Rivelatori di radiazione

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Lezione 8

Rivelatori di radiazione

Corso di Fisica nucleare e subnucleare Paolo Maestro

a.a. 2016/17

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Efficienza del rivelatore ε: è la probabilità che il rivelatore registri un certo tipo di radiazione che lo attraversa. E’ il rapporto tra il numero di eventi rivelati e le N particelle che incidono sul rivelatore (0 ≤ ε ≤ 1).

Risoluzione spaziale: è la precisione con cui viene misurata la posizione di una particella.

Risposta temporale: è legata al tempo intrinseco che il rivelatore impiega a formare un segnale elettronico dopo l’arrivo della radiazione.

La risoluzione temporale è la semilarghezza a metà altezza (FWHM) della distribuzione gaussiana della risposta temporale.

Il tempo morto: è il tempo che intercorre tra il passaggio di una particella e il momento in cui il rivelatore è pronto a registrare il passaggio di una particella successiva. Durante il tempo morto lo strumento non è sensibile.

Risoluzione energetica: è la capacità del rivelatore di distinguere due energie vicine. La risoluzione energetica è definita come la FWHM della distribuzione energetica per un segnale monocromatico di un certo tipo di radiazione.

Caratteristiche dei rivelatori

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Materiale scintillante: emette radiazione visibile o UV dopo l’assorbimento di radiazione ionizzante.

Caratteristiche di uno scintillatore:

Ø  Risposta lineare: intensità luce di fluorescenza proporzionale a energia della particella incidente.

Ø  Alta efficienza di conversione dell’energia incidente in fluorescenza

Ø  Trasparente ai fotoni prodotti.

Ø  Lunghezza d’onda della luce di fluorescenza accordata con sensibilità spettrale del fototubo.

•  I fotoni incidono sul fotocatodo à emissione di fotoelettroni per effetto fotoelettrico.

•  Fotoelettroni accelerati verso anodo da d.d.p.

positive applicate ai dinodi (catodo-anodo 100-1000 V) .

•  Moltiplicazione degli elettroni ad ogni dinodo.

Esempio: ogni e^- estrae 1 e^- dal dinodo (mult=2); 15 stadi di dinodi( N=15) ⇒ 2¹⁵ e^- da un fotoelettrone

•  Il segnale output del fotomoltiplicatore è un impulso in corrente di ampiezza proporzionale a energia depositata sul fotocatodo dai fotoni e quindi a energia della particella incidente.

Rivelatori a scintillazione

Incident Particle

Light photons

Photo-electrons

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n

_phot

∝ E

_dep

× Yield

n

_photoel

∝ n

_phot

× LC × QE n

_eleout

= n

_photoel

× mult

^N

∝ E

_dep

•  Yield dello scintillatore è il numero di fotoni prodotti per MeV di energia depositata dalla particella che lo attraversa.

•  LC=light collection efficiency

•  QE= efficienza quantica del PMT =

n. fotoelettroni emessi / n. fotoni incidenti QE è funzione di λ dei fotoni di scintillazione QE è 10-30% per comuni PMT

Spettri di emissione di scintillatori inorganici vs. curva di risposta di PMT

Numero di fotoni prodotti nello scintillatore Numero di fotoelettroni prodotti nel catodo Numero di elettroni all’uscita del fototubo

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Scintillatori

Uno scintillatore deve avere alto Light Yield e rapida emissione di luce (fluorescenza).

Scintillatori organici

Sono formati da composti aromatici contenenti strutture chimiche ad anello, come il benzene.

•  Cristalli organici (es: antracene, transtilbene)

•  Liquidi organici

•  Plastici (es. :polistirene, poliviniltoluene) Tempi di emissione luce fluorescenza ~ ns Yield organici < Yield inorganici

Scintillatori inorganici

•  Cristalli (es: NaI(Tl), CsI(Tl) , BGO)

•  Gassosi (es: Xenon, Kripton, Argon)

•  Vetri (es. : Silicati di Boro, Cerio attivato con Litio) Tempi di emissione luce fluorescenza ~ 100 ns Yield inorganici > Yield organici

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Proprietà di scintillatori inorganici

Energia per produrre 1 fotone di scintillazione: 10-100 eV

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Fotomoltiplicatori

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•  E’ costituita da un recipiente metallico contenente liquido scaldato subito al di sotto del suo punto di ebollizione e compresso.

•  Abbassando bruscamente la pressione, il liquido entra in una fase metastabile. Una particella carica che lo attraversa il liquido crea una traccia di ionizzazione intorno a cui il liquido vaporizza formando bolle,

•  Le bolle si espandono e possono essere fotografate ottenendo ricostruzione delle tracce, con risoluzione di µm

•  La densità delle bolle è proporzionale a dE/dx della particella.

•  Aumentando la pressione, le bolle scompaiono, e la camera è pronta per un nuovo evento.

•  Il campo magnetico incurva le tracce delle particelle cariche e ne permette la misura del momento.

Camera a bolle

Non più utilizzate da fine anni ’70.

Tempi di risposta lenti

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Camera BEBC (@ CERN dal 1973 al 1984) 3×10⁴ l di idrogeno liquido a -246°C e 5 atm Campo magnetico di 35.000 gauss

3000 km di pellicola prodotti.

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Rivelatori a gas

Una particella carica che deposita 1 MeV in un gas produce circa 30000 coppie e-ione w= 30 eV/coppia

•  Usano gas come elemento attivo

•  Le particelle cariche ionizzano il gas creando coppie elettrone-ione

•  Le coppie sono raccolte applicando un campo elettrico tra anodo e catodo

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Camera a ionizzazione: ionizzazione proporzionale a energia della radiazione primaria.

Contatore proporzionale: ionizzazione s e c o n d a r i a a v a l a n g a . C o r r e n t e amplificata fino a 10⁶. Proporzionale a energia radiazione primaria.

Contatore Geiger-Muller: tutti gli impulsi h a n n o l a s t e s s a a m p i e z z a indipendentemente da numero di coppie iniziali prodotte ⇒ Contatore (NO spettroscopia)

Regime di funzionamento dei rivelatori a gas

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Camere proporzionali a multifilo (MWPC)

•  Molti fili paralleli distanti ~mm

•  Ogni filo si comporta come rivelatore indipendente

•  Il segnale si forma sui fili più vicini a dove è passata la particella, dando informazione sulla sua posizione

Campo elettrico e superfici equipotenziali fra i cathode plane

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Time projection chamber (TPC)

Gli elettroni di ionizzazione primaria si muovono verso le endcap della camera.

Moltiplicazione degli e^- vicino ad anodi.

B // E. La diffusione ortogonale al campo è soppressa dal campo B.

Il tempo di arrivo degli elettroni (drift) sulle endcap à z σ_z=800 µm

MWPC con pad catodiche sulle endcap à coordinate x e y σ_rφ=150-200 µm

B

Elettrodo centrale (≈ -50kV) gas

Piano di lettura

Fili anodici Pad catodiche

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GEM (Gas Electron Multiplier)

•  GEM (inventate anni ‘90) sono costituite da sottile foglio plastico (kapton) ricoperto di rame e forato con fori di diametro 70 µm e passo ~150 µm

•  ddp ~ 400 V applicata fra I fogli di rame à Campo elettrico molto intenso in prossimità dei fori che innesca moltiplicazione a valanga di elettroni

•  Guadagni 10⁵ con tripla GEM

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•  In un semiconduttore, la separazione (gap) fra banda di valenza e banda di conduzione è ~ 1eV.

•  Per T>0, qualche elettrone di valenza può ricevere sufficiente energia termica da essere eccitato attraverso la band gap nella in banda di conduzione.

•  Gli elettroni saltati in banda di conduzione, lasciano buche nella banda di valenza che possono essere pensate come cariche positive (lacune, holes, h⁺)

•  In un semiconduttore intrinseco (Si, Ge) c’e’ bilanciamento fra elettroni e lacune

Rivelatori a semiconduttore

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•  I semiconduttori intrinseci possono essere drogati con piccole quantità di impurità per aumentarne la conduttività.

Drogaggio con:

- elementi donatori (V gruppo: P, As, Sb) à semiconduttori n-type, aumento di e^- - elementi accettori (III gruppo: Al, Ga, B) à semiconduttori p-type, aumento di h⁺

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Giunzione p-n

•  Diffusione iniziale di h⁺ nella regione n e di e^- nella regione p

•  Accumulo di carica spaziale + nella regione n, - nella regione p

•  Campo elettrico (potenziale di contatto) à la diffusione si arresta

•  Zona di svuotamento, regione di carica spaziale fissa, senza portatori liberi Giunzione p-n polarizzata inversamente (~100 V)

•  Lato p polarizzato negativamente attrae h⁺

•  Lato n polarizzato positivamente attrae e^-

•  à La zona di svuotamento aumenta

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La regione di svuotamento non ha portatori liberi di carica e funziona come camera a ionizzazione solida.

Interazione di radiazione nella regione di svuotamento

•  Particelle caricheà Ionizzazione à coppie e^- h⁺à Impulso elettrico

•  Fotoni à Fotoelettrico o Compton à elettroni secondari à coppie e^- h⁺à Impulso

N

_e−h⁺

= E w

Semiconduttori w~3 eV , Scintillatori w~100 eV , Gas w~30 eV w minore nei semiconduttori à maggiore risoluzione in energia

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•  Un tracciatore campiona la traiettoria delle particelle cariche, facendo misure multiple di dE/dx con rivelatori position-sensitive (es:

Si-strip, MWPC, TPC, GEM).

•  Se il tracciatore è immerso in un campo magnetico B, si determina anche il segno della carica q ed il momento p

•  I sistemi di tracciamento sono ottimizzati in modo da ridurre il più possibile la perdita di energia della particella.

¤B

Magnet

Tracking system +q, p -q, p

Tracciatori

p = qBR = zeBR

p[GeV ] = 3×10

⁸

×1.6 ×10

⁻¹⁹

1.6 ×10

⁻¹⁰

(J/GeV) z BR

p[GeV ] = 0.3z B[T ]R[m]

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•  Un calorimetro assorbe lo sciame e.m. o adronico prodotto dalla particella che vi incide

•  Il segnale misurato è la somma dei depositi di energia dei secondari carichi N à

•  La risoluzione energetica intrinseca (no effetti strumentali) è data da fluttuazione su N

•  Nei calorimetri adronici, è rilevante l’energia invisibile à Grandi fluttuazioni dell’energia, risoluzione energetica

electron

muon

π (or hadron)

1m

Fe calorimeter

Calorimetri

Calorimetri omogenei:

materiale assorbitore è anche attivo (cristalli BGO, PbWO) Misurano tutta l’energia depositata.

Calorimetri eterogenei: strati a l t e r n a t i d i m a t e r i a l e assorbitore (Pb, Fe, W) e materiale attivo (scintillatore) l’energia è campionata.

σ_E

S ∝ 1

N ∝ 1 E₀

S ∝ N ∝ E

₀

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Gli esperimenti ai collider sono costituiti da diversi strati di rivelatore disposti intorno al punto della beam pipe in cui avviene la collisione delle particelle.

Ogni rivelatore si basa sulle tecniche che abbiamo visto, ed è ottimizzato per la rivelazione di una particolare classe di particelle e la misura di una certa grandezza.

I rivelatori interni servono a tracciare le particelle con elevata risoluzione spaziale.

I rivelatori più esterni sono calorimetri e camere muoniche, ed hanno grande accettanza

Layered detectors

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È il più grande e potente a c c e l e r a t o r e d i p a r t i c e l l e costruito finora.

Si trova al CERN di Ginevra,

in un tunnel sotterraneo ed ha una circonferenza di 27 km.

Riesce ad accelerare protoni fino ad energie di 14 TeV.

LHC (Large Hadron Collider)

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CMS

LHCb ALICE

ATLAS

Rivelatori ai collider

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Layout di CMS

Layout di ATLAS

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Esempio di rivelazione di particelle in CMS

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Babar silicon vertex

CMS hadronic calorimeter

ATLAS calorimeter

CDF calorimeter wedge

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Babar silicon vertex

Tracciatore a GEM di TOTEM

Camera a fili di KLOE @ LNF

Babar vertex detector @ SLAC

CMS tracker

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MAGIC Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes

Sistema di due telescopi di diametro 17 m, per l’osservazione di raggi gamma da sorgenti galattiche ed extra-galattiche nel range di energi 30 GeV -100 TeV

Si trova nell’isola di La Palma (Canarie) a 2200 m s.l.m.

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Le camere dei telescopi consistono di 1039 fototubi di diametro 25.4 mm disposti in un cerchio di raggio 1 m.

Il campo di vista nel cielo è 3.5°.

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Super-Kamiokande neutrino observatory

Super-Kamiokande is the largest water Cherenkov detector.

Stainless-steel tank, 39.3 m diameter and 41.4 m tall, Filled with 50000 tons of ultra pure water.

About 13000 photo-multipliers.

Located at 1000 meter underground in the Kamioka-mine, Japan.

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Esempio di evento con due anelli Cherenkov

•  Scoperta delle oscillazioni dei neutrini: cui neutrini cambiano il loro tipo in volo.

•  Oscillazioni osservate con neutrini solari, atmosferici e prodotti ad acceleratore

•  Ricerca del decadimento del protone.

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ICECUBE neutrino observatory

@South Pole

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