1. Eksperimentalne metode moderne fizike
Opće karakteristike detektora
Dr. sc. Nikola Godinovic
Nikola Godinovic, FESB

2. Uvod
Osnovno načelo detektora - upadno zračenje deponira dio ili čitavu svoju energiju unutar volumena detektora a koja se onda konvertira u signal prikladan za uočavanje i mjerenje.
Nabijena čestica predaje energiju tvari preko sudara s elektronima i tako izaziva ionizaciju ili pobuđenje atoma
Neutralno zračenje mora doživjeti neku reakciju koja će rezultirati nastajanjem nabijene čestice a koja onda izaziva ionizaciju ili pobudjenje atoma detektora.
U kojoj će se formi iskazati energija pohranjena u volumenu detektora ovisi o detektoru i samom dizajnu detektora.
Plinski detektoru su dizajnirani da sakupe elektrone proizvedene ionizacijom kako bi se dobio strujni puls proporcionalan energiji upadnog zračenja.
Kod scintilacijskih detektora pobuđenja i ionizacija izazivaju molekularne prijelaze koja se očituju u emisiji svjetla – količina svjetla proporcionala energiji upadnog zarčenja
Fotografske emulzije – ionizacija inducira kemijske reakcije kako bi putanja čestica bila uočena.
Moderni detektori su u svoj biti električne prirode u nekom trenutku informacija pohranjena u detektoru se pretvara u električni signal i dalje elektronički odnosno računalno obrađuje.

3. Osjetljivost
Osjetljivost detektora – sposobnost da se u detektoru proizvede mjerljiv signal za dano upadno zračenje i danu energiju.
Detektori su u načelu dizajnirani za detekciju samo pojedinog tipa i za dano energijsko područje.
Osjetljivost detektora za pojedini tip i područje energije upadnog zračenja ovisi:
Udarnom presjeku za ionizaciju u volumenu detektora
masi (volumenu) detektora (za neutrine masa se mjeri u tonama)
Intrisičnom šumu detektora – fluktuacije napona i struje su uvijek prisutne i kad nema upadnog zračenja.
Materijalu koji okružuje detektor

4. Odziv detektora
Detektor da bi odredio ne samo tip zračenja već i energiju upadnog zračenja mora dati signal koji je proporcionalan energiji upadnog zračenja.
Količina ionizacije se očituje u količini električnog naboja koju sadrži strujni puls detektora izazvan upadnim zračenjem. Ako je oblik pulsa isti od događaja do događaja onda je integral direktno proporcionalan amplitudi ili visini pulsa.
Odnos između energije upadnog zračenja i količine naboja ili visine pulsa je u biti odziv detektora.
Idealno odziv može biti linearan ali i ne mora.
Odziv može biti linearan za jedan tip zračenja a ne mora za drugi tip zračenja.

5. Energijska rezolucija
Kvaliteta detektora koji su namijenjeni mjerenju energije upadnog zračenja definirana je energijskom rezolucijom.
Energijska rezolucija – mogućnost razlikovanja dvije bliske energije.
Energijska rezolucija se mjeri iz spektra detektora izazvanog monoenergetskim upadnim zračenjem.
U idealnom slučaju spektar je delta funkcija a u stvarnosti je to vrh s određenom strukturom- vrh konačne širine -obično Gaussovog oblika.
Širina vrha nastaje jer od događaja do događaja fluktuira broj ionizacija i ekscitacija atoma detektora.
Rezolucija: FWHM/E

6. Energijska rezolucija - ilustarcija

7. Energijska rezolucija
Rezolucija je funkcija energije deponirane u detektoru i popravlja se s porastom energije deponirane u detektoru.
Srednja energija ionizacije w ovisi samo o materijalu, pa ako je energija deponirana u detektoru E u prosjeku je nastalo E/w ionizacija. Kako energija raste, raste i broj ionizacija što rezultira manjom fluktuacijom – prema Poissonovoj statistici.
Za detektore čija debljina/volumen nije dovoljno velik pa je samo dio energije je deponiran u detektoru a broj događaja mjerljivih signala N izazvanih upadnim zračenjem ponaša se po Poissonovoj statistici: 2= N, N- srednji broj događaja (N~E, N1/2 ~E)
Ako je sva energija upadnog zračenja apsorbirana – ionizacijski događaji nisu međusobno neovisni i Poissonova statistika se ne može primijeniti.

8. Energijska rezolucija
Fano je pokazao da je varijanca 2= FN (F-fano faktor) kad ionizacijski događaji nisu međusobno neovisni.
F – funkcija različitih fundamentalnih procesa koji dovode do deponiranja energije u detektor, fononske ekscitacije, itd…
F-intrinsična konstanta danog medija detektora, teško ga je izračunati.
Rezolucija je:
Ako je F=1, rezolucija je ista kao i za Poissonovu razdiobu, što uglavnom vrijedi za scintilatore, dok je za mnoge detektore kao što su poluvodički ili plinski F<1, a to dovodi do znatnog poboljšanja rezolucije.
Uz fluktuacije u broju ionizacija, brojni drugi vanjski faktori utječu na rezoluciju, elektronika preko šuma, nesavršenosti u dizajnu detektora, …Ako su svi ovi doprinosi međusobno neovisni i ako se ravnaju po Gaussovoj razdiobi, ukupna neodređenost u energiji je:

9. Funkcija odziva detektora
Za mjerenje energijskog spektra bitno je poznavati funkciju odziva (respone function) detektora.
Funkcija odziva R(E) detektora je dana spektrom amplitude pulsova kad ne detektor pada monoenergetski snop danog tipa zračenja. (Odziv detektora na delta funkciju)
Idealan slučaj bi bio kad bi za upadni snop fiksne energije spektar amplitude pulsova bio delta funkcija, za fiksnu upadnu energiju se dobije i fiksna amplituda pulsa ili Gaussov arazdioba pulsova s fiksnom srednjom vrijednosti i širinom.
Odzivna funkcija za danu fiksnu upadnu energiju i dani tip zračenja ovisi o različitim interakcijama zračenja s atomima detektora kao i o dizajnu i geometriji detektora.
Razmotrimo: snop monoenergetskih elektrona upada u detektor-ako svi elektroni gube energije samo mehanizmom sudara s atomima – sepktar amplitude pulosva je dan Gaussovom razidobom. Međutim neki elektroni će se raspršiti van detektora prije nego što ostave svu energiju u detektoru, što će se očitovati u niskoenergetskom repu Gaussove razdiobe, neki će izgubiti energiju zakočnim zračenjem koje može izići van detektora što se također očituje u lijevom (niskoenergetskom) repu Gaussove razdiobe.
Odziv se sastoji od Gaussovog vrha s to izraženijim lijevim repom što je broj raspršenih elektrona i fotona nastalih zakočnim zračenjem van volumena detektora veći.

10. Funkcija odziva detektora
Razmotrimo monoenergetski snop gama zraka koji upada na detektor – moguće interakcije su: fotoefekt, Comptonov efekt, tvorba parova
Fotoefekt – gama zraka se konvertira u fotoelektron koji se zasutavi u detektoru, ovaj proces daje oštar vrh u spektru
Comptonov efekt – daje elektrone s kontinuiranim energijama u određenom području – očito odziv više nije jasno izražen vrh
Kad se detektor koristi za mjerenje energijskog spektra odziv detektora je dana konvolucijom odzivne funkcije detektora R(E-E’) i spektra upadnog zračenja S(E’)
Da bi smo iz izmjerenog spektra D(E) odredili energijski spektar upadnog zračenja S(E) potrebno je poznavati funkciju odziva detektora R(E) odnos napraviti dekonvoluciju. Ako je R(E-E’)=(E-E’) onda je izmjereni spektar upravo jednak upadnom spektru.
Konvolucija je tehnika kojom se određuje odziv sistema iz poznavanja odziva sistema na jedinični ulaz i samog proizvoljnog ulaza. (

11. Funkcija odziva detektora

12. Ilustracija konvolucije

13. Vrijeme odziva i efikasnost detektora
Vrijeme odziva (response time) je vrijeme koje je proteklo od dolaska zračenja do formiranja izlaznog signala, vrijeme koje je potrebno detektoru da generira signal.
Za dobro vremensko razlučivanje bitno je da se signal što brže formira u oštar puls s vertikalnim uzlaznim dijelom.
Vrijeme trajanja pulsa je također bitno, jer se drugi događaj ne može procesuirati-detektor neosjetljiv ili će se drugi puls superponirati na prvi (pile-up), što doprinosi mrtvom vremenu (dead time) detektora.
Apsolutna efikasnost=(događaji koji padaju na detektor)/(broj događaja koje emitira izvor), ovisi o geometriji detektora i intreakcijama u detektoru.
Intrinsična efikasnost=(registrirani događaji)/(događaji koji padaju na detektor) ovisi o udarnom presjeku tj.o vrsti zračenja,energiji zračenja i materijalu detektora

14. Ionizacijski mehanizmi u plinu
Pobudjenje atoma X upadnom nabijenom česticom p: X+pX*+p, je rezonantna reakcija – atomu treba predati egzaktan iznos energije, za plemenite plinove: =10-17 cm2. U ovom procesu ne nastaju slobodni elektroni, ali pobuđeni atom se deekscitira te emitira foton koji može izazvati ionizaciju.
Ionizacija X+pX++e-+p, za plemenite plinove: =10-16 cm2.
Ionizacija je slučajan proces opisan Poissonovom razdiobom, dvije identične upadna čestice neće proizvesti isti broj ion-elektron parova.
Za plinove je srednja energija za stvaranje ion-elektron para oko 30 eV i gotovo da ne ovisi o tipu čestice, a slabo ovisi o plinu.

15. Plinski ionizacijski detektori
Zračenje pri prolasku kroz plin ionizira atome/molekule plina
Tri plinska detektora
ionizacijska komora
proporcionalni brojač
Geiger-Müllerov brojač
Sva ova tri detektora su u biti isti uređaj koji radi u tri različita radna područja

16. Načelo rada plinskih detektora
lavinski proces –
eksponencijalni porast
broja elektrona

17. Modovi rada plinskog ionizacijskog detektora
Ionizacijski mod – nema multiplikacije naboja samo primarna ionizacija, sav naboj se sakupi.
Proporcionalni mod – započinje sekundarna ionizacija, detektirani signal proporcionalan primarnoj ionizaciji, odnosno energiji upadnog zračenja,pojačanje
Ograničeni proporcionalni mod-uz lokalni lavniski proces izazvan upadnim zračenjem javljaju se lavinski procesu izazvani samim izbojem u plinu – atom/ molekula plina se deekscitira i emitira foton koji na drugom kraju okida lavinski proces. Potrebno je ugasiti lavinu (quenching) (smanjiti napon ili dodati plin koji aposrbira fotone)
Geiger-Müllerov mod –daljnjim povećanjem napona izlazni signal je isti bez obzira na energiju upadnog zračenja.

18. Multiwire Proportional Chamber (MWPC)
Charpak 1968 (Nobelova nagrada) pokazao da niz gusto raspoređenih anodnih žica u istoj komori može funkcionirati kao neovisni proporcionalni brojač. Vrlo brzo su našle primjenu u fizici visokih energija, medicini, astrofizici, kristalografiji.
Prostorna rezolucija ovisi o udaljenosti između anodnih žica
i iznosi oko pola te udaljenosti, najčešće 0,5 mm.

19. “Driftne” komore
Mjeri se vrijem dolaska elektrona do anode

20. Time Projection Chamber (TPC)
TPC je u biti trodimenzionalni detektor tragova – daje informaciju o x,y,z koordinatama velikog broja točaka putanje čestice.
TPC koristi ideju MWPC i driftnih komora
gas volume with E & B fields
drift B E y x z
wire chamber
to detect projected tracks

21. ALICE TPC ALICE TPC Volumen 95 m3, 570 312 kanala za isčitavanje
556 cm
Volumen 95 m3, kanala za isčitavanje

22. Scintilacijski detektori
Scintilatori materijali koji emitiraju svjetlosni puls kad na njih upadne zračenje.
Svjetlosni puls se pretvara u električni signal iz kojeg se dobiva informacija o upadnom zračenju.

23. Scintilacijski detektori
Scintilator apsorbira energija i reemitira je u formi vidljivog svijetla: Fluorescencija – emisija unutar 10-8 sekundi, fosforescencija znatno sporija re-emisija.
Vrste scintilatorskih materijala: organski kristali, anorganski kristali, plastika, plinovi, staklo, organske tekućine
Scintilatorski signal može dati različite informacije o upadnom zračenju:
Energija – iznad određenog minimuma energije većina scintilatora ima linearan odziv na deponiranu energiju, količina scintilacijskog svjetla proporcionala je upadnoj energiji zračenja
Brzi vremenski odziv –omogućuje mjerenje vremenskog intervala između dva događaja.
“Pulse shape discimination” – kod nekih scintilatora oblik pulsa je različit za različite upadne čestice. Različite čestice imaju različite sposobnost ionizacije što se očituje u pobuđivanju različitih fluorescentnih mehanizama a koji rezultiraju različitim oblicima pulsa.

24. Scintilatori – potrebne karakteristike
Ima mnogo scintilacijskih materijala ali da bi se mogli koristi u detektorima potrebna su sljedeća svojstva:
Visoka efikasnost konverzije deponirane energije u scintilacijsko svjetlo
Linearna ovisnost scintilacijskog svjetla i deponirane energije
Veliki svjetlosni prinos
Medij koji je transparentan za emitirano scintilacijsko svjetlo
Kratko vrijeme luminiscentnog raspada
Visoki indeks loma za efikasno spajane na fotodetektor

25. Scintilatori – anorganski kristali
Najpoznatiji neorganski scintilatori: NaI(Tl) – Tl –aktivacijska nećistoća, Bi4Ge3O12 (BGO), BaF2, PbWO4 elektromagnetski kalorimetar CMS detektora)

26. Scintilatori – ovisnost o temperaturi
Jaka ovisnost svjetlosnog prinosa o temperaturi *

27. Tekući plementi plin LAr, LXe, LKr

28. Vrste i karakteristike scintilatora
Scintillator
composition
Density
(g/cm3)
Index of
refraction
Wavelength
of max.Em.
(nm)
Decay time
Constant
(µs)
Scinti
Pulse
height1)
Notes
NaI(Tl)
3.67
1.9
410
0.25
100 2)
CsI
4.51
1.8
310
0.01 6 3)
CsI(Tl)
565
1.0 45
CaF2(Eu)
3.19
1.4
435
0.9 50
BaF2
4.88
1.5
190/220
0,0006
0.63 5 15
BGO
7.13
2.2
480
0.30 10
CdW04
7.90
2.3
540
5.0 40
PbWO4
8.28
2.1
440
0.020
0.1
CeF3
6.16
1.7
300
340
0.005
GSO
6.71
430
0.060
LSO 7
420
0.040 75
YAP
5.50
370
0.030 70