белые вина. Лабораторная работа 3 определение эффективности регистрации гаммаизлучения сцинтилляционным детектором
 Скачать 464.15 Kb.
|
1 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕГИСТРАЦИИ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫМ ДЕТЕКТОРОМ Цель работы - изучение принципа действия и устройства сцинтилляционных детекторов, экспериментальное определение эффективности регистрации гамма- излучения сцинтилляционными детекторами, определение зависимости эффек- тивности регистрации от размеров кристалла и энергии гамма-излучения. Теоретическая часть Принцип действия и устройство сцинтилляционных детекторов Сцинтилляционный метод является в настоящее время одним из наиболее рас- пространенных способов регистрации и спектрометрии ионизирующих излуче- ний. Сцинтилляционные детекторы широко используются в прикладной ядерной физике для регистрации гамма-излучения, изучения спектров излучений радио- нуклидов, измерения времени жизни возбужденных состояний атомных ядер и др. Сцинтилляционная техника нашла широкое применение и в производстве: гамма-дефектоскопия, различного вида бесконтактные толщиномеры и плотно- меры, сигнальные устройства и т.д. Действие сцинтилляционных детекторов основано на совершенно других принципах, нежели действие газоразрядных детекторов. Различны характеристи- ки и свойства этих детекторов. В газоразрядных детекторах первичная ионизация усиливается процессами газового разряда, а в сцинтилляционных детекторах ис- пользуется явление люминесценции, возникающее в прозрачных твердых телах, жидкостях или газах при прохождении через них ионизирующих излучений. Широкая область применения сцинтилляционных детекторов основывается в значительной мере на комплексе следующих положительных свойств: высокой эффективности регистрации фотонов, заряженных частиц и нейтронов (например, для фотонов и нейтронов эффективность регистрации можно довести до 50 - 100%, что для газоразрядных детекторов практически сделать невозможно); вы- сокой временной разрешающей способности, позволяющей проводить измерения до десятых долей наносекунды; возможности различать вид излучения и опреде- лять его энергетический спектр; возможности создавать детекторы любых форм и размеров в зависимости от требований эксперимента. 2 В простейшем случае сцинтилляционный детектор состоит из сцинтиллятора, фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) и электронного блока для усиления, анали- за и счета импульсов (рис.3.1). 6 7 8 1 2 3 4 5 Рис. 3.1. Схема установки для регистрации излучения сцинтилляционным детек- тором: 1 - корпус блока детектора; 2 – сцинтиллятор; 3 - светопровод; 4 - фото- электронный умножитель; 5 - согласующее электронное устройство; 6 - усили- тель импульсов; 7 - счетное устройство; 8 - источник высокого напряжения. В сцинтилляторе часть энергии исследуемого излучения преобразуется в кван- ты света. Величина преобразованной энергии зависит от типа частиц и материала сцинтиллятора. Часть квантов света достигает фотокатода ФЭУ. Эта часть опре- деляется, в основном, прозрачностью сцинтиллятора и оптическим контактом между сцинтиллятором и фотокатодом ФЭУ. Передача люминесценции от сцин- тиллятора на фотокатод ФЭУ иногда осуществляется при помощи так называе- мых световодов (светопроводов). Благодаря этому в некоторых экспериментах удается отделить сцинтиллятор от фотоумножителя и вывести фотоумножитель из области действия сильных электромагнитных полей, высокого давления, тем- пературы, радиации и т.д. В ряде случаев для обеспечения лучшей равномерности освещения фотокатода и возможности использования детекторов с различной чувствительной поверхностью также целесообразно применять световоды. Фото- ны, попадающие на фотокатод ФЭУ, выбивают из него фотоэлектроны. Поток электронов после электронно-оптической фокусировки попадает в динодную си- стему и усиливается на несколько порядков. Выходные импульсы, снимаемые с анода ФЭУ, подаются на регистрирующие устройства, которые, в зависимости от требуемых задач, могут быть предназначены для счета частиц и анализа амплиту- ды, формы и длительности импульсов. 3 Сцинтилляторы, их основные характеристики Сцинтиллятором называется часть детектора, где происходит взаимодействие излучения с веществом и часть потерянной энергии излучения идет на возбужде- ние люминофоров, которые, возвращаясь из возбужденного состояния в основ- ное, излучают световые кванты. Основным условием для регистрации сцинтилля- ции является сдвиг спектра поглощения относительно спектра испускания в сто- рону более коротких волн. В качестве сцинтилляторов используется довольно широкий класс веществ твёрдых, жидких, газообразных. По химической природе они могут быть органическими и неорганическими. Универсальных сцинтиллято- ров нет, для каждого вида излучения необходим свой сцинтиллятор. Основными характеристиками сцинтилляторов являются: спектральная харак- теристика, время высвечивания, конверсионная эффективность, эффективность регистрации излучения, энергетическое разрешение. По механизму высвечивания сцинтилляторы можно разделить на три группы: неорганические сцинтилляторы; органические сцинтилляторы; газообразные сцинтилляторы. Среди неорганических сцинтилляторов чаще всего применяется NaI(Tl) в виде монокристаллов. Он имеет высокую плотность и хорошую прозрачность, спектр люминесценции имеет максимум примерно при 450 нм, что хорошо согласуется со спектральной характеристикой обычных ФЭУ. Время высвечивания NaI(Tl) относительно велико 0,2 - 0,3 мкс. Благодаря высокой плотности и большому атомному весу кристаллы NaI(Tl) с успехом используются при регистрации и спектрометрии гамма-излучения. Применяются также неорганические сцинтилляторы CsI(Tl) и LiI(Eu). Кристал- лы йодистого лития позволяют создать простые детекторы для регистрации теп- ловых нейтронов. К органическим сцинтилляторам относятся монокристаллы антрацена, стиль- бена, толана и нафталина, а также пластические сцинтилляторы. Отличительной особенностью органических сцинтилляторов по сравнению с неорганическими является малое время высвечивания (10 -9 - 10 -8 с). Из пластических сцинтилля- торов можно изготовить детекторы больших размеров и сложной конфигурации. Эффективность регистрации органическими сцинтилпяторами фотонов ниже, чем 4 у неорганических, и поэтому они чаще используются для регистрации заряжен- ных частиц. К третьему типу сцинтипляторов относятся благородные газы - ксенон, крип- тон, аргон. Спектр люминесценции у этих газов находится в области ультрафио- летового света, который плохо регистрируется обычными ФЭУ. Это ограничива- ет возможность их применения. Эффективность регистрации гамма-излучения сцинтилляционным детектором Гамма-излучение непосредственно не ионизирует вещество, а его регистрация происходит с помощью вторичных электронов, создаваемых излучением в сцин- тилляторе. В связи с этим особое значение имеет одна из основных характеристик детектора- эффективность регистрации. Физический смысл эффективности регистрации гамма-излучения сцинтилля- ционным детектором состоит в следующем. Гамма-излучение, проходя через сцинтиллятор, поглощается вследствие различных физических процессов. Интен- сивность прошедшего излучения ) exp( 0 x I I , (3.1) где x - путь, пройденный излучением в сцинтилляторе; -линейный коэффициент поглощения. Вероятность фотону пройти в сцинтилляторе путь x без взаимодействия равна ) exp( x .Тогда вероятность взаимодействия фотона с веществом сцинтиллятора и, следовательно, вероятность регистрации ) exp( 1 x p (3.2) Так как пути x, пройденные фотонами в сцинтилляторе, в зависимости от гео- метрии эксперимента различны, то различна и эффективность регистрации. Например, для параллельного моноэнергетического пучка фотонов, падающего нормально на поверхность цилиндрического сцинтиллятора, эффективность реги- страции ) exp( 1 d (3.3) где d - толщина кристалла. В случае точечной геометрии (рис. 3.2 ), эффективность регистрации определя- ется по формуле 5 0 0 exp( 1 d x (3.4) где 0 – телесный угол, под которым виден кристалл из источника. Переходя от телесного угла 0 к плоскому , получим следующее выражение для эффективности регистрации ( без учета краев кристалла ): 1 0 sin )) exp( 1 ( 1 d x G , (3.5) G – геометрический фактор, 2 2 1 0 1 2 1 cos 1 2 1 sin 2 1 1 r h h d G ; (3.6) x θ θ 1 θ 2 h d r Аγ Рис. 3.2. К определению эффективности регистрации для точечной геометрии ис- точник-кристалл (x -путь, проходимый фотонами в кристалле). Фотоэлектронный умножитель Импульс света, возникающий в сцинтилляторе при прохождении через него ионизирующей частицы, регистрируется с помощью фотоэлектронного умножи- теля, состоящего из фотокатода, анода и динодов (рис. 3.3). Попадая сквозь про- зрачное окно на фотокатод ФЭУ, кванты света вырывают из светочувствительно- го слоя некоторое количество электронов. Фотоэлектроны ускоряются электриче- ским полем и ударяют о специальные электроды, называемые динодами. На ди- нодах происходит умножение электронов. Последний динод является анодом. 6 Наиболее важной частью ФЭУ является фотокатод, который изготавливают из щелочных металлов с малой работой выхода. Основными требованиями к фото- катоду являются: высокая спектральная чувствительность, равномерная по всей поверхности катода, соответствие спектральной чувствительности фотокатода спектральному составу люминесценции сцинтиллятора; минимальная термоэмис- сия при рабочей температуре (минимальный шум), стабильность в работе (мини- мальное “утомление”). К основным характеристикам фотокатода ФЭУ относится спектральная харак- теристика, квантовый выход и интегральная чувствительность. Квантовый выход η(λ) - это величина, которая определяет количество фотоэлектронов, выбитых из фотокатода одним квантом света с длиной . Лучшие фотокатоды имеют кванто- вый выход от 10 до 25% .Интегральная чувствительность фотокатода ФЭУ S - это отношение фототока катода к световому потоку излучения от источника света с определенной температурой. Величина S = 20 200 [мкА/Лм] в зависимости от материала фотокатода. Для сурьмяно-цезиевых фотокатодов S лежит в пределах 20 - 80 мкА/лм с максимумом при 450 нм. -U R 5 R 7 R 6 R 3 R 2 R 1 R 4 R n C 1 C 2 C 3 C ВХ C’ ВХ 1 2 3 4 R’ n Рис. 3.3. Устройство и схема включения ФЭУ: 1 - фотокатод; 2 - диафрагма, 3 - диноды; 4 - анод Спектральная характеристика фотокатода ФЭУ – это зависимость квантового выхода от длины волны (рис. 3.4). Диноды изготавливаются из металлов с малой работой выхода, способных при бамбардировке электронами испускать вторичные электроны в количестве, пре- вышающем число первичных в несколько раз. Если N e - число электронов, со- бранных с фотокатода на 1-й динод, то число электронов, достигших анода, 7 n e a m N N , (3.7) где m – коэффициент вторичной эмиссии электронов; n – число динодов. 300 400 600 500 700 λ, нм η, % 10 20 2 1 Рис. 3.4. Спектральная характеристика фотокатодов ФЭУ: 1 - фотокатод из Sb Cs O (S = 60 мкА/Лм); 2 – фотокатод из Sb Cs K Na O ( S = 150 мкА/Лм) Если это равенство выполняется , то ФЭУ работает в линейном режиме, и ам- плитуда импульса на его выходе пропорциональна числу фотоэлектронов, выби- тых с катода, следовательно, и интенсивности свечения сцинтиллятора. Число динодов в фотоумножителе обычно равно 10 - 12. Для изготовления динодов ис- пользуются сплавы Al-Mg-Si или Cu-Al-Mg. Материалы динодов должны иметь высокий коэффициент вторичной электронной эмиссии, малую термоэмиссию и фотоэмиссию. Коэффициент умножения ФЭУ равен: n Д n U U U A q m q M 0 0 exp , (3.8) где А и U 0 - константы, зависящие от материала динодов; q - коэффициент сбора электронов на 1-й динод. При 100 150 Д U В m=2÷7. Из приведенной формулы следует, что коэффициент усиления ФЭУ и, следовательно, амплитуда импульса, вызванного сцинтилляцией кристалла, сильно зависят от напряжения, поданного на ФЭУ. 8 Кроме полезных сигналов на выходе ФЭУ, существуют шумовые импульсы, которые образуют темновой ток. Основные причины шумовых импульсов следу- ющие: термоэмиссия с фотокатода и с первого динода ФЭУ; автоэлектронная эмиссия; ионная и оптическая обратная связь; токи утечки через изоляцию и ра- диоактивность стекла. Число регистрируемых шумовых импульсов растет с напряжением. Шумовые импульсы чаще имеют амплитуду, меньшую, чем полезные импульсы, поэтому их можно отделить дискриминатором. Для уменьшения шума применяют охла- ждение фотокатода ФЭУ, так как темновой ток зависит от температуры по зако- ну: T k T A i exp 2 , (3.9) где φ - работа выхода электронов из материала фотокатода ФЭУ; А – константа. Кроме вышеизложенного метода борьбы с шумом, применяют также метод двойных или тройных совпадений. Форма импульса тока на выходе ФЭУ Для работы ФЭУ необходимо на диноды подавать последовательно возраста- ющее напряжение. Практически это осуществляется с помощью делителя напря- жения (резисторы R 1 – R 7 на рис.3.3). Для безопасности работ с ФЭУ высокое напряжение обычно подается на фотокатод, тогда на аноде отсутствует постоян- ная составляющая напряжения, и измеряется только импульсный ток. Часто в экспериментах необходимо с одного ФЭУ снимать два сигнала. Для этого в цепи последнего динода устанавливается резистор Н R (см. рис 3.3).Сигнал, снятый с Н R , имеет полярность, противоположную анодному сигналу. Для обеспечения работы ФЭУ в линейном режиме ток через делитель должен в 10 - 20 раз превышать максимальный анодный ток. Форма импульса тока на выходе ФЭУ определяется величиной времени высве- чивания сцинтиллятора τ 0 и постоянной схемы включения - R Н C ВХ . Ток в анодной цепи ФЭУ i ф разветвляется на i R - ток, протекающий через сопротивление нагруз- ки, и i С -ток, протекающий через емкость, поэтому ф C R i t i t i (3.10) Ток i Ф можно представить в следующем виде: 9 0 0 exp t Q i ф , (3.11) где Q – величина заряда на выходе ФЭУ. Для напряжения U, образующегося на сопротивлении R, получим следующее уравнение: 0 0 exp t Q dt dU C R U (3.12) Решение этого уравнения: RC t t RC RC C Q t U exp exp ) ( 0 0 (3.13) При RC >> τ 0 решение имеет вид 0 exp 1 exp ) ( t RC t C Q t U (3.14) Исследуя эту зависимость при разных t можно установить, что передний фронт импульса (малые t) определяется τ 0 , задний фронт (большие t) – RC. Правила выбора величины RC: RC > 5τ 0 , обычно RC=5 10τ 0 , например, при ра- боте с кристаллом NaI(Tl), у которого 6 0 10 25 , 0 с, RC ≥ 1,25·10 -6 с. Экспериментальная часть Описание установки для регистрации гамма-излучения В лабораторной работе используется установка, структурная схема которой приведена на рис. 3.5. Установка состоит из 3-х спектрометрических сцинтилля- ционных детекторов с кристаллами NaI(Tl) (на рис.3.5. приведены два детектора), размерами: 1-й - 25х25 мм; 2-й - 40х40 мм и 3-й - 150х100 мм. В детекторах использованы фотоумножители: в 1-м - ФЭУ-35, во 2-м - ФЭУ-93; в 3-м - ФЭУ- 49Б. На детекторы подается высокое напряжение для питания ФЭУ от стабилизиро- ванного источника питания. Рабочее напряжение для детектора № 1 составляет +1300 В, для детектора № 2 + 1600 В; для детектора № 3 + 1700 В. Катоды ФЭУ - заземлены. 10 2 1 3 4 5 А γ ´ А γ ´ ´ К Рис. 3.5. Схема установки для регистрации гамма-излучения Согласующее устройство детектора - эмиттерный повторитель, питается от ис- точника низкого напряжения 4 (±12В). Эмиттерный повторитель согласует высо- кое выходное сопротивление ФЭУ с низким волновым сопротивлением кабеля, соединяющего детектор с регистрирующим прибором. Для регистрации импульсов, поступающих с детекторов, служит пересчетный прибор 5 типа ПСО2. Ключ “К”, расположенный на стойке, служит для последо- вательного подключения высокого напряжения, низкого напряжения и регистри- рующего прибора к каждому из детекторов. Блоки детекторов состоят из корпуса, в котором находятся сцинтиллятор, ФЭУ и эмиттерный повторитель. Блок детектора представляет собой герметичную не- разборную конструкцию, в которой сцинтиллятор и ФЭУ непосредственно со- единены между собой, образуя сцинтиблок. В результате этого достигается хо- роший оптический контакт между сцинтиллятором и ФЭУ. Проведение эксперимента Эффективность регистрации определяется для 3-х детекторов разных размеров и 3-х источников излучений с различной энергией гамма-излучения. Характеристики источников излучения, используемых в работе, приведены в табл. 3.1. 11 Таблица 3.1. Источник A 0 , кБк E γ , кэВ Квантовый выход k, % T 1/2 , сут. Дата паспортизации активности 137 Cs 113,5 661,660 85,1 11020 31.12.2001 г. 60 Co 99,66 1173,238 99,86 1925,5 1332,502 99,98 22 Na 123,1 511 180,76 950,8 1274,54 99,9 Экспериментально эффективность регистрации определяется следующим обра- зом. Для каждого детектора устанавливается своё рабочее напряжение. Затем из- меряется скорость счёта фона n фон , а затем скорости счёта от каждого источника n изм . Зная абсолютную активность источников, эффективность регистрации опре- деляется по формуле: % 100 % 100 G A n n n n n Ф изм ист Ф изм , (3.15) где: n ист = А *G; А -число фотонов, испускаемых источником, определяемое как число распадов источника (активность A), умноженное на квантовый выход гамма квантов на один распад (в долях от единицы), G -геометрический фактор. Геометрический фактор G определяется из формулы (3.6) Порядок работы : ВНИМАНИЕ!!! Включение установки и размещение источника ионизи- рующего излучения осуществляются только в присутствии преподавателя 1. Включить источники питания низкого и высокого напряжения, пересчётный прибор. Полярность сигнала, снимаемого с детекторов - отрицательная. 2. Поставить переключатель детекторов в положение 1, при этом к схеме под- ключается детектор № 1. Установить рабочее напряжение, равное 1300 В. 12 3. Измерить n 1Ф для детектора № 1, для этого сделать без источника 10 измерений за 10 сек. каждое, в автоматическом режиме, записать показания и найти сред- нее значение фона: 4. Установить на подставку источник излучения 60 Со, определить изм n , для этого сделать 10 измерений за 10 сек. каждое, определить среднее значение. Найти изм n для других источников, результаты записать в табл. 3.2. Таблица 3.2 Источник Расстояние до источника h , см G A γ n ист ,с -1 изм n ,с -1 Ф n ,с -1 η, % 60 Со 137 Cs 22 Na 5. Поставить переключатель в положение 2. Установить рабочее напряжение на детекторе № 2, равное 1600 В. Провести измерения Ф n и изм n для детектора № 2, аналогично п.3 и п.4. Результаты свести в таблицу, аналогичную табл. 3.2. 6. Поставить переключатель в положение 3. Установить рабочее напряжение на детекторе № 3, равное 1700 В. Провести измерения Ф n и изм n для детектора № 3, аналогично п.3 и п.4. Результаты свести в таблицу, аналогичную табл. 3.2. 7. Обработать полученные результаты, построить зависимость эффективности ре- гистрации от Е для трёх детекторов. 8. Теоретически определить эффективность регистрации гамма-излучения сцин- тилляционным детектором с кристаллом NaI(Tl). Расчет эффективности регистра- ции производится по формулам (3.3) для параллельного моноэнергетического пучка фотонов, η 1 и (3.5) для точечного источника, η 2 . Результаты занести в табл. 3.3. Таблица 3.3 Энергия γ- квант, МэВ μ, см - 1 Детектор 1 Детектор 2 Детектор 3 η 1 , % η 2 ,, % η 1 , % η 2 , % η 1 , % η 2 , % 0,2 1,1 2 13 Энергия γ- квант, МэВ μ, см - 1 Детектор 1 Детектор 2 Детектор 3 η 1 , % η 2 ,, % η 1 , % η 2 , % η 1 , % η 2 , % 0,3 0,4 2 0,4 0,4 0 0,5 0,3 3 0,6 0,2 8 0,8 0,2 4 1,0 0,2 1 1,25 0,1 9 1,5 0,1 7 Построить графики зависимости η=f(E γ ) для трех кристаллов. Сравнить резуль- таты, полученные экспериментально и теоретически. Объяснить зависимости эф- фективности регистрации гамма-излучения от энергии, толщины сцинтиллятора и вида сцинтиллятора. Контрольные вопросы 1. Принцип действия и устройство сцинтилляционных детекторов. 2. Характеристики сцинтилляционных детекторов. 3. Устройство и схема включения ФЭУ. 4. Характеристики фотокатода ФЭУ. 5. Шумы ФЭУ, способы их уменьшения. 6. Форма импульса на выходе ФЭУ. 7. Светопроводы, их основные характеристики. 8. Сцинтилляторы, их основные характеристики. 9. Эффективность регистрации различных видов излучений сцинтилляцион- ным детектором. Список рекомендуемой литературы. 1. Абрамов А.И., Казанский Ю.А., Матусевич Е.С. Основы эксперименталь- ных методов ядерной физики. М.: Энергоатомиздат, 1985 2. Волков Н.Г.., Христофоров В.А., Ушакова Н.П. Методы ядерной спектро- метрии М.: Энергоатомиздат, 1990. 3. Матвеев В.В., Хазанов Б.И. Приборы для измерения ионизирующих излу- чений. М.: Атомиздат, 1972. 4. Экспериментальные исследования полей гамма- излучения и нейтронов. Под ред. Ю.А. Егорова, М.: Атомиздат, 1974. 14 5. Сцинтилляционные методы спектрометрии гамма-излучения и электронов. В.В. Кадилин, В.Т. Самосадный, С.В. Исаков и др. Под общ. ред. В.Т. Са- мосадного, МИФИ, 2003 |