ZÁKLADNÉ DETEKTORY IONIZUJÚCEHO ŽIARENIA

UČEBNÉ CIELE

Zoznámiť sa so základnými vlastnosťami detektorov, používaných pri meranich v laboratóriu pre spektrometrické a časové merania. Na základe náhradného obvodu detektora posúdiť vplyv jeho kapacity a pracovného odporu na čo najefektívnejšiu a najrýchlejšiu registráciu ionizujúceho žiarenia.

KĽÚČOVÉ SLOVÁ

Detektor: polovodičový, s plynovou náplňou a scintilačný. Spetrometrický a nespektrometrický detektor. Vlastnosti detektora: citlivosť, účinnosť, časové rozlíšenie (mŕtva doba), energetické (amplitúdové) rozlíšenie, selektivita, vlastný šum, veľkosť a polarita výstupného signálu a stabilita. Prístrojové a energetické spektrum. Pracovný a vnútorný odpor detektora, kapacita detektora, montážna a parazitná kapacita. Prúdový a napäťový impulz z detektora. Integračný a derivačný článok, nábojový zosilňovač.


Základné typy detektorov

      Ionizujúce žiarenie sa v styku s látkovým prostredím prejavuje rôznymi fyzikálnymi javmi, z ktorých niektoré je možné využiť na detekciu alebo aj na meranie jeho charakteristík. Základnou súčasťou každého prístroja na meranie ionizujúceho žiarenia je čidlo žiarenia–detektor. Niektoré detektory, ako napríklad iskrová komora alebo bublinová komora, umožňujú zviditeľniť dráhu ionizujúcich častíc, a tak ich vizuálnu alebo fotografickú registráciu. Vo väčšine detektorov, používaných v laboratórnych podmienkach ,sa však detekcia, alebo meranie základných parametrov ionizujúceho žiarenia, uskutočňuje prostredníctvom elektrického signálu (pomocou odmerania amplitúdy, tvaru a tiež aj ďalších parametrov zosilneného impulzu z detektora).

      Ďalším spracovaním a vyhodnotením tohto signálu v meracej elektronickej aparatúre je možné získať informáciu o skúmanom žiarení, a to tak po kvalitatívnej ako aj po kvantitatívnej stránke.

       Základnou súčasťou každého prístroja na meranie ionizujúceho žiarenia je čidlo žiarenia–detektor. Detektory, v ktorých sa využíva konverzia na ektrický signál, pracujú ako meniče energie jadrového žiarenia (nabitých alebo neutrálnych častíc, fotónov) na elektrický náboj Q. Táto konverzia energie na jej úmerný náboj sa uskutočňuje buď tým, že nabitá častica ionizuje plyn alebo materiál polovodičového detektora alebo sa uskutočňuje vďaka indukovanej emisii svetla alebo fotoefektu v scintilačných detektoroch. Neutrálne častice, také ako neutróny, sa môžu registrovať pomocou procesov, v ktorých sa tvoria nabité častice (interakciou s ľahkými atómmi alebo jadrovými reakciami.) Registrácia fotónov sa uskutočňuje prostredníctvom fotoefektu, Comptónovho efektu a tvorby pár.

       Pre korektné vykonanie merania ionizujúceho žiarenia je dôležité poznaťj princípy činnosti detektorov. Pre merania v laboratórnej praxi ide predovšetkým o:

Plynový detektorPlynové detektory (>>)

Polovodičový detektor Polovodičové detektory (>>)

Scintilačný detektor Scintilačné detektory (>>)

       Nehľadiac na princíp činnosti je možné pokladať detektory za zdroje náhodne sa vyskytujúcich elektrických impulzných signálov s pomerne malou amplitúdou a krátkym trvaním. Tieto signály treba zosilniť a elektronicky spracovať a vyhodnotiť, k čomu je potrebná určitá elektronická gramotnosť, napríklad aspoň na úrovni prednášky:

obsah_JE Základy jadrovej elektroniky (>>)

         Detektory, v ktorých je amplitúda signálu úmerná energii, ktorú odovzdala častica alebo kvant v citlivom objeme detektora sa nazývajú spektrometrické. Z dôvodu nedokonalosti zosilňovačov sa oddelene zosilňuje signál s informáciu o amplitúde impulzu (>>) a oddelene sa zosilňuje časovací signál (>>) pre získanie informácie o výskyte udalostí.

       Elektronická aparatúra, ktorá umožňuje odmerať a analyzovať amplitúdu impulzov z detektorov ionizujúceho žiarenia je pomerne komplikovaná. Na rozdiel od bežných elektrických meraní, v ktorých pomocou ampérmetrov a voltmetrov možno odmerať ustálené hodnoty príslušných prúdov a napätí je pri meraní amplitúd impulzov (komplikovaného tvaru) situácia podstatne zložitejšia, pretože sa jedná vlastne o meranie prechodových javov (trvajúcich menej ako mikrosekunda). Takéto impulzy pri malých početnostiach by bolo možné napríklad fotografovať z obrazovky osciloskopu a následne, po vyriešení problémov s jednoduchým zberom a zápisom informácie analyzovať.

        V špeciálnom zariadení na meranie amplitúdy impulzov - amplitúdovom analyzátore (>>) registrovaný impulz na krátky čas nabije kondenzátor na vstupe jeho amplitúdovo - číslicového prevodníka. Číslicový kód úmerný odmeranej amplitúde impulzu z prevodníka sa potom zapíše do pamäti a možno ho ďalej ako namerané spektrum impulzov, napríklad pomocou počítača, vyhodnocovať.

        Lacnejším, ale menej dokonalým, zariadením na identifikáciu amplitúdy impulzov je diskriminátor (>>), ktorý umožňuje oddeliť menšie amplitúdy impulzov od väčších (tzv. integrálny diskriminátor), poprípade vybrať len amplitúdy impulzov z určitého amplitúdového intervalu (tzv. diferenciálny diskriminátor). Pridaním automatického posúvu diskriminačnej hladiny k diferenciálnmu diskriminátoru ho možno zdokonaliť na tzv. jednokanálový analyzátor. (>>)

       Medzi základné parametre detektorov patrí citlivosť, účinnosť, časové rozlíšenie (mŕtva doba), energetické (amplitúdové) rozlíšenie, selektivita, vlastný šum, veľkosť a polarita výstupného signálu a stabilita. Základné vlastnosti detektorov objasňuje kapitola:

Nahradny obvod detektora Detektor a jeho náhradný obvod (>>)

         Pri meraniach s ionizujúcim žiarením sa vyskytujú štatistické chyby (>>). Sú spôsobené pravdepodobnostným charakterom rádioaktívneho rozpadu jadier ako aj pravdepodobnostným charakterom procesu interakcie častíc a fotónov s médiom detektora. Snahou experimentátora je zabezpečiť pri meran ípomocou elektronickej aparatúry s detektorom, požadovanú dôveryhodnosť nameraných údajov. Okrem toho vlastnosti detektora zhoršuje aj tzv. elektronický šum detektora a zosilňovača. Príčiny šumu v detektore a zosilňovači a spôsoby minimalizácie šumu ozrejmuje kapitola:

Specifika marania Špecifiká jadrovofyzikálneho merania (>>)

              Podrobnejšie spôsoby vyhodnotenia nameraných údajov s cieľom dosiahnuť požadovanú dôveryhodnosť meraní ionizujúceho žiarenia je venovaná samostatná časť:

Statistika Štatistika v radiačnej fyzike (>>)

Kontrolné otázky

1. Porovnajte vhodnosť použitia polovodičového, scintilačného a GM detektora pre spektrometrické merania ?

2. Porovnajte vhodnosť použitia polovodičového, scintilačného a GM detektora pre identifikáciu preletu nabitých častíc ?

3. Ozrejmite kedy je vhodné zosilňovať impulzný signál s detektora pomocou nábojového, napäťového alebo prúdového predzosilňovača ?

4. Ako FWHM charakterizuje amplitúdové rozlíšenie detektora v prípade superpozície píkov, resp. píku a pozadia? 

5. Ako vplýva zaťažovací odpor a kapacita detektora na amplitúdu impulzu z detektora?

6. Prečo je nesprávne hovoriť o šumovom napätí ale radšej o šumovom výkone?

7. Objasnite ako zväčšiť dôveryhodnosť merania početností javu na úrovni pozadia?

8. Čo treba robiť na to, aby bol pomer signál/ šum v spektrometrickej aparatúre optimálny?

9. Objasnite meranie mŕtvej doby detektora metódou dvoch zdrojov žiarenia

10. Porovnajte vhodnosť použitia ionizačnej komory s mriežkou a bez mriežky pri registrácii veľmi nízkych a vysokých početností.

11. Porovnajte rýchlosť činnosti ionizačnej komory s mriežkou a rýchlosť činnosti proporcionálneho detektora.

12. Prečo sa pri zosilňovaní impulzov z polovodičového detektora používa nábojový zosilňovač?

13. Ako sa zabezpečuje stabilnosť zosilnenia fotonásobiča pri dlhších impulzoch anódového prúdu?