Mag- és neutronfizika
5. elıadás
Szcintillációs detektorok (emlékeztetı)
Elınye: kis energiájú és kis hatótávolságú radioaktív sugárzást is ki lehet vele mutatni nagy hatásfokkal!! hatásfokkal!!
Egyes anyagokban fényfelvillanás (szcintilláció) jön létre, ha energiát kapnak becsapódó részecskéktıl. Anyagát tekintve lehet • szilárd • folyadék • gáz • szervetlen • szerves
Folyadékszcintillátor Általában szerves folyadék (koktél ), amelybe a vizsgálandó mintát (koktél), belekeverjük. Nagy geometriai hatásfok! (4π (4π−detektor) A koktél több komponensbıl áll: oldószer, szcintilláló anyag („fluor”) emulgáló szer, stb. 1/22 1/22
2/22
A két fotoelektronfotoelektron-sokszorozó jelei közül csak azokat fogadjuk el, amikor mindkettı egyszerre szólal meg (koincidencia ). (koincidencia). Ezzel a háttér csökkenthetı, ami kis aktivitások mérésénél fontos fontos 3/22
4/22
1
A folyadékszcintillációs méréstechnika környezeti minták mérésére használatos leginkább, kis β-energiájú és kis aktivitású radioizotópok kimutatására Folyadékszcintillációs technikával mérhetı leggyakoribb radioizotópok: Izotóp
Felezési idı
β-energia tartomány (keV (keV))
3H
12,3 év 5730 év 87,4 nap 14,3 nap
6 – 19 6 – 156 49 – 167 690 – 1709
14C 35S 32P
Félvezetı detektorok Bevezetı megjegyzések: megjegyzések: •Atomokban az elektronok csak diszkrét, jól meghatározott energiájú állapotokban lehetnek (pl. HH-atom) • Szilárd anyagokban a legkülsı atomi állapotok energiája sávokká szélesedik ki (a „szomszédokkal” való kölcsönhatás miatt) • szigetelı: az utolsó betöltött sáv, és az elsı üres sáv között nagy energiahézag („tiltott sáv”) van az elektronok nem tudnak elmozdulni • fémes vezetı: az utolsó betöltött sáv és az elsı üres sáv „átfedi” egymást, nincs tiltott sáv az elektronok könnyen mozognak • félvezetı: keskeny tiltott sáv
Kereskedelmi berendezés neve: TriCarb (trícium, és radiokarbon)
5/22
elsı üres sáv (üres)
utolsó betöltött sáv (tele)
6/22
A detektálás elve: • a félvezetı kristályra feszültséget kapcsolunk • mivel szigetel, áram nem folyik • a sugárzás részecskerészecske-lyuk gerjesztéseket hoz létre • a félvezetıre kapcsolt elektromos mezı begyőjti a töltéseket • áramlökés mérhetı • az áramlökés nagysága a begyőjtött töltésekkel arányos energiamérést tesz lehetıvé!
Félvezetıkben az elektronelektron-gerjesztés alaptípusa: részecskerészecske-lyuk gerjesztés Az elektron el tud mozdulni, mert vannak üres állapotok „mellette”. A lyuk üres állapotot hoz létre a valencia sávban a sáv elektronjai el tudnak mozdulni Az áramvezetésben a lyuk (elektronhiány) éppúgy részt vesz, mint a részecske (elektron) („Lyukvezetésnél” is elektronok mozognak, még ha úgy is látszik, hogy a lyuk „vándorol”!)
áram nincs
áramlökés van
A sugárzás által létrehozott kis áramlökés észlelésének feltétele feltétele a nagyon kis nyugalmi áram jó szigetelı legyen az anyag !!!
Ha nincs részecskerészecske-lyuk gerjesztés, a félvezetı szigetelıként viselkedik, áram nem folyik. 7/22
8/22
2
Összehasonlítás az ionizációs kamrával Ionizációs kamra A gáz jó elektromos szigetelı
Félvezetı detektor közepes elektromos szigetelı (szobahımérsékleten) Az ionizáló sugárzás elektronelektron- Az ionizáló sugárzás elektronelektronion párokat hoz létre lyuk párokat hoz létre Ionizációhoz szükséges energia ElektronElektron-lyuk pár keltéséhez ~ 1 – 10 eV szükséges energia ~ 0,1 – 0,5 eV A térerısség a töltéshordozókat A térerısség a töltéshordozókat begyőjti áramlökés begyőjti áramlökés Gáz sőrősége kicsi kis Szilárd anyag sőrősége nagy belsı hatásfok nagy belsı hatásfok A detektálást nehezíti a hımérsékleti gerjesztés.
−
A BoltzmannBoltzmann-eloszlás szerint: n( E ) ~ e Itt n(E) n(E) az E energiájú részecskék száma, T a hımérséklet, k a Boltzmann állandó k = 1,38⋅ 1,38⋅10-23 J/K
Mivel a tiltott sáv keskeny, ezért csak alacsony hımérsékleten lesz jó szigetelı a félvezetı!!! A detektálást nehezítik az anyagban lévı szennyezések is! Kétféle szennyezés: • „donor” atomok : elektronokat adnak a tiltott sáv tetején A donor atomok energiája közel van a vezetési sávhoz, elektronvezetés •„akceptor atomok: lyukakat hoznak létre a tiltott sáv alján Az akceptor atomok energiája közel van a valencia sávhoz, lyukvezetés
E kT
9/22
10/22 10/22
A jó szigetelıképességet a következı feltételekkel lehet biztosítani: biztosítani: • alacsony hımérséklet (folyékony nitrogén hım. hőtött detektor) • nagy tisztaságú anyag, vagy • kiürített réteg létrehozása (nincsenek sem elektronok, sem lyukak)
b) Ge(Li), Ge(Li), ill. Si(Li) Si(Li) detektorok (Lítiummal driftelt germánium, ill. szilícium detektorok)
Leggyakoribb félvezetı anyagok: Ge, Ge, Si, Si, GaAs a) Nagy tisztaságú germánium detektor (High purity germanium detector, detector, HPGe) HPGe) • Nagyon kis szennyezı koncentráció • Alacsony hımérsékletre hőtve üzemel
Félvezetı dióda: két érintkezı réteg, az egyik donor („n („n-típusú”), típusú”), a másik akceptor („p (adalékolás !) („p-típusú”) típusú”) szennyezés (adalékolás!)
Lényegében nagy térfogatú félvezetı diódák. diódák.
Záró irányban történı elıfeszítés a töltéshordozókat a határrétegbıl,
a térerısség „kihúzza” „kihúzza” kiürített réteg jön jön létre
Ha a kiürített réteget ionizáló sugárzás éri elektronelektron-lyuk párok keletkeznek, áramlökés
detektorház elıerısítı hőtı (hıvezetı rúd) vákuumban
Nagy hatásfokhoz nagy térfogatú kiürített réteg kell Nagy záróírányú feszültség !
folyékony nitrogént tartó edény 11/22 11/22
12/22 12/22
3
A detektor visszáramának a csökkentése érdekében lítiumot visznek be diffúzióval a kristályba „Li „Li--drifted”. drifted”. A lítiumnak a „helyén kell maradni”, ezért az ilyen detektorokat üzemen kívül is folyékony nitrogén hımérsékleten kell tartani! Ha felmelegszik, tönkremegy. tönkremegy. (Si(Li (Si(Li)) kevésbé érzékeny, mint a Ge(Li)) Ge(Li))
c) Felületi záróréteges detektorok (PIPS) Kis hatótávolságú töltött részecskék detektálására alkalmas. A detektor felületén alakítják ki a kiürített réteget. α-részecskék detektálására kiválóan alkalmas
alacsony hátterő kamra (árnyékolás) Ge(Li) Ge(Li) detektor
Kis térfogata elıny: Nem érzékeny a nagy hatótávolságú sugárzásokra (pl. gammagamma-sugárzás)
folyékony nitrogént tartó edény (Dewar (Dewar))
13/22 13/22
AlfaAlfa- bétabéta- és gammagamma-detektorok sajátosságai
14/22 14/22
A gáztöltéső detektorok holtideje elég nagy (pl. GMGM-csınél akár millisec is lehet !!). Veszélyes lehet az impulzus üzemmód!!
A detektálás jellemzı paraméterei: • belsı (intrinsic (intrinsic)) hatásfok (errıl már beszéltünk) α- és β-detektorok: detektorok: kis térfogat (mivel rövid hatótáv), gammagamma-detektorok: nagy térfogat • holtidı • energiafelbontás
Energiafelbontás (energiamérésre képes detektoroknál)
Holtidı Az az idı, amely alatt egy detektor nem tud új részecskét fogadni. A holtidı miatt „elveszítünk” részecskéket. Holtidı korrekció:
nigazi
1 = nmért ⋅ 1 − nmért ⋅τ
Itt τ a holtidı, nmért az idıegységre esı, mért beütésszám 15/22 15/22
FWHM
Jellemzıje: Jellemzıje: Félértékszélesség (full width at half maximum, FWHM) 16/22 16/22
4
Energiamérés fontossága:
GammaGamma-spektroszkópia
Különbözı radioizotópok jól meghatározott, diszkrét energiájú sugárzást bocsátanak ki (kivétel a β-sugárzás) sugárzás) A részecskék energiájának mérésével a forrás azonosítható: radioanalítika Spektrum: a részecskék energia szerinti eloszlása
bétabéta-spektrum (egy bomlás)
alfaalfa-spektrum (két bomlási energia)
Analitikai célokra NEM használható, a különbözı izotópok spektrumai átfednek! 17/22 17/22
Pozitron annihiláció: annihiláció: e+ + e-
elektron
2γ
Jelentısége: Jelentısége: • a gammagamma-sugarak kijönnek a mintából, tehát „kívülrıl” is mérhetı, a minta roncsolása nélkül (roncsolásmentes (roncsolásmentes módszer) • egyszerre több elem is meghatározható • kvalitatív és kvantitatív meghatározás is! Mindig a detektorban leadott energiát tudjuk csak detektálni! Probléma: Probléma: a detektorban bekövetkezı elsıdleges és másodlagos folyamatok miatt a spektrum meglehetısen bonyolult szerkezető Elsıdleges folyamatok: folyamatok: Fotoeffektus („vonalas” szerkezet, jó lenne, ha csak ez lenne!) ComptonCompton-szórás („folytonos” eloszlás) Párkeltés (másodlagos folyamatok kiindulópontja lehet) Másodlagos folyamatok: folyamatok: Comptonteljes gamma energia (jó!) Compton-szórás+fotoeffektus párkeltés+pozitron annihiláció „kiszökési” csúcsok stb… stb… 18/22 18/22
GammaGamma-spektrométer felépítése
Eγ = 0,511 MeV
analizátor
Egy izotóp, két γ-energia
detektor
tápfeszültség teljes energia csúcs Bonyolult spektrum
elıerısítı
erısítı
analóganalóg-digitál konverter (ADC)
Tároló memória A detektorból jövı jelek amplitúdója (magassága) arányos a detektorban leadott energiával. Umax= k⋅ E+U0 A k ará arányossá nyossági té tényezı nyezı és U0 meghatá meghatározá rozása: kalibrá kalibráció cióval EnergiaEnergia-kalibrá kalibráció ció: ismert energiá energiájú gammagamma-forrá források (etalonok) mé mérése
19/22 19/22
20/22 20/22
5
Szcintillációs detektor és félvezetı detektor spektrumának összehasonlítása (1)
HPGe
Szcintillációs detektor és félvezetı detektor spektrumának összehasonlítása (2)
FWHM (1 MeVMeV-nél) nél) 1-2 keV
NaI(Tl) NaI(Tl) 8080-120 keV
Kvalitatív analízis: analízis: A csúcsok helye (energiája) alapján a kibocsátó izotóp meghatározható. EnergiaEnergia-kalibráció szükséges! („X („X-tengely”) tengely”) Kvantitatív analízis: analízis: A csúcsok területe alapján a kibocsátó izotóp mennyisége (koncentrációja) is meghatározható. HatásfokHatásfok-kalibráció szükséges! („Y („Y-tengely”) tengely”)
21/22 21/22
22/22 22/22
6
