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
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
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
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
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
Typy detektorů ionizační detektory (ionizační komory, Geiger-Müllerovy počítače) scintilační detektory polovodičové detektory
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
Typy detektorů ionizační detektory (ionizační komory, Geiger-Müllerovy počítače)
Typy detektorů scintilační detektory lineární odezva na energii rychlá časová odezva diskriminace podle tvaru pulsů
Typy detektorů scintilační detektory lineární odezva na energii rychlá časová odezva diskriminace podle tvaru pulsů
scintilátory luminiscence fluoerescence, t < 100 ns fosforescence, t > 100 ns
fosforescence ZnS SrAl 2 O 4 na světle 10 s 4 min
Fluorescenční mikroskopie
scintilátory ideální scintilátor vysoký světelný výtěžek nulová absorpce na fluorescenční vlnové délce emise v oblasti 300-600 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
scintilátory organické scintlátory organické krystaly anizotropní výstup antracen vysoký světelný výtěžek t 30 ns naftalen vysoký světelný výtěžek t 30 ns
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 = 0.4-0.6 ns, max = 390 nm
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) 40000 fotonů/mev t = 230 ns - PbWO 4, max = 420 nm (3 ev) 200 fotonů/mev t = 6 ns
Scintilátory
Scintilátory
Fotonásobič vstupní okno fotokatoda E h fokusační elektrononová optika systém dynod anoda e zesílení G N typicky: - koeficient sekundární emise = 3 4 - počet dynod N = 10 12 - zisk: G = 10 5-10 7
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
Fotonásobič vstupní okno vstupní okno
Fotonásobič - fotokatoda fotokatoda bi-alkalická K 2 CsSb amorfní syntetické SiO 2 ~ 10-50 nm tenká vrstva napařená na vstupním okně borosilikátové sklo
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
Fotonásobič fokusační elektronová optika fokusační elektrononová optika účinnost sběru > 80% doba letu k dynodě musí být stejná (nezávislá na místě emise)
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
Fotonásobič dělič napětí kladné napětí záporné napětí
Fotonásobič dělič napětí záporné napětí pulsní mód
Fotonásobič temný proud šum termionická emise z katody a z dynod svodové proudy zbytková radiace
Fotonásobič temný proud Richardsonův zákon r T T 2 exp W kt výstupní práce W = 0.5 ev
Polovodičové detektory vodivostní pás záchytové nebo rekombinační centrum valenční pás
Polovodičové detektory p-n přechod díry p typ n typ elektrony - - - + + + depleted layer ~ 100 mm
Polovodičové detektory p-n přechod díry p typ n typ elektrony - - - + + + depleted layer ~ 100 mm + HV - - - - - - - + - + + + + + - HV + + - - - + + + p contakt n kontakt
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
Ge(Li) Polovodičové detektory + HV - - - - - - - + - + + + + + - HV + + - - - + + + p contakt n kontakt
Ge(Li) Polovodičové detektory 137 Cs 137 Cs
HPGe polovodičové detektory krystal vysoce čistého Ge (p typ) c imp < 10 10 cm -3 = 2 10-7 ppm zonální čištění nečistoty zůstávají v tavenině indukční cívky
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
HPGe polovodičové detektory koaxiální konfigurace (p-typ) n-p přechod na vnějším povrchu detekuje g s E > 50 kev (kvůli n + elektrodě na povrchu)
HPGe polovodičové detektory koaxiální HPGe detektor
HPGe polovodičové detektory krystal vysoce čistého Ge n + kontakt c imp < 10 10 cm -3 = 2 10-7 ppm p + kontakt
HPGe polovodičové detektory
HPGe polovodičové detektory 137 Cs 1.2x10 5 10 6 10 5 10 5 8.0x10 4 10 4 counts 6.0x10 4 counts 10 3 4.0x10 4 10 2 2.0x10 4 10 1 0 100 200 300 400 500 600 700 10 0 100 200 300 400 500 600 700 E (kev) E (kev)
HPGe polovodičové detektory energetické rozlišení (FWHM) E = 122 kev ( 55 Fe EC) R = 0.5 1.0 % E = 1333 kev ( 60 Co b - ) R = 0.14 0.17 % relativní účinnost (% NaI) absolutní vnitřní účinnost
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
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 40 30 U (mv) 20 10 0-10 0 20 40 60 80 100 120 140 t (ms)
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) ~ 3 10 8 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 100 210 4 e el 10 1000 e elektronický šum lze zanedbat
Šum: polovodičové detektory 511 kev g-záření ~ 173000 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 173000 F 132 el 10 1000 e e elektronický šum je dominantní