Detektory. požadovaná informace o částici / záření. proudový puls p(t) energie. čas příletu. výstupní signál detektoru. poloha.

Transkript

1 Detektory požadovaná informace o částici / záření energie čas příletu poloha typ citlivost detektoru výstupní signál detektoru proudový puls p(t) E Q p t dt účinný průřez objem vnitřní šum vstupní okno

2 Detektory výstupní signál detektoru 137 Cs HPGe polovodičový detektor proudový puls p(t) E Q p t dt E Q A energetické rozlišení: R E E NaI scintilační detektor

3 Detektory energetické rozlišení 1. nekompletní absorpce energie Poissonovo rozdělení střední energie nutná pro ionizaci: w střední počet kolizí: J E w energetické rozlišení: E J R 2 2ln 2 2 2ln 2 E J w E

4 Detektory energetické rozlišení 1. kompletní absorpce energie celková energie předaná detektoru je fixní rozlišení je lepší než předpověď Poissonova rozdělení 2 FJ F - Fano faktor energetické rozlišení: E R 2 2ln 2 E Fw E

5 Účinnost detektoru celková účinnost: h tot = počet registrovaných událostí / počet událostí emitovaných zářičem dh tot 1 e x ds 4 r 2 x h h tot int h geom r S interní účinnost geometrická účinnost

6 Typy detektorů ionizační detektory (ionizační komory, Geiger-Müllerovy počítače) scintilační detektory polovodičové detektory

7 Typy detektorů ionizační detektory (ionizační komory, Geiger-Müllerovy počítače) excitace X p X 10 7 barn * p primární ionizace 10 8 barn X p X p e sekundární ionizace (Penningův jev) X * X X X e

8 Typy detektorů ionizační detektory (ionizační komory, Geiger-Müllerovy počítače)

9 Typy detektorů scintilační detektory lineární odezva na energii rychlá časová odezva diskriminace podle tvaru pulsů

10 Typy detektorů scintilační detektory lineární odezva na energii rychlá časová odezva diskriminace podle tvaru pulsů

11 scintilátory luminiscence fluoerescence, t < 100 ns fosforescence, t > 100 ns

12 fosforescence ZnS SrAl 2 O 4 na světle 10 s 4 min

13 Fluorescenční mikroskopie

14 scintilátory ideální scintilátor vysoký světelný výtěžek nulová absorpce na fluorescenční vlnové délce emise v oblasti nm rychlá de-excitace (krátká rozpadová konstanta t) N t N0 t t exp t jedno-komponentní N N 0 t I i i t exp i t i t i multi-komponentní 1 I i

15 scintilátory organické scintlátory organické krystaly anizotropní výstup antracen vysoký světelný výtěžek t 30 ns naftalen vysoký světelný výtěžek t 30 ns

16 Scintilátory organické scintlátory organické kapaliny organický scintilátor rozpuštěný v organickém rozpuštědle (xylen, toluen, benzen) p-terpenyl C18H14, di-fenyloxadiazol C 20 H 14 N 2 O t 3-4 ns plastické scintilátory organický scintilátor rozpuštěný v pevném polymeru (PS, PC) t 1-3 ns NE102A, světelný výtěžek 65%, t = 2.4 ns, max = 418 nm PILOT U, světelný výtěžek 40-45%, t = ns, max = 390 nm

17 Scintilátory Anorganické scintlátory krystaly solí alkalických kovů s malým množstvím aktivátoru NaI(Tl), světelný výtěžek 100%, t = 230 ns, max = 415 nm větší hustota větší de /dx větší Z větší účinný průřez pro fotoefekt ( Z 5 ) hydroskopické příklad - NaI(Tl), max = 415 nm (3 ev) fotonů/mev t = 230 ns - PbWO 4, max = 420 nm (3 ev) 200 fotonů/mev t = 6 ns

18 Scintilátory

19 Scintilátory

20 Fotonásobič vstupní okno fotokatoda E h fokusační elektrononová optika systém dynod anoda e zesílení G N typicky: - koeficient sekundární emise = počet dynod N = zisk: G =

21 Fotonásobič vstupní okno fotokatoda E N h G U N d e zesílení fokusační elektrononová optika systém dynod anoda ~ U d dg G N du U d d N du U c c

22 Fotonásobič vstupní okno vstupní okno

23 Fotonásobič - fotokatoda fotokatoda bi-alkalická K 2 CsSb amorfní syntetické SiO 2 ~ nm tenká vrstva napařená na vstupním okně borosilikátové sklo

24 Fotonásobič - fotokatoda kvantová účinnost: h N N pe ph N pe počet uvolněných fotoelektronů N ph počet dopadajích fotonů E spektrální citlivost: P I pe ph h e hc I pe proud fotoelektronů P ph intezita dopadajího světla

25 Fotonásobič fokusační elektronová optika fokusační elektrononová optika účinnost sběru > 80% doba letu k dynodě musí být stejná (nezávislá na místě emise)

26 Fotonásobič systém dynod emise sekundárních elektronů povrch dynod: Cs-Sb, Cu-Be, Ag-Mg - vysoký faktor sekundární emise - stabilita i při vysokých proudech - nízká termionická emise

27 Fotonásobič dělič napětí kladné napětí záporné napětí

28 Fotonásobič dělič napětí záporné napětí pulsní mód

29 Fotonásobič temný proud šum termionická emise z katody a z dynod svodové proudy zbytková radiace

30 Fotonásobič temný proud Richardsonův zákon r T T 2 exp W kt výstupní práce W = 0.5 ev

31 Polovodičové detektory vodivostní pás záchytové nebo rekombinační centrum valenční pás

32 Polovodičové detektory p-n přechod díry p typ n typ elektrony depleted layer ~ 100 mm

33 Polovodičové detektory p-n přechod díry p typ n typ elektrony depleted layer ~ 100 mm + HV HV p contakt n kontakt

34 Ge(Li) Polovodičové detektory Z Si = 14 Z Ge = 32 fotoefekt ~ Z 5 60 větší pro Ge Li donor - HV HV p contakt n kontakt

35 Ge(Li) Polovodičové detektory + HV HV p contakt n kontakt

36 Ge(Li) Polovodičové detektory 137 Cs 137 Cs

37 HPGe polovodičové detektory krystal vysoce čistého Ge (p typ) c imp < cm -3 = ppm zonální čištění nečistoty zůstávají v tavenině indukční cívky

38 HPGe polovodičové detektory koaxiální konfigurace n-p přechod na vnějším povrchu (vhodnější stačí menší HV) p-n přechod na vnitřním povrchu p-typ n-typ

39 HPGe polovodičové detektory koaxiální konfigurace (p-typ) n-p přechod na vnějším povrchu detekuje g s E > 50 kev (kvůli n + elektrodě na povrchu)

40 HPGe polovodičové detektory koaxiální HPGe detektor

41 HPGe polovodičové detektory krystal vysoce čistého Ge n + kontakt c imp < cm -3 = ppm p + kontakt

42 HPGe polovodičové detektory

43 HPGe polovodičové detektory 137 Cs 1.2x x counts 6.0x10 4 counts x x E (kev) E (kev)

44 HPGe polovodičové detektory energetické rozlišení (FWHM) E = 122 kev ( 55 Fe EC) R = % E = 1333 kev ( 60 Co b - ) R = % relativní účinnost (% NaI) absolutní vnitřní účinnost

45 Nábojově citlivý předzesilovač vstupní impedance: výstupní napětí R C i V O det Q C S f t coll zisk A Q dv dq O Ś 1 C f FWHM 0.96 kev

46 Nábojově citlivý předzesilovač vstupní impedance: R C i V det Q výstupní napětí S O 2D Graph 1 C f t coll zisk A Q dv dq O Ś 1 C f U (mv) t (ms)

47 Šum: scintilační detektory 511 kev g-záření E E E N N N 1 N N ~ 5000 fotonů emitovaných BaF 2 scintilátorem (100 ev/foton) Poissonovo rozdělení ~ 100 fotonů na fotokatodě (rychlá komponenta) (integrální světelný výstup BaF 2 20 / 2 % NaI) ~ elektronů na anodě (zisk PMT G = 10 7, kvantová účinnost katody h = 25%), 4 ma max. proud (délka pulsu 30 ns) 0.2 V (pro 50 W vstupní impedanci) E 6 % FWHM14 % (70 kev) fluktuace signálu: dosažitelný elektronický šum: sig Gh e el e elektronický šum lze zanedbat

48 Šum: polovodičové detektory 511 kev g-záření ~ párů elektron-díra (Ge x = 2.96 ev/e-díra pár) vnitřní rozlišení na energii E = 511 kev (fano faktor F = 0.1) h E F x 0.08 % E FWHM 0.96 kev fluktuace signálu: dosažitelný elektronický šum: sig F 132 el e e elektronický šum je dominantní