Scintilace. Co zachytí oko? Pokud během 1/10 s nejméně 15 fotonů. Jedna z nejstarších detekčních metod (Rutherford a ZnS)

Transkript

1 Scintilace Jedna z nejstarších detekčních metod (Rutherford a ZnS) scintilace -puls světla krátce po průchodu částice fluorescence světelný puls krátce (< 10 ns) po absorpci γ 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. 1

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 2

3 Anorganické scintilátory Vodivé pásy v krystalech, důsledek interakcí mezi atomy. Nečistoty v krystalu aktivační aktivační centra v zakázané oblasti deexcitace BEZ záření 5-10 ev často 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 pro γ kvanta. 3

4 Anorganické scintilátory (2) NaI(Tl), CsI(Tl), BGO Světelný výtěžek anorganických krystalů vykazuje velkou závislost na teplotě Anorganické krystaly jsou velmi citlivé na cokoliv: magnetické pole, teplotu. Průzračnost je závislá na čase (degradace slunečním zářením), radiační poškození!! 4

5 Tekuté vzácné plyny Také zde nalezneme 2 časové konstanty: několik ns a ns, ale se stejnou vlnovou délkou. Vhodné pro detekci α-částic (jiné scintilátory málo fotonů). Problémem je reabsorpce v materiálu < 1m 5

6 Organické scintilátory (1) Monokrystaly, tekutiny nebo plastické látky Excitace většina energie = teplo a vibrace, zbytek ( %) scintilace, řádově nanosekundy Emitované světlo je v UV oblasti Fosforescence řádově milisekundy Monokrystaly: naftalen, antracen, p-terphenyl Tekuté a plastické scintilátory: skládají se z rozpouštědla + sekundárních (a terciálních) fluorescentů jako posunovačů vlnové délky (wavelength shifter) 6

7 Organické scintilátory (2) Příměsi: posunují emisi do delších vlnových délek delší absorpční délka a efektivnější čtecí zařízení 7

8 Organické scintilátory (3) Po namíchání komponent se plastické scintilátory vyrábějí komplexní polymerizací 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). 8

9 Čtecí zařízení (readout) vodiče světla: přenos pomocí totální vnitřní reflexe vlnový posunovač wavelength shifter (WLS) λ<400nm λ>400nm, lepší efektivita detekce, bohužel i pomalejší signál primary particle 9

10 Optická vlákna (1) 10

11 Optická vlákna (2) 11

12 Readout scintilátorů Readout scintilátoru s vláknem 12

13 Scintilační vlákna (1) vysoká geometrická flexibilita jemná granularita malá hmotnost rychlá odezva (ns) trigger 1.úrovně 13

14 Dráhový detektor z opt.vláken (1) 14

15 Dráhový detektor z opt.vláken (2) 15

16 Římské hrnce H1 exp.(1) Difrakce: proton se odchýlí jen málo od svého původního směru letu, musí se detekovat velmi blízko svazkové trubice Římské hrnce označí a měří proton v interakci ep epx epx 16

17 Římské hrnce (2) Římské hrnce se zasouvají do blízkosti svazku ve chvíli, když už jsou svazky stabilizovány (jinak nebezpečí radiačního poškození). 17

18 Římské hrnce (3) 2 stanice, každá se 2 detektory se scintilačním vlákny každý detektor měří u-u a v-v souřadnici 5 vláken/1 vodič světla 8.2 fotoelektronů 99.4% účinnost detekce 18

19 Fotodetektory Účel: Konverze světla na detekovatelný elektronický signál. V HEP jsme obvykle zainteresováni na viditelném a UV spektru. Standardní požadavek: vysoká citlivost, obvykle se vyjádří jako kvantová efektivita: Q N p / N. E. =. e. photons Práh pro některé fotosensitivní materiály: 19

20 Fotonásobiče PMT s jsou velmi citlivé na mg,pole, dokonce na mg.pole Země µT stínění materiálem s velkým µ fotoemise z fotokatody sekundární emise s dynod gain g=3-50 N Celkový gain : M = i= 1 g i 10 dynod s g=4, M=4¹º ¹º 10⁶ 20

21 Příklad 0.5cm částice θ c PMT Scintilátor (polystyren, n=1.58, ρ=1g/cm 3, τ=2.5ns, λ max =4250Å,, (de/dx) min =1.94MeVcm 2 /g =1.94MeV/cm) Kolik fotonů vznikne v tomto scintilátoru s d=0.5cm, když jím proletí MIP částice a kolik se dostane do PMT? Jaká je pravděpodobnost,že nezaregistrujeme žádný signál v PMT?? (Na každých 3keV energie deponované ionizací vznikne průměrně 1 scintilační foton). (de/dx) min /<ε>= / =646 fotonů vznikne na 1cm dráhy,, na 0.5cm 323 fotonů. Jaký je mezní úhel? sinθ c =1/n θ c 39º Ω/4 /4π=(1-sinθ c )/ = 0.18=58 fotonů Špatná kvalita povrchů-efektivita fotonů se dostane do PMT.. Pravděpodobnost, že při daném λ konvertuje foton na elektron v PMT je elektronů z fotokatody Poissonovo rozdělení Pravděpodobnost,že nebudeme pozorovat nic,pokud máme n =7 n ( n) n P( n) = e P(0)=e -7 = % 0.1% n! Pravděpodobnost,že nebudeme pozorovat nic, je 0.1% 21

22 Energetické rozlišení Energetické rozlišení je ovlivněno hlavně fluktuacemi v počtu sekundárních elektronů emitovaných dynodami. Poissonovo rozdělení: P( n) = ( n) n! n e n σ n = n n = n 1 n Fluktuace největší když n malé důležitá je první dynoda! 22

23 Hybridní fotonové detektory (1) Hybridní fotonový detektor (HPD) detekuje světlo na fotokatodě a urychluje a emituje fotolektrony elektrickým polem k opačně pólované silikonové anodě, kde se absorbují a produkují pár elektron-díra. V závislosti na konfiguraci anody 3 typy HPD. hybridní fotonové trubice s jednou anodou (detekce a počítání fotonů) f mnohoanodové detektory s anodou rozdělenou do hexagonálních padů pro detekci pozice letících fotonů zobrazující křemíkové pixelové detektory s velmi jemně segmentovanou anodou pro zobrazovací techniku (D Ambrosio.C.,Leutz H. Hybrid photon detectors, Nucl.Instrum.Methods thods A501, ,2003) 498,2003) 23

24 Hybridní fotonové detektory (2) Nevýhody: elektronický šum cena Přednosti: dobrá linearita (závislost sebraného náboje na intenzitě světla). možnost operovat v mg.poli (hlavně pokud B r E r ) malá spotřeba elektřiny 24

25 Hybridní fotonové detektory (3) Optimalizace umístění a tvaru urychlovacích elektrod 25