Detektory záření gama

1. Plastic HPGe Počet NaI(Tl) CZT Energie [keV] BGO krystaly z Novosibirska Detektory záření gama NaI(Tl) detektor pro připravovanou sondu GLAST 1) Srovnávací charakteristiky detektorů 2) Scintilační detektory 3) Polovodičové detektory 4) Krystal difrakční spektrometry Srovnání spektra přirozeného pozadí detekované různými typy detektorů (převzato z prezentace firmy ORTEC) HPGE detektory sondy INTEGRAL

2. Srovnávací charakteristiky detektorů Citlivost – schopnost produkovat měřitelný signál pro daný typ částic a energii. Závisí na: 1) účinném průřezu ionizujících reakcí, reakcí fotonů, ... 2) hmotnosti detektoru, jeho konstrukci 3) šumu detektoru 4) tloušťce a druhu materiálu obklopujícího citlivý objem detektoru Odezva – vztah mezi energií částice a výstupem na detektoru (celkovým nábojem nebo amplitudou proudového pulsu). Funkce odezvyF(E,E´) - spektrum S(E´) monoenergetického svazku je detektorem pozorováno jako komplikovaná funkce většinou blízká Gaussově funkci s chvostem k nižším energiím. Naměřené rozložení amplitud pulsů P(E): E– energie v naměřeném spektru,E´-energie původní Časová odezva – čas vytváření signálu v detektoru Tvar pulsu – tvar signálu z detektoru náběžná hrana, sestupná (i více složek) rychlá složka, pomalá složka

3. Mrtvá doba – doba potřebná pro vytvoření a zpracování signálu v detektoru. 1) detektor se stává necitlivý 2) detektor zůstává citlivý – vzniká „pile-up“ – skládání amplitud Předpoklad: mrtvá doba τje konstantní: Případ 1 (mrtvá doba se neprodlouží): Skutečný počet částic: NS = mT = k + mkτ m – skutečná četnost, T – doba měření, k – počet zaznamenaných případů Mrtvá doba a její vliv skutečná četnost: Případ 2 (mrtvá doba se prodlouží): Rozdělení intervalů t mezi příchodem signálů: a tedy pravděpodobnost,že t > τ: a mezi počtem registrací k a skutečnou četností m platí:

4. Detekční účinnost – poměr mezi počtem částic vyzářených zdrojem a detekovaných detektorem – absolutní účinnost. Ta se skládá z vnitřní účinnosti εVNIa geometrické účinnosti (akceptance) εGEO: ε = εVNI·εGEO Standard – linka 1332 keV 60Co Udává se i relativně – detektor vůči standardnímu (např. NaI(Tl) o rozměru 7,627,62 cm) v zadané geometrii ( - vzdálenost 25 cm) εNaI = 0,12 % Poměr mezi píkem a comptonovským pozadím - pro detektory záření gama – poměr mezi maximální amplitudou v píku 1332 keV a střední hodnotou v oblasti 1040 – 1096 keV Energetické rozlišení – nejmenší rozlišitelný rozdíl energie ΔE mezi dvěma blízkými energiemi. Monoenergetický svazek → ideálně δ-funkce – reálně pík s konečnou šířkou (většinou má Gaussův tvar. Rozlišení se většinou udává ve formě pološířky – FWHM). Udává se relativní rozlišení ΔE/E v [%]. odchylku od Gaussova tvaru udává: FWTM – šířka v 1/10 výšky FWFM – šířka v 1/50 výšky Gauss: FWTM/FWHM = 1,82 FWFM/FWHM = 2,38 I jiná rozdělení, asymetrie, elektrostatický spektrometr – Lorentzův tvar

5. Velikost pološířky – energetického rozlišení: (Platí pro scintilační, polovodičové, plynové detektory) Počet vzniklých nosičů náboje, fotonů …: Kde eS je střední energie potřebná na vznik nosiče náboje nebo fotonu Ionizace a deexcitace – Poissonovo rozdělení → standardní odchylka: Vztah mezi FWHM a σ pro Gaussovu křivku: FWHM = 2,35 ·σ Detektor pohlcující část energie: Deponovaná energie E volně fluktuuje → platí Poissonovo rozdělení: Detektor pohlcující celkovovou energii (fotonové detektory): Deponovaná energie je fixní konečná hodnota → neplatí Poisson opravu zavedl Fano: kde F – korekce Fano Relativní energetické rozlišení:

6. Srovnání absolutního a relativního rozlišení pro scintilační a polovodičové detektory Velikost pološířky ovlivňují i další faktory: pohlcení nosičů náboje, fotonů vlastnosti elektroniky …. Pokud jsou příspěvky nezávislé: (ΔE)2 = (ΔETN)2 + (ΔEPN)2 + (ΔEELEK)2 + … Časové rozlišení – nejmenší rozlišitelný rozdíl časů – definice podobné jako u energie Dráhové rozlišení – nejmenší rozlišitelný rozdíl v dráze – definice obdobná jako u předchozích

7. Gaussova křivka před ozářením Křivka po ozáření Odolnost proti radiačnímu poškození– radiační ozáření → poškození, poškození krystalové mříže, poruchy méně citlivé – kapalné a plynné detektory více citlivé – scintilační a hlavně polovodičové detektory Ukázka zhoršení HPGE detektorů sondy INTEGRAL po ozáření (zprava A.Thevenina) Při experimentech na urychlovačích pracují detektory v silném radiačním poli Někdy dochází k postupné regeneraci, u HPGe detektoru lze detektor regenerovat při ohřátí

8. Scintilační detektory Scintilační detektor: 1) Scintilator 2) Fotonásobič + antimagnetické stínění (nebo fotodioda) 3) Dělič Průchod ionizujícího záření → excitace atomu a molekul deexcitace → energie → produkce světla - luminiscence Informace: 1) Energie 2) Čas – jsou rychlé 3) Identifikace částice z tvaru pulsu Fluorescence– rychlá konverze energie na světlo 10-8s Fosforoscence- zpožděná konverze energie na světlo μs – dny – větší λ Vlastnosti fotonásobičů, fotodiod, lavinových fotodiod – viz literatura

9. Vybíjení lze popsat exponenciálním vybíjením: jednosložkové dvojsložkové: τR – rychlejší složka, τP – pomalejší složka Příklad tvaru signálu u dvojsložkového scintilátoru Požadavky na scintilator: • Vysoká efektivita konverze excitační energie na fluorescenční světlo • Konverze by měla být lineární • Průhlednost pro fluorescenční světlo (v jiné oblasti spektra emituje • a absorbuje světlo • 4) Fluorescenční spektrum vhodné pro fotonásobiče • 5) Krátká rozpadová konstanta • 6) Musí mít dobré optické vlastnosti a musí být opracovatelný • 7) Index lomu musí být blízký n = 1,5 (sklo) – dobrý přestup světla do FN

10. Organické scintilátory:1) Organické krystaly– antracén, stylbén 2) Tekuté organické scintilátory velmi odolné proti radiačnímu poškození, měřená radioaktivní látka může být součástí 3) Plastické scintilátory – velmi rychléτ~ 2 ns, NE111:τNáběžná hrana= 0,2 nsa τ = 1,7 ns nízké Z → malé σ pro fotoefekt, převažuje comptonův rozptyl, přidání příměsi těžkých prvků (Pb) → zvětšení fotopíku, zmenšení světelného výstupu Anorganické scintilátory:Jsou pomalejší, větší Z → vhodnější pro záření gama, CsI(Tl), NaI(Tl) (je hygroskopický), BGO (Bi4Ge3O12), BaF2,PbWO4 BGO, BaF2,PbWO4velmi vhodné pro vysokoenergetické gama BaF2 velmi rychlý (rychlá komponenta), dvě komponenty ρ[g/cm3]eS[eV]τ[ns] Anthracen ~0,8 60 30 Plastik (NE111) ~1,2 100 1.7 NaI3,67 25 230 BGO 7,13 300 300 BaF2 4,89 125 0,6 (rychlá k.) 600 (pomalá k.) Limitní teoretické rozlišení, bez započtení vlivu elektroniky a vychytávání nosičů náboje Fano koeficient je pro scintilátory F ~ 1

11. TAPS a ALICE prezentované fotomateriály BaF2 krystaly fotonového spektrometru TAPS ultrafialové komponenty λ=220nm a λ=310 nm Krystal PbWO4 vysokoenergetického fotonového spektrometruprojektu ALICE, modrá λ= 420 nm azelená λ= 480-520 nm

12. Polovodičové detektory Velmi časté: HPGe (dříve Ge(Li)) – potřebují chlazení tekutým dusíkem Si – pro nízkoenergetickou oblast Novější a zatím speciálnější: CdTe, HgI2, CdZnTe (CZT) – zatím také pro nízké energie není třeba chladit, eS~ 4,4 eV Ge, Si – čtyři valenční elektrony – uvolnění elektronu (jeho převedení z valenčního do vodivého pásu) → vzniká díra a volný elektron Příměs s 3 valenčními elektrony – příjemce elektronů → převaha děr → polovodič typu p Příměs s 5 valenčními elektrony – dárce elektronů → převaha elektronu→ polovodič typu n Ge(Li) detektor – 1012 atomů příměsí na cm3 HPGe – 109 atomů příměsí na cm3 Zabránění tepelné produkci párů díra a elektron → teplota 77 K stránky W. Westmaier Záchyt a rekombinace na poruchách a příměsích HPGe detektor umístěný do stínícího olověného boxu

13. Základní vlastnosti polovodičů: přiT=77 KSi Ge Z14 32 atomová hmotnost28,09 72,60 hustota ρ [g/cm3] 2,33 5,33 energetická mezera [eV] 1,1 0,7 pohyblivost elektronůμe[ 104cm2/Vs] 2,1 3,6 pohyblivost děr μd[104cm2/Vs] 1,1 4,2 eS[eV]3,76 2,96 Fano koeficient F ~ 0,09 ~ 0,06 ve = μe·E vd = μd·E Napětí na detektoru přes 1000 V Malé pulsy → nutnost předzesilovače: detektor → předzesilovač → zesilovač → ADC → analyzátor, počítač Pozičně citlivé HPGe segmentované detektory jsou vyvíjeny v LLNL (Kalifornská universita) jejich WWW Technické podrobnosti – viz. doporučená literatura

14. Parametry pro linku 60Co 1332 keV Relativní efektivita ku standardu (NaI(Tl)): 10 – 70 % (εNaI = 0,12 % εGEO ~ 0,58 %εVNI~ 20 % ) pík/compton: 1:30 až 1:60 Rozlišení: FWHM 1,7 – 2,3 Tvar píku: FWTM/FWHM ~2,0 (Gauss 1,82) FWFM/FWHM 2,65 – 3,00(Gauss 2,38) ΔEΣ2 = ΔETN2 + ΔEELEK2 + ΔEPN2 ΔETN – vnitřní neurčitost (tvorby nosičů) ΔEELEK – neurčitost daná elektronikou ΔEPN – neurčitost daná rekombinací a záchytem elektronů a děr Nízké energie – Si a tenké HPGe detektory, beryliové okénko Vysoké energie - HPGe s velkým objemem, hliníkové okénko delší (6 μs) nebo kratší (2 - 4 μs) časová konstanta u zesilovače Limitní teoretické rozlišení, bez započtení vlivu elektroniky a vychytávání nosičů náboje Přesnost měření až jednotky eV Obrovské rozšíření v praxi →řada komerčně vyráběných typů a modelů

15. Zdroj Kolimátor φZ φC φK ΘB Krystalová mříž Krystal difrakční spektrometry Skládají se z 1) destičky z krystalu (křemenný krystal, kalcit) 2) detektoru rentgenovského a gama záření Charakteristické úhly ovlivňující šířku linky φZ – úhel pod nímž je vidět zdroj φK – úhel pod nímž je vidět štěrbina kolimátoru φC – úhel pološířky difrakční linky ΘB – Braggův úhel Úhlová pološířka φintenzity pak je (pro malé hodnoty všech úhlů v radiánech) φ2 ≈ φZ2 + φK2 + φC2 Detektor Různé geometrie krystalu: Rovné krystaly Ohnuté krystaly Různé konfigurace: s jedním krystalem Θ = ΘB se dvěma krystaly Θ = 2ΘB R – úhlové rozlišení Příklad přesnosti měření: 169Yb → 169Tm linka 63 keV – E = 63,12080(16) keV Nutno započítat vliv odrazu při vyzáření fotonu a přesnosti určení energetických standardů