Lezione 16 Scintillatori - Fisica

Scintillatori inorganici 

Scintillatori organici 

Fibre 

Fotorivelatori 

Lezione 16 

Scintillatori 

Rivelatori di Particelle 1



Il contatore a scintillazione è uno dei più vecchi apparati sperimentali usati per la 

radiazione nucleare. Prima del contatore a scintillazione si usava l’occhio nudo, 

osservando i flash di luce emessi quando le particelle colpivano uno schermo di 

solfato di zinco. 

Pare che la sensibilità dell’occhio umano aumenta con una tazza di buon caffè 

(molto forte), possibilmente con l’aggiunta di una piccola dose di stricnina…!!!! 

Dopo un lungo periodo di adattamento, l’occhio umano può vedere circa 15 fotoni 

se emessi in un intervallo di tempo non superiore ad 1/10 di secondo e con 

lunghezza d’onda pari a quella cui l’occhio umano e’ più sensibile (verde). 1/10 s e’ 

il tempo di persistenza dell’immagine sulla retina. 

Henry&Baucels (J.Phys.Path.Gen. XIII (1911),841) affermano che è visibile ad 

occhio nudo un deposito di energia di 3 eV corrispondente ad un singolo fotone nel 

verde. 


photodetector 

La funzione di uno scintillatore è duplice: 

Emettere luce (luminescenza) 



Definiamo scintillatore qualunque 

materiale che emette un impulso di luce 

poco dopo il passaggio di una particella 

carica. 

Trasmetterla al rivelatore di fotoni (e.g. fotomoltiplicatore) 




Proprietà generali di uno scintillatore 

Uno scintillatore consiste generalmente in un materiale scintillante 

accoppiato otticamente ad un fotomoltiplicatore (PM) o direttamente o 

tramite una guida di luce. Quando la particella passa attraverso lo 

scintillatore eccita gli atomi e le molecole dello scintillatore si emette 

luce. 

la luce viene trasmessa al PM e viene convertita in una debole corrente 

di fotoelettroni, amplificata dai dinodi (altri elettrodi ) del PM. 

abbiamo un segnale in corrente facilmente rivelabile dall’elettronica 




Lo scintillatore può fornire molte informazioni fra cui: 

1. Sensibile all’energia ( ~ lineare ed il PM è lineare) il segnale di 

uscita è proporzionale all’energia di eccitazione. può essere usato 

come spettrometro di energia (calorimetri, dE/dx etc.) 

2. Risposta temporale rapida misura di tempi (tempo di volo, trigger, 

etc.) 

3. Discriminazione fra varie particelle, studiando la forma dell’impulso di 

uscita. Con alcuni tipi di scintillatore è possibile distinguere fra le 

varie particelle, analizzando la forma dell’impulso di uscita. Questo a 

causa di diversi meccanismi di eccitazione per particelle con diverso 

potere ionizzante (α, n, γ, etc.) 




Gli scintillatori hanno proprietà note come luminescenza. 

Materiali luminescenti assorbono energia e la riemettono 

sotto forma di luce visibile. 

Se l’emissione avviene subito dopo l’assorbimento (10 -8 s) il 

processo è chiamato fluorescenza. Se invece l’emissione è 

ritardata (lo stato eccitato è metastabile) il processo si 

chiama fosforescenza. In questo caso il tempo fra 

l’assorbimento e la ri-emissione può durare dai µs alle ore 

(dipende dal materiale). 

Generalmente la componente veloce è quella che domina (e 

che ci interessa) 


Luce 



In prima approssimazione l’evoluzione temporale del processo di riemissione può essere 

descritto da una semplice legge esponenziale: 

N 

N 

τ 

= 0 

d 

⋅ e 

− t 

τ 

dove N è il numero di fotoni emessi al tempo t, t d il tempo di decadimento ed N 0 il numero 

totale di fotoni emessi. 

Il tempo di assorbimento dell’energia (eccitazione degli atomi e delle molecole) è in 

generale molto più breve del tempo di ri-emissione (per semplicità l’abbiamo assunto 

0). 

d 

tempo 


Luce 

totale 



Componente veloce 

Componente lenta 

Tempo 

Quasi tutti gli scintillatori hanno 2 componenti di ri-emissione, una veloce ed una 

lenta (fluorescenza e fosforescenza) 

N 

= 

Ae 

− 

t 

t 

f 

+ Be 

Generalmente la componente veloce è quella che domina (e che ci interessa) 

− 

t 

t 

s 




Sebbene esistano molti materiali scintillanti non tutti sono adatti per 

costruire apparati sperimentali. Un buon scintillatore (utilizzabile) deve 

avere: 

1. alta efficienza per convertire l’energia di eccitazione in 

fluorescenza 

2. trasparenza alla luce di fluorescenza in modo da poterla 

trasmettere 

3. emissione sulla lunghezza d’onda in cui funzionano i rivelatori di 

luce (generalmente luce visibile) 

4. una costante di tempo di decadimento τ breve 




Esistono 2 tipi di materiale scintillante: 

Scintillatori organici (poca luce, ma veloci) 

Scintillatori inorganici (molta luce, ma generalmente 

lenti) 

Esistono diversi meccanismi di scintillazione 

(essenzialmente 3) 




Scintillatori inorganici cristallini. 

Sono scintillatori inorganici NaI, CsI, Bi 4Ge 3O 12 (noto come BGO), 

PbWO 4, BaF 2… 

Il meccanismo di scintillazione negli scintillatori inorganici è 

caratteristico della struttura a bande elettroniche che si trovano nei 

cristalli. 


exciton 

band 

activation 

centres 

(impurities) 

scintillation 

(200-600nm) 

luminescense 



Quando una particella entra in un cristallo possono 

accadere 2 processi: 

conduction band 

electron 

quenching 

excitation 

hole 

valence band 

traps 

E g 

i. si eccita un elettrone dalla banda di valenza in quella 

di conduzione, creando così un elettrone ed una 

lacuna liberi. (ionizzazione) 

ii. si crea un eccitone spostando un elettrone dalla 

banda di valenza in quella degli eccitoni (posta 

appena al di sotto della banda di conduzione). In 

questo caso elettrone e lacuna rimangono legati, ma 

possono muoversi liberamente (in coppia) nel 

cristallo.(eccitazione) 

Se il cristallo contiene delle impurità (sono 

necessarie), si possono creare localmente dei 

livelli elettronici nella banda delle energie proibite. 

Gli atomi di impurità sono chiamati centri 

attivatori. 

Se una lacuna libera od una lacuna di un eccitone 

incontra uno di questi centri attivatori, può 

ionizzare uno di questi atomi di impurità. Se ora 

arriva un altro elettrone, questo cade nel buco 

(lacuna) lasciato dalla ionizzazione precedente 

si emette luce ( se tale modo di diseccitazione è 

permesso). 

Se la transizione avviene senza emissione di 

radiazione (rapida) l’impurità diventa una trappola 

e l’energia può essere persa in altri modi o con 

tempi lunghi. 

Spesso si hanno 2 costanti di tempo: 

ricombinazione rapida dai centri di attivazione (ns-µs) 

ricombinazione ritardata (trappole) (~100 ms) 




L’emissione di luce dai cristalli scintillanti dipende fortemente dalla 

temperatura: 

BGO 

(From Harshaw catalog) 

PbWO 4 




Elementi nobili liquidi (LAr, LXe, LKr…) 

A 

excitation 

ionization 

A* 

A + 

collision 

with g.s. 

atoms 

excited 

molecule 

A 2 * 

A 2 + 

ionized 

molecule 

de-excitation and 

dissociation 

e - 

A 

A 

A 2 * 

recombination 

UV 

130nm (Ar) 

150nm (Kr) 

175nm (Xe) 




La luce emessa è difficile da rivelare in quanto è 

tendenzialmente emessa nell’ultravioletto: 

Ar 130 nm 

Kr 150 nm 

Xe 175 nm 

Anche i gas nobili (ad alta pressione) possono scintillare. 

Anche nel caso di gas nobili si hanno 2 costanti di tempo: 

rapida (pochi ns) 

lenta (100÷1000 ns) 

ma con la medesima lunghezza d’onda. 


scintillatore densità 

(g/cm3) 



indice 

rifrazione 

lunghezza 

d’onda 

(nm) 

costante di 

tempo 

(µs) 

NaI 3.67 1.78 303 0.06 190 

scintillaz. 

(relativa 

a NaI(Tl) 

note fotoni/MeV 

NaI(Tl) 3.67 1.85 410 0.25 100 a 80 K 4x10 4 

CsI 4.51 1.80 310 0.01 6 a 80 K 

CsI(Tl) 4.51 1.80 565 1.0 45 a 80 K 1.1x10 4 

6 LiI(Eu) 4.06 1.96 470-485 1.4 35 a 80 K 1.4x10 4 

BaF 2 4.88 1.49 190/220 

310 

0.0006 

0.63 

5 

15 

6.5x10 3 

2x10 3 

Bi 4Ge 3O 12 7.13 2.15 480 0.30 10 2.8x10 3 

PbWO 4 8.28 1.82 440,530 0.1 100 

LAr 1.4 1.29 120-170 0.005/0.860 a 170 nm 

LKr 2.41 1.40 120-170 0.002/0.085 a 170 nm 

LXe 3.06 1.60 120-170 0.003/0.022 a 170 nm 4x10 4 

Rivelatori di Particelle 16



Gli scintillatori organici sono dei composti di idrocarburi che 

contengono delle strutture ad anello di benzene. In questi composti la 

luce di scintillazione deriva da transizioni degli elettroni di valenza liberi 

delle molecole. 

Questi elettroni non sono associati ad un atomo particolare nella 

molecola ed occupano gli orbitali molecolari π. 


S 3 

S 2 

S 1 

S 0 

singlet states 



Molecular states 

10 -11 s degradazione interna 

non- 

radiative 

triplet states 

T 2 

T 1 

phosohorescence 

>10 - 4 s 

Scintillation is based on 

the 2 π electrons of the 

C-C bonds. 

Emitted light is in the UV 

range. 


S 3 

S 2 

S 1 

S 0 

singlet states 

Molecular states 

10 -11 s degradazione interna 

non- 

radiative 



triplet states 

T 2 

T 1 

phosohorescence 

>10 - 4 s 

L’energia rilasciata dalla particella eccita 

sia i livelli elettronici che vibrazionali. 

(Linee rosse tratteggiate) 

Le eccitazioni dello stato di singoletto 

decadono in ≤10 ps senza emettere 

radiazione (degradazione interna). 

dallo stato S 1 è facile decadere nello stato 

fondamentale S 0 con emissione di luce di 

fluorescenza in 1÷ 10 ns. 

Analogamente dallo stato di tripletto si 

arriva tramite degradazione interna allo 

stato T 1 e poi si scende a T 0 in maniera 

complessa con emissione di luce di 

fosforescenza (lenta > 10 -4 s) 




Gli scintillatori organici possono essere: 

Cristalli organici : i più comuni sono antracene e naftalene. 

L’antracene è relativamente lento (30 ns), ma dà abbastanza 

luce. Il naftalene è rapido, ma dà poca luce. 

Scintillatori liquidi e plastici: sono quelli più usati. 

Liquidi: sono soluzioni di 1 o più scintillatori organici disciolti in un 

solvente organico. L’energia rilasciata dalla particella è, in 

generale, assorbita dal solvente e poi rilasciata al soluto 

(trasferimento rapido ed efficiente). Il soluto (o i soluti) funzionano 

da wawe length shifter ovvero assorbono, ad esempio, 

nell’ultravioletto ed emettono nel visibile. 

Plastici: sono del tutto analoghi agli scintillatori liquidi per il 

funzionamento e la composizione (solvente e soluto/i), ma sono 

solidi. 


Solventi e soluti comunemente usati : 

Liquid 

scintillators 

Plastic 

scintillators 



solvent secondary 

fluor 

Benzene 

p-terphenyl 

Toluene 

DPO 

Xylene 

PBD 

Polyvinylbenzene p-terphenyl 

Polyvinyltoluene DPO 

Polystyrene PBD 

tertiary 

fluor 

POPOP 

BBO 

BPO 

POPOP 

TBP 

BBO 

DPS 




Rappresentazione schematica del principio di wawe length shifting: 

(C. Zorn, Instrumentation In 

High Energy Physics, World 

Scientific,1992) 




I tempi di risposta degli scintillatori liquidi e plastici sono 

brevi: 

Liquidi : 3÷4 ns 

Solidi : 2÷ 3 ns 

Attenzione: gli scintillatori organici hanno basso Z (sono 

H,C) scarsa efficienza per rivelare γ (praticamente solo 

effetto Compton). 

Ricordiamo infatti che l’effetto fotoelettrico va come Z 5 e la produzione di coppie 

come Z 2 , mentre l’effetto Compton è lineare in Z 

Hanno invece alta efficienza per rivelare neutroni (reazioni 

n+pn+p). 


materiale densità 

(g/cm3 ) 



Proprietà di alcuni scintillatori organici 

n λ 

(nm) 

τ 

(ns) 

scint. rel 

antr 

H/C note yeild/ 

NaI 

naphthalene 1.15 1.58 348 11 11 0.800 monocrist. 

anthracene 1.25 1.59 448 30-32 100 0.714 monocrist. 0.5 

NE 102 A 1.032 1.58 425 2.5 65 1.105 Nucl. Ent. 

NE 104 1.032 1.58 405 1.8 68 1.100 Nucl. Ent. 

NE 110 1.032 1.58 437 3.3 60 1.105 Nucl. Ent. 

BC 412 1.032 1.58 434 3.3 60 1.104 Bicron 

BC 414 1.032 1.58 392 1.8 68 1.110 Bicron 

BC 416 1.032 1.58 434 4.0 50 1.110 Bicron 




La risposta degli scintillatori plastici non è lineare con la perdita di energia,ma vale la 

formula empirica di Birk. 

dL/dx 

A dE 

dx 

k dE 

B dx 

⋅ + 

⋅ 

= 

1 

La luce è ridotta a causa della ricombinazione delle molecole eccitate la non linearità 

è proporzionale a dE/dx. 

Per piccoli dE/dx è praticamente lineare. 

Un altro effetto non totalmente capito è la dipendenza della luce di scintillazione dal campo magnetico. 

(cresce al crescere di B di qualche %) 

dL 

dx 

Luce emessa per unità di lunghezza 

J.B.Birks, Proc. Phys. Soc. A64,874 (1951) 

Esistono anche altri modelli e parametrizzazioni 


Lettura della luce di scintillazione. 


Guide di luce 

Normalmente la luce di scintillazione viene letta tramite un fototubo. Bisogna quindi 

adattare sia geometricamente che spettralmente la luce di scintillazione allo spettro 

e dimensioni del PM. 

Guide di luce: la luce viene trasferita tramite riflessione totale. Gli indici di rifrazione 

della guida e dello scintillatore sono praticamente uguali. 



Guide di luce 

Trasmissione della luce attraverso guide di luce 

Quando si accoppia uno scintillatore ad un fototubo la tentazione di 

adattare uno scintillatore di grossa area ad un piccolo fototubo è 

grande. In questo modo si risparmierebbe notevolmente (Ad 

esempio usando come rivelatori dei fotodiodi che costano 

pochissimo). 

Ma qual è l’efficienza di trasmissione della luce? 

L’efficienza di trasmissione della luce è limitata da: 

L’angolo di riflessione totale 

Conservazione dello spazio delle fasi (teorema di Liouville) 


Guida 

di 

Luce 

Scintillatore 

Θ 

α 1 

∆x 1 

φ α 2 

∆x 2 

Fotomoltiplicatore 


Guide di luce 

• Riflessione totale 

Per avere riflessione totale: 

sin Θ 

Se Θ è l’angolo limite di riflessione totale, la luce arriva al 

fototubo con un angolo massimo: 

α = π / 2 + φ − Θ 

2 

Poiché il massimo angolo di riflessione nella guida di luce 

è π/2, il minimo angolo dei raggi riflessi che arrivano al 

fototubo è φ, mentre i raggi diretti possono arrivare ad 

angolo 0. 

ne n 

Rivelatori di Particelle 28 

≥ 

n e=1 (aria) 

n= indice rifr. guida

Guida 

di 

Luce 

Scintillatore 

Θ 

α 1 

∆x 1 

φ α 2 

∆x 2 



Guide di luce 

• Conservazione dello spazio delle fasi 

Le traiettorie dei fotoni possono essere descritte come un punto nello spazio delle 

fasi con coordinate x e p=nsin(α) (con n = indice di rifrazione del mezzo e α 

divergenza angolare del fascio di luce.(*) 

All’ingresso della guida di luce la dimensione trasversa è ∆x 1 e se α 1 è l’angolo 

massimo di un raggio di luce l’elemento di volume nello spazio delle fasi è: 

∆x 1∆p 1=2∆x 1nsinα 1 

All’uscita della guida di luce l’elemento di volume è: 

∆x 2∆p 2=2∆x 2nsinα 2 

ma per il teorema di Liouville: 

∆x 1∆p 1=∆x 2∆p 2 

Un angolo massimo di accettanza α 2 all’uscita della guida comporta che solo raggi 

con un angolo di entrata 

sinα 1=(∆x 2/∆x 1)sinα 2 

si possono propagare nella guida di luce. 

Notiamo che anche nel caso che si abbia riflessione totale per tutti gli angoli (n=∞) una guida di luce con ∆x 1

Guida 

di 

Luce 

Scintillatore 

Θ 

α 1 

∆x 1 

φ α 2 

∆x 2 



Guide di luce 

Abbiamo visto che la riflessione interna totale permette un angolo 

massimo: 

per cui: 

e nell’ipotesi che φ

Barre di wavelength shifter (WLS) 


Guide di luce 

Per grandi aree si usano sbarrette di BBQ, Y7, K27. Assorbono sui 400nm e 

riemettono sui 500 nm. Hanno una lunghezza di assorbimento per lo spettro 

emesso (~500nm) fino a 10 m. 


Fibre (polistirene n=1.59) 


Guide di luce 



Guide di luce 

Conviene usare un cladding (guaina) con l’indice di rifrazione il più 

piccolo possibile per massimizzare la luce raccolta per riflessione totale. 



Guide di luce 

Le fibre sono spesso usate per ragioni di geometria in calorimetri a sampling. 



Scintillatori e guide di luce 

Calorimetro adronico di ATLAS 

Calorimetro adronico costruito da 

tegole di scintillatore (spesse 3mm) 

messe in una struttura di ferro 

(calorimetro a campionamento). 

Il calorimetro è spesso 2m e lungo 

11m (cilindro). 

Le tegole di scintillatore sono lette da 

entrambi i lati da delle fibre. 


Tracciamento con fibre scintillanti. 

Molto flessibili 

Elevata granularità 

Bassa massa 

Risposta rapida (ns) (se 

l’elettronica di read out e’ veloce) 

usate come trigger di primo 

livello 


Fibre scintillanti 

geometrie planari 

(end cap) 

geometrie circolari 

(barrel)

Lezione 16 Scintillatori - Fisica

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