ELEKTRONICZNA APARATURA DOZYMETRYCZNA

Transkrypt

1 Dr inż. Andrzej Skoczeń KOiDC, WFiIS, AGH Rok akademicki 2018/2019 ELEKTRONICZNA APARATURA DOZYMETRYCZNA Wyk maj 2019 Dawki w LHC Kalorymetria Dozymetria pasywna: luminescencja termiczna, optyczna i radiochromatyczna, trawienie śladów, dioda PIN,... Kraków, Medycynie, stopień II, semestr 1,

2 Obszary zastosowań dozymetrii Fizyka wysokich energii Fizyka medyczna Fizyka środowiska Badania kosmosu Wojsko 2

3 Tematyka wykładu Dozymetria Konstrukcje (aktywnych) przyrządów do pomiaru dawki pochłoniętej lub fluencji cząstek Detekcja cząstek Zniszczenia radiacyjne 3

4 Przewidywane dawki w LHC Moce dawek przy kriostacie głównych magnesów: 10 Gy na rok - ARC, 100 Gy na rok - regiony DS >1 kgy na rok - LSS Kolor żółty odpowiada obszarom łuków, gdzie promieniowanie pochodzi głównie z oddziaływań cząstek wiązki z resztkami gazu w rurze próżniowej. Kolor czerwony wskazuje na obszary gdzie dominuje punktowa utrata cząstek z wiązki w skutek zderzeń z elementami akceleratora. ARC łuk akceleartora DS Dispersion Suppressor LSS Long Strait Section 4

5 Przewidywane dawki w LHC [cm] [Gy/y] [cm] Roczna dawka w wewnętrznej części dipola głównego LHC uśredniona za 13m długości cewek. Claire A. Fynbo, TIS: Graham R. Stevenson Compendium of annual doses in the LHC arcs, LHC Project Note 251, 4 April

6 Eksperyment - Detektor 6

7 ATLAS A Toroidal LHC ApparatuS 7

8 Detektory mionowe Kalorymetr elektromagnetyczny Kalorymetr przedni Wieczka toroidu Nadprzewodzący magnes toroidalny Detektory wewnętrzny Kalorymetr hadronowy Osłony 8

9 ATLAS Geometria jednego kwadrantu ATLAS-a przyjęta do symulacji strumieni i dawek w programach GCALOR i FLUKA. 9

10 kalorymetr tracker Dawki przewidywane w ATLAS-ie Podukład Dawka [kgy] Fluencja neutronów [1 MeV eq n cm -2 ] Fluencja naładowanych hadronów [cm -2 ] Pixel (ID) SCT (ID) TRT (ID) , LAr 0, , TILE , FCAL 2,3 > MUON , , Roczna dawka i fluencja cząstek obliczona dla różnych podukładów detektora. Pixel, SCT (Silicon Central Tarcker) i TRT (Transition Radiation Tracker) to podukłady detektora ATLAS służące rejestracji śladów cząstek. Tworzą one razem wewnętrzną część detektora ID (Inner Detector). LAr (Liquid Argon) to kalorymetr z ciekłego argonu. TILE i FCAL to dwa kalorymetry hadronowe umieszczone w różnych miejscach ATLAS-a. MUON to podukład zbudowany z komór mionowych. S.Baranov, M.Bosman, I.Dawson, V.Hedberg, A.Nisati and M.Shupe, Estimation of Radiation Background, Impact on Detectors, Activation and Shielding Optimization in ATLAS, ATL-GEN ATLAS Collaboration, The ATLAS Experiment at the CERN Large Hadron Collider, 2008 JINST 3 S

11 M.Shupe, Radiation flux maps from GCALOR, ATLAS R [m] 1Gy/y 1kGy/y Z [m] Dawka pochłonięta promieniowania jonizującego [Gy/rok] 11

12 M.Shupe, Radiation flux maps from GCALOR, ATLAS Strumień naładowanych hadronów (> 20 MeV) [khz/cm 2 ] 12

13 M.Shupe, Radiation flux maps from GCALOR, ATLAS Strumień neutronów (>100 kev) [khz/cm 2 ] 13

14 Kalorymetria a dozymetria Kalorymetria jest jedyną bezwzględną metodą pomiaru dawki pochłoniętej: Kalorymetria hadronowa, Kalorymetria elektromagnetyczna. Klasyfikacja pod względem konstrukcji: Kalorymetr jednorodny, Kalorymetr próbkujący. Czasami metody oparte na komorach jonizacyjnych i dozymetrach Fricke a są także uważane za bezwględne metody dozymetryczne i traktowane jako standardy. Wtórne metody dozymetryczne można podzielić na dwie kategorie: pasywne i aktywne. 14

15 Kaskada elektromagnetyczna Kaskada hadronowa 15

16 Kaskada elektromagnetyczna 16

17 Kaskada hadronowa Kaskada hadronowa rozwija się w wyniku oddziaływań neutralnych i naładowanych hadronów w materiale krok kaskady hadronowej: zderzenie hadron - jądro, produkcja wielu cząstek Każda z wyprodukowanych cząstek oddziaływuje z następnymi jądrami Kaskada wygasa gdy średnia energia produkowanych cząstek spada poniżej progu na oddziaływanie nieelastyczne Cząstki elektromagnetyczne produkowane w kaskadzie hadronowej rozwijają niezależną kaskadę elektromagnetyczną 17

18 Typy kalorymetrów Kalorymetry jednorodne: detektor = absorber Szkło ołowiowe, kryształy np.. Kwarc, BGO, PWO, Dobra zdolność rozdzielcza (energetyczna) Ograniczona zdolność obserwacji podłużnego rozwoju kaskady (identyfikacja kaskad) Tylko kalorymetria elektromagnetyczna Kalorymetry próbkujące Detektor przekładany absorberem tylko część energii rejestrowana ograniczona zdolność rozdzielcza (energetyczna) W zamian : możliwość rejestracji rozwoju kaskady w trzech wymiarach (trówymiarowa zdolność rozdzielcza - komórki kalorymetru) Kalorymetria elektromagnetyczna i hadronowa Oznaczenie Wzór chemiczny Gęstość [g/cm 3 ] Długość radiacyjna [cm] BGO Bi 4 Ge 3 O 12 7,13 1,12 PWO PbWO 4 8,3 0,89 18

19 Kalorymetr próbkujący Kalorymetr próbkujący składa się z naprzemiennych warstw absorbenta (matriału, w którym rozwija się kaskada) i detektora (próbkującego kaskadę). Dla kalorymetrów elektromagnetycznych jako absorber wybiera się materiały z możliwie dużym Z natomiast dla kalorymetrów hadronowych wystarcza duże A. 19

20 Dozymetry pasywne a aktywne Podział w zależności od sposobu odczytu informacji o dawce: dozymetry pasywne muszą być usunięte ze swojej pomiarowej lokalizacji aby przeprowadzić odczyt, dozymetry aktywne mogą być odczytywane zdalnie kiedy nadal przebywają w polu promieniowania. 20

21 Tryby pracy układów elektronicznych Impulsowy Średni poziom Prądowy Napięciowy Napięciowo-prądowy Ładunkowy Elektrometry bezpośrednie Elektrometry parametryczne 21

22 Uszkodzenia radiacyjne Strukturalne Przyrządy bipolarne: p-n, BJT Displacement - DD Jonizacyjne MOS Total Ionizing Dose - TID Przejściowe pamięci Single Event Effects - SEE SEE Stochastic Immediate Effects Bit-Flips Latch-Ups EFFECTS TID Use of multiple pc for instrumentation Cumulative Effects with time Component Parameter Drift DD 22

23 Radiation Levels Linac 4 beam line LHC Machine electronics Protected Shielded Tunnel PSB beam line PS tunnel walls PS beam line SPS beam line SPS tunnel walls HEH TID [cm -2.y -1 ] [Gy.y -1 ] MeV n. eq. [cm -2.y -1 ] COTS systems Semiconductors Custom boards with COTS Hardened electronics Damage Linac 4 Linear Accelrator 4 Pierwszy stopień kaskady CERN PSB Proton Synchrotron Booster Drugi stopień kaskady CERN PS Proton Synchrotron Trzeci stopień kaskady CERN SPS Super Proton Synchrotron Czwarty stopień kaskady CERN COTS R2E Commercial Off The Shelf Radiation to Electronics R2E CERN, luty

24 10 4 LHC: Range of Radiation Levels e.g., LHC-Levels for Hadrons (E > 20 MeV) per cm 2 per LHC nominal year CNGS Failure Aircraft Altitudes LHC Machine electronics equipment LHC Detectors sea Level (Lowest!!!) Airbus A330 UAs UJ33 RE38 UX45 RR53 RR77 UX85 UJ76 -> roughly for dose (Gy) (taking 1Gy = 10 9 cm -2 ) Under ARC dipole Under ARC quad DS Q TAN -> roughly for 1MeV-n-equivalent F

25 Przyrząd pomiarowy nagrywa dawkę, a dopiero po wyjęciu go z promieniowania następuje faza odczytu zapisanej informacji o dawce. Przyrząd jest tylko próbką odpowiedniego materiału. Metoda ta jest nie odpowiednia do pomiaru chwilowej mocy dawki ale odniosła wielki sukces w pomiarze dawki całkowitej. Powszechnie używane techniki dozymetri pasywnej: Termoluminescencja Luminescencja wzbudzana optycznie Metoda radiochromatyczna Trawienia śladów Dozymetria pasywna 25

26 Techniki dozymetri pasywnej Dozymetry polimerowo-alaninowe (Polymer-Alanine Dosimeters - PAD) Dozymetry radio-foto-luminescencyjne (Radio-Photo-Luminescent - RPL) Dozymetry wodorowe (Hydrogen Pressure Dosimeters - HPD) Dozymetry termoluminescencyjne (Thermo-Luminescent Dosimeters - TLD) Dozymetry z siarczanu żelaza (Fricke Dosimeters) Dozymetry kolorowane z pleksiglasu (Dyed PMMA Dosimeters) Błony typu Gafchromic (Gafchromic Dosimetric Films) Folie aktywacyjne (Activation foils) Dozymetry prądu upływu diody krzemowej (Leakage current in reverse-biased silicon detectors) 26

27 Polymer-Alanine Dosimeters (PAD) Produkowane w postaci kabelków utworzonych z proszku alaninowego (67%) zmieszanego z polimerem (33%) działającym jako substancja wiążąca. Przykład: średnica 4.8 mm i długość 30 mm. Odpowiedź na promieniowanie jest równoważna tkance w zakresie 10 Gy do 100 kgy. Po napromieniowaniu powstaje stabilny związek CH 3 - C H-COOH, który tworzy charakterystyczny wzór w sygnale ESR (Electron Spin Resonance). Koncentracja tego związku zależy liniowo od dawki. Odczyt wymga spektrometru ESR. Dokładność metody: 10% L-α-alanina: CH 3 - NH C H 2 - COOH 27

28 Spektrometr ESR zbudowany jest: Magnes dipolowy B mt z polem modulowanym przez sygnał radiowy 100 khz, Mikrofalowa wnęka rezonansowa ν 9,6 GHz (pasmo X), z polem oscylującym B 1 prostopadłym do B 0. W g BB 0 ΔW rozdzielenie poziomów energetycznych w zjawisku Zeemana g współczynnik Lande ego przesunięć chemicznych g 2 µ B magneton Bohra 9, J/T 28

29 System Dozymetrii Alaninowej (Magnettech) Czas pomiaru: <10s dla dawek dużych kGy 120s dla niskich dawek 1-20kGy 2 mt Widmo absorpcyjne naświetlonego dozymetru Porównanie trzech różnych spektrometrów kolejnych generacji 29

30 Standardowa dozymetria alaninowa Krzywa kalibracyjna Opakowanie pęcherzykowe tabletki z kodem paskowym Tabletki alaninowe Informacje z ulotki spektrometru MS 5000 firmy Magnettech 30

31 Radio-Photo-Luminescens (RPL) Promieniowanie indukuje stabilne radiofotoluminescencyjne centera w szkle aluminofosfatowym aktywowanym srebrem. Centra te emitują fosforescencję, gdy są poddane działaniu światła ultrafioletowego o długości ok. 365 nm. Ilość tej fosforescencji jest związana z dawką zaabsorbowana w szkle. Odpowiedź świetlna rośnie liniowo z dawką do około 100 Gy. Potem krzywa kalibracji wykazuje cofnięcie do około 1 kgy związane ze wzrostem koncentracji centrów barwnych i spowodowaną tym samoobsorpcją światła w szkle. Detektory mają postać cylindrów o długości 6 mm i średnicy 1 mm. Odpowiedź tych urządzeń pozwala na pomiary w szerokim zakresie dawki od 0.1 Gy do 1 MGy. Dokładność pomiaru jest na poziomie 20%. 31

32 Hydrogen Pressure Dosimeters (HPD) Jest to folia polietylenowa zwinięta i umieszczona w szklanej kapsule 6 2 cm. Promieniowanie formuje wodór. Odczyt wymaga rozbicia kapsuły w znanej objętości w próżni i polega na pomiarze ciśnienia wodoru w stałej temperaturze. Metoda ta pozwala na pomiar w zakresie 10 kgy - 10 MGy Dokładność pomiaru jest na poziomie 20%. 32

33 Termoluminescencja Materiał TLD to fluorek litu LiF ze śladowymi ilościami Ti i Mg. Detektory zwykle są produkowane w postaci pastylek mm 3. Bardzo dokładne w zakresie 10 μgy - 10 Gy: 5%! Zalety: Małe rozmiary Brak elektroniki Szeroki zakres dynamiczny Wady: Brak możliwości pomiaru mocy dawki Jednokrotny odczyt Mocna zależność wskazań od rodzaju promieniowania 33

34 Fotodetektor Termoluminescencja Układ fotopowielacz zasilacz wysokiego napięcia wymaga stabilizacji za pomocą ujemnego sprzężenia zwrotnego. Informacją błędu w takiej pętli jest liczba zliczeń pochodzących Zasilacz od specjalnego źródła α zamkniętego w scyntylatorze. Wysokiego napięcia Analog front-end System wbudowany Sterowanie i akwizycja TLD Grzejnik Zasilacz grzejnika Typowa krzywa świecenia piasku kwarcowego. 34

35 Luminescencja wzbudzana optycznie Zalety w stosunku do TL: Szybsze procesowanie Większa precyzja Szerszy zakres dynamiczny Odczyt czyści zapis i detektor nadaje się ponownie do użytku Łatwość kształtowania i duża stabilność mechaniczna 35

36 Dozymetery Fricke a Dozymetr z siarczanu żelaza zwany Fricke, pracuje w oparciu o reakcje chemiczną radiacyjnego utleniania jonów żelaza Fe(II) w roztworze kwasu do jonów Fe(III). Odczyt wykonuje sie metodą spektrofotometryczną przez pomiar koncentracji jonów żelaza w piku widma absorpcyjnego przy długości fali 303nm. Pomiar równoważny dawce jest możliwy z dokładnością do kilku procent w zakresie 20 Gy to 200 Gy. 36

37 Dozymetry kolorowane z PMMA Radiacyjne barwienie typowego Polymethylmetacrylatu (PMMA lub Plexiglas) dostępnego w formie arkuszy. Po naświetleniu powyżej 100 Gy materiał ten ciemnieje z powodu powstania nowego pasma absorpcyjnego w widmie widzialnym. Odczyt tego pociemnienia prowadzi się za pomocą standardowego densytometru. Densytometr to urządzenie fotoelektryczne służące do pomiaru gęstości optycznej materiałów przezroczystych i nieprzezroczystych. Rozróżniamy transmisyjne i refleksyjne. Gęstość optyczna A (absorbancja, ekstynkcja) dla materiałów przezroczystych to wielkość fizyczna równa logarytmowi dziesiętnemu stosunku intensywności światła padającego na badany materiał (I p ) do intensywności światła po przejściu tego materiału (I k ): I A log I p k Zakres pomiarowy: od 0,1 do 50 kgy. Pomiar jest silnie zależny od temperatury, wilgotności i ekspozycji na światło. Pomimo zastosowania poprawek korygujących nie daje się osiągnąć dokładności lepszej od około 30%. 37

38 Błony dozymetryczne Gafchromic Samowywołujące się filmy Gafchromic służą do zapisu rozkładu (topgrafi) pól promieniowania. Pod wpływem promieniowania powstają na nich zróżnicowane, charakterystyczne kolory stające się coraz ciemniejszymi ze wzrostem dawki. Czynnikiem aktywnym takiego filmu są mikro-kryształki diacetylenu umieszczone w żelatynowej matrycy znajdującej się na poliestrowej foli. Typ błony Konfiguracja Podłoże Grubość warstwy aktywnej [µm] Zakres pomiarowy [Gy] Zakres energetyczny [kev] XR Type R Trój-warstwowa Żółty poliester 18 0, (γ) HD-810 Warstwa aktywna na podłożu Przeźroczysty poliester 5, >1 (γ) >5 (e) MD-55 Wielo-warstwowa Przeźroczysty poliester >10 (γ) >70 (e) 38

39 Błony dozymetryczne Gafchromic Przykład komputerowej analizy folii Gafchromic. 39

40 Wytrawiony ślad Trawienia śladów SSNTD Solid State Nuclear Track Detectors Materiał Nazwa Gęstość [g/cm 3 ] Współczynnik załamania Celuloza azotowana C 5 H 8 O 9 N LR (Kodak Pathe, Francja) Allyl diglycol carbonate C 12 H 18 O CR-39 7 (Acrylics, USA) 1,52 1,51 1,32 1,45 Padająca cząstka 40

41 Trzy etapy: formowanie uszkodzeń, Powiększenie śladu uszkodzenia poprzez odpowiednią obróbkę chemiczna lub elektrochemiczną tak by powstały ścieżki, Obserwacje ścieżek: znalezienie, pomiar rozmiarów, policzenie. Sposoby wyznaczania gęstości ścieżek (skanowania): Przepływ cieczy <100 / cm 2, Transmisja światła /cm 2, Transmisja ruchomych nośników ładunku, Metoda przeskakujących iskier (jumping spark). Cienki detektor ze ścieżkami wytrawionymi na wylot jest umieszczany między elektrodą wysokonapięciową, a cienką elektroda aluminiową. Wysokie napięcie jest przykładane poprzez obwód RC. Powoduje to przeskok iskry przez jeden otwór w foli detektora. Przejście iskry powoduje wypalenie otworu w elektrodzie aluminiowej co uniemożliwia ponowne iskrzenie na tym śladzie przy kolejnym naładowaniu kondensatora. Impuls prądowy iskry jest zliczany w liczniku. Kondensator ładuje się wielokrotnie aż do momentu gdy przestaną powstawać iskry. Wtedy zawartość licznika stanowi informację o gęstości śladów radiacyjnych. 41

42 Folie aktywacyjne Metoda pomiaru bezwzględnej fluencji cząstek opierająca się na reakcjach jądrowych, które prowadzą do formowania się promieniotwórczych nuklidów w różnych materiałach wysokiej czystości (Al, Au, Co, In, Ni, i in.). Po ekspozycji na cząstki ilość powstałych nuklidów określana jest za pomocą spektrometrii. 42

43 300µm Prąd upływu krzemowej diody Pierścień ochronny złącze p + i(ν) Dioda p-i-n składająca się z wysoko domieszkowanej warstwy p + i dużej objętości krzemu samoistnego i(ν), który w zasadzie jest materiałem n - o bardzo dużej rezystancji na poziomie kilku kω cm. Wokół diody stosuje się pierścień ochronny także z warstwy p +. 43

44 Dozymetry pasywne - podsumowanie Dozymetr PAD RPL HPD TLD Fricke PMMA Gafchromic Zakres dynamiczny [Gy] zależność od energi kwantu γ E<120keV E<500keV zaniedbywalna E<100keV E<500keV nieznana zaniedbywalna Zanik odpowiedzi Brak 1% na 3 miesiące Metoda odczytu Zalety EPR Równoważny tkance Luminescencja w UW Wielokrotnego użytku zaniedbywalna zaniedbywalna Brak Istotnty Czułość na światło Ciśnienie Bardzo wysokie dawki Wielokrotnego użytku Termoluminescencja Spektrofotometria Standard Absorpcja optyczna Tanie i łatwy odczyt Kilka % odwrotnego anilingu Densytometria Bardzo łatwy odczyt Wady Trudny odczyt w zakresie kgy Brak czułości na niskie dawki Zakres niskich dawek Trudne do przygotowania Czułe na temperaturę i wilgotność Polymer-Alanine Dosimeters (PAD) Radio-Photo-Luminescent Dosimeters (RPL) Hydrogen Pressure Dosimeters (HPD) Thermo-Luminescent Dosimeters (TLD) Fricke Dosimeters Dyed PMMA Dosimeters Gafchromic Dosimetric Films Activation foils 44