Halad6 szintii hallgat6i laborat6rium
Nukleriris fizikai m6rdsek
Sziklai JSnos - Pdlla Gabriella
19 9 3
NUKLNAnTs FIZIKAI MERESEK
1 Beve zet6,s
Az atommagok szerkezeti adataira - magdilapotok energi6j 6ra, nir'6 sz6less6g6re,spin 6s paritds6ra, 6lettartam6ra, hullimfiiggvdny6re - vonatkoz6 inform6ci5k hordoz6i a k6rd6ses rillapotb5l emittLlt rl.szecskdk , magsugiirz:isok energiaeloszldsa (energiaspektruma), szogeloszl6sa, szcigkorrel6ci6j a, az ilIlapotok bomldsm6dj a stb. A fllvezeto detektorok az elmrilt kdt |vtized folyam6n forradalmasitott6k a kis6rleti magfizikai, magspektroszk6piai mdr6stechnik6t. N6hdny keV elektronenergid.tol n6hriny 100 MeV neh6.zion energidig terjedo tartomdnyban nyertek sikeres alkalmazdst foleg a hagyomdnyos detektorokn6l (giztoltdsu kamrdk, szcintiiirici6s detektorok, stb.) l6nyegesen jobb energiafelbontdsuk, energia - impulzusamplitud6 frigg6siik sz6les tartomdnyon va15 linearitdsa miatt. A nragsugd"rzdsokegy-eg1'tipikus k6pvisekij6nek, az cr-ri.szecske6s a sernleges 7 szilicium 6s germd"nium fllvezetcj detektorokkal val6 6szlel6s6n alapui6 feladatokra korldtoz
1.1FELADAT: a-spektroszk6pia feltilett zir6r6,tegesdetektorokkal - Spektroszk6piai m6rcjl6nc ossze.{,llitasa - Eg1'szeru a-spektrum felvetele 6s energiakalibrzici6impulzusgenerdtor segitsigevel, az energiafelbontils m6r6se - Isnr.ereilen a-forrds energia, szerinti analizise - I{alibrd"cio h5"rom o-csoporttal - Spekt rumnyrij tas ablakerositovel - a-reszecsk6k dE/dr m6rise r'6kony foli6kban, adott anyag osszet6telii folia vastags6giinak meghatdrozdsa - a-r6.szecske dE/dr m6r6se gd.zban Nagyfeibont6sf 7-spektroszk6pia Ge(Li) detektorral \ - 7-spektroszk6piaim6rcil6ncossze6llitasa - Energiakalibr 5"ci6 - Ge(Li) detektor energiafelbontis6nak m6r6se - Co-60 6s Cs-137 forrds energiaspektrumd.nak analfzise - Ismeretlen 7-forrds energia szerinti analfzise - Nagl'energizijri 7-sug6rz6s vizsg6lata - I{iszok6si csircsok Ge(Li) detektorban
1.prEMATERir,nr' - R6dioaktiv bomlds, a- 7-emisszi6 - Toltott r6szecskdk 6s 7-kvantumok anyaggal val6 kolcsonhatdsa - F6lvezet6 detektorok mrikod6se
1.3 IRODALOM: - Gyorgyi G6za:Elm6letiMagfizikaMuszakil{iad6, 1961 - W. Hornyak: Nuclear Spectroscopy,Acad" Press, N.Y. 1975 - Deme Sdndor: F6lvezet6 detektorok magsugarz6s m6r6s6re,Mr.iszaki Kiad6,1961 Ajrinlott: - F. Ajzenberg - Selove: Nuclear Spectroscopy, Part A; Acad. Press N.Y. 1960 - G. F. Knoll: Radiation Detections and Measurements, John Wiley, N.Y. 1979 - G. Deconninck: Introduction to radioanaliiical Physics, Akaddmiai Kiadd, Budapest,1978 - Az EG&G ORTEC 6s CANBBRRA gy6rtmrinyri elektronikus egys6gek mriszerleirdsa (a laborat6riumban rendelkez6sre611). A felsoroltaknd"i a rnegfelel6 fejezetek veendcik!
1.4 SUGARVEDELEM: A m6r6sekgyenge,n6h6nypC er6s#grir6dioaktivprepard.tumokkal foiynak. Szem6lyi dozim6terek haszndiand6k! Eljrirzi^saz Int1,zeti Sug{rv6dehni Rendtartds szerint! A dozirn6terek 6s a Rendtartd,s a laborat5riumban rendelkez6sre riilnak.
2 a - spektroszkdpia f6lvezet6 z6,r6rtlteges detektorokkal
A nukle6ris kfs6rleti fizikribant6rt h6dftott fdlvezetcldetektorok toltott r6szecsk6kregisztr6l6s6rava16alkalmazdsinak n6h6ny alapm6r6s6ttekintjuk 5t 6s v|,gezzik el, amelyek a nagy r6szecskegyorsit6k mellett napjainkban foly6 komplik6lt kfs6rletek 6pit6 kovei.
2.1 A MERONNANNDEZES 6SSZEALL(TASA. Az a - spektroszk6piai kis6rletiberendez6,s f.oft,szeia vizsg6land6a - forrds,a toltott r6szecskedetektor, 6s a detektor jeieit fogad6 6s feldolgoz6 elektronikus m6rorendszrer.
2 . 1 . 1A m d , r d k a m r a Toltott r6szecsk6kkel tort6n6 m6r6sekn6la r6szecsk6klevegSbenva16energiaveszt6s6t megakadalyozand5,a vizsg6landdr6szecskeforrS.st 6s detektort v5.kuumkamrd.bankell elhelyezni(2.I. 6bra)
mikrometer Ltiszelep --
manometer
t omi to
gytjrI
folia
tarto
csavar
-_-
d e l e k L or
i ^ - a u l
- i . , > L L Y A
I
d 5
-
{ - l . , , i I - ^ I L ) U I T W Z
2.1 dbra. A urikttumkatnra A r6di6aktiv a-forrd.s 6s a-detektor a kamrd.ban rcigzitettek, egyrn6stol 3 cm t6vols6gra vannak elhelyezve. A kis t6vols6g v6laszt6sa a detektor lehet6leg nagy terszcig6t 6s ez 6ltal a detektorba juto r6szecsk6k lehets6gesmagas szilmfit biztositj. r kis aktivit6sri a-forrds hasznd.iatdn6l (6sszerti m6r6si idci ig6ny a megfelel6 statisztik6ju adatbegyrijtdshez). A de\. tektor egy v6kuumbiztos BNC 6tvezet6,senkeresztril csatlakozik a m6r6elektronik6hoz. A m6rend6 f6li6k egy kiviilr6l mozgathat6, v6kuumbiztos bevezet6su 6s mikrom6ter csavarral ell6tott tart6ra helyezve vihetok a detektor 6s forr6s koz6, az "a-r6szecskek ritj5"ba". A r'6,kuum eloz{.llitiisr{,ra cseppfol}'6s levegcivel hutott sz6,ngetter sziyattyri-pzir szolgd,l, a nyomds m6r6s6re pedig egy Pirani manom6ter. A m6r6sek p - 10-4 Torr nyom6sndl tortdnnek. A kamra egy ttiszelep segfts6g6vellevegdzheto Ie, 6vatosan. A kamra lesziv6s6n6l 6s lelevegcizds6n6la kovetkezo a sorrend: Sziv6snd.i: - Triszelepet zilrni. - Getter szivattyrikat feltolteni cseppfoly6s leveg6vel.
- A szivattyrikat 6vatosan r6nyitni a kamrara. - A manonr6tert figyelve, csali a szriks6gesvdgvakuuru cler6se utdl torokat rizembe 6llitani!
szabad a dctek-
Leleveg,6z6,sn6l: - Detektorokat tizemen kfviil helyezni. - A szivattyrikat levdlasztani a kamr;ir6l. - A ttiszelepet lassan nyitni.
Figyelem! Kiilonosen 6vatosankell elj6rni, ha a kamrdban v6kony f5lid.k,detektorok vannak be6pitve. Ugyanisa hirtelen l6g6rami6s elszakitja azokat"
0) LI
R ' P
2.2 tibra. Toltott rdszec.ckd.k lt.at|tdaols6.qaSi-ban a -f orr6"s: K6t megadott energid,jri 6s egy ismeretlen, meghatdrozand6 energid.jf intenziv, mindegyikrik kozel6ben pedig gyenge intenzitasri r6szecske csoportot tartalmaz. A "gy*gy prepar6tum, maga egy A-2mm foltban O-15mm eziist h6tlapra felvitt r6di6aktiv r6teg, ameit' az onabszopcio elkeriil6se v6gett vdkony plasztik r6teggel van lefedve. Firyelem! Ujjal val6 6rint6se szem6lyi r{dioaktiv fertcizdst okozhat., tilos! a-detektor: Feliileti zaror!,teges szilicium detektor, Ortec vagy LEC (INTERTECHNIQUE gv6rt-,ioy) tfpusri, 1000pr vastagsdgti. MegvdJasztilsindl alapkovetelm6ny, hogy a vizsgr{iandd r6szecskeenergia tartomd.nyt 6tfedje a detektor "vastagsdga" ) azaz a maximdlis energirijd r6szecskesziliciurnbeli hat6t6volsdga "belef6rjen" a detektorba val5 bel6p6si ird.nf ibain. -\ 2.2 abra e hat6t6vols6g energia frigg6s6tszeml6lteti. Lz itt elofordul6 maximum 10 MeV aenergia esetdn a 100 p vastagsdg mellett a felt6tel teljesiil. E detektorok toltott r6szecsk6re
vonatkoz6 megsz6laldsi val6szinris6gen0%. N,I6r6sn61 a detektor el6 egy O-Smrn-es blend6t iielyeziink a sz6leffektusokkikiiszobol6se6s tdrszogepontos definid.liisa6rdck6ben. Miikod6siik, saj6ts6gaik rcivid 6ttekinttise a fuggel6kben tal6lhat6. Figyelmeztet6s: A detektorokkal val6 b6nds nagy figyelmet ig6nyel. Ovjuk e?,erL 6rz6keny6s dr6ga detektorokat! Kezeldsiikn6la kovetkez6ket kell szem et6tt tartani: - Az aktiv feliiletre v6kony (< 0.Ip aranyfolia van p6rolva, 6rinteni tilos. ) - 6vjuk mechanikus rdzkodast6l,vegyi anyagokt6l, rridi6aktiv szennyez6stol. - A specifik6ci6banmegadott detektor feszrilts6g6rt6k6t trill6pni nem szabad. - A kamra leszfvris6n6l6s leleveg6z6,s6nel a detektor fesziiltsegdt 0-ra kelt:illftani. - A detektort fesziilts6galatt f6nytcilv6deni kell. - Ovjuk a detektort a felesiegesbesug6ruilstol.
el6er5si t6
k6sleltet5 er6si t6
f5e r5s i td
Iine6rls
kapu
de tektor
t6pfesziil ts69
impulzus
diszkrimindtor
gen.
2.3 tibra. A m6,rd elektronika bloklcud,zlata 2. 1.2 Elektronil;us sp ektroszk|piai md,rdldnc Egy tipikus, mind az e -) mind a 1 - spektroszk6piai m6r6sekn6l irasznd.latos alap elektronikus m6rorendszer, amely az emitt 6lt r6,szecsk6kenergia spektrumd.nak felr'6telire szolg6l, a 2.3 dbrain l6thato. A m6r6sekhez sziik-"6geselektronikus elemek kornpatibiiis EG&G ORTtrC 6s CANBERRA NIM (standard Nuclear fnstrument Modul) eg;'s6gek.
unipolS.ris
I ogi kai
2./ dbra. Linedris 6,slogikai jelalakok Az elo-, a fci-, a k6sleltet6- 6s a kapuer6sito linetiris (anal6g) elemek, kirneno jeleik a bemen6 detektorjelekkel, a detekt6lt r6szecske energirij6val ar6nyosak, teh6t ampli"gy tud5 tartomd.nyt fognak 5t. Ezen jelamplitudok analizise eredm6nyezi a rl,szecske energia
spektrumot.Logikai elem a diszkrimin6tor (egy-csatorndsanaliz6tor ). Az egys6gekbe6lUtis6hoz,ellen6rzds6hez egy oszcilloszk6p6s a detektor jeleket szimuli.l6 impulzusgenerdtor szolgdl. A line6ris (anal6g) egys6gekkimen6 jele amplitud6 tartom6nya 0 - 1OVolt.Altul6b.r, egy alacsony, < 10 6s egy 93C,kimeno impedanci6jri kimenettel rendelkeznek. Az e\6z6n tetsz6legesterhel6smellett 6tvihet6 a teljes 10V amplitud6 tartom:iny. Az ut6bbin, hoszszabb mint 1m koaxirikiskribel (500) hasznd,lataeset6n- amely a reflexi6k elkeriil6sev6gett 50Q-mal lezirand6 - a kimen6 jeltartomdny fel6re cscikken. A logikai elemek v6laszjelei * 6sf vagy - polarit 6sfi azonosamptitud6jriak. Alt.l6.tot jellemz6ik: impulzussz6less6g: 0.5 ps (ndvleges) bemen6 impedancia: > 10005?(n6vleges) kimeno impedancia: < 10f) (n6vleges) +f esziil tseg
eloerSsi to foeros i to
>..r-- + +
L^-=
r-
J\_
ar
2.5 tibra. A detektor6s erds{tcik Az egyesmodulokr6r,id le{rtisa: Elcier6s{td A f6lvezet6 detektorok kirnenet6ncsak kis 6ramimpulzusok - nagysdgrendben500on '|\/ lmV - jelennek D€8, teh6t ercisit6snekkell kovetnie (2.5 6bra). A detektorhoz a lehet6 legkozelebbelhelyezett, tolt6sdrz6kenyeioercisit6revan szriks6g,amelyn6l a kimen6 impulzus amplitud6ja a bemen6 toltdsselardnyos 6s fiiggetlen a detektor kapacitiis vilItoz6se$1. Ugyanis e kapacit6st6l fiigg az elektron - lyuk p6rokt6l sz6rmaz6 impulzus tt.gyttig" (Q --Q 'U). Egy olyan azonban, amelynek a kimen6 jele egy ka"roritarrek pacit6son kereszt:j,l a bemenet6re vissza van csatolva, az er6sitdse a bemenetet terhel6 kapacitds (detektor kapacitasCo) 6s a csatol6kapacitdt (Cc) h6nyadosdvalardnyos, [Jr;:UuColCc:
QlCc,
.
tehrit az er6sito kimen6 jele pedig . detektorban a r6szecske6ltal keltett tolt{ssel. A csatol6 kapacitiis egy ellen6lldson keresztril kisiil r - RCc idci6lland6val, amely a tolt6s begyrijt6s idej6hez k6pest nagy. Igy a kimenciimpulzus leszd.lld6ga nagysd.grendben 100 prshosszris6gri.Az eloerdsftozaja FV , a hasznos jel mV nagysd.gri6s * polarit6sri.
A detektorra az el6er6sit6"HV" bemenet6nkeresztiiladjuk a fesziilts6get: - A detektorfeszrilts6gr6adrisakoraz eloer6sitcinekmdr iizemi 6llapotban kell lenni (t6pfeszaiiltsdgetkell kapnia).
e l c i e r c i s iL o
2.6 dbra. A fderri-citdjelforrndlt,sa A detektorfeszrilts6get csaklassan,kis l6pdsekben (kb. 2 perc), a detektort v6dve, szabad 0-161felvinni az eloirt 6rt6kig (+ poiaritis!), nagy, LMQ ellen6llason keresztiil (be6pitve a t6pegys6gkimenet6n). Ezen soros ellendllzisonescifesziilts6get term6szetesenfigyelembekell venni! Az eloer6sft6kimen6 jeleit a fesziilts6gadagolaskozben oszciiloszk6pon6lland6an ellen6rizni kell. Egy nagy impulzus megjelen6sepl. a tolt6shordoz6 mentes z6na tisszeomkis6rautal, amit a gyors fesziilis6gvilItoztat6s id6zett el6. Az egyes feszriltsdgl6p6sekutdn mindig meg kell v6rni amig a detektor) az oszcilloszk$pon a zajkdp, "nyugalomba" kerul. A detektor feszrilt6geta kamra lesziv6sdnail6s leleveg6z6,s1n61 ugyanilyen fokozatosan kell O-ravinni. Csak a v6gv6kuum e16r6se ut6n szabad r6adni. Itt is megiegyezzik, hogy a detektort feleslegessugdrterhel6stSl6vand6, a m6r6s elok6,szit6s6ndl, zajkere#sndi, a rendszerint bizonytalan fold- csatiakozdsokvagy foldhurkok miatt fell6p6 halozati' peri6dikus (az oszcilloszk6ponszinkronizdihat6) zarrarokkikiiszobol6sekoregy abszorbenst helyezzink a detektor e16!
Fderdsito feladata kett6s: er6sit6s6s a jelalak form6l6sa.Az el6zodurva l6p6sekben(coarsegain) 6s folyamatosan egy tartom6nyon beliil (fine gain) 6llithat6 be rigy, hogy a jeltartom6ny lineriris maradjon 6s a kovetkezo egys6gekbemen6 amplitud6 tartom6ny6ba essen. Az impulzus form616sa a hosszrieloer6sft6jelek differencirilis6val tort6nik oly m6don hogy, az els6 ercisftci fokozat csak a jel gyors felfutasri szakaszdt viszi 6t 6s igy az egymdsra ii16 jeleket sz6tv6lasztja. Majd a kovetkezofokozat a jeleket integrSlja (2.6 6bra). E k6t - differenci6l6 6s integr6l6 idci6lland6 kiilon - kiilon / egyritt 6lUthat6 be (shaping time const.) 6s a bemen6 jel felfut:isaid6tartom6ny6bakell esnie(1 pr). Kimen6 jele unipoldris 6s bipol6ris. A laborat6riumi gyakorlatban az el6erositoa detektor (m6r6kamra) kozel6ben,messze a m6r6elektronika tobbi elem6tcilhelyezkedikel, a foer6sitovel hosszrl koaxidlis k6bel koti cissze.Ugyeljunk a reflexi6kra! I{iindulisul 6llitsuk a "d.urya" 6s "finom" fokozatokat 200, illetve 1 6rt6kekre. Kd,sleltetcier6s{td er6sft6sedltald.ban1, tov6bbd pt nagvsdgrendbees6 idcivelk6sielteti a kimenncijelet. Az idcjeltol6st fgy kell beillitani, hogy a rendszer egy m6sik pontj6r6l szfirmaztatott "kapu" jelhez illeszkedj6k. Linedri-, kapu, feiadata, hogy a bemenet6relrkezo jelek kozott szeiekt6ljon: csa,kegy alkalmasan, valamely kovetelm6ny alapj:in - esettinkbenegy diszkriminS.torral- kiv6lasztott jeltartom6nyt engedjen 6t akkor 6s csakisakkor. ha bemenojel6vel egy valtoztathat6 hoszszriszigriidcjintervallumonbeliil egyritt 6rkezik a "megengedS"kapu jel.
kani;
jel
I
[-l l
r
l
--T---' i
2.7 tibra. A jelek iddz{tese Esetiinkben egy bizonyosamplitud6 szini alatti jelektol, p1. zajokt6l mentesiteniakarjuk a lined,ris6g kovetkezoegysdgdt"Er6sftdse6lta16ban1. A kapu nyitis6nak id6tartama 0.3-4ps, folytonosan villtoztathat6. A kapujelsz6rmaztat|sa"id6ig6nyes") azazk6sik a kapuzandd jelekhez k6pest, igy azokk6sleliet6s6veltudjuk az egys6,gszdrnilraaz egyidejtis6get biztosftani (2.7 d"bra). Diszkrimintitornak szokdsnevezni azonegysdget,amely egy bemen6anal6gjelet egy be6llithato feszrilts6g szinttel hasonlft cjssze.Azt meghalad6arnplitud6k esetdnegy logikai n6gyszogimpulzust
ad ki (NIM impulzus 0.8 - 1.3V, vagy TTL jel, 5V). Feladata, hogy egy kiv6nt nagysdg amplitud6 tartomd,nyt v6lasszonki kapu (trigger) jelk6nt alkalmazuaaz analiz6land6jeltartomdnyt fogad6 egysdgben. Egycsatornds analizdtorban (differenci6l diszkrimindtor) a villtoztathat6 als6 szint mellett (baselin") egy fels6 szint is beillithat6 (window - fels6 6s a1s6szint kiilonbsdg"), s az egys6gcsak a kozbens6 amplitud6kra ad kimenci jelet. Ily m6don pl. a vizsg6land6spektrumbol egyetlen csrlcsv6laszthat6 ki. atornd.sanalizdtor (multich.annelanalyser, M CA ) Solc,cs A bemen6 ana16gjel amplitud6 nagysrig6nakmegfelelcienegy ana16g-digitd,lkonverter (ADC) egy digii6iis szdrnot 61Ut e16 oly m6don, hogy egy, a bemencijellel feltoltott kapacitds kisiil6se alatt el6allitott, adott frekvencidjf impulzussorozat tagjait megszd.ml6lja (2.8 6bra), cfmk6nt kezeli. B sz6mot a spektrum csatornaszdrndval azonosftjuk. A tirol6 egys6gbene csatornasz6mnakmegfelelo,ezen cimri cella tartalm6t eggyel nciveli. A t6rol6 teljes tartalm &, & k6rd6sesamplitud6 eloszlask6perny6nmegjelenithet6,kiolvashat6. Altu.i6bu.negyszeni spektrum analizd.l6mriveletek elv6gezhetcik:csatorna) csatornatartomdny kijelol6se,csatorna tartalom kikdr6se,kijelolt spektrum tartomd"nyokbeli integriildsa, stb.
line5.ris bemene t
f eszirl tseg cond.
je I sorozaL
2.8 dbra. A z A D C m'likodds€nek alapelue Esetiinkben az N{CA egy modern viltozata 6il rendelkez6sre, nevezetesen egy szem6lyi sz6mit6g6p(PC) be6pitett ADC-vel. Az ADC mrikod6s6t,a spektrum szdrnilramegfelelci mem6ria kije1ol6s,a t6rold.s,stb. mriveleteit a PC vez6rli 6s tov6bbi spektrurn anaiizd.l6 16p6sekdirekt iehetos6g6tkfn6lja. Kezei6siutasitds a laboratoriumban rendelkez6sre6ll. Impulzusg enerdtor a m6r5rendszerbe6llftasdhoznyfijt segfts6get.A Hg-re16sgener6torjelei az eloer6sit6n keresztiil, annak "test input" bemenet6n6t;rrlh.tnak a m6r6csatorndba.A jelek amplitudoja durva l6p6sekben6s finoman potenciom6terrel(heiipot) 6s/vagy "kalibration" helipottal 6llithat6 a kiv6ni 6rt6kre. Az u.n. leosztott kimenete r6szecske energidrakalibriilt, vagy kalibrdlhat6. Mind az ut6bbi, mind a direkt kimenet 50Q-s. Ha adott energid.nak megfelel6 impulzusnagys6got akarunk szimuldlni, akkor meghat6rozott, tolt6simpulzust visziink az eloerosftci bemenet6re- amit az aktu6lis deiektor kapacitdsis terhel - oly m6don, hog-uaz impulzusgenerdtorfesziilts6gimpulzusdt egy ri.n. tolt6s termindtoron (RC-tag) keresztiil (mell6kelvea gener6torhoz) csatlakoztatjuk a 2.9 6bra szerinti osszedllftasban. (Figyelem! A detektor fesztilts6getlevenni a tolt6s termind.torkozbeiktat6srin6l.) Ilyen elrendez6sben a "calibr." helipoton be6llitott szam6rt6ka detektorban elvesztett
10
r6szecskeenergidval egyenl6. Kiinduldsul dllitsuk be az 5000 keV-nek megfelel6 6rtdket. Detektor tdpegysi,g a detektorok szilrr.dtaszolg6ltat fesziilts6get.A kfv6nt 6rt6k szerint 100V vagy 1000V el6re megv5lasztott tartomdnyban finoman - helipottal - vilLtoztathat6an 6llithat6 be az adott detektor elciirt feszr.ilts6ge(pozitiv!) - az eloer6sit6n6llefrtakat szigonian betartva. Az el6lapon elhelyezett muszer a detektorok vissz6ramdt m6ri, amely haszn6latuk sordn egy igen fontos ellen6rz6 adat. t6I t6s termindtor r--
-----l impulzus gen.
e I5er5s i t5
f5e16s i t5
de tektor
MCA
2.9 6,bra.Energiakalibrd,ci|srn6,r6,s udzlata -keret NIM- B IN az egyeselektronikusNIIvf rnodulokelhelyez6,s6re szolg6l. Az egybenbiztos elektromos 6rintkez6seketis biztosft5 mechanikai rogzit6smellett egyenfeszrilts6gekkel (+6% *.tZV, +24V) is ell6tj a az egys6geket.Az egyeselemek behelyez6.se, vagy cser6jeeset6n a keret t"JAt t6pegyseget ki kell kapcsolni, nagy fesziiits6gugrdsokt6l k6rosodnak a mriszerek. Eppen e miatt c6lszerua detektor t6pegys6getegy mdsik keretben, kiilon elhelyezni,ahonnan az eloer5sft6 is kapja a t6pfesziilts6get.Igy bistosfthat6, hogy a m6roldncn6l tort6nci ki/be kppcsol6shai6stalan az ellercisitSre6s a detektorra, teh6t a detektorfeszults6gel6zetes le- 6s felvitel6r6l, amely, mint 16ttuk, id6ig6nyesmrivelet, nem kell kiilon gondoskodni. Oszcilloszk6p a m6rSrendszer be6llftas6nal n6lkrilozhetetlen. Az egyes egys6gek kimenete megfigyel6s6n6laz impulzus generdtordirekt kimeneteszolg6ltathataz oszctlloszk6p indft6s6hoz id6zit6 jelet.
11
2.2 A MENESEK VEGNEHAJTASA A teljes mdr6rendszerimpulzus generS.torraitort6nt ellen6rz6seut6n keriilhet sor az egyes feladatok v6grehajtrisdra. Itt kiilon felhivjuk a figyemet arra, hogy a kfs6rletek eg6sz6r6lvezetett jegyzokcinyvnekfelt6tlen tartalmaznia kell valamennyi mriszer be6llitott adatait, s a m6r6seksordn tortdn6 m6dosftasokatis. Fontos, hogy a m6r6rendszerv6zlata,, minden villtoztathat6 6s v6ltoztatand6 adat mind a v6kuumkamrdr6l, min d az elektronik6r6l korrekt legyen. 2.2.1 Egyszertia-spektrurnfelu{,tele6,skalibrdci6impulzus generdtorral Elj6r6s: - A kamra leszfv6sa,v6gv6kuum ellen6rz6,se. - A detektor t6pfeszrilts6g6nek be6llitasa (pozitiv pol.!). - Az abszorbenstelt6volitjuk a detektor elol. - A fcier6sit6er6sit6s6nekbe6llitaisa,trilvez6rl6smentesen,max. amplitud6 < 5y. - Ellen6rizzik a kapuercisit6kimenet6t, kapuzatlan (ungated) 6s kapuzott (gaied) 6llisban. - A diszkrimindtor als6 szintj6t rigy 6llitjuk be, hogy a zajok ne jussanak 6t. - A sokcsatornis analizd.torbangyrijtsrik az adatokat, mig a csricsbanru 500 impirlzusikapunl:. Egl- tipil:us s1,t:i:'.rulnalal.: r '2.10dhrdn 1;ithat6"
e o 2
300
L
t7
) a o
?oo
120 csa t o rna
2.10 tibra. Tipikus monoenergit.salpha-spektrum Hatilrozzuk meg a k6rd6ses,ismert energi6jri csrics srilypontjilt (C0) 6s f6l6rt6k sz6less6g6t (6 [csat. sz6m]). L 2.9 6bra szerinti, u.n. kalibr6ci6sossze6llit6sb an az impulzus generdtor "cal." helipotj6n d.llitsuk be az ismert a - energia szdm6,rt6k6t.Az MCA-n vegyiik fel a spektrumot (a-csrics6,saz impulzusgener6torjele egyiitt, egy helyenjelentkeznek term6szetesen (C6)). Vegyiik fel of kiilonboz6 energia pontban az impulzus generdtor spektrumdt, dllapitsuk meg a megfeleiScsricsokhely6t (C,), majd abrdzoljuk az energid.ta
T2
kapott csatornaszilm C" fiiggv6ny6ben(E (C), 2.II 6bra) 6s hat6rozzuk meg a LEILC 6rt6k6t, amit csatorna energid.nakszokds nevezni. Hatilrozzuk meg a m6r6rendszerenergia felbontrisAt a felvett a - spektrum alapj6n:
6E-
AE 6 LC
2.2.2 Isrneretlena - fon6.s energiaszerinti analizise Az e\6z6 l6p6sbenkalibrdlt rendszer alkalmasismeretlen a - rl,szecskeenergidk meghat{rozds6ra. Eljards: - Forrdscserea v6kuumkamrd.ban(detektorfeszults6glev6tele, szivattyfk levilaszt6sa a kamrdr61, leleveg6z,6s tiiszeleppel,kamranyitiis, forrdscsere. Z6rjuk a triszelepet 6s a kamr6t, kamra leszfvdsa,detektor feszrilts6g visszadllitrisa. - Vegyuk fel MCA -n a forrds spektrum6t, addig gytijtve az esem6nyeket,amfg n6h6ny csricsazonosithat6lesz(lehet,hogy egy,lehet hogy tobb csricsjelentkezik). - Hat 6r ozntk meg a csf csok f616rt6ksz6less eget. - Adjuk meg az el6z6 m6r6s alapj6n (E : A . E + B) ut ismeretlen o energidkat hibeijukkalegyiitt.
o
"
=;;';;r;: z.11,i'b*, o.' r)r*, o rr)
2.2.3 Energia I'alibrdci6k6,ta - forrd.ssal EIj6r6s: - Forrdscsereaz eloz6 pontban leirtak szerint. - Attittuk be, 6s az oszcilloszk6ponellen5rizziik az ercisft6st,ha sziiks6gesv61toztassuk dgy, hogy a MCA teljes tartom6ny6t kihasznri.ljuk. - MCA - n vegyiik fel a spektrumot 6s hat6rozzuk meg a cstcsok hely6t ' i t 1 . . Abrazoljuk az E (C) figgv6nyt, 6s hat6rozzuk meg a csatorna energidt" Melyik kalibrdci6s elj6rds a jobb? 2.2.4 Spektrumnyiljtds ablak,erdsitduel M5dositsuk az elektronikus m6r6l6ncot a 2.12 6bra szerint. A redszerben dj elem az ablaker6sit6. Ez az egys6g villtoztathat6 als6 (lou'er level) 6s fels6 szint (upper levei) kijelol6si hehetos6get6s er6sftSt tartalmaz. Ha valamely, a foerositob
13
6rdek16tartomdny a teljesr6szecske energiaspektrumb6l,amely kisebb csatornaenergi6nak megfelelden,ig6ny szerint finomabb l6pt6kben tanulminyozhat6. Eljarris: - Valamely a forrds, illetve a mdr ismert m6don m6r6sk6sz 6llapotba hozott detektor jeleit a 2.3 6bra szerinti elrendez6sbenanaliziiljuk. Az ablaker6sit6 als6 szintj6t 0 - ra, a fels6t maximumra, az er6sit6s6tpedig 1 6rt6kre Sllitva oszcilloszk6pon ellen6rizzik a kimenet6t A maximdlis amplitud6nak 5V nagys6grinak kell lenni. Vegyrik fel ilyen be6iUtasmeliett a spektrumot. - A szdmunkra 6rdekesenergia tartom6ny als6 hat6r6t 6llitsuk be az ismert kalibr6ci6jri impulzusgener6toron. Folytassuk az adatgyrijt6st, majd emeljiik az ablak er5sft6 als6 szintj6t, amig az impulzus gener6tor jele 6ppen eltrinik az amplitud6 spektrum elej6n. Majd ism6teljiik meg e 16p6staz er'er5iatartomriny fels6hat6r6t megkeresve,az ablakercisftcjfels6 szintj6nekcsokkent6s6vel,mig a maximd.lisenergi6nak megfelel6impulzus csricsm6g 6ppen el nem rinik a spektrumb6l. Noveljiik az ablakerosftoer6sft6s6t(gain) addig, amfg az MCA fels5 v6g6re keriil az ut6bbi csrics. Ellenori zzik oszcilloszk6pon az analizaland6 j elal akot. el5erds i t5
t oeros I Lo
ablak erosi td
de tektor
t6pf esziil ts69
impulzus gen.
2.I2 6bra. A m6r6selektronikusblokkv6zlata Az MCA-t torcilve, v6gezzik el a md.r ismert m6don az impulzus gener6.torsegfts6g6vel az energia kalibrdci6t 200 keV energi6nak megfelelcil6p6sekbena kivillasztott tartom6nyban. Abr6zoljuk az E - A' + B' - C ftiggv6nyt, hat6rozzuk meg a csatornaenergi6t. Hasonlisuk osszee kalibrdci6t a2.2.1 feladat v6grehajt6sa sordn nyerttel. Vegyiik fei a forrds spektrum6t a kiv6lasztott tartominyban. Azonositsuk az energi6kat, hatdrozztk meg most finomabb l6pt6kben a 6 f6l6rt6ksz6less6get.Tekintettel arra, hogy a spektrumvonalteljes sz6less6g6t a detektor saj6t felbont6sa 6,saz elektronika elcier6sit6,ercisit5k zaja szabja meg. Bz ut6bbiak az impuljelennek meg. A k6rd6sessz6r6sokfuggetlenek zus generdtorjele sz6less6g6ben I6v6n nl,gyzetesenad6dnak cjssze.Ezen meggondolds alapj6n hatirozzuk meg a detektor saj6t felbontasri,t.
14
2.2.5 cv - rdszecslcdk ff m6r€se udlconyfdmf6tid,kban A feladat a - r6szecskdkanyagon val6 6thaladdsdn6la specifikus ionizdci6,a specifikus energia vesztes6gvizsg6lata. Egyik kfs6rlet 16,zfoliilkon, a mdsik gizon vai6 dthaladdsra vonatkozik. Toltott r6szecskeanyagon val6 6thalad6s6n6l az energi6jdt l6nyeg6benioniz6ci6 6s gerjesztds ritj6n vesziti el. Az a r6szecsketomege l6v6n l6nyegesennagyobb az elektron6ndl (8000x), amellyei kolcsonhat,,az anyagbanegyenesvonalban halad. A specifikus ioniz6ci6 - definici6 szerint: a keltett ionp6rok szilrnaegys6gnyi riton - energia fiiggci, tobb idcjt tolt a r6szecskeegys6gnyiriton, mint hisz kisebb energidn6l,illetve sebess6gn6l Bragg gorb6jdt szeml6lteti. A specifikus a nagyobb energidjf. A 2.13 6bra a - r6szecsk6k energia vesztes6g dE -dr:
4rzzeapNsZz ,^rza
, (2rnsu2 . \ xrn\ T"") t'
'
ahol z : a r6szecskeatomsz6,rna,e : az elektron tiilt6se [ESU], ^ o : e l e k t r o n , . : : l - Avogadro szd,m, I : [g], " - r6szecske sebess6ge[cm/s], Z - az anyag atomsz6ma, A6
dtlagos ionizilci5s energia az anyagban [erg]. o \J
.6 N
,.1
d al
c1?
energia
(l'1eV)
2.13 d,bra. a - r6.szecsl;d,k Bragg gorbije (2.1) osszefiigg6sszerint egl' 5 \'IeV enelgi.{jfi cy - r6szecsk6re # ru const., li\'Ie\/ energiavesztes6gnekmegfelelo anyagon va16 6thalad{sndi. Az Es energi6jri r6szecske}rat6t 6 v o l s d ga ( 2 . 1 ) - b o l 0
R ( E )- [ * 0 . ar l" meghat&rozhat6. A 2.146bra a - r6,szecsk6k r6.zrevonatkoz6hat6t6vols6g - energiafrigg6s6t mutatja* be, 6ri6keit n6hiiny anyagra pedig a 2.I tablilzat tartalmazza. A r6szecsk6k hai6t6vols6g6hoz klpest v6kony anyagr6tegentort6n6 6thalad6snzil az energia vesztes6g viszonyokra vonatkoz6 meggondold.sokata 2.I5 6bra segfti, ahol az R(E) ftiggds egy szakaszavan feltrintetve. Eo kezdeti energi6jri a - r6szecskeAr vastags6gufolidn val6 6thaladds ut6n E, energi6valrendelkezik. R,Rs - Ar alapj6n Ar ismeret6benR,, abb6l Eu rneghatilrozhat6 egyszeriisdgkedv66rt a 2.I tiblazat segits6g6vel. A f6lidkon tort6n6 mer6sheza 2.1 Sbra szerinti detektor elrendez6st6s a 2.3 6br6n feltiintetett m6r6l6ncot haszndljuk. Elj6rds: - A vizsg6land6f6li6t (folid.kat) a mikrom6tercsavarral ellz{tott tart6ra, majd a kamrdba szereljiik. 15
A kamrdt m6r6skesz:i,llapotba hozzuk a mdr ismert l6p6sekben. Impulzus generd.torsegrts6g6velelv|,gezziikaz energia kalibrd,ci6t. Felvessziikaz a - forrds spektrumdt (ures helyzet). Az a - csricsban1000esem6nyt gnijttink. Meghatdtozzuk a csricsjellemzoit: az Eo - nak megfelel6 helyet Cs,6s fdldrtdksz6les#get.
c) )E. rdr
.,-t
o0
L . 0J' O)
0
r
2
3
.
5
7
6
A
9
ro
I
z )2) R ^ ( n og' / c n, m Cu-
2.14 tibra. a - r6,szecsk,6,k, hat6tda ol s 69 a r d.zben. Az elscjf61i6t a mikrom6tercsavar kalibrdli :illdsanak megfeleloen a fomds 6s detektor koz6 helyezzik, sfl'j6rra1 merciiegesena r6,szecsk6krepuidsi irdny6ra. Fontos, hogy kozben a detektor - forrds geomerria ne v5"ltoz6k.
2.1 t6bl6zat. o - r6szecsk6k hat6td.r'olsisadatai R ( mg,/cm2)
€o (MeV)
o.25 0 .5 0 o75 1.00 125 1.50 2 .0 0 2 .5 0 3.00 3 .5 0 4.00 4 .5 0 5.OO 5 .50 6.00 7.00
Cu
Ni r
Fle
079 1.09 138 169 201 2.36 3.11 3.93 4.82
074 102 129 1.58 1BB 221 2.91 3.ffi 450
5.80 6.81 79 9 1 10.3 11 . 6 14.3
5.44 6.39 7.40 851 9.66 10.87 13.46
0,181 o.245 0.316 0.399 0.490 0.601 0.850 1.14 1.48 1.86 2.29 2.76 3.27 3.82 4.41 5.70
Ism6t felvesszrik a spektrumot. A csrics helye Ct af6lid.n va16 6thalad6s utdni a energia. Meghat {rozzuk a fellrtdk sz6less6get 6o - t. Behelye zzik a kovetkezo f5lidt az elozo hely6re. ( H. m6r nem f6rt tobb a f6liatart6ra, akkor a kamrdt megbontva tov6bbi foli6kat 6pftrink be, iizemi rilla-
16
potba hozzuk a kamr6t.) Folytatjuk a f6ti6s m6r6seket,amig valamennyi f6li6val meghat6roztuk a C;, E;,6; 6rt6keket.(K6zben ellen6rizzik az "iires" helyzetnek megfelel6 forriis spektrumot is.) Abrazoljuk egytitt a sorozatban m6rt a - csricsokat a 2.L6 6branak megfelelcien" Firyeljiik meg a csrlcsok alakjanak vriltoz{sitl
C)
(g
..{ t"
c) c)
I
Rv
R..,( mg/cmz) 2. I 5 d.bra. Hat6td.uolsd.g energia fuggis6.nek-szemldltetd,-*e Iint6.i'o:rzr-r1-: neg a m6r6sekbcjl az energia vesztes6get 6s hibz{.jat az egyes f6lirikra, figyeiernbe v6ve a vonalak sz6lesseget6s sz{miisuk is ki a2.I5 6brd"nszernl6ltetett m6don a 2.t ti$Iazatbeli adat,okat feliraszn6lva. (Emt6keztetiink arra, hogy a sz6lesed6shezvezeLo sz6rdsok v6ietlen esem6nyek kovetkezm6nyei.) Mutassuk be az ossztartoz6 adatokat a 2.2 tablazatnak megfelelo elrendez6sben!
2.2 tdbld.zat.A f6lia uastagsdgok vas taga sag energ (mg.,cm-) (Mev) A B
0 00
At
o (Kevl
m
(MeV)
szdmolt
0.oo a t(n .0) +)
:
energia
(rei. )
2.16 6bra.,4 rnd.rt energi a uesztes€g rd, zben
17
2.2.6 a - r{,szecske ff rndrise He gd,zbon A 2.2.5 aJatti feladatokat v6gezzuk el f6lirik helyett 4 kiilonboz6 m6rend6 gdznyorrris 6rt6kn6l. A ki#rlet igy egyszeriibb, mert az arryagvastagsdg,amelyen a r,6szecsk6k6thaladnak a nyomrissal vaJtoztathat6. A nyomds m6rt 6rt6kdbiil az anyagvzrstags6gt#l szdmolhat6. Viszont sziik#g van a detektor 6s a forrds pontos t6volsagadatdra az d r6szecsk6kutj6ba es6 " anyagvastags6g"meghatdr oz6s6hoz. Eljarris: - Elscil6p6s- mint a2.2.5las6rletben - aforrds spektrumot vessztilcfel 6s elvlgezzik a kalibrrici6t az impulzus generiitorral. Meghat {rozzuk Eo - hoz 6s -t. - Gf,aban' tort6n6 m6r6s elokeszit6s6n6lrizemen kivul helyezzik a detektort es a gintatt{Jyt a triszeleppelosszekiitve,azor 6t 5vatosan gdzt engediink a kamrdba. Megm6rjrik a gdznyomdst. - Visszaii"llitjuka detektor fesziiltsegdt6s felvesszrikaz d - spektrumot. Megha&irozzvk Cr, Er, 61 6rt6keket. - Az el6z6 l6pdst ism6teljiik meg hdrom novekv5 g6znyomris6rt6kndl, leolvas\faa spektrumokb6l a C;, E;,5; 6ri6keket. - Ertdkeljiik ki a m6r6st a 2.2.5- alatti folia kis6rleteknek megfelelcien6s hasoniftsuk iisszeeredm6nyeit! Ha a m6rdsn6lHe 96z nern 611rendelkezdsre,a m6r6st leveg6vel v€,gezziuk.
18
3. NAGYFELBONTASU
7 - SPEKTROSZKOPIA DETEKTORRAL
Ge(Li) FELVEZETd
3.1 A kisdrlet c6lja A kis6rlet sor6n a hallgat6 meg fog ismerkednia modern nagyfelbontasf 7 - spektroszk6pia alapjaival, a 'y - spektroszk6piai15ncelemeivel,6s a haszn6latoslegfontosabbfogalmakkal. A kis6rlethez kutatris-szintti eszkozok5llnak rendelkezls6re. 3.2 A kisdrlethez sziiksdges eszk6zdk Ridi6aktfv forrdsok (tttOr, *Co, zztThc", '*Pr-l3C
kever6k) Princeton Ge(Li) detektor elder6sft6vel NIM/BIN keret (ORTEC Model ) Nagyfesztilts6gri t Spegys6gNB -239 (K FK I gydtrm6oy ) Line6ris er6sft6 (ORTEC Model 572) Gated Biased Amplifier (ORTEC Mode| a44) Pulser (ORTEC lr{odel 419) Sokcsatorn6sanahzdtor k6rtya PCA-4KN (KFKI gydtrmSny) IBM PC/386 sz5rnit6g6p. Oszcilloszk6p 3.3 A ? - spektroszk6piai ldnc iisszedllftdsa l.Ellen6rizze, hogy a felsorolt elemek mind rendelkezl,sredllnak-e! A pulzernek, a f6er6sft6nek,ill. a Gated Biased Amplifiernek a M[4/BIN keretben kell iennie. A nagyfeszirlts6gritdpegys6g kirlon keretben tal6lhat6. "gy Figyelern! A NIM/BIN keretnek 6.s a nagyfesztilts6.gtitdpegys6.gndern6.g ne adjunk lt,d.I6 zati fesztilts 6.get!
eI5er5si t5
f5er5s I t5
ablak er5si t5
detektor
t6pf esziil ts6g
impulzus gen.
3.1 dbra A 1 - spektroszk6piai ld.nc blokks6.md.ja
19
2.A fenti blokks6mdnak megfeleloena rendelkez6srebocsdtott k6belek segfts6g6vel kosse ossze az elemeket a detektor eloer6sft6j6t6l a sokcsatornSs analizdtorig. Legel6szot az eloer6sft6 kisfesziilts6gti tripk6belj6t a f6er6sft6 h6tlapjdn ta1{lhato CANNON D-9 tfpusri aljzat6ba kapcsolja. Majd a pulzer 'Attenuated Output' kimenet6t kosse az eloer6sft6 'TEST PULSE' bemenet6re. Ezutdn a eloer6sft6 'IilGH VOLTAGE' bemenet6t kosse a nagyfeszrilts6gri tdpegys6g kimenet6re(Figyelem! Vigytizzon a helyes polaritdsra!). Az eloer6sft6'OUT' jelkimenet6t a f6er6sft6 bemenet6revezesse. A f6er6sft6 'Unipolar Out' kimenetdt vezessea Gated Biased Amplifier linedris bemenet6be. Ennek kimenete a sokcsatornSs analizdtork6rtya bemenet6be csatlakozzon. Az elektronika elemeinek alaphelyzete a kovetkez6 legyen: PULSER : Attenuated output F6er6sft6 : Negative input, Positive Unipolar Output, Shaping Time 6p", Delay Out Gated Biased Amplifier : Coarse Gain X2; Fine GAin 112; Bias Level 201rc0A; Normai Mode; DC-Couple; Pulse Duration 6/rs; Anticoincidence6s Internal Strobe (h6tfali kapcsol6k!). Iv{6gegyszer ellenlrizze a kilbelez6st, 6s most adjon a NII\,f/BIN keretnek t6pfesziilts6get!
3.4 A ? - spektrum energiakalibr:icidja 1.Miel6tt a nagyfesziilts6grit6pegys6get hS\6zati fesztilts6ggeil5tn6 el, vezesseaz el6er6sit6 kimenet6t az oszcilloszk6pegyik csatorn6jSba! Kapcsolja be az oszcilloszkdpot, vdrja D€8, amig az alapvonal megjelenik. Az oszcilloszk6pota Leglrzlkenyebb 6lLis6ba (2-5mV) 6llftsa! Ekkor, 6s csakis ekkor, mikozbe1-az oszcilloszk6p ernydj6t folyamatosan figyeli, kapcsolhatja be a nagyfesziilts6gut6pegys6g hSl6zati kapcsol6jdt. Il4ajd lassan6s igen 6vatosan elkezdheti a fesziilts6getemelni. Minden kis vSltoztatds utdn az alapvonal elugrik az oszcilloszk6pernydj6bol, majd a tranziens folyamatok megsztinteut6n, ism6t visszat6r az alap5llapot6ba. Ezt mindaddig folytassa, amig az ellirt nagyfesziilts6getel nem 6ri. 2.Helyezzea 60Coforrdst a detektort5l k.b. 1 cm-re. Az oszcilloszk6perny6j6n azonnal megfigyelhetjtik az elektromos pulzusok intenzitasdnak noveked6s6t.A f6er6sft6 er6sit6s6t Sllitsa be rigy, hogy a nag-yobbamplitfd6jri jel, amr az 1.33 MeV-es vonalnak felel meg, kb. 3 V-os legyen. A kimenetet ism6t a Gated Biased Amplifier bemenet6re kotve, ellen6rizzeannak kimenet6t is. Amennyiben a fesziilts6gkivonds ("BIAS LEVEL") t6nylegesen2011000,ill. az erositls 2x0.5=1, 6gy a kimeneten az 1.33 MeV-es vonalnak megfelel6jel amplitfid6ja k.b. ugyanakkorakell maradjon.
20
3.2 tibra A 60Co k6t fotocsticsa az analizdtor lk-s fetbontrisribatzm6,rt 7 spektrumban 3.A Gated Biased Amplifier kimenet6t csatlakoztassa ism6t a sokcsatornSs analizdtorkdrtya bemenet6re. A szdmit6g6pen inditsa el az analizStor programot EPCAI\,{AIN beg6pel6s6vel.A 'PULSE HEIGHT ANALYZIS'-|, azaz az anaiizitor iizemm6dot kivSlasztva a fomenub6l, 1k-s felbontdst 6s 'PRESET- OFF' timeriizernm6dot bedllftva, trz Fl funkci6 billentti leiit6s6velindftsa eI az adatgytijtdst. Megjegyz4.s: & PCA-4KN analizdtor kdrtya, iU. az I,{CAFLEX f)rogram rouid letrrisa, ualamirzt egy r|,szletesangol nyelu'i g|.pkonyu a rn,6.rcihel;yett" rertdelkez1.sre6.II! A foer6sit6er6sft6stszabzilyz6r, a'COARSE GAIN'ill. a'FINE GAII'{', valamint a Gated BiasedAmplifier'BIAS LEvEl'segfts6g6veldllftsabe a spektrum alakjdt (gy, ahogy az a 2. 6brdn l5that6. A k6t fotocsticskb. 200 csatorrdra legyen egymdst6i. 4.A kurzor segfts6g6velolvassa le a k6t fotocsrics pozici6jdt, 6s jegyezze fel. Pontosabb eredm6ny ei6r6s6heza k6t fotocsrics ki6rt6kel6s6veljuthat. Ezt a kovetkezokl.ppenv6gezhetiel. Ivlozgassa a kurzort az I.17 it{ev-escsfcs alacsonyenergi6s minimurn6ba 6s nyomja le az L biltentyrit. Ekkor a bal marker (LI\,{) a kurzor pozici6jdt veszi fel. IUozgassamost a kurzort az 1.17 Mev-es cstics nagyenergias minimumdba 6s nyomja le az R billentyiit. Ekkor a jobb marker (RN4) a kurzor pozici6jdt veszi fei. A ki6rt6kelend6 csircsot fly m6don kiv6lasztva, nyomja meg az A billentytit. Ekkor a k6perny6 legals6,u.n. 'Peak Area Info' sor6ban megjelenik a csdcski6rt6kel6seredm6nye. A csfcs pozici6jdt a'PEAK' 6rt6ke adja. Jegyezze fel ezt az 6,rt6ket, mivel ez fogja majd az energiakalibrdci6hozszirks6gesu.n. als6 kalibrdci6s pont pozici6jdt adni. Ezt az eg6szprocedfir6 ism6telje meg az L 33 MeVes csricsrais. Annak eredm6nyefogja az u.n. fels6 kalibr6ci6spontot adni. 5.Az eioz6ekalapj6n a k6t fotocsricspozici6jaismeret6benlehet6s6giinkvan a rn6rt.y - spektrurn eltergiakalibr6ci6jdnak, azaz,az energia6s a csatornasz6mfuggv6ny6nek meghat SrozdsSra. (Itt jegyezzik D€g, hogy dltalSnos esetben, 6s fok6nt 4k, ill. 8k felbontdsnSl az energiakalibrdci6hoznem elegend6 k6t kaiibrSci6s pont. Ekkor, Iehet6s6gszerint a vizsgdlt energiatartomdny eg6sz6,tlefed5 kalibrdci6s energi6kat ad6 rddi6aktiv izot6pok segits6g6velfelvett spektrumokb6l meghat6rozott
2T
csfcspozici6kra a legkisebbndgyzetekm6dszer6velegy polinomot illesztenek. A kiv6nt energiakalibrdci6t az illesztett param6terek segits6g6velnyerjrik. A polinom rendj6t tulajdonk6ppen a haszndltADC (Analog-Digital Converter) egyik jellemz6 param6tere,az u.n. inteer6lisnonlinearitdsszabja meg. Az Sltalunk hasznilt ADC eset6ben,a konstrukci5j6ndlfelhaszndltmodern technol6giSknakkoszontret6en,a k6t csitcsra szdmfthat6 linedris kozelft6sseligen j6 kalibrdci6t kapunk. Az energiakalibriici6 linedris ftiggv6ny6nekmeghat6roz6sdhoz haszn6lhatjuk az analiz6tor energiakalibrdci6sprocedur6j|t. Ezt az E billentyri lenyomds6valaktiv6lhatja. Az energiakalibrdci6smeniibe frja be a kalibr6ci6s pontok pozici6it 6s energi6it A procedfra kifrja a szdmolt fiiggv6nyt. A kapott eredm6ny elfogad6sa eset6na programvez6rl.saz anali zdtor programhoz t6.rvissza, 6s ett6l kezdveaz analizdtorunk mdr kalibrdlt m6don fog miikodni. 3.1 trELADAT: Adja nreg a kapott energiakalibrricid bemen6 pararn6tereit, a kapott kalibrrici6s fiiggv6nyt. Aclja meg a f6er6sft6 6s a Gated Biased Arnplifier szabdlyz6 gornbjainak akturilis :ill:isrit! 3.2 FELADAT: Adja meg a kapott energiakalibrrlci6 segfts6g6vel a kdt 7 sugdrzds Compton dleinek energidit! A kapott eredrndnyt hasonlftsa ossze az f7
Ec: r++keV, r -r 2x/,'-
( 31 )
3.3 FtrLADAT: Adja meg a rn6rt spektrurn alap jdn az 1.33 MeV-es csricsra vonatkoz6, 6s a detektorra jellernz6 csrics/Compton ardnyt!
3.5 A Ge(Li) detektor energiafelbontdsdnak m6r6se l.Kapcsolja be a pulzert, 6s 611(tsa be a tesztpulzusamplitrid6j6t dgy, hogy a pulzer csircs k.b. a k6t vizsg6lt fotocsircskoz6 koz6pre essen. Torolje az analtzStort a Ctrl/ ALt/F4 billentytikombin6ci6val,majd inditsa eL az adatgyrijt6st. A pulzer esetlegesledllftdsdvaidgy szabSlyozzaa m6r6st, hogy mind a hdrom csfcs maximum6ba legalSbb 1000 beiit6s gyriljon be. Ekkor 6llftsa Ie az adatgytijt6st az F2 billentytivel. Az e\6z6ekalapj6n 6rt6kelje ki a k6t fotocsircsot, ill. a pulzercsdcsot. Ekkor, miut6n a spektrum kalibrrilt, az A billentyrivel aktfv6lt csricski6rt6kel6proceddra a spektrumteriilet feletti sorban a f6l6rt6ksz6less6get rl 'FWHN4' param6terben megadjacsatorndban,energi6ban6s szilzallkban kifejezve.
3.4 FtrLADAT: Adja meg mindhrirom csricsra a 'Peak Area fnfo' sor-
b a n i l l . a ' F W H M ' re kapott adatokat. Az 1.33 MeV-es vonalra kapott f616rt6ksz6less69ad j" a vizsgdlt detektor energiafelbontdsdt!
22
2- A k6t fotocsricsf6l6rt6ksz6less6ge a kapottak aiapjdn nagyobb, mint a pulzercsrics6. Ennek az az oka, hogy a pulzercsfcs f6l6rt6ksz6less6ge csup5t az elektronikai elemek zajSbol szdrmaz6u.n. elektronikai felbont6s6b6l (EE) 6ll. Tehdt a pulzercsdcsrakapott felbontdsi6rt6k a vizsgdlt spektroszk6piairendszerelektronikai felbonta-s6tadja. A k6t fotocsficsrakapott, a ?-energi6t6l fiigg6, u.n. rendszerfelbont6s (Es(E)), amelyet r6szbena detektor energiafelbontdsa(Rd 6s az elektronikai felbont6s hat6rozza meg a kovetkez6formula szerint:
1?s:
(3.2)
Az Rp(tr) detektorfelbontds energiafirgg6s6ta detektor mtikod6si elv6b6i (Ldsd cL detektorokr6l sz6l6 r6.szben! ) kiindulva statisztikus elm6leti mddszerrela kovetkezokozelfto k6plettel adjdk neg:
R,plkeVl- 1.3s E[A{ev).
(3.3)
3.5 FELADAT: A pulzercsrics f6l6rt6kszdless6gdnek6s a 3 . 2 f o r m u l a segfts6gdvel hat{,rozza meg a detektorfelbontiist L.lT MeV, i 1 l . a 1 . 3 3 MeV energidn! A kapott 6rt6ket hasonlftsa ossze a 3.3 formuldval szdrnftott 6rt6kekkel !
3.6 fsmeretlen rddidaktfv forrds azonosftiisa a sugdrzds(ok) energidjdnak meghatdrozdsdval
kibocs.{tott
a-
l.Helyezze a i37Qs6s a 60Coforrdsokata detektor el6 k.b. 1 cm-re. Az ismert energi6jri fotocsdcsok(662 keV 6s 1.33 lr4ev)segfts6g6velaz erositok kezelijszerveipck vdltoztatdsdval 5ll(tsa be a spektrom6terenergiakalibrdci5jdt,igy, hogy az kb. 3 Ir'IeVlegyenaz 1024. csatorn6raaz lk-s felbont6seset6n. Kalibr6ija irjra a spektrumot a 3.4 feladat 5. pontjdban lefrtak alapj6n! 2.A r37gt 6s a mCo kalibr6ci6s forrdsokat tegye vissza a tdroi6jukba. Helyezze az ismeretlen forrSst a detektor el6. Toroije az analizdtort, 6s kezdje meg az adatgyiijt6st. Folytassa a m6r6st eg6szen. addig, amfg a spektrumban megjelen6 vonal(ak) csfcsintenzit6sakb. 1000lesz.Allftru meg az adatgytijt6st. 3.6 FELADAT: Ert6kelje ki a csricsot. A csrics energidjdra kapott energiadrt6k alapj:in azonosftsa a forrdst a melldkelt tdblS,zat alapjdn! Az adott energidbdl a 3.3 formula alapjrin szdmftsa ki a detektor felbontds becsiilt 6rtdkt 6s. A 3.1 formula alapjrin az eliiz6 feladat sordn rreghatdrozott elektronikai felbontds 6rt6k6nek segitsdgdvel hatdrozza rreg a detektor kis6rleti felbontdsdt erue az energidra. Hasonlftsa cissze ciket !
23
3.7 Nagyenergids "y-sugdrzds vizsgdlata l.Helyezze a l37gr 6s a mco forr6sokat vissza a detektor el6. A nagyenergiSs"ysugdrziis vizsg6lat6hozaz analizdtor felbontdsdt 4k-ra kell 5ll(tani. Ehhez a Q billentyti lenyom6sdvall6pjen visszaa fomeniibe. Ott ism6t a 'PULSE HEIGHT ANALYZIS' m6dot kivdlasztva,majd u 'SELECT SPECTRUM LENGTH' menriben vdlassza ki a 4k felbontdst. Az analizdtor tizemm6dban a CtrI/ Alt/F4 billentytikombindci6 lenyomdsdvaltorolje az analizdtor mem6ri 6j5t. Az er6sft6ks6g6vel kalibrdljuk a spektromtert,6gy,hogy a 4096-ik csatorndkb. a 8Ir{eV energiSnak feleljen meg. Az igy nyerhet6kalibrSci6 csak els6 kozelit6sbenfogadhat6el, hiszen a kalibr6ci6bozhaszndltenergiSk(662 KeV,6s 1.33 MeV) a teljes energiatartomdny als6 egyhatoddn helyezkednek el. Igy barmelyik pont viszonylag kis hibdja, a spektrum v6g6rekb. hatszoros6ran6het. Eppen ez,6rtmajd a nagyenergi6sforr6ssalaz energiakalibrdci6tpontositanifogjuk. 3.7 FELADAT: Indftson el ery rn6r6st. Ertdkelje ki a csricsokat. A pozfcidk 6s az energid,k isureretben ism6telje rneg -a kalibrdci6s procedrirait. A kapott kalibrricids pararn6tereket adja meg! Ism6t 6rt6kelje ki mindheirom csdcsot 6s adja nleg energidikat! 2.HeIyezzea 2r38p,t-l3C kever6k forrdst is a detektor el6. A kortibbi spektmmot t6rolje ki. Indftson el egy hoszabbideju m6r6st. A rn6r6st rnindrrddfgfolytirsser. amfg a legnagyobbenergidjfiteljes erlergiSscsfics6nakamplitt'rd6ja legaldbba 100at el nem 6ri. Az adatgviijt6stle6llitva. Vizsgdljuk meg a rn6rt spektrumot. A spektrumban a 662 keV-esl37Cs,az II72 keY-es,iil. az 1332.5keV-esmCo csricsok felett a spektrum legfelstinegyed6benkisebb intenzit6ssal megjelent az 160 elso gerjesztettdliapotdnakaiapiillapoti6.729 N{eV energi6jd7 dtrnenete. J6l ltithat6, hogl' a detektorokr6lsz6l6r6szbentdrgyaltak szerint,,ezzela srlgdrzdssalegyidejrileg megjelentek az u.n. kiszok6sicsficsok. r6dasul az is nyilvrinval6, hogy a k6tszeres, ili. az egyszeres kiszok6sicsticsis j6val intenzfvebb,mint a teljes-energidsfotocsdcs. 3.8 FELADAT: Ert6kelje ki a 662 keV-es, 6s a 6.129 MeV-es csricsokat. Erre a k6t csticsra az energiakalibrdci6s procedfrrit ism6telje l:rreg. Az rij kalibrricidval rr6gegyszer 6rt6kelje ki n-rind a hat csricsot! Az alacsonyenergirijri vonalakra a most kapott energia6rdkeket hasonlftsa cisszeaz el6z6 feladatban kapott 6rt6kekkel! Mit tapasztal? A 6.129 MeVes vonal 6s kiszcik6si csricsainak energidibdl szdw;jtsa ki azok tdvolszigrit energidban ! S.Helyezzea 137916s a mco forr6sokat vissza a tart6jukba. Csak a rlagyenergitls forr6s maradjon a detektorel6tt. A Gated Biased Amplifier'BIAS LEVEL'helipotjdval emelje a kivondst annyira, hogy a k6tszereskiszok6si csricskb. a 500. csatornerktirny6k6reessen. Ez a folyamat egy kicsit tobb id6t vesz ig6nybe! J6l Itithat6, hogy a kivondsiszint emei6s6vela csircs-h6rmasfokozatosanp5rhuzanos^?lrr 24
a kisebb csatornasz6mokfel6 lefel6 tol6dik. Amikor el6rtiik a kivdnt kivon6si szintet, most a Gated Biased Amplifier'GAIN'er6sft6s6t novelje mindaddig, amig a fotocsricskb. a 3600. csatorn6bankezd gytilni. Kapcsolja be a pulzert, 6s a pulzeramplitfrd6t vdltoztassadgy, hogy a puizer csficsa fotocsricsfelett kb. a 3900. csatorna tdj6kdn jojjon. Torolje az analizdtorrnem6ri 6jil| majd ind(son el egy hoszri ideju m6r6st! Tobb 6ra akkumui6ci6ut6n a m6r6st rillftsa ie, a spektrumot mentse ki spektrum file-ba. "gy 3.9 FELADAT: Ert6kelje ki a 6.L29 MeV-es, ill. a kdtszeres kiszcikdsi csricsot ( Ef - 6.L29 - 2 x 0.511 MeV - 5.107 MeV). Erre a k6t csricsra az energiakalibrdcids procedrirdt ismdtelje rneg. Az dj kalibr:ici6val u-rdgeglszer 6rt6kelje ki mind a hdrom csricsot ill. a pulzercsricsot is! A kapott energir{kat 6s f6l6rtdksz6less6geket adja meg! 3.10 FELADAT: A 3.5 feladathoz hasonld mddon eljdrva a pulzercsrlcs f6l6rtdksz6less6g6nek 6s a 3.1 formula segfts6g6vel hatiirozza rrreg a detektorfelbontdst a fotocsricsra 6s a k6t kiszok6si csricsra is! A kapott 6rt6ket hasonlftsa cisszea 3.3 forrnuld.val szd.rnitott 6rt6kekkel! 3.11 FELADAT: R^j zolja fel a kis6rletek sordn az osszes fotonenergidra kis6rletileg meghat 6rozott, 6s a 3"3 foru-rula dltal rnegadott Rp(E",) fiigg-v6nyeket !
2l)
