Scintilace - Univerzita Karlovaalice/lect/Scintilace.pdf1 Scintilace Jedna z nejstarších...
Transcript of Scintilace - Univerzita Karlovaalice/lect/Scintilace.pdf1 Scintilace Jedna z nejstarších...
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