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

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

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

Detekční účinnost – poměr mezi počtem částic vyzářených zdrojem a detekovaných detektorem – absolutní účinnost. Ta se skládá z vnitřní účinnosti εVNI a geometrické účinnosti (akceptance) εGEO : ε = εVNI·εGEO Standard – linka 1332 keV 60Co Udává se i relativně – detektor vůči standardnímu (např. NaI(Tl) o rozměru 7,627,62 cm) v zadané geometrii ( - vzdálenost 25 cm) εNaI = 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

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

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

krystalové mříže, poruchy méně citlivé – kapalné a plynné detektory 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 Ukázka zhoršení HPGE detektorů sondy INTEGRAL po ozáření (zprava A.Thevenina) Při experimentech na urychlovačích pracují detektory v silném radiačním poli Někdy dochází k postupné regeneraci, u HPGe detektoru lze detektor regenerovat při ohřátí

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 10-8s Fosforoscence - zpožděná konverze energie na světlo μs – dny – větší λ Vlastnosti fotonásobičů, fotodiod, lavinových fotodiod – viz literatura

Vybíjení lze popsat exponenciálním vybíjením: jednosložkové dvojsložkové: τR – rychlejší složka, τP – pomalejší složka Příklad tvaru signálu u dvojsložkového scintilátoru Požadavky na scintilator: Vysoká efektivita konverze excitační energie na fluorescenční světlo Konverze by měla být lineární 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

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: τNáběžná 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 (Bi4Ge3O12), BaF2,PbWO4 BGO, BaF2, PbWO4 velmi vhodné pro vysokoenergetické gama BaF2 velmi rychlý (rychlá komponenta), dvě komponenty ρ [g/cm3] eS [eV] τ [ns] Anthracen ~0,8 60 30 Plastik (NE111) ~1,2 100 1.7 NaI 3,67 25 230 BGO 7,13 300 300 BaF2 4,89 125 0,6 (rychlá k.) 600 (pomalá k.) Limitní teoretické rozlišení, bez započtení vlivu elektroniky a vychytávání nosičů náboje Fano koeficient je pro scintilátory F ~ 1

BaF2 krystaly fotonového spektrometru TAPS TAPS a ALICE prezentované fotomateriály BaF2 krystaly fotonového spektrometru TAPS ultrafialové komponenty λ=220nm a λ=310 nm Krystal PbWO4 vysokoenergetického fotonového spektrometru projektu ALICE, modrá λ= 420 nm a zelená λ= 480-520 nm

Polovodičové detektory Velmi časté: HPGe (dříve Ge(Li)) – potřebují chlazení tekutým dusíkem Si – pro nízkoenergetickou oblast Novější a zatím speciálnější: CdTe, HgI2, CdZnTe (CZT) – zatím také pro nízké energie není třeba chladit, eS ~ 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 – 1012 atomů příměsí na cm3 HPGe – 109 atomů příměsí na cm3 Zabránění tepelné produkci párů díra a elektron → teplota 77 K stránky W. Westmaier Záchyt a rekombinace na poruchách a příměsích HPGe detektor umístěný do stínícího olověného boxu

Základní vlastnosti polovodičů: při T=77 K Si Ge Z 14 32 atomová hmotnost 28,09 72,60 hustota ρ [g/cm3] 2,33 5,33 energetická mezera [eV] 1,1 0,7 pohyblivost elektronů μe[ 104cm2/Vs] 2,1 3,6 pohyblivost děr μd [104cm2/Vs] 1,1 4,2 eS [eV] 3,76 2,96 Fano koeficient F ~ 0,09 ~ 0,06 ve = μe·E vd = μd·E Napětí na detektoru přes 1000 V Malé pulsy → nutnost předzesilovače: detektor → předzesilovač → zesilovač → ADC → analyzátor, počítač Pozičně citlivé HPGe segmentované detektory jsou vyvíjeny v LLNL (Kalifornská universita) jejich WWW Technické podrobnosti – viz. doporučená literatura

Parametry pro linku 60Co 1332 keV Relativní efektivita ku standardu (NaI(Tl)): 10 – 70 % (εNaI = 0,12 % εGEO ~ 0,58 % εVNI ~ 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) ΔEΣ2 = ΔETN2 + ΔEELEK2 + ΔEPN2 ΔETN – vnitřní neurčitost (tvorby nosičů) ΔEELEK – neurčitost daná elektronikou ΔEPN – neurčitost daná rekombinací a záchytem elektronů a děr 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 Limitní teoretické rozlišení, bez započtení vlivu elektroniky a vychytávání nosičů náboje Přesnost měření až jednotky eV Obrovské rozšíření v praxi →řada komerčně vyráběných typů a modelů

Krystal difrakční spektrometry Skládají se z 1) destičky z krystalu (křemenný krystal, kalcit) 2) detektoru rentgenovského a gama záření Charakteristické úhly ovlivňující šířku linky φZ – úhel pod nímž je vidět zdroj φK – úhel pod nímž je vidět štěrbina kolimátoru φC – úhel pološířky difrakční linky ΘB – Braggův úhel Krystalová mříž Zdroj Kolimátor φK φZ φC ΘB Úhlová pološířka φ intenzity pak je (pro malé hodnoty všech úhlů v radiánech) φ2 ≈ φZ2 + φK2 + φC2 Detektor Různé geometrie krystalu: Rovné krystaly Ohnuté krystaly Různé konfigurace: s jedním krystalem Θ = ΘB se dvěma krystaly Θ = 2ΘB R – úhlové rozlišení Příklad přesnosti měření: 169Yb → 169Tm linka 63 keV – E = 63,12080(16) keV Nutno započítat vliv odrazu při vyzáření fotonu a přesnosti určení energetických standardů