Fotodiodo e Scintillatore CsI(Tl) con Micod CSA-SA

Introduzione

In questo post descriviamo un sensore per radiazioni costituito da uno scintillatore CsI(Tl) accoppiato ad un fotodiodo. Questa applicazione è ben nota ed abbiamo già trattato questo argomento in un post precedente (Fotodiodo Si-PIN con CSA-SA Micod). Ora vogliamo testare l’apparato costruito dalla Micod (una azienda russa, che ringraziamo) anche con uno scintillatore.

Nella immagine sopra vediamo il “kit” composto da un cristallo scintillatore CsI(Tl) accoppiato con un fotodiodo ed una scheda PCB con CSA (charge sensitive amplifier) ed un SA (shaping amplifier).

Un fotodiodo può essere utilizzato come rilevatore di radiazioni in due modi: direttamente o accoppiato con un cristallo scintillatore. Quando viene utilizzato direttamente, è efficiente soprattutto nella parte a bassa energia dello spettro gamma, fino a 50-60 KeV. In questo range ha una risoluzione energetica potenzialmente elevata. Con uno scintillatore può invece coprire l’intero spettro fino alle energie gamma più elevate. In questo post descriviamo i test che abbiamo fatto con un fotodiodo accoppiato ad uno scintillatore CsI(Tl).

Fotodiodo & Scintillatore CsI(Tl)

L’immagine sotto mostra il cristallo scintillatore, coperto di smalto bianco ad alta riflettività, accoppiato ad un fotodiodo.

Il fotodiodo ha le seguenti caratteristiche :
Dimensioni (LxWxD) = 10.5x8x1.8 mm
Superfice sensibile = 25 mm2
Capacità (Vb -30V) = 33 pF
Dark Current (Vb -50V, 20°C) = 0.37 nA
Vbias = 40 V – 60 V
Vbias max = -60 V

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.

La Catena di Amplificazione

Per misurare l’impulso di corrente prodotto dal fotodiodo è necessario avere una “catena di amplificazione” composta da un charge sensitive amplifier (CSA) seguito da uno shaping amplifier (SA).
L’abbinamento tra il rivelatore e il preamplificatore definisce il livello di rumore del sistema di spettroscopia, pertanto per queste applicazioni è richiesta la migliore prestazione di rumore del preamplificatore associato.
Generalmente, un transistor ad effetto di campo, FET, viene utilizzato come dispositivo di input. Il preamplificatore di carica utilizza un condensatore di retroazione Cf e, in questo caso, anche un resistore di retroazione Rf. Il condensatore di retroazione viene caricato dall’impulso iniettato dal rilevatore e scaricato immediatamente attraverso il resistore di retroazione. Un inconveniente del resistore di retroazione è che è un’ulteriore fonte di rumore.
Quando la radiazione ionizzante o una particella colpisce il cristallo scintillatore viene emesso un piccolo lampo di luce che, a sua volta, viene raccolto dal fotodiodo che conseguentement produce un impulso di corrente. L’amplificatore di carica (CSA) riceve quindi una carica Q in ingresso, la converte in un impulso di tensione e quindi la amplifica. Il segnale in uscita dal CSA ha un fronte di salita rapido ed un decadimento esponenziale. Il fattore di amplificazione del circuito è:

V = Q/Cf

mentre la costante del decadimento esponenziale vale: τ = RfxCf

Il CSA Micod ha i seguenti valori :
Cf = 0.1 pF
Rf = 1 GΩ

Dopo il CSA è necessario inviare il segnale ad uno shaper amplifier (SA) il quale processa l’impulso amplificandolo e rendendolo simile ad un impulso gaussiano. Lo shaper amplifier migliora notevolmente il rapporto segnale – rumore e rende il segnale adatto ad essere inviato ad un apparato di conteggio, ratemeter, oppure ad un convertitore anlogico-digitale con lo scopo di acquisire lo spettro gamma. Il SA Micod ha uno “shaping time” di circa 10 μs.

Misure di Test

Con il setup sopra descritto abbiamo fatto delle prove di misurazione di alcune sorgenti campione (Am241, Na22, Cs137 e altre). Abbiamo collocato la sorgente direttamente sul fotodiodo ed abbiamo collegato l’uscita dello shaper al nostro pulse counter (descritto nel post Pulse Counter basato su PSoC). La soglia di conteggio è stata configurata a 80 – 100 mV, in modo da escludere gli impulsi dovuti al rumore.
Le immagini sotto riportate mostrano l’apparato con alcune sorgenti di prova.

Nella immagine sotto riportata si vedono le tracce di alcuni impulsi generati dal fotodiodo e successivamente amplificati dal CSA (charge sensitive amplifier) e dal SA (shaping amplifier). La durata dell’impulso è di circa 15 μs, mentre l’ampiezza varia (a seconda dell’energia della radiazione) dai 200 mv ad oltre 1000 mv. Sovrapposta al segnale vi è un ripple di fondo (dovuto al rumore del fotodiodo, amplificato dalla catena) avente ampiezza di circa 50 mV.

Con il fotodiodo abbiamo fatto le misurazioni della attività di alcune sorgenti campione ed abbiamo confrontato i dati con quelli ottenuti, in condizioni simili, con un sensore a scintillazione NaI(Tl) 63×63 mm accoppiato ad un PMT. I risultati sono mostrati nella tabella sotto riportata.

Sorgente	PMT con NaI(Tl)	Fotodiodo con CsI(Tl)
Background	54 CPS	21 CPS
1μCi – Am 241	580 CPS	220 CPS
0.5μCi – Na 22	503 CPS	1940 CPS
0.25μCi – Cs 137	346 CPS	347 CPS
Uraninite	151 CPS	77 CPS
Thorium mantle	222 CPS	65 CPS
0.1μCi – Sr 90	–	235 CPS (only β)

Nel leggere questi dati dobbiamo tenere conto che lo scintillatore accoppiato al fotodiodo è molto sensibile anche alle particelle β, mentre il sensore a scintillazione con PMT è rivestito da uno strato di alluminio che le ferma. Sia la sorgente di Cesio 137 che quella di Sodio 22 emettono, con intensità diverse, particelle β (elettroni il Cesio e positroni il sodio), il conteggio del fotodiodo comprende quindi anche una quota di radiazione β che è invece praticamente assente nelle misure fatte con lo scintillatore PMT.
Anche tenendo presente il contributo della radiazione β, si vede come la performance del fotodiodo con CsI(Tl) come rivelatore, compresa della catena di amplificazione con il pulse counter, sia di tutto rispetto e assolutamente paragonabile a quella che si ottiene con un classico sensore a scintillazione con PMT.

Prove di Spettrometria

Con gli impulsi prodotti dallo shaping amplifier abbiamo provato ad acquisire gli spettri gamma di due sorgenti gamma mediante il Theremino MCA (Spettrometria Gamma DIY). L’impulso prodotto dallo shaping ha una durata di circa 15μs, piuttosto breve per l’ADC della scheda audio che lavora meglio con durate di circa 100μs.
In questo paragrafo riportiamo i risultati ottenuti con le sorgenti campione Cs137 ed Na22.
Il primo grafico mostra lo spettro gamma del Cs137. Il picco principale ed il continuum compton sono evidenti, la parte a bassa energia dello spettro non mostra alcuna traccia a causa della difficoltà di acquisire, con il nostro MCA, impulsi a bassa ampiezza. Theremino MCA ha la possibilità di compensare parzialmente l’allargamento del picco, quindi nel secondo grafico mostriamo lo spettro “compensato” Cs137, mentre il terzo grafico mostra lo spettro Na22: in entrambi i casi i picchi sono ben definiti e la risoluzione è piuttosto buona.

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