Transcript EnergBScMerestechn

Alfa-, béta-, gamma-, neutronsugárzások 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
1
a-, b-, g-, és n-sugárzások tulajdonságai
-Az atommagból származnak (kivéve a röntgensugárzást, mely az atomhéjból);
az a-, b- és n-sugárzás
részecskékből áll,
a g- elektromágneses természetű (hasonlóan,
mint a rádióhullámok, vagy a látható fény, de az utóbbiak
sokkal kisebb energiájúak, mint a g-sugárzás);
a-, b- és n-sugárzás kibocsátása után az
atommag szerkezete megváltozik, más
izotóp (elem) jön létre, g-sugárzás estén
ilyen átalakulás nem következik be;
az
2
bomlásséma
Az atommag átmenetek szemléltetése
E0,x
A
X
Z
b
(kb)
kb: b gyakoriság
kg: g gyakoriság
b1 (kb1)
E2
g1
E1
g
AY
Z+1
(kg1) Eg1=E2-E1
(kg) Eg=E1-E0,Y
E0,y
3
Az alfa-(a)sugárzás /1
a-részecske = 2p+2n = 4 2He ++= hélium atommag;
Pl. a-sugárzást bocsátanak ki (többek között):
238,235U
(urán),
41Am
(amerícium),
239Pu
(plutónium),
226Ra
(rádium)
Ea ~ 3 - 9 MeV; hatótávolságuk kicsi,
az a-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: ionizáció
méréstechnika: önabszorpció, forrásvastagság!!
4
Az alfa-(a)sugárzás /2
Pl. a-bomló izotópokra:
izotóp
t1/2
241 Am
95
Ea - kg
433 év
5,486 (Mev),85 (%); 5,443 (MeV), 12,8 (%); 5,389 (MeV), 1,2 (%)
Eg = 59,5 keV (36,3 %);
210 Po
84
242 Cm
96
216 Ra
88
238 Pu
94
138,4 nap
163,4 nap
0,18 ms
87,7 év
5,305 (MeV), 100 (%);
6,113 (MeV), 74 (%), 6,070 (MeV), 26 (%);
9,35 (MeV), 100 (%);
5,499 (MeV), 72 (%); 5,466 (MeV), 28 (%); 5,358 (MeV), 0,09 (%)
bomlásséma
és
spektrum
Pu
94
a3
0,143
a2
a1
0,043
0
234
U
52
impulzus/csatorna
238
5,499 [MeV]; 72 [%]
5.358
(0,09)
a1
5.456
28
a2
a1
csatorna
5
A béta – (b)sugárzás /1
A b-részecske = elektron (lehet pozitív - akkor pozitron a neve - vagy
negatív);
Pl. b-sugárzást bocsátanak ki: 3H (trícium); 14C (szén);
90Sr (stroncium); 90Y (ittrium); 99Tc (teknécium); 204Tl (tallium)
Eb~ 18 keV-2,5 MeV; hatótávolságuk hosszabb, mint
az a-é (de 2-3 mm vastag plexi lap már elnyeli); pályájuk cikkcakkos (I = I exp(-mx); lefékezédősükkor, rtg.-sugárzás keletkezik, rendszám függés!)
0
kölcsönhatásuk: ionizáció és gerjesztés;
méréstechnika: önabszorpció, visszaszórás
(forrásvastagság!)
6
A béta – (b)sugárzás /2
spektrum folytonos,
DE
Eb,max ;
14C – 5730 év -156 keV;
néhány tiszta b-bomló: 3H – 12,3 év -18,6 keV;
90Sr – 28 év - 546 keV;
90Y – 64 óra - 2270 keV,
99Tc – 2,12*105év - 292 keV;
204Tl – 3,8 év - 766 keV
bomlássémák:
b-spektrum:
7
A gamma-(g)sugárzás/1
A g-sugárzás = elektromágneses
(DE ugyanakkor energia csomagokként (foton) E = hn ,
h = Planck állandó, n = frekvencia, is viselkedik ?!?);
A g-sugárzás mindig kísérő-jelensége, az avagy a b-bomlásnak, vagy magreakciónak,
(csak g-sugárzást kibocsátó izotóp nincs), a g-sugárzás
az atommag legerjesztődéséből származik azaz ezzel az
atommag alacsonyabb („nyugalmi”) energiaállapotba kerül;
Eg~ 20 keV-7 MeV; pálya hosszról nem beszélhetünk, csak gyengülésről: I = I0exp(-mx);
árnyékolás: ólom, beton, azaz nagy Z-jű és r-jú anyagok;
8
A gamma-(g)sugárzás/2
A g-sugárzás és az anyag között három fő
kölcsönhatási forma van:
- fotoeffektus (a g-foton teljes energiáját átadja egy elektronnak);
- Compton szórás (a g-foton energiájának csak egy részét
adja át egy elektronnak és egy kisebb energiájú g-foton is tovább halad);
Compton - él;
- párkeltés (ha a g-foton energiája Eg>2*mec2=2*511keV
akkor a g-foton átalakul (annihilálódik=„megsemmisül”)
egy elektron-pozitron (e-+e+) párrá, ezt követően a e+ egyesül egy e-- al és keletkezik két
db. 511keV energiájú g-foton);
Mindegyik eredménye: energiával rendelkező
e- -ok megjelenése, melyek azután úgy viselkednek, mint a b-részecskék (méréstechnika).
A g-sugárzás gyengülése:
- mx
I  I 0e
9
Fotoeffektus, Compton szórás, párkeltés
Ee= Eg – Eköt
Ee = Eg-Egszórt
Eküszöb = 2*511 keV
Ee
elektron
Ee
szórt elektron


Eg
Eg
g foton
g
Eg
szórt gamma foton
Ee
elektron
Eg
pozitron
g
511 keV
511 keV
annihilációs
fotonok
10
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:(a,n), 252Cf:hasad);
n-generátorból (D-T magreakció), vagy atomreaktorból (maghasadás);
kölcsönhatásuk: függ a n-energiától
lassú n-ok: En < 10keV – rugalmas szórás (n lassulás), eredménye:
(n,g) magreakció, vagy pl. 10B(n,a)7Li; 3He(n,p)3H, vagy maghasadás;
gyors n-ok: En > MeV–rugalmatlan szórás, vagy (n,p), (n,a), (n,2n), stb.
magreakció; rezonenciák
méréstechnika: a n-ok által létrehozott (magreakció, p-meglökés),
energiával rendelkező töltött részecskéken keresztül
11
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).
12
Gáztöltésű detektorok/1
- első elektromos detektorok (1920-as évek)
- működésük a gázokban, töltött-részecske sugárzás
hatására, bekövetkező ionizáción alapszik; (ionizáció =
a töltöttrészecske, pl. a, vagy b, a gázatomok elektron héjáról elektronokat
választ 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 feszültség
C = csatoló kondenzátor
Uk = kimenő feszültség impulzus,
ami a sugárzásra jellemző adatokat
(intenzitás, energia) tartalmazza
Ra= anód ellenállás
Iki= kimenő áram, a detektor jele
anódszál
+U0
Ra
c
Uki
R
katód
henger
Iki
13
Gáztöltésű detektorok/2
A gáztöltésű detektorok általános karakterisztikája: U0-Iki görbe
I: rekombinációs tartomány;
II: telítési tartomány
(ionizációs kamrák)
III: proporcionális tartomány
2
(prop.számlálók);
IV:fél-prop.tartomány;
V:GM tartomány
g
(Geiger-Müller csövek);
VI: kisülési tartomány
14
Gáztöltésű detektorok/3
Amikor egy a- vagy b-részecske bejut a detektor gázterébe, ionizáció révén
ionpárokat hoz létre. Az anód és katód közé kapcsolt U0 feszültség hatására az
elektronok (e) a (+) anódszál felé mozognak, a pozitív ionok pedig a (-) katódhenger felé. (Az e-ok gyorsabban, mint az ionok.)
Az I.tartományban sebességük még kicsi, ezért az e-ok és a (+)ionok egy része visszaalakulhat (rekombinálódhat) semleges atommá, mielőtt elérné az elektródot. U0 növelésével, a mozgás egyre gyorsabb, így egyre kevesebb a rekombináció és egyre több töltéshordozó éri el az elektródot, az Iki növekszik.
A II.tartományban az eredetileg létrejött összes töltéshordozó eljut az elektródákra 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 működnek detektorok.
15
Gáztöltésű detektorok/4
Az V. tartományban – a nagy U0 hatására – a töltéshordozók már olyan gyorsan
mozognak (akkora az energiájuk), hogy többszörös ionizáció következik be az útjuk
során és a keletkezett összes ionpár szám már nem arányos az eredetileg (az
első 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 a
detektor 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
16
GM cső/1
• GM cső típusok
(pl. a/. végablakos, b/. merülő,
c/. gázátáramlásos, stb).
17
GM cső/2
A GM csövekben lejátszódó
(mikroszkópikus) folyamatok:
- egy a vagy b 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 ütközésekkel újabb ionpárokat (és gerjesztett atomokat) hoznak létre és a
folyamat így ismétlődik, kialakul egy ion lavina;
18
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 a,
vagy b részecskék számát) lehet – a hatásfok (= a GM cső által jelzett impulzusszám és a forrásból kilépő összes részecske szám hányadosa) ismeretében meghatározni, de az egyes részecskék energiáját NEM!
A GM csövek töltőgáza általában nagyon tiszta argon+kb.10% bróm (kioltás!). A gáz nyomása az alkalmazástól függően 0,6 – 2 bar körüli értékek. A kis áthatoló képességű a, b
részecsék szükségessé teszik vékony belépőablak kialakítását a katódhenger egyik végén.
A GM csövek érzékenysége g-sugárzásra kb. 1%-a az a, b-részecskékhez képest.
19
GM cső/4
A 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.
[cps]
UK = Geiger küszöb
UM = üzemi feszültség
M = munkapont
totális
kisülés
A cső annál jobb, minél hosszabb
és kevésbé emelkedő ez a szakasz.
A cső jellemzésére használatos a
plató m meredeksége (egyszerűsített formában):
n2
n1
m
M
n2 - n1
U 2 - U1
Egy „jó” GM cső m értéke néhány %.
UK
U1
UM
U2
U
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.
20
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. – kifejlesztette a fotoelektron-sokszorozó (phtomultiplier=PMT) csövet és mások pedig a nagyméretű,
tiszta, átlátszó egykristály (NaI-Tl = nátriumjodid-tallium) gyártását, majd később az 1950-es években
más fajta kristályokét is. A szcintillációs méréstechnika napjainkban is széles körben alkalmazott. Fő
előnye, hogy
minden fajta sugárzás (a, b, g, n) intenzitásának és energiájának mérésére alkalmas.
Hátránya, hogy bonyolultabb és drágább, mint a gáztöltésű detektor.
A szcintilláció fényfelvillanást jelent. A detektálás alapja, hogy bizonyos
anyagokban, ún. szcintillációs kristályokban a radioaktív sugárzás részecskéi fényfelvillanást keltenek és a részecske energia mérés alapja,
hogy fényfelvillanás intenzitása – a fotonok száma – arányos a részecske energiájával.
A szcintillációs detektorok mikroszkópikus működési elve az anyagok elektron-sávelmélete alapján
értelmezhető. Erre most nem térünk ki, majd a félvezető detektorok tárgyalásánál lesz szó röviden
a sávelméletről.
21
Szcintillációs detektorok/2
Egy szcintillációs detektorral ellátott mérőműszer (számláló) felépítését
szemlélteti a 3.ábra.
1: szcintillációs kristály; 2: elektronsokszorozó cső;
sugárforrás
*
1
2
3
4
5
3: előerősítő; 4: főerősítő; 5: számláló vagy analizátor
1: szcintillációs kristály
ebben történik a radioaktív sugárzás részecskéinek kölcsönhatása a detektorral. Attól
függően, hogy milyen sugárzást kell mérni (a, b, g vagy n), megfelelő kristályt kell
alkalmazni. a: ZnS (cinkszulfid), b: plasztik, g: szervetlen (pl. NaI(Tl) – nagyobb rendszám,
n: plasztik – sok H = p.
A kristályban történik a sugárzás fénnyé való átalakítása kb. 10% hatásfokkal (eT~10%).
Tehát pl. egy 1MeV energiájú részecske ~100keV fényenergiát kelt. Az E=hn alapján a (kék
fény n = 400nm) foton energiája kb.3eV, tehát a fenti részecske kb. 30000 db. fotont hoz
létre. Ezekre az összegyűjtés hatásfoka eg ~100%. Foto-e- keltés hatásfoka ek ~ 20%. Tehát
az 1 MeV-es részecske (30000*0,2) = Ne ~ 6000 foto-e- vált ki a fotokatódból. Tehát 1 foto-ekeltéshez ~106 eV/6000 ~ 200 eV energia szükséges.
22
A sugárzás átalakulás folyamata a szcintillációs detektorban
23
Szcintillációs detektor/3
1: Szcintillációs kristályok
A/: szervetlen szcintillátorok (egykristályok):
NaI(Tl): (talliummal aktivált nátriumjodid) gyakorlatban csak g-sugárzás mérésére alkalmazzák. 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 g-sugárzás mérésére. Nem higroszkópos.
LiI(Eu): (európiummal aktivált lítiumjodid). A 6Li(n,a)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 g-sugárzás detektálására használják az 1970-es évek óta. Nem higroszkópos.
Olyan szervetlen kristály, melyhez nem kell aktivátort adni.
ZnS(Ag): (ezüsttel aktivált cinkszulfid) a-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 a-részek, protonok, hasadási
termékek detektálására alkalmas, g-, és b-sugarakra „átlátszó” (alacsony hatásfok).
CdWO4: (kadmiumvolframát) elsősorban hasadási termékek detektálására alkalmazzák.
24
Szcintillációs detektorok/4
B/: szerves szcintillátorok:
Antracén: (C14H10 = szénhidrogén) könnyen növeszthető egykristály, de mechanikai
hatásokra nagyon érzékeny – reped. Elvileg minden fajta sugárzás mérésére
alkalmas, de leginkább b mérésre használják (alacsony r = 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, közvetlen
kontaktusba hozhatók a mérni kívánt radioaktív mintával. Mivel sűrűségük r=1 g/cm3
alacsony, elsősorban töltött részecskék mérésre alkalmasak. A különböző ionizácijú
részek 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 b-sugárzó mintákat (3H, 14C) feloldják a folyadék szcintillátorban (hatásfok 100%). Ezek is alkalmasak jelalak diszkriminációra a különböző utánvilágítási
idők alapján.
25
Szcintillációs detektor/5
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 érkezik, mely átfolyva az anód-ellenálláson, kb. V amplitúdójú feszültségimpulzust jelent. Az amplitúdó
nagysága arányos a radioaktív részecske energiájával, az impulzusok sűrűsége a forrás-aktivitással.
26
Szcintillációs detektor/6
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 ez
0 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 pozitívabb. Ha pl.n = 10 db. dinóda van a csőben és mindegyikből kb. 5-ször annyi e lép ki, mint amennyi belecsapódott, (a szekunder emissziós együttható d=5) akkor az e-sokszorozás: M = dn = 107 .) Ez a megnövekedett
e 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 (részecskeenergia 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 csövet vas tokba helyezik. Ez egyben a külső fény kizárását is biztosítja. A szcintillációs
kristályt is külsőfény kizáró burkolat veszi körül.
27
Félvezető detektorok/1
A félvezető detektorok a „legfiatalabb” detektor család;
Működésük – bizonyos értelemben – hasonló a gáztöltésű detektorokéhoz,
ezért szokták őket szilárd ionizációs kamráknak is nevezni. Azonban a
félvezető detektorban az ionizáció nem gázban, hanem szilárd kristályban
történik és a töltéshordozók nem e-ok és +ionok, hanem e-ok és + „lyukak”.
Radioaktív sugárzások mérésére az 1960-as évek közepétől kezdték
alkalmazni őket.
Jelenleg a gyakorlatban a Si (szilícium) és a Ge (germánium) egykristályból
készültek a legelterjedtebben használatosak.
n-sugárzás kivételével, minden fajta sugárzás (a, b, g, rtg.) intenzitásának és
energiájának mérésére használhatók. Legfőbb előnyük az egyéb detektorokkal
szemben,
kiváló energiafelbontó képességük.
(Ennek magyarázata, hogy míg
a 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 %).
28
Félvezető detektorok/2
A félvezető detektorok működésének magyarázata az anyagok elektron-sáv
elmélete 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
vezetési sáv
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
tiltott sáv
vegyérték sáv
tiltott
megengedett
elektromos tér hatására, elmozdulhatnak, áram folyhat.)
A szigetelő, vezető és félvezető anyagok e sávszerkezetét mutatja a következő három ábra. A szigetelőkben a tiltott sáv olyan
széles, hogy e-ok azon keresztül nem juttathatók a vezetési sávba. A vezetőkben nincs tiltott sáv, a vegyérték és vezetési sávoknak van egy közös tartományuk. A félvezetők tiltott sávja
elég keskeny ahhoz, hogy a vegyérték sávból a,b,g sugárzás
e-okat juttasson a vezetési sávba és elektromos jel keletkezzen.
vezetési sáv
tiltott sáv
vezetési sáv
(10 eV)
vegyérték sáv
szigetelők
vezetési sáv
tiltott sáv (1eV)
vegyérték sáv
vezetők
vegyérték sáv
félvezetők
29
Félvezető detektorok/3
Sugárzások detektálására Si-ból, vagy Ge-ból hibátlan, nagyon tiszta egykristály alkalmas, 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 szomszédja
van (6/a.ábra). A kristály elektromos vezetőképességének növelése érdekében, mesterségesen, részben 5 vegyértékű
elemet (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 a
tiltott 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
n-típusú kristály
(donor szennyezés)
(As, P, Sb)
6/c.ábra
p-típusú kristály
(akceptor szennyezés)
(Ga, B, In)
30
Félvezető detektorok/4
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 között
létrejön egy elektromos töltésektől mentes kiürített tartomány. Ez a detektor érzékeny
térfogata, mert ha a sugárzás ebben elnyelődik, +lyuk-e töltéshordozó párokat hoz létre és detektorra kapcsolt feszültség ezeket összegyűjti, áram folyik, elektromos impulzust
szolgáltat 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 detektor típusra is követelmény.) x0 = a kiürített, érzékeny tartomány
p
n
U (feszültség)
x0
a
7.ábra. Záróirányban előfeszített p-n átmenet.
31
Félvezető detektorok/5
A gyakorlatban a következő félvezető detektor típusok vannak:
- a-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 mg/cm2 , felülete 200-600 mm2, ez egyben elektromos kontaktus
és fényzáró is, érzékeny térfogat vastagsága 100 mm), hűtést nem igényel, üzemifeszültség:
30 – 100 V);
- b -, 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 mm vastag berillium (Be), hengeres egykristály,
cseppfolyós nitrogén hűtést igényel (kb. – 175 0C) , üzemi feszültség 100 – 600 V);
- g - 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;
32
Félvezető detektor típusok
a-spektroszkópiában alkalmazott,
felületi-záróréteges detektor
sugárzás
zártvégű, p-típusú koax, koax Ge/Li
zártvégű, n-típusú, koax
planár
üreges
holtréteg vastagságok!
33
Neutron detektálás
lassú n: E< 0,5 eV magreakciókon keresztül (s általában „nagy”)
energiával rendelkező töltött részecskék: 10B(n,a)7Li; 6Li(n,a)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
n+g
- fólia aktivációval
- SPN detektor (áramgeneráló)
pl. 103Rh (t1/2=42 s, Eb,max=2,44 MeV)
gyors n: -
fólia aktivációval:
A = (En)sa(En)N(1- exp(-ltb))
de ez a módszer termikus neutronokra is alkalmazható
- Bonner gömbös, 6Li – os szcitillációs detektor
34
„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
a + T reakció alapján). Minden fajta sugárzás
mérésére alkalmas. Egy detektor sokszor használható.
-
Szilárdtest nyomdetektor: nagy fajlagos ionizációval rendelkező részecske (pl. a,
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.
35
Mérőberendezések/1
Intenzitás (aktivitás) mérés: impulzus számlálók felépítése:
*
D
előer.
főer.
Int.d
számláló
sugárforrás
Det. táp.
óra
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),
I
A Bq 
tm = a mérés időtartama (s = másodperc egységben),
t mh
h = a detektor hatásfoka (a mért I osztva a mintából 1 s alatt kibocsátott összes
részecske számával) h –át standard forrással lehet kimérni
( )
(h adott deketor esetén a sugárzás fajtájától és a mérési elrendezéstől is függ).
36
Mérőberendezések/2
- Intenzitás és energia mérés: az intenzitás mérés általában
nem elég (elsősorban dozimetriában alkalmazzák), de amikor a mintában
lévő izotópok minőségét is meg kell határozni, az a sugárzás
energiájának ismeretében lehetséges. A minőségi meghatározás 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) ;
37
Mérőberendezések/3
Egycsatornás spektrométer:
* D EE FE
DD
Sz
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 = impulzusszám
U
I/Du
Du = csatorna
szélesség
Du
t
FE kimenet = DD bemenet
U ~ E (keV)
DD kimenet = SZ bemenet
differenciális spektrum
38
Mérőberendezések/4
Sokcsatornás spektrométer:
*
D
EE
FE
sugárforrás detektor
elő- és főerősítő
(ADc)MCA
sokcsatornás analizátor
(ADC + MCA kártya PC-ben)
Detektor: félvezető, Si (a-spektrometria), Ge (g-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).
39
Mérőberendezések/5
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 legtöbb
információ a spektrometriás mérésből nyerhető, mely
energia-spektrumot (a részecskék által létrehozott, azok energiájától
függő, elektromos impulzusamplitúdó eloszlás) jelenít meg. A spektrum
x-tengelyén energia, y-tengelyén impulzusszám van.
Az energiából izotóptáblázat segítségével meghatározható az
izotóp fajta, az impulzusszámból (csúcsterület) pedig az
adott izotóp aktivitása. (pl. a jobb oldali ábra 60Co spektrumot
ábrázol, melynek mérése Ge detektorral történt)
40
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); h = a hatásfok az adott energián és
adott mérési geometriában; k = a sugárzásra jellemző
nukleáris állandó (gyakoriság).
 Ib  I j

N   I i - 
(cs j - csb ) 
csb
 2

cs j
A
N
t mhk
41
- α-spektrométer
- β-spektrométer
(LSC)
42
- γ-spektrométer
43