J14. Pomiar zasięgu, rozrzutu zasięgu i zdolności hamującej cząstek alfa w powietrzu PRZYGOTOWANIE

Transkrypt

1 J14 Pomiar zasięgu, rozrzutu zasięgu i zdolności hamującej cząstek alfa w powietrzu PRZYGOTOWANIE 1. Oddziaływanie ciężkich cząstek naładowanych z materią [1, 2] a) straty energii na jonizację (wzór Bethego-Blocha, zależność de/dx od ładunku cząstki, ładunku ośrodka, prędkości cząstki) b) zależność de/dx od drogi przebytej w materiale (krzywa Bragga) c) zależność średniej energii i rozmycia energii cząstki od drogi przebytej w materiale d) zasięg ciężkich cząstek naładowanych e) rozrzut zasięgu (straggling). 2. Detekcja cząstek naładowanych przy użyciu detektora półprzewodnikowego [3]. Budowa i zasada działania: a) detektora krzemowego z barierą powierzchniową, b) przedwzmacniacza ładunkowego, c) wzmacniacza liniowego, d) wielokanałowego analizatora amplitudy sygnałów, e) energetyczna zdolność rozdzielcza układu detekcyjnego. 4. Statystyka pomiarów przy rejestracji promieniowania jądrowego [1]: a) niepewność określenia liczy zliczeń, b) niepewność określenia średniej energii cząstek. 5. Biologiczne skutki promieniowania jądrowego i dozymetria [1] WYKONANIE ZADANIA 1. Zapoznanie się z układem pomiarowym (układ regulacji ciśnienia, układ elektroniczny, wielokanałowy analizator amplitudy sygnałów) 2. Kalibracja energetyczna widma cząstek alfa. 3. Kalibracja czujnika ciśnienia. 4. Pomiar widm energetycznych cząstek α przy różnych ciśnieniach. LITERATURA [1] A. Strzałkowski - "Wstęp do fizyki jądra atomowego" [2] P.J. Ouseph, American Journal of Physics 46 (1978) 7 [3] Dodatek

2 Schemat układu pomiarowego Zasilacz HV Generator Pompa próżniowa Przedwzmacniacz Wzmacniacz liniowy Wielokanałowy analizator amplitudy Zawory sterujące detektor krzemowy TUKAN źródło 241 Am PC

3 Dodatek W doświadczeniu do rejestracji cząstek alfa wykorzystywany jest półprzewodnikowy detektor krzemowy z barierą powierzchniową. Rysunek 2 przedstawia schemat budowy takiego detektora. Z jednej strony cienkiej (typowo µm) płytki krzemu typu n napylona jest bardzo cienka ( 100 nm) warstwa złota, z drugiej warstwa aluminium. Au Si Al α - + Rysunek 2. Schemat budowy detektora krzemowego z barierą powierzchniową. Złącze Au-Si zostało spolaryzowane w kierunku zaporowym. Połączenie Si-Al tworzy tzw. złącze omowe tzn. złącze, które przewodzi prąd niezależnie od kierunku jego przepływu. Złącze to zapewnia kontakt elektryczny z półprzewodnikiem. Połączenie Au-Si jest złączem prostowniczym, które przewodzi prąd tylko w jednym kierunku. Po połączeniu Au z krzemem typu n, swobodne elektrony z Si dyfundują do obszaru złota, co prowadzi do powstania dodatnio naładowanej warstwy na powierzchni Si i ujemnie naładowanej warstwy na powierzchni Au. Obszar ten jest obszarem zubożonym w nośniki prądu elektrycznego. Po spolaryzowaniu złącza w kierunku zaporowym, obszar zubożony w nośniki prądu rozszerza się wypełniając nawet całą objętość półprzewodnika. Pod nieobecność promieniowania jonizującego przez układ nie płynie prąd, ponieważ nie ma jego nośników (swobodnych elektronów i/lub dziur). Promieniowanie jonizujące przechodzące przez obszar złącza Au-Si powoduje jonizację atomów ośrodka i prowadzi do powstania swobodnych dziur i elektronów - w obwodzie może płynąć prąd i pojawia się impuls o amplitudzie proporcjonalnej do energii zdeponowanej w obszarze złącza. W przypadku krzemu średnia energia potrzebna na wytworzenie pary elektron dziura wynosi 3.62 ev co oznacza, że np. cząstka alfa o energii 5 MeV tracąc swoją energię w obszarze złącza wytwarza ok par cząstka-dziura. Sygnały z detektora krzemowego są rejestrowane przy pomocy przedwzmacniacza ładunkowego (rys. 3). Głównym elementem tego typu przedwzmacniacza jest wzmacniacz całkujący (integrator), który całkuje ładunek wytworzony w detektorze przez rejestrowaną cząstkę jonizującą i daje impuls napięciowy o amplitudzie V out = Q/C f, gdzie C f pojemność kondensatora w pętli sprzężenia zwrotnego wzmacniacza całkującego. Ważną cechą przedwzmacniaczy ładunkowych jest niezależność ich wzmocnienia od pojemności detektora. Konstrukcja przedwzmacniacza umożliwia podłączenie napięcia polaryzującego detektor (HV) oraz przesyłanie sygnałów testowych z elektronicznego generatora impulsów (TEST). Kondensator C 1 zapewnia sprzężenie zmiennoprądowe (tzn. odcięcie stałego napięcia) pomiędzy detektorem i integratorem.

4 R f C f C 1 V out = Q C f Rys. 3 Schemat przedwzmacniacza ładunkowego oraz kształt sygnału wyjściowego z przedwzmacniacza w przypadku rejestracji trzech cząstek. Wzmacniacz liniowy umożliwia wzmocnienie sygnałów z przedwzmacniacza do amplitudy wymaganej przez kolejny element układu spektrometrycznego wielokanałowy analizator amplitudy. Innym zadaniem wzmacniacza jest odpowiednie kształtowanie sygnału (eliminowanie efektu nakładania się impulsów (patrz rys. 4)) oraz filtrowanie wolno i szybkozmiennych szumów obecnych w sygnale z przedwzmacniacza. Funkcje te są najczęściej realizowane poprzez wzmacniacz różniczkująco-całkujący. Uproszczony schemat takiego wzmacniacza przedstawiono na rys. 4. Kondensator C 1 i opornik R 1 tworzą układ różniczkujący sygnał z przedwzmacniacza, opornik R 2 i kondensator C 2 tworzą układ całkujący. Wtórnik emiterowy o wzmocnieniu równym 1 separuje stopień różniczkujący i całkujący wzmacniacza. Wzmacniacz spektroskopowy powinien charakteryzować się wysoką stabilnością i liniowością wzmocnienia (tzn. liniową zależnością amplitudy sygnału wyjściowego od amplitudy sygnału wejściowego). Amplituda 2,4 2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0, Czas (µs) Amplituda 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 0 V out t t = V in exp RC RC Czas (µs) Rys.4 Schemat budowy i działanie wzmacniacza CR-RC na sygnał z przedwzmacniacza.

5 Wielokanałowy analizator amplitudy zbudowany jest z trzech modułów: 1) przetwornika analogowo cyfrowego (Analog to Digital Converter - ADC), który dokonuje pomiaru amplitudy sygnału ze wzmacniacza i przedstawia wynik pomiaru w postaci cyfrowej. W wielokanałowych analizatorach amplitudy wykorzystuje się ADC wykrywające maksimum impulsu (tzw. peak sensing ADC). 2) układu histogramującego, który zapamiętuje wyniki pomiarów amplitud kolejnych sygnałów i tworzy z nich histogram, który jest wykresem zależności liczby zarejestrowanych sygnałów o określonej amplitudzie od ich amplitudy. Kolejne przedziały histogramu noszą nazwę kanałów, cały histogram nazywany jest widmem amplitud rejestrowanych impulsów. 3) interfejsu użytkownika umożliwiającego sterowanie układem pomiarowym (np. start, stop) oraz wykonywanie podstawowych operacji na histogramach (widmach) (np. zapisywanie widm, kasowanie, wyznaczanie liczby zliczeń). Kalibracja energetyczna określa związek pomiędzy energią promieniowania a amplitudą rejestrowanych sygnałów. Najczęściej zależność ta może być opisana funkcja liniową: E=a k+b, gdzie k numer kanału, a, b współczynniki kalibracyjne. Kalibrację energetyczną wykonuje się wykorzystując źródła kalibracyjne o bardzo dobrze znanych energiach promieniowania. Energetyczna zdolność rozdzielcza określa zdolność układu detekcyjnego do obserwacji promieniowania o bardzo bliskich energiach. Energetyczną zdolność rozdzielczą przyjęto określać jako stosunek szerokości połówkowej piku (FWHM) o wybranej energii do jego położenia (E): R = FWHM E