1. Definizione e Principio
Gli scintillatori sono materiali che sono in grado di convertire le radiazioni ad alta energia come i raggi X o gamma in una luce quasi visibile o visibile. Sono ampiamente utilizzati come rivelatori nella diagnostica medica, nella fisica delle alte energie e nell’esplorazione geofisica (rif. Knoll). Gli scintillatori possono essere gassosi, liquidi o solidi, organici o inorganici (vetro, cristallo singolo, ceramica). I rivelatori basati sugli scintillatori (fig. 1) sono essenzialmente composti da un materiale scintillatore e da un fotorivelatore che può essere un tubo fotomoltiplicatore (PMT) o un fotodiodo. Il ruolo del fotorivelatore è di convertire la luce in uscita dallo scintillatore in un segnale elettrico.
I tubi fotomoltiplicatori sono i fotorivelatori più comuni, e sono composti da un fotocatodo seguito da una serie di dinodi come mostrato in figura 1. Il fotone di luce colpisce il fotocatodo, facendogli emettere un fotoelettrone. I fotoelettroni sono focalizzati sul primo dinodo. Questo produce elettroni che vengono moltiplicati al secondo dinodo, e di nuovo al terzo, lungo tutta la catena. Il segnale amplificato viene poi raccolto all’anodo e passato ai circuiti di misura. Il segnale elettrico ottenuto è proporzionale al numero di fotoelettroni, Nphe.

Figura 1: Schema di un rivelatore a scintillazione che comprende un materiale di scintillazione accoppiato a un tubo fotomoltiplicatore.
2. Meccanismo dello scintillatore
Il fenomeno fisico della scintillazione è un processo complesso che può essere diviso in tre sottoprocessi principali (fig. 2): Conversione, trasferimento di energia e luminescenza. L’interazione di una radiazione elettromagnetica con la materia avviene attraverso tre meccanismi: Effetto fotoelettrico, scattering Compton e creazione di coppie elettrone-positrone a seconda dell’energia della radiazione incidente. L’effetto fotoelettrico e lo scattering Compton sono meccanismi dominanti per energie basse (sotto i 100 keV) e medie (tra 100 keV e 1 MeV) rispettivamente. Per energie superiori a 1,02 MeV, l’interazione della radiazione con la materia è governata dalla creazione di coppie elettrone-positrone.

Figura 2: Meccanismo di scintillazione. (Immagine di M. Nikl)
Quando la radiazione viene assorbita dal materiale dello scintillatore, c’è una creazione di coppie primarie di elettroni-hole che genera coppie secondarie per un effetto a cascata. Quando l’energia delle eccitazioni elettroniche diventa inferiore alla soglia di ionizzazione, avviene la termalizzazione. Alla fine di questa fase, tutti gli elettroni sono in fondo alla banda di conduzione e i buchi in cima alla banda di valenza. Questa prima fase si conclude in meno di un picosecondo.
Dopo la fase di termalizzazione, le coppie di elettroni buchi liberi migrano attraverso il materiale in modo da trasferire la loro energia ai centri luminescenti. Il trasferimento di energia è molto rapido e può essere fatto in 10-12 a 10-8s. Una volta che il trasferimento di energia è fatto, l’ultimo stadio della scintillazione, cioè la luminescenza, ha luogo. La durata della luminescenza dipende dai centri luminescenti e può durare più di 10-10s.
L’energia del fotone emesso è un parametro importante che permette di differenziare i radioisotopi. Infatti, l’energia dei fotoni emessi è legata all’energia della radiazione in arrivo. A seconda della natura di questa relazione, si può essere in grado di determinare la fonte radioattiva. Nel caso dei materiali scintillatori, l’effetto fotoelettrico è da favorire perché tutta la radiazione in arrivo è assorbita dal mezzo. L’effetto Compton genera fotoni con meno energia che portano a fonti di errore. Per aumentare la probabilità che l’effetto fotoelettrico si verifichi, si preferiscono materiali con un alto numero atomico Z e un’alta frazione fotoelettrica. La frazione fotoelettrica è la proporzione di fotoni in arrivo che interagiscono con la materia per effetto fotoelettrico.
3. Caratteristiche degli scintillatori.
– Resa luminosa (fotoni/MeV): Numero di fotoni emessi per energia assorbita.
– Risoluzione energetica (%): Capacità di un materiale di discriminare tra due radiazioni di energie leggermente diverse.
– Tempo di decadimento (s): Cinetica della risposta luminosa I(t) caratterizzata da tau.
– Afterglow: Emissione di luce residua che si verifica dopo il tempo di decadimento primario dei centri luminescenti principali.
– Potere di arresto: Coefficiente di attenuazione della radiazione assorbita, per un dato spessore di un materiale.
4. Fabbricazione di scintillatori.
Fino a poco tempo fa, gli scintillatori inorganici sono in forma di cristalli singoli. Questi sono tipicamente prodotti con tecniche di crescita dalla fusione come il metodo Czochralski o Bridgman-Stockbarger.

Figure 3 & 4. L’apparato Czochralski (sinistra) e il forno Bridgman-Stockbarger (destra).
L’apparato Czochralski è mostrato nella figura 3. Si attacca un cristallo di seme alla parte inferiore di un braccio verticale in modo che il seme sia a malapena in contatto con il materiale sulla superficie della colata. Il braccio viene sollevato lentamente, e un cristallo cresce sotto l’interfaccia tra il cristallo e la massa fusa. Di solito il cristallo viene ruotato lentamente, in modo che le disomogeneità nel liquido non vengano replicate nel cristallo. Sulla base delle misurazioni del peso del cristallo durante il processo di estrazione, gli apparati controllati dal computer possono variare la velocità di estrazione per produrre qualsiasi diametro desiderato. Mentre il seme viene estratto, il materiale si solidifica e alla fine viene prodotta una grande boule circolare. Il metodo Czochralski è solitamente usato per materiali con un alto punto di fusione.
L’apparato Bridgman-Stockbarger è mostrato in figura 4. Il metodo comporta il riscaldamento di un materiale policristallino in un’ampolla sigillata, che ha una forma cilindrica con un’estremità inferiore conica. I riscaldatori mantengono lo stato fuso. Quando l’ampolla viene abbassata lentamente in una regione più fredda (regione blu), un cristallo inizia a crescere nella punta conica. L’ampolla viene abbassata a una velocità che corrisponde alla crescita del cristallo, in modo che l’interfaccia tra il cristallo e la massa fusa sia sempre alla stessa temperatura. La velocità di spostamento dell’ampolla dipende dalla temperatura e dal materiale. Quando si riesce, l’intero materiale fuso nell’ampolla cresce in un unico grande cristallo. Uno strato di impurità cresce all’interfaccia tra il fuso e il solido man mano che questa superficie risale il fuso, e le impurità si concentrano nella parte più alta del cristallo. Questo metodo è adatto a materiali con un basso punto di fusione e sensibili all’aria come lo Ioduro di Stronzio.
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