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  hx
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)
hVis.
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