IZOTÓPTECHNIKA,
DIAGNOSZTIKA
Néhány megjegyzés az ureges félvezetö radioanalitikai alkalmazásához
36. évfolyam 3-4. szám
detektorok
Bódizs Dénes, Jarosievitz Beáta, Molnár Zsuzsa, Zagyvai Péter BME Nukleáris Technikai Intézet
A környezeti minták radioaktivitásának meresere alkalmazott fúrtlyukas ("weil") és koaxiális félvezető detektorok eltérő felépftése lényeges méréstechnikai különbségeket eredményez. Összehasonlftó mérések alapján bemutat juk a ''weil'' detektorok előnyös tulajdonságait: hatásfokuk nagy, kényelmes és nem kritikus a forrás pozicionálása. Ugyanakkor az energiafelbontás gyengébb, mint a kompakt detektoroké, továbbá speciális problémák adódnak a hatásfok meghatározásában. Természetes radioaktivitás mérése során is szükséges a detektorban fellépő valódi koincidenciák figyelembevétele. A detektorok minősftésének általános szempontjaként adatokat közlünk a ''weil'' és Marinelli geometriában elérhető, radioaktfv koncentrációban kifejezett kimutatási érzékenységekről. NOTES ON THE RADIOANALYTICAL
APPLICATION
OF WELL·TYPE
SEMICONDUCTOR
DETECTORS
The structural diversity of weil-type and coaxial semiconductor detectors results in significant differences in their measuring properties. Advantageous features of weil-type detectors (high efficiency and suitable, insensitive positioning) are presented on the basis of comparative measurements. On the other hand, energy resolution is poorer than that of the compact detectors, and specific problems may be encountered with determination of counting efficiency. Attention should be payed to true coincidence events in weil-type detectors when measuring natural environmental radioactivity . As a general criterion of qualification, results are presented on detection sensitivities in terms of radioactivity concentrations, characteristic of weil-type and Marinelli geometry.
Bevezetés
Mérőberendezések:
Az utóbbi években a félvezető detektorok fejlesztése során kialakították az üreges szcintillációs detektorokhoz hasonló üreges (ún. "weIl" típusú), nagy tisztaságú Ge detektorokat. Intézetünkben mintegy 3 éve használunk ilyen típusú detektort. Eddigi tapasztalataink alapján, a következőkben néhány fontosnak ítélt méréstechnikai aspektusra kívánjuk a figyelmet felhivni. Az üreges és koaxiális félvezető detektorok eltérő felépítése lényeges méréstechikai különbségeket eredményez. Dolgozatunkban összehasonlít juk az üreges és a koaxiális félvezető detektorok néhány fontos méréstechnikai jellemzőjét.
Az összehasonlító méréseket a következő gammaspektrométerekkel végeztük: a) HP Ge üreges tipusú detektor (CANBERRA), relatív hatásfok: 20.5%, energia-felbontás: 1.95 keY, spektroszkópiai erősítő: CANBERRA 2020, analizátor CANBERRA S-lOO. b) HP Ge valódi koaxiális POP-TOP detektor (ORTEC), relatív hatásfok : 25.7%, energia felbontás: 1.92 keV, spektroszkópiai erősítő: ORTE C 572, analizátor: CANBERRANUCLEAR DATA AccuSpec B. A spektrumok kiértékelése (CANBERRA) software-rel történt.
SAMPO
90
109
Bódizs D. és mtsai., Néhány megjegyzés az üreges félvezetö detektorok radioanalítikai alkalmazásához
Hatásfok, energiafelbontás A HP Ge "weil" típusú detektorokkal (2. ábra) közel 4f1 mérési geometria valósítható meg, ami a valódi koaxiális HP Ge detektorhoz (1. ábra) képest a hatásfokot megnöveli. Az üreges detektor felületi rétege mintegy ezerszer vékonyabb, mint a valódi koaxiális detektoré. Ez az oka annak, hogy az üreges detektorok küszöbérzékenysége, 10-15 keY míg a koaxiális detektoroké általában nagyobb, mint 50 keY.
1. ábra HP Ge valódi koaxiális detektor geometriája Geometry of HP Ge "POP-TOP" coaxial detector
2. ábra HP Ge üreges ("weIl")detektor geometriája Geometry of HP Ge "weIl- type" detector
A "weil" tipusú detektornál az elektromos kontaktusok közötti távolság kisebb, mint ci koaxiális detektornál, ennek következtében a detektor-kapacitás nagyobb, ami az elektronikus zaj növekedéséhez vezet. Ezért az üreges detektorokkal elérhető energiafelbontás általában valamivel rosszabb, mint a hasonló paraméterekkel rendelkező koaxiális detektoroké.
Valódi koincidenciák Az üreges tipusú detektornál a valódi koincidenciák gyakran megnehezítik a pontos mennyiségi kiértékelest. Ez az effektus olyan radioaktív atommagok mérése során lép fel, amelyek magszerkezetük következtében ún. kaszkád bomlóak, azaz két vagy több gamma kvantum emissziója a detektor felbontási idején belül követi egymást. Méréstechnikai szempontból ez azt jelenti, hogy a gamma-spektrumban az egyes gamma fotonok energiájának megfelelő teljesenergia csúcsokból kimaradnak a kaszkád egy másik vonalával koincidens fotonoktól származó impulzusok, és
110
ehelyett megjelenik egy "új" teljesenergia csúcs a két vonal összegének megfelelő energiánál. Ez az effektus a sugárforrás és detektor közti távolság csökkenésével, és a totális hatásfok növekedésévei erősődik, és a véletlen koincidenciával ellentétben, független a számlálási sebességtől. A fenti jelenség jól illusztrálható, ha "weil" típusú félvezető detektorral, Co-60 sugár-forrásról gammaspektrumokat készítünk különböző forrás-detektor távolságokból. A 3. ábrán látható spektrum esetében a forrásdetektor távolság 100 mm, a 4. ábra spektrumánál pedig 5 mm volt.
IZOTÓPTECHNIKA, DIAGNOSZTIKA 36. évfolyam 3-4. szám
,--------------HCA _1 - -.. ..•nllh •.••• ·I& TaS NUlnhor Oead Time
:
SIon
103 11.047%
RfAl1 ri.>, t"",t A':1"ll~
f------------------------
Cur~ur ••2S07.9K"'V Cc..unts-77
flulU
2501
)r •.•v
IlIt-746
lio"'",. (-Il ~t"lt.,..t
l', ..•·f,(1 5"'"1 weil : ","l"'T'TT" Hav : lu .• 20 /l.rr
HP ae 1993 @ 1993 @ 2/2
lu ::~IZ or •.. ·v ~..:..:.;.~. ~~~
17:05: 1& 16:36:22
:lOO-
r~ .•••t(L!;.) .•. ~~~~(L~.)-
2S6K
250.00 250 00
3. ábra Teljesenergiacsúcs gammaspektrumban 100 mm távolságnál, weil detektorban Coincidence peak of v-spectrum in weil detector at 100 mm distance ,-------------------------, HCA To::) tlul"lH~r O.ad TI.ne
••.1 - Canl •."ra : 102 : 2.07~
SJOll
-
(lInt1tl~d) Plútt •••t On A'~'llIlr •• ~t~utild
l'~-60 10011\11\ w~ll HP Oe : lI.llnn-Ray 1993 @ 1&:58:48 Tuo lD Apr 1993 t! 15:54: ••7 V'2
Curaor-2507.9KeV Counta-12
lnt
froI"42501.)Il.eV •. llS
To 2S12.0Y,,"V Aroa-lOa+-16.99%
P98t(Le)Elap(UOI)-
:tOO-
256K
2000.00 2000.00
4.ábra Teljesenergia CSÚCS gammaspektrumban 5 mm távolságnál, weil detektorban Coincidence peak of y-spectrum in weIl detector at 5 mm distance A mérési időket úgy választottuk meg, hogy az 1333 keV -es csúcs területe a két spektrumban közel azonos legyen. Megfigyelhető, hogy a Co-60 két gamma energiájának összegénél, 2506 keY-nél megjelenő csúcs az 5 mm-es távolságnállényegesen intenzívebb: (Az impu\zusszám logaritmikus léptékű!) Ha a koincidenciás csúcsok területéből aktivitás koncentrációt akarunk számítani,
korrekciót kelJ alkalmazni, me ly a valódi koincidenciák természetéből eredően izotóp- és detektorfüggő. Annak eldöntésére, hogy mikor van erre a korrekcióra szükség, egy viszonylag egyszerű módszer alkalmazható. Méréseket végeztünk Eu-152 sugárforrással, egyre növekvő detektor-forrás távolság melJett. Az Eu-152 -ről közismert, hogy spektruma számos valódi koineidenciát mutató
III
/ Bódizs D. és mtsai., Néhány megjegyzés az üreges félvezető detektorok radioanalítikai
vonalat és ugyanakkor intenzív, koincidenciát nem mutató gamma-vonal at is tartalmaz. Az eredményeket az 5. és a 6. ábrákon foglaltuk össze. Az alkalmazott detektor forrás távolságok 5, 50, és 100 mm voltak. A teljesenergiacsúcs területeket a 100 mm-es, azaz a koincidencia mentesnek tekinthető távolságra
alkalmazásához
norrnáltuk. Képeztük a Q = (n(E, h»/(n(E, 1(0) arányt ahol n(E,h) a csúcs számlálási sebessége az E energiájú gamma vonalnál és h=5 mm ill. h=50 mm távolságnál. Ábrázoltuk a Q = f(E) függvényt. "weIl" (6. ábra), és koaxiális (5. ábra) detektorral mérve.
PopTop detektor
(Eu-152)
~~ i--_··'--·--r--·-T- --;-,. ---'-1---' --;--1
14 12 O
••
1,.
I ;.
I
10
Ok,.i
:. 4
+
I
"''''
ill! I ' + + ++ ++
+
i'
.)
.
!
I
1,
I
: -
I
I
+
I
+'
I :
+
I
I
, +
['
il<
i
I ,.
I I
-,
!+
•.•.
I
+
+
~--1--1-.;---- :._.-.~~ L--l-O
200
400
600
800 1000 1200 1400 1600 E(keV) 5 mm
+
50mm
5. ábra Koincidencia korrekció koaxiális detektorral (Eu-152) Correction for coincidence withcoaxial detector (Eu-152)
WELL detektor (Eu-152) ' I
14 12
••
1~.
~'--~I---'
I I
,. ~~
O 6
I
I I
h", ,. .. ~II. . = ~.
f
J
II
I
4
i I
I
I
I
,
I
ill
I i
~.t---+-t-+-+-++-i~+ ~~-+-L
O
200
400
600
800 1000 1200 1400 1600 E(keV) 5mm
+
50mm
6. ábra Koincidencia korrekció üreges detektorral (Eu-152) Correction for coincidence with "well-type"detector (Eu-152)
Az ábrákon látható, hogy a h=50 mm-es távolságon a 100 mm-re vonatkoztatott intenzitásarány közelitőleg energiafüggetlen. Ez azt jelenti, hogya koincidenciák még itt sem jelentősek. Ezzel szemben a h = 5 mm-es távolságnál a csúcsterület-arányok jelentős szórását láthatjuk a koincidenciák következtében. Ezzel az egyszerű eljárással eldönthető, hogy egy vonalas spektrum esetében milyen energiájú csúcsok területeiből lehet a kiértékelést bonyolult vagy különleges méréstechnikai elemeket igénylő koincidencia korrekció nélkül elvégezni.
112
IZOTÓPTECHNIKA,
DIAGNOSZTIKA
36. évfolyam 3-4. szám
Érzékenység
Természetes radioaktivitás merése
Az üregre vonatkozó hatásfok hozzávetőlegesen egy nagyságrenddel nagyobb, mint a Marinelli geometriában. Ez azonban nem jelenti azt, hogy az alacsony aktivitású mintákat minden esetben célszerű az üregben mérni. Marinelli edényben nagymennyiségű homogén vizsgálati anyagnál a radioaktív koncent-rációra vonatkozó érzékenység akár egy nagyság-renddel is jobb lehet, éppen a nagyobb minta-mennyiség következtében. Kis gamma energiáknál fokozottabban kell figyelembe venni a mintában bekövetkező önabszorbciót.
Az előbbiekben ismertetett módszerrel méréseket .végeztünk csempemáz természetes eredetű radioaktivitásának meghatáro-zására is. A 7. ábrán az előbbiekhez hasonlóan a 100 mm távolságban elhelyezett minta (Petri-csészében, m=36 g) esetében kapott csúcsterületekre vonatkoztatott területarányokat mutatjuk be, míg a 8. ábrán a detektor üregéb en mértek et. Látható, hogy h=5 mm-es távolságnál jelentős a területarányok szórása a koincidenciák következtében, és felismerhetők azok az energiák, ahol korrekció szükséges (2448, 2204, 1764, 1577, 1120, 934, és 609 keY).
Weil detektor (csempe) 16
,
14 12
1······
10
a
8 6
+
+ +
1·······
+:
4
+
+
+
+ +
2
*'
00
500
+
""
"".
*'
""
*'
""
1500 1000 E(keV)
5mm
*'
'* 2000
*' 2500
50mm
7. ábra Csempeminta gammaspektruma üreges detektorral 100 mm távolságban Gammaspectrum oftile sample with weil detector (distance 100 mm)
113
~C------------------------------------------------------------------------------------------------
Bódizs D. és mtsai., Néhány megjegyzés az üreges félvezető detektorok radioanalítikai alkalmazásához
Weil detektor (csempe üregben)
500~---------------------------' !
450---------
350
O
._
,
400 -------------. _L
. _.-I--~---_.- __ ;
----t-----------;..-----------. i
.
--f-------.
----
i
,
-------------!.------ .
•••. i
!
I
I
!
I
;
l
300 ----i------i------t-------~--250 ----~-----------, ----------------,-----
---i; ....----:-----:--~-;---~--l--.•..---150----!--~-.... ~~-------i-----r---- --.'
200 -
1000
:
500
I
(
1000
1500
i
2000
2500
E(keV) 8. ábra Gammaspektrum a detektoriiregben elhelyezett csempemintán Gammaspectrum of tile sample with weil detector (distance O mm)
Következtetések: Eredményeink alapján az üreges félvezető detektorok előnyösen alkalmazhatók kis aktivitású és alacsony gamma energiákat emittáló minták mérésére.
(Érkezett:: 1993.09.23.)
114
