Mag- és neutronfizika 5. elıadás 5. elıadás Szcintillációs detektorok (emlékeztetı) Egyes anyagokban fényfelvillanás (szcintilláció) jön létre, ha energiát kapnak becsapódó részecskéktıl. Anyagát tekintve lehet szilárd folyadék gáz szervetlen szerves Elınye: kis energiájú és kis hatótávolságú radioaktív sugárzást is ki lehet vele mutatni nagy hatásfokkal!! Folyadékszcintillátor Általában szerves folyadék (koktél( koktél), amelybe a vizsgálandó mintát belekeverjük. Nagy geometriai hatásfok! (4π detektor) A koktél több komponensbıl áll: oldószer, szcintilláló anyag ( fluor ) emulgáló szer, stb. 1/22 2/22 A két fotoelektron-sokszorozó jelei közül csak azokat fogadjuk el, amikor mindkettı egyszerre szólal meg (koincidencia( koincidencia). Ezzel a háttér csökkenthetı, ami kis aktivitások mérésénél fontos 3/22 4/22 1
A folyadékszcintillációs méréstechnika környezeti minták mérésére használatos leginkább, kis β-energiájú és kis aktivitású radioizotópok kimutatására Folyadékszcintillációs technikával mérhetı leggyakoribb radioizotópok: Izotóp 3 H 14 C 35 S 32 P Felezési idı 12,3 év 5730 év 87,4 nap 14,3 nap Kereskedelmi berendezés neve: TriCarb (trícium, és radiokarbon) β-energia tartomány (kev( kev) 6 19 6 156 49 167 690 1709 5/22 Félvezetı detektorok Bevezetı megjegyzések: Atomokban az elektronok csak diszkrét, jól meghatározott energiájú állapotokban lehetnek (pl. H-atom) H Szilárd anyagokban a legkülsı atomi állapotok energiája sávokká szélesedik ki (a szomszédokkal való kölcsönhatás miatt) szigetelı: az utolsó betöltött sáv, és az elsı üres sáv között nagy energiahézag ( tiltott sáv ) van az elektronok nem tudnak elmozdulni fémes vezetı: az utolsó betöltött sáv és az elsı üres sáv átfedi egymást, nincs tiltott sáv az elektronok könnyen mozognak félvezetı: keskeny tiltott sáv elsı üres sáv (üres) utolsó betöltött sáv (tele) 6/22 Félvezetıkben az elektron-gerjesztés alaptípusa: részecske-lyuk gerjesztés Az elektron el tud mozdulni, mert vannak üres állapotok mellette. A lyuk üres állapotot hoz létre a valencia sávban a sáv elektronjai el tudnak mozdulni Az áramvezetésben a lyuk (elektronhiány) éppúgy részt vesz, mint a részecske (elektron) ( Lyukvezetésnél is elektronok mozognak, még ha úgy is látszik, hogy a lyuk vándorol!) Ha nincs részecske-lyuk gerjesztés, a félvezetı szigetelıként viselkedik, áram nem folyik. 7/22 A detektálás elve: a félvezetı kristályra feszültséget kapcsolunk mivel szigetel, áram nem folyik a sugárzás részecske-lyuk gerjesztéseket hoz létre a félvezetıre kapcsolt elektromos mezı begyőjti a töltéseket áramlökés mérhetı az áramlökés nagysága a begyőjtött töltésekkel arányos energiamérést tesz lehetıvé! áram nincs áramlökés van A sugárzás által létrehozott kis áramlökés észlelésének feltétele e a nagyon kis nyugalmi áram jó szigetelı legyen az anyag!!! 8/22 2
Összehasonlítás az ionizációs kamrával Ionizációs kamra A gáz jó elektromos szigetelı Félvezetı detektor közepes elektromos szigetelı (szobahımérsékleten) Az ionizáló sugárzás elektron- lyuk párokat hoz létre Elektron-lyuk lyuk pár keltéséhez szükséges energia ~ 0,1 0,5 ev A térerısség a töltéshordozókat begyőjti áramlökés Szilárd anyag sőrősége nagy nagy belsı hatásfok Az ionizáló sugárzás elektron- ion párokat hoz létre Ionizációhoz szükséges energia ~ 1 10 ev A térerısség a töltéshordozókat begyőjti áramlökés Gáz sőrősége kicsi kis belsı hatásfok A detektálást nehezíti a hımérsékleti gerjesztés. n( E) ~ e A Boltzmann-eloszlás szerint: Itt n(e) az E energiájú részecskék száma, T a hımérséklet, k a Boltzmann állandó k = 1,38 10 10-23 J/K E kt 9/22 Mivel a tiltott sáv keskeny, ezért csak alacsony hımérsékleten lesz jó szigetelı a félvezetı!!! A detektálást nehezítik az anyagban lévı szennyezések is! Kétféle szennyezés: donor atomok : elektronokat adnak a tiltott sáv tetején A donor atomok energiája közel van a vezetési sávhoz, elektronvezetés akceptor atomok: lyukakat hoznak létre a tiltott sáv alján Az akceptor atomok energiája közel van a valencia sávhoz, lyukvezetés 10/22 A jó szigetelıképességet a következı feltételekkel lehet biztosítani: tani: alacsony hımérséklet (folyékony nitrogén hım. hőtött detektor) nagy tisztaságú anyag, vagy kiürített réteg létrehozása (nincsenek sem elektronok, sem lyukak) Leggyakoribb félvezetı anyagok: Ge, Si, GaAs a) Nagy tisztaságú germánium detektor (High purity germanium detector, HPGe) Nagyon kis szennyezı koncentráció Alacsony hımérsékletre hőtve üzemel detektorház elıerısítı hőtı (hıvezetı rúd) vákuumban folyékony nitrogént tartó edény 11/22 b) Ge(Li), ill. Si(Li) ) detektorok (Lítiummal driftelt germánium, ill. szilícium detektorok) Lényegében nagy térfogatú félvezetı diódák. Félvezetı dióda: két érintkezı réteg, az egyik donor ( n-típusú típusú ), a másik akceptor ( p-típusú típusú ) szennyezés (adalékolás( adalékolás!) Záró irányban történı elıfeszítés a térerısség kihúzza a töltéshordozókat a határrétegbıl, kiürített réteg jön j létre Ha a kiürített réteget ionizáló sugárzás éri elektron-lyuk lyuk párok keletkeznek, áramlökés Nagy hatásfokhoz nagy térfogatú kiürített réteg kell Nagy záróírányú feszültség! 12/22 3
A detektor visszáramának a csökkentése érdekében lítiumot visznek be diffúzióval a kristályba Li Li-drifted. A lítiumnak a helyén kell maradni, ezért az ilyen detektorokat üzemen kívül is folyékony nitrogén hımérsékleten kell tartani! Ha felmelegszik, tönkremegy.. (Si(Li( Si(Li) ) kevésbé érzékeny, mint a Ge(Li)) alacsony hátterő kamra (árnyékolás) Ge(Li) ) detektor folyékony nitrogént tartó edény (Dewar( Dewar) c) Felületi záróréteges detektorok (PIPS) Kis hatótávolságú töltött részecskék detektálására alkalmas. A detektor felületén alakítják ki a kiürített réteget. α-részecskék detektálására kiválóan alkalmas Kis térfogata elıny: Nem érzékeny a nagy hatótávolságú sugárzásokra (pl. gamma-sugárzás) 13/22 14/22 Alfa- béta- és gamma-detektorok sajátosságai A detektálás jellemzı paraméterei: belsı (intrinsic( intrinsic) ) hatásfok (errıl már beszéltünk) α- és β-detektorok : kis térfogat (mivel rövid hatótáv), gamma-detektorok: nagy térfogat holtidı energiafelbontás Holtidı Az az idı, amely alatt egy detektor nem tud új részecskét fogadni. A holtidı miatt elveszítünk részecskéket. Holtidı korrekció: n igazi = n mért 1 1 n Itt τ a holtidı, n mért az idıegységre esı, mért beütésszám mért τ 15/22 A gáztöltéső detektorok holtideje elég nagy (pl. GM-csınél akár millisec is lehet!!). Veszélyes lehet az impulzus üzemmód!! Energiafelbontás FWHM (energiamérésre képes detektoroknál) Jellemzıje: Félértékszélesség (full width at half maximum, FWHM) 16/22 4
Energiamérés fontossága: Különbözı radioizotópok jól meghatározott, diszkrét energiájú sugárzást bocsátanak ki (kivétel a β-sugárzás) A részecskék energiájának mérésével a forrás azonosítható: radioanalítika Spektrum: a részecskék energia szerinti eloszlása alfa-spektrum (két bomlási energia) béta-spektrum (egy bomlás) Analitikai célokra NEM használható, a különbözı izotópok spektrumai átfednek! 17/22 Gamma-spektroszkópia Jelentısége: a gamma-sugarak kijönnek a mintából, tehát kívülrıl is mérhetı, a minta roncsolása nélkül (roncsolásmentes( módszer) egyszerre több elem is meghatározható kvalitatív és kvantitatív meghatározás is! Mindig a detektorban leadott energiát tudjuk csak detektálni! Probléma: : a detektorban bekövetkezı elsıdleges és másodlagos folyamatok miatt a spektrum meglehetısen bonyolult szerkezető Elsıdleges folyamatok: Fotoeffektus ( vonalas szerkezet, jó lenne, ha csak ez lenne!) Compton-szórás ( folytonos eloszlás) Párkeltés (másodlagos folyamatok kiindulópontja lehet) Másodlagos folyamatok: Compton-szórás+fotoeffektus teljes gamma energia (jó!) párkeltés+pozitron annihiláció kiszökési csúcsok stb 18/22 Pozitron annihiláció: : e + + e - 2γ E γ = 0,511 MeV Gamma-spektrométer felépítése analizátor elektron Egy izotóp, két γ-energia detektor elıerısítı erısítı analóg-digitál konverter (ADC) Bonyolult spektrum teljes energia csúcs 19/22 tápfeszültség Tároló memória A detektorból jövı jelek amplitúdója (magassága) arányos a detektorban leadott energiával. U max = k E+U 0 A k arányoss nyossági tényezt nyezı és U 0 meghatároz rozása: kalibráci cióval Energia-kalibr kalibráció: ismert energiájú gamma-forr források (etalonok) mérésem 20/22 5
Szcintillációs detektor és félvezetı detektor spektrumának összehasonlítása (1) HPGe FWHM (1 MeV-nél nél) 1-2 kev NaI(Tl) ) 80-120 kev Szcintillációs detektor és félvezetı detektor spektrumának összehasonlítása (2) Kvalitatív analízis: A csúcsok helye (energiája) alapján a kibocsátó izotóp meghatározható. Energia-kalibráció szükséges! ( X-tengely tengely ) 21/22 Kvantitatív analízis: A csúcsok területe alapján a kibocsátó izotóp mennyisége (koncentrációja) is meghatározható. Hatásfok-kalibráció kalibráció szükséges! ( Y-tengely tengely ) 22/22 6