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SiPM come Rivelatore Gamma a Scintillazione

Il fotomoltiplicatore al silicio (SiPM) può essere convenientemente accoppiato ad un cristallo scintillatore per ottenere un rilevatore di radiazione gamma. Il fotomoltiplicatore al silicio è già stato illustarto nel post : Fotomoltiplicatori al Silicio.

Come cristallo scintillatore è stato utilizzato il lutezio – ittrio ossiortosilicato, noto anche come LYSO, è un composto chimico inorganico usato principalmente come cristallo scintillatore. La sua formula chimica è Lu2(1-x)Y2xSiO5. E’ comunemente usato per costruire calorimetri elettromagnetici nella fisica delle particelle e nei tomografi PET. I cristalli LYSO hanno i vantaggi di una alta emissione di luce, rapido tempo di decadimento ed eccellente risoluzione energetica.

lyso
Cristalli LYSO
lysoSpectrum
Spettro di fluorescenza di un cristallo scintillatore LYSO eccitato da emissione UV da lampada wood. Picco di emissione a circa 430nm.

Il cristallo LYSO contiene il lutezio il quale è composto di due isotopi di cui solo uno è stabile, 175Lu (abbondanza naturale 97,41%) mentre l’altro, il 176Lu decade beta con emivita di 3,78 × 1010 anni (2,59% abbondanza naturale).
A causa del contenuto di Lutezio il cristallo LYSO risulta essere debolmente radioattivo.

Valutazione della radioattività di un cristallo LYSO
Massa = Volume x Densità = 0.42 x 2,2 x 7.4 = 2.6 g
Di cui 24% * è Lutezio = 0.625 g
~ 2.5% è Lu-176 con emivita di 3.78 x 1010 anni
Ci sono 6.02 x 1023 x 0.625 x 0.025/176 = 5.34 x 1019 nuclei
La costante di disintegrazione vale ln2/(3.154 x 107 x 3.78 x 1010) = 5.81 x 10-19 s-1
Da cui λN = 31 cps o Bq

Rivelatore Gamma SiPM + LYSO

Per utilizzare il SiPM + LYSO come gamma detector è conveniente mantenere il segnale di breve durata. Una resistenza serie da 220ohm ed un condensatore di estrazione del segnale da 1nF costituiscono un buon compromesso che permette di ottenere impulsi di circa 200mV con durata di circa 200ns. Questi impulsi vengono amplificati da un inverter CMOS non bufferato retroazionato con una resistenza da 1Mohm. Il segnale amplificato viene successivamente squadrato da un altro inverter trigger di schmitt.
Si ottiene in output un segnale logico positivo CMOS da 3,3V di durata di circa 400ns.
E’ stato scelto l’utilizzo degli inverter CMOS perché sono molto più veloci rispetto ad amplificatori operazionali standard e non necessitano di tensioni di alimentazione particolari o sdoppiate.
sipmDetector

Gli impulsi in uscita vengono inviati ad un modulo Theremino Master su di un PIN configurato come “Fast Counter” per effettuare le operazioni di conteggio.

sipmPulses

Nella traccia superiore si vede l’impulso del SiPM di circa 200ns. Nella traccia inferiore si vede l’impulso da 3,3V con durata 400ns prodotto dalla catena degli inverter.

Regolando in Theremino Geiger la sensibilità ed i conteggi di background del detector basato su SiPM e LYSO si possono fare delle misure di radioattività ed ottenere buoni risultati. In particolare il sensore è caratterizzato da una sensibilità molto elevata. Un difetto, di cui però si può in certa misura tenere conto, è l’elevato conteggio che viene registrato a vuoto, circa 100CPS, legato alla radioattività del cristallo LYSO dovuta al contenuto in lutezio.

Nel grafico sotto sono riportate le misure effettuate con diverse sorgenti campione di attività nota.

sipmCounting

Spettrometro Gamma SiPM + LYSO

Utilizzando lo SiPM adapter descritto nel post : Fotomoltiplicatori al Silicio si può realizzare uno spettrometro gamma basato sul SW Theremino MCA. Di seguito riportiamo alcui spettri gamma.

sipmBkg

Lo spettro di background comprende la radiazione naturale di fondo ed il contributo della radioattività naturale del cristallo LYSO dovuto al contenuto in Lutezio.
La parte della radiazione di fondo ha il suo massimo nel range tra 100 e 150keV, mentre la parte dovuto al cristallo LYSO è principalmente compresa tra 200 e 500 keV.

sipmAmericium

sipmSodium

sipmCesium

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