1 / 23

Hoofdstuk 5 Detectie van nucleaire straling Gas-ionisatie detectoren Scintillatoren

Hoofdstuk 5 Detectie van nucleaire straling Gas-ionisatie detectoren Scintillatoren Vaste stof scintillatoren Vloeibare scintillatoren Halfgeleider detectoren Detector karakteristieken Detectie van neutronen. Algemene principes. Hoge energie van nucleaire straling

ilya
Download Presentation

Hoofdstuk 5 Detectie van nucleaire straling Gas-ionisatie detectoren Scintillatoren

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

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

More Related