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SiPM con Cristallo Scintillatore BGO

Dalla EPIC Crystal Co. ci sono arrivati due cristalli scintillatori BGO (germanato di bismuto – Bi4Ge3O12) di forma cilindrica con diametro di 6 mm e lunghezza di 10 mm. Con questi cristalli scintillatori vogliamo provare a costruire un detector per radiazioni beta e gamma basato su SiPM. Lo scintillatore BGO è stato descritto nel post Cristalli Scintillatori. Il cristallo BGO non è “l’ultimo grido” però è piuttosto economico e quindi vale la pena fare una prova per valutare se, insieme al SiPM, può costituire una valida alternativa come detector di radiazioni.

Il cristallo BGO con il suo SiPM è stato avvolto con il nastro PTFE (teflon) allo scopo di aumentare la resa luminosa. Il nastro di teflon infatti è bianco e riflette fortemente la luce che altrimenti sarebbe uscita dal cristallo. Il tutto viene quindi rivestito con una guaina termoretraibile nera per proteggere il SiPM dalla luce ambientale mentre la superfice anteriore è protetta con un foglio di alluminio.

Nella immagine sotto si può vedere il sensore inserito in un tubicino estruso di alluminio. Sul lato anteriore vi è la superfice frontale del cristallo BGO, coperta con un foglio di alluminio al fine di schermare il sensore dalla luce ambientale. I fili di collegamento del sensore SiPM fuoriescono dal lato posteriore del tubicino di alluminio.

Nella immagine sotto si mostra il sensore collegato all’amplificatore – driver del SiPM, descritto nel post Trans-Impedance Amplifier. La tensione di polarizzazione viene settata ad un valore piuttosto alto : 31.5 V, questo per compensare la bassa efficienza quantica del cristallo BGO. In altre configurazioni con sensori SiPM (ad esempio con cristalli LYSO e cristalli Plastici) abbiamo usato una tensione di polarizzazione di 30 V, ma con il BGO abbiamo preferito incrementare un poco la tensione di polarizzazione in modo da avere un guadagno più alto.

Nella immagine sotto viene presentata la traccia all’oscilloscopio di un impulso prodotto dal sensore SiPM-BGO. Si può notare che la durata dell’impulso è di circa 800 ns, è interessante anche notare come nella prima parte dell’impulso il decadimento è veloce per poi rallentare nella seconda parte dell’impulso. Quindi il cristallo BGO è caratterizzato da due differenti costanti di tempo di decadimento.

Il sensore SiPM-BGO è piuttosto sensibile ma il cristallo scintillatore è piccolo e quindi l’efficienza di rilevazione è piuttosto bassa perchè la probabilità che una radiazione γ o β interagisca con il cristallo è bassa. Al fine di ottenere una risposta accettabile dal sensore è necessario posizionarlo molto vicino alla sorgente, altrimenti, allontanando il sensore dalla sorgente, il conteggio decresce rapidamente.
Abbiamo fatto alcune prove con diverse sorgenti, la tabella sotto riporta i risultati ottenuti.

 Source  Count (CPM)
 Background 37.2 ± 1.7
 0.1 μCi Sr90 19895 ± 16
 1 μCi Na22 56166 ± 29
 0.25 μCi Cs137 6792 ± 78
 Uranium Glazed Fiestaware 774 ± 23
 Thorium Gas Mantle 370 ± 8
 Radium Paint Watch Hands 2382 ± 38
 Uraninite Sample 3299 ± 22

E’ interessante notare gli alti valori corrispondenti alle sorgenti Sr90 e Na22. Le sorgenti Sr90 e Na22 sono emettitori β. Sr90 è un emettitore β puro mentre Na22 emette sia γ che β+ (positroni). Il cristallo BGO è sensibile, con alta efficienza, a particelle cariche e quindi risponde bene alla radiazione β.
BGO, con la sua alta densità, è anche sensibile alla radiazione γ ma le limitate dimensioni fisiche del cristallo non permettono di ottenere valori di conteggio comparabili a quelli ottenuti con le radiazioni β, nonostante questo il sensore lavora “onestamente” anche con emettitori γ puri come il Cs137.

Funzionamento in Coincidenza

Con la sorgente di Na22 abbiamo fatto una prova di conteggio degli eventi in coincidenza. I due detector SiPM + BGO sono stati posizionati quasi a contatto con la sorgente di Na22, in direzioni opposte a 180°, come raffigurato nella immagine sotto. I segnali sono stati poi inviati alla unità di rilevazione delle coincidenze basata su PSoC, raffigurata nella seconda immagine. Con questo  setup ci aspettiamo di ottenere un rilevante conteggio di impulsi coincidenti a causa della emissione di fotoni gamma a 511 KeV in direzioni opposte, derivante dalla annichilazione dei positroni emessi dal decadimento β del Na22.

La tabella seguente mostra i risultati della misurazione. Con entrambi i detector si ottengono ratei piuttosto alti, a causa della vicinanza sorgente – detector. Anche il rateo di coincidenze è elevato come atteso dal posizionamento dei due sensori.

 Source  Rate (CPM)
Detector A 41273 ± 12
Detector B 30046 ± 10
Coincidenze 4125 ± 38

Conclusioni

Possiamo dire che questi test hanno portato a risultati positivi. Il detector costruito con il sensore  SiPM e con il cristallo BGO è molto sensibile alla radiazione β e lavora bene anche con la radiazione γ anche se con minore sensibilità. Uno dei vantaggi del cristallo BGO è l’assenza di attività intrinseca mentre il cristallo LYSO, caratterizzato da una migliore resa quantica, contiene Lutezio il quale ha una radioattività intrinseca piuttosto elevata, cosa che costituisce un problema per un sensore di radiazioni stand-alone.
Uno dei difetti di questo nuovo detector sono le sue dimensioni limitate ed il conseguente livello basso del rateo di conteggio, questo difetto però può anche essere visto come una caratteristica utile perchè permette di fare una “scansione” del campione in analisi al fine di trovare i punti più “caldi” con una elevata risoluzione spaziale.

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