1

ScintilaceJedna z nejstarších detekčníchmetod (Rutherford a ZnS)

• scintilace - puls světla krátce po průchodu částice• fluorescence – světelný puls krátce (< 10 ns) po absorpciγ – kvanta

• fosforescence – emise světla, ale molekuly v metastabilním stavu a emise může být velmi opožděná

Co zachytí oko? Pokud během 1/10 s nejméně 15 fotonů.

2

Scintilace (2)Scintilátory jsou mnohaúčelové detektory

• kalorimetrie• měření doby letu (time of flight TOF)• dráhové detektory – optická vlákna• triggerový detektor• veto detektor

Dva druhy materiálu: anorganické a organické scintilátory

scintiluje celá krystalická mřížka,vysoký světelný výtěžek

ale pomalé

proces na úrovni molekuly,menší světelný výtěžek

ale rychlé

3

Anorganické scintilátory

5-10 eV

deex

cita

ce B

EZ

záře

níčasto více než 2 čas.konstanty:• rychlá rekombinace (ns-µs)

z aktivačních center• opožděná rekombinace daná

uvíznutím v pastích (∼100 ms)

Díky vysoké hustotě a velkému Z, anorganické scintilátory jsou velmi vhodné pro detekci nabitých částic,ale také proγ kvanta.

Vodivé pásy v krystalech, Vodivé pásy v krystalech, důsledek interakcí mezi atomy.důsledek interakcí mezi atomy.Nečistoty v krystaluNečistoty v krystalu→→aktivačníaktivačnícentra v „zakázané oblasti“centra v „zakázané oblasti“

4

Anorganické scintilátory (2)

NaI(Tl), CsI(Tl), BGOSvětelný výtěžek anorganických krystalů vykazuje velkouzávislost na teplotěAnorganické krystaly jsou velmi citlivé na cokoliv: magneticképole, teplotu.Průzračnost je závislá na čase (degradace slunečním zářením),radiační poškození!!

5

Tekuté vzácné plyny

Také zde nalezneme 2 časové konstanty: několik ns a 100-1000 ns, ale se stejnou vlnovou délkou. Vhodné pro detekci α-částic (jiné scintilátory málo fotonů).

Problémem je reabsorpce v materiálu < 1m

6

Organické scintilátory (1)Monokrystaly, tekutiny nebo plastické látky

Excitace → většina energie =teplo a vibrace, zbytek (∼3.5-7.5%)scintilace, řádově nanosekundy

Emitované světlo je v UV oblasti

Monokrystaly: naftalen, antracen,p-terphenyl

Tekuté a plastické scintilátory: skládají se z rozpouštědla + sekundárních(a terciálních) fluorescentů jako posunovačů vlnové délky (wavelength shifter)

Fosforescence Fosforescence –– řádově milisekundyřádově milisekundy

7

Organické scintilátory (2)

Příměsi:→ posunují emisi do delších vlnových délek→ delší absorpční délka a efektivnější čtecí zařízení

8

Organické scintilátory (3)

Po namíchání komponent se plastické scintilátory vyrábějí komplexnípolymerizací

Organické scintilátory mají malé Z (většinou H,C). Mají malou detekční efektivitu pro γ (prakticky jen Comptonův jev).Mají ale vysokou detekční efektivitu pro neutrony (přes (n,p) reakce).

9

Čtecí zařízení (readout)

primary particle

• vlnový posunovač – wavelength shifter (WLS)

• vodiče světla: přenos pomocí totální vnitřní reflexe

λλ<400nm <400nm →→ λλ>400nm,>400nm,lepší efektivita detekce,lepší efektivita detekce,bbohuohužel i pomalejší signálžel i pomalejší signál

10

Optická vlákna (1)

11

Optická vlákna (2)

12

Readout scintilátorů

Readout scintilátoru s vláknem

13

Scintilační vlákna (1)

• vysoká geometrická flexibilita• jemná granularita• malá hmotnost• rychlá odezva (ns)→ trigger 1.úrovně

14

Dráhový detektor z opt.vláken (1)

15

Dráhový detektor z opt.vláken (2)

16

Římské hrnce – H1 exp.(1)Difrakce: proton se odchýlí jen málo od svého původníhoDifrakce: proton se odchýlí jen málo od svého původního

směru letu, musí se detekovat velmi blízkosměru letu, musí se detekovat velmi blízkosvazkové trubicesvazkové trubice

Římské hrnce Římské hrnce –– označí a měří proton v interakci epoznačí a měří proton v interakci ep→→epXepX

17

Římské hrnce (2)

Římské hrnce se zasouvají do blízkosti svazku ve chvíli, kdyžŘímské hrnce se zasouvají do blízkosti svazku ve chvíli, kdyžuž jsou svazky stabilizovány (jinak nebezpečí radiačníhouž jsou svazky stabilizovány (jinak nebezpečí radiačníhopoškození).poškození).

18

Římské hrnce (3)

•• 2 stanice, každá se 2 detektory se2 stanice, každá se 2 detektory sescintilačním vláknyscintilačním vlákny

•• každý detektor měří ukaždý detektor měří u-- a va v-- souřadnicisouřadnici

5 vláken/1 vodič světla 5 vláken/1 vodič světla →→ 8.2 fotoelektronů8.2 fotoelektronů→→ 99.4% účinnost detekce99.4% účinnost detekce

19

FotodetektoryÚčel:Účel: Konverze světla na detekovatelný elektronický signál.Konverze světla na detekovatelný elektronický signál.V HEP jsme obvykle zainteresováni na viditelném a UV V HEP jsme obvykle zainteresováni na viditelném a UV spektru.spektru.Standardní požadavek:Standardní požadavek:•• vysoká citlivost, obvykle se vyjádří jako kvantová efektivita:vysoká citlivost, obvykle se vyjádří jako kvantová efektivita:

Práh pro některé fotosensitivní materiály:Práh pro některé fotosensitivní materiály:photonsep NNEQ /.. ..=

20

Fotonásobiče

•• fotoemise z fotokatodyfotoemise z fotokatody•• sekundární emise s dynodsekundární emise s dynod

„gain“„gain“ g=3g=3--5050Celkový „gain“Celkový „gain“:: ∏

=

=N

iigM

1

10 dynod s g=4, M=410 dynod s g=4, M=4¹º¹º≈≈1010⁶⁶

PMT‘s jsou velmiPMT‘s jsou velmicitlivé na mg,pole,citlivé na mg,pole,dokonce na mg.pole Zemědokonce na mg.pole Země3030--6060µµT T →→ stínění stínění

materiálem s velkým materiálem s velkým µµ

21

PMTPMTθθcc

Kolik fotonů vznikne v tomto scintilátoru s d=0.5cm,Kolik fotonů vznikne v tomto scintilátoru s d=0.5cm,když jím proletí MIP částice a kolik se dostane do PMT?když jím proletí MIP částice a kolik se dostane do PMT?

částice částice

PříkladScintilátorScintilátor (polystyren, n=1.58, (polystyren, n=1.58, ρρ=1g/cm=1g/cm33,,ττ=2.5ns, =2.5ns, λλmaxmax=4250=4250ÅÅ, (dE/dx), (dE/dx)minmin=1.94MeVcm=1.94MeVcm22/g/g=1.94MeV/cm)0.5cm0.5cm =1.94MeV/cm)

Jaká je pravděpodobnost,že nezaregistrujeme Jaká je pravděpodobnost,že nezaregistrujeme žádný signál v PMTžádný signál v PMT? (Na každých ? (Na každých 3keV energie deponované ionizací vznikne průměrně 1 scintilační 3keV energie deponované ionizací vznikne průměrně 1 scintilační foton).foton).

(dE/dx)(dE/dx)minmin//<<εε>>==19401940··101033/3/3··101033==646646 fotonů vznikne na 1cm dráhyfotonů vznikne na 1cm dráhy, na 0.5cm , na 0.5cm 323 fotonů323 fotonů..

Jaký je mezní úhel? sinJaký je mezní úhel? sinθθcc=1/n =1/n ⇒⇒ θθcc∼∼3939ºº ∆Ω∆Ω/4/4ππ=(1=(1--sinsinθθcc)/2)/2∼∼0.18 3230.18 323··0.18=0.18=58 fotonů58 fotonů

Špatná kvalita povrchůŠpatná kvalita povrchů--efektivita 0.5 efektivita 0.5 ⇒⇒ 29 fotonů se dostane do PMT29 fotonů se dostane do PMT. Pravděpodobnost,. Pravděpodobnost,že při daném že při daném λλ konvertuje foton na elektron v PMT je 0.25 konvertuje foton na elektron v PMT je 0.25 ⇒⇒7 elektronů z fotokatody7 elektronů z fotokatody

Poissonovo rozděleníPoissonovo rozdělení Pravděpodobnost,že nebudeme pozorovat nic,pokud máme =7Pravděpodobnost,že nebudeme pozorovat nic,pokud máme =7n

nn

ennnP −=

!)()( P(0)=eP(0)=e--77=0.0009=0.0009∼∼0.1%0.1%

Pravděpodobnost,že nebudeme pozorovat nic, je 0.1%Pravděpodobnost,že nebudeme pozorovat nic, je 0.1%

22

Energetické rozlišeníEnergetické rozlišení je ovlivněno hlavně fluktuacemi v počtu Energetické rozlišení je ovlivněno hlavně fluktuacemi v počtu sekundárních elektronů emitovaných dynodami.sekundárních elektronů emitovaných dynodami.

nn

ennnP −=

!)()(Poissonovo rozdělení:Poissonovo rozdělení:

nnn

nn 1

==σ

Fluktuace největší kdyžFluktuace největší kdyžn malén malé→→ důležitá je první dynoda!důležitá je první dynoda!

23

Hybridní fotonové detektory (1)

Hybridní fotonový detektor (HPD)Hybridní fotonový detektor (HPD) detekuje světlo na fotokatodě a detekuje světlo na fotokatodě a urychluje a emituje fotolektrony elektrickým polem k opačně pólourychluje a emituje fotolektrony elektrickým polem k opačně pólovanévanésilikonové anodě, kde se absorbují a produkují pár elektronsilikonové anodě, kde se absorbují a produkují pár elektron--díra.díra.

V závislosti na konfiguraci anody 3 typy HPD.V závislosti na konfiguraci anody 3 typy HPD.•• hybridní fotonové trubice s jednou anodou (detekce a počítání fhybridní fotonové trubice s jednou anodou (detekce a počítání fotonů)otonů)•• mnohoanodové detektory s anodou rozdělenou do hexagonálních padmnohoanodové detektory s anodou rozdělenou do hexagonálních padůů

pro detekci pozicepro detekci pozice letících fotonůletících fotonů•• zobrazující křemíkové pixelové detektory s velmi jemně segmentozobrazující křemíkové pixelové detektory s velmi jemně segmentovanou vanou

anodou pro zobrazovací techniku anodou pro zobrazovací techniku

(D‘Ambrosio.C.,Leutz H. Hybrid photon detectors, Nucl.Instrum.Me(D‘Ambrosio.C.,Leutz H. Hybrid photon detectors, Nucl.Instrum.MethodsthodsA501, 463A501, 463--498,2003)498,2003)

24

Hybridní fotonové detektory (2)

Přednosti:Přednosti:•• dobrá linearita (závislost sebranéhodobrá linearita (závislost sebraného

náboje na intenzitě světla).náboje na intenzitě světla).•• možnost operovat v mg.poli (hlavněmožnost operovat v mg.poli (hlavně

pokud )pokud )•• malá spotřeba elektřinymalá spotřeba elektřiny

EBrrNevýhody:Nevýhody:

•• elektronický šumelektronický šum•• cenacena

25

Hybridní fotonové detektory (3)

Optimalizace umístění a tvaru urychlovacích elektrodOptimalizace umístění a tvaru urychlovacích elektrod