Σπινθηριστές Γ. Τσιπολίτης 1

Transcript

1 Σπινθηριστές 1

2 Σπινθηριστές Η λειτουργία των σπινθηριστών στηρίζεται στην ιδιότητα ορισμένων υλικών φωτεινότητας (luminescence) όταν εκτεθούν σε κάποια μορφή ενέργειας (φως, θερμότητα, ραδιενέργεια) να απορροφηθούν και να επανεκπέμπουν την ενέργεια υπό μορφή ορατών φωτονίων. Αν επανεκπομπή ενέργειας άμεσα (10-8 s) φθορισμός (fluorescence) Αν καθυστέρηση επανεκπομπής φωσφορισμός (phosphorescence) h H χρονική εξέλιξη της διαδικασίας επανεκπομπής περιγράφεται από: N N o τ d e t / τ d Ν = αριθμός φωτονίων που εκπέμπονται σε χρόνο t Ν ο = ολικός αριθμός εκπεμπομένων φωτονίων τ d = σταθερά αυτοδιέγερσης, δέ αντιστοιχεί στο χρόνο που απαιτείται για την εκπομπή 1-e -1 = 63% φωτονίων. 2

3 Σπινθηριστές θωράκιση σιδήρου από Β πεδίου (μ-μέταλλο-μεγάλη διαπερατότητα) Σπινθηριστής Βάση Τροφοδοσίας Φωτοπολλαπλασιαστής (PMT) Ακτινοβολία (εδώ, ακτίνες-γ) εναποθέτουν ενέργεια στο σπινθηριστή, προκαλούν μια περιοχή διέγερσης. Η αποδιέγερση δημιουργεί φωτόνια, τα οποία αφού κτυπούν τη φωτο-κάθοδο του ΦΠ δημιουργούν φωτο-ηλεκτρόνια. Τα φωτο-ηλεκτρόνια πολλαπλασιάζονται και δημιουργούν ένα παλμό ρεύματος στην άνοδο. 3

4 Σπινθηριστές 4

5 Σπινθηριστές Stokes shift Σπινθηριστής + ΦΠ+BT = ανιχνευτής intensity (a.u.) Πως δουλεύει; h ex h em wavelength (nm) απώλεια ενέργειας e.g. γ μετατροπή ενέργειας εκπομπή I(E) =I I - x 0 (E)e Energy Excitation Conduction band Conduction band band gap E g excit tation rad. emission Valence band exci itation rad. e mission Valence band 5

6 Σπινθηριστές Τα κατάλληλα υλικά σπινθηρισμού καλύπτουν τις παρακάτω απαιτήσεις: Υψηλή απόδοση μετατροπής της διεγείρουσας ενέργειας σε ακτινοβολία φθορισμού. ιαφάνεια στο ορατό φως. Εκπομπή του ορατού φωτός σε φασματική περιοχή που αντιστοιχεί στην περιοχή φασματικής απόκρισης του ΦΠ. Μικρή σταθερά αποδιέγερσης. δέ Χρησιμοποιούνται 6 τύποι υλικά: Οργανικοί κρύσταλλοι Οργανικά υγρά Πλαστικά υλικά Ανόργανοι κρύσταλλοι Αέρια Γυαλιά 6

7 Ανόργανοι Σπινθηριστές Συνήθως είναι αλκαλικές ανώσεις με αλογόνα που περιέχουν μικρή πρόσμιξη ενεργοποιητού. ΝαΙ + πρόσμιξη Θαλίου (Tl), CsI (Tl), CsF 2, CsI (Na), KI (Tl), LiI (Eu) Μη- Αλκαλικοί κρύσταλλοι: Βι 4 Ge 3 O 12 (BGO), BaF 2, ZnS(Ag), CaWO 4 Χρόνος απόκρισης: Αργός ~ 500 ns Βασικό μειονέκτημα: Υγροσκοπικότητα πλην τοy CsI(Tl) Φυσικές Ιδιότητες: Υψηλή πυκνότητα Ακτίνες-γ, ενεργά ηλεκτρόνια (κατάλληλοι για ανίχνευση) BGO: αποκτά ιδιαίτερο ενδιαφέρον φρ λόγω υψηλού Ζ και μεγαλύτερης απόδοσης για φωτοηλεκτρική μετατροπή των ακτίνων-γ. (3 με 5 φορές μεγαλύτερη απόδοση από NaI). ΒαF 2 : έχει μια ταχύτατη συνιστώσα φωτός στο υπεριώδες (UV) χρόνο αποδιέγερσης ~ 500 ps έξοδος φωτός χαμηλή. 7

8 Ανόργανοι Σπινθηριστές Ο πιο διαδεδομένος ανόργανος σπινθηριστής είναι το NaI(Tl). Οι ενεργειακές ζώνες σε ένα κρύσταλλο με προσμείξεις 8

9 Ανόργανοι Σπινθηριστές * Ισχυρή εξάρτηση της απόδοσης φωτός και της σταθεράς αποδιέγερσης από τη θερμοκρασία. * Bismuth germinate Bi 4 Ge 3 O 12 9

10 Απορρόφηση Φωτονίων YAP:Ce * Η ένταση, I, μιας δέσμης ακτίνων γ καθώς περνά ένα στόχο πάχους d d I I e μd 0 Lin near attenuatio on coefficient (cm -1 ) όπου µ οι 3 διαδικασίες: δ Photoel. Abs. Z 4 εως Z 5 Compton scatt. Z Pair production Z 2 Energy (MeV) * YAP (Yttrium Aluminium Provskite YAlO 3 ) crystals 10

11 Ανόργανοι Σπινθηριστές Scintillator composition Density (g/cm 3 ) Index of refraction Wavelength Decay time Scinti of max.em. Constant Pulse (nm) (µs) height 1) Notes NaI(Tl) ) CsI ) CsI(Tl) ) CaF 2 (Eu) BaF /220 0, BGO CdW PbWO CeF GSO LSO YAP ) Relative to NaI(Tl) in %; 2) Hygroscopic; 3) Water soluble 11

12 Κρύσταλλοι Αυτοί οι κρύσταλλοι παράγουν φως light! PWO CeF BaF 2 3 Κρύσταλλοι είναι τα υλικά για ηλεκτρομαγνητικά καλορίμετρα για να έχουμε ακρίβεια ρβ στις μετρήσεις PWO LuAP 12

13 ιαδικασία 3-βημάτων: Φωτοηλεκτρικό Φαινόμενο Τα απορροφούμενα μεταφέρουν ενέργεια στα ηλεκτρόνια (e) του υλικού. Ενεργειακά e διαχέονται στο υλικό χάνοντας μέρος της ενέργειάς τους. e φτάνουν στην επιφάνεια με αρκετή ενέργεια ώστε να ξεφύγουν Η ιδανική φωτοκάθοδος (PC) πρέπει να απορροφά όλα τα και να εκπέμπει όλα τα παραγόμενα e. Optical window Semi-transparent PC e - e - Vacuum e - Opaque PC Energy-band model in semi-conductor PC Substrate energy E h (Photonis) Photoemission threshold W ph Band gap E G E h W ph E G E A Electron affinity E A 13

14 Quantum Efficiency ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΑΠΟ ΟΣΗ (quantum efficiency) σε μήκος κύματος λ, που είναι ο αριθμός των φωτοηλεκτρονίων που εκπέμπονται από την φωτοκάθοδο με την πρόσπτωση ενός γ: αριθμός φωτοηλεκτρονίων ηλ ( ) % αριθμός φωτονίων στην κάθοδο 14

15 Quantum Efficiency Photon energy E (ev) GaAsP GaAs Ag-O-Cs CsTe (solar blind) Bialkali Multialkali lk li (Hamamatsu) Bialkali: SbKCs, SbRbCs Multialkali: SbNa 2 KCs (alkali metals have low work function) 15

16 Φωτοπολλαπλασιαστής (PMT) Anode Photo Cathode Dynodes G δ n G f gδ n f = ικανότητα συλλογής ηλεκτρ. από δυνόδους g = συντελ. μεταφοράς ηλεκτρ. δύνοδο-δύνοδο Photon-to-Electron Converting Photo-Cathode Dynodes με δευτερεύουσα εκπομπή ηλεκτρονίων Τυπική ενίσχυση Transient time spread 200 ps Ο συντελεστής δ αυξάνεται με την αύξηση του δυναμικού V d ανάμεσα στις δυνόδους: δ = k V d n 1/n Ολικό δυναμικό: V nv G b d k 16

17 Φωτοπολλαπλασιαστής (PMT) ευτερεύουσα εκπομπή: σχεδόν το ίδιο με το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Ένα ηλεκτρόνιο προσκρούει μεταφέρεται ενέργεια στα ηλεκτρόνια του υλικού της δευτερεύουσας εκπομπής έτσι ώστε ενας αριθμός από αυτά να ξεφεύγει. Μονωτές και ημιαγωγοί χρησιμοποιούνται γι αυτό το σκοπό. Υλικά που χρησιμοποιούνται είναι: Ag/Mg, Cu/Be και Cs/Sb. Επίσης χρησιμοποιούνται ηλεκτραρνητικά υλικά GaP. Χρόνος πτήσης ηλεκτρονίων από φωτοκάθοδο μέχρι 1 η δύνοδο ανεξάρτητος του σημείου παραγωγής. 17

18 Gain fluctuations of PMT s Mainly determined by the fluctuations of the number m( ) of secondary e s emitted from the dynodes; Poisson distribution: Standard deviation: P ( m) δ m δ δ e m! σ m δ 1 δ δ δ fluctuations dominated by 1 st dynode gain; t SE coefficient (Photonis) energy GaP(Cs) dynodes E A <0 SE coefficie ent (Photonis) CuBe dynodes E A >0 Counts 1 pe Noise (Photonis) Counts 1 pe 2 pe 3 pe (H. Houtermanns, NIM 112 (1973) 121) Pulse height E energy Pulse height 18

19 Φωτοπολλαπλασιαστής (PMT) διαιρέτης τάσης Απαιτήσεις: Σταθερότητα τάσης μεταξύ δυνόδων. Αποφυγή ή απόσβεση διακυμάνσεων τάσης. Ελάχιστο μαγνητικό πεδίο αποκλίνει τα ηλεκτρόνια από την τροχιά του μηδενίζεται το ρεύμα 19