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Fluorescenza Risolta nel Tempo

FLT_fig2

In questo post approfondiamo l’argomento fluorescenza. Questo argomento è stato già oggetto del precedente post : Cos’è la Fluorescenza.  Come già spiegato la fluorescenza è la proprietà di alcune sostanze di riemettere (nella maggior parte dei casi a lunghezza d’onda maggiore e quindi a energia minore) le radiazioni elettromagnetiche ricevute, in particolare di assorbire radiazioni nell’ultravioletto e riemetterla nel visibile.
Il meccanismo della fluorescenza è il seguente : una radiazione incidente  eccita gli atomi della sostanza fluorescente, promuovendo un elettrone a un livello energetico (orbitale) meno legato, più energetico e quindi più “esterno”. Entro poche decine di nanosecondi, l’elettrone eccitato torna al livello precedente in due o più fasi, passando cioè per uno o più stati eccitati a energia intermedia, come viene mostrato nella figura sotto :

livelli Fluorescenza

Se anziché colpire il campione in esame con una radiazione prolungata nel tempo si usa una radiazione incidente a impulsi, cioè con durata molto breve (~ ns), è possibile studiare la fluorescenza emessa dal campione nel tempo. Si verifica che il fenomeno di decadimento dallo stato eccitato ha un andamento esponenziale caratterizzato da una costante di tempo che può variare dai picosecondi ai nanosecondi, questa costante τ è chiamata tempo di vita della fluorescenza :

fluoDecay

Per fare una misura sperimentale del decadimento esponenziale della fluorescenza è necessario eccitare la sostanza fluorescente con un impulso molto breve, preferibilmente di durata inferiore al nanosecondo, ed effettuare la misura della intensità della luce emessa negli istanti successivi all’impulso di eccitazione.

Fare una misurazione di questo tipo a livello amatoriale non è semplice, sia per le difficoltà nella generazione dell’impulso di eccitazione e sia per la acquisizione del debole segnale di fluorescenza.
La tecnica dei materiali scintillanti per la misurazione della radiazione gamma ci fornisce però un metodo per la verifica qualitativa del decadimento esponenziale e per una stima della costante di tempo.
Infatti l’evento di eccitazione, e cioè il passaggio nel materiale scintillante di una particella ionizzante o di un quanto gamma, è praticamente istantaneo. Successivamente, con un fotomoltiplicatore, si può osservare il decadimento della fluorescenza. E’ però necessario far sì che la costante di tempo del circuito anodico del PMT sia inferiore alla costante di tempo di decadimento della fluorescenza.
Con una resistenza di carico do 50Ω si ottiene un valore di τ dell’ordine dei nanosecondi e quindi si possono apprezzare i decadimenti con costati di tempo dell’ordine dei 100ns. Sono di interesse in particolare lo ioduro di sodio (drogato con tallio) che presenta un tempo di decadimento di 230ns e lo solfuro di zinco (drogato con argento) che presenta un decadimento di 110ns.

NaI(Tl)

Acquisizione effettuata con cristallo NaI(Tl) accoppiato ad un PMT : è evidente l’andamento esponenziale della risposta del PMT, con costante di tempo dell’ordine di 250ns, quindi in buon accordo con il valore corretto.

NaIDecay2

ZnS(Ag)

Acquisizione effettuata con strato ZnS(Ag) accoppiato ad un SiPM : è abbastanza evidente l’andamento esponenziale della risposta del SiPM, con costante di tempo dell’ordine di 100ns, quindi in buon accordo con il valore corretto.

ZnSDecay2

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