Pomiar widm energetycznych promieniowania gamma przy pomocy analizatora wielokanałowego i detektora scyntylacyjnego

Transkrypt

1 Jacek Pączkowski Gdańsk, r. Pomiar widm energetycznych promieniowania gamma przy pomocy analizatora wielokanałowego i detektora scyntylacyjnego 0 Cel ćwiczenia Pomiary przeprowadzone w ćwiczeniu Pomiar widm energetycznych promieniowania gamma przy pomocy analizatora wielokanałowego i detektora scyntylacyjnego pozwalają studentom zapoznać się z techniką pomiarów przy użyciu detektora scyntylacyjnego. Podczas zajęć zostanie wykonana kalibracja spektrometru promieniowania gamma. Może tez zostać przeprowadzona kalibracja wydajnościowa układu pomiarowego, Studenci też mogą wykonać pomiar widma analizatorem jednokanałowym co może znaleźć zastosowanie do ustawiania torów pomiarowych w innych eksperymentach. Następnie wykonywany jest pomiar widm promieniowania gamma zadanych preparatów promieniotwórczych. Na podstawie otrzymanych danych studenci wykonują próbę identyfikacji składu zadanej do zbadania próbki (nieznanego źródła promieniowania). 1 Problemy do przygotowania 1. Promieniowanie gamma powstawanie i własności.

2 2. Stany wzbudzone jąder atomowych i przejścia pomiędzy nimi. 3. Spektroskopia promieniowania gamma. 4. Oddziaływanie promieniowania jonizującego z materią. Oddziaływanie cząsteczek naładowanych i promieniowania gamma. 5. Zjawisko scyntylacji wywołanej przez promieniowanie jonizujące. 6. Budowa detektorów promieniowania wykorzystujących scyntylatory. 7. Metody pomiaru i analizy rozkładu amplitud impulsów. Analizator wielokanałowy - zasada działania. 2. Zadania do wykonania 1. Przygotowanie układu do pomiaru analizatorem jednokanałowym. Wykonanie odpowiednich połączeń aparatury lub sprawdzenie czy takie połaczenia j są poprawne, gdy aparatura jest połączona. 2. Zdjęcie widma promieniowania gamma przy pomocy analizatora jednokanałowego od znanego źródła promieniowania gamma. 3. Zbadanie liniowości charakterystyki energetycznej detektora scyntylacyjnego przy użyciu preparatów wysyłających promieniowanie o różnych energiach. Po 4. Przygotowanie do pracy układu z analizatorem wielokanałowym. 5. Pomiar tła. 6. Kalibracja energetyczna układu. Pomiar linii promieniowania gamma kilku różnych preparatów promieniotwórczych. 7. Kalibracja wydajnościowa spektrometru promieniowania gamma. 8. Pomiar nieznanego preparatu promieniotwórczego. Próba identyfikacji nuklidów gamma promieniotwórczych.

3 3 Rodzaje scyntylatorów oraz zjawiska fizyczne zachodzące w scyntylatorze pod wpływem promieniowania; mechanizmy scyntylacji. Cząstka naładowana przechodząc przez ośrodek materialny traci energię na jonizację zgodnie z formułą Bethego-Blocha. de dx = 4πe2 q 2 mv 2 N Z [ln ( mv2 ) ln(1 β I 2 ) β 2 ] gdzie de dx - strata energii na jednostkę drogi cząstki naładowanej o energii relatywistycznej, I - średni potencjał jonizacji ośrodka, N Z - średnia wartość iloczynu liczby atomowej i liczby jąder na 1 m 3 ośrodka, m - masa elektronu e, v, q, β maja swoje zwykłe znaczenie. Znaczna część energii tracona jest w procesach, które nie prowadzą do jonizacji, a jedynie powoduj wzbudzenie obojętnych atomów lub cząsteczek. Energia wzbudzonych atomów, jonów lub cząsteczek jest przekazywana do ośrodka i zamieniana na energie termiczną w procesach przejść bezpromienistych i związanych z emisją fotonów. Istnieje grupa ośrodków dielektrycznych, które są przezroczyste dla pewnych długości fal fotonów emitowanych przez atomy, jony lub cząsteczki wzbudzonego ośrodka. Fotony takie mogą być wykryte po wyjściu z tego ośrodka. Stwierdzamy, że liczba takich fotonów jest proporcjonalna do energii straconej przez cząstkę wysokoenergetyczną w ośrodku. Takie ośrodki nazywamy scyntylatorami. Do grupy scyntylatorów należą gazy szlachetne, niektóre monokryształy nieorganiczne i organiczne, nieorganiczne materiały polikrystaliczne, węglowodory aromatyczne i inne. Dokładność statystyczna liczby obserwowanych fotonów w scyntylatorach w fazie skondensowanej jest z wielu powodów gorsza niż w detektorach gazowych ale korzyści wynikające z o wiele większej zdolności hamowania ciał stałych i cieczy rekompensuje rozrzut liczby fotonów luminescencji. Oddziaływanie promieniowania gamma z materią polega na tym, że każdy foton promieniowania wysokoenergetycznego jest usuwany z padającej wiązki niezależnie. Liczba dn fotonów, które w wyniku przejścia przez warstwę ośrodka o grubości dx zostaną usunięte z wiązki padającej zawierającej N fotonów wynosi dn = µndx

4 gdzie μ jest stałą dla określonej energii promieniowania gamma i dla danego ośrodka i nazywa się współczynnikiem osłabienia, W wyniku scałkowania otrzymujemy powyższej formuły otrzymujemy wykładniczą postać prawa osłabienia. N = N 0 exp( µx) gdzie μ jest wielkością bezwymiarową. Wielkość x może być wyrażona w różnych jednostkach, na przykład w m, kg m -2, atom m -2. Odpowiednie jednostki, w których wyraża się wtedy mi to m -1, m 2 kg -1, m 2 atom. W przypadku jednostek kg m -2, atom m -2, μ jest równoważne odpowiednio masowemu przekrojowi czynnemu i atomowemu przekrojowi czynnemu. W zakresie energii kwantów promieniowania od 100keV do 20MeV występują trzy podstawowe procesy oddziaływania promieni gamma z materią: 1) zjawisko fotoelektryczne o współczynniku osłabienia τ, 2) rozproszenie przez elektrony atomowe - rozpraszanie comptonowskie σ, 3) produkcja par o współczynniku osłabienia κ. Te trzy procesy wchodzą w skład sumarycznego oddziaływania zgodnie z zależnością μ = τ + σ + κ Te trzy rodzaje oddziaływania promieni gamma z materią wytwarzają w scyntylatorze naładowane elektrony, które następnie w procesach jonizacji i wzbudzania atomów i cząsteczek prowadzą do przekazania energii wzbudzenia do centrów luminescencji i emisji kwantów w zakresie nadfioletu lub widzialnych. Ilość emitowanych kwantów niskoenergetycznych jest sumą tego, co otrzymujemy w wyniku wszystkich oddziaływań (elektronów fotoelektrycznych, comptona, kreowanych par) w ośrodku. Otrzymane widmo wyświecane przez scyntylator jest sumą wszystkich składowych, które powstają tych procesach. W szczególności w na ogół w widmie widzimy pik fotoelektryczny (zjawisko fotoelektryczne), ciągły rozkład od elektronów comptonowskich i piki powstające w wyniku kreacji par. Zjawisko scyntylacji zachodzi w wielu materiałach. Dużą klasę materiałów scyntylacyjnych tworzą organiczne związki zawierające pierścień benzenowy. My zajmiemy się omówieniem nieorganicznych związków scyntylacyjnych. W detektorach używanych w pracowni stosowany

5 jest jodek sodu domieszkowany talem, NaI(Tl). Struktura elektronowa kryształów jonowych (np. chlorowców metali alkalicznych) jest opisana teorią pasmową krystalicznych ciał stałych. Najniższe pasmo energetyczne jest całkowicie zapełnione elektronami oddzielone od następnego pasma przerwą energetyczną. Obszar tym jest nazwany pasmem wzbronionym, Szerokość przerwy energetycznej jest duża, tak, że wzbudzenie termiczne w temperaturach rzędu 300 K jest bardzo mało prawdopodobne i pasmo przewodnictwa jest wolne, a kryształ jest dielektrykiem. W kryształach idealnych pojawienie się elektronów w paśmie przewodnictwa w wyniku oddziaływania promieniowania o odpowiedni dużej energii może prowadzić do powstania stanów ekscytonowych i emisji fotonów w zakresie ultrafioletu. Dodanie domieszek (tal w naszym przypadku) powoduje powstanie w górnej części pasma wzbronionego powstanie zlokalizowanych poziomów energetycznych. W ich obecności przebieg zjawiska scyntylacji jest następujący. Elektrony zostają wzbudzone przez cząstki o dużej energii z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. Oddziaływując z siecią krystaliczna tracą część swojej energii. Następnie tworzą ekscytony z dodatnimi dziurami. Ekscytony następnie są wychwytywane przez centra luminescencji, powodując powstanie stanów wzbudzonych centrów luminescencji. Stan wzbudzony centrum luminescencji może z większym lub mniejszym prawdopodobieństwem wyemitować kwant promieniowania nadfioletowego, który może opuścić kryształ (z pewnym prawdopodobieństwem) i dać wkład do rejestrowanego sygnału luminescencji..zależności od Rysunek 1. Schemat struktury pasmowej kryształu jonowego (np. NaI(Tl).

6 4 Pomiar widm energetycznych promieniowania gamma przy pomocy spektrometru scyntylacyjnego 4.1 Pomiar widm w układzie zawierającym analizator jednokanałowy. Najprostszym i niezbyt efektywnym układem służącym do analizy rozkładu amplitud impulsów wysyłanych przez sondę zawierającą scyntylator jest zestaw pomiarowy z analizatorem jednokanałowym. Analizator jednokanałowy pozwala ustawić dwa progi dla amplitud (napięcia): górny U g i dolny U d, które powodują, że na wyjściu analizatora pojawią się tylko impulsy odpowiadające impulsem na wejściu, których amplituda A spełnia warunek U d < A < U g, czyli mieści się w tak zwanym "okienku". Impulsy wyjściowe mają poziom odpowiedni dla cyfrowych układów zliczających tak zwanych "przeliczników", które używamy do odmierzania czasu i zliczania impulsów. Widmo promieniowania gamma w układzie z analizatorem jednokanałowym otrzymujemy wykonując pomiar liczby zliczeń w zadanym czasie dla kolejnych położeń okienka, tak, ze pokrywają one potrzebny zakres amplitud impulsów generowanych przez sondę scyntylacyjną. Wadą tego sposobu jest długi czas pomiaru widma promieniowania gamma oraz ograniczona rozdzielczość z jaka możemy zmierzyć widmo tym sposobem. Jednak ten sposób pozwala mierzyć widma w przypadku kiedy mamy duże ilości liczby zliczeń w jednostce czasu (pola promieniowania o dużym natężeniu) oraz jest potrzebny do ustawienia aparatury kiedy chcemy wykonywać pomiary związane z obserwacją wybranej części widma promieniowania gamma.

7 Rysunek 2. Schemat układu spektrometrycznego z analizatorem jednokanałowym Pomiar widma przy pomocy spektrometrycznego z analizatorem jednokanałowym przebiega następująco: 1. Włączenie aparatury i podanie wysokiego napięcia wlaściwego dla danej sondy scyntylacyjnej. Dla sondy ORTEC /MODEL2566 PM BASE U HV =700V. 2. Ustawienie analizatora jednokanałowego w tryb pracy okienkowy. Ustawienie szerokości okna np 0,2 V. 3. Umieszczenie preparatu promieniotwórczego na stanowisku, 4. Ustawienie okienka na początku zakresu pomiarowego. 5. Ustawienie czasu pomiaru tak, żeby liczba zliczeń zapewniała dostatecznie mała niepewność pomiaru. Można wykonać próbny pomiar. 6. Wykonanie serii pomiarów, w której następny pomiar przebiega przy położeniu okienka przesuniętego o wartość równa jego szerokości. 7. Wykonanie wykresu widma.

8 Rysunek 3. Zestawu spektrometrii gamma firmy ORTEC. Zestaw ten może służyć do pomiaru zarówno w układzie analizatora jednokanałowego jak i analizatora wielokanałowego, po dokonaniu odpowiedniej zmiany w połączeniach i nastawach. 4.2 Pomiar widm w układzie zawierającym analizator wielokanałowy. Układ pomiarowy do spektrometrii gamma przy wykorzystaniu licznika scyntylacyjnego NaI(Tl) stosowany w układzie zawierającym analizator wielokanałowy jest podobny do układu z analizatorem jednokanałowym. Tor pomiarowy do wyjścia wzmacniacza spektrometrycznego jest taki sam w obu zestawach pomiarowych; w układzie z analizatorem wielokanałowym wyjście wzmacniacza spektrometrycznego łączymy z wejściem analizatora wielokanałowego.

9 Analizator wielokanałowy jest to układ który wykonuje pomiar amplitudy każdego impulsu wchodzącego na wejście. Rysunek 4. Analizator wielokanałowy firmy ORTEC. Schemat blokowy. Rysunek 5. Spektrometr gamma z analizatorem wielokanałowym Tukan. Procedura pomiarowa dla zestawu TUKAN: - połączenie układu sondą do: -zasilacza WN -zasilania przedwzmacniacz (szary wtyk DB15) - impulsy wyjściowe z sondy podajemy na wejście (IN) SPECTROSCOPY AMPLIFIER 520

10 - wyjście (sonda) UNI łączymy z wejściem TUKANA IN, -TUKAN podłączony do zasilania i do portu USB komputer sterującego - ustawić wartości na wzmacniaczu SPECTROSCOPY AMPLIFIER 520: - polaryzacja (+) - kształtowanie SHAPING TIME ustawiamy 1 μs - COARSE GAIN 20 - FINE GAIN (8) - włączyć zasilanie zestawu pomiarowego i komputera, - podać wysokie napięcie: włączyć zasilacz wysokiego napięcia i ustawić 950 V Rysunek 6. Zestaw do spektrometrii gamma z analizatorem TUKAN.

11 W celu wykonania pomiarów uruchamiamy program Tukan8k sterujący analizatorem wielokanałowym TUKAN (plik wykonywalny "C:\Program Files (x86)\tukan8k\tukan8k.exe"), który używa jako klucza sprzętowego do pracy analizatora TUKAN. Dlatego podczas pracy z programem Tukan8k analizator TUKAN musi być połączony kablem USB z komputerem. Po uruchomieniu programu układ jest gotowy do pracy. Pomiar po włączeniu oprogramowania uruchamiamy przechodząc do trybu pracy Acqusition i następnie: - resetując analizator: menu Measurements > Reset (lub F4, lub ikonę na pasku narzędzi), i potwierdzamy w pop-up menu Confirm. - start pomiaru: menu Measurements > Start (lub F2, lub ikonę na pasku narzędzi (zielony okrągły przycisk). Pomiar zatrzymujemy przez menu: Menu Measurements > Stop (lub F3, lub ikonę na pasku narzędzi (czerwony okrągły przycisk)). Jeżeli jest to konieczne, to przed pomiarem wykonujemy konfigurację dotyczącą sprzętu i oprogramowania. W menu Measurements > Measurements Session > Configuration można ustawić szereg parametrów dotyczących pomiaru : Wybór Manual/Scheduled (czas i okres pomiaru), Ilość powtórzeń Cycles i ich ograniczenia czasowe, Length of single cycle (many ), Time (live/real), Value (liczba[s] ). Menu: Spectra files wybór miejsca, rodzaju plików w których będą zapisywane wyniki pomiaru. Główne menu programu File pozwala wybrać jedną z funkcji Open Spectrum, Save as, Spectra container, Spectrum information, Export, Import, Print, Exit Menu Screen: wybór main spectrum lub spectrum zapamiętanego, wybór skal, kolorów, Menu Roi wybór obszarów ROI, ich zaznaczanie, kasowanie Podstawowe tryby pracy programu: Acqusition - służy do sterowania analizatorem wielokanałowym, wykonanie pomiaru i

12 odebranie danych opisującyh widmo. Analysis - wykonanie analizy zebranych danych, szukanie pików, Calibration - kalibracja toru pomiarowego Analyzer - analiza widma, identyfikacja izotopów Report - wydruk pomiaru Tryb pracy Calibration: Load/Save przyciski pozwalają zapamiętac lub Wybór trybu kalibracji : Energy Calibration/ Peak Shape Calibration/ Efficiency Calibration Dane możemy wpisywać na podstawie znalezionych ROI I ich pików lub bezpośrednio wprowadzać naciskając przycisk ROI from spectrum. Wybieramy tez model kalibracji z dostępnych opcji (model oznacza tu krzywa, która aproksymuje charakterystykę energetyczna lub wydajnościowa detektora) Z pod okna Calib. In spectrum wybieramy: Delete/Show/Move Calib.to program Pomiar widm w układzie zawierającym analizator wielokanałowy EASY MCA 8K firmy ORTEC Pomiary widm w zestawie z analizatorem firmy ORTEC wyglądają podobnie ja pomiary wykonywane przy pomocy TUKANa.

13 s Rysunek 7. Spektrometr gamma z analizatorem wielokanałowym EASY MCA 8K. W skład zestawu z analizatorem wielokanałowym EASY-MCA 8K USB PS USB wchodzą: amplifier 575A lub 885 dual spec amp, Preamplifier Model 113, 996 timercounter,, sonda ORTEC /MODEL2566 PM BASE. Procedura pomiarowa dla tego zestawu: - sprawdzenie połączeń aparatury zgodnie z zamieszczonym wyżej schematem i instrukcjami dotyczącymi poszczególnych modułów. W razie potrzeby dokonujemy korekt w konfiguracji układu pomiarowego. - łączymy: - sonda wyjście Dynode preamplifier IN, - sonda HV in - power Supply, s0.7kv, - Amplifier 575A IN preamplifier 113 OUT OUT EASY MCA 8k IN - EASY-MCA 8K USB komputer PC USB - uruchamiamy sprzęt poprzez włączenie zasilania w: kasecie NIM BIN4001 ORTEC oraz w zasilaczu wysokiego napięcia HIFGH VOLTAGE POWER SUPPLY ustawiamy power Supply, s0.7kv, Wykonywanie pomiarów rozpoczynamy od uruchomienia programu Maestro for windows, który zawiaduje pomiarem dokonywanym przez EASY-MCA-8K. (Plik wykonywalny dla MAESTRO for Windows to "C:\Program Files (x86)\maestro\mca32.exe"). Uwaga: Gdy program MAESTRO for Windows nie komunikuje się z MCA to należy uruchomić program ENCA8k który umożliwi poprawną wspólpracę MCA i oprogramowania. W programie mamy menu: Menu File i tam zakładki: Settings, Save, Save as, Export, Import, Print Exit. W menu Acquire > Start(Alt1) - uruchomienie akwizycji danych z MCA

14 Stop(Alt-2) - zatrzymanie akwizycji Clear(Alt-3) - skasowanie bufora pomiarów Copy to Buffer Program MAESTRO for Windows pozwala zapisywać wyniki pomiarów do plików, drukować widma. 5 Uwagi do opracowania pomiarów. Przy pomiarach wykonywanych na spektrometrach wyposażonych w analizatory wielokanałowe i oprogramowanie je obsługujące otrzymujemy widma oraz wyniki analizy widm położenie pików obliczone przez oprogramowanie. Należy skonsultować się z dokumentacją oprogramowania, żeby ocenić pracę algorytmów i obliczane niepewności procedur numerycznych i pomiarowych. Literatura 1. Adam Strzałkowski Wstęp do fizyki jądra atomowego PWN Warszawa J. B. A. England Metody doswiadczalne fizyki jądrowej PWN Warszawa E. Funfer, H. Neuert Liczniki promieniowania PWN Warszawa E. Skrzypczak, Z. Szefliński Wstęp do fizyki jądra atomowego i cząstek elementarnych PWN Warszawa C. Kittel Wstęp do fizyki ciała stałego 1974