NUCLEAR INDUSTRY CORPORATE PRESENTATION Přednášející: RNDr. Aleš Jančář, Ph.D. Detekce a měření ionizujícího záření Zahraniční dodávky od roku 1994 Úvod k detekci a měření IZ Ionizující záření je pouhým okem neviditelné. Abychom se o jeho existenci mohli přesvědčit, je třeba jej detekovat. Principy detekce ionizujícího záření jsou založeny na souhrnu fyzikálních vlastností a jevů. Z principu detekce ionizujícího záření je odvozena metoda měření, jejíž přesnou realizaci popisuje postup měření. Zahraniční dodávky od roku 1994 Úvod k detekci a měření IZ Jaké základní druhy IZ lze detekovat a měřit: 1/ Záření ALFA (jádra helia) 2/ Záření BETA (elektrony, pozitrony) 3/ Záření GAMA (fotony) 4/ NEUTRONOVÉ záření (neutrony) Zahraniční dodávky od roku 1994 Úvod k detekci a měření IZ Koncem 19. století došlo k několika významným objevům v oblasti IZ: 1895 (Röntgen) objevil tzv. paprsky X. 1896 (Becquerell) objevil přirozenou radioaktivitu studiem uranové rudy. 1897 (Rutherford) rozlišil radioaktivní záření alfa a beta. 1898 (Sklodowská, Curie) objev radioaktivních prvků polonium a radium. Zahraniční dodávky od roku 1994 Úvod k detekci a měření IZ Alfa záření bylo již v roce 1908 detekováno pomocí scintilačních materiálů. Jedná se o historicky nejstarší způsob detekce IZ. 1908 (Crookes, Regener) počítání záblesků na stínítku pokrytého ZnS(Ag) pomocí mikroskopu. Zahraniční dodávky od roku 1994 Úvod k detekci a měření IZ 1909 (Geiger, Marsden) provedli experiment zabývající se rozptylem alfa částic na tenké zlaté fólii. Zahraniční dodávky od roku 1994 Úvod k detekci a měření IZ 1911 (Rutherford) publikoval experiment (Geiger, Marsden) zabývající se rozptylem alfa částic na tenké fólii a formuloval planetární model atomu (jádro = slunce, elektrony = planety). Zahraniční dodávky od roku Úvod k detekci a měření IZ 1900 (Villard) objevil při studiu uranu záření, které není ohýbáno v magnetickém poli. 1910 (Bragg) dalším zkoumáním tohoto záření zjistil, že má vlnový charakter tím, že ionizuje plyn. 1914 (Rutherford, Andrade) dokázali změřením vlnové délky, že se jedná o elektromagnetické záření. Pojmenovali jej záření gama. Zahraniční dodávky od roku Úvod k detekci a měření IZ 1921 (Einstein) zákonitosti fotoelektrického jevu a speciální teorie relativity. 1927 (Compton) zákonitosti rozptylu fotonů na volných nebo slabě vázaných elektronech. Ø Ø Zahraniční dodávky od roku 1994 Úvod k detekci a měření IZ Fyzika IZ 1930 (Chadwick) objevil záření s vysokou pronikavostí až 10 cm do olova, když alfa částicemi ostřeloval berylliový terč. Zahraniční dodávky od roku 1994 Úvod k detekci a měření IZ Fyzika IZ Zjistil, že se nejedná o fotony záření gama, protože se nechovají v souladu s fotoelektrickým jevem. Když tomuto záření vystavil parafínovou desku bohatou na protony, zjistil, že jsou protony uvolňovány ve vysoké rychlosti z parafínu. Záření alfa (jádra hélia) -Při alfa rozpadu emituje jádro He (helion). Hmotnostní číslo se zmenší o 4, protonové číslo o 2 a prvek se posune o dvě místa vlevo v periodické soustavě prvků: - - -Energie 4 až 9 MeV -Krátký dolet (plyn několik cm, kapalina zlomky mm) -Vysoký stupeň ionizace -Ochrana před alfa zářením, postačí list papíru - Zahraniční dodávky od roku 1994 Druhy ionizujícího záření Fyzika IZ Zahraniční dodávky od roku 1994 Druhy ionizujícího záření Fyzika IZ Záření beta (elektrony) -Pokud jádro emituje elektron, pak dochází v jádře k přeměně neutronu na proton, elektron a antineutrino. Hmotnostní číslo se nezmění, protonové číslo se zvětší o 1 a prvek se posune o jedno místo vpravo v periodické soustavě prvků: - - - Zahraniční dodávky od roku 1994 Druhy ionizujícího záření Fyzika IZ Záření beta (pozitrony) -Pokud jádro emituje pozitron, pak dochází v jádře k přeměně protonu na neutron, pozitron a neutrino. Hmotnostní číslo se nezmění, protonové číslo se zmenší o 1 a prvek se posune o jedno místo vlevo v periodické soustavě prvků: - - Záření beta -Energie 2 MeV -Spojité spektrum -Dolet (vzduch 8 m, kapalina 1 cm, hliník 4 mm ) -Brzdné záření, vyšší pronikavost -Anihilace, pozitron ztratí energii a spojí se s elektronem = 2 fotony gama záření 511 keV -Ochrana před beta zářením hliník, plexisklo, aj. - - Zahraniční dodávky od roku Druhy ionizujícího záření Zahraniční dodávky od roku 1994 Druhy ionizujícího záření Fyzika IZ Záření gama -Jedná se o elektromagnetické záření (fotony) s velmi krátkou vlnovou délkou. Vzniká při jaderných reakcích nebo při radioaktivním rozpadu přechodem jádra z vyššího energetického stavu do nižšího, kdy se jádro zbavuje své excitační energie (izomerní přechod). - D:\_Jan1_Work\Skola_Olomouc\Disertacni_Prace\Pictures_PhD\IzomerniPrechod.png Záření gama (fotony) -Energie fotonů gama je dána vztahem: - - kde h – Planckova konstanta [6,626 068 96∙10-34 J∙s] c – rychlost elektromagnetického záření ve vakuu [299 792 458 m∙s-1]; l – vlnová délka záření ; u – frekvence elektromagnetického záření. Zahraniční dodávky od roku 1994 Druhy ionizujícího záření Fyzika IZ Zahraniční dodávky od roku 1994 Druhy ionizujícího záření Fyzika IZ Záření gama (fotony) -Záření gama má čárové spektrum, to znamená, že daný radionuklid emituje pouze fotony s určitými energiemi, které jsou pro jeho přeměnu charakteristické. - Rentgenovo záření -Elektromagnetické záření s velmi krátkou l -Vzniká zabrzděním rychle letících elektronů v těžkých kovech -Zdrojem záření jsou nejčastěji RTG trubice - - - - Zahraniční dodávky od roku 1994 Druhy ionizujícího záření Fyzika IZ Rentgenovo záření Rozlišujeme charakteristické a brzdné záření -Brzdné záření vzniká zpomalováním pohybu urychlených elektronů, nezávisí na materiálu anody (terčíku), ale jen na urychlovacím napětí. Důsledkem zpomalování je vyzařování elektromagnetických vln, jejichž frekvence se mění spojitě - má spojité spektrum - - - - - Zahraniční dodávky od roku 1994 Druhy ionizujícího záření Fyzika IZ Rentgenovo záření -Charakteristické záření souvisí se změnami energie atomu. Vzniká při přechodech elektronů v atomovém obalu -Elektrony dopadající na anodu (terčík) vyráží elektrony, prázdné místo je zaplněno elektronem z vyšší hladiny a přebytek energie je vyzářen ve formě charakteristického záření -Toto záření má čárové spektrum a jeho energie závisí na materiálu anody - - - - Zahraniční dodávky od roku 1994 Druhy ionizujícího záření Fyzika IZ Zahraniční dodávky od roku 1994 Druhy ionizujícího záření Fyzika IZ Rentgenovo záření -Spojité a čárové spektrum záření X - - - - Rentgenovo záření Vlnová délka záření X určuje jeho základní vlastnosti: a)Schopnost pronikat látkami b)Vyvolat ionizaci látky c) Čím kratší je vlnová délka tím lépe záření proniká látkami a má větší ionizační účinky. - - - - Zahraniční dodávky od roku 1994 Druhy ionizujícího záření Fyzika IZ Zahraniční dodávky od roku 1994 Druhy ionizujícího záření Fyzika IZ Neutronové záření -Elementární částice bez elektrického náboje, mající přibližně stejnou hmotnost jako protony -Složení ze dvou kvarku d a jednoho kvarku u -Vysoká pronikavost -Spojité spektrum - Zahraniční dodávky od roku 1994 Druhy ionizujícího záření Fyzika IZ Neutronové záření - Chladné neutrony < 0,002 eV Teplené neutrony (0,002 ÷ 0,5) eV Nadtepelné neutrony (0,5 ÷ 1) eV Epitermální neutrony (1 ÷ 10) eV Nadepitermální neutrony (10 ÷ 50) eV Nízké rezonanční neutrony (50 ÷ 100) eV Střední rezonanční neutrony (0,1 ÷ 1) keV Rezonanční neutrony (1 ÷ 10) keV Vysoké rezonanční neutrony (10 ÷ 100) keV Rychlé nadrezonanční neutrony (0,1 ÷ 1) MeV Štěpné, rychlé neutrony (1 ÷ 3) MeV Neutrony s vysokými energiemi (3 ÷ 50) MeV Neutrony s velmi vysokými energiemi > 50 MeV Zahraniční dodávky od roku Fotoelektrický jev Fyzika IZ Foton gama záření předá kvantum energie hn elektronu v atomovém obalu. Pokud je tato energie větší jak výstupní práce elektronu Wv dojde k jeho uvolnění z obalu a elektron získá kinetickou energii Ek. D:\_Jan1_Work\Skola_Olomouc\Disertacni_Prace\Pictures_PhD\Fotoefekt.png Fotoefekt – prakticky úplná absorpce záření gama např. ve scintilátoru, jíž pak odpovídá v amplitudovém spektru pík totální absorpce tzv. fotopík Kinetická energie fotoelektronů je přímo úměrná frekvenci záření, přičemž nezávisí na intenzitě. Velikost fotoproudu, tj. počet uvolněných elektronů je přímo úměrný intenzitě záření. Pravděpodobnost fotoelektrického jevu se zvyšuje s atomovým číslem materiálu. Zahraniční dodávky od roku Fotoelektrický jev Fyzika IZ Zahraniční dodávky od roku 1994 Comptonův rozptyl Fyzika IZ Comptonův rozptyl nastává, když foton záření gama předá část své energie hn volnému nebo slabě vázanému elektronu. Energie se tedy rozdělí mezi rozptýlený foton a elektron v závislosti na úhlu. D:\_Jan1_Work\Skola_Olomouc\Disertacni_Prace\Pictures_PhD\Compton.png Zahraniční dodávky od roku 1994 Comptonův rozptyl Fyzika IZ Rozptýlený foton má nižší energii a větší vlnovou délku. Čím větší je úhel, tím větší je rozdíl: Energie Comptonovy hrany (Ec): l - Comptonova vlnová délka = h/mec2 Zahraniční dodávky od roku 1994 Fotoefekt a Comptonův rozptyl v praxi Fyzika IZ Do scintilačního detektoru NaI(Tl) dopadají monoenergetické fotony s energií 662 keV, které emituje radionuklid Cs-137. Celá energie fotonu se deponuje ve scintilátoru a jí pak odpovídá pík totální absorpce. Comptonova hrana odpovídá maximální předané energii elektronu, která nastane při rozptylu kvanta záření hn pod úhlem 180 °. D:\_Jan1_Work\Skola_Olomouc\Disertacni_Prace\Pictures_PhD\Fotoefekt.png D:\_Jan1_Work\Skola_Olomouc\Disertacni_Prace\Pictures_PhD\Compton.png Základní rozdělení •Veličiny charakterizující zdroje IZ •Veličiny charakterizující pole záření •Veličiny charakterizující působení záření na látku •Veličiny popisující interakce IZ s látkou •Veličiny používané v radiační ochraně Zahraniční dodávky od roku 1994 Veličiny a jednotky atomové a jaderné fyziky Fyzika IZ Zahraniční dodávky od roku 1994 Veličiny charakterizující zdroje IZ Aktivita (A) Aktivita radioaktivní látky (zářiče) je počet samovolných radioaktivních přeměn (rozpadů) v této látce za jednotku času. Jednotkou je Bq (1 Ci = 3,7E+10 Bq). Aktivita radionuklidu s časem klesá: Fyzika IZ Zahraniční dodávky od roku 1994 Veličiny charakterizující zdroje IZ Aktivita (A) Aktivita se vztahuje k radionuklidu jako celku, nezávisle na jeho tvaru, rozměrech nebo hmotnosti. Pro bližší charakterizaci je nutné vztáhnout aktivitu ke vhodné jednotce (Bq/kg, Bq/m3, Bq/cm2). Fyzika IZ Zahraniční dodávky od roku 1994 Veličiny charakterizující zdroje IZ Emise zdroje (1/s) Počet přeměn udávaných aktivitou nemusí být stejný jako počet emitovaných částic. Skutečný počet emitovaných částic se zdroje za jednotku času vyjadřuje veličina emise. U zapouzdřených zdrojů ovlivňuje počet emitovaných částic: a)Absorbce v pouzdře b)Samoabsorbce ve zdroji c)Vznik sekundárních částic při různých interakcích Fyzika IZ Zahraniční dodávky od roku 1994 Veličiny charakterizující zdroje IZ Energie emitovaných částic (eV) •jednoznačně charakterizuje radionuklid, který tyto částice emituje •Vlastnosti záření jako např. interakce závisí na energii •Jednotkou je 1 eV, tj. kinetická energie kterou získá elektron urychlený ve vakuu napětím jednoho voltu 1 eV= 1,602176634.10-19 J Fyzika IZ Zahraniční dodávky od roku 1994 Veličiny charakterizující pole IZ Fluence částic (1/m2) Fluence neboli hustota prošlých částic: Kde dN je počet částic, které vstoupily do koule s plošným obsahem da. Pro široký homogenní svazek záření lze zjednodušeně definovat počet částic, které prošly plochou 1 m2 postavenou kolmo ke směru šíření částic. Fyzika IZ Zahraniční dodávky od roku 1994 Veličiny charakterizující pole IZ Příkon fluence částic (1/m2s) Příkon fluence neboli hustota toku částic: Udává jak rychle se v daném bodě mění fluence částic. Fyzika IZ Zahraniční dodávky od roku 1994 Veličiny charakterizující působení na látku Dávka (Gy) Je definována jako poměr střední energie de předané přímo ionizujícím zářením elementu látky o hmotnosti dm a hmotnosti tohoto elementu: Fyzika IZ Zahraniční dodávky od roku 1994 Veličiny charakterizující působení na látku Dávka (Gy) Zjednodušeně lze říci, že dávka je energie záření absorbovaná v hmotnostní jednotce ozařované látky. Jednotkou dávky je Gy s rozměrem J/kg. Fyzika IZ Zahraniční dodávky od roku 1994 Veličiny charakterizující působení na látku Dávkový příkon Udává jak rychle se dávka mění v čase. Veličina dávkový příkon je spjata s přímo ionizujícím zářením. Jednotkou je Sv/h. Fyzika IZ Zahraniční dodávky od roku 1994 Veličiny charakterizující působení na látku Kerma (Gy) kinetic energy released per unit mass Je definována jako součet počátečních kinetických energií všech nabitých částic uvolněných nenabitými částicemi v uvažovaném objemu látky o hmotnosti dm. Jednotkou je Gy. Fyzika IZ Zahraniční dodávky od roku 1994 Veličiny charakterizující působení na látku Kermový příkon (Gy/h) Udává jak rychle se kerma mění v čase. Veličina kermový příkon je spjata s nepřímo ionizujícím zářením. Jednotkou je Gy/h. Fyzika IZ Zahraniční dodávky od roku 1994 Veličiny charakterizující působení na látku Kermová gama konstanta (mGy.m2.GBq-1.h-1) Vk,d - kermová vydatnost bodového zdroje IZ A – aktivita (Bq) zdroje IZ Číselná hodnota gama konstanty udává kermový příkon fotonového záření v mGy/h ve vzdálenosti 1 m od zdroje IZ o aktivitě 1 GBq. Fyzika IZ Zahraniční dodávky od roku 1994 Veličiny popisující interakce IZ s látkou Lineární a hmotnostní absorpční koeficient Interakce IZ s prostředím = ztráta energie absorpce Absorpční zákon: F - fluence částic po průchodu vrstvou (m-2) F0 - fluence částic dopadající na vrstvu materiálu (m-2) d – tloušťka vrstvy materiálu (m) µ - lineární absorpční koeficient (m-1) F Fyzika IZ Zahraniční dodávky od roku Veličiny používané v radiační ochraně Dávkový ekvivalent Q – jakostní činitel D – dávka v uvažovaném bodě tkáně •Bodová veličina vyjádřena v (Sv) •Vyjadřuje rozdílnou biologickou účinnost různých druhů záření Fyzika IZ Zahraniční dodávky od roku Veličiny používané v radiační ochraně Dávkový ekvivalent •Je funkcí lineárního přenosu energie • • Fyzika IZ L (keV/µm) Q (L) < 10 1 10 - 100 0,32L – 2,2 > 100 300L-0,5 Zahraniční dodávky od roku Veličiny používané v radiační ochraně Příkon dávkového ekvivalentu Rozlišujeme v základu: •Osobní dávkový ekvivalent •Prostorový dávkový ekvivalent •Fotonový dávkový ekvivalent •Směrový dávkový ekvivalent Fyzika IZ Zahraniční dodávky od roku Veličiny používané v radiační ochraně Ekvivalentní dávka ve tkáni nebo orgánu DT – střední dávka záření ve tkáni nebo orgánu wR – radiační váhový faktor pro daný typ záření Radiační váhový faktor vyjadřuje relativní biologickou účinnost jednotlivých typů záření vzhledem k fotonovému. Jednotkou ekvivalentní dávky je Sv. Fyzika IZ Zahraniční dodávky od roku Veličiny používané v radiační ochraně Efektivní dávka HT – ekvivalentní dávka záření ve tkáni nebo orgánu wT – tkáňový váhový faktor Tkáňový váhový faktor vyjadřuje relativní příspěvek daného orgánu nebo tkáně k celkové zdravotní újmě. Jednotkou ekvivalentní dávky je Sv. Fyzika IZ Zahraniční dodávky od roku Přehled vybraných veličin Veličina Hlavní jednotka (Evropa) Hlavní jednotka (USA) Název Značka Název Značka Rozměr Název Značka Převodní vztah Aktivita A becquerel Bq s-1 Curie Ci 1 Ci = 3,7.1010 Bq Expozice X coulomb na kilogram C.kg-1 C.kg-1 Rentgen R 1 R = 2,58.10-4 C.kg-1 Expoziční příkon ampér na kilogram A.kg-1 A.kg-1 Rentgen za sekundu R.s-1 1 R.s-1 = 2,58.10-4 A.kg-1 Dávka D grey Gy J.kg-1 Rad rad 1 Rad = 10-2 Gy Dávkový příkon grey za sekundu Gy.s-1 W.kg-1 Rad za sekundu rad.s-1 1 rad.s-1 = 10-2 Gy.s-1 Ekvivalentní dávka H sievert Sv J.kg-1 Rem rem 1 Rem = 10-2 Sv Příkon ekvivalentní dávky sievert za sekundu Sv.s-1 W.kg-1 Rem za sekundu rem.s-1 rem.s-1 = 10-2 Sv.s-1 Zahraniční dodávky od roku Ochrana před ionizujícím zářením Existují tři způsoby ochrany před zevním zářením: •Ochrana vzdáleností •Ochrana časem •Ochrana stíněním Zahraniční dodávky od roku Ochrana před ionizujícím zářením Ochrana vzdáleností Je založena na skutečnosti, že dávka, resp. dávkový příkon klesá s druhou mocninou vzdálenosti. Např. dávkový příkon v 10 cm je 100x větší než v 1 m a 10 000x jak příkon v 10 m. Zahraniční dodávky od roku Ochrana před ionizujícím zářením Ochrana vzdáleností Princip radiační ochrany tedy vyžaduje, abychom pracovali co nejdále od zdroje v dostatečné vzdálenosti těla a rukou za použití k tomu určených přípravků a pomůcek (pinzety, stojánky, svěrky, fyzické bariéry atp.). Příklad: Ve vzdálenosti 10 cm od zdroje Co-60 byl změřen DP = 500 mGy/h. Jaký bude DP ve vzdálenosti 100 cm? Zahraniční dodávky od roku Ochrana před ionizujícím zářením Ochrana časem Radiační zátěž pracovníka roste s dobou pobytu v prostoru, kde se vyskytuje IZ. Na základě principu radiační ochrany časem se pracovník snaží o co nejkratší dobu práce se zdrojem IZ. Při zvlášť rizikových pracích lze dosáhnout podstatného snížení úvazku dávky důsledným střídáním pracovníků. Zahraniční dodávky od roku Ochrana před ionizujícím zářením Ochrana časem Při činnostech, kdy např. chirurg musí mít ruce pod RTG je ochrana časem jediný způsob ochrany před IZ. V případě povrchové kontaminace pracovníka představuje ochrana časem co nejrychlejší odložení kontaminovaného oděvu a ochranných pomůcek a především co nejrychlejší provedení dekontaminace. Zahraniční dodávky od roku Ochrana před ionizujícím zářením Ochrana stíněním Tato ochrana se provádí tak, že se mezi zdroj IZ a pracovníka umístí vhodný stínací materiál. Jeho tloušťka se volí podle druhu záření a podle jeho energie. Zahraniční dodávky od roku Ochrana před ionizujícím zářením Ochrana stíněním Alfa záření 1. Postačí tenká vrstva např. gumy, plexisklo, atp. vzhledem k malé pronikavosti alfa částic. Absorpce alfa záření ve vzduchu jen několik cm. Zahraniční dodávky od roku Ochrana před ionizujícím zářením Ochrana stíněním Beta záření 1. Používají se látky s nízkou hustotou, vzhledem k tomu, že u těchto látek je výrazně nižší pravděpodobnost vzniku brzdného záření (hliník, plast). Zahraniční dodávky od roku Ochrana před ionizujícím zářením Ochrana stíněním Gama záření 1. Pro gama i rentgenovo záření platí, že při jeho průchodu prostředím dochází k fotoefektu, Comptonovu jevu a tvorbě párů. Zahraniční dodávky od roku Ochrana před ionizujícím zářením Ochrana stíněním Gama záření 1. Protože pravděpodobnost fotoefektu roste s protonovým číslem materiálu, kterým záření prochází, je zřejmé, že elektromagnetické záření bude nejvíce absorbováno v těžkých materiálech jako např. olovo nebo wolfram. Zahraniční dodávky od roku Ochrana před ionizujícím zářením Ochrana stíněním Neutronové záření 1. Při stínění neutronů je třeba docílit jejich zpomalení, aby mohly být pohlceny vhodným absorbátorem. Neutrony se zpomalují látkami bohatými na vodík (např. parafín, polyetylen). Energii ztrácejí při pružném rozptylu na jeho jádrech. Zahraniční dodávky od roku Ochrana před ionizujícím zářením Ochrana stíněním Neutronové záření 1. Pomalé neutrony (E < 0,4 eV) se absorbují nejlépe kadmiem, borem nebo indiem. Pro účinnou absorpci tepelných neutronů (E < 0,025 eV) postačuje vrstva kadmia o tloušťce 1 mm. Zahraniční dodávky od roku Ochrana před ionizujícím zářením Ochrana stíněním Neutronové záření 1. Protože při absorpci neutronů v jádrech kadmia vzniká gama záření, je třeba při návrhu stínění počítat rovněž s vrstvou olova. Lze použít i kombinované materiály jako např. polyetylen s obsahem boru a doplnit ještě vrstvu olova jako ochrana před gama zářením. Zahraniční dodávky od roku 1994 Detektory jaderného záření a principy detekce Ionizující záření je schopné při průchodu látkou způsobit ionizaci, tj. vytvořit z původně elektricky neutrálních atomů kladné a záporné ionty (iontové páry). Iont – elektricky nabitá částice atomární velikosti, kde se celkový počet elektronů liší od celkového počtu protonů. Zahraniční dodávky od roku 1994 Detektory jaderného záření a principy detekce Elektronegativita Vlastnost atomu, vyjadřující jeho schopnost přitahovat vazebné elektrony. Elektronegativita atomu je ovlivněna jeho atomovým číslem a vzdáleností valenčních elektronů od nabitého jádra. Elektronegativita je opakem elektropozitivity, která určuje schopnost prvku darovat valenční elektrony. Zahraniční dodávky od roku 1994 Detektory jaderného záření a principy detekce Přímo ionizující záření je tvořeno nabitými částicemi záření alfa, beta a protonové záření, mající dostatečnou kinetickou energii k tomu, aby mohly vyvolat ionizaci. Nepřímo ionizující záření zahrnuje nenabité částice záření X a gama, dále též neutronové záření. Svou kinetickou energii předávají v látce nabitým částicím a teprve tyto částice přímými účinky na atomy látku ionizují. Zahraniční dodávky od roku 1994 Detektory jaderného záření a principy detekce V detektoru se mění energie dopadajícího ionizujícího záření na elektrický signál, který se dále zpracovává radiometrické aparatuře. Radiometrická aparatura může pracovat tak, že měří střední hodnotu proudu na detektoru nebo registruje jednotlivé impulsy z detektoru. Zahraniční dodávky od roku 1994 Rozdělení detektorů IZ Podle účelu měření lze přístroje rozdělit na: •Radiometry – slouží ke stanovení úrovně radioaktivity v daném prostoru •Spektrometry – měří energii IZ •Průmyslová radiometrická zařízení – jsou určena k nejrůznějšímu využití radionuklidů v průmyslu, obsahují vhodný zdroj IZ a měřící aparaturu Zahraniční dodávky od roku 1994 Rozdělení detektorů IZ Rozlišujeme dva základní druhy detektorů: Kontinuální – poskytují průběžnou informaci o hodnotě detekovaného záření. Po ukončení ozařování hodnota klesne na úroveň pozadí. Integrální (dozimetry) – hodnota se zvyšuje po celou dobu kdy je detektor ozařován. Informace po ukončení ozařování zůstává v detektoru uchována. Zahraniční dodávky od roku 1994 První detektor ionizujícího záření Detektory IZ Wilsonova mlžná komora (1911) Nobelova cena v roce 1927 Zahraniční dodávky od roku 1994 Rozdělení detektorů IZ Detektory IZ Pro účely dozimetrie rozdělujeme detektory podle principu detekce do tří skupin: Scintilační – působením IZ vzniká luminiscenční záření Elektrické – působením IZ se mění elektrické vlastnosti (ionizační komory, proporcionální a Geiger-Müllerovi počítače, krystalové a polovodičové detektory) Samostatné – působením IZ mění své vlastnosti (barva, složení, objem). Jedná se vesměs o dozimetry. Zahraniční dodávky od roku 1994 Elektrické detektory Detektory IZ Jedná se o různě upravené válcové nebo deskové kondenzátory. Mezi deskami kondenzátoru mohou nastat tři následující stavy: Ionizace – ionty, které vytvoří ionizující záření, se pohybují k opačně nabitým elektrodám, v obvodu vzniká ionizační proud Rekombinace – při setkání kladného a záporného iontu může vzniknout opět neutrální atom nebo molekula Sekundární ionizace – primární ionty mohou být urychleny na vyšší energii, než je energie ionizačního plynu mezi deskami kondenzátoru a mohou vytvářet nárazovou ionizací další ionty. Zahraniční dodávky od roku 1994 Obory ionizace – el. detektory Detektory IZ D:\_Jan1_Work\Skola_Olomouc\Disertacni_Prace\Pictures_PhD\VA_DET.png •Obor Ohmova zákona (I) •Obor nasyceného proudu (II) •Obor přídavné ionizace (III) Zahraniční dodávky od roku 1994 Obory ionizace – el. detektory Detektory IZ Obor Ohmova zákona (I) – ionty vzniklé primární ionizací spolu rekombinují, rekombinace klesá s rostoucím napětím a tím roste ionizační proud úměrně s napětím. Pro detektory IZ se tento obor nevyužívá. Obor nasyceného proudu (II) – rekombinace ustává, všechny primární ionty se účastní vedení proudu, sekundární ionty zatím ještě nevznikají. Ionizační proud je nezávislý na napětí. V tomto oboru pracují ionizační komory. Obor přídavné ionizace (III) – primární ionty jsou urychleny do té míry, že vytvářejí další ionty nárazy na neutrální molekuly. Každý urychlený iont vytvoří K sekundárních iontů. Číslo K se nazývá koeficient zesílení. Zahraniční dodávky od roku 1994 Obory ionizace – el. detektory Detektory IZ Obor přídavné ionizace (III) rozdělujeme do tří částí: Obor úplné proporcionality (III1) – proporcionální počítače Obor částečné proporcionality (III2) – nevyužívá se pro detektory IZ Obor Geiger-Müllerův (III3) – Geiger-Müllerovi počítače Zahraniční dodávky od roku 1994 Scintilační detektory Detektory IZ Jsou založeny na látkách v nichž působením IZ vzniká luminiscenční záření (scintilace – slabé světelné záblesky). Scintilace jsou podmíněny existencí luminiscenčních center, která vznikají vniknutím iontů cizího prvku do krystalické mřížky iontového krystalu. Tímto způsobem vzniká aktivovaný scintilátor, např. NaI(Tl), ZnS(Ag), YAP(Ce), apod. Zahraniční dodávky od roku 1994 Scintilační detektory Detektory IZ Základní typy scintilačních detektorů: a)Organické scintilátory (plastické, kapalné) b) Anorganické krystaly (NaI:Tl, YAP:Ce, CeBr) Zahraniční dodávky od roku 1994 Scintilační detektory Detektory IZ Základní procesy probíhající ve scintilátorech: -absorpce energie IZ scintilátorem -scintilační proces, tj. konverze energie IZ na energii emitovaných fotonů -přenos fotonů emitovaných scintilátorem na fotocitlivý prvek (PMT, fotodioda) -Absorpce fotonů na fotokatodě PMT nebo fotodiody Zahraniční dodávky od roku 1994 Organické scintilátory Detektory IZ Základní rozdělení podle složení a struktury: a)Krystalické scintilátory – krystaly látek založené na bázi uhlovodíků Scintilátor Chemický vzorec Hustota [g/cm3] Vlnová délka [nm] Antracen C14H10 1,25 447 Stilben C14H12 1,16 410 Zahraniční dodávky od roku 1994 Organické scintilátory Detektory IZ Základní rozdělení podle složení a struktury: b) Plastické scintilátory – polymerní látky, zejména polystyren (PST) a polyvinyltoulen (PVT) se scintilačními aktivátory a posunovači spektra Scintilátor Hustota [g/cm3] Vlnová délka [nm] PST + tetrafenylnutadien 1,0 450 PVT + pT + p,p difenylstilben 1,0 380 PVT + pT + tetrafenylnutadien 1,0 445 PVT + PBD + POPOP 1,1 425 PVT + pT + POPOP 1,05 425 Zahraniční dodávky od roku 1994 Organické scintilátory Detektory IZ Základní rozdělení podle složení a struktury: c) Kapalné scintilátory – roztoky scintilačních aktivátorů v organických rozpouštědlech s posunovači spektra Scintilátor Hustota [g/cm3] Vlnová délka [nm] Toulen + pT + POPOP 0,88 425 Toulen + PBD 0,88 365 Toulen + PPO + POPOP 0,88 425 Xylen + PBD 0,89 365 Xylen + PBD + POPOP 0,90 425 Xylen + naftalen + POPOP 0,87 425 Dioxan + PPO + POPOP 1,04 425 Zahraniční dodávky od roku 1994 Organické scintilátory Detektory IZ Scintilační proces V organických scintilátorech je mechanismus scintilací vyvolán přechodem atomů molekul z jedné energetické hladiny na druhou. Absorbovaná energie IZ se spotřebuje na ionizaci a excitaci elektronů v materiálu scintilátoru. Zahraniční dodávky od roku 1994 Organické scintilátory Detektory IZ D:\_Jan1_Work\Skola_Olomouc\Disertacni_Prace\Picture_PhD\TransitionScheme.png Excitace elektronů v důsledku absorpce kinetické energie nabitých částic. Deexcitace na hladinu S1 vlivem vnitřní konverze, která nastává během několika pikosekund. Zahraniční dodávky od roku 1994 Organické scintilátory Promptní fluorescence, deexcitace elektronů při přechodu z hladiny S10 do základního stavu S0 (t ~ ns). Fluorescence, přechod z metastabilní hladiny do základního stavu S0 ® vznik tripletu T1, delší t ~ (ms). Zpožděná fosfor. T1 ® S10 D:\_Jan1_Work\Skola_Olomouc\Disertacni_Prace\Picture_PhD\TransitionScheme.png Zahraniční dodávky od roku 1994 Organické scintilátory Použití organických scintilátorů Alfa/Beta nespektrometrická detekce – tenké scintilátory 0,25 mm – citlivost od nízkých energií (C-14 ~150 keV) Parametr EJ-212 ZnS(Ag) Světelný výtěžek (% antracenu) 65 300 Vlnová délka při maximální emisi [nm] 423 450 Doba dosvitu [ns] 2,4 200 Zahraniční dodávky od roku 1994 Organické scintilátory Ukázka sondy se scintilačním detektorem Zahraniční dodávky od roku Organické scintilátory Zahraniční dodávky od roku Anorganické scintilátory Anorganické scintilátory jsou založeny na zonální teorii krystalů. Vniknutím iontů cizích prvků do krystalové mřížky krystalu mohou vzniknout v zakázané zóně luminiscenční centra a krystal se stává aktivovaným scintilátorem. Zahraniční dodávky od roku Anorganické scintilátory Při vniknutí částice o energii hu do aktivovaného krystalu mohou elektrony z valenčního pásu přejít do vodivostního pásu. Při přechodu elektronů z excitovaného stavu do základního stavu dojde k vyzáření fotonu o energii hu¢. Zahraniční dodávky od roku 1994 Anorganické scintilátory Detektory IZ Směr pohybu fotonů těchto scintilací je náhodný, proto se scintilátor obklopuje reflektorem s bílou difúzní barvou, která odráží vznikající fotony zpět do krystalu. Fotony dopadající na fotokatodu fotonásobiče (PMT) z ní uvolňují elektrony, které se po urychlení elektrickým polem dostávají na první dynodu PMT. Na připojeném zatěžovacím odporu vznikne napěťový impuls. Zahraniční dodávky od roku Anorganické scintilátory Zonální teorie růstu krystalu V průběhu růstu krystalu se k jeho povrchu postupně připojují stavební částice: oCentrální část krystalu je nejstarší oPovrchová vrstva je nejmladší oČástice, které se připojily v relativně krátkém čase tvoří v krystalu určitou zónu oRůst prvních několika cm trvá řádově dny Zahraniční dodávky od roku Anorganické scintilátory Zonální teorie růstu krystalu Proces krystalizace neprobíhá nikdy za zcela konstantních podmínek. Mění se řada fyzikálně chemických parametrů: oTeplota, tlak, vlhkost oChemické složení okolního prostředí Krystaly se tedy od sebe svým chemickým složením a strukturou nepatrně liší. Zahraniční dodávky od roku Anorganické scintilátory Zonální teorie růstu krystalu Zonální stavba krystalu je někdy pozorovatelná i makroskopicky (rozdílné zbarvení jednotlivých zón krystalu): o Turmalín Zahraniční dodávky od roku Anorganické scintilátory Základní rozdělení anorganických scintilátorů: oČisté monokrystaly - alkalické halogeny (NaI, CsI, YAP, …) - scintilace při nízké teplotě (-170 °C) - nízká účinnost, horší energetické rozlišení (FWHM) oMonokrystaly aktivované příměsí - alkalické halogeny aktivované těžkými kovy (Tl, Eu, …) - NaI(Tl), CsI(Eu), YAP(Ce) nevyžadují chlazení oAktivované polykrystalické látky - sirníky ZnS nebo CdS - aktivace těžkými kovy Ag, Cu např. ZnS(Ag) o Zahraniční dodávky od roku Anorganické scintilátory Základní parametry nejpoužívanějších anorg. scintilátorů Parametr Hustota [g/cm3] Bod tání [K] Tvrdost [Mho] Hydroskopický Vlnová délka [nm] Index lomu Časová konstanta [ns] Světelná výtěžnost [fotony/keVγ] FWHM (662 keV) [%] NaI(Tl) 3,67 924 2 ano 415 1,85 250 38 8,0 CsI(Tl) 4,51 894 2 ano 550 1,79 1000 54 7,5 LaBr3(Ce) 5,08 1116 3 ano 380 1,9 16 63 2,6 CaF2(Eu) 3,18 1691 4 ne 435 1,47 940 19 8,4 YAP(Ce) 5,37 2148 8,6 ne 370 1,95 25 25 5,5 CeBr3 5,10 995 2 ano 370 1,9 18 60 3,8 Parametr ET 9125SB ET 9266SB CeBr3 YAP(Ce) Velikost fotokatody [mm] 25 48 x x Emisní maximum [nm] 360 360 370 370 Rozsah vlnových délek [nm] 280 - 630 290 - 630 320 - 475 325 - 425 Index lomu 1,49 1,49 1,90 1,95 Kvantová účinnost [%] 28 30 x x Temný proud [nA] 0,2 0,3 x x Teplotní rozsah [°C] -30 - +60 -30 - +60 x x Zahraniční dodávky od roku Využití scintilátorů v praxi Příklad konstrukce spektrometrické sondy Spektrometrická sonda = vytvořený napěťový impuls je úměrný energii ionizujícího záření. Zahraniční dodávky od roku Využití scintilátorů v praxi Příklad konstrukce spektrometrické sondy IMG_1879a IMG_1871a IMG_1858a Zahraniční dodávky od roku Využití scintilátorů v praxi Zahraniční dodávky od roku 1994 Plynové detektory Detektory IZ Plyny jsou za standardních podmínek vynikajícími izolanty. Působením přímo ionizujícího záření se původně neutrální atomy molekul přeměňují na kladné a záporné ionty. Působením nepřímo ionizujícího záření vznikají sekundární nabité částice, které následně látku ionizují. V důsledku vzniku elektricky nabitých částic v plynu vzrůstá jeho vodivost. Detektory, které využívají tohoto jevu souhrnně označujeme jako plynové detektory. Zahraniční dodávky od roku 1994 Geiger-Müllerovy počítače Detektory IZ Patří mezi jedny z nejstarších detektorů záření. Byly objeveny v roce 1928 a pro svoji jednoduchost a nízkou cenu se používají dodnes. G-M detektory mají tvar trubice s pláštěm obvykle z kovu. Katoda je tvořena válcem z tenkého plechu. Anodu tvoří drátek o poloměru cca 0,05 mm, který je napnutý v ose trubice. Trubice je plněna plynem (neon, argon, helium nebo krypton) o nízkém tlaku cca 10 kPa. Zahraniční dodávky od roku 1994 Geiger-Müllerovy počítače Detektory IZ Po vniknutí nabité částice do počítače, nastane uvnitř počítače vlivem sekundární ionizace lavinové narůstání počtu iontů. Urychlené elektrony laviny kromě nárazové ionizace mohou též excitovat atomy plynové náplně. Pravděpodobnost excitace roste s energií elektronů a s pracovním napětím. Deexcitace je provázena emisí fotonového záření, které může dopadnout na jakékoliv místo katody. Pokud je energie vyšší jak výstupní práce elektronu z kovu na který dopadnou dojde k emisi fotoelektronu. Fotolektrony vzniklé na katodě se vlivem el. pole pohybují k anodě, v jejímž okolí způsobí vznik dalších lavin a celý proces se opakuje. Zahraniční dodávky od roku Geiger-Müllerovy počítače Detektory IZ Vlivem ionizace dochází k vytvoření prostorového kladného náboje kladných iontů což vede ke snížení intenzity el. pole a tím i snížení excitace plynové náplně elektrony. Vrstva kladných iontů obklopující anodu se pohybuje směrem ke katodě kde je neutralizována záchytem elektronů. Při tomto procesu se uvolňuje energie, která je rovna rozdílu ionizační energie plynu a energie potřebné k výstupní práci elektronu z kovu. Je-li tato energie vyšší jak výstupní práce může dojít k emisi elektronu z katody. Pravděpodobnost tohoto procesu je velice malá. Zahraniční dodávky od roku 1994 Geiger-Müllerovy počítače Detektory IZ Znamená to tedy, že průchod každé částice je doprovázen samovolným výbojem v celém objemu počítače, který vyvolá na zatěžovacím odporu napěťový impuls. Amplituda signálu je nezávislá na energii částice, která ionizaci způsobila. Zahraniční dodávky od roku Geiger-Müllerovy počítače Detektory IZ Aby mohl počítač registrovat jednotlivé nabité částice je nutné výboj co nejrychleji přerušit a předejít tak vzniku sekundárních lavin. K přerušení výboje se používají příměsi v plynové náplni (samozhášecí G-M počítače). Nejčastěji se jedná o příměs etylalkoholu. Částice působící primární ionizaci vytvářejí kladné ionty a elektrony převážně z primární složky náplně. Deexcitační fotony generované v lavině interagují s těžkými molekulami zhášecí příměsy. Fotoelektrony nevznikají na katodě (nesamozhášecí počítače) ale v plynové náplni a spouští zde další laviny. Geiger-Müllerovy počítače Detektory IZ Kladné ionty při pohybu k anodě naráží jednak na neutrální molekuly, ale také na molekuly zhášecího plynu. Vlivem rozdílu ionizačních energií obou plynů dochází k přenosu kladného náboje na molekuly zhášecího plynu. Primární kladné ionty jsou neutralizovány místo nich pokračují ke katodě kladné ionty zhášecí plynové příměsi. Při jejich neutralizaci na katodě se uvolněná energie využije k disociaci (štěpení) složitých molekul mnohem pravděpodobněji než k emisi elektronu z katody. Z tohoto důvodu nedochází k dalšímu spouštění lavin a výboj je omezen na jednu primární lavinu. Geiger-Müllerovy počítače Detektory IZ Pracovní plošina Znázorňuje závislost četnosti impulsů na napětí počítače. Oblast ležící mezi napětím U1 a U2 se nazývá pracovní plošina počítače (plató). Její délka (150 až 300 V) a sklon (2 – 3 %) jsou měřítky kvality počítače. Geiger-Müllerovy počítače Detektory IZ Mrtvá doba Udává časový interval za který se po výboji obnoví pracovní napětí, tj. G-M počítač je schopen registrovat další částice. Značí se t nebo DT (Dead Time) a měří se v mikrosekundách. U samozhášecích počítačů se pohybuje mrtvá doba v rozsahu cca 10 až 100 µs. Geiger-Müllerovy počítače Detektory IZ Mrtvá doba - neparalyzabilní Je charakterizovaná tím, že během této mrtvé doby detektor neregistruje přilétající částice, přičemž tyto částice nemají na jeho činnost žádný vliv a po uplynutí mrtvé doby je detektor okamžitě připraven k detekci dalšího impulsu. Geiger-Müllerovy počítače Detektory IZ Mrtvá doba – paralyzabilní (kumulativní) Je charakterizovaná tím, že během této mrtvé doby detektor nejen že neregistruje další částice, ale každá další částice jež během mrtvé doby vletí do detektoru, znovu prodlouží o tutéž dobu jeho necitlivost. „Paralyzuje" činnost detektoru a mrtvá doba se "kumuluje". Jinak řečeno, každý impuls vstupující do detektoru generuje mrtvou dobu bez ohledu na to, zda je nebo není registrován. Geiger-Müllerovy počítače Detektory IZ Mrtvá doba – paralyzabilní (kumulativní) Při zvyšování vstupní četnosti částic odezva nejprve stoupá lineárně, pak se zpomaluje až dosáhne vrcholu, poté při dalším zvyšování vstupní četnosti začne odezva detektoru klesat. Zahraniční dodávky od roku 1994 Geiger-Müllerovy počítače Detektory IZ Mrtvá doba – možnosti měření 1.Metoda saturační četnosti - velmi jednoduchá, ale nejméně přesná metoda. Zjistíme max. četnost na detektoru a v případě neparalyzabilního chování vypočteme mrtvou dobu jako 1/nmax. 2.Dvouzdrojová metoda - poměrně jednoduchá, ale málo přesná metoda 3.Metoda kontinuální změny vstupní četnosti impulsů - to je nejpřesnější metoda. Zvyšujeme příkon do dostatečně vysoké hodnoty a měříme odezvu v cps na detektoru. Výsledkem je křivka závislosti měřené četnosti na její teoretické hodnotě. Zahraniční dodávky od roku 1994 Geiger-Müllerovy počítače Detektory IZ Mrtvá doba – stanovení pomocí dvojice ZIZ Změříme postupně četnost impulsů od zdroje A, pak od zdroje B a nakonec přiložíme oba zdroje A+B a změříme celkovou četnost impulsů. Teoretická četnost se zdroji A+B by měla být rovna součtu měřených četností avšak vlivem mrtvé doby bude menší. Pro jednotlivá měření budou vztahy mezi teoretickou N a měřenou n četností: nA = NA/(1+NA.t), nB = NB/(1+NB.t), nA+B = (NA+NB)/[1+(NA+NB].t). Zahraniční dodávky od roku 1994 Geiger-Müllerovy počítače Detektory IZ Mrtvá doba – stanovení pomocí dvojice ZIZ Kombinace vztahů vede na poměrně komplikovanou kvadratickou rovnici, jejímž řešením je následující vzorec: t = (nA+nB-nA+B)/(2.nA.nB) + nA+B.(nA+nB-nA+B)/(4.nA.nB) Zahraniční dodávky od roku 1994 Geiger-Müllerovy počítače Detektory IZ Korekce neparalyzabilní Max. DR = 50 Gy/h Korekce paralyzabilní Max. DR = 50 Gy/h D:\_Jan1_Work\Skola_Olomouc\Disertacni_Prace\Picture_PhD\MDG-07e.png Závislost citlivosti na příkonu kermy ve vzduchu Zahraniční dodávky od roku 1994 Geiger-Müllerovy počítače Detektory IZ Účinnost, citlivost G-M počítače Účinnost – udává poměr mezi registrovaným počtem částic k celkovému počtu částic uvolněných se zdroje IZ. Citlivost – odezva přístroje v impulsech za sekundu na aktivitu nebo příkon od zdroje IZ. Zahraniční dodávky od roku 1994 Proporcionální počítače Detektory IZ Tyto detektory využívají jevu nazývaného plynové zesílení ke znásobení poctu nosičů náboje vytvořených ionizací plynu. Pracují obvykle v impulsním režimu. Výstupní napěťové impulzy jsou úměrné energii IZ. Díky plynovému zesílení mají podstatně větší amplitudy než impulzně pracující IK. Využívají se pro detekci a spektrometrii nízkoenergetického fotonového záření nebo velmi často pro detekci neutronů. Lze je rovněž využít pro měření toku částic v procesu charakterizace plošných zdrojů IZ. Zahraniční dodávky od roku 1994 Proporcionální počítače Detektory IZ Pracují v oboru úplné proporcionality, tj. v konstantním poměru mezi primárními a sekundárními ionty. Zapojení, konstrukční provedení a charakteristiky jsou velice podobné jako u G-M počítačů. Zahraniční dodávky od roku 1994 Proporcionální počítače Detektory IZ Plynové zesílení Elektrony vytvořené primární ionizací jsou elektrickým polem urychlovány natolik, že způsobují ionizaci neutrálních atomů či molekul plnícího plynu. Elektrony vzniklé tímto procesem jsou rovněž urychlovány a pokud mají dostatečnou energii mohou plynovou náplň samy ionizovat. V důsledku toho dochází k lavinovému nárůstu iontových párů (Towsendova lavina). Zahraniční dodávky od roku 1994 Proporcionální počítače Detektory IZ Plynové zesílení Počet elektronů vzniklých na jednotku délky dráhy původního elektronu ve směru elektrického pole se číselně rovna součiniteli nárazové ionizace a. Počet párů závisí na délce laviny. Pokud primární ionizace produkuje na začátky laviny N(0)=N0 iontových párů, potom pro počet párů v lavině délky l dostaneme: Zahraniční dodávky od roku 1994 Proporcionální počítače Detektory IZ Vliv prostorového náboje V lavině, která je základem činnosti proporcionálního počítače vznikají jak elektrony, tak kladné ionty. Elektrony jsou velmi rychle sbírány z okolí anody, kde je intenzita elektrického pole dostatečná k tvorbě laviny. Kladné ionty se pohybuji ke vzdálené katodě podstatně menší rychlostí. Jejich prostorový náboj může podstatně ovlivnit rozložení elektrického pole a způsobit zmenšení plynového zesílení m. Zahraniční dodávky od roku 1994 Proporcionální počítače Detektory IZ Vliv prostorového náboje Důsledkem je snížení amplitudy signálu a negativní vliv na energetickou rozlišovací schopnost detektoru. Pracovní napětí je tedy vhodné volit co nejníže s ohledem na poměr signál/šum a s tím spojené energetické rozlišení. Zahraniční dodávky od roku 1994 Proporcionální počítače Detektory IZ Fano faktor Počet iontových páru vytvořených ionizací se vyznačuje statistickou fluktuací. V případě Poissonova rozdělení je tato fluktuace charakterizovaná standardní odchylkou rovnou druhé odmocnině ze středního počtu vytvořených párů N. Fano faktor F Je empiricky určený koeficient, kterým je třeba vynásobit hodnotu získanou Poissonovským modelem, aby se shodovala s experimentálním výsledkem. Zahraniční dodávky od roku 1994 Proporcionální počítače Detektory IZ Penningův efekt Fano faktor F se u proporcionálních detektorů pohybuje v rozmezí 0,05 – 0,2. Nižší hodnoty jsou pozorovány u binárních směsí. Příkladem binární směsi je plyn P-10. Je složen z 90 % Ar a 10 % metanu. Při interakci IZ vznikají nejen ionty a volné elektrony, ale také nabuzené stavy atomů Ar. Excitační energie Ar převyšuje ionizační energii CH4, takže jej může ionizovat. Zahraniční dodávky od roku 1994 Proporcionální počítače Detektory IZ Energetická rozlišovací schopnost (FWHM) Statistické fluktuace při tvorbě signálu z detektoru a šumy předzesilovače zesilovače jsou příčinou toho že pík monoenergetického záření není zobrazen jako delta funkce, ale jako gaussian. Jeho šířka v polovině maxima je používaná pro vyjádření energetické rozlišovací schopnosti detektorů. Zkratka FWHM ,,Full Width on Half Maximum, může být udána absolutně v jednotkách energie keV, nebo relativně v procentech energie. Ze statistiky je známo, že šíře křivky gaussova rozděleni v polovině jejího maxima je 2,355 násobek parametru sigma. Zahraniční dodávky od roku 1994 Proporcionální počítače Detektory IZ Energetická rozlišovací schopnost (FWHM) Šířka křivky gaussova rozdělení v polovině jeho maxima je 2,355 násobek parametru sigma. Pro relativní rozlišovací schopnost detektoru platí: Kde K = w(F+b) je konstantou prodaný plyn a má rozměr energie. Zahraniční dodávky od roku 1994 Proporcionální počítače Detektory IZ Tvar výstupního impulsu proporcionálního počítače Elektrony vzniklé při primární ionizaci se pohybují k anodě a potřebují cca 1 ms aby vytvořily v dané oblasti lavinu. Impuls je o tuto dobu zpožděn za okamžikem, ve kterém došlo k interakci IZ. Kladné ionty od primární ionizace se pohybují ke katodě a nemají vzhledem ke svému počtu na tvorbu impulsu patrný vliv. Elektrony vzniklé v lavině jsou díky krátké dráze a vysoké rychlosti rychle sbírány. Zahraniční dodávky od roku 1994 Proporcionální počítače Detektory IZ Tvar výstupního impulsu proporcionálního počítače Signál je vytvořen integrací proudu jehož velikost odpovídá množství vzniklých kladných iontů. Impuls je v blízkosti anody díky vysoké intenzitě elektrického pole velký a klesá se snižující se rychlostí při pohybu ke katodě. Proudový impulz od sběru kladných iontů je ukončen v okamžiku, kdy ionty dosáhnou katody. Zahraniční dodávky od roku 1994 Proporcionální počítače Detektory IZ Rozlišovací doba Má-li počítač pracovat spektrometricky při malých četnostech je vhodné volit vyšší časovou konstantu. Naopak pokud budeme používat počítač pro měření vysokých četností je třeba nastavit časovou konstantu co nejmenší. Pokud chceme aby počítač dosahoval spektrometrických vlastností a současně měl nízkou rozslišovací dobu pak nastavíme časovou konstantu v řádu 10 až 100 ms. Zahraniční dodávky od roku 1994 Proporcionální počítače Detektory IZ Rozlišovací doba Pokud chceme použít počítač v detekčním režimu nastavíme časovou konstantu na takovou hodnotu aby, amplituda impulsů byla dostatečná k překročení diskriminační hladiny. Tohoto výběru se nejčastěji používá u průtokových proporcionálních počítačů určených pro měření emise. Zahraniční dodávky od roku 1994 Proporcionální počítače Detektory IZ Počítací charakteristika Počítací charakteristika je pojem týkající se nejen proporcionálních, ale i všech ostatních detektorů pracujících ne ve spektrometrickém, ale v detekčním režimu. Při měření používáme monoenergetický zdroj záření a měříme závislost četnosti impulsů na napětí. Zahraniční dodávky od roku 1994 Proporcionální počítače Detektory IZ Počítací charakteristika Oblast napětí ležící mezi U2 a U3 nazýváme pracovní plošinou (plateau). Z hlediska stability je vhodný střed plošiny, naopak nejlepšího poměru signál/šum dosahujeme na jejím začátku. Zahraniční dodávky od roku 1994 Proporcionální počítače Detektory IZ Detekční účinnost Účinností je nazývána pravděpodobnost registrace IZ procházejícího citlivým objemem počítače. Pro těžké nabité částice se účinnost blíží 100 %, pro elektrony je nižší v závislosti na druhu plynu, tlaku a rozměrech detektoru. Účinnost pro neutrony, záření X a gama se pohybuje v řádu 0,001 až 1 %. Malá účinnost může být způsobena nízkou ionizací plynu, vysokou mrtvou dobou nebo geometrickým uspořádáním zdroj IZ – detektor. Zahraniční dodávky od roku 1994 Proporcionální počítače Detektory IZ Využití v praxi – měření povrchové emise alfa/beta D:\_Jan1_Work\Skola_Olomouc\Disertacni_Prace\Picture_PhD\LAPC1.png Zahraniční dodávky od roku 1994 Ionizační komory Detektory IZ Ionizační komora je tvořena dvěma elektrodami (anoda, katoda) různého tvaru, vesměs se jedná o válcové kondenzátory, které jsou umístěny ve vhodné plynové náplni (vzduch, nebo jiné plny za různého tlaku). Používají se v dozimetrii pro měření kermy ve vzduchu nebo dávky. Zahraniční dodávky od roku 1994 Ionizační komory Detektory IZ Nejčastější geometrie jsou desková (planparalelní) či válcová, zřídka i sférická. Zahraniční dodávky od roku 1994 Ionizační komory Detektory IZ Konstrukce ionizační komory fig5-2 Inovision 1 2 3 4 1 – polarizační elektroda 2 – měřící elektroda 3 – ochranný kroužek 4 – vstupní okno Zahraniční dodávky od roku 1994 Ionizační komory Detektory IZ Neutrální atomy plynů jsou v neustálém tepelném pohybu. Kladné ionty a volné elektrony se tohoto pohybu rovněž účastní a mají tendenci difundovat, a to ve směru jejich klesající koncentrace nábojů stejného druhu. Při srážce kladného iontu s neutrální molekulou plynu může dojít k přenosu náboje. Elektron z neutrální molekuly najde kladný iont, který se stane neutrální molekulou, zatímco původně neutrální molekula se stane kladným iontem. Zahraniční dodávky od roku 1994 Ionizační komory Detektory IZ Tento přenos náboje je zvláště významný v plynových směsích, obsahujících více druhů různých molekul. Vede k tendenci přenést celý kladný náboj na plyn s nejnižší ionizační energií. Volný elektron může být v některých plynech zachycen neutrální molekulou – vzniká záporný iont. Typickými plyny vytvářejícími záporné ionty jsou kyslík, vodní páry, a halogeny. Zahraniční dodávky od roku 1994 Ionizační komory Detektory IZ Plyny nevytvářející záporné ionty jsou dusík, vodík, metan a vzácné plyny. Náraz neutrálních atomů na povrch kovu je dalším možným mechanismem tvorby záporných iontů – zvláště je-li vazebná energie elektronu v záporném iontu vyšší než výstupní práce elektronu z kovu. Tento jev se uplatňuje hlavně při vysokých teplotách a nevhodně zvoleném materiálu (zejména) katody. Zahraniční dodávky od roku 1994 Ionizační komory Detektory IZ Srážky elektron vs. kladný iont a záporný iont vs. kladný iont mohou vést k jejich rekombinaci. Náboj je z detekčního hlediska ztracen a nepřispívá ke vzniku signálu. Pro rychlost rekombinace platí: kde A je součinitel rekombinace, n+ objemová hustota kladných iontů, n- je objemová hustota záporných iontů. Zahraniční dodávky od roku 1994 Ionizační komory Detektory IZ Součinitel rekombinace Ae pro elektron-iontovou rekombinaci je řádu 10-16 [m3/s-1] a Ai pro rekombinaci iontovou je řádu 10-12 [m3/s-1]. Tyto hodnoty součinitele rekombinace jsou typické pro rovnoměrně rozložené náboje a závisí na druhu plynu a energii iontů, resp. elektronů. Rekombinace je významná v plynech vytvářejících záporné ionty a v oblastech s vysokou koncentrací iontů. Pokud není v IK přítomen plyn tvořící záporné ionty, lze rekombinační ztráty zanedbat. Zahraniční dodávky od roku 1994 Ionizační komory Detektory IZ Kromě chaotického pohybu se nosiče elektrického náboje se pohybují ve směru působení elektrického pole. Tento pohyb je dominantní pro všechny režimy plynových detektorů. Driftovou rychlost iontů, resp. elektronů lze vyjádřit: Kde E je intenzita elektrického pole, p je tlak plynu, μi pohyblivost iontu v daném plynu. Zahraniční dodávky od roku Ionizační komory Detektory IZ Pohyblivost záporných i kladných iontů je podobná. Jejich driftová rychlost se řídí velmi přesně uvedeným vztahem. To ovšem neplatí pro elektrony. Rychlost elektronů vzhledem k jejich malým rozměrům je přibližně 1000x větší než rychlost iontů. Jejich pohyblivost záleží na poměru E/p. Zahraniční dodávky od roku 1994 Ionizační komory Detektory IZ Ionty vytvořené ionizujícím zářením jsou přiváděny elektrickým polem k elektrodám komory a ve vnějším obvodu se projeví buď ionizačním proudem (integrální vyhodnocení) nebo krátkým napěťovým impulsem (impulsní vyhodnocení). Zahraniční dodávky od roku 1994 Ionizační komory Detektory IZ Rozlišujeme tedy dva způsoby vyhodnocení odezvy ionizační komory. Prvním z nich je vyhodnocení proudové (integrální), při němž měříme proud velikosti odpovídající ionizaci vytvořenému náboji za jednotku času. Tento způsob se využívá v metrologických laboratořích. Neměříme jednotlivé interakce, ale integrální veličinu, resp. její časovou střední hodnotu. Zahraniční dodávky od roku 1994 Ionizační komory Detektory IZ Vyhodnocovací zařízení pracuje v analogovém režimu a vyžaduje měření proudů menších než 10-12 A, při vysoké časové a teplotní stabilitě. Při vzrůstající četnosti se impulzy začínají překrývat a vyhodnocovací elektronika je již neumí odlišit – to vede ke ztrátě impulzů a k nesprávnému vyhodnocení. Komerčně dostupné přístroje s nejvyšší citlivostí jsou schopny měřit až do 10-15 A. Zahraniční dodávky od roku 1994 Ionizační komory Detektory IZ Druhým možným způsobem je vyhodnocení impulzní, při němž se vyhodnocuje náboj vzniklý jako výsledek interakcí jednotlivých částic. Počet impulzů je roven počtu interakcí. Velikost každého impulzu je úměrná náboji, který při dané interakci vznikl a tedy energii částice. Impulzní vyhodnoceni umožňuje spektrometrické zpracovaní a využívá prostředků impulzní techniky, zejména nízko-šumových zesilovačů. Zahraniční dodávky od roku 1994 Proudové ionizační komory Detektory IZ Proud ionizační komory pracující v integrálním režimu odpovídá celkovému počtu iontových párů vytvořených v objemu komory za jednotku času. Je-li počet iontových párů vzniklých ionizací v jednotkovém objemu se souřadnicemi x, y, z za jednotku času označen n (x; y ; z), pak při zanedbaní rekombinace a difúze platí pro saturační proud ik komory o objemu V: Uvedený vztah platí za předpokladu, že n (x; y ; z) není funkcí času, což znamená konstantní ozáření komory. Zahraniční dodávky od roku 1994 Proudové ionizační komory Detektory IZ Relativní ztráty saturačního proudu vlivem rekombinace je možné určit ze vztahu: kde A je součinitel rekombinace a n+, n- je objemová hustota kladných a záporných iontů. Zahraniční dodávky od roku 1994 Proudové ionizační komory Detektory IZ Pro rovnoměrně prozářenou komoru n(x;y;z) = n se vzdáleností desek l platí pro objemové hustoty nábojů ve vzdálenosti x od záporné elektrody: n-(x) = nx/v- n+(x) = n (l – x)/v+ Takže po dosazení do vztahu pro rekombinační ztráty dostaneme: Zahraniční dodávky od roku 1994 Snížení proudu komory vlivem difúze Přestože je produkce iontových párů v celém objemu komory konstantní, neplatí to pro objemovou hustotu nábojů. Hustota kladných nábojů je nejvyšší u katody, nulová u anody, obráceně je tomu u záporných iontů. V důsledku existence koncentračního gradientu dochází k difúzi podél osy x. Ta způsobuje pohyb náboje proti směru, kterým se pohybují v důsledku působení el. pole – snižuje tedy proud komory, a to dle vztahu odvozeného Rossim a Staubem: Kde q – poměr střední energie iontů s a bez elektrického pole, k – Boltzmanova konstanta, T – termodynamická teplota, UN – napájecí napětí komory, e – náboj elektronu Zahraniční dodávky od roku 1994 Snížení proudu komory vlivem difúze Velikost difúzních ztrát saturovaného proudu závisí na velikosti q – pro ionty je o něco větší než 1 a ztráty jsou obvykle zanedbatelné. Pro volné elektrony může je poměr q vyšší a ztráta saturovaného proudu vlivem difúze bude velká. Hodnota q má tendenci se se zvyšujícím napětím blížit jisté saturované hodnotě. Z toho plyne, že nejsnazší cestou ke snížení ztrát vlivem difúze je zvýšení napájecího napětí komory UN – navíc tak dosáhneme i snížení rekombinačních ztrát (zvýšením driftové rychlosti iontů a elektronů). Zahraniční dodávky od roku 1994 Svodové proudy Dosavadní poznatky nám říkají, že z hlediska ztrát je výhodné provozovat IK při co nejvyšších napětích, a to bez ohledu na ozařovací podmínky. Vlivem svodových proudů tomu tak ve skutečnosti není. Svodové proudy jsou dány přiloženým napětím a svodovými odpory. Svodové proudy se přičítají k ionizačnímu proudu a způsobují nadhodnocení odezvy. Proto komerční přístroje pracují obvykle s různými volitelnými napájecími napětími, dle měřeného rozsahu saturačního proudu. Zahraniční dodávky od roku 1994 Dynamická odezva IK Proud ionizační komory v každém okamžiku sleduje záření, kterému je vystavena – mění-li se hustota toku měřeného záření, mění se úměrně i ionizační proud. V případě, že je rychlost změny hustoty toku srovnatelná či rychlejší než doba sběru nosiče náboje, nesleduje ionizační proud přesně změny ozáření komory. Pokud bychom měřili proud komory ideálním měřičem proudu (nulový vstupní odpor), byla by dynamika odezvy ovlivněna pouze dobou sběru nosičů náboje. V praxi se používají nepřímé metody, kdy se měří úbytek napětí, který vyvolá měřený proud na velkém zatěžovacím odporu. Toto napětí se měří voltmetrem se vstupním odporem ještě o dva řády vyšším (diferenciální zesilovač s FET tranzistory – ELEKTROMETR). Zahraniční dodávky od roku 1994 Zapojení IK a elektrometru Rk – svodový odpor komory Ck – kapacita komory Re, Ce – vstupní odpor (kapacita) připojeného elektrometru Proud komory nabíjí integrační obvod s efektivní časovou konstantou t = RC, kde: C = Ck + Ce, R = Rk x Re / (Rk + Re) Vztah mezi ionizačním proudem a napětím na vstupu elektrometru: Zahraniční dodávky od roku 1994 Energetický rozsah, vztah kermy a expozice Energetická závislost směrem k vyšším energiím je omezena skutečností, že vzdálenost mezi okrajem svazku a elektrodovým systémem musí být větší než dosah nejenergetičtějších sekundárních nabitých částic – ty musí být ve vzduchu zcela zabrzděny. Nejnižší měřitelná energie je určena zeslabením svazku při průchodu okénkem komory a na dráze mezi aktivním objemem a okénkem IK. Mezi kermovým a expozičním příkonem ve vzduchu platí vztah: G – zesílení, e – náboj elektronu, W – střední energie Zahraniční dodávky od roku 1994 Měření expozice (kermy ve vzduchu) Pokud bychom komoru s kapacitou sběrné elektrody C nabili napětím U1, zvoleným tak, aby leželo co nejvíce vpravo v oblasti saturovaného proudu, bude po odpojení na komoře náboj: Q = C.U1 Ozáříme-li komoru dojde ke změně náboje: DQ = C.(U1 – U2) = X.V.r U1 – napětí před ozářením, U2 – napětí po ozáření, X – měřená expozice, r – hustota vzduchu Tento vztah platí dokud U2 neklesne pod napětí odpovídající začátku oblasti nasyceného proudu. Zahraniční dodávky od roku 1994 Měření expozice (kermy ve vzduchu) IK kondenzátorového typu využívají níže popsaného principu: X = DQ/Dm = DQ/Vr = CDU/Vr K měření napětí se často používají vláknové elektrometry. Ty jsou přímo součástí komory (přímo odečítací detektory) anebo ve zvláštní vyhodnocovací jednotce. U těchto komor je třeba, aby jejich stěny nenarušovaly elektronovou rovnováhu v pracovním objemu – tj. byly vzduchově ekvivalentní Požadavek je splněn pouze tehdy, pokud se brzdné schopnosti a lineární součinitele zeslabení ve stěně i vzduchu vzájemně rovnají. Zahraniční dodávky od roku 1994 Měření vstupní povrchové kermy Přepočet pC/µGy: Korekce na tlak a teplotu: Korekce na energetickou závislost komory: Přepočet na vzdálenost: Korekce na zpětný rozptyl: > > > Zahraniční dodávky od roku 1994 Polovodičové detektory Detektory IZ Nízký lineární součinitel zeslabení fotonového záření a malá brzdná schopnost plynů pro nabité částice jsou příčinnou malé detekční účinnosti ionizačních komor. Proto byly hledány pevné látky, vyznačující se obecně asi tisíckrát vyšší hustotou a tedy i mnohem většími interakčními parametry. Teprve rozsáhlé a nákladné výzkumné programy věnované studiu polovodičových monokrystalických materiálů (především Ge a Si), započaté v padesátých letech, umožnily využití získaných znalostí a osvojených technologií pro výzkum a vývoj polovodičových detektorů. Polovodičové detektory Detektory IZ Germanium je velmi vhodným materiálem pro detektory fotonového záření pro velké Z = 32. Výroba polovodičových detektorů pokračovala hledáním technologií směřujících k dosažení nejvyšší čistoty Ge (HPGe – High Purity Germanium). Na jeden atom příměsi připadá více jak 1012 atomů germania. Jedná se o nejčistší materiál jaký dnes dovede člověk připravit. Polovodičové detektory Detektory IZ Díky malé šířce zakázaného pásu polovodičů Eg řádu jednotek eV je střední energie W potřebná pro vznik jednoho páru elektron-díra v Ge (0,7 eV) a v Si (1,1 eV). Rozdíl energií (W - Eg) je předán krystalové mřížce ve formě fononu. Polovodičové detektory Detektory IZ Ve srovnání s plynovými detektory (W je asi 35 eV/pár) je proto při interakci produkováno asi 10x více nosičů náboje s mnohem menší relativní kvadratickou odchylkou související i s malou velikostí Fano faktoru (F ≈ 0,1) polovodičů. Účinkem záření vzniklé páry elektron-díra je třeba, podobně jako v IK, od sebe oddělit a posbírat, jinak rychle rekombinují – využívá se k tomu jejich driftu v elektrickém poli. Polovodičové detektory Detektory IZ Zatímco v plynech je driftová rychlost elektronů asi tisíckrát větší než kladných iontů, jsou rychlosti elektronů a děr v polovodičích řádově stejné, podobně jako rychlosti kladných a záporných iontů v plynech tvořících záporné ionty. Driftová rychlost obou druhů nosičů náboje je přibližně lineární funkcí intenzity elektrického pole a pohyblivosti nosičů. Pohyblivosti me a md jsou funkcí druhu polovodiče a jeho teploty T – se snížením teploty se jejich hodnoty zvyšují (vlivem zmenšujících se kmitů mřížky krystalu). Saturovaná driftová rychlost Detektory IZ Při intenzitě elektrického pole ≥ (104 - 105) V.m-1 vzrůstají rychlosti ve, vd pomaleji a po dosažení tzv. saturované rychlosti při E ≈ (105 - 106) V.m-1 jsou na dalším zvyšování E obě rychlosti již nezávislé. Saturovaná rychlost je téměř stejná pro elektrony i díry, jak v křemíku, tak germaniu. Mnohé detektory pracují při intenzitách elektrického pole zajišťujících saturační driftovou rychlost. Tento režim umožňuje při tloušťce detektoru okolo 1 mm dobu sběru náboje 10-8 s a méně – polovodičové detektory díky tomu patří k detektorům s nejrychlejší odezvou. Vlastní vodivost polovodiče Detektory IZ Základními polovodičovými materiály jsou prvky IV. Skupiny periodické soustavy prvků. Uhlík (diamant), křemík, germanium, cín a olovo. Ve valenční sféře mají čtyři elektrony a jejich atomy jsou vázány kovalentní vazbou. Čisté polovodičové materiály mají atomy uspořádané do pravidelné krystalické mřížky tvořící monokrystal. Vlastní vodivost polovodiče Detektory IZ Přivedeme-li z vnějšku do látky takové množství energie, které elektronům dovolí překonat pás zakázaných energií, dojde k rozbití některých vazeb. Elektrony uvolněné z těchto vazeb se volně pohybují krystalovou mřížkou a umožňují vedení elektrického proudu. Ve vazbě ze které byl elektron uvolněn, zbývá volné místo nazývané díra. Vlastní polovodiče Detektory IZ K zaplnění díry ve vazbě dojde buď přitažením některého volného elektronu (rekombinací), nebo tím, že v důsledku pohybu krystalové mřížky se v určitém okamžiku přiblíží některý ze sousedních atomů natolik, že dojde k vytržení elektronu z některé jeho vazby. Tento elektron zaplní volné místo ve vazbě prvního atomu, avšak díra se objeví ve vazbě jiného atomu, z jehož vazby byl elektron odtržen. Popsaný děj se v látce neustále opakuje. Popsaný druh vodivosti, podmíněný vznikem volných nosičů náboje elektron – díra v důsledku rozbíjení vazeb mezi atomy čistého polovodiče, se nazývá vlastní (intrinsická) vodivost polovodiče. Nevlastní vodivost polovodiče typu N Nahradíme-li v krystalové mřížce čtyřmocného prvku (Ge nebo Si) některé jeho atomy pětimocným prvkem, např. P, As, Sb, využijí se do čtyř dvojic elektronů, které tvoří nasycenou kovalentní vazbu atomů krystalu, pouze čtyři z pěti valenčních elektronů. Pátý elektron, který se vazby neúčastní, je poután k jádru velmi volně. K jeho uvolnění postačuje energie řádu setin elektronvoltu, která je za běžných podmínek do látky trvale přiváděna (teplo z okolního prostředí, různé druhy záření, atp.). Detektory IZ Uvolněné elektrony pětimocných příměsí (tzv. donorů = dárců) se pohybují prostorem krystalové mřížky. Vytvářejí vodivost zprostředkovanou pohybem záporných (negativních) nábojů, kterou nazýváme nevlastní vodivost typu N (elektronová vodivost). Je zřejmé, že po odtržení elektronu se atom příměsi (donoru) stane jednomocným kladným iontem, který sice působí na okolní náboje svým elektrostatickým polem, avšak je sám pevně vázán v krystalové mřížce. Nevlastní vodivost polovodiče typu N Polovodiče typu N Detektory IZ Svůj náboj nemůže přenášet do jiného místa v látce - vedení proudu se neúčastní. Přestože se v látce pohybuje velký počet elektronů, projevuje se látka navenek jako elektricky neutrální, neboť ke každému volnému elektronu přísluší jeden kladný iont. Konstanta rovnováhy ve vlastním polovodiči, daná součinem nipi, musí být zachována i v polovodiči typu N: n > ni a současně p < pi nipi = np Nevlastní vodivost polovodiče typu P Nahradíme-li v krystalové mřížce čtyřmocného polovodiče některé jeho atomy třímocným prvkem, např. B, Al, Ga, In bude chybět jeden elektron k tomu, aby se mohla vytvořit nasycená kovalentní vazba. Vodivost vytvořená popsaným způsobem využívá k vedení proudu kladných (pozitivních) nábojů, které jsou v krystalické mřížce volně pohyblivé. Nazývá se vodivost typu P (děrová vodivost). Polovodiče typu P Detektory IZ Atom trojmocného prvku nazýváme akceptor, neboť při zaplnění nenasycené vazby přijme (akceptuje) do své valenční sféry jeden elektron. Tím se stane jednomocným záporným iontem. Ionty akceptoru se stejně jako ionty donoru neúčastní vedení proudu v látce, neboť jsou pevně vázány v krystalové mřížce. Polovodiče typu P Detektory IZ Díky tepelné excitaci krystalu mají elektrony potřebnou energii pro zaplnění vakancí způsobených akceptory a obsazování hladin v zakázaném pásu. Každý elektron po sobě zanechává ve valenčním pásu kladně nabitou díru. Pro hustotu děr platí: p = Na+ pi ≈ Na Rostoucí hustota děr vede ke zvětšování rekombinace s elektrony ve vodivostním pásu, přičemž stejně jako v případě polovodiče typu N musí být splněna podmínka rovnováhy: nipi = np Zahraniční dodávky od roku 1994 Vytvoření PN přechodu Detektory IZ Mějme destičku z monokrystalu polovodiče, jejíž jedna část má nevlastní vodivost typu P a druhá část typu N. Místo, kde se mění vodivost P na N, se nazývá přechod PN. Zahraniční dodávky od roku 1994 Vytvoření PN přechodu Detektory IZ Ihned po spojení obou částí začíná působit difúze, tj. snaha volných nosičů náboje rovnoměrně se rozptýlit po celém objemu monokrystalu. Jakmile některý elektron přejde z části N do P nebo díra z části P do N, poruší se rovnováha elektrických nábojů obou původně elektricky neutrálních částí. Zahraniční dodávky od roku 1994 PN přechod bez el. napětí Detektory IZ V části N, která ztrácí elektrony, začíná převládat kladný náboj pevně vázaných iontů donoru. Zároveň v části P, ve které elektrony rekombinují, začíná převládat záporný náboj pevně vázaných iontů akceptoru. Zahraniční dodávky od roku 1994 Detektory IZ Mezi částí P a N se vytváří rozdíl potenciálů, který se nazývá difúzní napětí UD. PN přechod bez el. napětí Zahraniční dodávky od roku 1994 PN přechod s přiloženým napětí Detektory IZ Polarizace ve zpětném směru – přechod je pro majoritní nosiče uzavřen, potenciálová přehrada vzroste a vyprázdněná oblast se rozšíří. Zahraniční dodávky od roku 1994 Detektory IZ Polarizace v přímém směru – majoritní nosiče se přiblíží k přechodu, potenciálová přehrada se zruší a vyprázdněná oblast zanikne. PN přechod s přiloženým napětí Zahraniční dodávky od roku 1994 Polovodičové detektory Detektory IZ Vnikne-li částice do polovodičového detektoru, vytvoří v něm páry elektron – díra. V detektoru dochází k lavinovému uvolňování elektronů do vodivostního pásu a tvorbě děr ve valenčním pásu. Tyto elektrony se v elektrickém poli okamžitě začnou pohybovat ke kladné elektrodě (a díry k záporné) - elektrickým obvodem projde krátký proudový impuls. D:\jan1\Desktop\RPA-50.jpg Zahraniční dodávky od roku 1994 Polovodičové detektory Detektory IZ Přiložíme-li na polovodičový detektor napětí, pak vlivem elektrického pole se volné nosiče nábojů (elektrony a díry) dají do pohybu a v připojeném obvodu vznikne proudový impuls, jehož velikost závisí na energii dopadající částice. To umožňuje využít polovodičové detektory jak pro detekci IZ, tak pro spektrometrická měření. Zahraniční dodávky od roku 1994 Základní parametry HPGe detektorů Tyto detektory jsou zhotoveny z monokrystalů superčistého germania HPGe (High Purity Ge). Pro svou správnou funkci potřebují být chlazeny na teplotu kapalného dusíku z důvodu snížení závěrného proudu a elektronického šumu. Zahraniční dodávky od roku 1994 Základní parametry HPGe detektorů Účinnost detektoru Účinnost se stanovuje pomocí bodového zdroje Co-60 v 25 cm od středu čela detektoru. Pomocí spektrometrického SW se provede alespoň 300 s měření. Po ukončení provedeme píkovou analýzu. Na energii 1332 keV odečteme hodnotu četnosti impulzů a stanovíme účinnost: Zahraniční dodávky od roku 1994 Základní parametry HPGe detektorů Rozlišení detektoru (FWHM) Full width at half maximum (FWHM), jedná se o šířku v polovině výšky. Měření se provádí v kontaktní geometrii se zdroji Co-57 a Co-60. Měřené spektrum se vyhodnotí a z reportu odečteme hodnoty FWHM: Zahraniční dodávky od roku 1994 Základní parametry HPGe detektorů Poměr pík-compton Výrobce udává poměr mezi impulsy v píku od Co-60 na energii 1332 keV a impulsy comptonem měřenými mezi energiemi 1040 až 1096 keV. Zahraniční dodávky od roku 1994 Detekce neutronů Detektory IZ K detekci neutronů se využívají jaderné reakce, při nichž se energie předává sekundárním nabitým částicím, nebo takové částice vznikají při interakcích neutronů s materiálem, který slouží jako konvertor. To má za následek: •Komplikované reakce – silná závislost účinného průřezu na energii; • •Nízká účinnost – nutnost velkých objemů; • •Ztrácí jen část energie – komplikované určení energie – využití metody TOF (Time-Of-Flight). Zahraniční dodávky od roku 1994 Detekce neutronů Detektory IZ Neutronové detektory jsou tedy složeny z konvertoru (vznik nabitých částic) a detektoru nabitých částic. Nejčastěji jsou používány organické scintilátory, plynové a polovodičové detektory. Požadavky na materiál konvertoru a detektoru: •Konvertorem u neutronových detektorů je pracovní plyn (1H, 3He, BF3) nebo příměs pokrývající stěny detektorů. Používají se izotopy 10B nebo štěpné materiály 232Th, 235U, 238U; • •Organické scintilátory dopované konvertorem, kapalné (NE-213) nebo plastické (NE-210A, EJ-276); Zahraniční dodávky od roku 1994 Detekce neutronů Detektory IZ •Velký účinný průřez využívané reakce (pravděpodobnost s jakou bude částice interagovat s použitým materiálem, např. terčík); • •Vysoká uvolněná energie (pro detekci nízkoenergetických neutronů) nebo vysoká konverze kinetické energie; • •Možnost rozlišení fotonů a neutronů. Zahraniční dodávky od roku 1994 Vybrané metody detekce neutronů Detektory IZ Metoda Time of Flight (TOF) Metoda TOF je jednou z nejstarších používaných metod v neutronové spektrometrii. Je založena na přesném a rychlém měření času. Známe-li přesný čas a dráhu letu neutronu, jsme schopni stanovit jeho kinetickou energii. Zahraniční dodávky od roku 1994 Vybrané metody detekce neutronů Detektory IZ Transmutační metoda Je založena na jaderných reakcích, vyvolaných neutrony. Pro detekci pomalých neutronů se obvykle využívají tyto jaderné reakce: 1. Detektory na základě reakcí s bórem (10B): Zahraniční dodávky od roku 1994 Vybrané metody detekce neutronů Detektory IZ 2. Detektory založené na rekcích s lithiem (6Li): 3. Detektory založené na rekcích s héliem (3He): D:\_Jan1_Work\Skola_Olomouc\Disertacni_Prace\Picture_PhD\Det_He3.png Zahraniční dodávky od roku 1994 Vybrané metody detekce neutronů Detektory IZ Detektory rychlých neutronů využívají moderace na pomalé neutrony. K tomu se vyžívají Bonnerovy moderační koule (organický moderátor). > Zahraniční dodávky od roku 1994 Vybrané metody detekce neutronů Detektory IZ Štěpná metoda Využívá toho, že neutrony mohou způsobit štěpení těžkých jader, které vede ke vzniku silně ionizujících fragmentů (štěpné trosky), které se vyznačují velkou kinetickou energií. Zároveň se uvolní 1 až 8 neutronů o energiích řádu MeV. Rozpad je doprovázen emisí fotonů gama, neutriny a antineutriny. D:\_Jan1_Work\Skola_Olomouc\Disertacni_Prace\Pictures_PhD\SJ.png Zahraniční dodávky od roku 1994 Vybrané metody detekce neutronů Detektory IZ Štěpná metoda Štěpné detektory, nejčastěji v podobě ionizační komory, jsou konstruovány obvykle tak, že štěpný materiál je nanesen v tenké vrstvě na elektrodách detektoru. Pro detekci tepelných neutronů se nejčastěji používá 235U. kde FP1 a FP2 jsou štěpné produkty, je počet vznikajících neutronů při štěpení. Děkuji za pozornost