SiPM e Scintillatore Plastico

In questo post proponiamo l’utilizzo di scintillatori plastici accoppiati a SiPM per la rilevazione di particelle. Un detector di questo tipo è particolarmente sensibile alle particelle cariche e quindi può essere utilizzato per la rilevazione dei muoni cosmici e per la rilevazione degli elettroni prodotti da radioattività β.

Scintillatori Plastici

Il termine “scintillatore plastico” si riferisce tipicamente ad un materiale scintillante in cui l’emettitore fluorescente primario, chiamato fluoroforo, è sospeso in una base, una matrice polimerica solida. Mentre questa combinazione viene tipicamente realizzato attraverso la dissoluzione del fluoroforo prima della polimerizzazione, il fluoroforo è talvolta associato direttamente con il polimero, come è il caso di molti scintillatori plastici di tipo LI6. Il polietilen-naftalato è stato trovato in grado di dare scintillazione da solo senza additivi e si prevede che sostituisca molti scintillatori plastici esistenti a causa delle migliori prestazioni ed il prezzo più basso.

I vantaggi degli scintillatori plastici sono l’elevata resa luminosa ed un segnale veloce, con un tempo di decadimento di 2-4 nanosecondi, ma forse il più grande vantaggio degli scintillatori plastici è la loro capacità di essere modellati, attraverso l’uso di stampi o altri mezzi, in praticamente qualsiasi forma desiderata. Gli scintillatori plastica sono noti per dare saturazione quando la densità di energia in gioco è molto elevata (legge di Birks).

Costruzione Detector

Il detector è stato assemblato accoppiando un sensore SiPM con un cristallo scintillatore. I SiPM sono stati descritti in svariati post precedenti : Fotomoltiplicatori al Silicio, Preamplificatore per SiPM. Il sensore è un SiPM della AdvanSiD, sensibile nel vicino ultravioletto, con una area utile di 4x4mm, mostrato nella figura sotto :

Il sensore SiPM è stato collocato su di un lato del cristallo scintillatore e fissato con del nastro adesivo trasparente, per aumentare l’efficienza dell’accoppiamento ottico, tra il SiPM ed il cristallo è stato steso uno strato di grasso ottico siliconico :

Il cristallo plastico con il SiPM è stato avvolto in carta di alluminio riflettente in modo da aumentare la probabilità che i fotoni prodotti nella scintillazione vengano catturati dal sensore SiPM :

Per evitare che il SiPM possa essere raggiunto dalla luce ambientale, il tutto è stato avvolto con del nastro opaco nero

Setup Sperimentale

Per le prime prove con lo scintillatore plastico accoppiato al SiPM è stato utilizzato il preamplificatore della AdvanSiD descritto nel precedente post : Preamplificatore per SiPM. Le immagini presenti sotto mostrano il collegamento del dispositivo :

L’immagine sotto mostra la traccia di un impulso generata dallo scintillatore plastico ed acquisita con l’oscilloscopio.

 

Lo scintillatore plastico è sensibile alle particelle cariche quindi gli impulsi generati da questo scintillatore sono molto probabilmente dovuti ai muoni cosmici che interagiscono con il cristallo. Gli impulsi di ampiezza ridotta (10-20mV) sono invece dovuti al rumore del sensore SiPM. Gli impulsi prodotti dal passaggio di particelle cariche attraverso il cristallo hanno ampiezza di 100-200mV, quindi sono facilmente distinguibili dagli impulsi dovuti al rumore. Oltre agli impulsi prodotti dai raggi cosmici il cristallo scintillatore risponde anche, ma in misura molto più debole, ai raggi gamma presenti nella radiazione di fondo.

Misure di Conteggio

Per effettuare misure di conteggio è stato utilizzato un circuito che effettua la polarizzazione del SiPM e l’estrazione dell’impulso, l’impulso viene elaborato da un comparatore veloce con una soglia di 100mV che produce in uscita un impulso di circa 200ns, il quale viene ulteriormente elaborato per produrre in uscita un impulso TTL da +5V e 10μs di durata. Questo impulso viene inviato al “Theremino Master” che effettua il conteggio degli impulsi, che vengono poi visualizzati dal software “Theremino Geiger”.

Misura del Fondo

La prima misurazione è stata quella della radiazione di fondo. Sapendo che il cristallo plastico è principalmente sensibile alle particelle cariche ci aspettiamo di ottenere una diretta misurazione del flusso di raggi cosmici sulla superfice del detector :

Il flusso di particelle che raggiungono il rivelatore (al livello del mare) dovrebbe avere il seguente valore :

Area utile del cristallo scintillatore = 32,5cm²
32,5cm² x 0,01 particelle/s cm² = 0,32 particelle/s = 0,32cps teorici

Il risultato ottenuto è mostrato nella figura sotto :

Si vede come il valore ottenuto è leggermente maggiore del valore teorico, questo può essere dovuto sia al fatto che la misurazione è stata effettuata ad una altezza di 375slm e quindi il flusso di raggi cosmici è maggiore che al livello del mare, e sia al fatto che una parte degli eventi registrati dal detector può essere dovuta alla radiazione di fondo.

Misura di Isotopi Radioattivi

Con il medesimo setup : scintillatore plastico, SiPM e counting box, sono state fatte misure di conteggio su alcuni campioni debolmente radioattivi. Le misure sono state fatte mettendo la sorgente a diretto contatto con il detector.

Torio

Come campione di Torio è stata utilizzata una reticella toriata. L’emissione comprende un discreto quantitativo di radiazione β (elettroni), facilmente rilevati dal sensore, infatti il risultato del conteggio è sensibilmente superiore al valore del fondo.

Cesio 137

Per il Cesio è stato utilizzato un campione da 0,25 μCi. L’emissione comprende un debole quantitativo di radiazione β (elettroni), che comunque sono rilevati dal sensore, infatti il risultato del conteggio è di poco superiore al valore del fondo. La principale emissione gamma del Cesio a 662keV non viene praticamente rilevata.

Sodio 22

Per il Sodio è stato utilizzato un campione da 1 μCi. L’emissione comprende un considerevole quantitativo di radiazione gamma e postroni rilevati dal sensore, infatti il risultato del conteggio è di molto superiore al valore del fondo.

Americio 241

Per l’Americio è stato utilizzato un campione da 0,9 μCi. L’emissione comprende un considerevole quantitativo di radiazione α, che non possono essere rilevati dal sensore, infatti il risultato del conteggio non si discosta dal valore del fondo. La principale emissione gamma dell’Americio a 60keV non viene praticamente rilevata.

Valutazione Sensibilità alle Radiazioni Gamma

Per valutare la sensibilità del detector alla radiazione gamma è stata fatta una misurazione con le due sorgenti di torio e di Sodio 22 che emettono un discreto quantitativo di emissioni gamma, schermate da una lastra di alluminio che dovrebbe fermare la maggior parte della radiazione beta :

Dai risultati dei conteggi si vede che il sensore risponde in misura ridotta con la schermatura di alluminio, rimane però una certa sensibilità anche alle radiazioni gamma, che sono debolmente schermate dalla lastra di alluminio.

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