Cristalli Scintillatori

A PhysicsOpenLab utilizziamo molti cristalli scintillatori, principalmente accoppiati con PMT o SiPM, per rilevare particelle o radiazioni. In questo post vogliamo descrivere i cristalli scintillatori che normalmente usiamo nei nostri rivelatori.

Uno scintillatore è un materiale che presenta il fenomeno della scintillazione (la proprietà della luminescenza), quando eccitato da radiazioni ionizzanti. I materiali luminescenti, quando colpiti da una particella, assorbono la sua energia e scintillano (cioè rilasciano l’energia assorbita sotto forma di luce). A volte, lo stato eccitato è metastabile, quindi il processo di rilassamento dallo stato eccitato allo stato inferiore è ritardato (richiede da qualche nanosecondo a ore a seconda del materiale): il processo corrisponde ad uno dei seguenti due fenomeni, a seconda Il tipo di transizione e quindi lunghezza d’onda del fotone ottico emesso: fluorescenza ritardata o fosforescenza, chiamata anche after-glow.

Un rilevatore a scintillazione o contatore a scintillazione viene ottenuto quando uno scintillatore è accoppiato a un sensore di luce elettronico come un tubo fotomoltiplicatore (PMT), fotodiodo o fotomoltiplicatore di silicio (SiPM). I PMT assorbono la luce emessa dallo scintillatore e la emettono in forma di elettroni attraverso l’effetto fotoelettrico. La moltiplicazione successiva di quegli elettroni (a volte chiamati foto-elettroni) produce un impulso elettrico che può quindi essere analizzato e fornire informazioni significative sulla particella che originariamente ha colpito lo scintillatore.

Il primo dispositivo che usava uno scintillatore fu costruito nel 1903 da Sir William Crookes che usò uno schermo di ZnS. Le scintillazioni prodotte dallo schermo erano visibili a occhio nudo se viste da un microscopio in una stanza scura; Il dispositivo è conosciuto come spintariscopio. La tecnica ha portato a una serie di importanti scoperte ma era ovviamente di utilizzo difficile. Gli scintillatori hanno acquisito un’attenzione particolare nel 1944, quando Curran e Baker hanno sostituito la misurazione fatte ad occhio nudo con il PMT appena sviluppato. Questa è stata la nascita del moderno rivelatore di scintillazione.

Caratteristiche Generali

Light output (LO) è il coefficiente di conversione delle radiazioni ionizzanti in energia luminosa. Avendo il più alto livello di LO, il cristallo NaI(Tl) è il materiale di scintillazione più diffuso. Pertanto il valore LO del NaI(Tl) è considerato per convenzione al 100%. La produzione di luce di altri scintillatori è determinata percentualmente rispetto a quella del NaI(Tl). LO (Photon/MeV) è il numero di fotoni visibili prodotti nel corpo dello scintillatore colpito da radiazione gamma.
Tempo di decadimento è il tempo richiesto affinchè l’emissione di scintillazione diminuisca al valore e^-1 del suo massimo.
Energy resolution è la larghezza totale del picco, misurata alla metà del suo massimo (FWHM), diviso per l’energia del picco e moltiplicato per 100. Di solito la risoluzione dell’energia è determinata usando una sorgente 137-Cs. La risoluzione in energia mostra la capacità di un rivelatore di distinguere fonti gamma con energie leggermente diverse, questo è di grande importanza per la spettroscopia gamma.
Emission spectrum è il numero relativo di fotoni emessi dallo scintillatore in funzione della lunghezza d’onda.

Cristalli Inorganici

Il meccanismo di scintillazione nei materiali inorganici dipende dagli stati energetici determinati dalla struttura cristallina dei materiali (teoria della struttura a bande elettroniche) Essi sono trasparenti alla propria luce di fluorescenza; infatti l’energia dei fotoni emessi è minore della differenza in energia tra le due bande.
In generale i cristalli inorganici hanno una risposta di 2-3 ordini di grandezza meno veloce rispetto ai cristalli organici.
Uno dei problemi per molti cristalli inorganici è l’ igroscopicità, che richiede in generale particolari accorgimenti di protezione.
Tra i vantaggi degli scintillatori inorganici, è da ricordare l’elevato stopping power dovuto alla elevata densità e all’alto numero atomico. Questo tipo di scintillatori hanno inoltre le più alte uscite in luce; pertanto, essi risultano fra i più adatti alla rivelazione dei raggi g e degli elettroni e positroni di alta energia.

NaI(Tl)

Lo Ioduro di Sodio drogato al Tallio, NaI(Tl), è uno fra i più usati scintillatori inorganici. Esso ha una efficienza di scintillazione molto alta ed è disponibile in un’ampia varietà di forme e dimensioni. Presenta un assorbimento ridotto alla propria luce di scintillazione.
Lo Ioduro di Sodio è suscettibile al danneggiamento da radiazione; infatti tempi prolungati di esposizione ne rovinano le prestazioni. In condizioni ottimali, fra tutti gli scintillatori conosciuti, ha il più alto segnale a parità di radiazione assorbita; ad esempio produce 1 x 10⁴ fotoelettroni per MeV di raggi g.
Uno dei maggiori problemi di questo scintillatore è la sua alta igroscopicità. Si rende quindi necessario racchiudere il cristallo all’interno di un contenitore ermetico, sigillato con un vetro per permettere l’accoppiamento con un PMT.
L’immagine sopra mostra un cristallo di NaI(Tl) nel suo contenitore, ed accoppiato ad un PMT.

Il tempo di decadimento del Nal(TI) è di 250 ns. L’immagine sotto mostra un impulso ottenuto da un cristallo di NaI(Tl), si vede come il valore misurato del tempo di decadimento sia molto vicino al valore corretto.

CsI(Tl)

Lo Ioduro di Cesio drogato al Tallio, CsI(Tl), è un materiale scintillatore che ha un’alta uscita in luce, ma con un picco di emissione a 550 nm che non si accorda bene con quello richiesto dai fotocatodi in commercio. Il picco di emissione a 550 nm si accorda bene però con rivelatori a stato solido come fotodiodi e SiPM.
Il CsI(Tl) è uno scintillatore relativamente lento. Il tempo di decadimento del cristallo, di circa 1100 ns, ha più di una componente: in particolare esiste una componente veloce ed una lenta. Quando l’eccitazione è prodotta da particelle altamente ionizzanti, quali protoni e particelle a, il rapporto fra le intensità delle due componenti varia in funzione del potere ionizzante della particella. In questo modo, analizzando la forma dell’impulso in uscita, il cristallo può essere utilizzato per la discriminazione di particelle. Il danneggiamento da radiazione è significativo per dosi superiori ai 10 Gray.

CsI

Lo ioduro di cesio è un materiale con elevato stopping power per raggi γ a causa della sua alta densità e numero atomico. Il CsI, essendo uno scintillatore intrinseco, presenta proprietà di scintillazione molto diverse rispetto ai CsI (Tl) o CsI (Na) più ampiamente utilizzati. Il CsI è utilizzato principalmente in esperimenti di fisica grazie alla combinazione di tempi veloci ed alte densità. La sua scintillazione è piuttosto ridotta a temperatura ambiente e le basse temperature migliorano il rendimento luminoso. Il CsI puro ha un’emissione massima a 315 nm con intensità 1/10 rispetto ai cristalli CsI drogati. CsI ha un tempo di decadimento di 16 ns.

L’immagine sotto mostra gli impulsi ottenuti da un cristallo di CsI (lo stesso cristallo della figura a lato), accoppiato ad un PMT con una resistenza di carico da  1 kΩ. Risulta evidente la piccola ampiezza degli impulsi (20 – 40 mV) rispetto agli impulsi che si possono ottenere ad esempio da un analogo cristallo di NaI(Tl).

BGO

Germanato di Bismuto (BGO) Si tratta di un materiale scintillante, la cui formula effettiva è Bi₄Ge₃O₁₂ (Orto-Germanato di Bismuto). Grazie all’alto numero atomico del Bismuto (83) e alla sua alta densità il BGO è un efficiente assorbitore di raggi g e presenta un elevato stopping power per particelle cariche.
La costante di decadimento è di circa 300 ns.
Il massimo di emissione si ha a 480 nm. Anche se l’uscita in luce è circa il 20-25% dello NaI(Tl) essa si riduce al 10-15% in quanto parzialmente l’emissione avviene nella zona di bassa efficienza dei fotocatodi. Per tale motivo esso viene spesso accoppiato ad un wavelength shifter. Il cristallo è particolarmente duro e irregolare, non è igrosopico e mostra una grande trasparenza alla propria luce di scintillazione.
E’ molto utilizzato in medicina nei rivelatori per PET.

L’immagine a lato mostra il cristallo di BGO (10 x 6 mm) che abbiamo utilizzato accoppiandolo ad un rivelatore SiPM.

LYSO

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.

I cristalli LYSO vengono spesso accoppiati a rivelatori a stato solido come i SiPM. L’immagine a lato mostra un cristallo 4 x 4 x 20 mm accoppiato ad un SiPM. Questo rivelatore è stato utilizzato in PhysicsOpenLab per effettuare esperimenti di rilevazione in coincidenza.

L’immagine sotto mostra lo spettro di emissione del cristallo LYSO eccitato da una lampada UV.

Il LYSO è uno scintillatore basato sul Lutezio che contiene un isotopo radioattivo: 176Lu, che è un emettitore beta naturale. 176Lu decade beta verso 176Hf nel 99,66% delle volte verso lo  stato eccitato a 597 keV. Questo stato decade con una cascata a raggi gamma di 307, 202 e 88 keV. Questo causa una attività intrinseca non trascurabile che è lo svantaggio principale di questo materiale.

Cristalli Plastici

Uno scintillatore plastico è formato da una soluzione di materiale scintillante organico disciolto in un solvente successivamente polimerizzato, diventando così una soluzione solida. Molto spesso viene aggiunto anche un soluto secondario per le sue proprietà di “shifter” in lunghezza d’onda.
Gli scintillatori plastici offrono un segnale molto veloce con una costante di decadimento di circa 2-3 ns ed un’alta uscita in luce. Uno dei maggiori vantaggi degli scintillatori plastici è la flessibilità, che li rende facilmente manipolabili; il loro costo non eccessivo li rende particolarmente utili nel caso necessitino ampi volumi di scintillatori.
Gli scintillatori plastici usati in fisica delle alte energie sono soluzioni di fluori in una base plastica contenenti anelli aromatici. Virtualmente tutti gli scintillatori plastici contengono come base poli-vinil-toluene, polistirene o acrilico. L’acrilico è non aromatico ed ha perciò una bassissima efficienza di scintillazione. Diventa accettabile quando il naftalene viene disciolto in percentuali dell’ordine del 5-20%. La base plastica rappresenta la componente sensibile alla ionizzazione (cioè lo “scintillatore”). In assenza di shifter la base emetterebbe luce UV con bassa lunghezza di attenuazione (alcuni mm). Per ottenere lunghezze di attenuazione più lunghe si dissolve un fluoro in alta concentrazione (1% del peso) nella base.

Nell’immagine sopra c’è uno scintillatore di plastica quadrato utilizzato nel rivelatore di coincidenza cosmico, mentre nell’immagine qui sotto c’è uno scintillatore di plastica cilindrico che abbiamo utilizzato nel rivelatore dei muoni cosmici.

ZnS(Ag)

ZnS(Ag) o solfuro di zinco: ZnS(Ag) è stato uno dei primi scintillatori inorganici (il primo esperimento con scintillatore è stato fatto da Sir William Crookes (1903) con uno schermo di ZnS). Questo materiale è però disponibile solo in forma policristallina. Il suo utilizzo è quindi limitato solo a sottili schermi per la rilevazione di particelle α.

Il tempo di decadimento del ZnS(Ag) è 100 ns. L’immagine sotto mostra un impulso ottenuto con uno schermo di ZnS(Ag), si vede come il tempo di decadimento misurato sia vicino al valore corretto anche se è presente una “lunga coda”.

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