contatori contano singoli fotoni di una certa energia rivelatori per raggi x scelta integratori...
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CONTATORI
contano singoli fotoni di una certa energia
RIVELATORI PER RAGGI X
Scelta
INTEGRATORI
generano segnali la cui ampiezza è proporzionale al flusso di fotoni
Tipo di misura Informazione
Flusso, energia, posizione, tempo, ...
Classificazione principale
Proprietà dei rivelatori
Intervallo di lunghezze d’onda
Efficienza di rivelazioneFrazione percentuale di fotoni che produce un segnale rivelabile rispettoal 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 quanticaNumero di portatori di carica/fotone
Intervallo dinamicointervallo di livelli di segnale entro il quale il rivelatore fornisce una risposta lineare
rapporto fra segnale di saturazione e segnale di rumore
Segnale di saturazioneintensità 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 noiseFluttuazioni statistiche del numero di di fotoni che raggiungono il rivelatore in un dato t
Dark noiseFluttuazioni statistiche di segnali in uscita che si generanoin assenza di radiazione incidente
Read-out noiseRumore introdotto dall’elettronica associata al rivelatore
Risoluzione in energia E/E
Risoluzione spaziale x/x
Risoluzione temporale t/t
CONTATORI INTEGRATORI
Caratteristiche principali
Rumore di letturaread out noise
Elevata dinamica
Sorgenti luminose
Caratteristiche principali
Nessun rumore di lettura
Limitata coun rate
Sorgenti deboli
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
Cu K
Cu29
NM
KL
Cu29
NM
KL
Cu K photon
Auger electron
Primary X-ray photon
Excited system
Cu29
NM
K L
e- photoelectron
Processo primario Processi secondari
eh f e
e0
e0
e
Ionizzazione
h 0 e
Fotoionizzazione
Processi di eccitazione ....
One-step processes
... e di rilassamento
Fluorescenza Effetto Auger
Multi-step processesTwo-step processes
Emissone secondaria
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
Gas
Anodo
Catodo
Finestra trasparente ai Raggi x
Rivelatori a gas: schema di principio
-+
h 0
+
-
Fotoelettrone di energia: bEhE 0
bE Energia di legame del fotoelettone
Ione positivo
Numero di coppie elettrone-ione prodotte: iV
EN
Potenziale di ionizzazione efficace, cioè un valor medio tra i potenziali di ionizzazione di più elettroni dello stesso atomo
iV
Un atomo può perdere più di un elettronePer 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 potenzialedi ionizzazione (eV)
Potenziale efficace di
ionizzazione (eV)
Numero medio di coppie di ioni per fotone X , N. (*)
Cu KE =
eV
Mo KE =
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
iV
(*) iV
EN Es.: He, N=8040/27.8 = 289
La tensione applicata agli elettrodi del rivelatore ne determina il funzionamentocome: Camera a ionizzazione, Contatore proporzionale o contatore Geiger
G = Fattore di amplificazione = Numero di elettroni N raccolti dall’anodo
Numero di elettroni N0 prodotti dal fotone
E
VN
N
NG i
0
G dipende dalla tensione applicata al rivelatore
G
1
10
105
1010
Zona attiva
G anello di guardiaA AnodoC catodoA
G
C
G
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 LeIn 1
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
I0 Intensità della radiazione incidente (ph/s)T trasmittanza della finestra efficienza di fotoionizzazione del gas (elettroni/ph) Sezione d’urto di assorbiment (cm2/g)
LeTIN 10
Nel caso il flusso di fotoni è completamente assorbito entro la camera
eTIeNi 0 (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
re
ae rrx
VE
ln
E campo elettrico alla distanza x dall’, V tensione applicata, re raggio del catodo cilindrico ra raggio del filo anodico
x
E
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 s
Effetto di carica spaziale
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
elettroni-
+E
anodo
Mobilities of various ions
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
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, XeQuenching 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’anodoUna miscela più conveniente è:90% Ar + 10% CO2
Contatori Geiger
Al crescere della tensione anodo-catodo la moltiplicazione a valanga divieneGeneralizzata.
Uno stesso elettrone può dar luogo a più moltiplicazioni a valangaGli 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 millevolte più intensi che nella regione proporzionale (1V contro 1 mV).
Tempo morto 200 s
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
AmlificatoreAnalizzatore
diimpulsi
ContatoreFotomoltiplicatore
H.V.Scintillatore
Fotocatodo
Contatori a scintillazione
Il fotone X di energia hviene assorbito dallo scintillatore
Dall’interazione vengono prodotti N fotoni visibili: N hx
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
Principio di funzionamento
Raggi X Luminescenza
Scintillatore
Materiale: NaI (Tl) scintillatore inorganico con impurezze
hVis. VB
CBLivelli
impurezze
Proprietà dello scintillatore
Buon coefficiente di assorbimento di Raggi XAlta efficienza dii conversioneTrasparenza alla propria fluorescenzaBuon accoppiamento ottico con il fototuboTempi di eccitazione brevi, alto flusso (ph/s)
NaI:Tl Soddisfa buona parte di queste richieste
Lo I è un buon assorbitore di raggi XPotenziale di ionizzazione: Vi 50 eV Fotoni visibili (blu): 4100 ǺTd tempo di decadimeno del processo 0.25 sDimensioni del cristallo: diametro 2.5 cm; spessore 2 ÷ 5 mmNaI è igroscopico, va tenuto sotto vuoto
Fotomoltiplicatore
Dinodo, doppia funzione di raccolta ed emissioneIl fototubo va schermato dalla luce visibile esterna e da campi magneticiI dinodi sono ricoperti di ossido di Be
Alcune caratteristiche di un contatore a scintillazione
Efficienza accoppiamentootticoFotoni fotocatodo 0.9
Efficienza del fotocatodofrazione di fotoni che produce 1 fotoelettrone0.1 – 0.9
Efficienza di raccolta del primo dinodoK = 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