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1. Detectores de Centelleo Suficiencia Investigadora
Carmen Iglesias Escudero
Universidad Autnoma de Barcelona
Departamento de Fsica
2. INDICE Material Centelleador
Fotomultiplicadores
Acoplamiento Centelleador-PMT
Ejemplo: TileCal
3. INTRODUCCIN
PRINCIPIO:
Radiacin atraviesa centelleador, excita tomos ? emisin de luz. La luz se
transmite por guas al PMT: fotones ? e- Se amplifica la seal que se analiza en
el sist. electrnico.
INFORMACION:
Energa depositada o total de la partcula
Tiempo de llegada del fotoe- (<1ns)
Posicin (rea que abarca en el centelleador)
4. 1.MAT. CENTELLEADOR Partculas atraviesan detector ? ioniza tomos ?tomos o molculas
ionizados vuelven al estd. fund:
- TRANS. NO-RADIATIVAS
- TRANS. RADIATIVAS: luminiscencia:emisin de luz
a) tomos:luz emitida en UV
b) Molculas:(orgnicos) Gran n de niveles
de energa, ancho espectro trans.radiativas y
no-radiativas.2 procs de desexc.
c) Cristales: (inorgnicos)Un e- se excita hasta banda conduccin y queda un
hueco en band valencia. O se crea un excitn, par e-hueco acoplados.
1) un h del exciton encontraun tomo y lo ioniza.
2) un e- se recombina con un tomo emitiendo un fotn
Este proceso lleva tiempo, Ej: (NaI Tl)?300ns
5. Rendimiento La seal detectada se mide en trminos de:
NaI: 1/25eV
Plstico: 1/100eV BGO:1/300eV
El rendimiento del detector:
Eficiencias tpicas del PMT ? 30% ? de todos los fotones recogidos, slo
el 30% sern detectados.
Si la respuesta del centelleador es lineal a Eexcitac, la luz emitida es
proporcional a Eionizacin:
L ? ?Eionizacion
En realidad, depende tambin del tipo de
partcula, densidad onizacin (dE/dx) y
eficiencia de centelleo
6. Fotoctodo: foton ? e- , por efect
fotoelectrico.
Colector de e- : focaliza e- mediante
un campo E hacia el ldier dinodo.
Multiplicador: acelera e- del ler dinodo
a una serie de electrodos secundarios,
generando ms e- en cada nuevo choque
en los dinodos.
Anodo: Recoge la cascada de e- en
corriente de seal para poder ser
amplificada y analizada.
2.FOTOMULTIPLICADOR
7. Fotoctodo Consiste en una fina capa de material fotosensible dentro de la ventana del PM .
Convierte fotn ? e- , por efect fotoelectrico :
E: energa cintica del e- emitido
E = h? - ? ?: frecuencia de luz incidente
? : funcin trabajo
Es necesaria una ? mnima para que se produzca.
La eficiencia cuntica del PMT :
varia fuertemente con ? y la estructura del material
- metales: QE ? 0.1%
- semiconductores: QE ? 20-30 %
8. Dirige los e- desde el ctodo hacia el ler dinodo del multiplicador.
Se utiliza un electrodo acelerador al mismo V que el dinodo, junto con un electrodo focalizador situado en la pantalla de cristal:
- el mayor n de e- debe llegar al dinodo desde cualquier punto del catodo.
- el tiempo del e- en llegar al ler dinodo debe ser independiente del punto
de emisin.
Sistema Colector
9. Multiplicador Los e - del ler dinodo generan emisiones secundarias que son aceleradas a una cadena de dinodos donde aumentan el n de e - en cada choque
Se crea 105 -107 e por cada fotoe - emitido por el ctodo. La amplificacin depende del n de dinodos y del V.Ganacia total del PMT con n dinodos:
G = ?n ? = ? ?V dinod-dinod
factor emisin 2ria
Cambios de 1% en ?V din-din llevan a cambios de n% en ganancia ?HV debe esta regulado!!!
10. Linearidad de Corriente La linearidad del PMT depende del tipo de dinodo y corriente del tubo.
La corrte aumenta con el V hasta un nivel de saturacin ?existencia de nube de e- que anula campo E y evita aceleracin de e- .
Importante trabajar
con V suficiente alto
para tener I estable
Idealmente, la ganancia del multiplicador es cte.
En la prctica, no es as por la estadstica de la multiplicacin de e.
El espectro de carga, para un solo e
la distribucin del n de e sigue es de Poisson:
Los 2 primeros dinodos dominan la dispersin de QA. Para reducir dispersin: uso alto ?V en primeros dinodos
11. Seal en el nodo Varios factores afectan a la forma de la seal:
a) La dispersin en la llegada de los e-: para un e-originario emitido
desde el catado los e- secundarios no siguen el mismo recorrido.
ligeramente asimtrica
con cola en la drcha?
seal mas lenta
b) La seal de varios fotoe- ser ms ancha que la de uno solo: los fotoe-
llegan en tiempos distribuido segn el espectro temporal del centelleador
c) El circuito de salida (R y C)
12. A veces no es posible unir centelleador y PMT por:
Falta de espacio
Presencia de campo magntico
Inconvenientes con la forma del centellador
La luz del centelleador se transmite al PMT a travs de guias de luz:
1) Lmina que adapta la forma
rectangular del centelleador a
la cara circular del PMT
2) Diferentes tiras unidas al borde
del centelleador y retorcidas para
converger en el ctodo del PMT
El acoplamiento de la gua al centelleador y al PMT debe ser tal que permita:
recogida de la mayor cantidad de luz
transporte eficiente de luz 3.Guas de luz
13. Recogida de luz
14. Transporte de luz Es importarte transportar el mayor n de fotones al ctodo del PMT.
El contacto centelleador y PMT debe tener alta calidad ptica ?Materiales tpicos son:
- plexiglass, plasticos, cristal;
- fibras opticas: son flexibles (ej: TileCal )
- guias de liquidos
Trabajan bajo el principio de reflexin interna: la luz avanza reflejandose en las paredes interiores. Solo la fraccion de luz con ang > ?B es transmitida.
Debido a la ley de Liouville, el area de sec. eficaz de la guia de luz no puede ser reducido sin perdida de luz. Se escoge un radio de curvatura:
d = diametro guia de luz
r = radio curvatura
Con este radio, la luz entrante frontal a la guia de luz se transmite por reflexion total.
15. 4.EJEMPLO:Tilecal Tilecal: Calormetro hadrnico de ATLAS