Gyors neutronok detektálási technikái Részecske-, mag- és asztrofizikai laboratórium
Hegedüs Dávid, Kincses Dániel, Rozgonyi Kristóf ELTE TTK Fizikus MSc I.
Mérés ideje: 2016. má jus Mérésvezet®: Horváth Ákos
1.
Bevezetés
A mérés során összeállítottunk egy mérési elrendezést (1. ábra), amely segítségével neutronokat és gamma fotonokat tudunk detektálni. A mérés f® elemei egy nagyfeszültség-generátor, egy NE213 és BC501 típusú folyadékszcintillációs detektor, és egy oszcilloszkóp. A 252 Cf forrásból kilép® gamma fotonok és gyors neutronok oszcilloszkópon érzékelt jelalakja igen hasonló, a mérés célja egy saját jeldiszkriminációs program megírása, amellyel megkülönböztethet®vé válnak a neutron és gamma jelek. 2.
A mérés leírása
A folyadékszcintillációs detektor anyaga aromás gy¶r¶ket tartalmaz, amelyek különböz® féle képpen gerjeszt®dnek különböz® sugárzások/bejöv® részecskék hatására. A különböz® gerjesztések más id®állandóval gerjeszt®dnek le, emiatt az oszcilloszkópon látható feszültség jelalakok karakterisztikája különböz® lesz. A jel amplitudója energiával arányos, míg a szélessége illetve a lecsengés karakterisztikája a szcintillációt okozó részecske típusára jellemz®. A mérés során 1800 V nagyfeszültséget használtam. A beütések jeleit fotoelektronsokszorozó er®sítette fel, majd egy 50 Ω-os ellenálláson keresztül oszcilloszkópra kerültek. Az oszcilloszkópról egy pendrive-ra mentettem ki a jelalakokat, összesen 1000 darabot. Az elmentett jelalakokat C++ és ROOT segítségével dolgoztam fel.
1. ábra. Mérési elrendezés
1
3. 3.1.
Adatfeldolgozás A nyers adatfájlok
Az oszcilloszkópról kimentett nyers adatfájlok .CSV kiterjesztés¶ek, kett® oszlopból állnak amelyek vessz®vel vannak elválasztva, és van két sor fejléc, valamint 450, nanoszekundumonként rögzített feszültségérték. El®ször egy shell script segítségével mind az ezer fájlból kitöröltem az els® két sort, illetve a vessz®ket szólözre cseréltem, így az adatfájlok alkalmassá váltak ROOT segítségével történ® feldolgozásra. 3.2.
Az adatfájlokat feldolgozó ROOT script
Els® lépésként a TGraph típusú ROOT objektumba beolvasott adatfájlokat átkonvertáltam TF1 típusúvá, azaz folytonos függvénnyé, így bármely pontban meghatározható a feszültségérték (ez a pontosabb területszámítás miatt volt szükséges). Ezután az összes jelalakot egymásra ábrázoltam, ez látható a 2. ábrán. Látszik, hogy az adott nagyfeszültség mellett a jelalakok amplitudó maximuma körülbelül -2.5 V, valamint vegyesen mindenféle különböz® szélesség¶ és amplitudójú jel szerepel az ábrán.
2. ábra. Az összes jelalak áttekint® ábrája
2
Ez után következett a jelalak diszkrimináció. Egy ismert eljárást, a késleltetett vs. teljes integrál módszert alkalmaztam [1, 2, 3]. Ennek lényege, hogy kiszámoljuk egy adott jelalak esetén a jel teljes integrálját (Total Pulse Integral - TPI), illetve a lecseng® rész integrálját (Delayed Pulse Integral - DPI), és egy kétdimenziós ábrán pontokkal jelölve ábrázoljuk az összes jelalakot. A lecseng® rész integrálját úgy de niáltam, hogy a kezd®pont a minimumtól jobbra az az id®pillanat legyen, ahol a függvényérték az amplitudó 1/3-a (több különböz® értéket kipróbálva ezt találtam a legmegfelel®bbnek). Az így létrehozott kétdimenziós ábrán a gamma fotonokhoz és neutronokhoz tartozó jelalakok szét kell hogy váljanak, ahogy az jól látszik a 3. ábrán. Ezután egy szubjektív de níció szükséges a jelek szétválasztására, amelyet az alábbinak vettem: Ha 4.1·DPI - 10−8 < TPI vagy TPI > 8·10−8 akkor a jelalak gamma fotonhoz tartozik, egyébként neutronhoz.
3. ábra. A jelalakok diszkriminációja Ezek után a jelalakok átlagolása következett, ehhez el®ször lenormáltam a jeleket az amplitudújukkal (4. ábra), összetoltam ®ket a minimum el®tt a csúcs feléhez tartozó pontba (5. ábra), majd külön-külön átlagoltam a neutron és gamma jeleket (6. ábra). Látszik, hogy 65-70 ns körül van egy visszaver®dés, ez jobb csatlakozásokkal, másfajta ellenállással kiküszöbölhet® lenne, ezzel a mérési összeállítással ez a legjobb amit ki lehetett hozni. Szépen látszik az id®állandók különböz®sége, azaz a neutron és gamma jelek elkülönülése. 3
4. ábra. A normált jelalakok
5. ábra. A normált és összetolt jelalakok 4
6. ábra. Az átlagolt jelalakok
Hivatkozások
[1] Izsák Rudolf, A 6 He(p,n)6 Li töltéskicserél® reakció kísérleti vizsgálata http://atomfizika.elte.hu/akos/tezisek/szd/izsakrudi_szd.pdf
[2] Azaree Lintereur et. al, Neutron and Gamma Ray Pulse Shape Discrimination with Polyvinyltoluene [3] S. Marrone et. al, Pulse shape analysis of liquid scintillators for neutron studies
5
