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

Átírás

1 Radioaktív sugárzások méréstechnikái - (005) Bódizs Dénes BME Nukleáris Technikai Intézet

2 Radioaktív sugárzások méréstechnikái/ (Bódizs D.) / ALAPFOGALMAK : radioaktivitás, magreakciók, bomlássémák; α,β,γ,nsugárzások tulajdonságai és kölcsönhatásaik; / 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

3 Radioaktív sugárzások méréstechnikái/ (Bódizs D.) / 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 (.TÁBLÁZAT) típus eredet folyamat Q m (MeV) spektrum α mag bomlás, magreakció + 377,3 vonalas (MeV) - β mag bomlás, magreakció - 0,5 folytonos (kev-mev) + β mag bomlás, magreakció + 0,5 folytonos (kev-mev) γ mag bomlás, magreakció 0 0 vonalas (kev-mev) X héj atom legerjesztıdés 0 0 vonalas, (folytonos) belsı konv.e - héj mag legerjesztıdés - 0,5 vonalas (kev) n mag magreakció, (hasadás) 0 939,6 vonalas, folytonos (ev-mev) hasadási termékek mag maghasadás kb. 0 - folytonos (30-60 MeV) 3

4 Radioaktív sugárzások méréstechnikái/3 (Bódizs D.) - bomlásséma: E 0,x A Z X β (k β ) k β : β gyakoriság kγ: γ gyakoriság β (k β ) γ E (k γ ) E γ =E -E E γ E 0,y (k γ ) E γ =E -E 0,Y A Z+ 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

5 Radioaktív sugárzások méréstechnikái/4 (Bódizs D.).. Alfa-sugárzás és kölcsönhatás: α, β, γ sugárzások: mágneses eltérítés α + ; Rutherford: α = 4 He ++ (üvegedényes kísérlet a Ra-al és színkép elemzéssel); α töltése: szcintillációs ernyı - 6 Ra - Σ Q és N: q α = Q/N He ++; - E α : mágneses spektrométer, körpálya sugara m vα r = α * E= diszkrét, 3-9 MeV; q H α-bomlás (Z,A) (Z-,A-4); elmélete (Gamow): alagúteffektus; A > 40; Ε α = (M x M y M α )* 93 MeV az α (nukleon csomag) emisszióval a mag stabilabb állapotba kerül (néha γ is) - Geiger-Nuttal törvény: -lgλ = A+B lge α t / (µs-0 0 év) nı, E α (3-9 MeV) csökken; - diszkrét energia izotóp azonosítás; potenciális energia E α α rész α ~ r R R (az atommag sugara) r (az atommag középponttól a távolság) 5

6 Pl. α-bomló izotópokra: Radioaktív sugárzások méréstechnikái/5 (Bódizs D.) izotóp t / E α k γ 4 95 Am 433 év 5,486 (Mev),85 (%); 5,443 (MeV),,8 (%); 5,389 (MeV),, (%) 0 84 Po 38,4 nap 5,305 (MeV), 00 (%); E γ = 59,5 kev (36,3 %); 4 96 Cm 63,4 nap 6,3 (MeV), 74 (%), 6,070 (MeV), 6 (%); 6 88 Ra 0,8 µs 9,35 (MeV), 00 (%); Pu 87,7 év 5,499 (MeV), 7 (%); 5,466 (MeV), 8 (%); 5,358 (MeV), 0,09 (%) 0,43 0,043 bomlásséma és spektrum α 38 α 3 94 Pu α impulzus/csatorna (0,09) 5,499 [MeV]; 7 [%] U α α α csatorna 6

7 hatótávolság (µm) Radioaktív sugárzások méréstechnikái/6 (Bódizs D.) 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 ~ /E, N absz,z absz, w absz ; (atomsőrőség, rendszám,ionizációs potenciál); Bragg görbe: de dx egyes részecske párhuzamos nyaláb hatótávolság: (pálya egyenes, m α >> m e ) jól definiált hossz R = ae sugárforrás I 0 n α I detektor 3/ ( cm) 0,3Eα R lev = I/I 0 0,5 (E α ) MeV behatolási mélység d R m R e d p D T Si-ban α átlagos hatótávolság: R m, extrapolált hatótávolság: R e α mérés: - vákuum - forrásvastagság (önabszorpció) - Si detektor érzékeny térfogat ~ 00 µm részecske energia (MeV) 7

8 Radioaktív sugárzások méréstechnikái/7 (Bódizs D.).. Béta-sugárzás és kölcsönhatás: β = elektron az atommagból!!! β - -bomlás: (Z+) - β + + n p + e +ν -bomlás: p n + e + ν (Z-) - elektron befogás: e + p n + ν (Ζ ); - bomlás után a mag gyakran gerjesztett marad γ emisszió!! - spektrum folytonos, DE E β,max ; - néhány tiszta β-bomló: 3 H,3 év-8,6 kev; 4 C 5730 év-56 kev; 90 Sr 8 év-546 kev; 90 Y 64 óra-70 kev, 99 Tc,*0 5 év-9 kev; 04 Tl 3,8 év-766 kev bomlássémák: β-spektrum: 8

9 Radioaktív sugárzások méréstechnikái/8 (Bódizs D.) 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 ) = 0, +,4E max 000 impulzus 00 Ag Al Cu abszorbens vastagság (mg/cm ) E β,µαξ = 0,45 MeV I = I 0 exp(-µ x) = I 0 exp(-(µ /ρ) ρx)) = I 0 exp(- µd), ahol µ = lineáris absz.koeff.(/cm); x = abszorbens vastagság (cm); ρ = sőrőség (g/cm 3 ), µ = tömegabszorpciós koefficiens (cm /g) és d = felületi sőrőség (g/cm ), I = intenzitás az absz.után, és I 0 = intenzitás az abszorbens nélkül. (pl. E β,max = MeV re, Al-ban R =,08 cm, ill. d = 0,4 g/cm ) β mérés: önabszorpció (forrásban), abszorpció (detektor belépıablak), visszaszórás (pl. forrástartó), fékezési röntgensugárzás (árnyékolás) 9

10 Radioaktív sugárzások méréstechnikái/9 (Bódizs D.).3. Gamma-sugárzás és kölcsönhatás: elektromágneses (nem részecske), a mag (nívói közötti) legerjesztıdésébıl, (röntgen = X sugárzás az elektron héjból,~0,-50kev); γ: karakterisztikus (kev több MeV) (ld. bomlásséma); kölcsönhatás: közvetett ionizáció! fotoeffektus: Compton szórás: párkeltés: E e = E γ E köt τ Κ Ζ 4,5 *E -3 E e = E γ -E γszórt (Compton él) Klein-Nishina formula = Z E absz N absz γ σ ln( + E m c γ e ) κ Eγ * 5keV N absz Z absz ( E γ m c e E e elektron ) E e elektron E e szórt elektron E γ E γ γ foton γ E γ φ θ E γ szórt gamma foton γ 5 kev pozitron annihilációs fotonok 5 kev I = I 0 exp(-µd); µ = τ + σ + κ; (ábra: µ = fgv(e), build-up: I = B I 0 exp(-µd) 0

11 Radioaktív sugárzások méréstechnikái/0 (Bódizs D.).3. neutron-sugárzás és kölcsönhatás: semleges részecske; (nincs ionizáció) n források:- izotópos, pl. Pu-Be: 9 Be + α C + n, vagy Am-Be, Ra-Be, 5 Cf (sp.has.) n hozam: kb. 0 6 n/s/0 0 Bq, 0 9 n/s/0 0 Bq E n : MeV E n : 0,-6 MeV (folytonos) - n-generátor: D -T = T(d,n) α magreakció; E n : 4 MeV, 0 0 n/s ( ma) - atomreaktor: Φ = n/scm FLUXUS!! E n : MeV, n kölcsönhatás: hatáskeresztmetszet nagyon függ E n - tıl, ezért: - lassú (termikus) neutronok: E n 0,5 ev alatt (Cd levágási határ): A/. rugalmas szórás: Σ E kinetikus = állandó, A(n,n)A reakció n lassulás B/. (n,γ) magreakciók: σ absz nagy n detektálás aktivációs fóliával, valamint a 0 B(n,α) 7 Li; 6 Li(n,α)H; 3 He(n,p) 3 H reakciók alapján; C/. maghasadás (hasadási kamra) - gyors neutronok: ha E n MeV fölötti, akkor A/. rugalmatlan szórás: pl. A(n,n)B * ha E n ev kev közötti, akkor B/. magreakciók: (n,p), (n,d), (n,α), stb.

12 Radioaktív sugárzások méréstechnikái/ (Bódizs D.). 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 arányos amplitúdójú elektromos impulzus, (töltés összegyőjtés, (i)t t c i ( t ) dt = 0 Q (i)t áram) idõ t c idõ üzemmódok: - integrál: (nagy cps-ek és dozimetria, továbbá, ha energiára nincs szükség) (i)t átlagáram: detektor I I t,, ( t) = i( t ) dt I(t) T R t T R I = nq = E n w 0 q 0 I(t) I 0 idõ t t

13 Radioaktív sugárzások méréstechnikái/ (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: t c = a töltés kigyőjtési idı detektor C R U(t) (i)t Q = i( t) dt a) a detektor árama (kimenı impulzus) (Q a keltett össztöltés, a besatírozott terület) U(t) t b) U(t) alak kis idıállandó esetén (az R-en átfolyó áram ~ U(t)) RC U ( t) = Ri( t) t c t U(t) U max t c) U(t) alak nagy idıállandó esetén (az R-en átfolyó áram integrálódik C-n, majd R-en keresztül kisül, ha a cps nem túl magas) RC t c U = max Q / C 3

14 Radioaktív sugárzások méréstechnikái/3 (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 (mérés DD ill.id-vel) differenciális spektrum N = U U dn du du integrális spektrum 0 dn N 0 = du du gyakorlatban általában a differenciális spektrum használatos, mert 4

15 Radioaktív sugárzások méréstechnikái/4 (Bódizs D.) Detektor-karakterisztika: kimenı jelsorozat az elektronikus paraméterek (pl. U d,) fgv-ben, plató: detektor feszültség beállítása, erısítés beállítása, diszkriminációs szint beállítása, (magyarázat, miért?) 5

16 Radioaktív sugárzások méréstechnikái/5 (Bódizs D.) Energia-felbontás:- az a két legközelebbi energia, amit a berendezés még szét tud választani; - a csúcs kiszélesedés okai. (Gauss: E =,35σ) dn du jó felbontás rossz felbontás U 0 U definíció szerint: f = E E 0 *00[%] f függvénye: - a detektor típusnak (w!), ( E) = ( Edetektor) + ( Eelektronika) +... Fano faktor: f Poissonhatár - részecske fajtának, - részecske energiának, stb. n w,35 =,35 =,35 = n E n F n F f =,35 =,35 =, 35 n n Fw E 6

17 Radioaktív sugárzások méréstechnikái/6 (Bódizs D.) Hatásfok: 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*t m, (spektrometriák); Holtidı: okozói: detektor+jelfeldolgozás, egyszerő korrekció: imért ival = i mértτ ahol τ = a detektor feloldási vagy holtideje i = számlálási sebesség (cps) τ egyik kimérése: két sugárforrással (a módszer hibája nagy, 5 0 %, más eljárás is van) i közelítéssel: a i = = a τ a τ a + a a τ = a a a, a, i + i a = a,,τ mérésnél vigyázat! 7

18 Radioaktív sugárzások méréstechnikái/7 (Bódizs D.) 3./ DETEKTOR TÍPUSOK: 3../ 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: rekombinációs tartomány, II: telítési tartomány, III: proporcionális tartomány, IV: fél-proporcionális tartomány, V: Geiger-Müller (GM) tartomány, VI: kisülési tartomány. U 0 E = r ln( r k / r a ) 8

19 Radioaktív sugárzások méréstechnikái/8 (Bódizs D.) Gázokban a töltött részek: - gerjesztési mechanizmus:pl. X + α = X * + α ; σ 0-7 cm nemesgázokban, rezonancia szerő; gerjesztési potenciál pl. He-ra 9,8 ev, Ar-ra,6 ev, Kr-ra 0,0eV. - ionizáció: X + α = X + + α + e - küszöb energia, σ ~ 0-6 cm nemesgázokban; X + = pozitív ion; e - = elektron, ezek közös néven: ionpár; ionizációs potenciál: pl. He-ban 9,8 ev, Ar-ban,6 ev, Kr-ban 4 ev. Gázokban egy ionpár keltéséhez szükséges energia átlagosasan w ~ 30eV (gáztól és részecske fajtától ~ független! Pl. E α = 5,3 MeV, n = 5,3*0 6 /30 ~,8*0 5 ionpár, σ=n / =370, σ rel =0,%, elektronika: ~ 3%. Eltérés a Poisson eloszlástól, ezért Fano-faktor ~ 0,-0,) - 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 ~µm); az ionok lassú mozgása miatt jelentıs a rekombináció: dn + = αn n α= rekombinációs együttható, n= töltéshordozó koncentráció, dt (oszlopos-,vagy kezdeti-, és téfogati-rekombináció) 8κT v = a töltéshordozók átlagsebessége: mπ κ = Boltzmann állandó, T= hımérséklet (Maxwell eloszlás alapján) mivel m e << m +, ezért v e >> v + dn n a töltéshordozók sőrőségeloszlása t idı után (Gauss eloszlást mutat, ezért): = 0 x exp dx 4πDt 4Dt n 0 = kezdeti töltéssőrőség, D= diffúziós állandó és x= a keletkezési helytıl való távolság, ( T ) m κ D = 3pσ π 0 3 p= gáznyomás, σ 0 = ütközési hatáskeresztmetszet (gáz paraméterek!) 9

20 Radioaktív sugárzások méréstechnikái/9 (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 drift sebesség (elektronok gyorsabbak, mint a + ionok), csepp alakú lavina: v d µ = +, E p µ = mozgékonyság = vp/e (pl. ha µ ~0-4 m bar/ Vs, p = bar, E = 0 4 V/m, akkor v d = m/s, az ionok kigyőjtési ideje kb. 0 msec azaz HOSSZÚ, lassú detektor, elektronokra kb. µsec); töltés sokszorozás: másodlagos, harmadlagos ionizáció eredménye: gázerısítési (gázsokszorozási) faktor: M = n/n 0 = exp(κx), ahol κ = másodlagos ionizáció makroszkópikus hatáskeresztmetszete, x = pályahossz, n 0 = kezdeti e - sőrőség; az e ok gyorsabbak = csepp alakú lavina alakul ki. rekombináció: rekombinációs együttható: α, pl. He-ra,7*0-8, Ar-ra 8,8*0-7 cm 3 /s A detektor kimenı jelét a töltéshordozók száma, tulajdonsága, viselkedése határozza meg! jelfeldolgozás: erısítık: erısítés, jelformálás (jel/zaj viszony javítás), linearitás, stabilitás (hımérséklet, idı). 0

21 Radioaktív sugárzások méréstechnikái/0 (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 ~ V/cm, 7 bar nyomású tiszta Ar-ban E ~ 70 V/cm, de a szennyezık elrontják); Forma: nagyon változatos méret (mm 3 00 l) és forma; kompenzált, U bevonatú, stb. Stabil, de elektronika drága (alacsony áramok ~0 - A - 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+0% metán), - elektródok, szigetelık: segéd elektródok: kúszóáramok csökkentése (I kamra ~ 0 - A), átütési feszültség, (pl.teflon, kerámia, tisztaság), sugárkárosodás, kiszögelések (E!!)

22 Ionizációs kamra típusok: Radioaktív sugárzások méréstechnikái/ (Bódizs D.) - hengeres: leggyakoribb forma, - sík-párhozamos: (ld. az elızı ábra) U egyenáramú: nagy cps-nél, árammérı: galvanométer (nagy idıállandó): I telítési = n 0 q 0 V m ; impulzus üzemő: ion-begyőjtéses (lassú t c ~ 0 msec), továbbá elektronikus zajszőrés nehéz, (mikrofóna, brumm); elektron-begyőjtéses (gyors t c ~ msec), de a jelamplitúdó függ az ionizáció helyétıl, max Nq0a = Cl

23 Radioaktív sugárzások méréstechnikái/ (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/v e a/v e U max =nq/c e - drift e - drift t a rácshoz a rács és az anód között 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: U 0 E = r ln( r k / r a ) [( r r ) r ] k E = ra rku 0 k a = / r 3

24 Radioaktív sugárzások méréstechnikái/3 (Bódizs D.) Proporcionális detektorok: mőködésük alapja a gázsokszorozás (gázerısítés), általános karakterisztika III. szakasz. A megsokszorozott töltéshordozó szám arányos (proporcionális) a primer ionizációban létrehozott töltésszámmal. (U propdet ~ 0 5 *U ionkamra ) Forma: általában hengeres, vékony anódszállal (nagy térerı~0 4 V/cm, ionizáció független a helytıl, r a ~0 µm) Gázerısítési tényezı: M = n/n 0, A és B = a gázra jellemzı konstansok, p = gáznyomás, stabil U 0 kell!! viszont az erısítı (zajszőrés) egyszerőbb, mint az ionizációs kamráknál. Az energia felbontást befolyásolják: az anódszál egyenetlenségei, M szórása, elektronika zaja, Fano-faktor szórása. U0 ln U0 lnm = ln Aln( r / r ) Bpr ln( r / r ) A detektorban létrejövı összes töltés: Q = Mnq 0 ; az anódszál körül elektron lavina alakul ki. Fotoionizáció csökkentése: fotonokat abszorbeáló gáz (kioltó gáz) adagolás (pl.0% metán+90% Ar), továbbá a katódot nagy e - kilépési munkájú fémbıl kell készíteni. Alkalmazás: általában impulzus üzemmód, - lassú n detektálás, BF 3, 3 He (ld. késıbb), β mérés: belépı ablak - helyérzékeny (vagy koordináta) detektor (--3 dimenziós): (pl. szögeloszlás mérések) anód: nagy ρ - jú huzal - átáramlásos: gáz tisztaság; U U - 4 π prop.detektor: abszolút mérés = R a + ρ( l x) R a + ρx k a a k a 4

25 Radioaktív sugárzások méréstechnikái/4 (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! γ- sugárzásra alacsony hatásfok (η γ /η β %). Általános karakterisztika V. tartomány. Nagy térerı gázsokszorozás (M ~ 0 6, és np > kritikus, n = az egy lavinában lévı gerjesztett atomok száma, p = a gázatomok fotoelektromos abszorpciójának valsége propdetektoroknnál M ~ 0 3 np < 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 U ki 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 -.. 5

26 Radioaktív sugárzások méréstechnikái/5 (Bódizs D.) A kisülés leállítása, kioltás: a/ külsı: +U 0 lassú (msec) R ~ 0 8 Ω U anód * U ki C forrás impulzus amplitúdó t h = holtidõ t r = regenerációs idõ t [µ s] diszkriminációs szint t [µ s] b/ belsı, önkioltás: a fı gázkomponenshez 5-0 %-ban szerves gızt (pl. alkohol, ez sajnos gyorsan fogy, a csı élettartama rövid, kb 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 kioltógáz 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. 6

27 Radioaktív sugárzások méréstechnikái/6 (Bódizs D.) GM csövek jellemzıi: - karakterisztika: - plató; - munkapont; n n n - meredekség; m = 00 % U U - holtidı; 00 - hatásfok; - ablak; - γ mérés (katódfal szerepe), - GM csı típusok: [cps] n n U K = Geiger küszöb U M = üzemi feszültség M = munkapont M totális kisülés U K U U M U U 7

28 Radioaktív sugárzások méréstechnikái/7 (Bódizs D.) Típus Jel ampl. Jel hossz Energia felbontás Elınyök Hátrányok Alkalmazás (5 MeV α) Ionkamra p: -0bar ionbegyüjt. -0 mv 5-0 ms % energia mérés, nagy tisztaság, α,β, nehéz imp.üzemő nem kell stab.táp, bonyolult elektr., töltött részek, gyors kis és nagy int., γ-ra alacsony η, n spektrometria, e - begyőjt. -0 mv - ms % imp.üzemő átlagáram - - nincs egyszerő, energia mérés α,β felületi akt., mérı nem kell stab.táp, nincs, közepes és nagy γ intenzitásokra, Prop.det. p ~ 0-3 -bar 0-00mV -000µs -5% nagyobb jelampl., f energiafüggı, lágy X és γ, nagy int. mérése, nagyon stab.táp, kis energ. β, egyszerőbb elektr., tisztaság, lassú n (BF 3, jó f, γ-ra alacsony η, GM csı -5 V 3-5 ms nincs nagy kimenı ampl., energ.mérés α,β,γ akt.mérés, egyszerő elektr., nincs, felületi szenny.mér., nem kell stab.táp, alacsony cps, ipari alkalmazások, olcsó, dozim.alkalmazások, Töltıgázok: Ar, He, levegı + koltógázok: metán, halogén 8

29 Radioaktív sugárzások méréstechnikái/8 (Bódizs D.) 3./ Szcintillációs detektorok: ZnS + α szcintilláció (fény felvillanás); - 908: Regener, Rutherford és a PhD-ek, α detektálás; - 90 Rutherford α-szórás kísérletek; : Bay Z. elektronsokszorozó csı, : Dreyfus, Blau és Hofstadter: NaI(Tl) egykristályból kilépı fényfelvillanások intenzitása (fotonok száma) arányos a kristálynak átadott energiával; -950-tıl több fajta szcintillátor kifejlesztése, minden fajta sugárzás mérhetı (intenzitás és energia); szcintillációs számláló felépítése: szcintillációs kristály,. fotoelektron-sokszorozó (PMT = photomultiplier tube), 3. elıerısítı, 4. fıerısítı, 5. diszkriminátor és számláló, vagy sokcsatornás analizátor 9

30 Radioaktív sugárzások méréstechnikái/9 (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 ε T 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 ε g 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

31 Radioaktív sugárzások méréstechnikái/30 (Bódizs D.) A sugárzás átalakulásának folyamata a szcintillációs detektorban: egy E energiájú részecske N e = ε T ε g ε k E számú fotoelektront hoz létre a fotokatódból, a PMT sokszorozási tényezıje M ~ !!! (százmilliószoros erısítés!) 3

32 Radioaktív sugárzások méréstechnikái/3 (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 (L II ) (L I ) (Κ) tiltott sáv tiltott sáv tiltott sáv betöltött sáv Na mag 3

33 Radioaktív sugárzások méréstechnikái/3 (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: - gerjesztés (pl. sugárzással); vezetési sáv - legerjesztıdés (> 3 ev) kristály elnyeli; aktivátor beesés aktivátor nívóba; gerj.állapot e - csapda gerj.áll. 4 - legerjesztıdés (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 - legerjesztıdés (késleltett látható fény) tiltott sáv fény idıbeli eloszlása: utánvilágítási idı, vagy fény lecsengési idı: τ u ; I = I 0 exp(-t/τ u ) ahol: I 0 = fényintenzitás t = 0 idınél betöltött sáv kioltás (quenching): az e - olyan aktivátor nívóba esik, ahonnan nincs sugárzásos átmenet 33

34 Radioaktív sugárzások méréstechnikái/33 (Bódizs D.) Szervetlen szcintillátorok jellemzıi: emittált fényintenzitás (ε T ), hullámhossz (λ) (fotokatód érzékenység); gyártás: tégely süllyesztéses eljárás; - NaI(Tl): gyártás: olvadt NaI-hoz kb. 0% TlI-ot adnak; nagymérető (~ átm. 30 cm, hossz 40 cm), átlátszó egy-kristály, higroszkópos (burkolat töltött részekre nem jó), ρ = 3,67 g/cm 3, nagy Z, használaton kívül is fénytıl elzárni, ε Τ 0% (nagy), λ max ~ 40 nm, τ u ~ 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, ε Τ 4%, λ = nm, τ u ~ µs, (fgv. a részecske fajtának), jelalak diszkrimináció, saját háttér < ; - CaF (Eu): Z alacsony β-mérés, nem oldható (folyadékok mérése), ε Τ 5%, λ = nm; - LiI(Eu): termikus neutronokra: 6 Li(n,α) 3 T, ε Τ 3 4%, λ max ~ 470 nm, τ u ~, µs; higroszkópos, - BGO: Bi 4 Ge 3 O, nem kell aktivátor, (lumineszcencia a Bi 3+ ion legerjesztıdésétıl) nagy ρ, nagy Z (fotoeffektus, röntgen tomográfia), nem higroszkópos, de ε Τ %, τ u ~ 0,3+0,06 µs; - ZnS(Ag): csak polikristály, üveglapra kenve (0-30 mg/cm ), α detektálás, ε Τ 0 %, τ u ~ 0, µs, (de hosszúidejő sötét kell mérés elıtt!!); - CdWO 4, CaF :UF 4 :CeF 3,, BaF :UF 4 :CeF 3 : pl. hasadási termékek detektálása., 34

35 Radioaktív sugárzások méréstechnikái/34 (Bódizs D.) Szerves szcintillátorok jellemzıi: kristály, plasztik, szendvics, folyadék; aromás szénhidrogén molekulák, benzolgyőrős szerk.; fénykeltés: molekula átmenetekbıl; ne disszociáljanak. Kristályok: - antracén: C 4 H 0, gyártás tégely süllyesztéssel, ε T ~ 4 %, λ max ~ 450 nm, τ u ~ 30 ns, jelalak diszkr. (mert τ u függ a részecske fajtától), elvileg minden sugárzásra jó, kioltás (pl. α de/dx nagy); mechanikus hatásokra érzékeny; - trans-stilbén: C 4 H, könnyen gyártható (átm.5, hossz 0 cm), törékeny, hıfok érzékenység, ε T ~ %, λ max ~ 40 nm, τ u ~ 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; ε T ~ %, λ max ~ 40 nm, τ u ~ -3 ns, ρ = g/cm 3, α, β, gyors n mérés, jelalak diszkrimináció; mőködési mechanizmusuk ld. folyadékszcinillátorok. Szendvics szcintillátorok: szerves + szervetlen (pl. plasztik + CsI(Tl); τ jaik és ε T - juk különbözıek = jelalak diszkrimináció (β csak a szervesben, γ mindkettıben), háttér csökkentés (antiko) 35

36 Radioaktív sugárzások méréstechnikái/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 UV foton szerves szcint. kék fény foton fotokatód gerjesztés oldott anyag B: sugárzás oldószer szerves szcint. kék fény 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, g/l). ε T ~ 4 %, λ max ~ 40 nm, τ u ~-5 ns, tetszıleges alak, méret, közel 00 % hatásfok, jelalak diszkrimináció. Alkalmazás: alacsony energiájú β mérés ( 3 T, 4 C), α mérés. 36

37 Radioaktív sugárzások méréstechnikái/36 (Bódizs D.) Szcintillátorok jellemzıi (összefoglaló táblázat) szcintillátor ρ (g/cm 3 ) λ max (nm) ε tr (%) τ u (µs) alkalmazás szervetlen: NaI(Tl) 3, ,3 γ CsI(Tl) 4, ,5 nehéz töltött részek, γ CaF (Eu) 3, ,6 β, rtg. LiI(Eu) 4, , n BGO 7, 500 0,3 rtg., γ ZnS(Ag) 4, , α CdWO 4 7, ,9 γ szerves: antracé, ,03 α, β, γ, gyors n stilbén, ,005 α, β, γ, gyors n folyadék: 0,9 ~ ,004 α, alacsony energiájú β xilol-,toluolban oldott terfenil, POPOP plasztik:,03 ~ ,003 α, β, p, elektron, n polisztirolban szilárd oldatként POPOP, terfenil 37

38 Radioaktív sugárzások méréstechnikái/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

39 Radioaktív sugárzások méréstechnikái/38 (Bódizs D.) Fotokatód: készítés, anyaga (vastagsága), ablak, optikai csatolás, háttér, e - kilépés: fotoeffektus, (Einstein): n e = fgv (fényint.), E kin,e = fgv (hullámhossz), hν = w k + E kin (w k kicsi nagy?) ε k : kvantum hatásfok (0-5 %) Fókuszáló elektród: (idıszórás csökkentése) Dinódák: elektron sokszorozás szekunder elektron emisszió: δ, w k (elektron optika) dinóda elrendezések dinódaszám: n M = δ n (pl. n = 0, δ = 5, M = 0 7 ) (n szám növelés határai) Anód, osztólánc: M = U k (pl. RCA 589 k = 5,5) STABIL U!!! (pl. U ~ 000 V, I csı = 0 ma) Jelfeldolgozás: elıerısítı: feszültség-, töltés-érzékeny, szórt kapacitások! fıerısítı, számláló vagy analizátor holtidı (τ csı < τ szcint ) (szám példa : N e = ε T ε g ε k E*M); U ki ~ V) Szcintillációs detektorok: elınyök, hátrányok. Fotodiódák, mint a PMT-k helyettesítıi. (Si, HgI ; hagyományos és sokszorozó avalanche típus). 39

40 Radioaktív sugárzások méréstechnikái/39 (Bódizs D.) 3.3/ Félvezetı detektorok: 960-as évek elsı felétıl -félvezetı dióda detektorok; szilárd ionizációs kamrák, mert,de különbségek, 970 Si, Si/Li, Ge/Li, 976 HP Ge, 995 CdTe, HgI, GaAs,PbI, elınyeik: FWHM, lin.resp., η (=ε), τ, méret, vákuumban használhatók, mágn.térre érzéketlenség; hátrányaik: n károsítás, gyártás bonyolult technológia drága, LQ N hőtés (Ge), alkalmazásuk: töltött részek és X mérés: Si típusok; γ : Ge típusok. MŐKÖDÉSÜK: magyarázat az elektron sávelmélet alapján, szigetelık vezetık félvezetık széles tiltott sáv nincs tiltott sáv keskeny tiltott sáv (a vegyérték és a tiltott sáv részben átfedik egymást) vezetési sáv vezetési sáv vezetési sáv tiltott sáv E g ~ 0 ev E g ~ ev tiltott sáv vegyérték sáv vegyérték sáv vegyérték sáv tiltott sáv betöltött sáv tiltott sáv betöltött sáv tiltott sáv betöltött sáv 40

41 Radioaktív sugárzások méréstechnikái/40 (Bódizs D.) Félvezetık áramvezetése: gerjesztés (pl. hı vagy sugárzás) e - és +lyuk párok keletkezése; e - - lyuk vándorlás (drift) fajlagos vezetıképesség: σ = q 0 N v/e = q 0 N µ = q 0 (N e µ ε + N p µ p ); µ = fgv(/t, szennyezıdések, rácshibák); töltésveszteség: tiszta, hibátlan kristály kell! Nem kívánatos szennyezések: új energianívókat hoznak létre, e csapdák, töltés veszteség; intrinsic n i = p i = n (pl. Si-ban n =,5*0 0, Ge-ban,4*0 3 /cm 3 T = K); visszáram=fgv(t és E g ). Ha az E térerı nı, v egy telítési értékig nı,mőködési tartomány (pl. v = 0 7 cm/s, d = mm, t c ~ 0 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. 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 Ge rendszám 4 3 tiltott sáv szélessége (300 0 K),5 ev 0,665 ev (0 0 K),65 ev 0,746 ev e lyuk párkeltése (300 0 K) 3,6 ev - (77 0 K) 3,76 ev,96 ev n (cm -3 ) (300 0 K),5*0 0,4*0 3 ρ i (Ωcm) (300 0 K),3* (77 0 K) végtelen 500 µ e (cm /Vs) (300 0 K) µ e (cm /Vs) (77 0 K) 4-7*0 4 3,5-5,5*0 4 µ + (cm /Vs) (300 0 K) µ + (cm /Vs) (77 0 K) -3* *0 4 Fano-faktor 0,08-0,6 0,06-0,3 intrinsic ( tiszta) Si rácsszerkezete 4

42 Radioaktív sugárzások méréstechnikái/4 (Bódizs D.) p n átmenet: - nincs E: diffúzió U 0 ~ 0,5 V; - U b külsı, záróirányú feszültség esetén: i U b U x 0 µ ρ( U 0 + U ) 0 b - p-n átmenet megvalósítása; - FWHM = fgv(c) x ~ 0 U b A C = ε 4πx 0 C U b elıerısítı feladata! JÓ félvezetı detektor: nagy ρ (kis visszáram); nagy µ; nagy E elviselése; hibátlan egy-kristály (kis töltésveszteség); széles E g (termikus gerjesztés); keskeny E g (sok töltéshordozó) - ellentétes követelmények! Si és hőtött Ge, tiszta, hibátlan egy-kristályok, mint detektorok: - érzékeny térfogat (hatótávolság), - energia-felbontás: f = f d + f e = (f st + f f + f J ) + f e, - 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, - háttér (válogatott anyagok, kriosztát), Si α ~ 0 cm ; n 30 th Si(n,γ) 3 Si 3 P (donor), Ge: n gy : ~ 0 9 /cm - 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. 4

43 Detektor típusok: Radioaktív sugárzások méréstechnikái/4 (Bódizs D.) diffúziós detektorok: p Si-n P, C,diffúzió, p-n, dead layer vastag (- µm), α-spektroszkópia; Si felületi záróréteges: n Si-oxidáció-p réteg Au réteg (50 µg/cm )-sérülékeny, α-spektroszkópia; PIPS (Passivited Implanted Planar Silicon), x 0 max mm Si/Li detektorok: x 0 növelés: p Si-n Li diffúzió+drift, HP Ge detektorok: (Ge/Li), vagy dopolás: 30 Si(n,γ) 3 Si 3 P (donor a p szenny.komp.) - planár (X és alacsony γ) β-, X-spektroszkópia, Be belépı ablak (~ 0 µm) - koaxiális true, end cup- (γ), több 00 cm 3, - üreges (γ, nagy ε, DE koinc!) kriosztátok (hőtés, elıerısítı, HV rákapcsolás, vákuum, alak stb.); egyéb: CdTe, HgI (Z, γ, 0 0 C, méret, µ +,FWHM) sokszorozó (avalanche = lavina) detektor: Si E g =,5 ev és, ev, w = 4,4 és 4, ev; átm.: 0 mm, ~ 0 kev (kev) szilárd prop.detektor, M~00, nem kell erısítı, t c ~3ns) helyzet-érzékeny detektor: alkalmazás: E rtg ~ 60 ev-tól felületi záróréteges Si, x εµρu alsó elektród: nagy ρ U p = U E (x/l) U E ~ Q P/E pozíció 0 43

44 Radioaktív sugárzások méréstechnikái/43 (Bódizs D.) 3.4/ Neutron detektálás: semleges, detektálás alapja: magreakció σ = fgv(e n ), általában /v n ; - lassú n: E n < 0,5 ev, magreakció eredménye: meglökött mag, p, α, hasadási termék (+Q exoterm) 0 B(n,α) 7 Li, 6 Li(n,α) 3 Τ, 3 Ηe(n,p) 3 T; E töltött részecske ~ MeV, jól detektálható, σ αβσζ 000 b BF 3 számláló: prop.üzemmód, 90% 0 B (fogyás!); R ~ NVσ 0 Φ ; p ~ - bar, BF 3 +Ar U~000 V, M ~ 300, katód: Al r k ~ - cm, l ~ 0-30 cm; anód: Cu r a ~ 0, mm; γ háttér diszkriminálható, n érzékenység: 50cps/cm s, bóros falú prop.detektor: 0 B a falon (vastagság R α ), nem a gázban, más gáztöltet stabilabb mőködés, kis γ érzékenység. 3 He prop. detektor: p ~ 4-0 bar, He+Kr, U ~ 3-5 kv, fal hatás, γ érzékenység. hasadási kamra: ionizációs tartomány (M = 0), hasadási termékek, 35 U bevonat a katód belsı falon: lassú n, 38 U vagy 3 Th: gyors n; csak fluxus mérés E n nem, hasadóanyag fogyás, de U keverékkel csökkenthetı, töltıgáz: metán. - gyors n: gyakran visszavezetés lassú n detektálásra, pl. 3 He vagy hasadási kamra; 6 Li-os detektor: szcint.det.: 6 LiI(Eu), E n ~ -4 MeV, I aktiválódik!! Bonner gömb: polietilén gömbbe helyezett LiI(Eu) szcint.detektor, E n = fgv(r gömb ). Si-LiF-Si: n spektrométer: az α-t és a T-ot a két felületi záróréteges detektor detektálja: U ki ~ E n.. aktivációs fólia módszer: A = Φ(E n )σ(e n )N*S*D; fóliák: Zn, Fe, Ni, Mg, Au, E n küszöb, σ, t /,; mérés γ spektrometria, felaktiválódás és hőtés. 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). U c ~ 5 V, U ~ +800 V, kompenzáció nélkül: Φ ~ n/cm s, kompenzációval: Φ ~ n/cm s, érzékenység: kb. 0-8 A/(n/cm s) (n,p), (n,n) (n+γ) γ 44

45 Radioaktív sugárzások méréstechnikái/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 (0nm-0µm) - élettartam kiolvasás; kvarc, üveg, kova, polietilén, cellulóznitrát. α, (Rn), n-okra (a hasadási termékeken, 6 Li-on, 0 B-en az (n,α) reakción keresztül), gyors n: Al O 3 +polietilén burkolat - TLD: termolumineszcens detektor lumineszcencia kiértékelés: kifőtés fény (%!!) multiplier; csúcs-, integrál-módszer, γ-dozimetria: BeO+Li, CaF +Mn, LiF, stb., fading (csapda mélység) γ+n dozimetria: (n,α): 6 LiF(n+γ) - 7 LiF(γ) = n dózis - SPND: self powered neutron detector: aktív zónában n fluxus mérés, mindig integrál üzemmódban na Rh emitter R emitter: σ: reakció β és γ sugárzás (e-ok), t / áram, nem kell fesz.forrás V vagy 03 Rh (00%) (n,γ) 04 Rh E βmax =,44 MeV, n érzékenység: 0 - A/(n/cm s) β,γ σ = 39 b t / = 4s 45

46 Radioaktív sugárzások méréstechnikái/45 (Bódizs D.) - Cserenkov számláló: gyors töltött részek v részecske > c/n Cserenkov fény, PMT; alkalmazás: nagyenergiájú fizika (E részecske > 0 MeV), vagy primer és szekunder e-oknál. diszkrimináció lehetısége; gyorsaság; anizotróp, alacsony fényhozam (00 foton/mev); Cserenkov közeg: átlátszó, n>, pl. glicerin+víz, üveg - fotoemulzió: ezüstbromid (koncentr.: ~ 40%) szemcsék (átm.: µm), zselatinban (vastagság 0-0µm), 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(i 0 /I), mérés: fotométer; alkalmazások: ipari, orvosi (képerısítık: fém fólia Z-Compton; képernyı: CaW fényemittáló), dozimetria: filmdoziméter felépítése, n: film-gd lemezek között-(σ absz nagy) prompt e-ok, autoradiográfia: a sugárforrás a mintában van (pl. biol.minta 3 H, 4 C); 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 ~ E részecske termikus n-ok: emulzióban B, U; gyors n-ok: proton visszalökési nyomok magában az emulzióban. 46

47 Radioaktív sugárzások méréstechnikái/46 (Bódizs D.) 4. ELEKTRONIKUS JELFELDOLGOZÁS: 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: Z = R + (L C) Z be : nagy legyen (kis terhelés); Z ki : kicsi legyen (jelveszteség kicsi legyen); több egység, az egymás utáni egységek illesztése CÉL: Z ki < Z be a teljes mérıláncra kábel impedanciák: jeltovábbítás koax.kábelekkel (Z 0 ), gyors impulzusok reflexiók, lezárók, föld-hurok. Impulzus formák: analóg (lineáris), digitális (logikai, négyszög); diff.áramkör int.áramkör (CR) (RC) CR RC kör U ki = U be Z be Zki + Z ki U du be = U ki = U bedt dt τ ki τ U(t) U ki U τ = τ τ t / τ t / ( e e ) 0 τ négyszög elõerõsítõ jele t bipoláris t unipoláris t t 47

48 Radioaktív sugárzások méréstechnikái/47 (Bódizs D.) Jel = a sugárzás által kiváltott hasznos elektromos impulzus Zaj = detektor (statisztika), elektromos egységek Az impulzus formálás célja: - erısítés, - zaj csökkentés, - forma optimalizálás a következı egységhez optimum: végtelen hosszú jelnél (elméleti), de ez más szempontból hátrányos: U max rövid, továbbá pile-up háromszög CR-(RC).8 semi-gauss - P/Z, BL shift, DT, ballisztikus deficit, pile-up (tail, csúcs) - analóg és digitális impulzusok IMPULZUS KEZELİ EGYSÉGEK analóg-analóg bemenet kimenet elıerısítı analóg imp. a detekorból analóg imp., hosszú τ lin.(fı) erısítı analóg imp. erısített, formált analóg impulzus expander erısítı formált analóg imp. formált analóg impulzus impulzus nyújtó gyors analóg imp. formált analóg impulzus analóg-digitális ID formált analóg imp. digitális impulzus DD formált analóg imp. digitális impulzus ADC formált analóg imp. digitális impulzus digitális-analóg TAC digitális impulzusok formált analóg impulzus digitális-digitális ko-, antikoinc digitális impulzusok digitális impulzus 48

49 Radioaktív sugárzások méréstechnikái/48 (Bódizs D.) Elektronikus egységek: - elıerısítı: döntı az egész rendszer jel/zaj viszonyára. U ki analóg, rise time: ~ ns, fall time: ~ µs, típusok: (feszültség-) és töltés-érzékeny Q U ki = AU be = A C + ( A +) C be v C be jelentısége ha A >> (C be +C v )/C v, akkor U ki ~ -Q/C v gyakorlatban R v helyett optikai visszacsatolás - fıerısítı: U ki analóg, semi-gauss, trapéz, uni-, bipoláris, + vagy -, U max ~-0V, erısítés: 0-000x, (telítés!!) shaping time: gáz és szcint.:0,5-, Si/Li: 0, Ge: 3-6 µs, (cps!!) T r ~ 0,5-µs, T w ~ -0µs, T top ~ µs, bipoláris impulzus formálás erõsítõ és jelformáló alapszint helyreállítás Linearitás: integrális < 0,04%, stabilitás (idı,hımérs.) ~ 0,00%/ 0 C pile-up effektus elnyomó int. nonlin U U ideális [%] = * 00 valódi U max élõidõ korrektor 49

50 - nyújtó (expander) erısítı: - detektor tápfeszültség forrás: Radioaktív sugárzások méréstechnikái/49 (Bódizs D.) max.fesz.(fesz.rákapcsolás); max.terh.áram; polaritás; stabilitás (idı, hımérs.); zajszőrés. ionkamrák: ~ 00 V, pa, nem túl nagy stab.; prop.det.: - kv, ma, nagy stabilitás; GM csı: ~ kv, ma, nem túl nagy stabilitás; szcint. det: - kv, 0 ma, nagy satbilitás; Si det.: ~ 00 V, 00 na, nem túl nagy satbilitás; Si/Li: V, ma, nem túl nagy stabilitás; HP Ge: 3-6 kv, ma, nem túl nagy stabilitás; U be A B - impulzus nyújtó (stretcher) - késleltetı áramkör U kapu - lineáris kapu: (kapcsoló) -U 0,kapu - integrál diszkriminátor: - differenciál diszkriminátor: 50

51 Radioaktív sugárzások méréstechnikái/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; digitális erısítı (DSP = digital signal processor); erõsítõbõl ADC ADC interface vezérlõ egység memória perifériákhoz display - idı-amplitúdó konverter (TAC = time-to-amplitude converter) 5. Komplett mérıberendezések: - impulzus számláló (ratemeter): csak intezitás mérés (pl. dozimetria): detektor-erısítık-id-számláló - U s : pl. ID kimenet, R f : soros kimeneti impedancia, - C f : tároló kondenzátor - U(t) = QrR = C f UrR, r : impulzus sőrőség, U(t) ~ r ha a mőszeren állítható τ = C t R nagyobb, akkor az kimenıjel ingadozása kisebb, de a gyorsabb intenzitásváltozások kevésbé vehetık észre, ill. fordítva. 5

52 ADC típusok: Wilkinson típusú: óragenerátor ( MHz) - holtidı (00 MHz és 3000-ik csatorna esetén /0 8 *3000+fixDT=30 µs) - jó linearitás Radioaktív sugárzások méréstechnikái/5 (Bódizs D.) Szukcesszív approximációs típusú: fix (~ µs), rövidebb holtidı rosszabb linearitás 5

53 Radioaktív sugárzások méréstechnikái/5 (Bódizs D.) - spektrométerek: - egycsatornás: detektor-erısítık-dd-számláló (egyszerő spektum mérés); - sokcsatornás: detektor! összetett spektrumok mérése: α, γ 53

54 Radioaktív sugárzások méréstechnikái/53 (Bódizs D.) Mérési módszerek: 6. Spektrometriák: detektor elıerıs. fıerıs. A D C MCA perifériák α-spektrometria: (Vajda Nóra) - vonalas - vékony, (<0µm) egyenletes vastagságú forrás, - nyomjelzı izotóp, - detektor, (E α ~ 3-9 MeV), - elektronika, - kalibráló standardok. vákuum szivattyúhoz pulser forrás det.táp oszcilloszkóp α-forrás készítés: (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

55 Radioaktív sugárzások méréstechnikái/54 (Bódizs D.) - Folyadékszcintillációs méréstechnika (LSC) - β-spektrometria (Si, Si/Li): (Vajda Nóra) folytonos (neutrínó-antineutrínó, E β,max ) tisztán β-bomló izotópok, kis E β,max szcintillációs koktélok: szcintillátor (elsıdleges PPO - és másodlagos-popop)+oldószer(toluol, DIN)+emulgeátor, 08 Tl 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: 3 H mérés, 4 C (kor meghatározás), 90 Sr, 89 Sr, 63 Ni, 55 Fe, 99 Tc, 4 Pu mérése, - α-sugárzók: U, Th, Pu, Am, Cm, Rn (pl. Pico-Rad aktívszenes mintavevıvel), 6 Ra mérése. 55

56 Radioaktív sugárzások méréstechnikái/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 tartomány, felezési idı, mérési geometriák, valódi koincidenciák, (pl. 4 Am, 57 Co, 3 Sn, 37 Cs, 54 Mn, 88 Y, 60 Co, stb.) N ε = t Ak energia kalibráció, fgv.: E = m*cs + b; hatásfok: ε NaI, ε Ge, ε rel (Heath szám =,*0-3 ) hatásfok függvény alakok: pl. lnε = a + b*(lne) + c*(lne) +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. m γ (cross-over pont) 56

57 57 Radioaktív sugárzások méréstechnikái/56 (Bódizs D.) - csúcskeresés: N = csúcsterület, X = centroid, FWHM = félért.szélesség, σ = a Gauss fgv. szórása, és FWHM =,35σ - izotóp azonosítás: E, T /, k γ, súlyozás, - csúcsterület meghatározás: Cowell és TPA módszer - aktivitás, aktivitás-koncentráció és LD meghatározás: - korrekciók: holtidı, önabszorpció, mérés alatti bomlás, valódi koinc. koinc.hiányában a γ tıl a száml.seb.: n 0 = Ak ε lenne, a mért n < n 0, γ regiszt.valsége: ε t és n = Ak ε Ak ε ε t és a korr.faktor: E -re: E 3 ra: n 3 = Ak 3 ε 3 + Ak ε ε és / ) ( /(4ln ) ) ( ) ( σ π X x e FWHM N x f = + + = ) ( b j I I I N j b j b i B N N + = σ [ ] εk γ n Bq A = [ ] m A kg Bq a = / [ ] εk γ t H Bq L m D 3,9,7 + = 0 t n n C ε = = = = t t k k Ak k k Ak Ak n ε ε ε ε ε ) / ( t k k C ε = ) /( ε ε ε k k n n C + = = C A t e A e A A t t t t t t t mért = = = λ λ λ

58 7. Speciális (különleges) méréstechnikák: Radioaktív sugárzások méréstechnikái/57 (Bódizs D.) - alacsony intenzitások méréstechnikája: környezeti, élelmiszer minták, egésztest-mérés; pl. GM csöves mérés, vagy γ-spektrometria: I H ival = i h = I H σ tm t i, val = +,7+ 3,9 H h tm t MDA = h t εk γ - mérési idı növelés, - mérési hatásfok növelés: detektor fajta, méret,(nagyobb detektor jobb P/C), LSC technika, mérési geometria, (well, Marinelli), - háttércsökkentés: háttér eredete, összetevıi: természetes eredetőek (kozmikus tér, bomlási sorok, 40 K), mesterséges eredetőek; passzív módszer: árnyékolás, földben elhelyezés, szellıztetés (Rn) aktív módszer: Compton elnyomásos spektrométer és tiltó, vagy ır-detektoros spektrométer h 8 0-szeres Compton háttér csökkentés, P/C ~ 900:; h ~ *0-5 imp/perc/kev, hosszú mérési idık: stabilitás (kihagyni a fölösleges egységeket, pl. PLR), hımérséklet, nedvesség tartalom 58