Лаб. работа №4 (Сцинтилляционный детектор)

Лабораторная работа 3
cцинтилляционный детектор
1.Основные положения. Цель работы.
Сцитилляционный метод регистрации частиц основан на измерении
интенсивности световых вспышек, возникающих в ряде веществ под действием
излучения. Метод находит широкое применение как в научных, так и в прикладных
задачах экспериментальной физики, медицины и других отраслей.
Сцинтилляции в веществах обусловлены электронными переходами в центрах
свечения, которыми могут быть атомы, молекулы или более сложные образования.
В качестве сцинтилляторов используется большой набор веществ в твердой, жидкой
или газообразной фазе. Они характеризуются следующими основными
параметрами: конверсионной эффективностью преобразования энергии частиц в
световую энергию Sэф, временем высвечивания фотонов τ0, эффективностью
регистрации данного типа излучения S, разрешением по энергии ∆E1/2.
Ниже приведены некоторые характеристики наиболее распространенных
сцинтилляторов
Таблица 3.1
сцинтилляторы
плотность,
г/см3
средний
время
атомный высвеч.,
номер
нс.
конверсионная Sα / Sβ
эффективность
для электронов
NaJ(Tl)
3.67
32
250
0.15
0.5
CsJ(Tl)
4.51
54
700
0.06
0.5
ZnS(Ag)
4.09
23
1000
0.1
1.0
Антрацен
Стильбен
1.25
1.16
6
6
25
8
0.034
0.03
0.1
0.1
Конверсионная эффективность сцинтилляторов для частиц одного типа слабо
зависит от энергии, но заметно отличается для частиц с разными удельными
ионизационными потерями. В качестве примера в таблице приведена величина
отношения конверсионных эффективностей α-частиц и электронов Sα/Sβ для разных
сцинтилляторов при облучении их частицами с одинаковой энергией.
Одним из основных преимуществ сцинтилляционных детекторов перед
детекторами других типов является высокая эффективность регистрации ими γ квантов и нейтронов. Так как Sγ возрастает с увеличением среднего атомного номера
2
поглотителя, то для регистрации γ- квантов чаще всего используются кристаллы
NaJ(Tl) и CsJ(Tl). По времени высвечивания эти сцинтилляторы значительно
уступают органическим, однако для решения многих задач их временные
характеристики можно считать удовлетворительными.
Для регистрации сцинтилляций и формирования электрического сигнала в
сцинтилляционом детекторе используется фотоэлектронный умножитель ФЭУ,
работа которого основана на фотоэлектрическом и вторично-эмиссионном
преобразовании световой энергии в электрический сигнал. Необходимым условием
нормальной работы сцинтилляционного счетчика является соответствие спектра
испускания сцинтиллятора спектральной характеристике фотокатода ФЭУ. В
настоящее время разработано большое количество ФЭУ, которые можно разделить
на амплитудные и временные. В амплитудных ФЭУ реализуется минимальный
разброс выходных электрических сигналов по амплитудам, во временных –
минимальный разброс времени пролёта электронов в динодной системе, который
обеспечивается изохронностью их траекторий.
При необходимости пространственного разделения сцинтиллятора и ФЭУ, в
сцинтилляционном детекторе применяют оптические световоды из прозрачных
пластмасс или полированного стекла, а также световоды из волоконно-оптических
материалов.
Наиболее широкое применение сцинтилляционные детекторы нашли в
спектрометрии γ-излучения в диапазоне энергий от 0.1 до 10 МэВ. В этой области
энергий амплитудное распределение импульсов на выходе сцинтилляционного
детектора при регистрации моноэнергетического γ-излучения имеет довольно
сложный вид, обусловленный неоднозначностью процессов взаимодействия γизлучения с веществом, условиями облучения, геометрическими размерами и типом
сцинтиллятора. В общем случае в распределении могут наблюдаться пик полного
поглощения (фотопик), связанный с полным поглощением энергии γ-квантов,
непрерывное распределение, обусловленное поглощением комптоновских
электронов и вылетом из детектора вторичного γ-излучения, пики одиночного и
двойного вылета аннигляционных γ-квантов при эффекте образования пар. Кроме
того, на вид распределения могут влиять и другие причины. В частности, в
амплитудном распределении может наблюдаться пик, связанный с обратным
рассеянием γ-квантов на упаковке кристалла и колбе ФЭУ. Этот пик расположен в
области энергий 200-250 кэВ и зависит от энергии падающего излучения.
Энергию регистрируемого γ-излучения определяют, как правило, по
положению максимума пика полного поглощения или его центра тяжести. Этот пик
чаще всего описывается распределением Гаусса. Основными характеристиками
сцинтилляционнного детектора являются: функция отклика, энергетическое и
временное разрешение, эффективность регистрации. При регистрации -излучения
наряду с полной эффективностью регистрации излучения часто пользуются таким
параметром, как эффективность по пику полного поглощения Sфп, которая
3
определяется как отношение числа импульсов в фотопике к полному числу частиц ,
попавших в детектор.
В настоящей работе исследуются зависимости основных характеристик
сцинтилляционного детектора от некоторых факторов, а также определяются и
анализируются параметры электрического импульса с анода ФЭУ.
2.Лабораторная установка.
Функциональная схема измерительной установки приведена на рис 3.1. Она
включает сцинтилляционный блок детектирования, блок высоковольтного питания,
контрольный осциллограф и плату спектрометра, установленную в компъютер типа
IBM PC. В качестве детекторов используются два промышленных
сцинтилляционных блока БДЭГ2-22 и 6931-20 с кристаллами NaJ(Tl) и ФЭУ-93.
Размеры сцинтилляторов составляют 30мм х Ǿ40мм и 100мм х 150мм.
Схема включения ФЭУ представлена на рис.3.2. Характеристики блоков
детектирования представлены в их техническом описании. Питание ФЭУ
осуществляется от высоковольтного стабилизированного источника напряжения
БНВ30-01, который в свою очередь запитывается от низковольтного источника
питания БНН-08Ф. Отрицательный сигнал с анода ФЭУ (Rа=20 кОм) через
согласующий резистор 50 Ом поступает на плату спектрометра, основу которого
составляют: линейный спектрометрический усилитель с формирующими цепями,
стабилизатором базовой линии и программно-регулируемым коэффициентом
усиления (40-240); аналого-цифровой преобразователь АЦП с устройством
статистического разравнивания неоднородностей уровней квантования, а также ряд
дополнительных узлов, обеспечивающих высокие технические характеристики
измерительного канала (схема точной временной привязки, инспектор наложений,
счетчик мертвого времени и т.п.). Связь между платой спектрометра и IBM PC
осуществляется через порт USB по стандартному протоколу. Программное
обеспечение спектрометра позволяет настраивать его параметры, выводить,
обрабатывать и сохранять получаемую информацию (амплитудное распределение
сигналов). Оно установлено на IBM PC под именем ATS. Основные технические
характеристики спектрометра представлены в приложении 1.
В качестве источников γ-излучений используется комплект образцовых
спектрометрических источников ОСГИ, метрологические и ядерно-физические
характеристики которых представлены в приложении 2.
3.Порядок выполнения работы
Перед началом работы ознакомиться со схемой измерительной установки, с
характеристиками и параметрами отдельных ее блоков (по описаниям и паспортам).
Изучить схему питания ФЭУ и принципиальную электрическую схему
преобразования сигнала, уяснить порядок включения и выключения питания ФЭУ.
Получить у преподавателя источники γ-излучения, ознакомиться с их
характеристиками.. Включить приборы для прогрева
4
3.1 Установка рабочего напряжения питания ФЭУ. Анализ формы и
амплитудного распределения импульсов с ФЭУ.
Установить γ -источник 137Cs на держателе перед входным окном блока
детектирования. Поднять напряжение питания ФЭУ до 1000В и наблюдать на
осциллографе импульсы от регистрируемых γ-квантов. Измерить амплитуду,
длительность фронта и длительность спада импульса. Сопоставить длительность
спада с временем высвечивания сцинтиллятора NaJ(Tl) и постоянной RC цепи
нагрузки. Объяснить, какими физическими процессами в сцинтилляционном
детекторе определяются фронт и спад импульса. Снять зависимость амплитуды
импульса от Uпит до исчезновения импульса.
Открыть на компъютере программу ATS и измерить амплитудное
распределение (функцию отклика детектора) радионуклида 137Cs. Объяснить вид
распределения на различных участках.
3.2. Калибровка энергетической шкалы сцинтилляционного детектора.
Запустить на компъютере программу ATS и для нескольких источников излучения, заданных преподавателем, снять распределение импульсов по
амплитудам для блока детектирования БДЭГ2-22. Объяснить форму распределения
на различных участках и найти значения каналов анализатора импульсов,
соответствующие максимумам фотопиков. Используя данные таблицы 2 и
рекомендации по калибровке программы ATS перевести шкалу каналов анализатора
в шкалу энергий.
3.3 Измерение абсолютного и относительного энергетического
разрешения детектора для различных энергий γ-излучения.
Для нескольких радионуклидов из комплекта ОСГИ, имеющих различные
энергии γ-излучения в диапазоне 60-2000 кэВ снять распределение импульсов по
амплитудам. Сопоставить полученные фотопики с энергиями γ-квантов, указанных
в приложении 2. Определить абсолютное (ΔЕ) и относительное (ΔЕ/Е)
энергетическое разрешение каждого пика и построить зависимости ΔЕ=f(Е) и
ΔЕ=f(ΔE/E). Объяснить полученные зависимости. Для 137Cs результат сравнить с
паспортными данными блока детектирования БДЭГ2-22.
3.4. Измерение фотоэффективности сцинтилляционного детектора.
Для тех же радионуклидов, которые использовались в п.3.3 снять
амплитудные распределения импульсов при расположении источников вплотную
прижатых к сцинтиллятору (приблизительно 2π геометрия) и одном и том же
времени набора спектра. Экспозицию подобрать исходя из набора в максимуме
фотопиков нескольких тысяч импульсов. Вычислить число импульсов в фотопиках
(площадь фотопиков) соответствующих числу зарегистрированных γ-квантов,
потерявших в детекторе всю энергию. Активность используемых источников на
момент измерения, соответствующих числу частиц, попавших в детектор,
рассчитать по формуле:
5
A=A0expError! , где
(3.1)
A0 – паспортная активность источника на момент изготовления, кБк;
T1/2 – период полураспада;
А – активность источников через время t (A0 и t определяются по метрологическим
характеристикам радионуклидов).
При расчете А учесть, что геометрия эксперимента составляет 2π. Для всех
энергий определить абсолютное значение фотоэффективности и построить ее
зависимость от энергии γ-излучения. Сравнить полученный результат с
паспортными данными используемого блока детектирования.
3.5. Измерение энергетического разрешения и фотоэффективности
сцинтилляционного детектора со сцинтиллятором большого объема.
Подключить к измерительному тракту блок детектирования 6931-20. Подать
на него напряжение питания 1000В, провести калибровку детектора по аналогии с
п.3.2 и снять амплитудное распределение от источника 137Cs . Вычислить
относительное энергетическое разрешение и фотоэффективность используемого
блока , сравнить их с паспортными данными и с результатами измерений для блока
детектирования БДЭГ2-22.
3.6. Обработка результатов
Привести результаты сравнения параметров импульса сцинтилляционного
счетчика со временем высвечивания сцинтиллятора. Построить и объяснить
характер зависимости амплитуды импульса от напряжения питания ФЭУ. Построить
и дать объяснения формы амплитудного распределения от источников 137Cs и 60Cо.
Определить значения абсолютного и относительного энергетического разрешения
сцинтилляционного блока детектирования и представить кривые их зависимости от
E. Представить результаты расчета фотоэффективности для разных блоков
детектирования и ее зависимость от энергии излучения. Объяснить полученные
результаты.
Литература
1. Абрамов А.И. и др. Основы экспериментальных методов ядерной
физики. М., Энергоатомиздат, 1985.
2. лашникова В.И., Козодаев М.С. Детекторы элементарных частиц. М.,
Наука, 1966.
3. Ляпидевский В.К. Методы детектирования излучений. М.,
Энергоатомиздат, 1987.
4. Матвеев В.В. и др. Приборы для измерения ионизирующих излучений.
М., Атомиздат, 1972.
6
Осциллограф
Источник
высокого
напряжения
ФЭУ
АЦП
50 Ом
СУ
NaJ
Компьютер
Рис. 3.1
Функциональная схема установки
А
М
ЭФ
1Д
2Д
10Д
11Д
…
– V0
Рис. 3.2
Схема включения и питания ФЭУ
12Д
Выход
20 кОм
ФК