contano singoli fotoni di

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RIVELATORI PER RAGGI X
Classificazione principale
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, ...
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Proprietà dei rivelatori
Intervallo di lunghezze donda
Efficienza di rivelazione Frazione percentuale di
fotoni che produce un segnale rivelabile
rispettoal numero totale di fotoni che entrano
nel rivelatoreRapporto 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 duscita (in un contatore
dipende dal tempo morto)
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Rumore (noise) Fluttuazioni del segnale rivelato
dipendenti da cause diverse, che impongono un
limite allintensità minima di fotoni rivelabile
Photon noiseFluttuazioni statistiche del numero
di di fotoni che raggiungono il rivelatore in un
dato Dt
Dark noiseFluttuazioni statistiche di segnali in
uscita che si generanoin assenza di radiazione
incidente
Read-out noiseRumore introdotto dallelettronica
associata al rivelatore
Risoluzione in energia DE/E
Risoluzione spaziale Dx/x
Risoluzione temporale Dt/t
4
Contatori proporzionali
5
(No Transcript)
6
(No Transcript)
7
Principio di funzionamento
Per energie E lt 50 K eV il processo primario su
cui si basano i rivelatori per raggi X è
lassorbimento
Processo primario
Processi secondari
e- photoelectron
Primary X-ray photon
Cu29
L
K
M
N
Excited system
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Processi di eccitazione ....
One-step processes
Fotoionizzazione
... e di rilassamento
Fluorescenza
Effetto Auger
Emissone secondaria
Multi-step processes
Two-step processes
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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
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Rivelatori a gas schema di principio
Finestra trasparente ai Raggi x
Gas
-

-

Anodo
Catodo
Fotoelettrone di energia
Energia di legame del fotoelettone
Ione positivo
Numero di coppie elettrone-ione prodotte
Potenziale di ionizzazione efficace, cioè un
valor medio tra i potenziali di ionizzazione di
più elettroni dello stesso atomo
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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 potenzialedi ionizzazione (eV) Potenziale efficace diionizzazione (eV) Numero medio di coppie di ioni per fotone X , N. () Numero medio di coppie di ioni per fotone X , N. ()
Gas del rivelatore Primo potenzialedi ionizzazione (eV) Potenziale efficace diionizzazione (eV) Cu Ka E 8040 eV Mo Ka 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
()
Es. He, N8040/27.8 289
12
La tensione applicata agli elettrodi del
rivelatore ne determina il funzionamentocome
Camera a ionizzazione, Contatore proporzionale o
contatore Geiger
1010
105
G
10
1
G dipende dalla tensione applicata al rivelatore
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G anello di guardiaA Anodo C catodo
G
G
A
C
L anello di guardia riduce le distorsioni del
campo elettrico ai confini della regione
attiva. Gli elettroni prodotti dala ionizzazione
vengono raccolti dallanodo.Gli ioni, che hanno
una mobilità molto minore di quella degli
elettroni vengono raccolti dallanodo
La scelta del gas e della finestra viene
ottimizzata in funzione dellintervallo di
lunghezze donda di operazione del rivelatore
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n numero di fotoni assorbiti dal gas
I Intensità della radiazione penetrata nel
rivelatore (ph/s)L lunghezza della camera (cm)r
densità del gas (g/cm3) s Sezione durto di
assorbiment (cm2/g)
N Numero di coppie elettroneione prodotte
I0 Intensità della radiazione incidente (ph/s)T
trasmittanza della finestrag efficienza di
fotoionizzazione del gas (elettroni/ph) s Sezione
durto di assorbiment (cm2/g)
Nel caso il flusso di fotoni è completamente
assorbito entro la camera
(A)
Queste relazioni sono valide in regime di camera
a ionizzazione
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Il segnale minimo rivelabile è limitato
dallamplificazione di corrente ed è dellordine
di 10-14 A (? 104 ph s-1)
Il flusso massimo rivelabile è limitato da
effetti di carica spaziale ed è dellordine di
1011 ph s-1 cm-3
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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
allenergia del fotone X
G ? 102 105
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Finestra
E
re
x
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
dellanodo farà sì che la maggior parte delle
moltiplicazioni a valanga avvenga vicino allanodo
Tempi di raccolta degli elettroni ? 0.1 0.2 ms
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Effetto di carica spaziale
Mobilities of various ions Mobilities of various ions 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
La localizzazione di una valanga può produrre
leffetto 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 dallanodo per cui si forma una
carica positiva attorno allanodo. Ciò modifica
il campo elettrico rendendo il diametro efficace
del filo più grande e riducendo così il guadagno
del gas
r.a.lewis_at_dl.ac.uk
19
Gas

• Il gas ha una doppia funzione
• Servire per la rivelazione
• Spegnere leffetto 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 sullanodo Una miscela più
conveniente è 90 Ar 10 CO2
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Contatori Geiger
Al crescere della tensione anodo-catodo la
moltiplicazione a valanga diviene Generalizzata.
Uno stesso elettrone può dar luogo a più
moltiplicazioni a valangaGli stessi ioni
acquistano sufficiente energia da produrre
radiazione U.V. nellimpatto con il
catodo. Quando gli elettroni urtano contro
lanodo causano lemissione di raggi X di bassa
energia ed elettroni secondari. Ques ti danno
vita a nuove valanghe. Perdita di
proporzionalità fra segnale duscita 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 ms
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Rivelatori a gas sensibili alla posizione
La valanga sullanodo 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 unaccuratezza sulla scala dei tempi
dellordine dei ns. Si misurano rates of 106
conteggi/s/mm2
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Contatori a scintillazione
Fotocatodo
Analizzatore di impulsi
Amlificatore
Contatore
Fotomoltiplicatore
H.V.
Scintillatore
Principio di funzionamento
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Scintillatore
Raggi X
Luminescenza
Materiale NaI (Tl) scintillatore inorganico con
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)
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NaITl 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 ? 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
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Fotomoltiplicatore
Dinodo, doppia funzione di raccolta ed
emissione Il fototubo va schermato dalla luce
visibile esterna e da campi magneticiI dinodi
sono ricoperti di ossido di Be
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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 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