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
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
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
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
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 5
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 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
Organické scintilátory (2) Příměsi: posunují emisi do delších vlnových délek delší absorpční délka a efektivnější čtecí zařízení 7
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
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
Optická vlákna (1) 10
Optická vlákna (2) 11
Readout scintilátorů Readout scintilátoru s vláknem 12
Scintilační vlákna (1) vysoká geometrická flexibilita jemná granularita malá hmotnost rychlá odezva (ns) trigger 1.úrovně 13
Dráhový detektor z opt.vláken (1) 14
Dráhový detektor z opt.vláken (2) 15
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
Římské hrnce (2) Římské hrnce se zasouvají do blízkosti svazku ve chvíli, když už jsou svazky stabilizovány (jinak nebezpečí radiačního poškození). 17
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
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
Fotonásobiče PMT s jsou velmi citlivé na mg,pole, dokonce na mg.pole Země 30-60 60µT 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
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>=1940 1010 3 /3 10 3 =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 )/2 0.18 323 0.18= 0.18=58 fotonů Špatná kvalita povrchů-efektivita 0.5 29 fotonů se dostane do PMT.. Pravděpodobnost, že při daném λ konvertuje foton na elektron v PMT je 0.25 7 7 elektronů z fotokatody Poissonovo rozdělení Pravděpodobnost,že nebudeme pozorovat nic,pokud máme n =7 n ( n) n P( n) = e P(0)=e -7 =0.0009 0.1% 0.1% n! Pravděpodobnost,že nebudeme pozorovat nic, je 0.1% 21
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
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, 463-498,2003) 498,2003) 23
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
Hybridní fotonové detektory (3) Optimalizace umístění a tvaru urychlovacích elektrod 25