Radioaktív sugárzások méréstechnikái - 1 (2005) Bódizs Dénes BME Nukleáris Technikai Intézet

Radioaktív sugárzások méréstechnikái - 1 (2005)

Bódizs Dénes BME Nukleáris Technikai Intézet

1

Radioaktív sugárzások méréstechnikái/1 –

(Bódizs D.)

1/ ALAPFOGALMAK : radioaktivitás, magreakciók, bomlássémák; α−,β−,γ−,nsugárzások tulajdonságai és kölcsönhatásaik;

2/ ÁLTALÁNOS DETEKTORJELLEMZİK: detektor modellek, spektrumformák, detektorkarakterisztikák, felbontás, válaszidı, hatásfok, holtidı;

3/ DETEKTORTÍPUSOK: gáztöltéső-, szcintillációs-, félvezetı-detektorok, neutron-detektálás, egyéb detektor típusok;

4/ ELEKTRONIKUS JELFELDOLGOZÁS: impedanciák, impulzus formálás, elektronikus egységek;

5/ KOMPLETT MÉRİBERENDEZÉSEK: ratemeter, spektrométerek; 6/ SPEKTROMETRIÁK: α−, β−(LSC)-, γ−spektrometria; 7/ SPECIÁLIS MÉRÉSTECHNIKÁK: alacsony-, nagy- intenzitások mérése, aktivitás mérés relatív és abszolút módszerrel;

8/ QUALITY ASSURANCE

2


(Bódizs D.)

1/ ALAPFOGALMAK: -

radioaktivitás: az atommag szétesik különbözı részekre, vagy u.az a mag alacsonyabb energiaállapotba kerül sugárzás kibocsátásával (sugárforrások többsége ilyen); magreakciók: az atommag kölcsönhatásba lép valamilyen részecskével vagy másik maggal, mely folyamatot általában sugárzás kibocsátása kíséri (legtöbbször a magból, néha a héjból); RADIOAKTÍV SUGÁRZÁSOK FİBB JELLEMZİI (1.TÁBLÁZAT)

típus

eredet

α -β +β γ X belsı konv.en hasadási termékek

mag mag mag mag héj héj mag mag

folyamat

∆Q

bomlás, magreakció +2 bomlás, magreakció -1 bomlás, magreakció +1 bomlás, magreakció 0 atom legerjesztıdés 0 mag legerjesztıdés -1 magreakció, (hasadás) 0 maghasadás

kb. 20

m (MeV) 3727,3 0,511 0,511 0 0 0,511 939,6 -

spektrum vonalas (MeV) folytonos (keV-MeV) folytonos (keV-MeV) vonalas (keV-MeV) vonalas, (folytonos) „ vonalas (keV) vonalas, folytonos (eV-MeV) folytonos (30-160 MeV) 3

Radioaktív sugárzások méréstechnikái/3 – (Bódizs D.)

-

bomlásséma: E0,x

A X Z β2 (kβ2)

kβ: β gyakoriság kγ: γ gyakoriság

β1 (kβ1) E2 γ1 E1 γ2 AY Z+1

(kγ1) Eγ1=E2-E1 (kγ2) Eγ2=E1-E0,Y

E0,y

-

az ábra magyarázata, az egyes jelölések definíciója, fizikai jelentése, késıbbiekkel való kapcsolatuk;

-

A sugárzások és az anyag közötti kölcsönhatás: változás jön létre a sugárzás energiájában, irányában stb., másrészt az anyag atomjainak állapotában pl. ionizáció, gerjesztés, magreakció, fizikai-kémiai elváltozás (pl. roncsolás, feketedés); A kölcsönhatás eredménye: elektromos impulzus (elektromos detektorok), hı vagy kémiai hatás (pl. fotoemulzió), szerkezetváltozás (szilárdtest nyomdetektor), stb.

-

4


(Bódizs D.)

1.1. Alfa-sugárzás és kölcsönhatás: α−, β−, γ− sugárzások: mágneses eltérítés α + ; Rutherford: α = 42He++ (üvegedényes kísérlet a Ra-al és színkép elemzéssel); He++; α töltése: szcintillációs ernyı - 226Ra - Σ Q és N: qα = Q/N m v Eα: mágneses spektrométer, körpálya sugara E= diszkrét, 3-9 MeV; r= α* α qα H

−

α-bomlás (Z,A) (Z-2,A-4); elmélete (Gamow): alagúteffektus; A > 140; Εα = (Mx – My – Mα)* 931 MeV

-

az α (nukleon csomag) emisszióval a mag stabilabb állapotba kerül (néha γ is) Geiger-Nuttal törvény: -lgλ = A+B lgEα t1/2 (µs-1010év) nı, Eα (3-9 MeV) csökken;

- diszkrét energia

potenciális energia

− − − -

1 ~ r

Eα α rész

izotóp azonosítás; R (az atommag sugara)

R1

r (az atommag középponttól a távolság)

5


Pl. α-bomló izotópokra:

210 Po 84

138,4 nap

Eα − k γ 5,486 (Mev),85 (%); 5,443 (MeV), 12,8 (%); 5,389 (MeV), 1,2 (%) Eγ = 59,5 keV (36,3 %); 5,305 (MeV), 100 (%);

242 Cm 96

163,4 nap

6,113 (MeV), 74 (%), 6,070 (MeV), 26 (%);

0,18 µs

9,35 (MeV), 100 (%);

216 Ra 88 238 Pu 94

t1/2 433 év

87,7 év

5,499 (MeV), 72 (%); 5,466 (MeV), 28 (%); 5,358 (MeV), 0,09 (%) bomlásséma és spektrum 238

Pu

94

α3 0,143

α2 α1

0,043 0

234 52

U

impulzus/csatorna

izotóp 241 Am 95

5,499 [MeV]; 72 [%]

5.358 (0,09)

α1

5.456 28

α2

α1 csatorna

6


− α-sugárzás kölcsönhatása: atomi e-okkal Coulomb

ionizáció, (magreakció Pu-Be), gerjesztés;

jellemzés: fajlagos energiaveszteség: (dE/dx), nagy, mert a töltés „nagy”, matematikai leírás: Bethe formula: dE/dx ~ 1/E, Nabsz,Zabsz,wabsz; (atomsőrőség, rendszám,ionizációs potenciál);

hatótávolság: (pálya egyenes, mα >> me) jól definiált hossz

Bragg görbe:

R = aEα

egyes részecske

dE dx

3/ 2

(Eα) MeV

I/I0

sugárforrás

1

párhuzamos nyaláb

behatolási mélység hatótávolság ( µm)

Rlev (cm) = 0,3Eα

n

Si-ban 1000 p

I

I0

detektor

0,5

d Rm Re

d

átlagos hatótávolság: Rm, extrapolált hatótávolság: Re

α

D T

α mérés: - vákuum - forrásvastagság (önabszorpció) - Si detektor érzékeny térfogat ~ 100 µm

100

3

5

10 20 50 részecske energia (MeV)

7


(Bódizs D.)

1.2. Béta-sugárzás és kölcsönhatás: β = elektron az atommagból!!! − β- -bomlás:n → p + e + ν - elektron befogás: e + p −

-

(Z+1)

+ - β+ -bomlás: p → n + e + ν

n+ν

(Z-1)

(Ζ−1);

bomlás után a mag gyakran gerjesztett marad γ emisszió !! spektrum folytonos, DE Eβ,max ; néhány tiszta β-bomló: 3H – 12,3 év-18,6 keV; 14C – 5730 év-156 keV; 90Sr – 28 év-546 keV; 90Y – 64 óra-2270 keV, 99Tc – 2,12*105év-292 keV; 204Tl – 3,8 év-766 keV bomlássémák: β-spektrum:

8


− β-sugárzás kölcsönhatása: atomi e-al - Coulomb:

ionizáció és gerjesztés jellemzés: fajlagos energiaveszteség: (dE/dx), kisebb, mint az α, mert a tömeg kisebb; pálya cikk-cakkos, ezért van: (dE/dx)Coulomb és (dE/dx)sugárzásos; hatótávolság: R(mg / cm 2 ) = 0,11 1 + 22,4 E 2 max − 1

impulzus

1000

Ag

Al Cu

100

10

20

40 60 abszorbens vastagság (mg/cm2)

Eβ,µαξ = 0,45 MeV

I = I0 exp(-µ ∗x) = I0exp(-(µ ∗/ρ)∗ρx)) = I0exp(- µd),

ahol µ∗ = lineáris absz.koeff.(1/cm); x = abszorbens vastagság (cm); ρ = sőrőség (g/cm3), µ = tömegabszorpciós koefficiens (cm2/g) és d = felületi sőrőség (g/cm2), I = intenzitás az absz.után, és I0 = intenzitás az abszorbens nélkül. (pl. Eβ,max= 1 MeV – re, Al-ban R = 1,08 cm, ill. d = 0,4 g/cm2)

β mérés: önabszorpció (forrásban), abszorpció (detektor belépıablak), visszaszórás (pl. forrástartó), fékezési röntgensugárzás (árnyékolás)

9


(Bódizs D.)

1.3. Gamma-sugárzás és kölcsönhatás: elektromágneses (nem részecske), a mag (nívói közötti) legerjesztıdésébıl, (röntgen = X sugárzás az elektron héjból,~0,1-50keV); γ: karakterisztikus (keV – több MeV) (ld. bomlásséma); kölcsönhatás: közvetett ionizáció! fotoeffektus: Compton szórás: párkeltés: Eγ ≥ 2 * 511keV Ee= Eγ – Eköt Ee = Eγ-Eγszórt (Compton él) Klein-Nishina formula

τ

∼ Κ∗Ζ4,5 *E-3

σ=

2 Eγ Z absz N absz 1 ln( + ) Eγ me c 2 2

Ee elektron

Ee szórt elektron Eγ

Eγ γ foton

I = I0 exp(-µd);

κ ≅ N absz Z absz 2 ( Eγ − 2me c 2 )

γ

φ θ

Eγ′

Ee elektron Eγ γ

pozitron 511 keV

szórt gamma foton

µ = τ + σ + κ; (ábra: µ = fgv(E),

511 keV

annihilációs fotonok

build-up: I = B I0 exp(-µd) 10


(Bódizs D.)

1.3. neutron-sugárzás és kölcsönhatás: semleges részecske; (nincs ionizáció) n források:- izotópos, pl. Pu-Be: 9Be + α 12C + n, vagy Am-Be, Ra-Be, 252Cf (sp.has.) n hozam: kb. 106 n/s/1010 Bq, 109n/s/1010Bq En : 1 – 12 MeV En: 0,1-6 MeV (folytonos) - n-generátor: D -T = T(d,n) α magreakció; En: 14 MeV, 1010 n/s (1 mA) - atomreaktor: Φ = 1012 – 1014 n/scm2 FLUXUS!! En: 10-3 – 107 MeV,

n – kölcsönhatás: hatáskeresztmetszet nagyon függ En- tıl, ezért: - lassú (termikus) neutronok: En 0,5 eV alatt (Cd levágási határ): A/. rugalmas szórás: Σ Ekinetikus = állandó, A(n,n)A reakció n lassulás n detektálás aktivációs fóliával, valamint a B/. (n,γ) magreakciók: σabsz nagy 10B(n,α)7Li; 6Li(n,α)H; 3He(n,p)3H reakciók alapján; C/. maghasadás (hasadási kamra) - gyors neutronok: ha En 1 MeV fölötti, akkor A/. rugalmatlan szórás: pl. A(n,2n)B* ha En eV – keV közötti, akkor B/. magreakciók: (n,p), (n,d), (n,α), stb.

11


(Bódizs D.)

2. Általános detektor jellemzık: leggyakrabban alkalmazott (elektromos) detektorokra: gáztöltéső, szcintillációs, félvezetı: a detektorban a sugárzás energiája ionizációra, (gerjesztésre) fordítódik, eredmény töltéshordozók (fény), ezeket összegyőjtve a kimeneten az energiával (i)t

tc

∫ i ( t ) dt

arányos amplitúdójú elektromos impulzus, (töltés összegyőjtés, áram)

(i)t = Q

0

idõ

üzemmódok:

idõ

tc

- integrál: (nagy cps-ek és dozimetria, továbbá, ha energiára nincs szükség)

detektor

1 I (t ) = TR

I

(i)t

átlagáram:

t

∫ i(t )dt ,

,

t −TR

I 0 = nq = n

I(t) I(t)

E q0 w

I0

idõ t

t

12


(Bódizs D.)

- impulzus üzemmód: fontos az egyes kölcsönhatások által létrehozott elektromos impulzus alakja (amplitúdó, idıbeni változás), amely a sugárzás tulajdonságairól (energia, fajta) a legtöbb információt hordozza. A leggyakrabban alkalmazott üzemmód. alapjele az R ellenálláson megjelenı U(t), alakját a τ = RC idıállandó szabja meg: tc = a töltés kigyőjtési idı

detektor

C R

U(t)

(i)t

Q = ∫ i (t ) dt a)

t

a detektor árama (kimenı impulzus) (Q a keltett össztöltés, a besatírozott terület)

U(t) alak kis idıállandó esetén (az R-en átfolyó áram ~ U(t))

U(t) b)

RC ≤ tc

U (t ) = Ri (t )

t U(t)

U(t) alak nagy idıállandó esetén (az R-en átfolyó áram

Umax

c)

t

integrálódik C-n, majd R-en keresztül kisül, ha a cps nem túl magas)

RC ≥ tc

U max = Q / C

13


(Bódizs D.)

Impulzus üzemmódban (ha C állandó) az amplitúdó ~ Q

energia mérés jelentısége Valóságban: idıben váltakozó amplitúdójú impulzus sorozat (ok: a részecskék energiájának különbözısége és a statisztikus ingadozások).

Spektrum: amplitúdó gyakoriság az impulzus amplitúdók fgv-ben

differenciális spektrum

∆N =

U2

dN ∫U dU dU 1

∞

integrális spektrum

(mérés DD ill.ID-vel)

N0 = ∫ 0

dN dU dU

gyakorlatban általában a differenciális spektrum használatos, mert……

14


(Bódizs D.)

Detektor-karakterisztika: kimenı jelsorozat az elektronikus paraméterek (pl. Ud,) fgv-ben,

plató: detektor feszültség beállítása, erısítés beállítása, diszkriminációs szint beállítása, (magyarázat, miért?)

15


(Bódizs D.)

Energia-felbontás:- az a két legközelebbi energia, amit a berendezés még szét tud választani; (Gauss: ∆E = 2,35σ)

- a csúcs kiszélesedés okai. dN dU

jó felbontás

rossz felbontás

U0

U

definíció szerint:

f =

∆E *100[%] E0

f függvénye: - a detektor típusnak (w!), (∆E)2 = (∆Edetektor)2 + (∆Eelektronika)2 + ... - részecske fajtának, - részecske energiának, stb. Fano faktor: F n F Fw n w 2,35 f = 2 , 35 = 2 , 35 = 2 , 35 f Poissonhatár = 2,35 = 2,35 = n n E n E n 16


(Bódizs D.)

töltött részek, ill. γ és n; hatótávolság-érzékeny térfogat; energia; geometria, stb. többféle definíció, pl. abszolút = regisztrált impulzusszám/ a sugárforrásból kilépı összes részecske, (pl. GM csı), belsı = regisztrált impulzusszám/ a detektorba belépı részecske szám, csúcs = csúcsterület/ a sugárforrásból kilépı összes részecske*k*tm, (spektrometriák);

Hatásfok:

Holtidı: okozói: detektor+jelfeldolgozás, egyszerő korrekció:

ival =

imért 1 − imértτ

ahol τ = a detektor feloldási vagy holtideje i = számlálási sebesség (cps)

τ egyik kimérése: két sugárforrással (a módszer hibája nagy, 5 – 10 %, más eljárás is van) i2 =

a1 i1 = 1 − a1τ közelítéssel:

τ=

a2 1 − a 2τ

i1 + i2 =

a1, 2 1 − a1, 2τ

a1 + a 2 − a1, 2 a1, 2 − a1 − a 2 2

2

2

mérésnél vigyázat! 17

Radioaktív sugárzások méréstechnikái/17

–

(Bódizs D.)

3./ DETEKTOR TÍPUSOK: 3.1./ Gáztöltéső detektorok: - történelmi áttekintés, alkalmazási területeik; - mőködési elvük: a sugárzás részecskéi és a gázatomok közötti direkt ütközés (Coulomb kölcsönhatás) ionizáció és gerjesztés; kölcsönhatási mechanizmusok, ionizáció utáni folyamatok, jel kialakulása; - fı típusaik: ionizációs kamra, proporcionális detektor, GM csı, (azonos elvek, más paraméterek) Felépítés és általános karakterisztika:

I: II: III: IV: V: VI:

rekombinációs tartomány, telítési tartomány, proporcionális tartomány, fél-proporcionális tartomány, Geiger-Müller (GM) tartomány, kisülési tartomány.

E=

U0 r ln(rk / ra )

18


(Bódizs D.)

Gázokban a töltött részek:

- gerjesztési mechanizmus:pl. X + α = X* + α∼ ; σ ∼ 10-17 cm nemesgázokban, rezonancia szerő; gerjesztési potenciál pl. He-ra 19,8 eV, Ar-ra 11,6 eV, Kr-ra 10,0eV.

- ionizáció: X + α = X+ + α∼ + e- küszöb energia, σ ~ 10-16 cm2 X+

= pozitív ion;

e-

nemesgázokban; = elektron, ezek közös néven: ionpár; ionizációs potenciál: pl. He-ban 19,8 eV,

Ar-ban 11,6 eV, Kr-ban 14 eV.

Gázokban egy ionpár keltéséhez szükséges energia átlagosasan w ~ 30eV

(gáztól és részecske fajtától ~ független! Pl. Eα= 5,3 MeV, n = 5,3*106/30 ~ 1,8*105 ionpár, σ=n1/2=370, σrel=0,2%, elektronika: ~ 3%. Eltérés a Poisson eloszlástól, ezért Fano-faktor ~ 0,1-0,2)

- ionizáció utáni folyamatok: töltések mozgása: hogy alakul a töltések száma – kimenı jel nagysága; a/ nincs elektromos tér: diffúzió (termikus mozgás) határozza meg az ionpárok mozgását, (a diffúziós mozgás jellemzése: λ: átlagos szabad úthosszal=két ütközés között megtett út ~1µm); az ionok lassú mozgása miatt jelentıs a rekombináció: dn α= rekombinációs együttható, n= töltéshordozó koncentráció, = −αn + n − dt (oszlopos-,vagy kezdeti-, és téfogati-rekombináció) 8κT v= a töltéshordozók átlagsebessége: κ = Boltzmann állandó, T= hımérséklet mπ (Maxwell eloszlás alapján)

mivel me << m+ , ezért ve>> v+

 x2  n0 dn  = exp − a töltéshordozók sőrőségeloszlása t idı után (Gauss eloszlást mutat, ezért): dx 4πDt  4Dt  n0= kezdeti töltéssőrőség, D= diffúziós állandó és x= a keletkezési helytıl való távolság,

D=

2

(κT )3

3 pσ 0 π

m

p= gáznyomás, σ0= ütközési hatáskeresztmetszet (gáz paraméterek!)

19


(Bódizs D.)

b/ van elektromos tér: diffúzió + drift + töltés sokszorozás + (rekombináció) gyorsuló mozgás v = fgv(E-térerısség, p-gáznyomás és gázfajta), közben ütközések, kialakul egy átlagos ionok),

vd = µ +,−

E p

drift sebesség (elektronok gyorsabbak, mint a + csepp alakú lavina:

µ = mozgékonyság = vp/E

(pl. ha µ ~10-4 m2bar/ Vs, p = 1 bar, E = 104V/m, akkor vd = 1 m/s, az ionok kigyőjtési ideje kb. 10 msec azaz HOSSZÚ, lassú detektor, elektronokra kb. µsec);

töltés sokszorozás: másodlagos, harmadlagos ionizáció eredménye: gázerısítési

(gázsokszorozási) faktor: M = n/n0 = exp(κx), ahol κ = másodlagos ionizáció makroszkópikus

hatáskeresztmetszete, x = pályahossz, n0 = kezdeti e- sőrőség; az e—ok gyorsabbak = csepp alakú lavina

alakul ki.

rekombináció: rekombinációs együttható: α, pl. He-ra 1,7*10-8 , Ar-ra 8,8*10-7 cm3/s A detektor kimenı jelét a töltéshordozók száma, tulajdonsága, viselkedése határozza meg! jelfeldolgozás: erısítık: erısítés, jelformálás (jel/zaj viszony javítás), 20 linearitás, stabilitás (hımérséklet, idı).


(Bódizs D.)

Ionizációs kamrák: általános karakterisztika II. tartomány: telítési áram és fesz., nincs jelentıs rekombináció és töltéssokszorozás; (a telítési áramhoz pl. normál nyomású levegıben: E ~ 200-400 V/cm, 7 bar nyomású tiszta Ar-ban E ~ 70 V/cm, de a szennyezık elrontják);

Forma: nagyon változatos méret (mm3 – 100 l) és forma; kompenzált, U bevonatú, stb. Stabil, de elektronika drága (alacsony áramok – ~10-12A - mérése, szélessávú erısítı-alacsony frekvenciájú zajok szőrése)

Felhasználás: minden fajta sugárzásra (megfelelı formában), intenzitás (egyenáramú üzemmódban) és energia mérés (impulzus üzemben)

- kamrafal: gázzáró, vastagság (ablak), háttér, tisztaság (ionbombázás), térfogat (hatótávolság),

- töltıgáz: nyomás (hatótávolság), alacsony w, tisztaság (rekombináció), M~0, nagy µ, (pl. 90% Ar+10% metán),

- elektródok, szigetelık: segéd elektródok: kúszóáramok csökkentése (Ikamra ~ 10-12A), átütési feszültség, (pl.teflon, kerámia, tisztaság), sugárkárosodás, kiszögelések (E !!)

21


(Bódizs D.)

Ionizációs kamra típusok: - hengeres: leggyakoribb forma,

- sík-párhozamos: (ld. az elızı ábra) egyenáramú: nagy cps-nél, árammérı: galvanométer (nagy idıállandó): Itelítési = n0q0Vm; impulzus üzemő: ion-begyőjtéses (lassú tc ~ 10 msec), továbbá elektronikus zajszőrés nehéz, (mikrofóna, brumm); elektron-begyőjtéses (gyors tc ~1 msec), de a jelamplitúdó függ az ionizáció helyétıl,

U max = −

Nq0 a Cl

22


(Bódizs D.)

A helytıl való függés kiküszöbölése:

- rácsos ionizációs kamra (Frisch-féle): rács = virtuális elektronforrás (elég ritka legyen-kis e- veszteség,elég sőrő-jó elektrosztatikus árnyékolás) (minden elektron u.azt a potenciál különbséget futja be az anódig)

U(t) x/ve

a/ve

Umax=nq/C

e- drift a rácshoz

e- drift a rács és az anód között

t

a rácsos kamra hátrány, hogy nagy méret kell (nagy érzékenységhez nagy felület). A méret csökkenthetı olyan alakkal, amelyben a térerı függ az érzékeny térfogaton belül a helytıl:

- hengeres ionizációs kamra (hátránya, hogy a telítéshez szükséges térerıt a kamra falánál nehéz elérni); - gömb alakú ionizációs kamra: ezekben E leggyorsabban az anódszál közelében változik, ezért a a távolabbi ionizáció kisebb mértékben járul hozzá a jelamplitúdóhoz. Ezekben csak az e- áramot mérik, a kimeneti RC idıállandó>mint az e- -ok max.vándorlási ideje. Hengeres kamránál: Gömb alakú kamránál:

E=

U0 r ln(rk / ra )

[

]

E = ra rkU 0 (rk − ra )r 2 = k / r 2 23


(Bódizs D.)

Proporcionális detektorok: mőködésük alapja a gázsokszorozás (gázerısítés), általános karakterisztika III. szakasz. A megsokszorozott töltéshordozó szám primer ionizációban létrehozott töltésszámmal. (Upropdet ~ 105 *Uionkamra)

arányos (proporcionális) a

Forma: általában hengeres, vékony anódszállal (nagy térerı~104V/cm, ionizáció független a helytıl, ra~10 µm) Gázerısítési tényezı: M = n/n0, A és B = a gázra jellemzı konstansok, p = gáznyomás, stabil U0 kell!! viszont az erısítı (zajszőrés) egyszerőbb, mint az ionizációs kamráknál. Az energia felbontást befolyásolják: az anódszál egyenetlenségei, M szórása, elektronika zaja, Fano-faktor szórása. U 0 ln 2 U0 ln M = ln A ln(rk / ra ) Bpra ln(rk / ra ) A detektorban létrejövı összes töltés: Q = Mnq0;

az anódszál körül elektron lavina alakul ki.

Fotoionizáció csökkentése: fotonokat abszorbeáló gáz (kioltó gáz) adagolás (pl.10% metán+90% Ar), továbbá a katódot nagy e- kilépési munkájú fémbıl kell készíteni.

Alkalmazás: általában impulzus üzemmód, - lassú n detektálás, BF3, 3He (ld. késıbb), β mérés: belépı ablak

- helyérzékeny (vagy koordináta) detektor (1-2-3 dimenziós): (pl. szögeloszlás mérések) anód: nagy ρ - jú huzal

-

U 1 Ra + ρ (l − x) = U2 Ra + ρx

átáramlásos: gáz tisztaság; 4 π prop.detektor: abszolút mérés

24


(Bódizs D.)

Geiger – Müller (GM) csı: egyszerő, nagy kimenı jel (kb. V-nagyságú), erısítı egyszerő, olcsó,

ezért nagyon széleskörő alkalmazás (dozimetria, ipar), DE részecske energia mérésre alkalmatlan! γsugárzásra alacsony hatásfok (ηγ/ηβ ∼ 1 %). Általános karakterisztika V. tartomány. Nagy térerı – gázsokszorozás (M ~ 106, és np > 1 „kritikus”, n = az egy lavinában lévı gerjesztett atomok száma, p = a gázatomok fotoelektromos abszorpciójának valsége – propdetektoroknnál M ~ 103 np < 1 „szubkritikus” és így csak kevés lavina jön létre ahhoz képest amit az eredeti szabad e –ok hoztak létre) –

töltés lavinák jönnek létre (nem függetelenek egymástól, egyik lavina másikat indíthat) – önfenntartó Geiger kisülés alakul ki – mindig kb. azonos számú – Uki mindig azonos amplitúdójú, azaz független a primer ionizációtól. Tehát a Geiger kisülés kialakulása (azaz a GM csı mőködési mechanizmusa): ionizáló részecske - primer ionizáció - (másodlagos, harmadlagos) ionizáció (gázerısítés) + gerjesztés – fényfotonok – a katódból ill. egyes gázatomokból fotoeffektussal e- -ok - ezek az anód felé haladva újabb ionizációk – töltés lavina, stb. – kisülés kioltása – újabb ionizáló részecske - …………..

25


lassú (msec)

U a n ó d

A kisülés leállítása, kioltás: a/ külsı: +U0 R ~ 108 Ω

*

Uki

100

200

300

t [µ s]

C im p ulzu sam plitú d ó

forrás

(Bódizs D.)

diszkriminációs szint

th = holtidõ

t [µ s]

tr = regenerációs idõ

b/ belsı, önkioltás: a fı gázkomponenshez 5 -10 %-ban szerves gızt (pl. alkohol, ez sajnos gyorsan fogy, a csı élettartama rövid, kb. 108 – 109 impulzus), ezért manapság

halogén gázt (pl.Cl, Br) kevernek: ezek a kioltógázok; mőködési mechanizmusuk: a +ionokkal ütközve a kioltógáz molekulák átveszik a +töltést, (töltés átadásos ütközés), az elıbbiek semlegesítıdnek. A +töltéső kioltó-

gáz molekulák a katódnál semlegesítıdnek és többlet energiájuk disszocióciájukat okozza (nem fotoelektromos effektust), további lavinák nem keletkeznek, a kisülés leáll. A halogén molekulák a disszociáció után regenerálódnak = a csı élettartama hosszú lesz. 26


GM csövek jellemzıi: - karakterisztika: - plató; n 2 − n1 - munkapont; n1 - meredekség; m= 100 U 2 − U1 - holtidı; 100 - hatásfok; - ablak; - γ mérés (katódfal szerepe),

- GM csı típusok:

[cps]

%

(Bódizs D.)

UK = Geiger küszöb UM = üzemi feszültség M = munkapont

totális kisülés

n2 n1

M

UK

U1

UM

U2

U

27

Radioaktív sugárzások méréstechnikái/27 – Típus Ionkamra p: 1-10bar ionbegyüjt. imp.üzemő e- begyőjt. imp.üzemő átlagáram mérı

Jel ampl.

Jel hossz

1-10 mV

5-10 ms

2%

1-10 mV

1-2 ms

1%

-

-

Energia felbontás (5 MeV α)

Elınyök

(Bódizs D.)

Hátrányok

Alkalmazás

energia mérés, nem kell stab.táp, kis és nagy int., „

nagy tisztaság, α,β, nehéz bonyolult elektr., töltött részek, gyors γ-ra alacsony η, n spektrometria, „ „

nincs

egyszerő, nem kell stab.táp,

energia mérés nincs,

α,β felületi akt., közepes és nagy γ intenzitásokra,

Prop.det. p ~ 10-3-1bar 10-100mV

1-1000µs

2-5%

nagyobb jelampl., nagy int. mérése, egyszerőbb elektr., jó f,

f energiafüggı, lágy X és γ, nagyon stab.táp, kis energ. β, tisztaság, lassú n (BF3, γ-ra alacsony η,

GM csı

3-5 ms

nincs

nagy kimenı ampl., egyszerő elektr., nem kell stab.táp, olcsó,

energ.mérés nincs, alacsony cps,

1-5 V

α,β,γ akt.mérés, felületi szenny.mér., ipari alkalmazások, dozim.alkalmazások,

Töltıgázok: Ar, He, levegı + koltógázok: metán, halogén

28


3.2/ Szcintillációs detektorok: - 1903 ZnS + α

(Bódizs D.)

szcintilláció (fény felvillanás);

- 1908: Regener, Rutherford és a PhD-ek, α detektálás; - 1910 Rutherford α-szórás kísérletek;

- 1939-40: Bay Z. elektronsokszorozó csı, - 1945-48: Dreyfus, Blau és Hofstadter: NaI(Tl) egykristályból kilépı fényfelvillanások intenzitása (fotonok száma) arányos a kristálynak átadott energiával; -1950-tıl több fajta szcintillátor kifejlesztése, minden fajta sugárzás mérhetı (intenzitás és energia);

szcintillációs számláló felépítése:

1

2

3

4

5

1. szcintillációs kristály, 2. fotoelektron-sokszorozó (PMT = photomultiplier tube), 3. elıerısítı, 4. fıerısítı, 5. diszkriminátor és számláló, vagy sokcsatornás analizátor

29


(Bódizs D.)

Szintillációs kristály: (angol irodalomban gyakran phoszphornak nevezik = P); feladata: a radioaktív sugárzás fényfelvillanásokká történı átalakítása; ideális szcintillátor (lenne): a/ minél nagyobb szcintillációs hatásfok (részecske energiájának átalakítása látható fénnyé), jellemzése: transzformációs hatásfok εT b/ lineáris átalakítás (fényhozam széles részecske energia tartományban legyen arányos az abszorbeált energiával),

c/ átlátszó a keltett fényre (minél kevesebb fényveszteség az összegyőjtés során), jellemzése: összegyőjtési hatásfok εg d/ rövid lecsengéső fényimpulzus, hogy gyors impulzusok keletkezzenek (számlálási sebesség), e/ gyártható legyen minél nagyobb egy-kristáy méretben (hatásfok), f/ törésmutatója legyen közel azonos az üvegével (fénycsatolás a PMT-hez) kompromisszum kell: - szervetlen (alkáli halogenid) szcintillátorok: NaI, CsI (jó fényhozam, de lassú); - szerves alapanyagú egy-kristályok (rosszabb fényhozam, de gyorsabb), - plasztikok, - folyadékok. 30


(Bódizs D.)

A sugárzás átalakulásának folyamata a szcintillációs detektorban: egy E energiájú részecske Ne = εTεgεkE számú fotoelektront hoz létre a fotokatódból, a PMT sokszorozási tényezıje M ~ 105 – 108 !!! (százmilliószoros erısítés!)

31


(Bódizs D.)

A szcintilláció mechanizmusa szervetlen (aktivált) kristályban: magyarázat az anyagok elektron-energia sávelmélete alapján. - egy Na atomban a feltételezett elektron energia nívók, - fém Na-ban a feltételezett elektron energia nívók, - az elektron energianívók felhasadása fém Na-ban,

(Μ) vegyérték sáv

(LII) (LI)

(Κ)

tiltott sáv tiltott sáv tiltott sáv betöltött sáv Na mag 32


(Bódizs D.)

A szervetlen szcintillátorok szigetelıtípusúak: sugárzás hatására az elektronok a vezetési sávba (gerjesztett állapotba) jutnak. Helyükön a vegyérték sávban pozitív lyukak maradnak. Közvetlen legerjesztıdéskor ∆E > 3 eV, ~ 8 eV = ultraibolya fény (a kristály elnyeli), nincs megfigyelhetı szcintilláció. Szennyezések: hullámhossz eltolás (növelés) AKTIVÁTORral, új megengedett energianívók a tiltott sávon belül = lumineszkáló centrumok.

- aktivátorral (Tl) ellátott szervetlen kristály elektron energia sávjai és a szcintilláció kialakulása: 1 - gerjesztés (pl. sugárzással); 2 - legerjesztıdés (> 3 eV) kristály elnyeli; 3 - beesés aktivátor nívóba; 4 - legerjesztıdés (látható fény); 5 - gerjesztés; 6 - beesés elektron csapdába; 7 - elektron vissza a vezetési sávba (pl. term.gerj.); 8 - beesés aktivátor nívóba; 9 - legerjesztıdés (késleltett látható fény)

3 aktivátor gerj.állapot

vezetési sáv

6 8 7

2

e- csapda gerj.áll.

1 4

9

5

tiltott sáv e- csapda alap.áll.

aktivátor alap állapot + lyuk

fény idıbeli eloszlása: utánvilágítási idı, vagy fény lecsengési idı: τu;

vegyérték sáv tiltott sáv betöltött sáv

I = I0exp(-t/τu) ahol: I 0 = fényintenzitás t = 0 idınél kioltás (quenching): az e- olyan aktivátor nívóba esik, ahonnan nincs sugárzásos átmenet 33


(Bódizs D.)

Szervetlen szcintillátorok jellemzıi: emittált fényintenzitás (εT), hullámhossz (λ) (fotokatód érzékenység); gyártás: tégely süllyesztéses eljárás; - NaI(Tl): gyártás: olvadt NaI-hoz kb. 10% TlI-ot adnak; nagymérető (~ átm. 30 cm, hossz 40 cm), átlátszó egy-kristály, higroszkópos (burkolat – töltött részekre nem jó), ρ = 3,67 g/cm3, nagy Z, használaton kívül is fénytıl elzárni, εΤ ∼ 10% (nagy), λmax ~ 410 nm, τu ~ 0,3 µs; γ−sugárzásra, de saját háttér.

- CsI(Tl): Z és ρ még nagyobb, γ-ra még jobb, de töltött részekre is, könnyő gyártani, lágyabb, rugalmasabb, nem higroszkópos, εΤ ∼ 4%, λ = 400−600 nm, τu ~ 1 µs, (fgv. a részecske fajtának), jelalak diszkrimináció, saját háttér < ;

- CaF2(Eu): Z alacsony – β-mérés, nem oldható (folyadékok mérése), εΤ ∼ 5%, λ = 400−500 nm; - LiI(Eu): termikus neutronokra: 6Li(n,α)3T, εΤ ∼ 3−4%, λmax ~ 470 nm, τu ~ 1,1 µs; higroszkópos, - BGO: Bi4Ge3O12, nem kell aktivátor, (lumineszcencia a Bi 3+ ion legerjesztıdésétıl) nagy ρ, nagy Z (fotoeffektus, röntgen tomográfia), nem higroszkópos, de εΤ ∼ 1%, τu ~ 0,3+0,06 µs;

- ZnS(Ag): csak polikristály, üveglapra kenve (20-30 mg/cm2), α detektálás, εΤ

∼ 10 %,

τu ~ 0,2 µs, (de hosszúidejő – sötét kell mérés elıtt!!); - CdWO4, CaF2:UF4:CeF3,, BaF2:UF4:CeF3 : pl. hasadási termékek detektálása.

,

34


Szerves szcintillátorok jellemzıi:

(Bódizs D.)

kristály, plasztik, szendvics, folyadék;

aromás szénhidrogén molekulák, benzolgyőrős szerk.; fénykeltés: molekula átmenetekbıl; ne disszociáljanak.

Kristályok: - antracén: C14H10, gyártás tégely süllyesztéssel, εT ~ 4 %, λmax ~ 450 nm, τu ~ 30 ns, jelalak diszkr. (mert τu függ a részecske fajtától), elvileg minden sugárzásra jó, kioltás (pl. α dE/dx nagy); mechanikus hatásokra érzékeny; - trans-stilbén: C14H12, könnyen gyártható (átm.5, hossz 10 cm), törékeny, hıfok érzékenység, εT ~ 2 %, λmax ~ 410 nm, τu ~ 4 ns és 370 ns, kioltás, jelalaka diszkrimináció, α, β, γ gyors n (proton meglökés);

Plasztikok: szerves szcintillátorok szilárd oldatai: szerves szcintillátor feloldva polimerizált oldószerbe; oldószerek: polisztirén, polivinil-toluol, oldott anyag: p-terfenil, POPOP, nem kell tartóedény, tetszıleges alak, ellenállók, közvetlen kontaktus a mérendı mintával; εT ~ 2 %, λmax ~ 420 nm, τu ~ 2-3 ns, ρ = 1 g/cm3, α, β, gyors n mérés, jelalak diszkrimináció; mőködési mechanizmusuk ld. folyadékszcinillátorok.

Szendvics szcintillátorok: szerves + szervetlen (pl. plasztik + CsI(Tl); τ – jaik és εT - juk

különbözıek = jelalak diszkrimináció (β csak a szervesben, γ mindkettıben), háttér csökkentés (antiko) 35


(Bódizs D.)

Folyadék szcintillátorok: oldószerben (pl. benzol, toluol) oldott egy vagy több szerves anyag (pl. antracén, terfenil, max 5 g/l konc.). Aktivátor az oldott anyag (koktél). A szcintilláció mechanizmusa:

A:

sugárzás

oldószer molekula gerjesztés

B:

UV foton

kék fény foton szerves szcint.

fotokatód

oldott anyag kék fény

sugárzás oldószer

szerves szcint.

gerjesztés molekuláról molekulára vándorolva

C:

sugárzás oldószer

primer szcint.

szekunder oldat

kék fény

hullámhossz eltoló (szcint.)

Koktél: oldószer toluol, primer terfenil (4 g/l), szekunder POPOP (0,1 g/l). εT ~ 4 %, λmax ~ 420 nm, τu ~1-5 ns, tetszıleges alak, méret, közel 100 % hatásfok, jelalak diszkrimináció. Alkalmazás: alacsony energiájú β mérés (3T, 14C), α mérés. 36


(Bódizs D.)

Szcintillátorok jellemzıi (összefoglaló táblázat) szcintillátor szervetlen:

ρ (g/cm3)

λmax (nm)

εtr (%)

τu (µs)

NaI(Tl)

3,67

410

10

0,3

CsI(Tl) CaF2(Eu) LiI(Eu) BGO ZnS(Ag) CdWO4

4,51 3,19 4,08 7,1 4,09 7,9

550 435 470 500 450 530

4,5 6 3 2 20 2

1 0,6 1,1 0,3 0,2 0,9

1,25 1,16

447 410

5 3

0,03 0,005

alkalmazás γ nehéz töltött részek, γ β, rtg. n rtg., γ α γ

szerves: antracé stilbén

α, β, γ, gyors n α, β, γ, gyors n

folyadék: 0,9 – 1 xilol-,toluolban oldott terfenil, POPOP

~ 425

2–3

0,004

α, alacsony energiájú β

plasztik: 1 – 1,03 polisztirolban szilárd oldatként POPOP, terfenil

~ 420

2–3

0,003

α, β, p, elektron, n

37


(Bódizs D.)

Fotoelektron-sokszorozó csı: (PMT = photomultiplier tube) a szcintillátorból kilépı fényt elektronokká alakítja át, felerısíti az elektronok számát és kimenetén (anód) a részecske energiájával arányos amplitúdójú elektromos impulzust ad ki.

követelmények: lineáris erısítés, meredek jel felfutás, alacsony zaj, kis amplitúdó szórás, kis idıszórás, fotokatód nagy érzékenysége a szcint.fényhez, alacsony háttér, stabilitás (hımérséklet), elektromos és mágneses terekkel szemben érzéketlenség, stb.

38


(Bódizs D.)

Fotokatód: készítés, anyaga (vastagsága), ablak, optikai csatolás, háttér, e- kilépés: fotoeffektus, (Einstein): ne = fgv (fényint.), Ekin,e = fgv (hullámhossz),

hν = wk + Ekin

(wk kicsi – nagy?)

ε k : kvantum hatásfok (10-15 %)

Fókuszáló elektród: (idıszórás csökkentése)

Dinódák: elektron sokszorozás

szekunder elektron emisszió: δ, wk (elektron optika) dinóda elrendezések dinódaszám: n M=δn (pl. n = 10, δ = 5, M = 107) (n szám növelés határai)

Anód, osztólánc: M = U k (pl. RCA 5819 k = 5,5) STABIL U !!! (pl. U ~ 1000 V, I csı = 10 mA)

Jelfeldolgozás: elıerısítı: feszültség-, töltés-érzékeny, szórt kapacitások! fıerısítı, számláló vagy analizátor holtidı (τ csı < τ szcint) (szám példa : Ne =

εTεgεkE*M);

Uki ~ V)

Szcintillációs detektorok: elınyök, hátrányok. Fotodiódák, mint a PMT-k helyettesítıi. (Si, HgI2; hagyományos és sokszorozó – avalanche – típus).

39


(Bódizs D.)

3.3/ Félvezetı detektorok: 1960-as évek elsı felétıl -félvezetı dióda detektorok; 1970 – Si, Si/Li, Ge/Li, 1976 – HP Ge, 1995 – CdTe, HgI2, GaAs,PbI2, szilárd ionizációs kamrák, mert………,DE különbségek……, elınyeik: FWHM, lin.resp., η (=ε), τ, méret, vákuumban használhatók, mágn.térre érzéketlenség; hátrányaik: n károsítás, gyártás bonyolult technológia drága, LQ N2 hőtés (Ge), alkalmazásuk: töltött részek és X mérés: Si típusok; γ : Ge típusok. MŐKÖDÉSÜK: magyarázat az elektron sávelmélet alapján, szigetelık

vezetık

széles tiltott sáv

nincs tiltott sáv (a vegyérték és a tiltott sáv részben átfedik egymást)

vezetési sáv

tiltott sáv

vezetési sáv

vegyérték sáv vegyérték sáv betöltött sáv

keskeny tiltott sáv

vezetési sáv Eg ~ 1 eV

Eg ~ 10 eV

tiltott sáv

félvezetık

tiltott sáv betöltött sáv

tiltott sáv

vegyérték sáv tiltott sáv betöltött sáv

40


(Bódizs D.)

Félvezetık áramvezetése: gerjesztés (pl. hı vagy sugárzás) – e- és +lyuk párok keletkezése; e- - lyuk

vándorlás (drift) – fajlagos vezetıképesség: σ = q0 N v/E = q0 N µ = q0 (Ne µε + Np µp); µ = fgv(1/T, szennyezıdések, rácshibák); töltésveszteség: tiszta, hibátlan kristály kell! „Nem kívánatos” szennyezések: új energianívókat hoznak létre, e csapdák, töltés veszteség; intrinsic ni = pi = n (pl. Si-ban n = 1,5*1010, Ge-ban 2,4*1013/cm3 T = 3000K); visszáram=fgv(T és Eg). Ha az E térerı nı, v egy telítési értékig nı,mőködési tartomány (pl. v = 107 cm/s, d = 1 mm, tc ~ 10 ns !) Si és Ge: négy vegyérték, gyémántrács szerkezet, atomok 4 vegyérték e-al kapcsolódnak össze (kovalens kötés).

„kívánatos” szennyezések (dopolás): cél σ megváltoztatása; (pl. ha nem kívánatos lyukak vannak, szabad e-okat szolgáltató elemet visznek be, a bevitt e-ok számával csökken a lyukak száma: (teljes) kompenzáció: a kristályban nincsenek sem szabad lyukak, sem szabad e-ok = makroszkópikusan semleges kristály.

intrinsic („tiszta) Si rácsszerkezete

n - típusú: P, As, Sb – donor nívók a vezetési sáv közelében; p – típusú: Al, B, Ga, In – akceptor nívók a vegyérték sáv közelében; elektromos kontaktusok: n+ ill. p+ (nagy σ); Si rendszám tiltott sáv szélessége „ e – lyuk párkeltése „ -3 n (cm ) ρi (Ωcm) „ µe (cm2/Vs) µe (cm2/Vs) µ+ (cm2/Vs) µ+ (cm2/Vs) Fano-faktor

(3000K) (00K) (3000K) (770K) (3000K) (3000K) (770K) (3000K) (770K) (3000K) (770K)

14 1,115 eV 1,165 eV 3,62 eV 3,76 eV 1,5*1010 2,3*105 végtelen 1350 4-7*104 480 2-3*104 0,08-0,16

Ge 32 0,665 eV 0,746 eV 2,96 eV 2,4*1013 47 500 3900 3,5-5,5*104 1900 4-7*104 0,06-0,13

41

Radioaktív sugárzások méréstechnikái/41 – p – n átmenet: - nincs E: diffúzió – U0 ~ 0,5 V; - Ub külsı, záróirányú feszültség esetén: U b 〉U 0 x 0 ≈ µ ρ (U 0 + U b ) - p-n átmenet megvalósítása; - FWHM = fgv(C)

A C =ε 4πx0

C≈

1

(Bódizs D.)

i

x0 ~ U b

elıerısítı feladata!

Ub

„JÓ” félvezetı detektor: nagy ρ (kis visszáram); nagy µ; nagy E elviselése; hibátlan egy-kristály (kis töltésveszteség); széles Eg (termikus gerjesztés); keskeny Eg (sok töltéshordozó) - ellentétes követelmények!

Si és hőtött Ge, tiszta, hibátlan egy-kristályok, mint detektorok: érzékeny térfogat (hatótávolság), energia-felbontás: f2 = fd2 + fe2 = (fst2 + ff2 + fJ2) + fe,2 elektromos kontaktusok: ohmikus kontaktus helyett lezáró (blockind) kontaktus (kis visszáram), visszáram: kristályban és a felületen (tisztaság, blocking kontaktus), holtréteg: n - (~ 0,3 µm) ill. p – típus (~ 300 µm) mérhetı energia tartomány, − α, β, γ mérés, neutron nem, 31P (donor), Ge: n : ~ 109/cm2 háttér (válogatott anyagok, kriosztát), Si α ~ 1011cm2; nth 30Si(n,γ)31Si gy sugárkárosodás, egyéb környezeti hatások, gyártás: tisztítás (oxid redukció-kémia = „tiszta” öntecs) – zónás olvasztás – HF olvasztás - (szegregáció) – egy-kristály növesztés (Czochralski módszer), n vagy p típus kialakítás, méretre szabás, felület kezelés, elektromos kontaktusok (+ elektród: n+ Li, P, negatív elektród: p+: B ion implant.), felületi tisztítás, tokozás vagy hideg újra építés, kriosztátba helyezés, vákuumozás, lezárás. 42


(Bódizs D.)

Detektor típusok: diffúziós detektorok: p Si-n P, 10000C,diffúzió, p-n,

Si felületi záróréteges: n Si-oxidáció-p réteg

dead layer vastag (1-2 µm), α-spektroszkópia;

Au réteg (50 µg/cm2)-sérülékeny, α-spektroszkópia;

PIPS (Passivited Implanted Planar Silicon), x0 max 2 mm

Si/Li detektorok: x0 növelés: p Si-n Li diffúzió+drift, vagy dopolás: 30Si(n,γ)31Si

31P

(donor a p szenny.komp.)

β-, X-spektroszkópia, Be belépı ablak (~ 10 µm)

HP Ge detektorok: (Ge/Li), - planár (X és alacsony γ) x0 ≈ 2εµρU - koaxiális –true, end cup- (γ), több 100 cm3, - üreges (γ, nagy ε, DE koinc!)

kriosztátok (hőtés, elıerısítı, HV rákapcsolás, vákuum, alak stb.); egyéb: CdTe, HgI2 (Z, γ, 200C, méret, µ+ ,FWHM) sokszorozó (avalanche = lavina) detektor: Si Eg = 1,5 eV és 2,1 eV, w = 4,4 és 4,2 eV; átm.: 10 mm, ~ 10 keV (122keV)

helyzet-érzékeny detektor: felületi záróréteges Si, alsó elektród: nagy ρ

szilárd prop.detektor, M~200, nem kell erısítı, tc~3ns) alkalmazás: Ertg ~ 60 eV-tól

Up = UE(x/L)

UE ~ Q

P/E pozíció 43


(Bódizs D.)

3.4/ Neutron detektálás: semleges, detektálás alapja: magreakció σ = fgv(E ), általában 1/vn; n

magreakció eredménye: meglökött mag, p, α, hasadási termék (+Q exoterm) Etöltött részecske ~ MeV, jól detektálható, σαβσζ ∼ 1000 b 10 BF3 számláló: prop.üzemmód, 90% B (fogyás!); R ~ NVσ0Φ ; p ~ 1-2 bar, BF3+Ar U~2000 V, M ~ 300, katód: Al rk ~ 1-2 cm, l ~ 20-30 cm; anód: Cu ra ~ 0,1 mm; γ háttér diszkriminálható, n érzékenység: 50cps/cm2s, bóros falú prop.detektor: 10B a falon (vastagság Rα), nem a gázban, más gáztöltet stabilabb mőködés, kis γ érzékenység. 3He prop. detektor: p ~ 4-10 bar, He+Kr, U ~ 3-5 kV, fal hatás, γ érzékenység. hasadási kamra: ionizációs tartomány (M = 0), hasadási termékek, 235U bevonat a katód belsı falon: lassú n, 238U vagy 232Th: gyors n; csak fluxus mérés En nem, hasadóanyag fogyás, de U keverékkel csökkenthetı, töltıgáz: metán.

-

lassú n: En < 0,5 eV,

-

gyors n: gyakran visszavezetés lassú n detektálásra, pl. 3He vagy hasadási kamra;

10B(n,α)7Li, 6Li(n,α)3Τ, 3Ηe(n,p)3T;

6Li-os

detektor: szcint.det.: 6LiI(Eu), En ~ 1-14 MeV, I aktiválódik!! Bonner gömb: polietilén gömbbe helyezett LiI(Eu) szcint.detektor, En = fgv(rgömb). Si-LiF-Si: n spektrométer: az α-t és a T-ot a két felületi záróréteges detektor detektálja: Uki ~ En.. aktivációs fólia módszer: A = Φ(En)σ(En)N*S*D; fóliák: Zn, Fe, Ni, Mg, Au, En küszöb, σ, t1/2,; mérés γ − spektrometria, felaktiválódás és hőtés.

(n,p),

(n,2n) (n+γ) γ)

kompenzált ionizációs kamra: γ kiüszöbölés

két rész: - bór bevonatú: n-ra és γ-ra érzékeny, - a másik csak γ-ra, a γ-jel kivonódik az (n+γ)-ból = a n fluxussal arányos jel (pA mérı). Uc ~ 25 V, U ~ +800 V, kompenzáció nélkül: Φ ~ 104 – 108 n/cm2s, kompenzációval: Φ ~ 102 – 108 n/cm2s, érzékenység: kb. 10-18 A/(n/cm2s)

γ

44


(Bódizs D.)

3.5/ „Egyéb” detektor fajták: - szilárdtest nyomdetektor: nagy dE/dx –δ e-ok - sérült molekulák – nyom kialakulás – sőrőség = fgv(dE/dx) – nyom kezelés (10nm-10µm) – élettartam – kiolvasás;

kvarc, üveg, kova, polietilén, cellulóznitrát. α, (Rn), n-okra (a hasadási termékeken, 6Li-on, 10B-en az (n,α) reakción keresztül), gyors n: Al2O3+polietilén burkolat

- TLD: termolumineszcens detektor – lumineszcencia kiértékelés: kifőtés – fény (1%!!) – multiplier; csúcs-, integrál-módszer, γ-dozimetria: BeO+Li, CaF2+Mn, LiF, stb., fading (csapda mélység) γ+n dozimetria: (n,α): 6LiF(n+γ) - 7LiF(γγ) = n dózis

- SPND: self powered neutron detector: aktív zónában n fluxus mérés, mindig integrál üzemmódban

nA

R

Rh emitter

emitter: σ: reakció – β és γ sugárzás (e-ok), t1/2 – áram, nem kell fesz.forrás V vagy 103Rh (100%) (n,γ)104Rh Eβmax = 2,44 MeV, n érzékenység: 10-21 A/(n/cm2s) β,γ

σ = 139 b

t1/2= 42s

45


-

(Bódizs D.)

Cserenkov számláló:

gyors töltött részek vrészecske > c/n Cserenkov fény, PMT; alkalmazás: nagyenergiájú fizika (Erészecske > 10 MeV), vagy primer és szekunder e-oknál. diszkrimináció lehetısége; gyorsaság; anizotróp, alacsony fényhozam (100 foton/MeV); Cserenkov közeg: átlátszó, n>1, pl. glicerin+víz, üveg

-

fotoemulzió: ezüstbromid (koncentr.: ~ 40%) szemcsék (átm.: 1µm), zselatinban (vastagság 10-20µm), cellulózon. Sugárzás – e-ok – ezüstbromid szemcsék átalakulása – elıhívás (átalakult szemcsékbıl Ag és sokszorozódás – pályaméret növekedés) – fixálás (a nem átalakult halogenid szemcsék kioldása és lemosása) – látható feketedés. RADIOGRÁFIA: integráló módszer – forrás fajták, feketedés mérés: S = lg(I0/I), mérés: fotométer; alkalmazások: ipari, orvosi (képerısítık: fém fólia Z-Compton; képernyı: CaW fényemittáló), dozimetria: filmdoziméter felépítése, n: film-Gd lemezek között-(σabsz nagy) – prompt e-ok, autoradiográfia: a sugárforrás a mintában van (pl. biol.minta 3H, 14C); γ-radiográfia: sugárforrások: izotópok, rtg, gyorsítók (betatron).

MAGEMULZIÓ: egyes részecskék pályájának rögzítése; emulzió vastagsága: ~ 500 µm, ezüsthalogenid konc.: 80%, spec.elıhívási technika, kiértékelés: mikroszkóp, nyomsőrőség ~ részecske fajta (dE/dx alapján); pálya hossz ~ Erészecske termikus n-ok: emulzióban B, U; gyors n-ok: proton visszalökési nyomok magában az emulzióban.

46


4. ELEKTRONIKUS JELFELDOLGOZÁS:

(Bódizs D.)

sugárzás – detektor – elektromos töltések –

-

összegyőjtés (tápfeszültség forrás) – erısítés (impulzus formálás) – korrekciók (pl. holtidı, P/Z, BLR, PUR) - impulzus paramétereinek tárolása (gyakoriság, amplitúdó) – adat megjelenítés – kiértékelés. Pl. γ-spktrm. blokkvázlata.

Egységek fizikai formái: NIM, CAMAC, „FEKETE DOBOZ” – PC Impedanciák: Z2 = R2 + (L – C)2 több egység, az egymás utáni egységek illesztése Z ki Zbe: nagy legyen (kis terhelés); CÉL: Zki< Zbe a teljes mérıláncra U ki = U be Z be + Z ki Zki: kicsi legyen (jelveszteség kicsi legyen); kábel impedanciák: jeltovábbítás koax.kábelekkel (Z0), gyors impulzusok – reflexiók, lezárók, föld-hurok.

Impulzus formák: analóg (lineáris), digitális (logikai, négyszög); diff.áramkör (CR)

U ki = τ 1

dU be dt

int.áramkör CR – RC kör

(RC)

U ki =

1

τ2

U ki =

∫ U be dt

U 0τ 1 −t / τ 1 e − e −t / τ 2 τ1 −τ 2

(

)

U(t)

négyszög

t

t bipoláris

elõerõsítõ jele

t unipoláris

t

47


(Bódizs D.)

∞

Jel = a sugárzás által kiváltott „hasznos” elektromos impulzus Zaj = detektor (statisztika), elektromos egységek

háromszög

Az impulzus formálás célja: - erısítés, - zaj csökkentés, - forma optimalizálás a következı egységhez CR-(RC) 2

optimum: végtelen hosszú jelnél (elméleti), de ez más szempontból hátrányos: Umax rövid, továbbá pile-up

-

.82

semi-Gauss

P/Z, BL shift, DT, ballisztikus deficit, pile-up (tail, csúcs) analóg és digitális impulzusok analóg-analóg

elıerısítı lin.(fı) erısítı expander erısítı impulzus nyújtó

IMPULZUS KEZELİ EGYSÉGEK bemenet

analóg imp. a detekorból analóg imp. formált analóg imp. gyors analóg imp.

kimenet

analóg imp., hosszú τ erısített, formált analóg impulzus formált analóg impulzus formált analóg impulzus

analóg-digitális

ID DD ADC

formált analóg imp. formált analóg imp. formált analóg imp.

digitális impulzus digitális impulzus digitális impulzus

digitális-analóg

TAC

digitális impulzusok

formált analóg impulzus

digitális impulzusok

digitális impulzus

digitális-digitális

ko-, antikoinc

48


Elektronikus egységek: - elıerısítı: döntı az egész rendszer jel/zaj viszonyára.

(Bódizs D.)

Uki analóg, rise time: ~ ns, fall time: ~ 50-100 µs,

típusok: (feszültség-) és töltés-érzékeny Q U ki = − AU be = − A C be + ( A + 1)C v

Cbe jelentısége

ha A >> (Cbe+Cv)/Cv , akkor Uki ~ -Q/Cv gyakorlatban Rv helyett optikai visszacsatolás

- fıerısítı: Uki analóg, semi-Gauss, trapéz, uni-, bipoláris, + vagy -, Umax~1-10V, erısítés: 10-1000x, (telítés!!) shaping time: gáz és szcint.:0,5-1, Si/Li: 10, Ge: 3-6 µs, (cps!!) Tr~ 0,5-2µs, Tw~ 2-10µs, Ttop ~ µs,

bipoláris impulzus formálás erõsítõ és jelformáló

Linearitás: integrális < 0,04%, stabilitás (idı,hımérs.) ~ 0,001%/0C

U − U ideális int .nonlin[%] = valódi * 100 U max

alapszint helyreállítás

pile-up effektus elnyomó élõidõ korrektor

49


-

(Bódizs D.)

nyújtó (expander) erısítı: detektor tápfeszültség forrás: max.fesz.(fesz.rákapcsolás); max.terh.áram; polaritás; stabilitás (idı, hımérs.); zajszőrés. ionkamrák: ~ 100 V, pA, nem túl nagy stab.; prop.det.: 1-2 kV, mA, nagy stabilitás; GM csı: ~ 1 kV, mA, nem túl nagy stabilitás; szcint. det: 1-2 kV, 10 mA, nagy satbilitás; Si det.: ~ 100 V, 100 nA, nem túl nagy satbilitás; Si/Li: 200-600 V, mA, nem túl nagy stabilitás; HP Ge: 3-6 kV, mA, nem túl nagy stabilitás;

-

impulzus nyújtó (stretcher) késleltetı áramkör lineáris kapu: (kapcsoló) integrál diszkriminátor:

A

B

Ube

Ukapu -U0,kapu

-

differenciál diszkriminátor:

50


(Bódizs D.)

- impulzus generátor (pulser): hiba keresés, holtidı korrekció, - koincidencia, antikoincidencia áramkörök: feloldási idı, - sokcsatornás analizátor (MCA = multichannel analyzer): ADC: (digitalizálás) Wilkinson, szukcesszív approkszimációs, - holtidı, - integrális nonlinearitás, - differenciális nonlinearitás, - csatornaszám, - konverziós erısítési tartomány, - LLD, ULD, - memória kapacitás, - MCS (multiscaler) üzemmód;

vezérlõ egység

erõsítõbõl

ADC

ADC interface

memória

perifériákhoz

display

digitális erısítı (DSP = digital signal processor); - idı-amplitúdó konverter (TAC = time-to-amplitude converter) 5. Komplett mérıberendezések: - impulzus számláló (ratemeter): csak intezitás mérés (pl. dozimetria): detektor-erısítık-ID-számláló -

Us: pl. ID kimenet, Rf: soros kimeneti impedancia, Cf: tároló kondenzátor

-

U(t) = QrR = CfUrR, r : impulzus sőrőség,

U(t) ~ r ha a mőszeren állítható τ = CtR nagyobb, akkor az kimenıjel ingadozása kisebb, de a gyorsabb intenzitásváltozások kevésbé vehetık észre, ill. fordítva.

51


(Bódizs D.)

ADC típusok: Wilkinson típusú: óragenerátor (100-400 MHz) - holtidı (100 MHz és 3000-ik csatorna esetén 1/108*3000+fixDT=30 µs) - jó linearitás

Szukcesszív approximációs típusú: fix (~ µs), rövidebb holtidı rosszabb linearitás

52


-

spektrométerek:

-

egycsatornás: detektor-erısítık-DD-számláló (egyszerő spektum mérés); sokcsatornás: detektor! összetett spektrumok mérése: α, γ

-

(Bódizs D.)

53


Mérési módszerek: 6. Spektrometriák: −

α-spektrometria: (Vajda Nóra)

-

vonalas

-

vékony, (<10µm) egyenletes vastagságú forrás, nyomjelzı izotóp, detektor, (Eα ~ 3-9 MeV), elektronika, kalibráló standardok.

−

α-forrás készítés:

elıerıs .

detektor

(Bódizs D.) fıerıs .

A D C

MCA

perifériák

oszcilloszkóp

pulser

det.táp

vákuum szivattyúhoz forrás

(gyenge láncszem!!) - kémiai feldolgozás: függ a minta fajtától (talaj, víz, stb.) minta feltárás (roncsolás), a meghatározandó elem elıkoncentrálása, kémiai elválasztása: - csapadék leválasztással/együtt-leválasztással - desztillálással/frakcionált desztillálással - ioncserés vagy extrakciós eljárással, kromatográfiás technikával - elektrolízissel, stb. A kémiai folyamatok nyomon követésére a mőveletek megkezdése elıtt „nyomjelzı” (ismert aktivitású izotóp, mely kémiailag azonos a keresettel) - kitermelés

- forráskészítés: - bepárlással - vákuumgızöléssel - elektrolízissel - mikrocsapadékos eljárással

-

mérés, kiértékelés: energia és hatásfok kalibráció (kalibráló forrás!!), mérés (háttér, minta), csúcskeresés, izotóp azonosítás, csúcsterület számítás (és nehézségei), aktivitás vagy aktivitás-koncentráció számítás (korrekció a kémiai kitermeléssel).

-

Alkalmazások: nukleáris adatok mérése, aktinidák kémiai elválasztásának ellenırzése, transzmutáció, reaktor főtıelemburkolat meghibásodás ellenırzése, környezetvédelem, stb.

54


-

(Bódizs D.)

Folyadékszcintillációs méréstechnika (LSC) - β-spektrometria (Si, Si/Li): (Vajda Nóra) folytonos (neutrínó-antineutrínó, Eβ,max) tisztán β-bomló izotópok, kis Eβ,max szcintillációs koktélok: szcintillátor (elsıdleges – PPO -

208Tl

és másodlagos-POPOP)+oldószer(toluol, DIN)+emulgeátor, N N 0 0

α vagy β kölcsönhatás – szcintilláció – PMT – elektromos impulzus gyors (80 ns)+lassú(300 ns) – α/β jelalak diszkrimináció;

kioltás (quench): koktélban fényveszteség, korrekció: pl. külsı standard forrással;

háttér: mintából, ill. kivülrıl, csökkentés: passzív-, aktív-védelem, imp.alak kezelés, hőtés

Alkalmazások: kémiai elıkészítés kell!! - lágy β-sugárzók: 3H mérés, 14C (kor meghatározás), 90Sr, 89Sr, 63Ni, 55Fe, 99Tc, 241Pu mérése, - α-sugárzók: U, Th, Pu, Am, Cm, 222Rn (pl. Pico-Rad aktívszenes mintavevıvel), 226Ra mérése.

55


−

(Bódizs D.)

γ – spektrometia: jelentısége: minıségi és mennyiségi meghatározás (alkalmazások), hasonlóságok és

különbségek az α− és γ-spektometria között; Detektor megválasztás (kölcsönhatás, mérési feladat, P/C, LD); detektor válaszfüggvények (kis-, nagy-, közepes-mérető detektor) vonal helyett Gauss-szerő csúcs alak – ok??

forráskészítés és mérés: homogenitás, reprezentativitás; kalibrációk (energia, hatásfok), kalibráló források: energia (pl. 241Am, 57Co, 113Sn, 137Cs, 54Mn, 88Y, 60Co, stb.) hatásfok: ε = N εNaI, εGe, εrel (Heath szám = 1,2*10-3) tm Akγ

tartomány, felezési idı, mérési geometriák, valódi koincidenciák,

energia kalibráció, fgv.: E = m*CS + b;

-

hatásfok függvény alakok: pl. lnε = a + b*(lnE) + c*(lnE)2 +d*(lnE)3 háttér (környezeti minták); kiértékelés: detektor függés! csúcskeresés, energia meghatározás, izotóp azonosítás, csúcsterület meghatározás, aktivitás számítás, LD meghatározás, korrekciók. softwer-ek: pl. hypermet, sampo, omnigam, genie.

(cross-over pont)

56

Radioaktív sugárzások méréstechnikái/56 – -

-

csúcskeresés:

f ( x) =

N ( FWHM ) π /(4 ln 2)

e −( x − X )

2

(Bódizs D.)

/ 2σ 2

N = csúcsterület, X = centroid, FWHM = félért.szélesség, σ = a Gauss fgv. szórása, és FWHM = 2,35σ izotóp azonosítás: E, T1/2, kγ, súlyozás, csúcsterület meghatározás: Cowell és TPA módszer j  Ib + I j  N = ∑ I i −  ( j − b + 1)  b  2 

σ N = N + 2B

-

aktivitás, aktivitás-koncentráció és LD meghatározás: A n 2,71 + 3,29 H a[Bq / kg ] = A[Bq] = LD [Bq] = m εk γ t εk

-

korrekciók: holtidı, önabszorpció, mérés alatti bomlás, valódi koinc. koinc.hiányában a γ1−tıl a száml.seb.: n10 = Ak1ε1 lenne, a mért n1< n10, γ2 regiszt.valsége: εt2 és n1 = Ak1ε1 – Ak1ε1εt2 és a korr.faktor: t2 1 − e − λ∆t − λt Amért = At1 ∫ e = At1 = At1C n 1 λ∆t t1 C1 = 10 = n1 1 − ε t 2

m

E2-re:

k n2 = Ak 2 ε 2 − Ak 2 ε 2  1  k2

C2 =

 k  ε t1 = Ak 2 ε 2 1 −  1    k2

γ

  ε t1   

1 1 − ( k1 / k 2 )ε t1

E3 – ra: n3 = Ak3ε3 + Ak1ε1ε2 és

C3 =

n30 1 = n3 1 + k1ε 1ε 2 /(k 3ε 3 )

57


(Bódizs D.)

7. Speciális (különleges) méréstechnikák: - alacsony intenzitások méréstechnikája: környezeti, élelmiszer minták, egésztest-mérés; pl. GM csöves mérés, I H I H ival = i − h = − σ i ,val = + 2 2 tm th tm th

vagy

γ-spektrometria:

MDA =

- mérési idı növelés, - mérési hatásfok növelés: detektor fajta, méret,(nagyobb detektor jobb P/C), LSC technika,

2,71 + 3,29 H t h εk γ

mérési geometria, (well, Marinelli),

- háttércsökkentés: háttér eredete, összetevıi: természetes eredetőek (kozmikus tér, bomlási sorok, 40K), mesterséges eredetőek; passzív módszer: árnyékolás, földben elhelyezés, szellıztetés (Rn) aktív módszer: Compton elnyomásos spektrométer és tiltó, vagy ır-detektoros spektrométer

8 – 10-szeres Compton háttér csökkentés, P/C ~ 900:1; h ~ 10-2 - 3*10-5 imp/perc/keV, hosszú mérési idık: stabilitás (kihagyni a fölösleges egységeket, pl. PLR), hımérséklet, nedvesség tartalom

58


-

(Bódizs D.)

nagy intenzitások méréstechnikája: > 30 kcps, pl. főtıelem vizsgálat, primer-víz, naa, nagyon rövid t1/2, stb. nagy holtidı, pile-up;

- mérési geometria: kisebb detektor, távolság, árnyékolás, kollimátor, DE kis és nagy aktivitás, alacsony és nagy E, - mérırendszer: detektor: töltés kigyőjtési idı (gáz töltéső – ms, szcint det. – µs, félvezetı det. - ~ 10-20 ns 105 – 106 cps, elıerısítı: RC visszacsatolású 104 – 105 cps, telítés!! fıerısítı: korlát az impulzus szélesség (shaping time) és a pile-up – FWHM és spektrum csúszás, ~ 105 cps, de spec. erısítınél, pl. DSP ~ 2*105 cps,

MCA: (ez a döntı) típustól függ Wilkinson típus: DT ~ 10 – 100 µs, szukcesszív apr. típus: DT ~ 1 – 10 µs

104-105 cps, 105-106 cps,

- DT korrekció + gyors elektronika opt. csat. elıerısítı, DSP fıerısítı – nem kell ADC ! vagy analóg spektr. erısítı – rövid τ + + BLR + PUR + LTC,

59


(Bódizs D.)

- relatív és abszolút módszerek: relatív módszer: standard kell, azonosság (sugárzás fajta, energia, mérési geometria), egyszerő, pontos:2-4%; mőszer: pl. GM csı + erısítı + ID + számláló) - hatásfok kalibráció: ist = a háttérrel, holtidıvel korrigált számlálási sebesség, i D = exp(-∆t ln2/t1/2), ∆t = t1 – t0 , t1/2 = az adott izotóp felezési ideje, η1 = st Ast ,0 D1 Ast,0 = a standard izotóp (primer vagy szekunder) aktivitása t0 idıpontban. - az ismeretlen izotóp aktivitása a mérés idıpontjában: i Ax = x η1 ix = szintén a háttérrel és holtidıvel korrigált számlálási sebesség. Ha a mőszer pl. spektrométer, akkor η mérési geometrián kívül az E - tıl is függ és ix = nE - a mőszer idıszakos ellenırzése ill. az η korrekciója: i η1,korr = B ,i η1 i B ,1

abszolút módszerek: pl. nincs standard, vagy Φn mérés, σ

meghatározás, stb.

- 4π proporcionális detektorral: η ~ 100 %, vékony minta (10µg/cm2) a detektorban, pontosság: 2 – 3 %; - koincidencia módszer: bomlásséma függı (pl. β−γ, γ−γ), pontosság: 2-3 %, i2 = η 2 A

i1 = η1 A korrekciók: -

A=

ival = η1η 2 A

ivél = 2τi1i2

- β detektor γ érzékenysége: i1,2

A=

i1i2 ival

(i1 − i1, 2 )(i2 − h2 ) ival − ivél − hko

60


(Bódizs D.)

8. Mérıberendezések és módszerek minıségbiztosítása (QA = quality assurance) -

akkreditáció (MSZ EN ISO/IEC 17025 – 2005) : pontos (nyomon követhetı) dokumentáció; új berendezés: bemérési jegyzıkönyv: berendezés és alk. sug.forr. adatai, mérési paraméterek, geometriák, tm, DT, mérési adatok ;

archiválni!

akkreditált mőszer: mőszer napló: a mőszer „életének” nyomon követése, mérési paraméterek,(üzembe helyezés, η, háttér, javítások, stb.)

mérési eljárás kidolgozása (Standard Operating Procedure = SOP), mely része a Minıségbiztosítási kézi könyvnek.

idıszakos ellenırzı mérések: (egy egyszerő változatot ld. pl. a „relatív mérési módszer”-nél;) a mőszer alap paramétereinek ellenırzése az SOP szerint: mindig azonos mérési körülmények (beállítás, sug.forrás, mérési geometria, stb.); rögzítés, ábrázolás pl. diagrammon (control chart) és a mérések archiválása, beavatkozási szintek, pl. + 2σ

üzemi napló: a mőszerrel végzett mérések dokumentálása; validálás: a mőszerrel ill. módszerrel kapott eredmények hitelességének, pontosságának ellenırzése (pl. részvétel összehasonlító mérésekben);

szórás számítás a mérési eredményekhez !

61

Radioaktív sugárzások méréstechnikái - 1 (2005) Bódizs Dénes BME Nukleáris Technikai Intézet

Recommend Documents