Transcript Sugárzásdetektorok - Nukleáris Képalkotás

Nukleáris képalkotás
2. hét Sugárzásdetektorok
Gáztöltésű detektorok
Ionizációs kamra
Proporcionális számláló
GM cső
Szilárdtest detektorok
Fotoemulzió
Szcintillátorok
Fotondetektorok
Félvezető detektorok
A nukleáris detektálás hőskora
szigetelő
„aranyfüst”
lemez
töltő
rúd
ionizáció ?!
Fotoemulzió
Becquerel, 1899
Elektroszkóp
Becquerel, M. Curie, ~1900
Nobel díj 1903
egyedi részecskék pályájának rögzítése
„integrális” dózis mérése
ma is használjuk mindkét módszert a személyi dozimetriában !
A nukleáris detektálás kezdete
Szpintariszkóp
Crookes, 1903
Rutherford kísérlet
1911
egyedi részecskék vizuális megfigyelése
A nukleáris detektálás kezdete
Geiger-Müller számláló,
1908 v. 1913 ?
Gyors egymásutánban érkező
sok részecske megszámlálása
(akár hallható módon is)
Radioaktív sugárzások kölcsönhatása az anyaggal
A töltött részecskék kölcsönhatásai:
IONIZÁCIÓ – elektront távolít el
az atom elektronhéjáról
ATOMI GERJESZTÉS – egy
mélyebben kötött elektront
magasabb állapotba emel
A gamma sugárzás kölcsönhatásai:
IONIZÁCIÓ – elektront távolít el
az atom elektronhéjáról, vagy
e¯- e+ párt kelt egy atom közelében
SZÓRÓDÁS – elektront távolít el
az atom elektronhéjáról, vagy
gerjeszt, vagy semmit sem csinál
vele. A szórt gamma elölről kezdheti
Energikus elektronok minden folyamat legvégén !!
A szilárd testek szerkezete
Ha pl. termikus gerjesztés nem akadályozza, akkor atomok, molekulák nagy
számosságú együttesére nézve létezik energetikailag kedvező, térben
periódikus, ún. kristályrácsba történő elrendezés. Az már a részecskék
tulajdonságaitól függ, hogy milyen kristályszerkezet az optimális számukra.
A periodikus kristályrács hatása a kötött elektronok
energiáira
2 atom
6 atom
nagyon sok atom
Minden egyes atomi elektron energaszintje annyi, egymáshoz közeli
értékre hasad fel, ahány atomot helyezünk egymás közelébe,
egymástól azonos, periodikus rendbe. A új energiaszintek pontos értéke
az atomi távolság függvénye. A valóságban az az elrendezés stabil, tehát az
valósul meg, amelyben a rendszer összenergiája minimális lesz (az ábrán r0).
Makroszkopikus anyagdarabban az energiaszintek óriási száma miatt
energiasávokról beszélhetünk. Az atommaghoz közeli belső sávok szélessége
jelentéktelen, a külsőké viszont jelentős.
Közeli atomok hatása az elektronok energiaszintjére:
potenciálgödör modell megközelítés
Atom
Atom
Molekula
Molekula
Zéró energiaszint
Szilárdtest
Szilárdtest
Üresen maradt elektron szintek
Nemlokalizált vegyértékelektronok
(a kristályon belül el tudnak mozdulni)
Lokalizált belső héj („törzs”) elektronok
(helyhez vannak kötve)
Energiasávok kialakulása szilárdtestekben
Zérus energia szint
Elektron-energia
M-héj
L-héj
K-héj
Izolált nátrium atomok
1/(Atomok közötti távolság)
Nátrium fém
Energiasávok kialakulása, a szilárdtestek
osztályozása a legfelső energiasávok alapján
Zéró energiaszint
Vezetési
Sáv (üres vagy
részben
betöltött)
Tiltott sáv
(itt nem lehet
elektron)
Vegyérték
Sáv (részben
vagy teljesen
betöltött)
Fémek
áramot vezetik
Félvezetők
Szigetelők
áramot nem (nagyon) vezetik
Energikus elektronok keltette belső héj ionizációt és/vagy gerjesztést követő
folyamatok láncolata a belső héjaktól a legkülső sávokig: addig tart, míg az
elektronhiányok a legfelső kötött állapotokig nem jutnak
Vezetési sáv
vagy
Vegyérték sáv
Belső
elektronhéjak
1. Ionizáció
(fotoelektron
emisszió)
1. Gerjesztés
1. Gerjesztés
2-3. Auger elektron 2-3. Karakterisztikus röntgen
emisszió
emisszió
Elektronállapotok a sugárzás elnyelését követően T=0 K
hőmérsékleten
Zéró energiaszint
Vezetési
sáv
elektronok
-Tiltott
sáv
lyukak
+
Vegyérték
sáv
Fémek
Félvezetők
Szigetelők
Kváziszabad (nem lokalizált) elektronok keletkeztek a vezetési és kváziszabad lyukak a vegyértéksávban: az anyagon belül mozoghatnak, abból ki nem léphetnek (negatív az energiájuk !). A belső
héjak elektronjai viszont lokalizáltak, az atommagjukhoz kötöttek !
Mivel a keltett elektron-lyuk (e-h) párok száma kapcsolatos a sugárzás energiájával,
az alapvető feladat ezen töltéshordozók összegyűjtése, az e-h párok „megszámlálása”.
A hőmérséklet hatása a sávok betöltöttségére
Abszolút
zéró
hőmérséklet
Si
Szobahőmérséklet
Fermi féle
elektronállapot
eloszlás
A hőmérséklet, azaz az egy elektronra jutó átlagos energia növelésével egyre
nő annak a valószínűsége, hogy a tiltott sávot átugorva, a vegyértéksávból a
vezetési sávba elektronok jussanak. Tehát nemcsak radioaktív sugárzás,
hanem termikus gerjesztés is hozhat létre elektron-lyuk párokat ! Ez zavarja
a detektor mérési pontosságát. Ezért célszerü, vagy egyenesen szükséges a
detektorokat hűteni: minél kisebb a tiltott sáv szélessége, annál inkább !
Vezetési mechanizmus az egyes energia-sávokban
Elektronok
Lyukak
Elektronok mozgása
Lyuk elmozdulás
(eV)
Elektron-lyuk párok keltése szilárdtestekben
A tapasztalat szerint a keltett e-h
párok átlagos száma, n egyenesen
arányos a sugárzás energiájával:
Az ionizáció mértéke a
sugárzás fajtájától
független !
n=E/є,
ahol,
є
є ≈ 2.8 Eg+ 0.8 eV
energia
az egy e-h pár keltéséhez
szükséges átlagos energia és
Eg
Párkeltési
a tiltott sáv szélessége.
A keltett e-h párok számának
ingadozása (szórása):
∆n = √(F n) ,
Tiltott sáv szélessége
Eg
(eV)
ahol 0 ≤ F ≤ 1 az ún. Fano faktor.
∆n szabja meg az adott
detektoranyaggal elvileg elérhető
energiamérési pontosságot
A fotografikus detektálás magyarázata
Jelenlegi ismereteink szerint az ezüstbromid
egyedülállóan alkalmas fotográfiai célra.
Fény vagy radioaktív sugárzás
hatására az AgBr szemcsékben
e-h párok keletkeznek. Ezek
vagy rekombinálódnak vagy
csapdákba befogódnak. Ha
egy mozgékony Ag+ ion egy
betöltött e-csapdához ér, az őt
neutrális fém Ag atommá
redukálja. Ezt egy h-csapda
még vissza tudja alakítani, de
ha legalább kettő Ag atom
találkozik, azok már stabil
képződményt alkotnak. Ez az
ún. latens kép. Ez sokáig tárolható.
Híváskor a megfelelő kémiai
reagens ezekben a gócokban
indítja be további Ag atomok
kiválását.
Ezt a folyamatot a fixálás állítja le
és rögzíti a végleges képet.
Ion-elektron párok keltése gázokban
є
Gázokban a sugárzás elnyelését követő folyamatok végén egyenlő számú szabad
elektront és a legkülső elektronhéjukon ionizált gázatomokat, röviden ionokat
kapunk. A keltett ion-elektron párok száma itt is arányos az energiával, de amint a
kísérleti adatokból látható, gázokban a párkeltési energia kb. tízszer nagyobb,
mint szigetelőkben és félvezetőkben (magyarán: a várható energiamérési pontosság kb.
háromszor rosszabb lesz, mint szilárdtest detektorokban), és ez kb. 2-szer akkora, mint
a legkülső héj ionizációs energiája.
A gáztöltésű detektorok működési elve
Szét kell választani és össze
kell gyűjteni a töltéseket
(elektronokat és gázionokat)
mielőtt egymással
rekombinálódnának
semleges gázatomokká.
Elektroszkóp magyarázata
Ehhez elegendően nagy elektromos
térerősségre
E=U/W
Anód
van szükség, ui. a sebességek a
térerősséggel arányosak:
Vi,e = μ i,e E ,
ahol μ i,e a megfelelő
mozgékonyságokat jelenti.
Katód
--
U
+
Áram- és töltésjel kialakulása homogén elektromos térben
elektron -q
x
+q
ii,e (t) = q vi,e (t)/w
ion
w-x
Mivel mindig van valamilyen, nem a
sugárzástól származó zavaró
háttéráram iz , a detektálhatóság
alapfeltétele, hogy ennek
fluktuációja ∆ iz legyen sokkal
kisebb mint maga a jeláram ij :
ion
elektron
összeg
i(t)
t
q
x/ve
Q(t)
(W-x)/vi
Qi
Qe
t
∆ iz < < ij
Qi,e (t) = ∫ ii,e (t) dt
Q () = Qi + Qe =
= q (w-x)/w + q x/w =
=q
A résztöltések a megtett úttal arányosak,
a teljes töltés azonos a keltett töltéssel.
Gáztöltésű detektorok lehetséges üzemmódjai
Begyüjtött töltések száma
Energiával arányos
energiától független
nagyságú jelek
Lineáris sokszorozási
(proporcionális
számláló)
tartomány
Rekombinációs
tartomány
Ionizációs kamra
tartomány
Folytonos
kisülési
tartomány
Geiger-Müller
tartomány
Nemlineáris
sokszorozási
tartomány
Alkalmazott feszültség kb. 0 – 5000 V
Proporciomális számláló és GM cső
Gázátáramlásos
vékony ablakos
prop számláló
Katód (fal)
+
Anód
--
+
GM-cső
Egy lehetséges sokszorozási
folyamat, amelyet egy Compton
esemény indított el.
Modern gáztöltésű számlálók
Elnyelési mélység 1/μ (mm)
Félvezető detektorok: jobb detektálási hatásfok
Foton (röntgen, gamma) energia (keV)
A gázokénál lényegesen nagyobb atomsűrűségük és nagyobb elektronsűrűségük (nagyobb
rendszám) miatt a szilárdtestek sokkal hatékonyabban nyelik el a sugárzást, mint a gázok.
Ezért belőlük kisebb térfogatú, mégis jó hatásfokú detektorok készíthetők.
Félvezetők választéka detektor céljára
Félvezetők választéka detektor céljára
Félvezetők választéka detektor céljára
є
A számításba vett félvezetők jelentős hányada, az elegendően nagy tiltott sáv
szélessége miatt még szobahőmérsékleten is csak kevés szabad töltéshordozót
tartalmaz, azaz nagy az elektromos ellenállása (ri). Ezért ezekből az anyagokból a
gáztöltésű detektorokhoz hasonlóan két elektróda segítségével szilárdtest
ionizációs kamrát készíthetünk. Kár, hogy ezek az anyagok általában nem eléggé
jó minőségűek: bennük a rekombináció sokkal nagyobb, mint Si és Ge-ban.
Utóbbiakból viszont nem készíthető ilyen egyszerűen detektor. Lásd később !
CdZnTe homogén detektor gamma sugárzás mérésére
nincs
fotocsúcs
A két anód együttes spektruma
fotocsúcs
A két anód különbségi spektruma
Félvezető detektorok jeleinek feldolgozása
Detektor
detektor
előerősítő
előerősítő
főerősítő
főerősítő
sokcsatornás
analizátor
sokcsatornás
analizátor
spektrum
Töltéshordozók keltése és rekombinációja félvezetőkben
Gerjesztés: energiaközlés
hatására elektron-lyuk pár
jön létre
Rekombináció: miközben egy elektron
egy lyukkal egyesülve megsemmisítik
egymást, energia szabadul fel
Ellentett folyamatokról van szó: energiaelnyelés a félvezetőben e-h (elektron-lyuk)
párt kelt. Ha ezek egymással reagálva megsemmisülnek (az elektron visszaugrik a
vezetési sávból a vegyértékbe), akkor a keltéshez szükségessel megegyező
nagyságú energia szabadul fel hő vagy fény kibocsátása közben.
A gáztöltésű detektorokhoz hasonlóan itt is az a cél, hogy kellően nagy
elektromos tér alkalmazásával, a rekombinációt megakadályozandó, a töltéseket
minél gyorsabban előbb szétválasszuk, aztán a megfelelő elektródokhoz tereljük,
azaz minél kisebb veszteséggel tudjuk őket összegyűjteni.
Spektrum, sokcsatornás analizátor (MCA),
félértékszélesség (fwhm), impulzusgenerátor (pulser),
stb.
(részletesebben lásd a tankönyvben, Bódizs D.)
Fotonok és töltött részecskék Si és Ge-ban
A mikroelektronikában játszott fontosságuknál fogva a Si és Ge rendkívül jó minőségben
állítható elő. Töltött részecskékre a Si hatásfoka (elnyelése) alig rosszabb, mint a Ge-é.
Ugyanakkor az elektromágneses sugárzások közül a Si főleg a kisebb energiás röntgen, míg
a Ge a nagyobb energiás gamma sugárzások detektálására alkalmasabb.
Elemi félvezetők a periódusos rendszer IV. oszlopából
0.7 eV
A kristályrácsbeli atomtávolságok különbözősége következtében a gyémánt
szigetelő, a szilícium és germánium félvezetők, míg az ón fém. A Si és még inkább
a Ge, nem csak szobahőmérsékleten, de még -200 C hőmérsékleten is túl sok
szabad töltéshordozót tartalmaz. Ezért speciális struktúra kialakítása szükséges
ahhoz, hogy belőlük tényleg olyan kiváló detektort lehessen készíteni, amilyet
ezek a kitűnő minőségű félvezetők elvileg megengednek.A következő néhány ábra
arról szól hogyan lehet a zajáram még nagy feszültség mellett is kicsiny.
Szilícium és germánium atom és kristály
A 4 külső vegyértékelektron kovalens
kötése tartja össze a kristályt
3 és 5 vegyértékű szennyezők a Si és Ge egykristályban
Bór
Szilícium
Antimon
3 és 5 vegyértékű szennyezők a Si és Ge egykristályban
+
-
Az antimon (Sb) az ötödik fölös elektronját „beadja a közösbe”. Ezért az Sb-t
elektron donornak, az általa szennyezett Si-ot (vagy Ge-ot) negatív-, azaz ntípusúnak nevezzük.
A bórnak ugyanakkor szüksége van egy elektronra a közösből a meglévő
háromhoz a vegyértékkötéshez. Az elektronfelvétel miatt a B-t akceptornak, az
általa szennyezett Si-ot (vagy Ge-ot) pozitív-, azaz p-típusúnak nevezzük.
A szennyezetlen félvezetőt intrinsic- (valódi), azaz i-típusúnak nevezzük.
Donor- és akceptor-szintek a tiltott sávban
Vezetési
Vegyérték
sáv
sáv
Vezetési
Vegyérték
sáv
sáv
A szennyezők hatására a 4-vegyértékű félvezető tiltott sávjában extra energiaszintek jelennek meg. A donor szintek a vezetési-, az akceptor-szintek a
vegyértéksáv közelében helyezkednek el. Ezért termikus gerjesztés hatására
előbbiek könnyen adnak elektront a vezetési sávba, míg utóbbiak elektront
felvéve lyukakat hoznak létre a vegyértéksávban.
A szennyezők által keltett töltéshordozók hozzáadódnak a szennyezetlen
(intrinsic-, azaz i-típusú) félvezetőben a teljes tiltott sávon át történő, tehát sokkal
kevésbé valószínű gerjesztéssel keltett, ezért kevés számú töltéshordozóhoz. Így
a korábban azonos számú elektron és lyuk helyett az N-típusúban az elektronok, a
P-típusúban a lyukak lesznek túlsúlyban.
Félvezető p-n átmenet
Kiürített réteg
P és N-típusú félvezetőket kontaktusba hozva az előbbiből az ott többségben lévő lyukak,
míg az utóbbiból elektronok fognak az ellenkező típusú térrészbe áramolni. Ez a folyamat
töltetlen részecskék esetén addig tartana, míg koncentrációjuk ki nem egyenlítődne. Itt
viszont, mivel az elektronok és lyukak egymást megsemmisítik, csak addig tart, míg a
megsemmisítés után a P-részben visszamaradó negatív töltésű akceptorionok (amelyek nem
tudnak elmozdulni, hiszen a kristályrácsban rögzítettek), illetve az N-részben visszamaradó
pozitív töltésű donorionok (szintén rögzítettek) által kialakuló elektromos erőtér le nem
állítja a folyamatot. Végeredményben a határfelületen egy mozgékony (azaz szabad)
töltéshordozóktól mentes, vagyis elektromosan szigetelő tartomány, az ún. kiürített réteg
jön létre ! Pontosan erre van szükségünk a detektáláshoz.
P-N átmenet elektromos karakterisztikája
Nyitó irány
A záróirányú áram (amely
a detektálás szempontjából zajáram) nagyon
kicsiny és alig függ a
feszültségtől egészen az
ún. letörési feszültségig.
Ennek értéke egyes
detektoroknál több száz,
esetleg ezer Volt is lehet
Áram
Záró irány
A nyitóirányú áram az ún. nyitófeszültség (kb. 0.6 V Si esetén)
fölött rendkívül gyorsan,
exponenciálisan nő.
Feszültség
Záró
Nyitó
A p-n átmenet tehát egyenirányító tulajdonságú: egyik irányban vezeti az áramot, a másikban
nem (alig). Detektorként történő alkalmazásra természetesen a nemvezető, záró irány a
megfelelő.
Záróirány szélesíti, nyitó keskenyíti a kiürített réteget !
Töltés-, térerő- és potenciál-viszonyok záróirányú p-n átmenetben
P
N
Elektromos térerősség
Kiürített tartomány
Elektromos potenciál
Tértöltés
+Q
-Q
Jó hatásfokú detektáláshoz vastag kiürített tartományra van szükségünk, ráadásul erős
elektromos térrel. Mivel a kiüritett réteg vastagsága az alkalmazott záróirányú feszültséggel
(négyzetgyökösen) nő, hasonlóképpen térerősség is, ugyanakkor a zajáram általában sokkal
lassabban, így mindenképpen a lehető legnagyobb záróirányú feszültség alkalmazása az
ideális megoldás nukleáris detektálás céljára.
Hasznos formulák Si detektorokra
P-N és P-I-N diódák (detektorok)
Egy p és egy n típusú tartományból álló
rétegszerkezetet az elektronikában p-n
diódának neveznek.
Szokásos rajzszimbóluma itt látható
Egy p-n átmenet szélessége
wk U
→
N
ahol k egy arányossági tényező, U a
zárófeszültség, N pedig a szennyezőkoncentráció. Mivel a maximálisan
alkalmazható feszültségnek gyakorlati
korlátai vannak, ezért w elsősorban N
csökkentésével, azaz a lehető legtisztább
félvezető alkalmazásával növelhető. Egy
ilyen, közel i-típusú réteget beiktatva egy p-n
átmenet közé, kapjuk a p-i-n diódát.
A pn és pin diódaszerkezetek töltés és
térerősség viszonyait a túloldali ábra
mutatja. Látható, hogy a pin dióda a széles
kiürített tartomány mellett közel homogén
térerősség eloszlást biztosít. Ezen kívül
egyéb, itt nem részletezendő előnyös
tulajdonságokkal is bír.
Gyakorlati Si detektorok
P-n Si detektorok vékony kiürített réteggel
töltöttrészecskék detektálására.
A részecskék viszonylag nagy energiája
következtében nagy jeleket szolgáltat, így
nem feltétlenül szükséges a zajáramot
hűtéssel csökkenteni. Tipikusan a p-réteg
nagyon vékony, ezért az a belépő ablak.
Ún. Si(Li) p-i-n detektorok kisenergiájú
röntgenfotonok mérésére. Vastag (2-6 mm),
közel i-típusú rétegüket ún. lítium-ion
drifteléssel állítják elő: p-típusú Si bór
szennyezőit az alábbi reakció szerint
semlegesítik:
(B- + e+) +(Li+ + e-) = (B- Li+)
Mivel a keletkezett (B- Li+) komplex szobahőmérsékleten nem stabil, ezért állandó folyékony
nitrogénes (- 200 C) hűtést igényelnek. A szükséges igen jó energiafelbontás érdekében
mérés közben amúgy is hűteni kellene őket. A képen látható tartályok a nitrogén tárolására
szolgálnak. Maga a detektor egy vákuumkamrában (vékony függőleges vagy ferde csövek
végén a képen) van elhelyezve, melybe a sugárzás igen vékony ablakon át lép be.
Si(Li) detektor belső felépítése
Vörösréz hűtőrúd
Si(Li) detektor
Si(Li) detektor
kristály
Ultra kis zajú hűtött
bemeneti erősítő
Ultra vékony Berillium
vákuum-ablak
vákuum-ablakok
hűtött bemeneti erősítő
külső erősítő
Si(Li) detektor hatásfokát meghatározó tényezők
Egy detektor hatásfokát (többek között) definiálhatjuk úgy, hogy az őt „megcélzó” sugárzási
kvantumoknak hány százalékát érzékeli ténylegesen. Ennek elsősorban röntgen és gamma
sugárzás esetén van jelentősége, ui. esetükben csökken a számuk anyagon való áthaladás
közben. Alacsony energiákon, ahol ez a csökkenés különösen jelentős, a detektor elötti
bármely anyag, pl. levegő, vákuumablak, detektor kontaktus, csökkenti a hatásfokot. Nagy
energiákon viszont jelentősen lecsökken a gyengülési (elnyelési) tényező μ , ezért a fotonok
kölcsönhatás nélkül áthatolnak detektoron, ezáltal szintén hatásfok csökkenést okozva.
Si(Li) detektor szerkezete, működési elve
Félvezető detektorok energiafelbontó képessége
Elektronikus
zaj-járulék
Egy nukleáris detektor energiafelbontó képességét adott energián az ennek megfelelő
spektrális csúcs FWHM félértékszélességével jellemezzük. Ezt alapvetően egyrészt a
detektorban a sugárzás által keltett töltések statisztikus ingadozása (lásd Fano faktor, az
ábrán lila vonallal jelölve ez a járulék), másrészt a detektor jeleinek erősítését végző
elektronika zaja határozza meg. A két folyamat függetlensége miatt a hatások négyzetesen
összegződnek. Az ábra hűtött Si detektorra vonatkozik, ahol є = 3.9 eV és F ≈ 0.1. Megj.:
rossz detektor alapanyag esetén, ha nagy a begyűjtés során a töltésveszteség, ennek
szórása is figyelembe veendő.
A röntgensugárzás eredete
Fékezési RTG-sugázás:
folytonos energiaeloszlás
~ E1/2
Karakterisztikus RTG-sugárzás:
diszkrét energiaértékek
Csúcsminőségű Si(Li) detektorral mért röntgen-spektrum
Mn Kα
Mn Kβ
Megállapodás szerint Si(Li) detektorok energiafelbontó képességét a Fe-55 izotópnak
elektronbefogással Mn-55 izotóppá történő bomlása közben kibocsátott Mn karakterisztikus
röntgen vonalai közül az 5.9 keV energiájú MnKα vonalra szokás specifikálni.
Az ábra szerint FWHM = 128 eV, ebből 42 eV az elektronika járuléka. Ebből visszaszámolva
magának a detektornak a járuléka (1282 – 422)1/2 = 121 eV.
Röntgenfluoreszcencia analízis
Egy atom valamelyik belső energiahéjáról el tudunk távolítani egy elektront (ionizáljuk az
atomot) gamma- vagy röntgensugárzással és töltött részecskékkel (pl. elektronokkal,
protonokkal, stb.). Az elektronhiány külsőbb elektron általi betöltésekor karakterisztikus
rtg-sugárzás keletkezik. Ennek energiáját megmérve, a kibocsátó atom beazonosítható.
Komplex mintát gerjesztve, a mért rtg-spektrumból nemcsak a mintát alkotó elemek, hanem
azok %-os összetétele is meghatározható. Ez a röntgenfluoreszcencia analízis.
Könnyű elemek karakterisztikus RTG-vonalai Si(Li) detektorral mérve
110 eV
525 eV
277 eV
Ehhez hasonló spektrumokat csak a legjobb Si(Li) detektorokkal lehetséges felvenni.
A legkisebb rendszámú elemek kivételével az egész periódusos rendszer vonalai mérhetőek.
Modern termoelektromos hűtésű Si röntgen-detektorok
Legújabban kifejlesztettek olyan, nem Li-ion driftelt, tehát szobahőmérsékleten is tárolható
szilícium detektortípusokat, amelyek csak a működésük időtartama alatt igényelnek hűtést.
A korszerű mikroelektronikai technológiának köszönhetően a szükséges üzemi hőmérséklet
mindössze – 20 ÷ - 50 0C , amely egyszerű és olcsó termoelektromos (Peltier) hűtéssel
biztosítható.
Az egyik ilyen detektortípus az ún. Si-PIN, amely valójában egy egyszerű p-i-n dióda, míg a
másik az SDD (Silicon Drift Detector) egy meglehetősen bonyolult felépítésű eszköz.
Modern termoelektromos hűtésű Si röntgen-detektorok
PIN detektor
AMPTEK (USA)
-30 oC, 150 eV, 3000 USD
SDD
KETEK (Germany.) -30 oC, 125
eV, 10000 EU
A hűtés fontossága modern Si detektorok esetére
Modern termoelektromos hűtésű Si röntgen-detektorok
alkalmazása röntgenflureszcencia analitikai anyagvizsgálatokra
(példák)
műkincsek
vizsgálata
űrkutatás
Mars-járó
Lupa Capitolina
Folyékony nitrogén hűtésű germánium detektorok
A Si detektorokkal ellentétben Ge esetében nemcsak Li-ion
kompenzációval, hanem direkt tisztítással is készíthető
olyan 99.9999999999 % tisztaságú (ún. HP Ge, High Purity)
egykristály, amelyből néhány cm vastagságú kiürített réteg
elérésére alkalmas detektor készíthető. Az érzékeny
térfogat növelhető, ha a hagyományos plánparallel (planar)
geometria helyett ún. koaxiális vagy „kút” (well) geometriát
alkalmazunk (lásd következő ábra). A szükséges hűtést
rendszerint folyékony nitrogén biztosítja. A Ge detektor
kristály egy vákuumkamrában van elhelyezve, mivel a
detektor igen tiszta, nagy vákuumot igényel.
Különböző Ge-detektor geometriák és tipikus alkalmazási
energiatartományaik
Különböző geometriájú Ge detektorok relatív hatásfok görbéi
Az 1950-60-as években a magfizikában standard detektornak számítottak a 3 inch átmérőjű
és 3 inch magas (3” x 3”) hengeres NaI (nátriumjodid) szcintillációs detektorok (lásd
később). Történeti okokból a Ge gamma detektorok hatásfokát a mai napig is általában egy
ilyen NaI detektornak a hatásfokához viszonyított %-os értékkel kifejezve szokás megadni.
Általánosan használt germánium detektorok folyékony
nitrogénes hűtéssel
Germánium gamma detektorok energiafelbontó képessége
Germánium detektorok energiafelbontó
képessége természetesen ugyanolyan
törvényszerűségek szerint viselkedik, mint a
szilícium detektoroké, azzal a különbséggel,
hogy Ge esetén є = 2.9 eV, míg F ≈ 0.1 azonos.
Itt azt illusztráljuk a rádium-226 izotóp 8k
csatornás gamma spektrumán keresztül, hogy
valójában mire képesek és így milyen
hasznosak a Ge detektorok.
Hogyan néz ki egy monoenergiás (egyetlen energiát
kibocsátó) forrás spektruma?
lehetséges kölcsönhatások
energia spektrum
A teljes energiának megfelelő csúcsot természetesen akkor kapjuk, ha a gamma foton a
teljes energiáját leadja a detektorban. Ez akkor teljesül, ha a kölcsönhatás végén az összes
részecske és foton bent marad a detektorban, azaz az ő további kölcsönhatásaikban
keletkező összes újabb foton és részecske is bent marad. Diszkrét energiával rendelkező
foton ( pl. 511 keV) vagy részecske (pl. fotoelektron) kiszökése esetén karakterisztikus
veszteségi csúcsokat kapunk, minden más esetben viszont a nullától a gamma foton
energiájáig terjedő folytonos eloszlást.
Hogyan függ a gamma spektrum alakja a detektor méretétől?
nagyon nagy detektor
közepes méretű detektor
kicsi detektor
Nagyon nagy detektor belsejében elnyelt gamma foton, bármilyen kölcsönhatások sorozata
játszódott is le, a teljes energia leadás miatt egyetlen (teljes energiás vagy ún. foto-) csúcsot
eredményez.
Nagyon kis detektor esetén a fotocsúcs kicsiny lesz, mert a Compton szóródásokban szórt
fotonok kiszökése miatt a meglökött elektronoktól eredő ún. Compton kontinuum lesz a
domináns.
Közepes méretű detektorokban többszörös Compton szóródások is előfordulhatnak,
komplikálva ezzel a kapott spektrumot.
Legújabb germánium gamma-detektor termoelektromos
hűtéssel
Helyzetérzékeny félvezető detektorok
helyzetérzékeny detektálás elve
gyakorlati megvalósítás (Ge)
Ha egy planparallel detektor kiolvasó oldali elektródáját n x m négyzetre vagy mindkét
oldali elektródáját egymásra merőleges módon n ill. m csíkra osztjuk (szegmentáljuk) és
mindkét estben minden szegmenshez kiolvasó elektronikát csatlakoztatunk (előbbi esetben
n·m, utóbbiban n+m darab szükséges), akkor a detektorban elnyelt sugárzás által leadott
energia térbeli eloszlását is meg tudjuk határozni. Ez egyszerűsítve azt jelenti, hogy meg
tudjuk mondani, hol történt a kölcsönhatás. Több ilyen detektorból álló rendszerrel nagy
áthatolóképességű sugárzások pályáját tudjuk rekonstruálni.
Elvi energiafelbontó képesség 6 keV-nél (eV)
Félvezető és szupravezető detektorok
félvezetők
szupravezetők
Tiltott sáv szélessége (eV)
Félvezető detektorok
jeleit elektron-lyuk párok
adják, energiafelbontó
képességüket pedig a
párkeltési energia szabja
meg, amely eV
nagyságrendű.
Szupravezetőkben
analóg módon kelthetők
ún. kvázirészecskék,
melyek keltési energiája
meV nagyságrendű.
Azaz, ezekből készített
detektorokkal elvileg
(1000)1/2 ≈ 30-szor jobb
energiafelbontás érhető
el.
Ilyen detektorok
fejlesztésén kb. 20 éve
dolgoznak, többkevesebb sikerrel, de
mindenképpen nagy
áldozatok árán. Pl. 0,01 K
körüli hőmérséklet
szükséges. A
felbontóképesség még
nem éri el az elvi határt,
de mindenképpen
figyelemreméltó a
javulás.
Egy alacsonyhőmérsékletű detektor (mikrokaloriméter)
és egy Si(Li) detektor összehasonlátása
Szcintillációs detektorok
SZCINTILLÁTOR
FOTOKATÓD
ELEKTRON
SOKSZOROZÓ
bejövő
sugárzás
szcintillációs
fotonok (fény)
elektronok
elektromos
jel
FOTOELEKTRONSOKSZOROZÓ (PMT)
Egyes szigetelőkristályok (esetleg folyadékok vagy gázok) radioaktív sugárzás hatására fény
felvillanással reagálnak. Ilyen pl. a szpintariszkópban alaklmazott ZnS. Ez a piciny felvillanás
jó esetben szabad szemmel éppen érzékelhető. A fény intenzitása (a kibocsátott fotonok
száma) valójában arányos az elnyelt energiával. Ez azonban csak érzékeny fénydetektorokkal határozható meg. Rendkívüli érzékenységű eszköz erre a célra az ún.fotoelektronsokszorozó. Ez áll egy fotokatódból, amely a fény hatására fotoelektronokat bocsát ki. Ezeket a
közös vákuumtérben elhelyezett elektronsokszorozó mérhető elektromos impulzussá
erősíti. A teljes detektálási folyamatot a következőkben ismertetjük.
A szervetlen kristályos szcintillátor működési elve
Vezetési sáv
aktivátor
gerjesztett
állapotai
szcintillációs
foton
aktivátor
alapállapota
Vegyérték sáv
Maga a szcintillátor kristály csak az energiaelnyelő szerepét játssza. Benne az elnyelt sugárzás hatására elektron-lyuk párok keletkeznek. Adott szcintillátorhoz alkalmasan megválasztott aktivátor kis koncentrációban beépített atomjai a tiltott sávban elhelyezkedő alap és
gerjesztett állapotokkal rendelkeznek. Előbbiek a szabadon kószáló lyukakat, utóbbiak elektronokat tudnak befogni. Egy ilyen e-h pár egymással történő rekombinációja eredményezi a
szcintillációs fotont. A kibocsátott fény színét ezért az aktivátor határozza meg.
(Külső) fotoelektromos effektus
A fény- vagy fotoelektromos effektus régóta ismert jelenség. Minden fémhez tartozik egy
kritikus hullámhossz, melynél rövidebb hullámhosszúságú („kékebb”) fénnyel megvilágítva
a fémből elektronok lépnek ki. Az elektronok száma a fény intenzitásával arányos, míg
sebességük (energiájuk) a hullámhossz csökkenésével nő.
A szilárdtestek sávelmélete alapján a fémek vezetési sávja valamilyen max. energiaszintig
van betöltve elektronokkal. Ettől a szinttől még Φ energia távolságra van a vákuum-, vagy
zérus energiaszint. Vagyis legalább ekkora energiára van szükség, hogy a fémben kötött
vezetési elektronokat kiszabadítsuk, őket a vákuumba juttassuk. Mivel a fény hullámhossza
és az őt jelképező fotonok energiája között fordított arányosság áll fenn, ezért érthető, hogy
miért a rövid hullámhosszúságú fény a hatásos. Mivel az alkálifémek esetén kicsiny a Φ ún.
kilépési munka értéke, ezért előszeretettel alkalmazzák őket fotokatód anyagaként vékony,
félig átlátszó réteg formájában a PMT cső belső falára gőzölögtetve (köv. ábra).
A fotoelektronsokszorozó cső
(Photoelectron Multiplier Tube = PMT)
Bizonyos fémek a beléjük ütköző gyors
elektronok hatására azok energiájától
függően 2,3,4.. új elektront
bocsátanak ki. Ezeket vákuumban
elektromos térrel felgyorsítva a
folyamat egymás után többször
megismételhető. Kellően sokszor
ismételve és kellően nagy gyorsító
feszültséget alkalmazva egyetlen
elektronból akár több százmillió
elektronná duzzasztott lavina kelthető.
Ekkora makroszkópikus áramimpulzus
már hagyományos elektronikai
módszerekkel könnyen mérhető.
Néhány a gyakorlatban használatos szervetlen szcintillátor
kristály
Aktivátor:
Tallium
nem szükséges
Cérium
Miért olyan gyenge a szcintillátorok energiafelbontó
képessége ?
LSO
szcintillátor
√3000/3000=
1.8 % relatív
feloldás
Ugyanarról a radioaktív gamma-forrásról szcintillátorral
és félvezető detektorral felvett spektrumok minősége
igen jelentősen különbözik. A félvezetők tiltott sávja
keskenyebb,mint a (szigetelő) szcintillátoroké, így adott
energiára több e-h pár keltés jut, vagyis eleve nagyobb
a statisztikus pontosság. A szcintillátorban ez csak a
kezdet, az e-h párok egy része szcintillációs fotonná
alakul, azok egy része eljut a fotokatódig, ahol a fotonok
egy része fotoelektront kelt, majd ezeket a
fotoelektronsoszorozó mérhető áramimpulzussá erősíti.
Az áttételes és minden részletében tökéletlen
folyamatok sorozata azt mutatja, hogy egyrészt az
energia nagy része elpocsékolódik, másrészt minden
folyamat újabb statisztikus szórási járulékot ad.
Ge
detektor
511 keV gamma ray

176000 e-h pair
√176000/176000
=0.24 % relatív
feloldás
Szcintillátorok fotodiódával kombinálva
(Belső fotoelektromos effektus)
Mivel a félvezető diódák (detektorok) bármely, a tiltott sávjuk
szélességénél nagyobb energiájú ionizáló sugárzásra
érzékenyek, ezért látható fény észlelésére is alkalmasak. Pl.
Si-ra (1.1 eV) ez a kb. 1000 nm-nél rövidebb hullámhosszúságú fotonokra teljesül. Ráadásul ezekre gyakorlatilag 100 %
hatékonysággal!.
Szerencsére a legtöbb szcintillátor zöld, kék, vagy UV
fotonokat emittál. Egy szcintillátort egy ilyen fotodiódához
ragasztva nagyon kompakt eszközt kapunk. Hátránya, hogy
a fotodióda jele kicsiny (nincs belső erősítése), ezért külső
erősítőre van szükség.
Szcintillációs detektorok az ATOMKI-ból
CsI(Tl) szcintillátor (550 nm) + Si
pin fotodiódák
LSO scintillator (420 nm) + PMT
Orvosi képalkotás: szcintillációs detektorokkal
A
B
A helyzet-információt kétféle módon szerezhetjük :
A. Egyetlen, nem szegmentált szcintillátor kristály esetén az ahhoz csatolt egyetlen nagy
helyzetérzékeny , vagy számos kisméretű diszkrét fotodetektor állapítja meg a szcintillációs
fotonok súlypontját, azaz a sugárzás elnyelési pozícióját.
B. Számos kisméretű, egymástól optikailag izolált szcintillációs kristályok közül az éppen
felvillanót a minden egyes kristályhoz csatolt azonos méretű, vagy az egész szcintillációs
matrixot lefedő egyetlen nagy helyzetérzékeny fotodetektor azonosít.
Orvosi képalkotás: félvezető detektorokkal
i
Félvezető detektorok esetén vagy egy nagyobb tömbön alakítunk ki mechanikus (befűrészelés),
vagy elektronikus (mintázatos elektróda elrendezés) úton detektor egységeket, avagy nagyszámú,
kisméretű egyedi detektorból állítunk össze egy 2D mátrixot. A kiolvasás viszont minden egyes
detektorból külön-külön történik a kellő energiafelbontás érdekében.