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CONTATORI
contano singoli fotoni di una certa energia
DETECTOR 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
Rivelatori integratori
non misuriamo il singolo impulso, quindi non abbiamo una risoluzione energetica, ma misuriamo una corrente
• Viene misurata la corrente mediata su un tempo caratteristico T (0.1 – 0.5 s):
Rivelatori contatori• Viene rivelato il singolo impulso
• Se = RC (tempo di scarica del circuito RC) >> tc (tempo tipico di produzione della carica) l’andamento della tensione V(t) sarà:
Posso fare un’istogramma delle varie ampiezze degli impulsi Spettro in energia
Principio di funzionamento
Per energie E < 50 KeV il processo primario su cui si basano i detector 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
Assorbimento in un un gas coppie ioni + elettroni
Assorbimento in un semiconduttore coppie elettroni + lacune
Assorbimento in un materiale scintillatore fotoelettrone da un fotocatodo
Processi primari in tre tipi di detector
Rivelatori a gas
Gas
Anodo
Catodo
Finestra trasparente ai Raggi x
-+
h 0
+
-
Fotoelettrone di energia: bEhE 0
bE Energia di legame del fotoelettone
Ione positivo
Schema di principio
Questi dispositivi sono stati tra i primi utilizzati per la rivelazione di particelle.Essi sfruttano la ionizzazione prodotta dal passaggio di un fotone in un gas;in tale processo un elettrone viene rimosso da un atomo o da una molecola in modo da creare una coppia elettrone - ione positivo.
Rivelatori a gas
Gas
Anodo
Catodo
Finestra trasparente ai Raggi x
-+
h 0
+
-
Fotoelettrone di energia: bEhE 0
bE Energia di legame del fotoelettone
Ione positivo
Un gas è un mezzo naturale per la raccolta della ionizzazione provocata dalla radiazione, grazie
alla grande mobilità che in esso hanno ioni ed elettroni.
Esistono diverse configurazioni per i rivelatori a gas, ma in ogni caso essi sono costituiti da un contenitore
riempito con un gas facilmente ionizzabile, e poi vi sono almeno altri due componenti: un catodo e un
anodo.
Gas
Anodo
Catodo
Finestra trasparente ai Raggi x
-+
h 0
+
-
Fotoelettrone di energia: bEhE 0
bE Energia di legame del fotoelettone
Ione positivo
Il numero medio di coppie create è proporzionale all'energia depositata dal fotone X.
Sotto l'azione del campo elettrico, gli elettroni vengono accelerati verso l'anodo e gli ioni verso il catodo.
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
Rivelatori a gas
Il segnale in uscita dipende dal potenziale applicato
Nella regione A non tutte le cariche prodotte vengono raccolte in quanto, a causa del piccolo
valore del campo elettrico, il processo di ricombinazione delle varie coppie ione-elettrone è
notevole.
E>E
A anodoC catodo
Rivelatori a gas
Nella regione B, chiamata regione di saturazione o camera a ionizzazione, gli effetti della
ricombinazione diventano trascurabili e la carica raccolta è tutta quella prodotta.
Gli elettroni vengono raccolti dall’anodo; gli ioni, che hanno una mobilità molto minore, vengono raccolti
al catodo.
La camera di ionizzazione è usualmente utilizzata come integratore: si misura la corrente generata.
E>E
A anodoC catodo
Rivelatori a gas
Nelle regioni C e D il campo elettrico è sufficientemente intenso da far acquistare agli elettroni
primari prodotti energia cinetica sufficiente a ionizzare gli atomi del gas producendo una
moltiplicazione a valanga di ioni.
La ionizzazione secondaria è ancora strettamente dipendente da quella primaria ed è in questa regione che lavorano i contatori proporzionali.
E>E
A anodoC catodo
Rivelatori a gas
Nella regione E, detta di Geiger-Muller, la carica raccolta non è più proporzionale alla ionizzazione primaria.
Nella regione F non è più possibile nessun tipo di rivelazione: l'impulso in uscita non dipende più dalla radiazione incidente, poiché avviene una scarica in presenza o meno di radiazione.
E>E
A anodoC catodo
Rivelatori a gas
Contatori Geiger-Müller
Operano nella regione E della curva segnale d'uscita-potenziale in un rivelatore a gas.
Al crescere della tensione anodo-catodo la moltiplicazione a valanga diviene generalizzata e non dipende più dall’energia del fotone assorbito.
Basta una sola coppia primaria per dar luogo ad una scarica a valanga completa e quindi l'ampiezza dell'impulso in uscita non è più una misura della ionizzazione primaria: in questi dispositivi la carica raccolta è indipendente dalla ionizzazione primaria.
Infatti oltre alla ionizzazione si hanno fenomeni quali l'eccitazione seguita da emissione di luce visibile e ultravioletta. Una piccola parte di tali fotoni dà luogo ad emissione di fotoelettroni che generano nuova ionizzazione, tramite il processo della moltiplicazione a valanga.
Un contatore Geiger può essere utilizzato come contatore di radiazione e non in esperimenti di spettroscopia.
Rivelatori a gas
Gli scintillatoriAlcuni materiali presentano la proprietà conosciuta come luminescenza.
Questo fenomeno consiste nell'assorbimento dell'energia di una radiazione e nella riemissione di questa sotto forma di luce visibile.
L'emissione di luce avviene dopo un tempo caratteristico tc dall'assorbimento della radiazione;
In particolare se il processo cessa al cessare della causa eccitatrice, cioè tra assorbimento e riemissione c'è solo l'intervallo di tempo necessario per la transizione atomica (tc< 10-8s) il processo viene chiamato fluorescenza;
se invece lo stato di eccitazione è metastabile, la luminescenza persiste, cioè la riemissione è ritardata e in tal caso il processo è detto fosforescenza.
scintillatori
Nei contatori di scintillazioni vengono contati i fotoni emessi da alcune sostanze luminescenti, come i cristalli di NaI contenenti piccole quantità di Tallio (1-3 %) eccitati per bombardamento con raggi X.
NaI(Tl)
Tl è un drogante che crea i “Centri di colore” in cui e- e h+ si ricombinano
E=hv
Tl
Vis
scintillatori
La struttura regolare del cristallo NaI forma delle
bande energetiche separate da una banda
proibita.
VB, banda di valenza (l'ultima banda occupata)
CB banda di conduzione (la prima banda vuota)
"band gap“: Ec – Ev
I fotoni X da rivelare cedono energia ali elettroni
che vengono eccitati passando dalla banda di
valenza a quella di conduzione, formando una
coppia elettrone-lacuna.
Con l’aggiunta di “impurità” (Tallio) la struttura a
banda è modificata perché si formano livelli
energetici nella banda proibita del cristallo, che
rappresentano dei centri di attivazione dove c’è la
maggiore probabilità di ricombinazione tra le
lacune nella banda di valenza e gli elettroni nella
banda di conduzione.
SENZA IMPURITA’ NON CI SAREBBE
LUMINESCENZA
Un rivelatore a scintillazione è costituito da un cristallo scintillatore, generalmente a forma di cilindro, con una delle basi rivolta verso il catodo di un fotomoltiplicatore. Il numero di fotoni raccolti dal fotomoltiplicatore, trasformati in impulsi elettrici, amplificati e conteggiati, è proporzionale all’energia delle radiazioni incidenti.
scintillatori
I fotomoltiplicatori sono dei dispositivi capaci di convertire un segnale luminoso in un segnale elettrico.
Costituenti del fotomoltiplicatore: 1. fotocatodo 2. moltiplicatore di elettroni
scintillatori
Il fotocatodo converte la
luce incidente in
corrente di elettroni
sfruttando l'effetto
fotoelettrico.
Esso è costituito da una
sostanza fotoemittente
depositata in
sottilissimo strato sulla
parete interna della
finestra di ingresso del
fotomoltiplicatore.
L'efficienza di
conversione fotoelettrica
varia fortemente con la
frequenza della luce
incidente e con la
struttura del materiale
Moltiplicatore di elettroni viene posizionato subito dopo il fotocatodo e ha la funzione di amplificare la debole fotocorrente da questo proveniente, in modo tale da ottenere all'anodo una corrente misurabile. Esso è costituito da una serie di elettrodi, mantenuti a diverso potenziale in modo da accelerare e guidare gli elettroni lungo il moltiplicatore; tali elettrodi sono chiamati dinodi ed è in essi che avviene l'emissione secondaria di elettroni. Il guadagno che si ha in ciascun elettrodo è conosciuto come fattore di emissione secondaria, d.
scintillatori
