Download
slide1 n.
Skip this Video
Loading SlideShow in 5 Seconds..
Hoofdstuk 5 Detectie van nucleaire straling Gas-ionisatie detectoren Scintillatoren PowerPoint Presentation
Download Presentation
Hoofdstuk 5 Detectie van nucleaire straling Gas-ionisatie detectoren Scintillatoren

Hoofdstuk 5 Detectie van nucleaire straling Gas-ionisatie detectoren Scintillatoren

223 Views Download Presentation
Download Presentation

Hoofdstuk 5 Detectie van nucleaire straling Gas-ionisatie detectoren Scintillatoren

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript

  1. Hoofdstuk 5 • Detectie van nucleaire straling • Gas-ionisatie detectoren • Scintillatoren • Vaste stof scintillatoren • Vloeibare scintillatoren • Halfgeleider detectoren • Detector karakteristieken • Detectie van neutronen

  2. Algemene principes • Hoge energie van nucleaire straling • 103-106 x E (chemische binding) of E (ionisatie) • Aanzienlijke ionisatie in vloeibare/vaste stoffen • Ionisatiegraad • hang af van soort straling, E, soort materiaal • uiteenlopend types van detectoren • Te gebruiken fenomenen • ionisatie  electronen  electronische meting • E -rijke primaire electronen  secundaire fenomenen •  penetratiediepte (a,b,g)   dikte/r detector materiaal gassen – vaste stoffen / oppervlak – bulk • ‘hoeveelheid ionisatie’ = maat voor energie v/d straling

  3. Gas-ionisatie detectoren • Principe: foto-ionisatie van gasmoleculen (-) (+) n Ar + hn n Ar+ + n e- e= E/n = … eV Versterking + meting e- stroom tussen anode en kathode Geïsoleerde anode-draad (+) Buiswand op (-) hoogspanning He, Ar, Ne, Xe-gas (0.5-2 bar)

  4. (2) hoge energie (1) lage energie Gas-ionisatiedetectoren • Diverse regimes B: n onafhankelijk van V ionisatiekamer regime (n E) C: gasamplificatie: n  n x 102-106 proportionaal-teller regime; E-meting (Rmax = 2 x 106 cps) detectie van ’zachte’ straling:E < 6 keV, l> 2 Å(Ar, 1 atm) D: lawines beïnvloeden elkaar (Ar+ ruimteladingen) beperkte proportionaliteit E: signaal onafhankelijk van E: logische pulsen (0/1) Geiger-Muller regime:lage dosissen (< 2000 cps) 90%/10% Ar/EtOH mengsel (quenching), 800-1000 V

  5. Scintillatoren • Ionisatie: e- + geëxciteerde atomen/moleculen • de-excitatie  fotonen in VIS gebied • detectie secundaire fotonen: PMT • NaI(Tl): 0.1% TlI (1/10 roosterplaatsen in 3D)  dislocaties • Ionisatie van I- : 30 eV  foto-electron met Ekin = hn-30 eV • VB  CB: DE = 3 eV; n =Ekin/DE; bij terugval l = 410 nm • Photo-kathode: foton  foto-electron in PMT • Dynodes: electronen-vermenigvuldiging (x 106)

  6. Scintillatoren • Vaste stof scintillator: NaI(Tl)-detector • dik NaI kristal, hoge dichtheid (3,67 g/cm3) • Al afscherming (vocht, reflectie secundaire fotonen) • E > 6 keV, l < 2 Å, g-straling • Alternatief: ‘plastic’ scintillatoren • antraceen, stilbeen, …: lagere dichtheid (1-1,3 g/cm3) • Vloeibare scintillatoren: b’s met lage E • Klinische/biomedische toepassingen • Mengen van scintillator met oplossing • Meting met PMT

  7. Vloeibare scintillatoren • Solvens [NaI] • Primaire absorptie voor straling  ge-exciteerde solvens moleculen • oplossen van scintillator, secundaire scintillator (aromatische verb.) • mengbaar met te meten (waterige) oplossingen • Bvb.: tolueen, xyleen; naftaleen in dioxaan • Scintillator [Tl] • excitatie via solvens • de-excitatie: l van 300-400 nm • Secundaire scintillator • Energie-overdracht • l-shift: 400-500 nm

  8. Vloeibare scintillatoren • Kwaliteit van scintillatie-keten: F = s.f.q.m ssolvens conversie factor fsolvens-scintillator quantum efficientie qfluorescentie quantum efficientie m spectral matching factor

  9. Vloeibare scintillatoren • Commerciële scintillator ‘cocktails’ • Bvb.:7 g PPO (scintillator) + 0.05 g POPOP (secundaire scintillator) + 50 g naftaleen per liter dioxaan • Bvb.: 4 g PPO + 0.2 g POPOP “Bray’s cocktail” + 60 g naftaleen + 20 ml ethyleenglycol + 100 ml methanol per liter dioxaan • Practische problemen • Precipitatie van zouten (zelf-absorptie van straling) • Inhomogeniteit in de oplossing • Kleur v/d oplossing (quenching v/h fluorescentielicht) • Onoplosbaarheid van het monster (biologische prep.)

  10. Vloeibare scintillatoren • Coïncidentie metingen • laag-energetische straling lage PMT pulshoogte • soms moeilijk onderscheid t.o.v. thermische ruis • detectie van 2 simultaan (10-8 s) geproduceerde fluorescentiefotonen

  11. Halfgeleider detectoren • Principe (vaste-stof analoog van gas-detectoren) • “Intrinsiek” Si/Ge: zonder vrije ladingsdragers • Straling  ionisatie  n electron/gat paren  el. stroom doorheen kristal • Intrinsiek maken van Si • p-type Si(IV): e- tekort (Al:III) • compensatie met Li  Li+ + e- door ‘driften’  Si(Li) • HPGe: high purity Ge - [voorheen: Ge(Li)]

  12. (-) (+) Halfgeleider detectoren • p i n-diodes • ‘reverse’ bias: lage I • stralingsinval: I-puls • foton  foto-e- n electron-gat paren n = E/e • e : 1 e- van VB  CB (bandgap) e = 3.62 eV (Si), 2.96 eV (Ge) • reductie donkerstroomvacuum cryostaat LN2 (-196o C) (-) (+)

  13. m ms mH mL Detector resolutie • Detectie van lage/hoge E fotonen • reeks pulsen met kleine/grote amplitude (mL/mH) • Ruis: niet alle pulsen hebben exact dezelfde hoogte • 1E : Gauss-piek ipv scherpe lijn in frequentie-histogram • Full-width-at-half-maximum: FWHM = 2.355 s

  14. 3500 eV 591 eV ~ 170 eV Detector resolutie • piek FWHM  scheiding van opeenvolgende lijnen • DE in X-stralen gebied: E (Zn-Ka) – E (Cu-Ka)= 8638-8047 eV = 591 eV • FWHM(HPGe) rond 8 keV: ~ 170 eV • FWHM(scint.) rond 8 keV: ~ 3500 eV

  15. Detector resolutie • Conversies bij scintillatoren hn foto-e-  n fotonen  n foto-e- e- lawine  I/V puls • Conversies bij halfgeleider detectoren hn foto-e-  n e-/gat paren  I/V puls g-spectrum van 60Co

  16. m ms Detector resolutie • Bijdragen tot de lijnverbreding • Statistische bijdrage (sstat): Poisson/Fano statistiek • aantal e-/gat paren n = E/e  • in energie-eenheden: • Poisson statistiek: • Fano statistiek: F: 0.06-0.12 • Electronische bijdrage (selec): belangrijk bij lage energie

  17. EDXRF spectrum van staal Detector artefacten • ’Escape’-lijnen • als E > 1.740 keV  K-ionisatie van Si • Si-Ka ’ontsnapt’ uit Si(Li) kristal • ’Pile-up’-lijnen: coïncidentie • EFe-Ka + EFe-Ka= 6.4 + 6.4 = 12.8 keV (Ipu I2Fe-Ka) 10x10 • EFe-Ka + EFe-Kb= 6.4 + 7.1 = 13.5 keV (Ipu 2IFe-Ka.IFe-Ka) 2x10x1 • EFe-Kb + EFe-Kb= 7.1 + 7.1 = 14.2 keV (Ipu I2Fe-Kb) 1x1 R C 1.74 keV Eo = 15 keV

  18. Ontsnapping uit een Ge-kristal • HPGe: meerdere secundaire deeltjes • diverse ontsnappingsmogelijkheden • afhankelijk van de kristalgrootte klein normaal groot PE: foto-electrisch effect; CS: Compton strooiing; PP: paarproductie

  19. Ontsnappingsartefacten

  20. 477,3keV Compton randen • Compton strooiing Eg i = Eg f + Ee • Ontsnapping van Ef enkelEe gedetecteerd • Ee: afhankelijk van de strooi-hoek q q = 0 Ee = 0; q = p

  21. Paarproductie • ge- + e+ + E kin= E -1022 keV e+ annihilatie  2.g511 keV • Ontsnapping van één of beide g511 keV • Eg - 511keV • Eg - 1022 keV • Ontsnapping vanalles behalve g511 keV • 511 keV

  22. Neutronen detectie • Conversie naar geladen deeltjes • n + 3He  p + 3H + 765 keV + detectie van p + 3H in 3He-gevulde proportionaal teller • n + 10B  a + 7Li + 2.310 MeV + detectie van het a-deeltje • Thermische neutronen • gas-proportionaal tellers zijn efficient • Snelle neutronen • eerst thermalisatie/moderatie (in bvb. 10 cm HDPE)

  23. Detectie van fissie-neutronen • Fissie: meerdere neutronen komen vrij • Moderatie + coïncidentie-telling meerdere 3He-telbuizen in HDPE moderator-blok Bepaling van fissie-gevoelig materiaal in multi-element monsters