Alfa-, béta-, gamma-, neutron-sugárzások mérése

1

Alfa-, béta-, gamma-, neutron-sugárzások mérése

Vázlat:a sugárzások tulajdonságai, a sugárzás és az anyag közötti kölcsönhatások formái (ismétlés), detektorok-, mérőműszerek

felépítése, működésük, jellemzőik, alkalmazásaik

Bódizs Dénes – BME Nukleáris Technikai Intézet -2006

2

és n-sugárzások tulajdonságai

-Az atommagból származnak (kivéve a röntgen-sugárzást, mely az atomhéjból);

azés n-sugárzás részecskékből áll,

a - elektromágneses természetű (hasonlóan, mint a rádióhullámok, vagy a látható fény, de az utóbbiak sokkal kisebb energiájúak, mint a -sugárzás);

azés n-sugárzás kibocsátása után az atommag szerkezete megváltozik, más izotóp (elem) jön létre, -sugárzás estén ilyen átalakulás nem következik be;

3

bomlásséma

Az atommag átmenetek szemléltetése

E0,x AZX

1 (k1)

(k)

AZ+1

Y

1

E0,y

E2

E1

k: gyakoriságk: gyakoriság

(k1) E1=E2-E1

(k) E=E1-E0,Y

4

Az alfa-()sugárzás /1

-részecske = 2p+2n = 4 2He ++= hélium atommag;

Pl. -sugárzást bocsátanak ki (többek között): 238,235U (urán), m (amerícium), 239Pu (plutónium), 226Ra (rádium)

E 3 - 9 MeV; hatótávolságuk kicsi,az -részecskéket egy papírlap, vagy néhány cm

levegőréteg is elnyeli (mert „nehéz”, kétszeres töltésű részecskék) pályájuk (jól meghatározható hosszúságú) egyenes; (Rlevegő (cm) ~ 0,3 * E3/2 , (E MeV), mérésükhöz vákuum kell!)

kölcsönhatásuk az anyaggal: ionizációméréstechnika: önabszorpció, forrásvastagság!!

5

Az alfa-()sugárzás /2

Pl. -bomló izotópokra: izotóp t1/2 Ek

24195Am 433 év 5,486 (Mev),85 (%); 5,443 (MeV), 12,8 (%); 5,389 (MeV), 1,2

(%)

E = 59,5 keV (36,3 %);210

84Po 138,4 nap 5,305 (MeV), 100 (%);242

96Cm 163,4 nap 6,113 (MeV), 74 (%), 6,070 (MeV), 26 (%);216

88Ra 0,18 s 9,35 (MeV), 100 (%);

23894Pu 87,7 év 5,499 (MeV), 72 (%); 5,466 (MeV), 28 (%); 5,358 (MeV), 0,09

(%)

bomlásséma és spektrum Pu

238

94

2

3

1

234

52U

0,143

0,043

0

impu

lzus

/csa

torn

a

5.358(0,09)

5.456 28

5,499 [MeV]; 72 [%]

csatorna

1

1

2

6

A béta – ()sugárzás /1

A -részecske = elektron (lehet pozitív - akkor pozitron a neve - vagy negatív);

Pl. -sugárzást bocsátanak ki: 3H (trícium); 14C (szén);90Sr (stroncium); 90Y (ittrium); 99Tc (teknécium); 204Tl (tallium)

E~ 18 keV-2,5 MeV; hatótávolságuk hosszabb, mint az -é (de 2-3 mm vastag plexi lap már elnyeli); pályájuk cikk-cakkos (I = I0exp(-x); lefékezédősükkor, rtg.-sugárzás keletkezik, rendszám függés!)

kölcsönhatásuk: ionizáció és gerjesztés; méréstechnika: önabszorpció, visszaszórás

(forrásvastagság!)

7

A béta – ()sugárzás /2

spektrum folytonos, DE E,max ;néhány tiszta -bomló: 3H – 12,3 év -18,6 keV; 14C – 5730 év -156 keV;

90Sr – 28 év - 546 keV; 90Y – 64 óra - 2270 keV, 99Tc – 2,12*105év - 292 keV; 204Tl – 3,8 év - 766 keV

bomlássémák: -spektrum:

8

A gamma-(sugárzás/1

A -sugárzás = elektromágneses (DE ugyanakkor energia csomagokként (foton) E = h ,

h = Planck állandó, = frekvencia, is viselkedik ?!?);A -sugárzás mindig kísérő-jelensége, az -vagy a -bomlásnak, vagy magreakciónak,(csak -sugárzást kibocsátó izotóp nincs), a -sugárzásaz atommag legerjesztődéséből származik azaz ezzel azatommag alacsonyabb („nyugalmi”) energiaállapotba kerül;

E~ 20 keV-7 MeV; pálya hosszról nem be-szélhetünk, csak gyengülésről: I = I0exp(-x);

árnyékolás: ólom, beton, azaz nagy Z-jű és -jú anyagok;

9

A gamma-()sugárzás/2A -sugárzás és az anyag között három főkölcsönhatási forma van:- fotoeffektus (a -foton teljes energiáját átadja egy elektronnak);- Compton szórás (a -foton energiájának csak egy részét

adja át egy elektronnak és egy kisebb energiájú -foton is tovább halad);Compton - él;

- párkeltés (ha a -foton energiája E>2*mec2=2*511keVakkor a -foton átalakul (annihilálódik=„megsemmisül”)egy elektron-pozitron (e-+e+) párrá, ezt követően a e+ egyesül egy e-- al és keletkezik két db. 511keV energiájú -foton);

Mindegyik eredménye: energiával rendelkező e- -ok megjelenése, melyek azután úgy viselked-nek, mint a -részecskék (méréstechnika).A -sugárzás gyengülése:

xeII 0

10

Fotoeffektus, Compton szórás, párkeltésEe= E – Eköt Ee = E-Eszórt Eküszöb = 2*511 keV

Eeelektron

E

foton

E

E

Ee szórt elektron

szórt gamma foton

E

511 keV

annihilációs fotonok

511 keVpozitron

Ee

elektron

11

A neutron-(n)sugárzás

A n elektromosan semleges: töltés nélküli részecske – az atommag egyik alkotó része, (a neutront és a protont közös néven nukleonoknak is nevezik);

n-ok nyerhetők: izotópos n-forrásokból (pl.239Pu-9Be,n) 252Cf:hasad);n-generátorból (D-T magreakció), vagy atomreaktorból (maghasadás);

kölcsönhatásuk: függ a n-energiátóllassú n-ok: En < 10keV – rugalmas szórás (n lassulás), eredménye: (n,) magreakció, vagy pl. 10B(n,)7Li; 3He(n,p)3H, vagy maghasadás;gyors n-ok: En > MeV–rugalmatlan szórás, vagy (n,p), (n,), (n,2n), stb.

magreakció; rezonenciák

méréstechnika: a n-ok által létrehozott (magreakció, p-meglökés),energiával rendelkező töltött részecskéken keresztül

12

A radioaktív sugárzások „érzékelhetősége”

A radioaktív sugárzások érzékszerveinkkel közvetlenül nem érzékelhetők nem forró, nem sós,nem színes, stb.csak a hatásai később, egészségkárosodásból.

Ezért valamilyen eszközzel (detektor, műszer)

kell „láthatóvá” tenni. Pl. filmen-feketedés;gázból-áram; kristályban-szerkezet változás.

A sugárzásmérő detektorok nagy családjai:-gáztöltésű; -szcintillációs; -félvezető; - film;- kristály (TLD); - szilárdtest (üveg, cellulóz).

13

Gáztöltésű detektorok/1

- első elektromos detektorok (1920-as évek)- működésük a gázokban, töltött-részecske sugárzás

hatására, bekövetkező ionizáción alapszik; (ionizáció = a töltöttrészecske, pl. , vagy , a gázatomok elektron héjáról elektronokatválaszt le és így visszamarad egy pozitív (+) ion és egy negatív (-) elektron,más szóval ionpár. Ezeket összegyűjtve – elektromos térrel – egy elektromos impulzus adódik eredményül.

- felépítésüket szemlélteti az 1.ábra. U0= detektor üzemi feszültségC = csatoló kondenzátorUk = kimenő feszültség impulzus, ami a sugárzásra jellemző adatokat (intenzitás, energia) tartalmazzaRa= anód ellenállásIki= kimenő áram, a detektor jele

+U0

c

RUki

Iki

katód henger

anódszálRa

14


A gáztöltésű detektorok általános karakterisztikája: U0-Iki görbe

I: rekombinációs tartomány;

II: telítési tartomány(ionizációs kamrák)

III: proporcionális tartomány (prop.számlálók);

IV:fél-prop.tartomány;

V:GM tartomány (Geiger-Müller csövek);

VI: kisülési tartomány

2

15


Amikor egy vagy -részecske bejut a detektor gázterébe, ionizáció révénionpárokat hoz létre. Az anód és katód közé kapcsolt U0 feszültség hatására azelektronok (e) a (+) anódszál felé mozognak, a pozitív ionok pedig a (-) katód-henger felé. (Az e-ok gyorsabban, mint az ionok.)Az I.tartományban sebességük még kicsi, ezért az e-ok és a (+)ionok egy ré-sze visszaalakulhat (rekombinálódhat) semleges atommá, mielőtt elérné az e-lektródot. U0 növelésével, a mozgás egyre gyorsabb, így egyre kevesebb a re-kombináció és egyre több töltéshordozó éri el az elektródot, az Iki növekszik.A II.tartományban az eredetileg létrejött összes töltéshordozó eljut az elektró-dákra és U0 növelésével Iki már nem nő (csak a részecskék sebessége).A III.tartományban az e-ok és +ionok sebessége már olyan nagy, hogy útjuk során

képesek újabb ionpárokat létrehozni (másodlagos ionizáció, gáz-erősítés) és az áram növekszik. (A másodlagos ionizációban keltett ionpárok száma arányos – proporcionális – az

elsődleges ionpárok számával!)

A IV.tartományban az előbb még fennálló arányosság elromlik, itt nem működ-nek detektorok.

16

Gáztöltésű detektorok/4Az V. tartományban – a nagy U0 hatására – a töltéshordozók már olyan gyorsanmozognak (akkora az energiájuk), hogy többszörös ionizáció következik be az útjuksorán és a keletkezett összes ionpár szám már nem arányos az eredetileg (azelső ionizációban) létrejött ionpárok számával. Az Iki állandó (egy darabig).Ebben a tartományban működnek a Geiger-Müller (GM) csövek.A VI.tartományban állandó gázkisülés indul be a csőben. Ez elkerülendő, mert adetektor tönkremegy.

A GM csöveket sugárvédelemben, dozimetriában, felületi szennyezettség mérésekben, ipari berendezésekben alkalmazzák.

Ennek fő oka egyszerű, olcsó, nagy (V nagyságrendű) kimenő amplitúdójú elektromos impulzust szolgáltatnak, ezért nincs szükség bonyolult

elektromos eszközökre (erősítő, jelformáló).

Változatos formájú csövek a/. végablakos,b/. merülő,c/. gázátáramlásos

17

GM cső/1

• GM cső típusok

(pl. a/. végablakos, b/. merülő, c/. gázátáramlásos, stb).

18

GM cső/2

A GM csövekben lejátszódó (mikroszkópikus) folyamatok:- egy vagy részecske bejut a GM cső gázterébe, elsődleges

(primer) ionizációban ionpárokat kelt;- ezek egyre gyorsabban haladnak (az U0 feszültség hatására) az

elektródák (anód-katód) felé. Közben újabb ionpárokat hoznak létre és gerjesztett atomokat (ezek olyan atomok, melyekben az elektronhéjon az e-ok magasabb energiaállapotban, azaz távolabb vannak az atommagtól, mint a nem gerjesztett, ún. alap állapotban);

- a gerjesztett állapot instabil, ettől az atom fényfoton kibocsátásával szabadul meg (megy vissza alap, nem gerjesztett állapotba);

- a fényfotonok a fém katódhenger falából e-okat váltanak ki (fotoeffektussal);

- ezek az „új” e-ok gyorsulva mennek az anód felé és útjuk során ütkö-zésekkel újabb ionpárokat (és gerjesztett atomokat) hoznak létre és afolyamat így ismétlődik, kialakul egy ion lavina;

19

GM cső/3

- gondoskodni kell ennek az önfenntartó folyamatnak a leállításáról,ezt nevezik a kisülés kioltásának. Erre kétféle lehetőség van:a/ elektromos úton: ha az Ra anód ellenállás nagy értékű, a rajta átfolyó áram az anódszál feszültségét lecsökkenti és a folyamat leáll;b/ a GM cső töltőgázába halogén gázokat kevernek, ezek atomjai elnyelik a fény fotonokat, így azok nem jutnak el a katódhoz, nincs újabb elektron kiváltás és a folyamat leáll.

A GM cső működési elvéből következik, hogy vele csak a sugárzás intenzitását, a sugárforrás aktivitását (a sugárforrásból 1 sec alatt kilépő

vagy részecskék számát) lehet – a hatásfok (= a GM cső által jelzett impulzus-

szám és a forrásból kilépő összes részecske szám hányadosa) ismeretében meghatá- rozni, de az egyes részecskék energiáját NEM! A GM csövek töltőgáza általában nagyon tiszta argon+kb.10% bróm (kioltás!). A gáz nyo-mása az alkalmazástól függően 0,6 – 2 bar körüli értékek. A kis áthatoló képességű részecsék szükségessé teszik vékony belépőablak kialakítását a katódhenger egyik végén.

A GM csövek érzékenysége -sugárzásra kb. 1%-a az részecskékhez képest.

20

GM cső/4A GM csövek jellemzésére szolgál a karakterisztika (működési jelleg görbe).

Ebből állapítható meg az optimális UM üzemi (munkaponti) feszültség és

a cső „jósága”. Egy GM cső karakterisztikáját szemlélteti a 2.ábra. A cső platója az U1-U2 közötti szakasz.

A cső annál jobb, minél hosszabb és kevésbé emelkedő ez a szakasz. A cső jellemzésére használatos a plató m meredeksége (egyszerűsített formában):

Egy „jó” GM cső m értéke néhány %.

A GM cső (de általában a gáztöltésű detektorok) „lassú” más szóval nagy a holtideje (az ionok lassan haladnak), ezért magas számlálási sebességek (>1 kcps) mérésére nem igazán jó, illetve holtidő korrekciót kell alkalmazni.GM csővel neutronok nem mérhetők.

n2

n1

[cps]

UK U1 UM U2 U

M

totáliskisülés

UK = Geiger küszöbUM = üzemi feszültségM = munkapont

12

12

UUnnm

21

Szcintillációs detektorok/1

A sugárzást mérő detektorok másik nagy családja (a gáztöltésűek mellett)

a szcintillációs detektoroké. Ezt a fajta módszert – igen nehézkes körülmények között – már 1908-ban alkalmazta Rutherford.A gáztöltésű detektorok megjelenése a módszert az 1940-es évekig feledtette. Ekkor – Bay Z. – ki-fejlesztette a fotoelektron-sokszorozó (phtomultiplier=PMT) csövet és mások pedig a nagyméretű,tiszta, átlátszó egykristály (NaI-Tl = nátriumjodid-tallium) gyártását, majd később az 1950-es évekbenmás fajta kristályokét is. A szcintillációs méréstechnika napjainkban is széles körben alkalmazott. Főelőnye, hogy

minden fajta sugárzás (n) intenzitásának és energiájának mérésére alkalmas.Hátránya, hogy bonyolultabb és drágább, mint a gáztöltésű detektor.

A szcintilláció fényfelvillanást jelent. A detektálás alapja, hogy bizonyosanyagokban, ún. szcintillációs kristályokban a radioaktív sugárzás ré-szecskéi fényfelvillanást keltenek és a részecske energia mérés alapja,hogy fényfelvillanás intenzitása – a fotonok száma – arányos a ré-szecske energiájával. A szcintillációs detektorok mikroszkópikus működési elve az anyagok elektron-sávelmélete alapjánértelmezhető. Erre most nem térünk ki, majd a félvezető detektorok tárgyalásánál lesz szó röviden a sávelméletről.

22


Egy szcintillációs detektorral ellátott mérőműszer (számláló) felépítésétszemlélteti a 3.ábra. 1: szcintillációs kristály; 2: elektronsokszorozó cső; sugárforrás

* 3: előerősítő; 4: főerősítő; 5: számláló vagy analizátor

1: szcintillációs kristályebben történik a radioaktív sugárzás részecskéinek kölcsönhatása a detektorral. Attól függően, hogy milyen sugárzást kell mérni (vagy n), megfelelő kristályt kell alkalmazni. ZnS (cinkszulfid), plasztik, szervetlen (pl. NaI(Tl) – nagyobb rendszám, n: plasztik – sok H = p.A kristályban történik a sugárzás fénnyé való átalakítása kb. 10% hatásfokkal T~10%) Tehát pl. egy 1MeV energiájú részecske ~100keV fényenergiát kelt. Az E=halapján a (kék fény = 400nm) foton energiája kb.3eV, tehát a fenti részecske kb. 30000 db. fotont hoz létre. Ezekre az összegyűjtés hatásfoka g ~100%. Foto-e- keltés hatásfoka k ~ 20%. Tehát az 1 MeV-es részecske (30000*0,2) = Ne ~ 6000 foto-e- vált ki a fotokatódból. Tehát 1 foto-e- keltéshez ~106 eV/6000 ~ 200 eV energia szükséges.

1 2 3 4 5

23

A sugárzás átalakulás folyamata a szcintillációs detektorban

24

Szcintillációs detektor/3

1: Szcintillációs kristályok A/: szervetlen szcintillátorok (egykristályok):NaI(Tl): (talliummal aktivált nátriumjodid) gyakorlatban csak -sugárzás mérésére alkal- mazzák. A Tl a jobb fényhozam eléréséhez szükséges.- nagyméretű, hengeres (átmérő 110mm, hossz 120mm) egykristályok készíthetők;- higroszkópos, ezért levegőtől elzárva kell tartani (üveg lezárás);CsI(Tl): (talliummal aktivált céziumjodid) szintén sugárzás mérésére. Nem higroszkópos.LiI(Eu): (európiummal aktivált lítiumjodid). A 6Li(n,)3T magreakció alapján termikus n detektálás.- erősen higroszkópos és a n-ok sugárkárosodását okozzák.BGO: (Bi4Ge3O12 = bizmut-germanát) a nagy rendszám (Bi Z=83) és sűrűség (7,1g/cm3)

miatt -sugárzás detektálására használják az 1970-es évek óta. Nem higroszkópos. Olyan szervetlen kristály, melyhez nem kell aktivátort adni.

ZnS(Ag): (ezüsttel aktivált cinkszulfid) -sugárzás mérésére alkalmazzák.-nem készíthető belőle nagy egykristály, ezért polikristályos formában alkalmazzák, poralakban üveglapra ragasztják, így helyezik az elektronsokszorozó fotokatódjára. A réteg nem lehet nagyon vastag (kb. 20-30mg/cm2), mert akkor átlátszatlanná válik, ezért csak -részek, protonok, hasadási termékek detektálására alkalmas, -, és -sugarakra „átlátszó” (alacsony hatásfok).

CdWO4: (kadmiumvolframát) elsősorban hasadási termékek detektálására alkalmazzák.

25


B/: szerves szcintillátorok: Antracén: (C14H10 = szénhidrogén) könnyen növeszthető egykristály, de mechanikai

hatásokra nagyon érzékeny – reped. Elvileg minden fajta sugárzás mérésérealkalmas, de leginkább mérésre használják (alacsony = 1,25g/cm3).

Trans-stilbén: (C14H12) hasonló az antracénhez.Plasztik szcintillátorok: tekinthetők a szerves szcintillátorok szilárd oldatainak =

szerves szcintillátor feloldva polimerizált oldószerben. Oldószerek: polisztirén, poliviniltoluol; oldott anyagok: p-terfenil és POPOP. Tetszőleges alakban, méretben készíthetők. Kémiai, mechanikai, nedvességi hatásoknak jól ellenállnak, közvetlenkontaktusba hozhatók a mérni kívánt radioaktív mintával. Mivel sűrűségük =1 g/cm3

alacsony, elsősorban töltött részecskék mérésre alkalmasak. A különböző ionizácijúrészek megkülönböztetésére (jelalak diszkrimináció) van lehetőség.

Folyadék szintillátorok: valamilyen oldószerben (benzol, toluol) valamilyen szerves anyag (pl. antracén) van feloldva. Különösen alkalmasak olyan mérésekhez, amikor a jó hatásfok eléréséhez nagy térfogatú detektor kell. Alakjuk tetszőleges. Alacsony – energiájú -sugárzó mintákat (3H, 14C) feloldják a folyadék szcintillátorban (hatás-fok 100%). Ezek is alkalmasak jelalak diszkriminációra a különböző utánvilágításiidők alapján.

26


2: fotoelektronsokszorozó cső (photomultiplier tube: PMT)a szcintillációs kristályból kilépő fényimpulzusokat elektromos jelekké alakítja át.Gyors erősítőnek is tekinthető, melyben a kb. 10-9 s alatt a cső fotokatódjára érkező,látható tartományba eső fényimpulzusokon, átalakítás mellett, 106 – 108 – szoros erősítést!! is elvégez. A PMT általános felépítését szemlélteti a 4.ábra.

A kristályban (szcintillátorban) keletkezett fény a PMT fotokatódjára jut, onnan e-okat vált ki. Az e-ok –a csőre kapcsolt feszültség hatására – becsapódnak az első dinódába, abból kiütnek 3-6-szor annyi e-t, mint amennyi becsapódott, ez a megnövekedett e szám ráfut a következő pozitívabb dinódára,onnan ismét több e lép ki, stb. Így az utolsó, legpozitívabb elektródra, az anódra, sok e, e lavina érke-zik, mely átfolyva az anód-ellenálláson, kb. V amplitúdójú feszültségimpulzust jelent. Az amplitúdónagysága arányos a radioaktív részecske energiájával, az impulzusok sűrűsége a forrás-aktivitással.

27


a fotoelektronsokszorozó (üveg) csőben van a:- fotokatód, általában Sb-Cs (antimon-cézium ötvözet, amit vákuumpárologtatással visznek fel az

üvegcső kristály felöli lapjának belső felére); a kristályból érkező fény ebből vált ki e-okat és ez0 V-on, föld-potenciálon van;

- fókuszáló elektród: az e-okat rávezeti az első- dinódára: anyaga általában BaO (bárium-oxid, amelyre az jellemző, hogy egy e becsapódása belőle

több, ún. szekunder, másodlagos e-t vált ki. Erre a dinódára kb. +100 V feszültség van kapcsolva. A csőben 10-12 db. hasonló dinóda van elhelyezve és ezeken a feszültség az anód felé haladva kb. 80 V-al egyre pozití-vabb. Ha pl.n = 10 db. dinóda van a csőben és mindegyikből kb. 5-ször annyi e lép ki, mint amennyi belecsa-pódott, (a szekunder emissziós együttható =5) akkor az e-sokszorozás: M = n = 107 .) Ez a megnövekedette szám fut rá az

- anódra: ennek feszültsége kb. + 1000V és ennek kimenetéhez van kapcsolva az- előerősítő (3), majd a főerősítő (4) és számláló vagy egy/több-csatornás analizátor

(5). Az erősítők az anódról érkező feszültség impulzusokat formázzák, erősítik és juttatják a számlálóra (forrás-aktivitás mérés), vagy az analizátorra (részecske-energia mérés).

A fotoelektronsokszorozó csőben vákuum van (a levegőt eltávolítják a gyártás során), hogy az e-ok szabadon mozoghassanak benne.A cső igen érzékeny külső elektromos és mágneses terekre, ezek leárnyékolására a csö-vet vas tokba helyezik. Ez egyben a külső fény kizárását is biztosítja. A szcintillációs kristályt is külsőfény kizáró burkolat veszi körül.

28

Félvezető detektorok/1A félvezető detektorok a „legfiatalabb” detektor család; Működésük – bizonyos értelemben – hasonló a gáztöltésű detektorokéhoz,ezért szokták őket szilárd ionizációs kamráknak is nevezni. Azonban afélvezető detektorban az ionizáció nem gázban, hanem szilárd kristálybantörténik és a töltéshordozók nem e-ok és +ionok, hanem e-ok és + „lyukak”. Radioaktív sugárzások mérésére az 1960-as évek közepétől kezdtékalkalmazni őket. Jelenleg a gyakorlatban a Si (szilícium) és a Ge (germánium) egykristályból

készültek a legelterjedtebben használatosak.n-sugárzás kivételével, minden fajta sugárzás (rtg.) intenzitásának ésenergiájának mérésére használhatók. Legfőbb előnyük az egyéb detektorokkal

szemben, kiváló energiafelbontó képességük.

(Ennek magyarázata, hogy míga szcintillációs detektorban egy foto-e létrehozásához kb. 300 eV energia szükséges, gáztöltésű detektorban egy ionpár keltéséhez kb. 30 eV, félvezető detektorban egy e – pozitív lyuk pár keltéséhez kb. 3 eV. Tehát 1 MeV elnyelt energia szcintillációs detektorban 1000000eV/300eV~3000 db foto-e-t,gázdetektorban kb.30000 és félvezetőben kb. 300000 db. töltéshordozópárt hoz létre. A nagyobb szám relatív ingadozása kisebb, azaz ha pl. statisztikai okokból az ingadozás 100db, akkor

a szórások: szcint.det.: 100/3000 ~ 3%, gázdet.: 0,3 % és félvez.det.: 0,03 %).

29

Félvezető detektorok/2

A félvezető detektorok működésének magyarázata az anyagok elektron-sávelmélete alapján szokásos (5.ábra). (Mint utaltunk rá, ezzel értelmezhető a szcintillációs kristályokban is a fény kialakulása.)

Mint ismeretes, az atommagot körülvevő e-burokban az e-ok különböző energiájú héjakon helyezkednek el – (a) ábra – ezek között tiltott terek vannak (ilyen energián nem lehet e). A szilárd anyagban a nívók sávokká szélesednek ki –(b) ábra. A legfelső sávot nevezik vegyérték sávnak, mert az itt tartózkodó e-ok szabják meg az anyag kémiai tulajdonságait. A vegyérték sáv fölött egy tiltott sáv van, e fölött pedig a vezetési sáv. (Ez már olyan távol van az atommagtól, hogy az itt lévő e-ok, külső elektromos tér hatására, elmozdulhatnak, áram folyhat.) A szigetelő, vezető és félvezető anyagok e sávszerkezetét mu- tatja a következő három ábra. A szigetelőkben a tiltott sáv olyan széles, hogy e-ok azon keresztül nem juttathatók a vezetési sáv- ba. A vezetőkben nincs tiltott sáv, a vegyérték és vezetési sá- voknak van egy közös tartományuk. A félvezetők tiltott sávja elég keskeny ahhoz, hogy a vegyérték sávból sugárzás e-okat juttasson a vezetési sávba és elektromos jel keletkezzen.

vezetési sáv

tiltott sáv vezetési sáv vezetési sáv

(10 eV) tiltott sáv (1eV) vegyérték sáv vegyérték sáv vegyérték sáv

szigetelők vezetők félvezetők

tiltott sáv

vezetési sáv

vegyérték sávtiltott

megengedett

30

Félvezető detektorok/3Sugárzások detektálására Si-ból, vagy Ge-ból hibátlan, nagyon tiszta egykristály alkal-mas, a rácshibák és szennyezések töltésveszteséget okoznak. (A tisztaság azt jelenti, hogy a szennyezés koncentráció kb. 1010/cm3, ez kb. 13 kilences tisztaságnak felel meg.)

A Si és a Ge 4 vegyértékű. A belőlük készített kristály ún. gyémántrács szerkezetű (6.ábra).Egy teljesen tiszta kristályban – ami csak elméletben létezik - minden atomnak 4 vegyértékkapcsolattal kötött szomszédjavan (6/a.ábra). A kristály elektromos vezetőképességének növelése érdekében, mesterségesen, részben 5 vegyértékűelemet (pl.As=arzén) – 6/b.ábra – részben 3 vegyértékűt (pl. Ga=gallium) – 6/c.ábra – visznek be a kristályba (dopolás).Az 5 vegyértékű anyag e többletet okoz, n-típusú szennyezés, a 3 vegyértékű +lyuk többletet, p-típusú szennyezés. (Ezeknek a szennyezéseknek a koncentrációja alacsony, néhány ppm.) A sávelmélet alapján ezek a szennyezések atiltott sávon belül hoznak létre új, megengedett e energia nívókat: az n-típusú szennyezők a vezetési sáv közelében(donor nívók), a p-típusúak a vegyértéksáv közelében (akceptor nívók).

6/a.ábra 6/b.ábra 6/c.ábra

n-típusú kristály p-típusú kristály (donor szennyezés) (akceptor szennyezés)

(As, P, Sb) (Ga, B, In)

31


A félvezető detektorokban egy n-típusú és egy p-típusú anyag érintkezik egymással.Ha erre záróirányú feszültséget kapcsolnak (az n oldalra +-at, a p oldalra - -at), a két rész közöttlétrejön egy elektromos töltésektől mentes kiürített tartomány. Ez a detektor érzékenytérfogata, mert ha a sugárzás ebben elnyelődik, +lyuk-e töltéshordozó párokat hoz lét-re és detektorra kapcsolt feszültség ezeket összegyűjti, áram folyik, elektromos impulzustszolgáltat a detektor. A fentieket szemlélteti a 7.ábra.

A detektort úgy kell megválasztani, hogy érzékeny térfogata nagyobb legyen, mint a mérni kívánt részecske hatótávolsága!! (Ez minden más detek-

tor típusra is követelmény.) x0 = a kiürített, érzékeny tartomány

p n U (feszültség)

x0

7.ábra. Záróirányban előfeszített p-n átmenet.

32


A gyakorlatban a következő félvezető detektor típusok vannak:- -sugárzás mérése (spektrometria = energia mérés is):

Si alapú, felületi záróréteges detektor (n-típusú Si lap, p-típusú oldalon arany (Au) réteg, ennek vastagsága kb. 50 g/cm2 , felülete 200-600 mm2, ez egyben elektromos kontaktus és fényzáró is, érzékeny térfogat vastagsága 100 m), hűtést nem igényel, üzemifeszültség:30 – 100 V);

és röntgen-sugárzás mérése (spektrometria is):

Si felületi záróréteges (érzékeny térfogat 2-5 mm vastag, hűtést nem igényel), vagy

Si/Li koaxiális detektor (belépő ablak 10 m vastag berillium (Be), hengeres egykristály,cseppfolyós nitrogén hűtést igényel (kb. – 175 0C) , üzemi feszültség 100 – 600 V);

- sugárzás mérése (spektrometria is):

HP Ge (high purity = nagytisztaságú) detektor: (n- vagy p-típusú Ge egykristály, hengeres,átmérő: 50-100 mm, magasság: 60-110mm, hűtést igényel (kb. – 175 0C), üzemfeszültség:2000 – 4000 V ); formák: valódi koaxiális, zárt végű koaxiális, üreges (well).

detektor gyártási technológia; kriosztát formák; mérhető energia tartományok;

33

Félvezető detektor típusok

spektroszkópiában alkalmazott,

felületi-záróréteges detektor

sugárzás

zártvégű, p-típusú koax, koax Ge/Li

zártvégű, n-típusú, koax

planár üreges

holtréteg vastagságok!

34

Neutron detektáláslassú n: E< 0,5 eV magreakciókon keresztül ( általában „nagy”)

energiával rendelkező töltött részecskék: 10B(n,)7Li; 6Li(n,)3H; 3He(n,p) 3H- BF3 -as proporcionális detektor;

- 6Li – os (szervetlen szcintillátoros) detektor, TLD;- 3He – as proporcionális detektor;- hasadási kamra (katódhenger belső falán U bevonat, dúsításától függően)- kompenzált ionizációs kamra

- fólia aktivációval

- SPN detektor (áramgeneráló)

pl. 103Rh (t1/2=42 s, E,max=2,44 MeV)

gyors n: - fólia aktivációval: A = (En)a(En)N(1- exp(-tb)) de ez a módszer termikus neutronokra is alkalmazható

- Bonner gömbös, 6Li – os szcitillációs detektor

n+

35

„Egyéb” detektorok

- Film dózismérő: a film feketedése arányos az elnyelt sugárzással (ablakok = különböző

abszorbensek a filmet tartalmazó tokon a sugárzások fajtájának megkülönböztethetőségére); minden fajta sugárzás mérhető vele. Egy detektor csak egyszer használható.

- TLD: termolumineszcens detektor: bizonyos kristályokban a radioaktív sugárzás részecskéi elváltozásokat okoznak ( e-okat juttatnak a vegyérték sávból a tiltott sávon belül lévő lumineszcens centrumokba). Az eredeti kristály állapot melegítéssel visszaállítható, miközben fényt bocsát ki a detektor. A fényt fotoelektronsokszorozóval mérik. A fény mennyisége arányos a kristályt ért sugárzással. Leggyakrabban alkalmazott TL detektor anyagok: BeO+Li; CaF2+Mn; LiF (neutron detektálás a 6Li+n + T reakció alapján). Minden fajta sugárzás mérésére alkalmas. Egy detektor sokszor használható.

- Szilárdtest nyomdetektor: nagy fajlagos ionizációval rendelkező részecske (pl.

hasadási termék) valamilyen dielektromos anyagon (szervetlen vagy szerves) halad át, sérült molekulák sora – nyom - marad vissza a pályája mentén. A nyomsűrűség arányos a sugárzással, a nyomok formája pedig az ionizáló részecske fajtájával. A nyomok savas, vagy lúgos maratással felnagyíthatók és optikai mikroszkóppal,vagy megfelelő elektronikus eszközzel leszámolhatók. Detektor anyagok: kvarc, üveg, polietilén, cellulóznitrát (a detektor az információt hosszú ideig, akár 1000 évig, megőrzi). Csak töltött részecskék és közvetett úton n-ok mérhetők vele. Egy detektor csak egyszer használható.

36

Mérőberendezések/1

Intenzitás (aktivitás) mérés: impulzus számlálók felépítése:

* sugárforrás

D: detektor (pl. GM cső, vagy szcintilláció) a sugárzás energiáját elektromos impulzussá alakítja;elő-,és főerősítő: az elektromos impulzusok formáját, amplitúdóját alakítják ki;integrál diszkriminátor: elsősorban az elektronikus zajok levágását végzi;detektor tápfeszültség forrás: biztosítja a detektor számára a működtetési feszültséget;impulzus számláló és óra: az órán beállított mérési idő alatt beérkezett impulzusszám (I)

olvasható le róla. Az I impulzusszám ismeretében a radioaktív minta A aktivitása (Bq=Bequerel egységben), a mérés

időpontjában a következő módon számítható ki:ahol I = a háttér levonása utáni impulzusszám, ( a hátteret előzően meg kell mérni),

tm = a mérés időtartama (s = másodperc egységben), = a detektor hatásfoka (a mért I osztva a mintából 1 s alatt kibocsátott összes

részecske számával) –át standard forrással lehet kimérni ( adott deketor esetén a sugárzás fajtájától és a mérési elrendezéstől is függ).

óra

számláló Int.d fő-er.

elő-er.

Det. táp.

D

mtIBqA

37


- Intenzitás és energia mérés: az intenzitás mérés általában nem elég (elsősorban dozimetriában alkalmazzák), de amikor a mintábanlévő izotópok minőségét is meg kell határozni, az a sugárzás energiájának ismeretében lehetséges. A minőségi meg-határozás alapja: a kibocsátott részecskék, fotonok energiája jellemző a kibocsátó atommagra.

Az energia mérés alapja: a megfelelően választott detektor által kiadott elektromos impulzus amplitúdója ~ a részecske energiájával.

- Energia mérésre a spektrométerek alkalmasak.

- Mérőberendezések:- egycsatornás spektrométer (SCA = singlechannel-analyzer);- sokcsatornás spektrométer (MCA = multichannel-analyzer) ;

38


Egycsatornás spektrométer:*

sugár- detektor elő-és főerősítő differenciál számláló forrás diszkriminátor

Detektor (lehet pl.): impulzusüzemű ionizációs kamra, proporcionális detektor,szcintillációs detektor, (félvezető detektor), DE GM cső NEM!

Erősítők: feladata erősítés és impulzus formálás (a jel/zaj viszony javítására);DD: feladata az impulzusok amplitúdó szerinti szétválogatása (imp.ampl.szűrő);

MŰKÖDÉSI elve: I = impulzusszámU I/u u = csatorna szélesség u t U ~ E (keV)

FE kimenet = DD bemenet DD kimenet = SZ bemenet differenciális spektrum

D EE FE DD Sz

39


Sokcsatornás spektrométer:* D EE FE (ADc)MCA

sugárforrás detektor elő- és főerősítő sokcsatornás analizátor

(ADC + MCA kártya PC-ben) Detektor: félvezető, Si -spektrometria) Ge (-spektrometria), ritkán szcintillációs; Erősítők: ld. az egycsatornás spektrométereknél (de itt szigorúbb követelmények a

linearitásra és a hosszúidejű stabilitásra); Sokcsatornás analizátor: az ADC alakítja át az erősítőből érkező analóg jeleket digitális

formára; csatornaszám: 4096-16384; a nagy csatornaszám a detektorok jó energia felbontóképessége miatt szükséges; linearitás!!!

Az egycsatornás spektrométerrel az elektromos impulzusok amplitúdó szerinti szétválogatása (időben) „sorosan” történik. A sokcsatornás spektrométerrel „párhuzamosan” (egyidőben).

40


Aktivitás és részecske eneregia mérés: spektrométer felépítése: (szokásos detektorok:ritkán szcintillációs, máskor

félvezetők – Si, Ge,MCA = multichannel analyzer =

sokcsatornás – 1024-16384 - analizátor

A mért radioaktív mintában lévő izotópokról a legtöbbinformáció a spektrometriás mérésből nyerhető, melyenergia-spektrumot (a részecskék által létrehozott, azok energiájától

függő, elektromos impulzusamplitúdó eloszlás) jelenít meg. A spektrumx-tengelyén energia, y-tengelyén impulzusszám van.Az energiából izotóptáblázat segítségével meghatározható azizotóp fajta, az impulzusszámból (csúcsterület) pedig azadott izotóp aktivitása. (pl. a jobb oldali ábra 60Co spektrumot ábrázol, melynek mérése Ge detektorral történt)

41

Spektrum kiértékelés

Mit tartalmaz a spektrum?- az x-tengely: csatornaszám (energia kalibrálás után energia)

de fizikai tartalma feszültség!

- az y-tengely: impulzusszám/cs (a mérési idő alatt a sugárforrásból kibocsátott összes részecskéből, fotonból mennyit érzékelt a detektor)

A spektrum kiértékelés lépései:1/. energia kalibráció: (csatornaszám – energia közötti függvény megállapítása)

általában: E = m*cs+b alakú. Mérése etalon sugárforrásokkal. 2/. csúcs maximum helyek megkeresése és átszámítása energiára;3/. az energiák alapján, izotópkönyvtár segítségével a sugárforrásban lévő izotópok azonosítása.4/. csúcsok területeinek (N)meghatározása és ebből az egyes izotópok aktivitásának (A) meghatározása:

tm= a mérési idő (s); = a hatásfok az adott energián és adott mérési geometriában; k = a sugárzásra jellemző

nukleáris állandó (gyakoriság).ktNAm

)(

2 bjjb

i

cs

cs

cscsII

INj

b

42

- α-spektrométer - β-spektrométer (LSC)

43

- γ-spektrométer

Documents

Alfa-, béta-, gamma-, neutron-sugárzások mérése