Korszerű Nukleáris Elemanalitikai Módszerek és Alkalmazásaik. 2014/2015 I.félév ELTE DETEKTOROK. Ionizáló (radioaktív) sugárzások méréstechnikái

Átírás

1 Korszerű Nukleáris Elemanalitikai Módszerek és Alkalmazásaik 2014/2015 I.félév ELTE DETEKTOROK Ionizáló (radioaktív) sugárzások méréstechnikái (2x45 perc) 1

2 Korszerű Nukleáris Elemanalitikai Módszerek és Alkalmazásaik 2014/2015 I.félév ELTE DETEKTOROK Vázlat: a sugárzások tulajdonságai, a sugárzások és az anyag közötti kölcsönhatások formái, (ismétlés, különös tekintettel a mérésre), detektorok felépítése, működésük, jellemzőik, alkalmazásaik (A detektorok kimenő jeleit fogadó elektronikus egységekről: - elő-, fő-erősítő-, adatmegjelenítő külön előadás lesz!) 2

3 DETEKTOROK A radioaktív sugárzások érzékszerveinkkel közvetlenül nem érzékelhetők, valamilyen mérő-eszközzel= detektor+jelmegjelenítő kell mérni; Pl. filmen-feketedés; gázból-áram; kristályból fényemisszió (szcintilláció), szilárd testekben szerkezet változás. A gyakorlatban leggyakrabban alkalmazott sugárzásmérő eszközök detektorainak nagy családjai: - gáztöltésű; - szcintillációs; - félvezető; - film; - kristály (TLD); - szilárdtest (üveg, cellulóz). A megfelelő mérőeszköz kiválasztásához ismerni kell (a meghatározandó adat: pl. intenzitás, energia, stb. mellett) a mérendő sugárzás tulajdonságait és a detektoranyagban lejátszódó kölcsönhatások formáját és eredményét. Így választható ki a detektorhoz kapcsolandó adamegjelenítő is. Ezért a detektorok tárgyalása előtt (ismétlésül) röviden áttekintjük ezeket. 3

4 DETEKTOROK a-, b-, g-, és n-sugárzások tulajdonságai -Az atommagból származnak (kivéve a röntgensugárzást, mely az atomhéjból); az a-, b- és n-sugárzás részecskékből áll, a g- elektromágneses természetű (hasonlóan, mint a rádióhullámok, vagy a látható fény, de az utóbbiak sokkal kisebb energiájúak, mint a g-sugárzás); az a-, b- és n-sugárzás kibocsátása után az atommag szerkezete megváltozik, más izotóp (elem) jön létre, g-sugárzás estén ilyen átalakulás nem következik be; 4

5 DETEKTOROK a-sugárzás:pl. 238,235 U, 241 Am, 239 Pu, 226 Ra; E a ~ 3-9 MeV; (vonalas) hatótávolságuk rövid (papírlap, vagy néhány cm levegőréteg is elnyeli), vákuum kamra!! méréstechnika: kölcsönhatásuk az anyaggal: ionizáció (forrásvastagság!!) b-sugárzás: pl. 3 H; 14 C; 90 Sr; 90 Y; 99 Tc; 204 Tl; E b ~ 18 kev-2,5 MeV; (folytonos) hatótávolságuk hosszabb, mint az a-é (de 2-3 mm vastag plexi lap már elnyeli) méréstechnika: kölcsönhatásuk az anyaggal: ionizáció és gerjesztés g-sugárzás: általában kísérő-jelensége, az a-vagy a b-bomlásnak, vagy magreakciónak; a g-sugárzás az atommag legerjesztődéséből származik E g ~ 20 kev-7 MeV;(vonalas),pálya hosszról nem beszélhetünk, csak gyengülésről: méréstechnika: kölcsönhatásuk az anyaggal: fotoeffektus, Compton szórás, párkeltés: EREDMÉNY: energiával rendelkező elektronok neutron: töltés nélküli részecske, izotópos n-forrásokból; n-generátorból, atomreaktorból; (termikus, epitermikus, gyors) méréstechnika: kölcsönhatásuk az anyaggal: szórás, magreakciók 5

6 DETEKTOROK DETEKTORTÍPUSOK: 1/. Elektromos detektorok: gáztöltésű-, félvezető-, - szcintillációs- + detektor C R U(t) sugárzás Kölcsönhatás: a, b, g, n 2/. Egyéb detektor típusok: elektromos töltések; E ~ Q ~ U(t) energia mérés: izotóp azonosítás film, TLD, szilárdtest, (neutron detektálás: pl. aktivációs, spd) 6

7 gáztöltésű DETEKTOROK Gáztöltésű detektorok: fajtáik, formáik, alkalmazási területeik; - működési elvük: a sugárzás részecskéi és a gázatomok közötti direkt ütközés (Coulomb kölcsönhatás) ionizáció és gerjesztés; ionizáció utáni folyamatok, jel kialakulása; lassú detektorok - fő típusaik: ionizációs kamra, proporcionális detektor, GM cső, (azonos elvek, más paraméterek) Felépítés és általános karakterisztika: I: rekombinációs tartomány, II: telítési tartomány, III: proporcionális tartomány, IV: fél-proporcionális tartomány, V: Geiger-Müller (GM) tartomány, VI: kisülési tartomány. E U 0 r ln( r k / r a ) 7

8 gáztöltésű DETEKTOROK Gázokban a töltött részek: - gerjesztés: X + a = X * + a ~ ; s ~ cm 2. - ionizáció: X + a = X + + a ~ + e - küszöb energia, s ~ cm 2 ; X + (= pozitív ion) + e - (= elektron) = ionpár ~ Q = töltésmennyiség. Gázokban egy ionpár keltéséhez szükséges energia átlagosasan w ~ 30eV (gáztól és részecske fajtától ~ független!) - ionizáció utáni folyamatok:elektromos tér: diffúzió + drift + (töltés okszorozás) + (rekombináció) töltés-sokszorozás: másodlagos, harmadlagos ionizáció = gázerősítés jellemzése: gázsokszorozási faktor: M = n/n 0 rekombináció: jellemzése: rekombinációs együttható: a, A detektor kimenő jelét a töltéshordozók száma, tulajdonsága, viselkedése határozza meg! jelfeldolgozás: erősítők: erősítés, jelformálás (jel/zaj viszony javítás), adat megjelenítés: pl. számláló 8

9 Radioaktív sugárzások méréstechnikái-gáztöltésű-dektorok (2014-Bódizs D.) SZORGALMI OLDAL!! Ionizációs kamrák: általános karakterisztika II. tartomány: telítési áram és fesz., nincs jelentős rekombináció és töltéssokszorozás; Forma: nagyon változatos méret (mm l) és forma; kompenzált, U bevonatú, stb. hengeres, sík-párhuzamos, rácsos, gömb: 4p geometria; Stabil, de elektronika drága (alacsony áramok ~10-12 A - mérése, szélessávú erősítő-alacsony frekvenciájú zajok szűrése) Felhasználás: minden fajta sugárzásra (megfelelő formában), intenzitás (egyenáramú üzemmódban) és energia mérés (impulzus üzemben) - kamrafal: gázzáró, vastagság (ablak), háttér, tisztaság (ionbombázás), térfogat (hatótávolság), - töltőgáz: nyomás (hatótávolság), alacsony w, tisztaság (rekombináció), M~0, nagy m, (pl. 90% Ar+10% metán), - elektródok, szigetelők: segéd elektródok: kúszóáramok csökkentése (I kamra ~ A), kiszögelések átütési feszültség, (pl.teflon, kerámia, tisztaság), sugárkárosodás, 9

10 Radioaktív sugárzások méréstechnikái-gáztöltésű-dektorok (2014-Bódizs D.) SZORGALMI OLDAL!! Proporcionális detektorok: működésük alapja a gázsokszorozás (gázerősítés), általános karakterisztika III. szakasz. A megsokszorozott töltéshordozó szám arányos (proporcionális) a primer ionizációban létrehozott töltésszámmal. (U propdet ~ 10 5 *U ionkamra ) Forma: általában hengeres, vékony anódszállal Gázerősítési tényező: M = n/n 0,, stabil U 0 kell!! erősítő egyszerűbb, mint az ionizációs kamráknál..sokszorozás leállítása: kioltó gáz) adagolás (pl.10% metán+90% Ar), továbbá a katódot nagy e - kilépési munkájú fémből kell készíteni. Alkalmazás: általában impulzus üzemmód, - lassú n detektálás, BF 3,, 3 He, b mérés: belépő ablak - helyérzékeny (vagy koordináta) detektor (1-2-3 dimenziós): - átáramlásos: gáz tisztaság; 10

11 gáztöltésű DETEKTOROK Geiger Müller (GM) cső: egyszerű, nagy kimenő jel (kb. V- nagyságú), erősítő egyszerű, olcsó, ezért nagyon széleskörű alkalmazás (dozimetria, ipar), DE részecske energia mérésre alkalmatlan! g- sugárzásra alacsony hatásfok (h g /h b ~ 1 %). Általános karakterisztika V. tartomány. Forma: leggyakrabban hengeres - nagy térerő gázsokszorozás (M ~ 10 6, töltés lavinák jönnek létre, önfenntartó Geiger kisülés alakul ki mindig kb. azonos számú lavina U ki mindig azonos amplitúdójú, azaz független a primer ionizációtól, ezért energia mérésre nem alkalmas Tehát a Geiger kisülés kialakulása (azaz a GM cső működési mechanizmusa): ionizáló részecske - primer ionizáció - másodlagos, harmadlagos ionizáció (gázerősítés) + 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

12 gáztöltésű DETEKTOROK A kisülés leállítása, kioltás: a/ külső: elektronikus út: nagy anódellenállás - nagy feszültségesés - anód-feszültség a Geiger kisülés feszültsége alá csökken, kisülés megszűnik b/ belső, önkioltás: a fő gázkomponenshez 5-10 %- ban szerves gőzt (pl. alkohol - élettartama rövid, kb imp.), ezért manapság halogén gázt (pl.cl, Br) kevernek: ezek a kioltógázok; a +ionokkal ütközve a kioltógáz molekulák átveszik a pozitív töltést, A pozitív töltésű kioltó-gáz molekulák a katódnál semlegesítődnek és többlet energiájuk disszocióciájukat okozza, nem fotoelektromos effektust, további lavinák nem keletkeznek, a kisülés leáll. A halogén molekulák a disszociáció után regenerálódnak = a cső élettartama hosszú lesz. 12

13 GM csövek jellemzői: - karakterisztika: - plató; - munkapont; 2014/2015 I.félév ELTE gáztöltésű DETEKTOROK - meredekség; % - holtidő; - hatásfok; - ablak; m g mérés (katódfal szerepe), n U n 1 n1 -U [cps] n 2 n 1 U K = Geiger küszöb U M = üzemi feszültség M = munkapont M totális kisülés U K U 1 U M U 2 U - GM cső típusok: (nagyon sok féle van) meredekség közelítően: m n U ) 2 1 % n -U 1 13

14 Radioaktív sugárzások méréstechnikái-gáztöltésű-dektorok (2014-Bódizs D.) Típus Jel ampl. Jel hossz Energia felbontás Előnyök Hátrányok Alkalmazás (5 MeV a) Ionkamra p: 1-10bar ionbegyüjt mv 5-10 ms 2 % energia mérés, nagy tisztaság, a,b, nehéz imp.üzemű nem kell stab.táp, bonyolult elektr., töltött részek, gyors kis és nagy int., g-ra alacsony h, n spektrometria, e - begyűjt mv 1-2 ms 1 % imp.üzemű átlagáram - - nincs egyszerű, energia mérés a,b felületi akt., mérő nem kell stab.táp, nincs, közepes és nagy g intenzitásokra, Prop.det. p ~ bar mV ms 2-5% nagyobb jelampl., f energiafüggő, lágy X és g, nagy int. mérése, nagyon stab.táp, kis energ. b, egyszerűbb elektr., tisztaság, lassú n (BF 3, jó f, g-ra alacsony h, GM cső 1-5 V 3-5 ms nincs nagy kimenő ampl., energ.mérés a,b,g akt.mérés, egyszerű elektr., nincs, felületi szenny.mér., nem kell stab.táp, alacsony cps, ipari alkalmazások, olcsó, dozim.alkalmazások, Töltőgázok: Ar, He, levegő + koltógázok: metán, halogén Szorgalmi oldal! 14

15 szcintillációs DETEKTOROK Szcintillációs detektorok: ZnS + a szcintilláció (fény felvillanás); : Regener, Rutherford és a PhD-ek, a detektálás; Rutherford a-szórás kísérletek; : Bay Z. elektronsokszorozó cső, : Dreyfus, Blau és Hofstadter: NaI(Tl) egykristályból kilépő fényfelvillanások intenzitása (fotonok száma) arányos a kristálynak átadott energiával; ez ad lehetőséget részecskeenergia mérésére is! től több fajta szcintillátor kifejlesztése, minden fajta sugárzás mérhető (intenzitás és energia), csak megfelelő kristályt kell választani (a-energia nem) szcintillációs számláló felépítése: szcintillációs kristály: sugárzás átalakítása fénnyé; 2. fotoelektron-sokszorozó (PMT = photomultiplier tube): fotokatód: fény átalakítása elektronokká, dinódák: az elektronszám meg-sokszorozása; 3. előerősítő: elektromos jel formálás, 4. főerősítő: erősítés, jelformálás, 5. diszkriminátor: elektromos impulzusok nagyság szerinti szétválogatása és számláló, vagy sokcsatornás analizátor 15

16 szcintillációs DETEKTOROK Szintillációs EGY kristály: (angol irodalomban gyakran phoszphornak nevezik = P); feladata: a radioaktív sugárzás fényfelvillanásokká történő átalakítása; ideális szcintillátor (lenne): a/ minél nagyobb szcintillációs hatásfok: (a részecske energiájának átalakítása látható fénnyé), jellemzése: transzformációs hatásfok e T b/ lineáris átalakítás: (fényhozam széles részecske energia tartományban legyen arányos az abszorbeált energiával), c/ átlátszó a keltett fényre: (minél kevesebb fényveszteség az összegyűjtés során), jellemzése: összegyűjtési hatásfok e g d/ rövid lecsengésű 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: pl. NaI, CsI (jó fényhozam, de lassú); - szerves alapanyagú egy-kristályok: pl. antracén (rosszabb fényhozam, de gyorsabb), - plasztikok, - folyadékok. 16

17 szcintillációs DETEKTOROK A sugárzás átalakulásának folyamata a szcintillációs detektorban: egy E energiájú részecske N e = e T e g e k E számú fotoelektront hoz létre a fotokatódból, a PMT sokszorozási tényezője M ~ !!! (százmilliószoros erősítés!) 17

18 Radioaktív sugárzások méréstechnikái-szcintillációs-dektorok (2014-Bódizs D.) SZORGALMI OLDAL!! 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, (M) vegyértéksáv i (L II ) L I ) K) tiltott sáv tiltott sáv tiltott sáv betöltött sáv Na atommag 18

19 Radioaktív sugárzások méréstechnikái-szcintillációs-dektorok (2014-Bódizs D.) SZORGALMI OLDAL!! A szervetlen szcintillátorok szigetelőtípusúak: sugárzás hatására az elektronok a vezetési sávba (gerjesztett állapotba) jutnak. Helyükön a vegyérték sávban pozitív lyukak maradnak. Közvetlen legerjesztődéskor DE > 3 ev, ~ 8 ev = ultraibolya fény (a kristály elnyeli), nincs megfigyelhető 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); vezetési sáv 2 - legerjesztődés (> 3 ev) kristály elnyeli; aktivátor beesés aktivátor nívóba; gerj.állapot 2 1 e - csapda gerj.áll. 4 - legerjesztődés (látható fény); tiltott sáv 5 - gerjesztés; aktivátor e - csapda alap.áll. 6 - beesés elektron csapdába; alap állapot 7 - elektron vissza a vezetési sávba (pl. term.gerj.); + lyuk vegyérték sáv 8 - beesés aktivátor nívóba; 9 - legerjesztődés (késleltett látható fény) tiltott sáv fény időbeli eloszlása: utánvilágítási idő, vagy fény lecsengési idő: t u ; I = I 0 exp(-t/t u ) ahol: I 0 = fényintenzitás t = 0 időnél betöltött sáv kioltás (quenching): az e - olyan aktivátor nívóba esik, ahonnan nincs sugárzásos átmenet 19

20 szcintillációs DETEKTOROK Szervetlen szcintillátorok jellemzői: emittált fényintenzitás e T ), hullámhossz (l) (fotokatód érzékenység); gyártás: tégely süllyesztéses eljárás; - NaI(Tl): gyártás: olvadt NaI-hoz kb. 10% TlI-ot adnak (aktivátor); nagyméretű (~ átm. 20 cm, hossz 40 cm), átlátszó egy-kristály, higroszkópos (burkolat töltött részekre nem jó), r = 3,67 g/cm 3, nagy Z, használaton kívül is fénytől elzárni, e T ~ 10% (nagy), l max ~ 410 nm, t u ~ 0,3 ms; g-sugárzásra, de saját háttér. - CsI(Tl): Z és r még nagyobb, g-ra még jobb, de töltött részekre is, könnyű gyártani, lágyabb, rugalmasabb, nem higroszkópos, e T ~ 4%, l nm, t u ~ 1 ms, (fgv. a részecske fajtának), jelalak diszkrimináció, saját háttér < ; - CaF 2 (Eu): Z alacsony b-mérés, nem oldható (folyadékok mérése), e T ~ 5%, l nm; - LiI(Eu): termikus neutronokra: 6 Li(n,a) 3 T, e T ~ 3-4%, l max ~ 470 nm, t u ~ 1,1 ms; higroszkópos, - BGO: Bi 4 Ge 3 O 12, nem kell aktivátor, (lumineszcencia a Bi 3+ ion legerjesztődésétől) nagy r, nagy Z (fotoeffektus, röntgen tomográfia), nem higroszkópos, de e T ~ 1%, t u ~ 0,3+0,06 ms; - ZnS(Ag): csak polikristály, üveglapra kenve (20-30 mg/cm 2 ), a detektálás, e T ~ 10 %, t u ~ 0,2 ms, (de hosszúidejű sötét kell mérés előtt!!); - CdWO 4, CaF 2 :UF 4 :CeF 3,, BaF 2 :UF 4 :CeF 3 : pl. hasadási termékek detektálása., 20

21 szcintillációs DETEKTOROK Szerves szcintillátorok jellemzői: kristály, plasztik, szendvics, folyadék; aromás szénhidrogén molekulák, benzolgyűrűs szerk.; fénykeltés: molekula átmenetekből; Kristályok: - antracén: C 14 H 10, gyártás tégely süllyesztéssel, e T ~ 4 %, l max ~ 450 nm, t u ~ 30 ns, jelalak diszkr. (mert t u függ a részecske fajtától), elvileg minden sugárzásra jó, kioltás (pl. a de/dx nagy); mechanikus hatásokra érzékeny; - trans-stilbén: C 14 H 12, könnyen gyártható (átm.5, hossz 10 cm), törékeny, hőfok érzékenység, e T ~ 2 %, l max ~ 410 nm, t u ~ 4 ns és 370 ns, kioltás, jelalaka diszkrimináció, a, b, g 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, tetszőleges alak, ellenállók, közvetlen kontaktus a mérendő mintával; e T ~ 2 %, l max ~ 420 nm, t u ~ 2-3 ns, r = 1 g/cm 3, a, b, gyors n mérés, jelalak diszkrimináció; működési mechanizmusuk ld. folyadékszcinillátorok. Szendvics szcintillátorok: szerves + szervetlen (pl. plasztik + CsI(Tl); t jaik és e T - juk különbözőek = jelalak diszkrimináció (b csak a szervesben, g mindkettőben), háttér csökkentés (antiko) 21

22 Radioaktív sugárzások méréstechnikái-szcintillációs-dektorok (2014-Bódizs D.) SZORGALMI OLDAL!! Szcintillátorok jellemzői (összefoglaló táblázat) szcintillátor r (g/cm 3 ) l max (nm) e tr (%) t u (ms) alkalmazás szervetlen: NaI(Tl) 3, ,3 g CsI(Tl) 4, ,5 1 nehéz töltött részek, g CaF 2 (Eu) 3, ,6 b, rtg. LiI(Eu) 4, ,1 n BGO 7, ,3 rtg., g ZnS(Ag) 4, ,2 a CdWO 4 7, ,9 g szerves: antracé 1, ,03 a, b, g, gyors n stilbén 1, ,005 a, b, g, gyors n folyadék: 0,9 1 ~ ,004 a, alacsony energiájú b xilol-,toluolban oldott terfenil, POPOP plasztik: 1 1,03 ~ ,003 a, b, p, elektron, n polisztirolban szilárd oldatként POPOP, terfenil 22

23 szcintillációs DETEKTOROK Fotoelektron-sokszorozó cső: (PMT = photomultiplier tube) a szcintillátorból kilépő fényt elektronokká alakítja át, felerősíti az elektronok számát és kimenetén (anód) a részecske energiájával arányos amplitúdójú elektromos impulzust ad ki. követelmények: lineáris erősítés, meredek jel felfutás, alacsony zaj, kis amplitúdó szórás, kis időszórás, fotokatód nagy érzékenysége a szcint.fényhez, alacsony háttér, stabilitás (hőmérséklet), elektromos és mágneses terekkel szemben érzéketlenség, stb. 23

24 Radioaktív sugárzások méréstechnikái-szcintillációs-dektorok (2014-Bódizs D.) SZORGALMI OLDAL!! Fotokatód: készítés, anyaga (vastagsága), ablak, optikai csatolás, háttér, e - kilépés: fotoeffektus, (Einstein): n e = fgv (fényint.), E kin,e = fgv (hullámhossz), hn = w k + E kin (w k kicsi nagy?) e k : kvantum hatásfok (10-15 %) Fókuszáló elektród: (időszórás csökkentése) Dinódák: elektron sokszorozás szekunder elektron emisszió: d, w k (elektron optika) dinóda elrendezések dinódaszám: n M = d n (pl. n = 10, d = 5, M = 10 7 ) (n szám növelés határai) Anód, osztólánc: M = U k (pl. RCA 5819 k = 5,5) STABIL U!!! (pl. U ~ 1000 V, I cső = 10 ma) Jelfeldolgozás: előerősítő: feszültség-, töltés-érzékeny, szórt kapacitások! főerősítő, számláló vagy analizátor holtidő (t cső < t szcint ) (szám példa : N e = e T e g e k E*M); U ki ~ V) Szcintillációs detektorok: előnyök, hátrányok. Fotodiódák, mint a PMT-k helyettesítői. (Si, HgI 2 ; hagyományos és sokszorozó avalanche típus). 24

25 DETEKTOROK 3.4/ Neutron detektálás: semleges, detektálás alapja: magreakció s = fgv(e n ), - lassú n: E n < 0,5 ev, magreakció eredménye: meglökött mag, p, a, hasadási termék 10 B(n,a) 7 Li, 6 Li(n,a) 3 T, 3 He(n,p) 3 T; E töltött részecske ~ MeV, jól detektálható, -BF 3 számláló: prop.üzemmód, 90% 10 B; BF 3 +Ar, M ~ 300, g háttér diszkriminálható, - 3 He prop. detektor:, He+Kr,. -hasadási kamra: ionizációs tartomány (M = 0), hasadási termékek, 235 U bevonat a katód belső falon: lassú n, 238 U vagy 232 Th: töltőgáz: metán. - gyors n: visszavezetés lassú n detektálásra, pl. 3 He vagy hasadási kamra; - 6 Li-os detektor: szcint.det.: 6 LiI(Eu), E n ~ 1-14 MeV, (I aktiválódik!!) -Bonner gömb: polietilén gömbbe helyezett LiI(Eu) szcint.detektor, -aktivációs fólia módszer: A = F(E n )s(e n )N*S*D; fóliák: Zn, Fe, Ni, Mg, Au, E n küszöb, s, t 1/2,; aktiválás, hűtés, mérés g - spektrometria, 25

26 egyéb DETEKTOROK 3.5/ Egyéb detektor fajták: - szilárdtest nyomdetektor: nagy de/dx - sérült molekulák nyom kialakulás sűrűség = fgv(de/dx) nyom kezelés (10nm-10mm) - élettartam kiolvasás; kvarc, üveg, kova, polietilén, cellulóznitrát. a, (Rn), n-okra (a hasadási termékeken, gyors n: Al 2 O 3 +polietilén burkolat - TLD: termolumineszcens detektor lumineszcencia kiértékelés: kifűtés fény multiplier; integrál-módszer, g-dozimetria: BeO+Li, CaF 2 +Mn, LiF, stb., g+n dozimetria: (n,a): 6 LiF(n+g) - 7 LiF(g) = n dózis - SPND: self powered neutron detector: aktív zónában n fluxus mérés, Rh emitter R na emitter: s: reakció b és g sugárzás (e-ok), áram, nem kell fesz.forrás 103 Rh (100%) (n,g) 104 Rh 26

27 Radioaktív sugárzások méréstechnikái: Egyéb detektorok (2014 Bódizs D.) Szorgalmi oldal! - Cserenkov számláló: gyors töltött részek v részecske > c/n Cserenkov fény, PMT; alkalmazás: nagyenergiájú fizika (E részecske > 10 MeV), vagy primer és szekunder e-oknál. diszkrimináció lehetősége; gyorsaság; anizotróp, alacsony fényhozam (100 foton/mev); Cserenkov közeg: átlátszó, n>1, pl. glicerin+víz, üveg - fotoemulzió: ezüstbromid (koncentr.: ~ 40%) szemcsék (átm.: 1mm), zselatinban (vastagság 10-20mm), cellulózon. Sugárzás e-ok ezüstbromid szemcsék átalakulása előhívás (átalakult szemcsékből 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(i 0 /I), mérés: fotométer; alkalmazások: ipari, orvosi (képerősítők: fém fólia Z-Compton; képernyő: CaW fényemittáló), dozimetria: filmdoziméter felépítése, n: film-gd lemezek között- s absz nagy) prompt e-ok, autoradiográfia: a sugárforrás a mintában van (pl. biol.minta 3 H, 14 C); g-radiográfia: sugárforrások: izotópok, rtg, gyorsítók (betatron). MAGEMULZIÓ: egyes részecskék pályájának rögzítése; emulzió vastagsága: ~ 500 mm, ezüsthalogenid konc.: 80%, spec.előhívási technika, kiértékelés: mikroszkóp, nyomsűrűség ~ részecske fajta (de/dx alapján); pálya hossz ~ E részecske termikus n-ok: emulzióban B, U; gyors n-ok: proton visszalökési nyomok magában az emulzióban. 27

28 félvezető DETEKTOROK Félvezető detektorok:1960-as évek első felétől -félvezető dióda detektorok; ~1970 Si/Li, Ge/Li, 1976 HP Ge, 1995 CdTe, HgI 2, GaAs,PbI 2, szilárd ionizációs kamrák, mert, DE különbségek, előnyeik: FWHM, lin.resp., h, t, méret, vákuumban használhatók, mágn.térre érzéketlenség; hátrányaik: n károsítás, gyártás bonyolult, drága, LQ N 2 hűtés (Ge,Si/Li), alkalmazásuk: töltött részek és X mérés: (Si típusok); g : Ge típusok. MŰKÖDÉSÜK: magyarázata az elektron sávelmélet alapján, szigetelők vezetők félvezetők széles tiltott sáv nincs tiltott sáv keskeny tiltott sáv vezetési sáv (a vegyérték és a tiltott sáv részben átfedik egymást) tiltott sáv Eg ~ 10 ev vezetési sáv vezetési sáv tiltott sáv Eg ~ 1 ev vegyérték sáv tiltott sáv vegyérték sáv vegyérték sáv betöltött sáv tiltott sáv tiltott sáv betöltött sáv betöltött sáv 28

29 félvezető DETEKTOROK Sugárzások detektálására Si-ból, vagy Ge-ból hibátlan, nagyon tiszta egykristály alkal-mas, a rácshibák és szennyezések töltésveszteséget okoznak. (A tisztaság azt jelenti, hogy a szennyezés koncentráció kb /cm3, ez kb. 13 kilences tisztaságnak felel meg.) A Si és a Ge 4 vegyértékű. A belőlük készített kristály ún. gyémántrács szerkezetű. A kristály elektromos vezetőképességének növelésére, részben 5 vegyértékű elemet (pl.as), n-típusú szennyezés- e többlet, részben 3 vegyértékűt (pl. Ga) p-típusú szennyezés. +lyuk többlet, visznek be a kristályba. A sávelmélet alapján ezek a szennyezések a tiltott sávon belül hoznak létre új, megengedett e energia nívókat: az n-típusú szennyezők a vezetési sáv közelében (donor nívók), a p-típusúak a vegyértéksáv közelében (akceptor nívók). tiszta Si kristály (csak elméletben van) n tipusú Si kristály elektron többlet p tipusú Si kristály + lyuk többlet 29

30 félvezető DETEKTOROK p n átmenet: záróirányban előfeszített dióda: X 0 =kiürített = érzékeny tartomány (- U) p n (+ U) sugárzás elektromos tér A félvezető detektorokban egy n-típusú és egy p-típusú anyagok érintkeznek egymással. Ha erre záróirányú feszültséget kapcsolnak (az n oldalra +-at, a p oldalra - -at), a két rész között létrejön egy elektromos töltésektől mentes kiürített tartomány. Ez a detektor érzékeny térfogata, mert ha a sugárzás ebben elnyelődik, +lyuk-e töltéshordozó párokat hoz létre és detektorra kapcsolt feszültség ezeket összegyűjti, áram folyik, elektromos impulzust szolgáltat a detektor.. Ha részecske energia mérése is a feladat, akkor a detektort úgy kell megválasztani, hogy érzékeny térfogata nagyobb legyen, mint a mérni kívánt részecske hatótávolsága!! (Ez minden más detektor típusra is követelmény.) 30

31 félvezető DETEKTOROK A gyakorlatban a következő félvezető detektor típusok vannak: - a-sugárzás mérése (spektrometria = energia mérés is): Si alapú, felületi záróréteges detektor (n-típusú Si lap, p-típusú oldalon arany (Au) réteg, ennek vastagsága kb. 50 mg/cm 2, felülete mm 2, ez egyben elektromos kontaktus és fényzáró is, érzékeny térfogat vastagsága 100 mm), hűtést nem igényel, üzemifeszültség: V); vákuumkamra! - b -, és röntgen-sugárzás mérése (spektrometria is): Si felületi záróréteges detektor (érzékeny térfogat 2-5 mm vastag, hűtést nem igényel), vagy Si/Li koaxiális detektor (belépő ablak 10 mm vastag berillium, hengeres egykristály, cseppfolyós nitrogén hűtést igényel kb C, üzemi feszültség V); - g - sugárzás mérés (spektrometria is): HP Ge (high purity) detektor: (n- vagy p-típusú Ge egykristály, hengeres, átmérő: mm, magasság: mm, hűtést igényel (kb C), üzemfeszültség: V ); formák: valódi koaxiális, zárt végű koaxiális, üreges (well). - detektor gyártási technológia; (zónaolvasztás,-szegregáció, kristálynövesztés, tokozás, stb.) - kriosztát formák; - mérhető energia tartományok; Si: a-sugárzás ~ MeV; Si/Li: X-sugárzás ~ kev; Ge: g-sugárzás: ~ 15 kev 8 MeV 31

32 félvezető DETEKTOROK a-spektroszkópiában alkalmazott, felületi-záróréteges detektor g-spektroszkópiában alkalmazott HP GE detektor (más előadáson lesz részletezve) 32