di Particelle
11
Lezione 16
Scintillatori inorganici
Quando una particella entra in un cristallo possono
accadere 2 processi:
i.
si eccita un elettrone dalla banda di valenza in quella
di conduzione, creando così un elettrone ed una
lacuna liberi. (ionizzazione)
ii.
si crea un eccitone spostando un elettrone dalla
banda di valenza in quella degli eccitoni (posta
appena al di sotto della banda di conduzione). In
questo caso elettrone e lacuna rimangono legati, ma
possono muoversi liberamente (in coppia) nel
cristallo.(eccitazione)
conduction band
exciton
band
scintillation
(200-600nm)
excitation
quenching
luminescense
activation
centres
(impurities)
electron
traps
Se il cristallo contiene delle impurità (sono
necessarie), si possono creare localmente dei
livelli elettronici nella banda delle energie proibite.
Gli atomi di impurità sono chiamati centri
attivatori.
Eg
Se una lacuna libera od una lacuna di un eccitone
incontra uno di questi centri attivatori, può
ionizzare uno di questi atomi di impurità. Se ora
arriva un altro elettrone, questo cade nel buco
(lacuna) lasciato dalla ionizzazione precedente 
si emette luce ( se tale modo di diseccitazione è
permesso).
hole
valence band
Se la transizione avviene senza emissione di
radiazione (rapida) l’impurità diventa una trappola
e l’energia può essere persa in altri modi o con
tempi lunghi.
Spesso si hanno 2 costanti di tempo:

ricombinazione rapida dai centri di attivazione (ns-ms)

ricombinazione ritardata (trappole) (~100 ms)
Rivelatori di Particelle
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Lezione 16
Scintillatori inorganici
L’emissione di luce dai cristalli scintillanti dipende fortemente dalla
temperatura:
(From Harshaw catalog)
BGO
PbWO4
Rivelatori di Particelle
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Lezione 16
Scintillatori inorganici
Elementi nobili liquidi (LAr, LXe, LKr…)
excited
molecule
excitation
de-excitation and
dissociation
A
A2*
A*
A
collision
with g.s.
atoms
A
ionization
A+
A2+
A2*
ionized
molecule
recombination
UV
130nm (Ar)
150nm (Kr)
175nm (Xe)
eRivelatori di Particelle
14
Lezione 16
Scintillatori inorganici
La luce emessa è difficile da rivelare in quanto è
tendenzialmente emessa nell’ultravioletto:
 Ar
 Kr
 Xe
130 nm
150 nm
175 nm
Anche i gas nobili (ad alta pressione) possono scintillare.
Anche nel caso di gas nobili si hanno 2 costanti di tempo:
 rapida (pochi ns)
 lenta (100÷1000 ns)
ma con la medesima lunghezza d’onda.
Rivelatori di Particelle
15
Lezione 16
Scintillatori inorganici
scintillatore
densità
(g/cm3)
indice
rifrazione
lunghezza
d’onda
(nm)
costante di
tempo
(ms)
scintillaz.
(relativa
a NaI(Tl)
note
fotoni/MeV
NaI
3.67
1.78
303
0.06
190
NaI(Tl)
3.67
1.85
410
0.25
100
a 80 K
4x104
CsI
4.51
1.80
310
0.01
6
a 80 K
CsI(Tl)
4.51
1.80
565
1.0
45
a 80 K
1.1x104
6LiI(Eu)
4.06
1.96
470-485
1.4
35
a 80 K
1.4x104
BaF2
4.88
1.49
190/220
310
0.0006
0.63
5
15
6.5x103
2x103
Bi4Ge3O12
7.13
2.15
480
0.30
10
2.8x103
PbWO4
8.28
1.82
440,530
0.1
100
LAr
1.4
1.29
120-170
0.005/0.860
a 170 nm
LKr
2.41
1.40
120-170
0.002/0.085
a 170 nm
LXe
3.06
1.60
120-170
0.003/0.022
a 170 nm
Rivelatori di Particelle
4x104
16
Lezione 16
Scintillatori organici
Gli scintillatori organici sono dei composti di idrocarburi che
contengono delle strutture ad anello di benzene. In questi composti la
luce di scintillazione deriva da transizioni degli elettroni di valenza liberi
delle molecole.
Questi elettroni non sono associati ad un atomo particolare nella
molecola ed occupano gli orbitali molecolari p.
Rivelatori di Particelle
17
Lezione 16
Scintillatori organici
Molecular states
singlet states
S3
10 -11 s
degradazione interna
S2
S1
Scintillation is based on
the 2 p electrons of the
C-C bonds.
triplet states
nonradiative
T2
T1
phosohorescence
>10 -4 s
S0
Emitted light is in the UV
range.
Rivelatori di Particelle
18
Lezione 16
Scintillatori organici
L’energia rilasciata dalla particella eccita
sia i livelli elettronici che vibrazionali.
(Linee rosse tratteggiate)
Molecular states
singlet states
S3
10 -11 s
degradazione interna
S2
S1
triplet states
nonradiative
T2
T1
phosohorescence
>10 -4 s
S0
Le eccitazioni dello stato di singoletto
decadono in ≤10 ps senza emettere
radiazione (degradazione interna).
dallo stato S1 è facile decadere nello stato
fondamentale S0 con emissione di luce di
fluorescenza in 1÷ 10 ns.
Analogamente dallo stato di tripletto si
arriva tramite degradazione interna allo
stato T1 e poi si scende a T0 in maniera
complessa con emissione di luce di
fosforescenza (lenta > 10-4 s)
Rivelatori di Particelle
19
Lezione 16
Scintillatori organici
Gli scintillatori organici possono essere:
 Cristalli organici : i più comuni sono antracene e naftalene.
L’antracene è relativamente lento (30 ns), ma dà abbastanza
luce. Il naftalene è rapido, ma dà poca luce.
 Scintillatori liquidi e plastici: sono quelli più usati.
 Liquidi: sono soluzioni di 1 o più scintillatori organici disciolti in un
solvente organico. L’energia rilasciata dalla particella è, in
generale, assorbita dal solvente e poi rilasciata al soluto
(trasferimento rapido ed efficiente). Il soluto (o i soluti) funzionano
da wawe length shifter ovvero assorbono, ad esempio,
nell’ultravioletto ed emettono nel visibile.
 Plastici: sono del tutto analoghi agli scintillatori liquidi per il
funzionamento e la composizione (solvente e soluto/i), ma sono
solidi.
Rivelatori di Particelle
20
Lezione 16
Scintillatori organici
Solventi e soluti comunemente usati :
solvent
Liquid
Benzene
scintillators Toluene
Xylene
Plastic
Polyvinylbenzene
scintillators Polyvinyltoluene
Polystyrene
secondary
fluor
p-terphenyl
DPO
PBD
p-terphenyl
DPO
PBD
Rivelatori di Particelle
tertiary
fluor
POPOP
BBO
BPO
POPOP
TBP
BBO
DPS
21
Lezione 16
Scintillatori organici
Rappresentazione schematica del principio di wawe length shifting:
(C. Zorn, Instrumentation In
High Energy Physics, World
Scientific,1992)
Rivelatori di Particelle
22
Lezione 16
Scintillatori organici
I tempi di risposta degli scintillatori liquidi e plastici sono
brevi:
Liquidi : 3÷4 ns
Solidi : 2÷ 3 ns
Attenzione: gli scintillatori organici hanno basso Z (sono
H,C)  scarsa efficienza per rivelare g (praticamente solo
effetto Compton).
Ricordiamo infatti che l’effetto fotoelettrico va come Z5 e la produzione di coppie
come Z2, mentre l’effetto Compton è lineare in Z
Hanno invece alta efficienza per rivelare neutroni (reazioni
n+pn+p).
Rivelatori di Particelle
23
Lezione 16
Scintillatori organici
Proprietà di alcuni scintillatori organici
materiale
densità
(g/cm3)
n
l
(nm)

(ns)
scint. rel
antr
H/C
note
naphthalene
1.15
1.58
348
11
11
0.800
monocrist.
anthracene
1.25
1.59
448
30-32
100
0.714
monocrist.
NE 102 A
1.032
1.58
425
2.5
65
1.105
Nucl. Ent.
NE 104
1.032
1.58
405
1.8
68
1.100
Nucl. Ent.
NE 110
1.032
1.58
437
3.3
60
1.105
Nucl. Ent.
BC 412
1.032
1.58
434
3.3
60
1.104
Bicron
BC 414
1.032
1.58
392
1.8
68
1.110
Bicron
BC 416
1.032
1.58
434
4.0
50
1.110
Bicron
Rivelatori di Particelle
yeild/
NaI
0.5
24
Lezione 16
Scintillatori organici
La risposta degli scintillatori plastici non è lineare con la perdita di energia,ma vale la
formula empirica di Birk.
Luce emessa per unità di lunghezza
dL/dx
A  dE
dL
dx

dx 1  k B  dE
dx
J.B.Birks, Proc. Phys. Soc. A64,874 (1951)
Esistono anche altri modelli e parametrizzazioni
La luce è ridotta a causa della ricombinazione delle molecole eccitate  la non linearità
è proporzionale a dE/dx.
Per piccoli dE/dx è praticamente lineare.
Un altro effetto non totalmente capito è la dipendenza della luce di scintillazione dal campo magnetico.
(cresce al crescere di B di qualche %)
Rivelatori di Particelle
25
Lezione 16
Guide di luce
Lettura della luce di scintillazione.
Normalmente la luce di scintillazione viene letta tramite un fototubo. Bisogna quindi
adattare sia geometricamente che spettralmente la luce di scintillazione allo spettro
e dimensioni del PM.
 Guide di luce: la luce viene trasferita tramite riflessione totale. Gli indici di rifrazione
della guida e dello scintillatore sono praticamente uguali.
Rivelatori di Particelle
26
Lezione 16
Guide di luce
Trasmissione della luce attraverso guide di luce
Quando si accoppia uno scintillatore ad un fototubo la tentazione di
adattare uno scintillatore di grossa area ad un piccolo fototubo è
grande. In questo modo si risparmierebbe notevolmente (Ad
esempio usando come rivelatori dei fotodiodi che costano
pochissimo).
Ma qual è l’efficienza di trasmissione della luce?
L’efficienza di trasmissione della luce è limitata da:
 L’angolo di riflessione totale
 Conservazione dello spazio delle fasi (teorema di Liouville)
Rivelatori di Particelle
27
Lezione 16
Guide di luce
• Riflessione totale
Scintillatore
Dx1
a1
Guida
di
Luce
Q
f a2
Dx2
Fotomoltiplicatore
Per avere riflessione totale:
ne
sin Q 
n
ne=1 (aria)
n= indice rifr. guida
Se Q è l’angolo limite di riflessione totale, la luce arriva al
fototubo con un angolo massimo:
a2  p / 2  f  Q
Poiché il massimo angolo di riflessione nella guida di luce
è p/2, il minimo angolo dei raggi riflessi che arrivano al
fototubo è f, mentre i raggi diretti possono arrivare ad
angolo 0.
Rivelatori di Particelle
28
Lezione 16
Guide di luce
•
Scintillatore
Dx1
a1
Guida
di
Luce
Q
f a2
Dx2

Conservazione dello spazio delle fasi
Le traiettorie dei fotoni possono essere descritte come un punto nello spazio delle
fasi con coordinate x e p=nsin(a) (con n = indice di rifrazione del mezzo e a
divergenza angolare del fascio di luce.(*)
All’ingresso della guida di luce la dimensione trasversa è Dx1 e se a1 è l’angolo
massimo di un raggio di luce l’elemento di volume nello spazio delle fasi è:
Dx1Dp1=2Dx1nsina1
All’uscita della guida di luce l’elemento di volume è:
Dx2Dp2=2Dx2nsina2
ma per il teorema di Liouville:
Dx1Dp1=Dx2Dp2
Un angolo massimo di accettanza a2 all’uscita della guida comporta che solo raggi
con un angolo di entrata
sina1=(Dx2/Dx1)sina2
si possono propagare nella guida di luce.
Notiamo che anche nel caso che si abbia riflessione totale per tutti gli angoli (n=∞) una guida di luce con Dx1<< Dx2
comporta una notevole perdita di luce a causa del teorema di Liouville
Fotomoltiplicatore
(*) Ci limitiamo a due dimensioni per semplicità. Tradotto in 3 dimensioni la conservazione dello spazio delle fasi
significa che il flusso di fotoni per unità di area e per angolo solido unitario è costante
Rivelatori di Particelle
29
Lezione 16
Guide di luce
Scintillatore
Dx1
a1
Guida
di
Luce
Q
Abbiamo visto che la riflessione interna totale permette un angolo
massimo:
p
a2   f  Q
2
per cui:
p

sin a 2  sin   f  Q   cos(Q  f )  1  sin 2 (Q  f )
2

e nell’ipotesi che f<<Q:
f a2
Dx2
sin a 2  1  sin 2 Q  1 
1
n2
il massimo angolo di accettanza all’ingresso della guida
imposto dallo spazio delle fasi è:
Fotomoltiplicatore
sin a1 
Dx2
Dx2
sin a 2 
Dx1
Dx1
1
1
n2
Scintillatori e guide di luce hanno tipicamente n=1.5  sina1=0.75
Rivelatori di Particelle
30
Lezione 16
Guide di luce
 Barre di wavelength shifter (WLS)
Per grandi aree si usano sbarrette di BBQ, Y7, K27. Assorbono sui 400nm e
riemettono sui 500 nm. Hanno una lunghezza di assorbimento per lo spettro
emesso (~500nm) fino a 10 m.
Rivelatori di Particelle
31
Lezione 16
Guide di luce

Fibre (polistirene n=1.59)
Rivelatori di Particelle
32
Lezione 16
Guide di luce
Conviene usare un cladding (guaina) con l’indice di rifrazione il più
piccolo possibile per massimizzare la luce raccolta per riflessione totale.
Rivelatori di Particelle
33
Lezione 16
Guide di luce
Le fibre sono spesso usate per ragioni di geometria in calorimetri a sampling.
Rivelatori di Particelle
34
Lezione 16
Scintillatori e guide di luce
Calorimetro adronico di ATLAS
Calorimetro adronico costruito da
tegole di scintillatore (spesse 3mm)
messe in una struttura di ferro
(calorimetro a campionamento).
Il calorimetro è spesso 2m e lungo
11m (cilindro).
Le tegole di scintillatore sono lette da
entrambi i lati da delle fibre.
Rivelatori di Particelle
35
Lezione 16
Fibre scintillanti
Tracciamento con fibre scintillanti.

Molto flessibili

Elevata granularità

Bassa massa

Risposta rapida (ns) (se
l’elettronica di read out e’ veloce)
 usate come trigger di primo
livello
geometrie planari
(end cap)
geometrie circolari
(barrel)
Rivelatori di Particelle
36