Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Detektory záření gama 1) Srovnávací charakteristiky detektorů 2) Scintilační detektory 3) Polovodičové detektory 4) Krystal difrakční spektrometry HPGE.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Detektory záření gama 1) Srovnávací charakteristiky detektorů 2) Scintilační detektory 3) Polovodičové detektory 4) Krystal difrakční spektrometry HPGE."— Transkript prezentace:

1 Detektory záření gama 1) Srovnávací charakteristiky detektorů 2) Scintilační detektory 3) Polovodičové detektory 4) Krystal difrakční spektrometry HPGE detektory sondy INTEGRAL Energie [keV] Počet HPGe Plastic NaI(Tl) CZT Srovnání spektra přirozeného pozadí detekované různými typy detektorů (převzato z prezentace firmy ORTEC) BGO krystaly z Novosibirska NaI(Tl) detektor pro připravovanou sondu GLAST

2 Srovnávací charakteristiky detektorů Citlivost – schopnost produkovat měřitelný signál pro daný typ částic a energii. Závisí na: 1) účinném průřezu ionizujících reakcí, reakcí fotonů,... 2) hmotnosti detektoru, jeho konstrukci 3) šumu detektoru 4) tloušťce a druhu materiálu obklopujícího citlivý objem detektoru Odezva – vztah mezi energií částice a výstupem na detektoru (celkovým nábojem nebo amplitudou proudového pulsu). Funkce odezvy F(E,E´) - spektrum S(E´) monoenergetického svazku je detektorem pozorováno jako komplikovaná funkce většinou blízká Gaussově funkci s chvostem k nižším energiím. Naměřené rozložení amplitud pulsů P(E): E – energie v naměřeném spektru, E´- energie původní Časová odezva – čas vytváření signálu v detektoru Tvar pulsu – tvar signálu z detektoru náběžná hrana, sestupná (i více složek) rychlá složka, pomalá složka

3 1) detektor se stává necitlivý 2) detektor zůstává citlivý – vzniká „pile-up“ – skládání amplitud Mrtvá doba – doba potřebná pro vytvoření a zpracování signálu v detektoru. Skutečný počet částic: N S = mT = k + mkτ m – skutečná četnost, T – doba měření, k – počet zaznamenaných případů Případ 1 (mrtvá doba se neprodlouží): skutečná četnost: Případ 2 (mrtvá doba se prodlouží): Předpoklad: mrtvá doba τ je konstantní: Rozdělení intervalů t mezi příchodem signálů: a tedy pravděpodobnost, že t > τ: a mezi počtem registrací k a skutečnou četností m platí: Mrtvá doba a její vliv

4 Detekční účinnost – poměr mezi počtem částic vyzářených zdrojem a detekovaných detektorem – absolutní účinnost. Ta se skládá z vnitřní účinnosti ε VNI a geometrické účinnosti (akceptance) ε GEO : ε = ε VNI ·ε GEO Standard – linka 1332 keV 60 Co Udává se i relativně – detektor vůči standardnímu (např. NaI(Tl) o rozměru 7,62  7,62 cm) v zadané geometrii ( - vzdálenost 25 cm) ε NaI = 0,12 % Poměr mezi píkem a comptonovským pozadím - pro detektory záření gama – poměr mezi maximální amplitudou v píku 1332 keV a střední hodnotou v oblasti 1040 – 1096 keV Energetické rozlišení – nejmenší rozlišitelný rozdíl energie ΔE mezi dvěma blízkými energiemi. Monoenergetický svazek → ideálně δ-funkce – reálně pík s konečnou šířkou (většinou má Gaussův tvar. Rozlišení se většinou udává ve formě pološířky – FWHM). Udává se relativní rozlišení ΔE/E v [%]. odchylku od Gaussova tvaru udává: FWTM – šířka v 1/10 výšky FWFM – šířka v 1/50 výšky Gauss: FWTM/FWHM = 1,82 FWFM/FWHM = 2,38 I jiná rozdělení, asymetrie, elektrostatický spektrometr – Lorentzův tvar

5 Detektor pohlcující část energie: Detektor pohlcující celkovovou energii (fotonové detektory): Ionizace a deexcitace – Poissonovo rozdělení → standardní odchylka: Počet vzniklých nosičů náboje, fotonů …: (Platí pro scintilační, polovodičové, plynové detektory) Kde e S je střední energie potřebná na vznik nosiče náboje nebo fotonu Vztah mezi FWHM a σ pro Gaussovu křivku: FWHM = 2,35 ·σ Velikost pološířky – energetického rozlišení: Deponovaná energie E volně fluktuuje → platí Poissonovo rozdělení: Deponovaná energie je fixní konečná hodnota → neplatí Poisson opravu zavedl Fano: kde F – korekce Fano Relativní energetické rozlišení:

6 Časové rozlišení – nejmenší rozlišitelný rozdíl časů – definice podobné jako u energie Dráhové rozlišení – nejmenší rozlišitelný rozdíl v dráze – definice obdobná jako u předchozích Velikost pološířky ovlivňují i další faktory: pohlcení nosičů náboje, fotonů vlastnosti elektroniky …. Pokud jsou příspěvky nezávislé: (ΔE) 2 = (ΔE TN ) 2 + (ΔE PN ) 2 + (ΔE ELEK ) 2 + … Srovnání absolutního a relativního rozlišení pro scintilační a polovodičové detektory

7 Ukázka zhoršení HPGE detektorů sondy INTEGRAL po ozáření (zprava A.Thevenina) Odolnost proti radiačnímu poškození – radiační ozáření → poškození, poškození krystalové mříže, poruchy méně citlivé – kapalné a plynné detektory více citlivé – scintilační a hlavně polovodičové detektory Křivka po ozáření Gaussova křivka před ozářením Při experimentech na urychlovačích pracují detektory v silném radiačním poli Někdy dochází k postupné regeneraci, u HPGe detektoru lze detektor regenerovat při ohřátí

8 Scintilační detektory Scintilační detektor: 1) Scintilator 2) Fotonásobič + antimagnetické stínění (nebo fotodioda) 3) Dělič Průchod ionizujícího záření → excitace atomu a molekul deexcitace → energie → produkce světla - luminiscence Informace: 1) Energie 2) Čas – jsou rychlé 3) Identifikace částice z tvaru pulsu Fluorescence – rychlá konverze energie na světlo s Fosforoscence - zpožděná konverze energie na světlo μs – dny – větší λ Vlastnosti fotonásobičů, fotodiod, lavinových fotodiod – viz literatura

9 Vybíjení lze popsat exponenciálním vybíjením: jednosložkové dvojsložkové: τ R – rychlejší složka, τ P – pomalejší složka Požadavky na scintilator: 1)Vysoká efektivita konverze excitační energie na fluorescenční světlo 2)Konverze by měla být lineární 3)Průhlednost pro fluorescenční světlo (v jiné oblasti spektra emituje a absorbuje světlo 4) Fluorescenční spektrum vhodné pro fotonásobiče 5) Krátká rozpadová konstanta 6) Musí mít dobré optické vlastnosti a musí být opracovatelný 7) Index lomu musí být blízký n = 1,5 (sklo) – dobrý přestup světla do FN Příklad tvaru signálu u dvojsložkového scintilátoru

10 ρ [g/cm 3 ] e S [eV] τ [ns] Anthracen ~0, Plastik (NE111) ~1, NaI 3, BGO 7, BaF 2 4, ,6 (rychlá k.) 600 (pomalá k.) Organické scintilátory: 1) Organické krystaly – antracén, stylbén 2) Tekuté organické scintilátory velmi odolné proti radiačnímu poškození, měřená radioaktivní látka může být součástí 3) Plastické scintilátory – velmi rychlé τ ~ 2 ns, NE111: τ Náběžná hrana = 0,2 ns a τ = 1,7 ns nízké Z → malé σ pro fotoefekt, převažuje comptonův rozptyl, přidání příměsi těžkých prvků (Pb) → zvětšení fotopíku, zmenšení světelného výstupu Anorganické scintilátory: Jsou pomalejší, větší Z → vhodnější pro záření gama, CsI(Tl), NaI(Tl) (je hygroskopický), BGO (Bi 4 Ge 3 O 12 ), BaF 2,PbWO 4 BGO, BaF 2, PbWO 4 velmi vhodné pro vysokoenergetické gama BaF 2 velmi rychlý (rychlá komponenta), dvě komponenty Fano koeficient je pro scintilátory F ~ 1 Limitní teoretické rozlišení, bez započtení vlivu elektroniky a vychytávání nosičů náboje

11 Krystal PbWO 4 vysokoenergetického fotonového spektrometru projektu ALICE, modrá λ= 420 nm a zelená λ= nm BaF 2 krystaly fotonového spektrometru TAPS ultrafialové komponenty λ=220nm a λ=310 nm TAPS a ALICE prezentované fotomateriály

12 Polovodičové detektory Velmi časté: HPGe (dříve Ge(Li)) – potřebují chlazení tekutým dusíkem Si – pro nízkoenergetickou oblast Novější a zatím speciálnější: CdTe, HgI 2, CdZnTe (CZT) – zatím také pro nízké energie není třeba chladit, e S ~ 4,4 eV Ge, Si – čtyři valenční elektrony – uvolnění elektronu (jeho převedení z valenčního do vodivého pásu) → vzniká díra a volný elektron Příměs s 3 valenčními elektrony – příjemce elektronů → převaha děr → polovodič typu p Příměs s 5 valenčními elektrony – dárce elektronů → převaha elektronu→ polovodič typu n Ge(Li) detektor – atomů příměsí na cm 3 HPGe – 10 9 atomů příměsí na cm 3 Zabránění tepelné produkci párů díra a elektron → teplota 77 K Záchyt a rekombinace na poruchách a příměsích HPGe detektor umístěný do stínícího olověného boxu stránky W. Westmaier

13 při T=77 K Si Ge Z atomová hmotnost 28,09 72,60 hustota ρ [g/cm 3 ] 2,33 5,33 energetická mezera [eV] 1,1 0,7 pohyblivost elektronů μ e [ 10 4 cm 2 /Vs] 2,1 3,6 pohyblivost děr μ d [10 4 cm 2 /Vs] 1,1 4,2 e S [eV] 3,76 2,96 Fano koeficient F ~ 0,09 ~ 0,06 Základní vlastnosti polovodičů: Pozičně citlivé HPGe segmentované detektory jsou vyvíjeny v LLNL (Kalifornská universita) jejich WWW v e = μ e ·E v d = μ d ·E Napětí na detektoru přes 1000 V Malé pulsy → nutnost předzesilovače: detektor → předzesilovač → zesilovač → ADC → analyzátor, počítač Technické podrobnosti – viz. doporučená literatura

14 Parametry pro linku 60 Co 1332 keV Relativní efektivita ku standardu (NaI(Tl)): 10 – 70 % (ε NaI = 0,12 % ε GEO ~ 0,58 % ε VNI ~ 20 % ) pík/compton: 1:30 až 1:60 Rozlišení: FWHM 1,7 – 2,3 Tvar píku: FWTM/FWHM ~2,0 (Gauss 1,82) FWFM/FWHM 2,65 – 3,00 (Gauss 2,38) Limitní teoretické rozlišení, bez započtení vlivu elektroniky a vychytávání nosičů náboje Přesnost měření až jednotky eV ΔE Σ 2 = ΔE TN 2 + ΔE ELEK 2 + ΔE PN 2 Nízké energie – Si a tenké HPGe detektory, beryliové okénko Vysoké energie - HPGe s velkým objemem, hliníkové okénko delší (6 μs) nebo kratší (2 - 4 μs) časová konstanta u zesilovače ΔE TN – vnitřní neurčitost (tvorby nosičů) ΔE ELEK – neurčitost daná elektronikou ΔE PN – neurčitost daná rekombinací a záchytem elektronů a děr Obrovské rozšíření v praxi →řada komerčně vyráběných typů a modelů

15 Krystal difrakční spektrometry Skládají se z 1) destičky z krystalu (křemenný krystal, kalcit) 2) detektoru rentgenovského a gama záření Různé geometrie krystalu: Rovné krystaly Ohnuté krystaly Různé konfigurace: s jedním krystalem Θ = Θ B se dvěma krystaly Θ = 2Θ B Charakteristické úhly ovlivňující šířku linky φ Z – úhel pod nímž je vidět zdroj φ K – úhel pod nímž je vidět štěrbina kolimátoru φ C – úhel pološířky difrakční linky Θ B – Braggův úhel Úhlová pološířka φ intenzity pak je (pro malé hodnoty všech úhlů v radiánech) φ 2 ≈ φ Z 2 + φ K 2 + φ C 2 Příklad přesnosti měření: 169 Yb → 169 Tm linka 63 keV – E = 63,12080(16) keV Nutno započítat vliv odrazu při vyzáření fotonu a přesnosti určení energetických standardů Detektor Krystalová mříž Zdroj Kolimátor φKφK φZφZ φCφC ΘBΘB R – úhlové rozlišení


Stáhnout ppt "Detektory záření gama 1) Srovnávací charakteristiky detektorů 2) Scintilační detektory 3) Polovodičové detektory 4) Krystal difrakční spektrometry HPGE."

Podobné prezentace


Reklamy Google