Sorgenti di radiazioni ionizzanti. Passaggio della radiazione nella materia. Rivelatori a gas. Rivelatori a semiconduttore (a silicio e a germanio). Rivelatori a scintillazione. Elettronica per rivelatori.
G.F.Knoll – Radiation Detection and Measurements – Wiley 2000
W.R.Leo – Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments – Springer 1987
Obiettivi Formativi
Conoscenze: Il corso fornisce conoscenze di base sulle principali tipologie di rivelatori per radiazioni ionizzanti (a gas, a scintillazione, a semiconduttore). Di tali rivelatori lo studente impara il principio di funzionamento e le principali caratteristiche (prestazioni e limitazioni) e vede alcuni esempi di realizzazione (con illustrazione di un rivelatore funzionante, in laboratorio, per ciascuna tipologia). Si fa anche cenno alla catena elettronica associata ai rivelatori ed alle sue caratteristiche. Conoscenza delle sorgenti radioattive (alfa, beta e gamma) più comuni nei laboratori di ricerca e delle loro caratteristiche.
Competenze acquisite
Scelta del rivelatore più adatto a seconda del tipo di applicazione. Messa in opera del rivelatore e della relativa catena elettronica con moduli NIM comunemente impiegati.
Prerequisiti
Insegnamenti contenenti i prerequisiti (vincolanti e/o consigliati)
Corsi del secondo anno della Laurea in Fisica e Astrofisica.
Metodi Didattici
6 CFU,
Numero di ore totali del corso: 150
Numero di ore relative alle attività in aula: 48
Altre Informazioni
Ricevimento su appuntamento (pasquali@fi.infn.it, barlini@fi.infn.it)
Sito web
e-l.unifi.it
Modalità di verifica apprendimento
Esame orale. Di norma almeno una domanda verte sull'interazione radiazione-materia ed almeno una domanda su un particolare tipo di rivelatore. L'orale è volto a verificare la comprensione dei principali principi fisici alla base della rivelazione e la capacità di esporre l'argomento con la giusta terminologia e proprietà di linguaggio.
Programma del corso
Introduzione ed inquadramento della materia.
Sorgenti di radiazione ionizzante.
Decadimento radioattivo. Schemi di decadimento. Attività, vita media, tempo di dimezzamento.
Passaggio della radiazione nella materia.
Perdita di energia di particelle cariche pesanti: Stopping power: calcolo di Bohr. Formula di
Bethe-Block. Curva di Bragg. Energy straggling.
Range. Range Straggling. Leggi di scala per lo stopping power.
Radiazione elettromagnetica (X, gamma):
Sezione d'urto differenziale e totale. Libero cammino medio. Scattering Compton, effetto fotoelettrico, creazione di coppie elettrone-positrone.
Coefficienti di attenuazione lineare e di massa.
Caratteristiche generali dei rivelatori
Modo di operazione: in corrente o impulsivo.
Spettro di ampiezza di impulso. Risoluzione energetica. Efficienza assoluta, intrinseca, relativa.
Rivelatori a gas
Camere di ionizzazione: produzione e raccolta delle cariche. Ricombinazione, attaccamento, diffusione. Trasporto delle cariche.
Utilizzo delle camere di ionizzazione in modalità impulsiva.
Induzione del segnale sugli elettrodi. Forma dell'impulso, griglia di Frisch.
Contatori proporzionali: ampiezza dell'impulso in funzione della tensione applicata agli elettrodi, zona lineare, zona
proporzionale, zona di Geiger-Muller.
Contatori proporzionali a geometria cilindrica. Meccanismo della moltiplicazione a valanga. Gas di riempimento.
Stima del fattore di moltiplicazione (legge di Diethorn).
Considerazioni sulle fluttuazioni statistiche della valanga.
Forma dell'impulso per una coppia ione-elettrone.
Altri rivelatori basati sulla moltiplicazione proporzionale nei gas.
Rivelatori a semiconduttore
Introduzione. Caratteristiche dei semiconduttori intrinseci. Drogaggio.
Caratteristiche dei semiconduttori estrinseci.
I semiconduttori come materiale per la rivelazione. Produzione di coppie elettrone-lacuna per il passaggio di radiazione ionizzante. Energia media per coppia. Fluttuazioni statistiche del numero di coppie prodotte. Fattore di Fano.
- Rivelatori a giunzione p-n
Caratteristiche di una giunzione p-n in semiconduttore.
Tipi di rivelatori a giunzione: a diffusione, a barriera di superficie, planari a impiantazione ionica.
Correnti di perdita. Tempo di raccolta delle cariche.
Forma dell'impulso di corrente e di carica per una coppia elettrone-lacuna.
- Semiconduttori compensati con diffusione di Litio.
- Rivelatori Si(Li). Forma del segnale in un Si(Li) planare.
- Rivelatori al Ge per spettroscopia
- Rivelatori HPGe (germanio iperpuro). Materiali e . Vantaggi della geometria coassiale.
- Rivelatori HPGe true coaxial, close-ended e bulletized.
Campo elettrico in un rivelatore HPGe coassiale.
Spessori morti. Sistema di raffreddamento.
Risoluzione energetica di un rivelatore al Ge.
Forma dell'impulso per una coppia elettrone-lacuna in un rivelatore HPGe coassiale.
Spettroscopia con rivelatori al Germanio.
Rivelatori a scintillazione
Proprietà di uno scintillatore. Scintillatori organici: meccanismo di scintillazione, fluorescenza, fluorescenza ritardata, fosforescenza. Proprietà dei piu comuni scintillatori organici.
Scintillatori inorganici: Attivazione del cristallo mediante impurezze (es. NaI(Tl)), meccanismo di scintillazione. Proprietà dei piu comuni scintillatori inorganici.
Raccolta della luce di scintillazione.
Autoassorbimento, perdite di fotoni alle superfici, efficienza di raccolta al fotomoltiplicatore. Guide di luce.
Il fotomoltiplicatore: principio di funzionamento e principali caratteristiche.
Spettroscopia gamma con rivelatori a scintillazione: meccanismi che contribuiscono alla forma dello spettro, picchi di fuga e di backscattering, scattering Compton multiplo, picco di piena energia. Efficienza totale e di fotopicco.
Elettronica per il trattamento dei segnali
Impulsi logici ed impulsi lineari.
Un tipico sistema per la misura di energia: preamplicatore di carica (p.a.)+amplicatore formatore+convertitore analogico-digitale.
Rumore della catena elettronica.