Soběslav Neufuss Katedra jaderné chemie FJFI ČVUT 14.3.2012 Radiometrické detektory pro LC.

Prezentace na téma: "Soběslav Neufuss Katedra jaderné chemie FJFI ČVUT 14.3.2012 Radiometrické detektory pro LC."— Transkript prezentace:

1 Soběslav Neufuss Katedra jaderné chemie FJFI ČVUT 14.3.2012 Radiometrické detektory pro LC

2 Rozdělení chromatografických metod Podle účelu: analytická preparativní Podle principu dělení: adsorpční rozdělovací ionexová gelová permeační afinitní Podle mobilní fáze a techniky: kapalinová- sloupcová - nízkotlaká - vysokoúčinná plošná- tenkovrstvá - papírová plynová- náplňová - kapilární Podle eluce: eluční- izokratická - gradientová vytěsňovací frontální

3 Detektory pro LC UV-VIS spektrofotometry DAD spektrofotometry (Diode Array Detector) fluorimetry polarimetry vodivostní detektory coulometry dielektrimetry refraktometry radiometry (radiometrické detektory)

4 Obecné rozdělení radiometrických detektorů podle časového průběhu detekce  kontinuální "on-line" detektory  kumulativní (integrální) detektory podle principu detekce  fotografické  materiálové  elektronické podle komplexnosti měřené informace  detektory záření  spektrometry ionizujícího záření  zobrazovací detektory  dráhové detektory částic

5 Obecné rozdělení radiometrických detektorů podle časového průběhu detekce  kontinuální "on-line" detektory poskytující průběžnou informaci o okamžité intenzitě záření či počtu kvant ionizujícího záření odezva (signál, výsledek měření) takového detektoru by měla být úměrná okamžité intenzitě záření detektory tohoto druhu jsou téměř vždy elektronické  kumulativní (integrální) detektory postupně shromažďují svou rostoucí odezvu během expozice odezva (signál, výsledek měření) zůstává v detektoru uchována i po skončení expozice a může se vyhodnotit dodatečně do této skupiny patří především fotografické a materiálové detektory

6 Obecné rozdělení radiometrických detektorů podle principu detekce  fotografické založené na fotochemických účincích záření (filmové dozimetry, rtg filmy, jaderné emulze) využívající fotografické zobrazení stop částic v určitém látkovém prostředí (mlžné a bublinové komory)  materiálové využívající dlouhodobější změny vlastností určitých látek působením ionizujícího záření(složení, barva - radiochromatické detektory, excitace - termoluminiscenční dozimetry)  elektronické část absorbované energie ionizačního záření převádí na elektrické proudy či impulsy, které se zesilují a vyhodnocují v elektronických aparaturách

7 Obecné rozdělení radiometrických detektorů podle komplexnosti měřené informace  detektory záření udávají pouze intenzitu záření, resp. počet kvant záření, bez informace o druhu záření a jeho energii patří mezi ně filmové a termoluminiscenční dozimetry, ionizační komory včetně G.-M. detektorů.  spektrometry ionizujícího záření měří nejen intenzitu či počet kvant záření, ale i energii kvant záření a příp. jeho další charakteristiky,výsledkem je většinou energetické spektrum ve spektrometrickém režimu mohou pracovat především scintilační detektory, polovodičové detektory a magnetické spektrometry  zobrazovací detektory kamery, které zobrazují (vizuálně nebo elektronicky) prostorové rozložení intenzity záření nejjednodušším (dříve používaným) zobrazovacím detektorem je fotografický film. V rtg diagnostice se též používala luminiscenční stínítka nyní se používají multidetektorové systémy prostorově vhodně rozmístěných detektorů, které poskytují informace o místech dopadu záření, nebo o úhlech, z nichž záření přilétá  dráhové detektory částic zviditelňují či vyhodnocují - dráhy pohybu jednotlivých částic v prostoru, včetně jejich zakřivení v magnetickém poli

8

9 Charakteristiky radiometrických detektorů Mrtvá doba – je časový interval, během kterého detektor po průchodu částice nemůže zaznamenat další částici Detekční účinnost zařízení – je pravděpodobnost, že záření procházející detektorem bude zachyceno Prostorové rozlišení – určuje minimální vzdálenost dvou částic, které lze ještě rozlišit jako oddělené Časové rozlišení – určuje minimální časový interval mezi průchody dvou částic detektorem, které lze ještě rozlišit Energetické rozlišení – udává relativní rozdíl energií dvou částic, které mohou být ještě rozlišeny.

10 Detektor časové rozlišení [s] mrtvá doba [s] prostorové rozlišení [m] objem [m -3 ] ionizační komora10 -3 10 -2 x10 -6 do 10 -1 proporcionální a Geiger – Műllerův počítač 10 -6 10 -4 x10 -6 do 10 -2 scintilační počítač10 -8 10 -6 x10 -6 do 10 -2 polovodičový detektor 10 -8 10 -6 510 -7 Čerenkovův detektor 10 -9 10 -8 x10 -6 do 10 -2 fotografická jaderná emulze --10 -6 do 10 -2 mlžná komora10 -2 1000,0005do 10 -1 bublinová komora 10 -3 15.10 -5 do 5 jiskrová komora10 -6 10 -3 0,0005do 1

11 Záření alfa  při této jaderné přeměně se vyzařuje částice α, která je jádrem hélia 4 He 2  spektrum záření α je čárové  241 Am, 238 U, 234 U, 226 Ra, 210 Pb,....

12 Záření beta nejčastějším a nejdůležitějším druhem radioaktivity tři druhy radioaktivity β (β -,β +,EZ) 234 Th, 90 Sr, 137 Cs, 14 C, 3 H, 18 F....

13 Záření gama vysokoenergetické elektromagnetické záření vznikající deexcitací vzbuzených hladin atomového jádra 99m Tc, 80m Br,....

14 Ionizační detektory (s plynovou náplní) jsou nejjednodušším elektronickým detektorem ionizujícího záření využívají základní vlastnost tohoto záření - ionizační účinky záření na látku(plynovou náplň detektoru) Ionizační komory Proporcionální detektory Geiger-Müllerovy detektory Koronární detektory

15 "voltampérová charakteristika" ionizační komory I. Oblast Ohmova zákona - ionty vznikající ionizací spolu opět rekombinují, přičemž pravděpodobnost rekombinace klesá s rostoucí rychlostí iontů (elektrony a ionty jsou od sebe elektricky "odháněny" opačným směrem), tj. s rostoucím napětím na elektrodách. Proto ionizační proud roste přibližně úměrně s napětím, podobně jako v běžných elektrických obvodech podle Ohmova zákona. Tato oblast se pro detekci záření nepoužívá.

16 "voltampérová charakteristika" ionizační komory II. Oblast nasyceného proudu - ionty se pohybují vlivem silnějšího elektrického pole natolik rychle, že nestačí zrekombinovat a všechny se účastní vedení proudu. Ionizační proud je proto nezávislý na napětí (sekundární ionty ještě nevznikají), závisí pouze na intenzitě záření (tu jsme si zde však stanovili konstantní). V tomto oboru pracují ionizační komory popsané výše.

17 "voltampérová charakteristika" ionizační komory III. Oblast nárazové ionizace - primární ionty (vyvolané zářením) jsou silným elektrickým polem urychlovány natolik, že vytvářejí další sekundární ionty nárazem na neutrální atomy či molekuly plynu. V počáteční části této oblasti IIIA je počet sekundárních iontů přímo úměrný počtu primárních iontů vyvolaných zářením. V této oblasti pracují proporcionální detektory. Při ještě vyšším napětí - oblast IIIB na křivce - je sekundární ionizace nárazem již tak intenzívní, že dochází k lavinovitému zmnožní elektronů a iontů (k mikrovýboji) - v této oblasti pracují Geiger-Mullerovy detektory.

18 Ionizační komory -jsou to vlastně plynové (vzduchové) kondenzátory -působením ionizačního záření se udržuje, konstantní ionizační proud - velikost ionizačního proudu se vhodným způsobem měří

19 Proporcionální a GM detektory Proporcionální detektory -tyto detektory bývají válcového tvaru, pokovený plášť skleněného válce tvoří katodu a drátek uprostřed sbírá elektrony jako anoda. Napětí je voleno tak, aby velký gradient elektrického pole v okolí anody umožnil ionizaci nárazem, čímž se zvětší počet elektronů dopadajících na anodu (plynové zesílení bývá řádu 10 3 ). Velikost napěťových pulsů je v oblasti jednotek mV. Tyto detektory se plní směsí argonu, metanu nebo dalších plynů. Užívají se k detekci záření s velmi malou energií GM detektory - tvarem se podobají proporcionálním počítačům, ale na elektrody vložené napětí je tak velké, že podmínky pro ionizaci nárazem jsou splněny v celém objemu počítače. Pár iontů vytvořený v náplni je velkým plynovým zesílením znásoben na celou lavinu, která zapálí trvalý výboj Ke zhášení výboje se užívá speciální plynové náplně počítače nebo vysoký pracovní – zhášecí odpor v obvodu.Na odporu vznikne při průchodu proudu spád napětí a tím se zmenší napětí na elektrodách počítače a výboj se přeruší. Získané impulsy jsou velikosti řádově voltů, ale nelze podle velikosti impulsu určit ionizaci způsobenou registrovanou primární částicí.

20 Scintilační detektory -jsou založeny na vlastnosti některých látek reagovat světelnými záblesky (scintilacemi) na pohlcení kvant ionizujícího záření

21 Scintilační detektory - k detekci nevyužívají ionizované, ale pouze excitované stavy látky - energie ionizujícího záření absorbovaná ve scintilátoru se projevuje emisí fotonů náležejících do ultrafialové až viditelné části spektra(luminescence) Podmínky pro scintilátory tato zářivá deexcitace musí probíhat pravděpodobněji než přeměna na energii tepelnou scintilace musí následovat následovala bezprostředně po interakci a k zářivé deexcitaci docházelo převážně rychlým mechanismem fluorescence poslední podmínkou je průhlednost materiálu detektoru pro své vlastní scintilace, což je velmi často obtížně splnitelné, neboť absorpční a emisní spektra jsou obvykle podobná Procesy probíhající ve scintilačních detektorech a) absorpci měřeného záření scintilátorem b) vlastní scintilační proces, tj. konverzi absorbované energie záření na energii emitovaných scintilačních fotonů c) přenos fotonů emitovaných scintilátorem na fotocitlivý prvek – fotokatodu fotonásobiče nebo fotocitlivou diodu d) absorpci těchto fotonů fotokatodou fotonásobiče, vedoucí fotoelektrickým jevem k emisi fotoelektronů

22 Scintilátory scintilátory lze rozdělit na - anorganické scintilátory nejčastěji se používají pro detekci a spektrometrii záření gama a X z důvodů vysokého Z - organické scintilátory nejčastěji používány jako detektory pro měření aktivit β, α organické krystaly plastické kapalné

23 Anorganické scintilátory nejčastěji se používají pro detekci a spektrometrii záření gama a X z důvodů vysokého Z a) čisté monokrystaly (neaktivované) - NaI, CsI, CsF, BaF 2,CaWO 4 a Bi 4 (GeO 4 ) 3, ozn.BGO b) monokrystaly aktivované příměsí - v praxi nejvíce používána, patří hlavně alkalické halogeny aktivované těžkými kovy (Tl, Eu,In, Pb), např. NaI(Tl), Lu 2 SiO 5 (Ce), CaF 2 (Eu), Al 2 O 3 (C) … c) samoaktivované nebo aktivované polykrystalické látky, tuhé roztoky a vzácné plyny + dusík - především sulfidy ZnS a CdS buď buď samoaktivované přebytkem Zn či Cd nebo aktivované těžkými kovy, nejčastěji Ag nebo Cu (např. ZnS(Ag)), tyto typy scintilátorů jsou polykrystalické a patří mezi nejstarší skleněné - jen velmi zřídka používané plynové scintilátory (Ar, Ne, Kr, Xe, N 2 )

24 Organické scintilátory Luminiscence - v organických scintilátorech vlastností molekulární struktury aromatických (odvozených od benzenového jádra) molekul a souvisí s energetickými stavy elektronů (tzv. π - elektronů) tři druhy luminiscence a) fluorescence b) fosforescence (dříve označovaná jako pomalá fluorescence nebo β - proces) c) zpožděná fluorescence (dříve fosforescence nebo α - proces)

25 Organické scintilátory krystalické: antracen – C 14 H 10 transtilben – C 14 H 12 plastové: PST + TPB PVT + pT + p,p difenylstilben PVT + pT + TPB PVT + PBD + POPOP PVT + pT + POPOP kapalné: toluen + pT + POPOP toluen + PBD toluen + PPO + POPOP ( př. slož. 2) xylen + PBD xylen + PBD + POPOP xylen + naftalen + POPOP dioxan + PPO + POPOP ( do 9% H2O) PST- polystyren, PVT – polyvinyltoluen, pT – p-terfenyl, TPB- tetrafenylnutadien, PBD – 2-fenyl-5-(4 bifenyl)-1,3,4 oxadiazol, PPO – 2,5-difenyloxazol, POPOP – 1,4-di-(2-(5-fenyloxazol))-benzen

26 Fotonásobiče fotonásobič - speciální elektronka která s vysokou citlivostí převádí světlo na elektrický signál,vysoké citlivosti je dosahováno tím, že malý počet elektronů, emitovaných dopadem fotonů (v důsledku fotoelektrického jevu), je násoben opakovaným vyrážením sekundárních elektronů - fotokatoda - velmi tenká vrstvičkou materiálu s nízkou výstupní prací elektronů pro fotoefekt (tloušťky cca 10 -7 cm, je opticky polopropustná) - antimonidy alkalických prvků, např. cesia a antimonu Sb-Cs (SbCs 3 ) - bialkalické materiály Cs-K-Sb, Cs-Rb-Cs, Na-K-Sb, dále Ag-O-Cs - multialkalické Na-K-Sb-Cs - polovodičové materiály - dynody - zařízení k zesílení proudu elektronů(vzniklých fotoefektem na fotokatodě) pomocí emise sekundárních elektronů - tenká vrstvička kovu s nízkou výstupní prací elektronu (nejčastěji SbCs nebo BeO) a tím vysokým součinitelem sekundární emise - obvykle 8 – 15 dynod - koeficient zesílení až 10 8 - ΔU 80-100 V ¨S = scintilátor R = reflektor FK = fotokatoda OK = optický kontakt Dn = dynody A = anoda

27 Fotonásobiče

28 Přednosti scintilačního detektoru (porovnání s ionizačním detektorem) Vysoká detekční účinnost (citlivost) Ve scintilačním krystalu o poměrně vysoké hustotě a protonovém čísle se účinně absorbuje (a tedy detekuje) podstatně větší část záření gama než ve zředěném plynu GM trubice (kde většina kvant g prolétá bez interakce). Scintilační detektory tedy mají vysokou detekční účinnost (citlivost), která se často blíží 100%. Krátká mrtvá doba Mrtvá doba scintilačního detektoru je tedy asi 1ms, což je téměř 100-krát kratší,než u GM detektorů Spektrometrické vlastnosti Intenzita světelného záblesku ve scintilátoru je přímo úměrná energii kvanta, která se tam pohltila. A intenzitě záblesku je přímo úměrný počet fotoelektronů emitovaných z fotokatody fotonásobiče. Multiplikační proces elektronů na dynodách je rovněž přesně lineární. Takže amplituda A výstupního impulsu z fotonásobiče je přímo úměrná energii Eg detekovaného záření:

29 Čerenkovy detektory v nejjednodušším uspořádání se skládá z průhledného dielektrika s vysokým indexem lomu (např. plexiskla), v němž prolétající nabité částice vzbuzují Čerenkovovo záření, které dopadá na fotokatodu fotonásobiče, kde je převáděno na elektrické impulsy Čerenkovovo záření Pozoruje v prostředí(s relativním indexem lomu n) v němž se nabitá částice pohybuje rychlostívyšší než je rychlost světla v daném prostředí (c/n). Dochází k jevu podobnému vzniku rázové vlny při pohybu tělesa nadzvukovou rychlostí ve vzduchu. Místo zvukové rázové vlny však dochází k vysílání elektromagnetického záření v oblasti viditelného světla.

30 Polovodičové detektory přímého elektrického využití ionizačních účinků záření se polovodičový detektor svým principem poněkud podobá ionizační komoře, přičemž ovšem citlivým médiem není plyn, ale vhodný polovodičový materiál z elektronického hlediska je polovodičový detektor v podstatě dioda zapojená v elektrickém obvodu s vysokým napětím (cca 1000-2000 V) přes velký ohmický odpor v závěrném (nevodivém) směru, takže v klidovém stavu obvodem neprotéká elektrický proud

31 Polovodičové detektory Polovodičové detektory jsou zhotoveny většinou z monokrystalů germania, buď se stopovým množstvím lithia, tzv. drift - detektory Ge(Li) či nověji ze superčistého germania HPGe (High Purity Ge), nebo křemíku Si Polovodičové spektrometrické detektory pro svou správnou funkci zpravidla potřebují být chlazeny na teplotu kapalného dusíku Porovnání se scintilačními detektory Ge detektory záření g velmi dobrou energetickou rozlišovací schopnost (zpravidla lepší než 1 keV), asi 30-krát lepší než detektory scintilační - viz srovnání spekter. Oproti scintilačním detektorům však mají nižší detekční účinnost pro záření gama a též delší mrtvou dobu

32 Děkuji Vám za pozornost