Gyors neutronok detektálási technikái Részecske-, mag- és asztrofizikai laboratórium Hegedüs Dávid, Kincses Dániel, Rozgonyi Kristóf ELTE TTK Fizikus MSc I. Mérés ideje: 2016. május Mérésvezet : Horváth Ákos
1. Bevezetés A mérés során összeállítottunk egy mérési elrendezést (1. ábra), amely segítségével neutronokat és gamma fotonokat tudunk detektálni. A mérés f elemei egy nagyfeszültség-generátor, egy NE213 és BC501 típusú folyadékszcintillációs detektor, és egy oszcilloszkóp. A 252 Cf forrásból kilép gamma fotonok és gyors neutronok oszcilloszkópon érzékelt jelalakja igen hasonló, a mérés célja egy saját jeldiszkriminációs program megírása, amellyel megkülönböztethet vé válnak a neutron és gamma jelek. 2. A mérés leírása A folyadékszcintillációs detektor anyaga aromás gy r ket tartalmaz, amelyek különböz féle képpen gerjeszt dnek különböz sugárzások/bejöv részecskék hatására. A különböz gerjesztések más id állandóval gerjeszt dnek le, emiatt az oszcilloszkópon látható feszültség jelalakok karakterisztikája különböz lesz. A jel amplitudója energiával arányos, míg a szélessége illetve a lecsengés karakterisztikája a szcintillációt okozó részecske típusára jellemz. A mérés során 1800 V nagyfeszültséget használtam. A beütések jeleit fotoelektronsokszorozó er sítette fel, majd egy 50 Ω-os ellenálláson keresztül oszcilloszkópra kerültek. Az oszcilloszkópról egy pendrive-ra mentettem ki a jelalakokat, összesen 1000 darabot. Az elmentett jelalakokat C++ és ROOT segítségével dolgoztam fel. 1. ábra. Mérési elrendezés 1
3. Adatfeldolgozás 3.1. A nyers adatfájlok Az oszcilloszkópról kimentett nyers adatfájlok.csv kiterjesztés ek, kett oszlopból állnak amelyek vessz vel vannak elválasztva, és van két sor fejléc, valamint 450, nanoszekundumonként rögzített feszültségérték. El ször egy shell script segítségével mind az ezer fájlból kitöröltem az els két sort, illetve a vessz ket szólözre cseréltem, így az adatfájlok alkalmassá váltak ROOT segítségével történ feldolgozásra. 3.2. Az adatfájlokat feldolgozó ROOT script Els lépésként a TGraph típusú ROOT objektumba beolvasott adatfájlokat átkonvertáltam TF1 típusúvá, azaz folytonos függvénnyé, így bármely pontban meghatározható a feszültségérték (ez a pontosabb területszámítás miatt volt szükséges). Ezután az összes jelalakot egymásra ábrázoltam, ez látható a 2. ábrán. Látszik, hogy az adott nagyfeszültség mellett a jelalakok amplitudó maximuma körülbelül -2.5 V, valamint vegyesen mindenféle különböz szélesség és amplitudójú jel szerepel az ábrán. 2. ábra. Az összes jelalak áttekint ábrája 2
Ez után következett a jelalak diszkrimináció. Egy ismert eljárást, a késleltetett vs. teljes integrál módszert alkalmaztam [1, 2, 3]. Ennek lényege, hogy kiszámoljuk egy adott jelalak esetén a jel teljes integrálját (Total Pulse Integral - TPI), illetve a lecseng rész integrálját (Delayed Pulse Integral - DPI), és egy kétdimenziós ábrán pontokkal jelölve ábrázoljuk az összes jelalakot. A lecseng rész integrálját úgy deniáltam, hogy a kezd pont a minimumtól jobbra az az id pillanat legyen, ahol a függvényérték az amplitudó 1/3-a (több különböz értéket kipróbálva ezt találtam a legmegfelel bbnek). Az így létrehozott kétdimenziós ábrán a gamma fotonokhoz és neutronokhoz tartozó jelalakok szét kell hogy váljanak, ahogy az jól látszik a 3. ábrán. Ezután egy szubjektív deníció szükséges a jelek szétválasztására, amelyet az alábbinak vettem: Ha 4.1 DPI - 10 8 < TPI vagy TPI > 8 10 8 akkor a jelalak gamma fotonhoz tartozik, egyébként neutronhoz. 3. ábra. A jelalakok diszkriminációja Ezek után a jelalakok átlagolása következett, ehhez el ször lenormáltam a jeleket az amplitudújukkal (4. ábra), összetoltam ket a minimum el tt a csúcs feléhez tartozó pontba (5. ábra), majd külön-külön átlagoltam a neutron és gamma jeleket (6. ábra). Látszik, hogy 65-70 ns körül van egy visszaver dés, ez jobb csatlakozásokkal, másfajta ellenállással kiküszöbölhet lenne, ezzel a mérési összeállítással ez a legjobb amit ki lehetett hozni. Szépen látszik az id állandók különböz sége, azaz a neutron és gamma jelek elkülönülése. 3
4. ábra. A normált jelalakok 5. ábra. A normált és összetolt jelalakok 4
6. ábra. Az átlagolt jelalakok Hivatkozások [1] Izsák Rudolf, A 6 He(p,n) 6 Li töltéskicserél reakció kísérleti vizsgálata http://atomfizika.elte.hu/akos/tezisek/szd/izsakrudi_szd.pdf [2] Azaree Lintereur et. al, Neutron and Gamma Ray Pulse Shape Discrimination with Polyvinyltoluene [3] S. Marrone et. al, Pulse shape analysis of liquid scintillators for neutron studies 5