caratterizzazione di scintillatori plastici con taglio custom per un polarimetro ad effetto compton
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Caratterizzazione di scintillatori plastici con tagliocustom per un polarimetro ad effetto Compton
Armando Brandonisio Federica Duras
Dipartimento di FisicaUniversita di Roma, La Sapienza
26 Gennaio, 2015
Introduzione Polarimetria X e rivelatori Strategia di misura Risultati Sperimentali Prospettive future Bibliografia
Introduzione
Polarimetro basato sullo scatteringCompton
Fisica del sistema:
1 interazione fotone X bacchetta discintillatore
2 produzione fotoelettroni rivelati dalMAPMT
3 fotoni Compton raccolti dall’assorbitoree rivelati dal MAPMT
Finalita del lavoro: confronto resaluminosa di bacchette con taglio custom ebacchette di riferimento
Armando Brandonisio Federica Duras Dipartimento di Fisica. Universita “La Sapienza”, Roma
Caratterizzazione di scintillatori plastici con taglio custom per un polarimetro ad effetto Compton
Introduzione Polarimetria X e rivelatori Strategia di misura Risultati Sperimentali Prospettive future Bibliografia
Polarimetria in astrofisica dei raggi X
Polarimetria in astrofisica dei raggi X
La misura del grado di polarizzazione dei fotoni X provenienti da sorgentiastronomiche offre nuovi elementi di studio per la verifica di modelliteorici di astrofisica e costituisce uno strumento per valutare la natura ele caratteristiche dell’emissione osservata.
Radiazione polarizzata:
Processi non termici
Ciclotrone
Sincrotrone
Bremsstrahlung non termica
Scattering in geometrie asferiche
Scattering Thomson
Scattering Compton
Compton inverso
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Introduzione Polarimetria X e rivelatori Strategia di misura Risultati Sperimentali Prospettive future Bibliografia
Polarimetria in astrofisica dei raggi X
Sorgenti X da cui ci si aspetta un’emissione polarizzata
Pulsar Wind Nebulae (PWNe)
Pulsar (PSR)
Stelle di neutroni isolate (INS)
Binarie X (XRB)
MicroQuasar (µQSO)
Nebulose a riflessione (RN)
Nuclei galattici attivi (AGN)
Variabili cataclismiche (CVs)
Lampi gamma (GRB)
ecc...
Unica sorgente polarizzata rivelata: Crab Nebula
OSO-8 PL = (19.22± 0.92)%,φ = 155.8 ± 1.4 @ 2.6 keV e 5.2keV (Weisskopf et al. 1978)
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Interazione dei fotoni X
Effetto Fotoelettrico
Emissione di un fotoelettrone dopo l’assorbimento di un fotone:
Energia assorbita dal fotone:
Ee− = hν − Eb
Sezione d’urto
σ ' Z n
E 3.5γ
(4 < n < 5)
Fenomeno dominante nel rangedi energie da 0 a 150 keV
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Interazione dei fotoni X
Scattering Compton
Fotone incidente su un elettrone atomico
Energia del fotone scatterato:
E ′γ =Eγ
1 +Eγ
mec2(1− cos θ)
Energia dell’elettrone:
T = hν−hν′ = hνγ(1− cos θ)
1 + γ(1− cos θ)Armando Brandonisio Federica Duras Dipartimento di Fisica. Universita “La Sapienza”, Roma
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Interazione dei fotoni X
Sezione d’urto Klein-Nishinadalla teoria relativistica dell’elettrone di Dirac(Klein-Nishina):
dσ
dΩ=
r2e
2
E ′2
E 2
[E
E ′+
E ′
E− 2 sin2 θ cos2 φ
] Scattering Thompson
dσ
dΩ=
1
2
(1 + cos2 θ
)r 2e
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Polarimetri X
Polarimetri XIl polarimetro e un dispositivo che produce un segnale modulato, sul pianoperpendicolare alla direzione di propagazione del fascio di radiazione.
Fisica dei polarimetri X: diffrazione di Bragg, effetto fotoelettrico, scattering.
Polarimetri Compton:
rivelatore: basso Z
calorimetro: alto Z
Segnale modulato:C(η) = A cos
(2(η − ϕ+ π
2
))+ B
Fattore di modulazione:
µp =Cp,max − Cp,min
Cp,max + Cp,min=
A
(2B + A)
Polarizzazione: P =µp
µ100
Polarizzazione minima misurabile:
MDP(99%) = 4.29µ100Rsrc
√Rsrc+Rbgd
T
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Polarimetri X
Polarimetri Compton
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Scintillatori
Scintillatori
Resa luminosa: fotoni ottici / energia depositata.L’intensita della radiazione decade (fluorescenza) come:
I = I0e− t
τ
Scintillatori Organici:
L’energia trasferita da una particellacarica eccita i livelli energeticielettronici della struttura molecolare.Dalla diseccitazione sono prodottifotoni ottici.
Scintillatori Inorganici:
cristallo dopato
la particella carica eccita glielettroni della banda diconduzione
le lacune formatesi ionizzano gliatomi attivatori
la diseccitazione produce fotoniche viaggiano indisturbati nelcristallo. (E < Elegame).
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Scintillatori
Propagazione dei fotoni ottici
I fotoni ottici vanno trattati facendo uso delle leggi alla base dell’otticageometrica.
Coefficienti di riflessione:
R⊥ =
(ncosi − µ
µ′
√n′2 − n2sin2i
ncosi + µµ′
√n′2 − n2sin2i
)2
R‖ =
(n′2cosi − µ
µ′
√n′2 − n2sin2i
n′2cosi + µµ′
√n′2 − n2sin2i
)2
Coefficienti di trasmissione:
T⊥ = 1− R⊥ , T‖ = 1− R‖
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Scintillatori
Fotomoltiplicatori multianodo (MAPMT)
I fotomoltiplicatori sono dispositivi che trasformano un segnale luminoso
incidente in un segnale elettrico.
Componenti:
fotocatodo: emette elettroni pereffetto fotoelettrico
dinodi: producono per estrazioneelettroni secondari
anodo: elettrodo di raccolta deglielettroni secondari
Vantaggi MAPMT:
localizzare fotoni incidenti sulfotocatodo
maggior numero di segnali rispettoa un PMT
esperimenti di grande area
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Strategia di misura
Range energetico dei raggi X
Obiettivo: operare nella banda dei raggi X duri per poter sviluppare unesperimento utilizzabile su satellite.
Flusso sorgenti X segue unalegge di potenza.Es. Crab Nebula (5-100 keV):
dNγdE
= 10E−2.05 photons
cm2 s keV
Tra 1 e 5 keV forteassorbimento polvere
Scattering Compton dominanteper energie superiori ai 20 keV
A energie piu basse polarimetribasati sull’effetto fotoelettrico
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Strategia di misura
Scelta dei materiali per la scintillazione
scatteratore: basso Z (Es.: H,Z=1)
assorbitore: alto Z (Es.: C,Z=6)
spettro fotoni emessi dalloscintillatore confrontabile conspettro di assorbimento delPMT
scintillatori inorganici spessoigroscopici
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Strategia di misura
Determinazione della raccolta di luce a varie altezze dellostadio a diffusione
I fotoni ottici generati (Compton) hanno una probabilita di essereriassorbiti dagli atomi della bacchetta stessa.
Cammino ottico medio : λ = 1nσ BC-404: λ ' 1m
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Esperimenti
Prima Parte
Misure con LaBr3(Ce)
Rivelatore BrilLanCe 380 pereffettuare misurazioni di emissioni Xdi sorgenti note: 241Am, 109Cd e55Fe.
Seconda parte
Misure con BC-404
Analisi di uno scintillatore plastico(BC-404) studiando la resa luminosadi bacchette di diversa dimensione elavorazione.Studio della dispersione lungol’altezza della bacchetta.
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Misure con LaBr3(Ce)
Misure con LaBr3(Ce)
Cristallo cilindrico LaBr3: spessore 2.5mm, ∅ = 2.54cm.Finestra di Berillio spessa 220µm.
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Misure con LaBr3(Ce)
Setup Sperimentale
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Misure con LaBr3(Ce)
Definizione range operativo
E necessario conoscere l’intervallo di massima efficienza del rivelatore e lacomponente della corrente di buio con eventuali rumori.
Trasparenza di un elemento rispetto ad una radiazione di energia E:
T (E ) = e−ρδσtot(E)
Assorbimento:A(E ) = 1− e−ρδσphot(E)
Efficienza del rivelatore:
ε(E ) = T (E ) · A(E )
Conoscendo la densita del Berillio (1.848g/cm3) e del LaBr3(5.08g/cm3) e possibile stimare le sezioni d’urto in funzione dell’energia.
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Misure con LaBr3(Ce)
Sezioni d’urto
Berillio LaBr3
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Misure con LaBr3(Ce)
Efficienza BrilLanCe 380
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Introduzione Polarimetria X e rivelatori Strategia di misura Risultati Sperimentali Prospettive future Bibliografia
Misure con LaBr3(Ce)
Calibrazione del circuito
Energia(keV ) = A + B · canaleArmando Brandonisio Federica Duras Dipartimento di Fisica. Universita “La Sapienza”, Roma
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Misure con LaBr3(Ce)
Risultati del fit
A = (1.97± 0.82) keV
B = (0.141± 0.002) keV /canale
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Misure con BC-404
Misure con BC-404
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Misure con BC-404
Setup sperimentale
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Misure con BC-404
Setup sperimentale - Collimatore
Diametro foro collimatore: ∅ = 4mmDiametro sorgenti: ∅Cd = 5mm ∅Am = 1mm
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Misure con BC-404
Setup strumentale
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Misure con BC-404
Definizione range operativo - Sezioni d’urto BC-404
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Misure con BC-404
Definizione range dinamico
E necessario scegliere il guadagno dell’amplificatore in modo che ilfotopicco sia all’interno dell’intervallo dinamico del MCA.
Intensa sorgente luminosa: 241Am diluito in BC-400. (Particelleα = 5.485MeV )
Range dinamico MCA: 0-10 V.
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Misure con BC-404
Setup elettronico
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Misure con BC-404
Calibrazione cirtuito
La calibrazione del circuito e utile per ricavare i fotoelettroni relativi aifotopicchi, in modo da ottenere il numero di fotoni che arrivano sulfotocatodo.Per effettuarla, abbiamo simulato i segnali prodotti dal PMT mediante ungeneratore di impulsi di diversa ampiezza e li abbiamo inviati all’ingressodi test del preamplificatore SILENA-207.
Conversione Tensione (V) - Carica (pC)
Q = VT · CT
I punti sperimentali sono poi stati fittati con una funzione lineare:
Carica (pC) = A + B ∗ canale
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Misure con BC-404
Risultati dei fit
A = (0.5± 0.2) pC ; B = (6.6± 0.1) · 10−2 pC/canale
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Misure con BC-404
Analisi bacchetta di riferimento (Saint-Gobain)
Caratteristiche: h = 30mm, ∅ = 5mm, wrapping= VM-2000 + Teflon.
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Misure con BC-404
Analisi bacchette con taglio su misura
Caratteristiche:2 lunghezze: 30mm e 60mm
2 tagli: lucidato (polished) erugoso (rugged)
con e senza wrapping (Teflon)
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Misure con BC-404
Bacchette 60 mm
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Misure con BC-404
Bacchette 30 mm
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Misure con BC-404
Confronto della resa luminosa
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Misure in coincidenza
Efficienza di tagging
εtag =Rcoinc − Rspcoinc
Rtop − Rbkg
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Stima efficienza di tagging e confronto
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Bibliografia1 C. Weisskopf, E. H. Silver, H. L. Kestenbaum, K. S. Long, and R. Novick. A
precision measurement of the X-ray polarization of the Crab Nebula withoutpulsar contamination. ApJ, 220:L117, 1978.
2 J. Dean, D. J. Clark, J. B. Stephen, V. A. McBride, L. Bassani, A. Bazzano, A.J. Bird, A. B. Hill, S. E. Shaw, and P. Ubertini. Polarized Gamma-Ray Emissionfrom the Crab. Science, 321:1183, 2008.
3 Sergio Fabiani, Riccardo Campana, Enrico Costa, Ettore Del Monte, FabioMuleri, Alda Rubini, Paolo Soffitta. Characterization of scatterers for an activefocal plane Compton polarimeter. arXiv:1301.1161 [astro-ph.IM], 2013.
4 Sergio Fabiani, Riccardo Campana, Enrico Costa, Ettore Del Monte, FabioMuleri, Alda Rubini, Paolo Soffitta. Characterization of scatterers for an activefocal plane Compton polarimeter. arXiv:1301.1161 [astro-ph.IM], 2013.
5 P. Soffitta, E. Costa, F. Muleri, R. Campana, E. Del Monte, S. di Cosimo, Y.Evangelista, S. Fabiani, M. Feroci, F. Lazzarotto, A. Rubini, R. Bellazzini, A.Brez, M. Minuti, N. Omodei, M. Pinchera, M. Razzano, C. Sgro, G. Spandre, A.Argan, and G. Matt. A set of x-ray polarimeters for the New Hard X-ray Imagingand Polarimetric Mission. In Proc. of SPIE, volume 7732 of Presented at theSociety of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE) Conference, page77321A, 2010.
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