Nukleáris méréstechnika (2013) Kerkápoly Anikó BME Nukleáris Technikai Intézet

Átírás

1 Nukleáris méréstechnika (2013) Kerkápoly Anikó BME Nukleáris Technikai Intézet 1

2 1/ ALAPFOGALMAK : radioaktivitás, magreakciók, bomlássémák; α,β,γ,n-sugárzások tulajdonságai és kölcsönhatásaik; 2/ ÁLTALÁNOS DETEKTORJELLEMZŐK: detektor modellek, spektrumformák, detektorkarakterisztikák, felbontás, válaszidő, hatásfok, holtidő; matematikai kiegészítések 3/ DETEKTORTÍPUSOK: gáztöltésű-, szcintillációs-, félvezetődetektorok, neutron-detektálás, egyéb detektor típusok; 4/ ELEKTRONIKUS JELFELDOLGOZÁS: impedanciák, impulzus formálás, elektronikus egységek; 5/ KOMPLETT MÉRŐBERENDEZÉSEK: számlálók, spektrométerek; 6/ SPEKTROMETRIÁK: α, β (LSC)-, γ spektrometria; 7/ SPECIÁLIS MÉRÉSTECHNIKÁK: alacsony-, nagyintenzitások mérése, aktivitás mérés relatív és abszolút módszerrel; 2

3 1/ ALAPFOGALMAK,SUGÁRZÁSOK FAJTÁI: Atommagfolyamatok csoportosítása: Radioaktivitás: az atommag szétesik különböző részekre, vagy ugyanaz 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 FŐBB JELLEMZŐI (1.TÁBLÁZAT) típus eredet folyamat Q m (MeV) spektrum α mag bomlás, magreakció ,3 vonalas (MeV) - β mag bomlás, magreakció -1 0,511 folytonos (kev-mev) + β mag bomlás, magreakció + 1 0,511 folytonos (kev-mev) γ mag bomlás, magreakció 0 0 vonalas (kev-mev) X héj atom legerjesztődés 0 0 vonalas, (folytonos) belső konv.e - héj mag legerjesztődés -1 0,511 vonalas (kev) n mag magreakció, (hasadás) 0 939,6 vonalas, folytonos (ev-mev) hasadási termékek mag maghasadás kb folytonos ( MeV) 3

4 Bomlásséma: E 0,x A Z X β 1 (k β1 ) k β : β gyakoriság kγ: γ gyakoriság β 2 (k β2 ) γ 1 E 2 (k γ1 ) E γ1 =E 2 -E 1 E 1 γ 2 E 0,y (k γ2 ) E γ2 =E 1 -E 0,Y A Z+1 Y 4

5 Atommagsugárzások és anyaggal való kölcsönhatásuk: változás jön létre a sugárzás energiájában, irányában stb., másrészt az anyag atomjainak állapotában pl. ionizáció, gerjesztés, magreakció, fizikai-kémiai elváltozás (pl. roncsolás, feketedés) Hatáskeresztmetszet: a különböző kölcsönhatások bekövetkezésének valószínűsége (1barn=10-24 cm 2 ) Radioaktív sugárzások és anyag közti kölcsönhatás csoportosítása: - Sugárzást alkotó részecskék tulajdonságai alapján (alfa, béta, gamma, neutron, ) - Detektoranyag minősége alapján (halmazállapot, sűrűség, rendszám, ) - Kölcsönhatás mechanizmusa alapján (elnyelődés, koherens és inkoherens szórás, rugalmas és rugalmatlan szórás) - Kölcsönhatás eredménye alapján Kölcsönhatás eredménye =detektálás alapja - Szerkezetváltozás - Elektromos impulzus - Fény - Kémiai hatás

6 Alfa-sugárzás: Az alfa-bomlás egyenlete: A Z X N A-4 Z-2 Y+ 4 2He ++ E= diszkrét, 3-9 MeV; α-bomlás (Z,A) (Z-2,A-4); Nagy atomtömegűek bocsátanak ki (A>140) Pálya egyenes Rövid hatótávolság Könnyű árnyékolás Ε α = (M x M y M α )* 931 MeV Alagúteffektus (Gamow); A > 140; az α (nukleon csomag) emisszióval a mag stabilabb állapotba kerül (néha γ is) Geiger-Nuttal törvény: -lgλ = A+B lge α t 1/2 (µs év) nő, E α (3-9 MeV) csökken; - diszkrét energia / izotóp azonosítás; potenciális energia E α α rész R R 1 (az atommag sugara) ~ 1 r 6 r (az atommag középponttól a távolság)

7 Alfa-sugárzás és anyag kölcsönhatása: héjelektronokkal, Coulomb erő révén ionizáció, gerjesztés Fajlagos energiaveszteség- Bethe formula: de dx α = 4πe m e 4 v z 2 α 2 α N absz Z absz ln 2m w e v absz 2 α - -de α /dx: fajlagos energiaveszteség : - w absz : abszorbens átlagos ionizációs potenciálja (pl: Si: 173eV, gázokra 30eV) - N absz :abszorbens anyag atomsűrűsége - Z absz :abszorbens anyag rendszáma - m e : elektron nyugalmi tömege - Z α e:alfa-részecske elektromos töltése - v α :alfa-részecske sebessége - e: elemi töltés -teljes energia folytonosan csökken lefékeződésig, sok ütközés kell Ha v<<c: -de α /dx~ 1/E α, kis sebességeknél nem jó a formula

8 Példa α-bomló izotópokra: izotóp t 1/2 E α k α Am 433 év 5,486 (Mev),85 (%); 5,443 (MeV), 12,8 (%); 5,389 (MeV), 1,2 (%) Po 138,4 nap 5,305 (MeV), 100 (%); E γ = 59,5 kev (36,3 %); Cm 163,4 nap 6,113 (MeV), 74 (%), 6,070 (MeV), 26 (%); Ra 0,18 µs 9,35 (MeV), 100 (%); Pu 87,7 év 5,499 (MeV), 72 (%); 5,466 (MeV), 28 (%); 5,358 (MeV), 0,09 (%) bomlásséma és spektrum 0,143 0,043 α Pu 94 α 3 α 1 impulzus/csatorna (0,09) 5,499 [MeV]; 72 [%] U α 1 α 2 α 1 csatorna 8

9 Bragg-görbe: de dx egyes részecske párhuzamos nyaláb behatolási mélység Hatótávolság (R): az alfa-részek a közegtől és energiájuktól függően jól meghatározott távolságot tesznek meg Átlagos hatótávolság ( R m ):abszorbens anyagnak az a vastagsága, melynél az intenzitás a felére csökken Extrapolált hatótávolság ( R e ):transzmissziós görbe lineárisan csökkenő részének meghosszabbításával határozza meg Transzmissziós görbe: sugárforrás I 0 I detektor I/I 0 1 0,5 d R m R e d 9

10 hatótávolság (µm) Töltött részek hatótávolsága Si-ban: Si-ban 1000 p D T α részecske energia (MeV) Hatótávolság empirikus összefüggése: R=aE n R lev 0,3E 3/2 (levegőben 3-7cm, ha E=4-8MeV) Bragg-Kleemann-szabály: R x = R lev ρ ρ lev x A A x lev ρ:sűrűség, A:atomsúly, R: a hatótávolság az adott anyagban

11 Eredő hatótávolság: R er = n i M er ( A / R ) i i M er =abszorbens anyag molekulasúlya, R i =hatótávolság az i-ik elemben, n i =i-ik elem atomszáma az adott molekulában, A i =i-ik elem atomsúlya Önabszorpció: mintában, forrásban való elnyelődése a kis hatótávolságú sugárzásnak Lefékeződési idő:részecskék teljes energiájának elvesztéséhez szükséges idő (folyadékokban, szilárd anyagokban: ps, gázokban: ns< detektor időfelbontóképessége) Hasadási termékek: nagy energiájú, nagy tömegű és nagy töltéssel rendelkező részecskék, nagyobb fajlagos energiaveszteség

12 Béta-sugárzás: β = elektron az atommagból!!!, k β :béta-gyakoriság β - -bomlás: (Z+1) (neutronfelesleg) n p + + e + ν β + -bomlás: (Z-1) (protonfelesleg) p + n+e + +ν Elektron befogás (EC): (Z 1) (protonfelesleg, belső héjról befog egy elektront) e + p + n+ ν + rtg 12

13 -béta részecskék pályája cikk-cakkos - kb.10 kev- néhány MeV (2-3mm plexi elnyeli, albedóra figyelni kell!) - Bomlási energia: béta rész és neutrinó/antineutrinó - bomlás után a mag gyakran gerjesztett marad, követi a bétasugárzást a γ emisszió ill. sokszor béta mellett gamma vonal is van - spektrum folytonos, E β,max hordozhat információt - néhány tiszta β-bomló: 3 H 12,3 év-18,6 kev; 14 C 5730 év-156 kev; 90 Sr 28 év-546 kev; 90 Y 64 óra-2270 kev, 99 Tc 2,12*10 5 év-292 kev; 204 Tl 3,8 év-766 kev

14 Bomlásséma:

15 Béta-spektrum:

16 β-sugárzás és anyag kölcsönhatása: atomi elektronokkal a Coulomb erők révén kölcsönhatásba lép, elsősorban ionizáció és gerjesztés - fajlagos energiaveszteség: (de/dx) kisebb, mint az α, mert a tömege kisebb - Ütközéses energiaveszteség (Coulomb): nem relativisztikus sebességeknél lép fel, béta részek és az atomok elektronburka közt jön létre Ionizáció, gerjesztés - Sugárzásos energiaveszteség (Brehmsstrahlung): elektron és a mag erőtere között jön létre fékezési rtg de dx tot = de dx C + de dx R 16

17 Coulomb (ütközési) energiaveszteség tag: de dx C = 2πe z m v 4 2 e 2 e e N absz Z absz ln 2mev w absz 2 e Ahol a jelölések az alábbiak: - -(de /dx) C: Coulomb fajlagos energiaveszteség : - w absz : abszorbens átlagos ionizációs potenciálja - N absz :abszorbens anyag atomsűrűsége - Z absz :abszorbens anyag rendszáma - m e : elektron nyugalmi tömege - V e : elektron sebessége - e: elemi töltés Sugárzási energiaveszteség tag: de dx R = EN absz Zabsz 137m ( Z + 1) absz 2 4 e c e 4 4ln 2E m c e 2 4 3

18 Kettő hányadosa: de dx de dx R C E Z tipikus béta-energiákon (néhány MeV alatt) ionizáció és gerjesztés

19 Hatótávolság: - nem egyértelműen meghatározható - transzmissziós görbéből: extrapolált hatótávolság - R 1mm/MeV, ha ρ 1g/cm 3 Sugárzás gyengülése anyagon: I = I 0 exp(-µ x) = I 0 exp(-(µ /ρ) ρx)) = I 0 exp(- µd), ahol µ = lineáris absz.koeff.(1/cm); x = abszorbens vastagság (cm); ρ = sűrűség (g/cm 3 ), µ = tömegabszorpciós koefficiens (cm 2 /g) és d = felületi sűrűség (g/cm 2 ), I = intenzitás az absz.után, és I 0 = intenzitás az abszorbens nélkül. (pl. E β,max = 1 MeV re, Al-ban R = 1,08 cm, ha d = 0,4 g/cm 2 )

20 1000 impulzus 100 Ag Al Cu abszorbens vastagság (mg/cm 2 )

21 Detektálást befolyásoló tényezők: - önabszorpció - forrásban - abszorpció -detektor belépőablakában - visszaszórás- albedó (visszaszórási együttható) η = I visszaszórt I o Ha az abszorbens vastagsága nagy (d>r)

22 Gamma-sugárzás: - elektromágneses sugárzás (nem részecske) - a mag (nívói közötti) legerjesztődéséből jön létre - 10keV-néhány MeV - diszkrét spektrum - többnyire alfa-, bétasugárzást kíséri Röntgen-sugárzás: - elektromágneses sugárzás (nem részecske) - sugárzás az elektron héjból - 0,1-50keV - diszkrét spektrum - Fajtái: fékezési rtg és karakterisztikus rtg Gamma-sugárzás és anyag kölcsönhatása: - más kölcsönhatási mechanizmusok, mint a töltött részeknél (gammának nincs töltése és nyugalmi tömege), közvetett ionizáció - nagy áthatolóképesség, kis hatáskeresztmetszetek - fotoeffektus, Compton-szórás, párkeltés 22

23 Fotoeffektus: - pár 100keV-ig - gamma be elektron ki - kötött elektronon megy végbe, mag felveszi az impulzust - rtg sugárzás követi, kiszökési csúcs jelensége E e = E γ E köt E e elektron E γ γ foton Fotoeffektus hatáskeresztmetszete: τ = const 4,5 z absz E 3 γ

24 Compton-szórás: - szabad elektronon szóródik a foton - pár száz kev és MeV között - foton az energiájának csak egy részét adja át az elektronnak - ha θ=0 koherens, Thomson szórás, nincs energiacsökkenés γ E γ φ θ E e szórt elektron E γ szórt gamma foton E e = E γ E E e,max γ ' = = 1+ 2E γ m 2E 1 cos Θ E e 2 γ + m γ c e 2 c 2 ( 1 cos Θ) Compton-szórás hatáskeresztmetszete: = Z 2E absz N absz γ σ ln( + 2 E m c γ e 1 2 )

25 Klein-Nishina formula: - Hatáskeresztmetszet és térszög viszonya kisenergiájú fotonok előre és hátra közel azonos valószínűséggel szóródnak, növekvő foton energiával az előreszórás dominál

26 Párkeltés: - küszöbenergiás folyamat - mag erőterében a foton egy elektron-pozitron párrá alakul E γ E e elektron E 2 * 511 γ kev γ pozitron 511 kev 511 kev annihilációs fotonok Párkeltés hatáskeresztmetszete: κ N absz Z 2 absz ( E γ 2m c e 2 )

27 Gamma-sugárzás abszorpciója és sugárgyengülési törvény: Kollimált nyalábra: I = I 0 exp(-µ x)= I 0 exp(-µd) ahol µ = τ + σ + κ (lineáris tömeggyengítési tényező) ahol µ = lineáris absz.koeff.(1/cm); x = abszorbens vastagság (cm); µ = tömegabszorpciós koefficiens (cm 2 /g) és d = felületi sűrűség (g/cm 2 ), I = intenzitás az absz.után, és I 0 = intenzitás az abszorbens nélkül Nem kollimált nyalábra: - build-up faktor (felhalmozási tényező) I = B I 0 exp(-µ x)= B I 0 exp(-µd) Többféle abszorbens jelenléte esetén: µ= µ 1 p 1 + µ 2 p 2 + és Σp i =1

28 Gamma-sugárzás kölcsönhatásainak energiafüggése, teljes hatáskeresztmetszet energiafüggése:

29 Neutron-sugárzás és kölcsönhatás: Keletkezése, előfordulása, jellemzői: - semleges részecske - eredete: atommag,magreakció, hatáskeresztmetszet: neutron energiafüggő - spektrum:folytonos, diszkrét n források: a.) izotópforrások: spontán hasadók: 252 Cf T 1/2 =2,65év, ha A=10 10 Bq kb n/s neutron hozam E n : 0,1 6 MeV (folytonos) Pu-Be források: 9 Be + α 12 C + n, vagy Am-Be, Ra-Be, ha A=10 10 Bq E n : 1 12 MeV kb n/s 29

30 c.) gyorsítók,n-generátorok: D +T = T(d,n) α E n : 14 MeV, n/s (1 ma) magreakció; d.) atomreaktor: - nagyságrendekkel nagyobb áramok Φ = n/scm 2 FLUXUS!! E n : MeV - első közelítésben folytonos spektrum

31 Neutronok és anyag kölcsönhatása: - atommaggal hat kölcsön, erős kölcsönhatás, cm-re meg kell közelíteni a magot - Kölcsönhatások hatáskeresztmetszete erősen energiafüggő! - Kölcsönhatás eredménye: n eltűnik, helyette töltött rész/gamma-foton: másodlagos sugárzás n + T K * X + Y T:target, K * :közbülső mag, X: termékmag, Y: keletkező részecske Lehetséges reakciócsatornák: - Rugalmas szórás (n,n), rugalmatlan szórás (n,n ), radiációs befogás (n,γ), töltött részecske reakció (n,α)/(n,p)/, neutronemissziós reakciók (n,2n), hasadási reakciók (n,f) Kölcsönhatások energiafüggése: σ~1/v (radiációs befogásra főként)

32 lassú (termikus) neutronok: E n 0,5 ev alatt (Cd levágási határ): - rugalmas szórás: Σ E kinetikus = állandó A(n,n)A reakció - (n,γ) magreakciók: σ absz nagy n detektálás aktivációs fóliával, valamint a 10 B(n,α) 7 Li; 6 Li(n,α)H; 3 He(n,p) 3 H reakciók alapján - maghasadás: hasadási kamra gyors neutronok: - rugalmatlan szórás: ha E n > 1 MeV pl. A(n,2n)B * Σ E kinetikus = NEM állandó - magreakciók: ha E n ev kev közötti, akkor (n,p), (n,d), (n,α), stb. KÜSZÖBREAKCIÓ jellegű

33 - teljes kölcsönhatás valószínűsége: σ tot = σ absz + σ szór - n gyengülés: φ(x) = φ 0 exp(-σ tot x) - neutronok elleni védekezés

34 2./ÁLTALÁNOS DETEKTORJELLEMZŐK leggyakrabban alkalmazott (elektromos) detektorokra: gáztöltésű, szcintillációs, félvezető: a detektorban a sugárzás energiája ionizációra, (gerjesztésre) fordítódik töltéshordozók (fény) - kimeneten: az energiával arányos amplitúdójú elektromos impulzus (töltés összegyűjtés,áram) Egyszerűsített detektormodell: - Sugárzás és anyag kölcsönhatása: detektor érzékeny térfogatában t=0-ban q töltés jön létre feszültség töltéskigyűjtés jel a detektor kimenetén - Részecskék lefékeződési ideje:ns-ps - töltéskigyűjtés, töltéskigyűjtés ideje detektor sebességét megszabja, töltések mozgékonysága befolyásolja adott térerő mellett ill. az átlagos távolság,amit az elektródákig meg kell tenniük 34

35 Q:egy részecske által létrehozott detektorban t c töltésmennyiség a 0 i( t ) dt = Q (i)t (i)t idõ t c idõ Áramimpulzusok nagysága és időbeni gyakorisága a kölcsönhatás típusától függ ill. a részecskék véletlenszerű eloszlást követve érkeznek (Poisson statisztika)

36 Detektorok üzemmódjai: - integrálüzem: egyes impulzusok megkülönböztetése nem lehetséges, átlagáramot mér - impulzusüzem: minden részecskét külön detektál, részecske energiamérés, spektroszkópia Integrálüzem: (i)t detektor I I(t) I(t) I 0 idõ t t

37 Kölcsönhatások sorozatából származó időfüggő áram: I t 1 ( t ) = i( t, ) dt T R : válaszidő (response time) ~ 0,1s: hosszú, az egyes kölcsönhatások közötti töltésfluktuáció kiátlagolódik Átlagáram: T R t T R, I = nq = n E w 0 q 0 E: sugárzás energiája, w: ionizációs energia, n: kölcsönhatások száma, q: egy kölcsönhatásban létrehozott töltésmennyiség I(t) = I o + σ i (t) σi = n T R σ i : időfüggő fluktuációk összege, ingadozások összege Ha T R túl hosszú, nem érzi a nagy ingadozásokat, ha túl rövid, az átlagáram leolvasása nehéz

38 Integrális üzemű detektorok felhasználása: - nagy számlálási sebességeknél (gyorsan követik egymást a jelek), az egyes impulzusok megkülönböztetése nem lehetséges/nem cél - atomerőművek, dozimetria- főként gáz/levegőtöltésű ionkamrák - Egyszerű felépítésű detektorok - válaszfüggvény energiafüggetlen, jel nem függ a sugárzás energiájától, csak a dózisteljesítménytől

39 Impulzus üzemmód:- minden egyes részecskét külön regisztrál a mérőberendezés - Jel amplitúdója részecske energiája - Impulzus alakja (felfutási ideje) részecske fajtája detektor C R U(t) jelalakot befolyásolja a detektor és a hozzá kapcsolt bemeneti áramkör, alapjele az R ellenálláson megjelenő U(t), alakját a τ = RC időállandó szabja meg: t c = a töltés kigyűjtési idő, C: ekvivalens kapacitás (det.+áramkör) R: kapcs. áramkör bemeneti ellenállása (előerősítő) - Impulzusüzem alapja: U(t ) feszültségimpulzus mérése időbeli lefutását a rendszer időállandója szabja meg RC << t c A töltéskigyűjtés idejénél kisebb időállandó: -nagy számlálási sebességeknél - az impulzus időbeli alakulása fontosabb mint, az amplitúdó (energiája) RC >> t c A töltéskigyűjtés idejénél nagyobb időállandó: - leggyakrabban ezt használják, kisebb számlálási sebességeknél - jel maximuma arányos a részecskék energiájával, alakja jellemző a sugárzás fajtájára 39

40 A rendszer időállandójának megválasztása: (i)t RC << t c a detektor árama (kimenő impulzus) U(t) U(t) U max Q = i ( t ) dt U ( t ) = Ri ( t ) t t a) b) c) (Q a keltett össztöltés, a besatírozott terület) U(t) alak kis időállandó esetén (az R-en átfolyó áram ~ U(t)) RC >> t c t U(t) alak nagy időállandó esetén (az R-en átfolyó áram integrálódik C-n,

41 Ha az időállandó nagy: RC >> t c Ha C=const.: (félvezetődetektoroknál ez nem igaz, töltésérzékeny előerősítő): U max = Q / C U ~ Q ~ max E rész Impulzusüzem előnyei: - Nagyobb érzékenység, mint integrálban - Impulzusalak: sugárzás fajtája - Impulzus amplitúdó: részecske energia

42 Impulzusüzem és spektrumformák: - Válaszfüggvény: a valóságban időben váltakozó amplitúdójú impulzus sorozat (ok: a részecskék energiájának különbözősége és a keletkezett töltésmennyiségek statisztikus ingadozásokai) Spektrum: amplitúdó gyakoriság az impulzus amplitúdók függvényében (mérés DD ill.id-vel) differenciális spektrum N = U U 2 1 dn du du integrális spektrum 0 dn N 0 = du du 42

43 Differenciális spektrum: =impulzusgyakoriság-impulzusamplitúdó függvényében - Ezt használják többnyire, kapcsolat U max és E között Integrális spektrum: -bizonyos határ felett enged át, egyes pontokhoz tartozó meredekségek kiadják a diff. spektrumot

44 Detektor-karakterisztika: kimenő jelsorozat az elektronikus paraméterek (pl. U d,) függvényében - csak U d feletti impulzusok kerülnek további feldolgozásra - U d plató közepére: hosszú idejű stabilitás 44

45 Detektorok jellemzői: Energiafelbontás: - az a két legközelebbi energia, amit a berendezés még szét tud választani (Gauss: E = 2,35σ) dn du jó felbontás rossz felbontás U 0 U definíció szerint: f E = E 0 *100[%] 45

46 Félértékszélesség, energiafelbontóképesség számítása: a.) vékony detektor: detektorban az összes energia abszorbeálódik keltett töltéshordozók száma: n = E / w szórás a Poisson eloszlás alapján: δ = n felbontóképesség: f Poissonhatár ~ 2,35 n n = 2,35 w E = 2,35 n

47 b.) vastag detektor: -Poisson statisztika nem érvényes teljesen, ionizációs események nem mind függetlenek egymástól Fano faktorral korrigált szórás: δ = F n Fano faktorral korrigált felbontóképesség: F n F f ~ 2,35 = 2,35 = 2,35 n n Fw E Pl.: Szcinitllációs detektorokra F=1, félvezető/ gáztöltésű detektorokra F<1

48 Teljes rendszer felbontóképessége: ( E) = ( E ) + ( E ) +... det elektr. Függ: - detektor nagyság, - számlálási sebesség - részecske fajta, részecske energia Detektor válaszideje: Azaz idő,amely a sugárzási kvantum detektorba érkezése és a detektor kimenetén megjelenő jel megjelenéséig eltelik - Impulzus feldolgozási ideje

49 Hatásfok: - akkor van jel, ha a kölcsönhatás az érzékeny térfogatban zajlik - töltött részek (α,β) rögtön ionizálnak, R<érzékeny térfogat, η 100% - γ és n: nagy távolságot tesznek meg a kölcsönhatások között, veszteségek Függ: energia; geometria,sugárzás fajta, térfogat, holtidő, számlálási sebesség, Hatásfok fajták: Belső hatásfok: η belső = regisztrált impulzusszám/ a detektorba belépő részecske szám Abszolút hatásfok: η abszolút = regisztrált impulzusszám/ a sugárforrásból kilépő összes részecske, (pl. GM cső) Abszolút teljes energia csúcs hatásfok: η = t m N A f γ Ahol: η : hatásfok, N: nettó csúcsterület, A:aktivitás, t m : mérési idő, f γ =gamma gyakoriság 49

50 Totális hatásfok: η totális = összes impulzussszám/ 4 térszögben kibocsátott részecskék száma Csúcs hatásfok: η csúcs = teljes energia csúcsba eső impulzusszám/ 4 térszögben kibocsátott részecskék száma Relatív hatásfok: - félvezető detektorok jellemzése η relatív = η Ge / η NaI (3X3 inches NaI(Tl) detektortól 25cm-re levő Co keV-es vonalához viszonyít)

51 Holtidő: okozói: detektorban lejátszódó folyamatok+jelfeldolgozás érzéketlen detektor addig Függ: - sugárzás fajtája - mérőrendszer - számlálási sebesség Egyszerű holtidő korrekció: i val i = 1 mért i mért τ Ahol τ: rendszer egységnyi időre jutó holtideje (s), i val : valódi számlálási sebesség (s), i mért : mért számlálási sebesség (imp/s)

52 Kétforrásos holtidő meghatározási módszer: - ugyanaz a geometria -5-10% hiba statisztikai okok miatt Valódi számlálási sebesség az első forrással: i 1 = a 1 1 a1τ Valódi számlálási sebesség a második forrással: i 2 a 2 = 1 a 2τ Valódi számlálási sebesség mindkét forrással: Holtidő közelítéssel: i 1 + i 2 = a 1, 2 1 a 1, 2τ τ = a a 1 2 1,2 + a 2 a a 2 1 1,2 a 2 2

53 Mérőberendezés érzékenysége: Azon képessége a berendezésnek, hogy az adott sugárzásra, sugárzás energiájára hasznos jelet szolgáltasson. Befolyásolja: detektor típusa, sugárzás fajtája, energiája, mérési geometria, detektor térfogata, elektronika zaja, környező anyagok, háttérsugárzás Fontos: - diszkriminációs szint megválasztása - adott sugárzás típushoz megfelelő detektor választása

54 Matematikai (kieg.) Poisson eloszlás (diszkrét): -egymástól véletlenszerűen bekövetkező események leírása (pl.: kozmikus részecskék becsapódása, esőcseppek egy adott területre esése, izzólámpák kiégése) Eloszlás függvénye: p( x i ) = x x! i x i e x Ahol: x: a változó, x i :i-edik mérés által kapott érték, x átlag: a valószínűségi változó várható értéke Szórása: σ = x

55 Gauss- eloszlás (folytonos): - x i kellően nagy számú, akkor a Poisson eloszlás helyettesíthető Gauss (normális eloszlással) Sűrűség függvénye: p 1 ( x x) ( x) = e 2σ σ Ahol: x: a változó, x i :i-edik mérés által kapott érték, x átlag: a valószínűségi változó várható értéke, σ:szórás Szórásnégyzet: 2 σ = ( x x) i i n 2

56 Megadható annak a valószínűsége, hogy az aktuális mérés eredménye intervallumba essen: Illetve: x ± σ 67% ) ( = + < < σ σ x x x p i 95% ) 2 2 ( = + < < σ σ x x x p i 99% ) 3 3 ( = + < < σ σ x x x p i

57 3./ DETEKTORTÍPUSOK Gáztöltésű detektorok: - történelmi áttekintés, alkalmazási területeik Működési elvük: -a sugárzás részecskéi és a gázatomok közötti direkt ütközés (Coulomb kölcsönhatás), ionizáció és gerjesztés / kölcsönhatási mechanizmusok - ionizáció utáni folyamatok - jel kialakulása (jel/zaj viszony, jelalak) Felépítés: 57

58 Általános karakterisztika: I: rekombinációs tartomány II: telítési tartomány III: proporcionális tartomány IV: fél-proporcionális tartomány V: Geiger-Müller (GM) tartomány VI: kisülési tartomány

59 I. Rekombinációs tartomány: - Feszültség nélkül a töltéshordozók rekombinálódnak, ahogy nő a feszültség, egyre több töltéshordozó éri el az elektródokat II. Telítési tartomány: - Összes primer töltéshordozó eljut az elektródáig - Ionizációs kamrák, kimenő áram A E = r U 0 ln( r k / r a ) III. Proporcionális tartomány: - töltéssokszorozás, arányos a kezdeti ionizációban keletkezett töltéshordozók számával - Gázsokszorozás (10 6 is lehet) - Proporcionális detektorok IV. Kvázi proporcionális tartomány: - nincs arányosság a töltéshordozók száma és a sugárzás által leadott energia között - Nem működnek detektorok

60 V. Geiger-Müller tartomány: - Összefüggő kisülés - Kezdeti ionizációtól független - GM csövek VI. Kisülési tartomány: - Sugárzás nélkül is kisülés, tönkremegy!

61 Kölcsönhatási mechanizmusok gázokban: - gerjesztés: X + p = X* + p σ cm 2 nemesgázokban, rezonanciaszerű; gerjesztési potenciál pl. He-ra 19,8 ev, Ar-ra 11,6 ev, Kr-ra 10,0eV - ionizáció: X + p = X + + p + e - σ ~ cm 2 nemesgázokban; küszöb energiás ionizációs potenciál: pl. He-ban 19,8 ev, Ar-ban 11,6 ev, Kr-ban 14 ev - Penning-effektus: Ne* + Ar = Ne+ Ar + + e - - molekulaionok kialakulása: He + + He = He e - Gázokban egy ionpár keltéséhez szükséges energia átlagosan w ~ 30eV felbontóképesség

62 Ionizáció utáni folyamatok -töltések mozgása a kölcsönhatás után a./ nincs elektromos tér: diffúzió (termikus mozgás)- Maxwell-eloszlás 8κT v = mπ (a diffúziós mozgás jellemzése: λ: átlagos szabad úthosszal=két ütközés között megtett út ~1µm) Rekombináció: - oszlopos (kezdeti)- Maxwell-eloszlás a sebességre - térfogati - preferenciális Rekombináció ~ töltéssűrűséggel dn dt + = αn n α= rekombinációs együttható, n= töltéshordozó koncentráció 62

63 töltéshordozók sűrűségeloszlása t idő után (Gauss eloszlást mutat, ezért): dn dx 2 n = 0 x exp 4πDt 4Dt Ahol a diffúziós állandó (Maxwell eloszlás alapján): D = 3pσ 2 κ 0 π ( T ) m 3 n 0 = kezdeti töltéssűrűség, D= diffúziós állandó és x= a keletkezési helytől való távolság, p= gáznyomás, σ 0 = ütközési hatáskeresztmetszet (gáz paraméterek!)

64 b./ van elektromos tér: diffúzió + drift + töltés sokszorozás + (rekombináció) - gyorsuló mozgás - sebesség függ: térerősség,nyomás és gázfajta, - drift sebesség : v d µ = +, E p µ = mozgékonyság - elektronok gyorsabbak, mint a + ionok csepp alakú lavina (pl. ha µ ~10-4 m 2 bar/ Vs, p = 1 bar, E = 10 4 V/m, akkor v d = 1 m/s, az ionok kigyűjtési ideje kb. 10 msec azaz HOSSZÚ, lassú detektor, elektronokra kb. µsec); c./ töltés sokszorozás: másodlagos, harmadlagos ionizáció eredménye, gázerősítés (gázsokszorozási) faktor M = n/n 0 = exp(λ x) ahol λ =elektronok átlagos szabad úthossza, x = pályahossz, n 0 = kezdeti e - sűrűség 64

65 töltéscsökkentő folyamatok-ha van térerősség: - rekombináció (rekombinációs együttható pl. He-ra 1,7*10-8 cm 3 /s, Ar-ra 8,8*10-7 cm 3 /s) - elektronmegkötés A detektor kimenő jelét a töltéshordozók száma, tulajdonsága, viselkedése határozza meg! Jelalakok, jelfeldolgozás: -elektronbegyűjtéses -ionbegyűjtéses - jelformálás (jel/zaj viszony javítás) érzékenység - erősítés: linearitás, stabilitás (hőmérséklet, idő) felbontás

66 Ionizációs kamrák: általános karakterisztika II. tartomány: telítési áram és fesz., nincs jelentős rekombináció és töltéssokszorozás - nagyon változatos méret (mm l) és forma; kompenzált, U bevonatú, stb. - stabil, de elektronika drága (alacsony áramok ~10-12 A mérése) - 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 µ, (pl. 90% Ar+10% metán), - elektródok, szigetelők: segéd elektródok: kúszóáramok csökkentése (I kamra ~ A), átütési feszültség, (pl.teflon, kerámia, tisztaság), sugárkárosodás, kiszögelések (E!!) 66

67 Ionizációs kamra típusok: sík-párhuzamos: - impulzus üzemű: - egyenáramú: I telítési = n 0 q 0 V m ion-begyűjtéses (lassú t c ~ 10 msec), továbbá elektronikus zajszűrés nehéz Elektron begyűjtéses (gyors t c ~1 msec), de a jelamplitúdó függ az ionizáció helyétől, U max = Nq a 0 Cl 67

68 Rácsos ionizációs kamra (Frisch-féle): rács = virtuális elektronforrás (elég ritka legyen-kis e- veszteség,elég sűrű-jó elektrosztatikus árnyékolás) (minden elektron u.azt a potenciál különbséget futja be az anódig) U(t) x/ve a/ve Umax=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) - pontos energiamérésre jó - impulzusüzemű, elektronbegyűjtéses ált. 68

69 hengeres ionizációs kamra: - leggyakoribb forma, impulzusamplitúdó helyfüggése csökkenthető - hátránya, hogy a telítéshez szükséges térerőt 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 hasadási kamrák: -n mérés - hasadóanyag bevonat, fluxusmérés, energiamérés nem, gyors és termikus fluxus megkülönböztetése esetleg kompenzált ionizációs kamrák: - egyik térrész B bevonatú fallal: n +gamma detektálás, másik csak gamma érzékeny rész

70 Impulzusüzem és az ionkamrák: - jelfeldolgozás: erősítés: Stabilitás, linearitás: 1% - Jó jel/zaj viszony:nehézkes

71 Proporcionális detektorok: - működésük alapja a gázsokszorozás (gázerősítés): M= impulzusüzem általában - Kis intenzitások, alacsony energiájú sugárzások mérése - Kisebb holtidő - Gyorsabb - Kisebb elektronikus zaj - forma: általában hengeres, vékony anódszállal (nagy térerő~10 4 V/cm, ionizáció független a helytől, r a ~10 µm) - stabil U 0 kell, mivel: M ~ expu o - az erősítő (zajszűrés) egyszerűbb, mint az ionizációs kamráknál - energiafelbontást befolyásolja: az anódszál egyenetlenségei, M szórása, elektronika zaja, Fano-faktor szórása Fotoionizáció csökkentése: fotonokat abszorbeáló gáz (kioltó gáz) adagolás (pl.10% metán+90% Ar), továbbá a katódot nagy e - kilépési munkájú fémből kell készíteni. 71

72 Proporcionális detektor típusok: Végablakos proporcionális detektorok: -béta detektálás, vékony végablakkal N detektálás: BF 3, 3 He gázzal töltött detektorok, bóros falú prop. számláló Helyzetérzékeny (vagy koordináta) detektor (1-2-3 dimenziós): (pl. szögeloszlás mérések) anód: nagy ellenállású huzal, mindkét végén méri a jelet U U 1 2 = R a + ρ ( l R a + ρx x)

73 Gázátáramlásos: gáz tisztaság 4 π prop.detektor: abszolút aktivitás mérés

74 Geiger Müller (GM) cső: - egyszerű, nagy kimenő jel (kb. V-nagyságú), - erősítő egyszerű, olcsó, ezért nagyon széleskörű alkalmazás (dozimetria, ipar), - részecske energia mérésre alkalmatlan! γ-sugárzásra alacsony hatásfok - Általános karakterisztika V. tartomány - Nagy térerő gázsokszorozás (M ~ 10 6 ) - töltés lavinák jönnek létre (nem függetlenek egymástól, egyik lavina másikat indíthat) - önfenntartó Geiger kisülés alakul ki mindig kb. azonos számú U ki mindig azonos amplitúdójú, azaz független a primer ionizációtól -kioltógáz kell/ külső kioltás: sok gerjesztett molekula miatt fotonlavina fotoeffektussal elektronok a kamra falából 74

75 A kisülés leállítása, kioltás: a/ külső: +U 0 lassú (msec) R ~ 10 8 Ω * U ki C forrás - lényege: detektor feszültségét lecsökkenteni addig, amíg a tötéshordozók elérik a katódot, holtidőt megnöveli b/ belső, önkioltás: kioltógázok alkalmazása - a fő gázkomponenshez 5-10 %-ban szerves gőzt/halogén gázt (pl.cl, Br) kevernek: ezek a kioltógázok 75

76 Holtidő: - anódot beburkoló +ionfelhő miatt lecsökken E - egy impulzus és a következő Geiger kisülés között eltelt idő Feloldási idő: - Diszkriminációs szint eléréséhez szükséges idő Regenerálódási idő: - mire az impulzusamplitúdó újra eléri a maximumot

77 GM csövek jellemzői: - GM cső jósága, karakterisztika: m = n U 2 2 n n1 U (%) [cps] n 2 n 1 U K = Geiger küszöb U M = üzemi feszültség M = munkapont M totális kisülés - Holtidő(msec): Korrigálni kell: i val - hőmérséklet - Háttere i = 1 i mért mért τ - Hatásfok: töltött részeknél az szabja meg, hogy a sugárforrásból kilépő részek hányada jut be a detektor érzékeny térfogatába - Alkalmazási terület: dozimetria, előzetes mérések, felületi szennyezettségmérők U K U 1 U M U 2 U 77

78 GM cső típusok:

79 Típus Jel ampl. Jel hossz Energia felbontás Előnyök Hátrányok Alkalmazás Ionkamra p: 1-10bar (5 MeV α) ionbegyüjt mv 5-10 ms 2 % energia mérés, nagy tisztaság, α,β, nehéz imp.üzemű nem kell stab.táp, bonyolult elektr., töltött részek, gyors kis és nagy int., γ-ra alacsony η, n spektrometria, e - begyűjt mv 1-2 ms 1 % imp.üzemű átlagáram - - nincs egyszerű, energia mérés α,β felületi akt., mérő nem kell stab.táp, nincs, közepes és nagy γ intenzitásokra, Prop.det. p ~ bar mV µs 2-5% nagyobb jelampl., f energiafüggő, lágy X és γ, nagyon stab.táp, kis energ. β, egyszerűbb elektr., tisztaság, lassú n (BF 3 ) jó f, nagy int. mérése γ-ra alacsony η GM cső 1-5 V 3-5 ms nincs nagy kimenő ampl., energ.mérés α,β,γ akt.mérés, egyszerű elektr., nincs, felületi szenny.mér., nem kell stab.táp, alacsony cps ipari alkalmazások, olcsó, γ-ra alacsony η dozim.alkalmazások Töltőgázok: Ar, He, levegő + koltógázok: metán, halogén 79