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Misure di test con scintillatori LaBr3
e semiconduttori al Germanio per la rivelazione dei raggi gamma
A cura di: Marco Visentin & Giacomo Mingardo
Tutori: Caterina Michelagnoli Jose Javier Valiente-Dobon
28/06/2011
Stage ai LNL 2011 tema B)
Di cosa parleremo:
● Introduzione: struttura dei nuclei atomici● Rivelazione dei raggi gamma (interazione
dei gamma con la materia)● Rivelatori a scintillazione: cosa sono e
come funzionano● Caratteristiche dei rivelatori di raggi
gamma● I rivelatori a semiconduttore (Ge)
Struttura del nucleo atomicoIn quanto sistema quantistico, il nucleo atomico si “fa osservare” in stati discreti, ciascuno caratterizzato da una determinata energia (momento angolare, parita`, vita media).
Una volta eccitato in uno stato a una certa energia, il nucleo decade attraverso gli stati intermedi, verso lo stato fondamentale, con l'emissione di quanti di radiazione gamma.
Interazione dei raggi gamma con la materia
- Effetto fotoelettrico (E < 100 keV): assorbimento di un fotone da parte di un elettrone legato, che in seguito viene espulso dal legame originario;
- Creazione di coppie (E > 1,02 MeV): ovvero la formazione di una coppia elettrone-positrone.
- Scattering Compton (E > 100 keV): collisione elastica tra un elettrone legato e un fotone.
E'=E/[(1+(E/mec2)(1-cos theta)]
(I valori dei energia sono indicativi)
Rivelare un raggio gamma = tradurre il suo arrivo in un segnale elettrico misurabile
Rivelatori di raggi gamma
Semiconduttori(Germanio)
Rivelatori a scintillazione
(LaBr3:Ce)
ScintillatoriGli scintillatori sono cristalli che traducono l'arrivo dei raggi gamma in luce visibile. Con la presenza di droganti nel reticolo cristallino, gli elettroni eccitati possono passare dalla banda di conduzione alla banda di valenza (stato fondamentale) attraverso diversi livelli intermedi con emissione di fotoni visibili. Con l'utilizzo di fotomoltiplicatori questi si traducono in segnale elettrico.
Componenti di un rivelatore a scintillazione: es. del LaBr3 1.5” x 1.5” da noi studiato
•
Divisore di tensione
Fotomoltiplicatore Scintillatore
Struttura di un fotomoltiplicatore:
Come si preleva e si tratta il segnale corrispondente alla rivelazione di un raggio gamma
Istogramma
Spettro di energia da una sorgente di Co-60
Picchi di piena energia (Co-60)
Fondo Compton
Attivita' interna
Backscattering
I “fattori di merito”- Risoluzione (FWHM/E);
- Efficienza assoluta e intrinseca (N fotoni rivelati/N fotoni emessi dalla sorgente e N fotoni rivelati/ fotoni incidenti sul rivelatore);
- Linearita' del guadagno in funzione dell'energia;
- Rapporto picco su fondo (Areapicco/Areafondo)
●
Analisi degli spettri gamma
Dal fit gaussiano di un picco nello spettro gamma si ottengono:-Centroide-Larghezza a metà altezza-Area
Centroide (E keV)
FWHM
Spettri analizzati per il testCs-137
Eu-152
Co-601173 keV 1332 keV
121 keV
244 keV
344 keV778 keV
1408 keV
661 keV
Passaggi principali dell'analisiPer diverse tensioni al fotomoltiplicatore: 1) Calibrazione lineare tra 344 keV e 1173 keV.
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 35000
200
400
600
800
1000
1200
1400
Calibrazione dello spettro
HV=-900VLinear Regression for HV=-900VHV=-750VLinear Regression for HV=-750VHV=-1050VLinear Regression for HV=-1050V
E (canali)
E (
keV
)
2)Valutazione della linearita' dei guadagni in funzione dell'energia
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
Variazione di linearita' dei guadagni
HV=-750VHV=-900VHV=-1050V
Energia [keV]
E le
tt -
E e
xp [k
eV
]
3) Valutazione della risoluzione in funzione dell'energia
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.1
Variazione della Risoluzione
HV=-750VHV=-900VHV=-1050V
Energia [keV]
Ris
olu
zio
ne
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000 Variazione dell'efficienza
HV=-750VHV=-1050VHV=-900V
Energia
Are
a/In
tens
i ta'
4) Valutazione dell'efficienza in funzione dell'energia
[keV]
Rivelatori al Germanio (Ge)
Foto del Dimostratore di AGATA
Esempio di spettro gamma conseguente a una reazione di fusione-evaporazione
Confronto spettri Cobalto-60
LaBr3 Ge
1 0 0 0 1 50 0 2 0 0 0 2 50 0 3 0 0 00
0 .0 5
0 .1
0 .1 5
0 .2
0 .2 5
0 .3
0 .3 5
0 .4
L in e a rita '
E n erg ia [keV]
E le
tt - E
ex p
[keV
]
Germanio
0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0 1 6 0 02
0
2
4
6
8
1 0
1 2
1 4
L in e a ri t a '
E n erg ia [keV ]
E le
tt - E
exp
[keV
]
LaBr3 (Ce) [-900 V]
Confronto tra Ge e LaBr3:1) Linearita'
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.1
Risoluzione E
Energia [keV]
Ris
olu
zio
ne
LaBr3 (Ce) [-900 V]Germanio
1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 28000.0012
0.0014
0.0016
0.0018
0.0020
0.0022
0.0024
0.0026
0.0028
Risoluzione E
Energia [keV]
Ris
olu
zio
ne
Confronto tra Ge e LaBr3:2) Risoluzione
Conclusioni
- Abbiamo determinato le condizioni ottimali di lavoro di un rivelatore a scintillazione LaBr3 confrontando i fattori di merito a diverse tensioni applicate al fototubo.
- In tali condizioni abbiamo confrontato i risultati con quelli di un rivelatore al Ge (cristalli di AGATA) conludendo che quest'ultimo ha miglior risoluzione e linearita'.
Spesso, pero', i rivelatori al LaBr3 forniscono un'informazione complementare a quella dei rivelatori al Ge prossimi esperimenti con AGATA
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