Detektory zaacuteřeniacute gama

1) Srovnaacutevaciacute charakteristiky detektorů

2) Scintilačniacute detektory

3) Polovodičoveacute detektory

4) Krystal difrakčniacute spektrometry

HPGE detektory sondy INTEGRAL

Energie [keV]

Poče

t HPGe

Plastic

NaI(Tl)

CZT

Srovnaacuteniacute spektra přirozeneacuteho pozadiacute detekovaneacute různyacutemi typy detektorů (převzato z prezentace firmy ORTEC)

BGO krystaly z Novosibirska

NaI(Tl) detektorpro připravovanou sondu GLAST

Srovnaacutevaciacute charakteristiky detektorů

Citlivost ndash schopnost produkovat měřitelnyacute signaacutel pro danyacute typ čaacutestic a energii Zaacutevisiacute na 1) uacutečinneacutem průřezu ionizujiacuteciacutech reakciacute reakciacute fotonů 2) hmotnosti detektoru jeho konstrukci 3) šumu detektoru 4) tloušťce a druhu materiaacutelu obklopujiacuteciacuteho citlivyacute objem

detektoru

Odezva ndash vztah mezi energiiacute čaacutestice a vyacutestupem na detektoru (celkovyacutem naacutebojem nebo amplitudou proudoveacuteho pulsu)

Funkce odezvy F(EEacute) - spektrum S(Eacute) monoenergetickeacuteho svazku je detektorem pozorovaacuteno jako komplikovanaacute funkce většinou bliacutezkaacute Gaussově funkci s chvostem k nižšiacutem energiiacutem Naměřeneacute rozloženiacute amplitud pulsů P(E)

E ndash energie v naměřeneacutem spektru Eacute- energie původniacute

Časovaacute odezva ndash čas vytvaacuteřeniacute signaacutelu v detektoru

Tvar pulsu ndash tvar signaacutelu z detektoru naacuteběžnaacute hrana sestupnaacute (i viacutece složek) rychlaacute složka pomalaacute složka

EdEEFESEP )()()(

1) detektor se staacutevaacute necitlivyacute2) detektor zůstaacutevaacute citlivyacute ndash vznikaacute bdquopile-upldquo ndash sklaacutedaacuteniacute amplitud

Mrtvaacute doba ndash doba potřebnaacute pro vytvořeniacute a zpracovaacuteniacute signaacutelu v detektoru

Skutečnyacute počet čaacutestic NS = mT = k + mkτ

m ndash skutečnaacute četnost T ndash doba měřeniacutek ndash počet zaznamenanyacutech přiacutepadů

Přiacutepad 1 (mrtvaacute doba se neprodloužiacute)

skutečnaacute četnost

TkTk

m1

Přiacutepad 2 (mrtvaacute doba se prodloužiacute)

Předpoklad mrtvaacute doba τ je konstantniacute

Rozděleniacute intervalů t mezi přiacutechodem signaacutelůmtemtP )(

a tedy pravděpodobnost že t gt τ

mmt edtemtP )(

a mezi počtem registraciacute k a skutečnou četnostiacute m platiacute mmTek

Mrtvaacute doba a jejiacute vliv

Detekčniacute uacutečinnost ndash poměr mezi počtem čaacutestic vyzaacuteřenyacutech zdrojem a detekovanyacutech detektorem ndash absolutniacute uacutečinnost Ta se sklaacutedaacute z vnitřniacute uacutečinnosti εVNI a geometrickeacute uacutečinnosti (akceptance) εGEO ε = εVNIεGEO Standard ndash linka 1332 keV 60Co Udaacutevaacute se i relativně ndash detektor vůči standardniacutemu (např NaI(Tl) o rozměru 762762 cm) v zadaneacute geometrii ( - vzdaacutelenost 25 cm) εNaI = 012

Poměr mezi piacutekem a comptonovskyacutem pozadiacutem - pro detektory zaacuteřeniacute gama ndash poměr mezi maximaacutelniacute amplitudou v piacuteku 1332 keV a středniacute hodnotou v oblasti 1040 ndash 1096 keV Energetickeacute rozlišeniacute ndash nejmenšiacute rozlišitelnyacute rozdiacutel energie ΔE mezi dvěma bliacutezkyacutemi energiemi Monoenergetickyacute svazek rarr ideaacutelně δ-funkce ndash reaacutelně piacutek s konečnou šiacuteřkou (většinou maacute Gaussův tvar Rozlišeniacute se většinou udaacutevaacute ve formě pološiacuteřky ndash FWHM) Udaacutevaacute se relativniacute rozlišeniacute ΔEE v [] odchylku od Gaussova tvaru udaacutevaacute FWTM ndash šiacuteřka v 110 vyacutešky FWFM ndash šiacuteřka v 150 vyacutešky Gauss FWTMFWHM = 182 FWFMFWHM = 238 I jinaacute rozděleniacute asymetrie elektrostatickyacute spektrometr ndash Lorentzův tvar

Detektor pohlcujiacuteciacute čaacutest energie

Detektor pohlcujiacuteciacute celkovovou energii (fotonoveacute detektory)

Ionizace a deexcitace ndash Poissonovo rozděleniacute rarr standardniacute odchylka

Počet vzniklyacutech nosičů naacuteboje fotonů hellip

(Platiacute pro scintilačniacute polovodičoveacute plynoveacute detektory)

SeEN

N

Kde eS je středniacute energie potřebnaacute na vznik nosiče naacuteboje nebo fotonu

Vztah mezi FWHM a σ pro Gaussovu křivku FWHM = 235 σ

Velikost pološiacuteřky ndash energetickeacuteho rozlišeniacute

Deponovanaacute energie E volně fluktuuje rarr platiacute Poissonovo rozděleniacute

Deponovanaacute energie je fixniacute konečnaacute hodnota rarr neplatiacute Poisson opravu zavedl Fano

kde F ndash korekce Fano

SsS

S eEeeEeNFWHME 352352352

NF SeEFFWHME 352

Relativniacute energetickeacute rozlišeniacute EEeF

EER S 1~352

Časoveacute rozlišeniacute ndash nejmenšiacute rozlišitelnyacute rozdiacutel časů ndash definice podobneacute jako u energie

Draacutehoveacute rozlišeniacute ndash nejmenšiacute rozlišitelnyacute rozdiacutel v draacuteze ndash definice obdobnaacute jako u předchoziacutech

Velikost pološiacuteřky ovlivňujiacute i dalšiacute faktory pohlceniacute nosičů naacuteboje fotonů vlastnosti elektroniky hellipPokud jsou přiacutespěvky nezaacutevisleacute (ΔE)2 = (ΔETN)2 + (ΔEPN)2 + (ΔEELEK)2 + hellip

Srovnaacuteniacute absolutniacuteho a relativniacuteho rozlišeniacute pro scintilačniacute a polovodičoveacute detektory

Ukaacutezka zhoršeniacute HPGE detektorů sondy INTEGRAL po ozaacuteřeniacute (zprava AThevenina)

Odolnost proti radiačniacutemu poškozeniacute ndash radiačniacute ozaacuteřeniacute rarr poškozeniacute poškozeniacute krystaloveacute mřiacuteže poruchy meacuteně citliveacute ndash kapalneacute a plynneacute detektory viacutece citliveacute ndash scintilačniacute a hlavně polovodičoveacute detektory

Křivka po ozaacuteřeniacute

Gaussova křivka před ozaacuteřeniacutem

Při experimentech na urychlovačiacutechpracujiacute detektory v silneacutem radiačniacutem poli

Někdy dochaacuteziacute k postupneacute regeneraci u HPGe detektoru lze detektor regenerovat při ohřaacutetiacute

Scintilačniacute detektoryScintilačniacute detektor 1) Scintilator 2) Fotonaacutesobič + antimagnetickeacute stiacuteněniacute (nebo fotodioda) 3) Dělič

Průchod ionizujiacuteciacuteho zaacuteřeniacute rarr excitace atomu a molekuldeexcitace rarr energie rarr produkce světla - luminiscence

Informace 1) Energie 2) Čas ndash jsou rychleacute 3) Identifikace čaacutestice z tvaru pulsu

Fluorescence ndash rychlaacute konverze energie na světlo 10-8sFosforoscence - zpožděnaacute konverze energie na světlo μs ndash dny ndash většiacute λ

Vlastnosti fotonaacutesobičů fotodiodlavinovyacutech fotodiod ndash viz literatura

Vybiacutejeniacute lze popsat exponenciaacutelniacutem vybiacutejeniacutem

R

t

eNN

0

PR

tt

eBeAN

jednosložkoveacute

dvojsložkoveacute

τR ndash rychlejšiacute složka τP ndash pomalejšiacute složka

Požadavky na scintilator

1) Vysokaacute efektivita konverze excitačniacute energie na fluorescenčniacute světlo2) Konverze by měla byacutet lineaacuterniacute3) Průhlednost pro fluorescenčniacute světlo (v jineacute oblasti spektra emituje a absorbuje světlo4) Fluorescenčniacute spektrum vhodneacute pro fotonaacutesobiče5) Kraacutetkaacute rozpadovaacute konstanta 6) Musiacute miacutet dobreacute optickeacute vlastnosti a musiacute byacutet opracovatelnyacute7) Index lomu musiacute byacutet bliacutezkyacute n = 15 (sklo) ndash dobryacute přestup světla do FN

Přiacuteklad tvaru signaacutelu u dvojsložkoveacuteho scintilaacutetoru

ρ [gcm3] eS [eV] τ [ns]Anthracen ~08 60 30Plastik (NE111) ~12 100 17NaI 367 26 230CsI 451 19 1000 (05 rychlaacute)BGO 713 130 300BaF2 489 100 600 (06 rychlaacute)PbWO4 828 4000 5-15 CeF3 616 250 25

Organickeacute scintilaacutetory 1) Organickeacute krystaly ndash antraceacuten stylbeacuten 2) Tekuteacute organickeacute scintilaacutetory velmi odolneacute proti radiačniacutemu poškozeniacute měřenaacute radioaktivniacute laacutetka může byacutet součaacutestiacute 3) Plastickeacute scintilaacutetory ndash velmi rychleacute τ ~ 2 ns NE111 τNaacuteběžnaacute hrana = 02 ns a τ = 17 ns niacutezkeacute Z rarr maleacute σ pro fotoefekt převažuje comptonův rozptyl přidaacuteniacute přiacuteměsi těžkyacutech prvků (Pb) rarr zvětšeniacute fotopiacuteku zmenšeniacute světelneacuteho vyacutestupu

Anorganickeacute scintilaacutetory Jsou pomalejšiacute většiacute Z rarr vhodnějšiacute pro zaacuteřeniacute gama CsI(Tl) NaI(Tl) (je hygroskopickyacute) BGO (Bi4Ge3O12) BaF2PbWO4

BGO BaF2 PbWO4 velmi vhodneacute pro vysokoenergetickeacute gama BaF2 velmi rychlyacute (rychlaacute komponenta) dvě komponenty

Fano koeficient je pro scintilaacutetory F ~ 1

Limitniacute teoretickeacute rozlišeniacute bezzapočteniacute vlivu elektroniky a vychytaacutevaacuteniacute nosičů naacuteboje

Krystal PbWO4 vysokoenergetickeacuteho fotonoveacuteho spektrometru projektu ALICEmodraacute λ= 420 nm a zelenaacute λ= 480-520 nm

BaF2 krystaly fotonoveacuteho spektrometru TAPSultrafialoveacute komponenty λ=220nm a λ=310 nm

TA

PS a

AL

ICE

pre

zent

ovan

eacute fo

tom

ater

iaacutely

Polovodičoveacute detektoryVelmi časteacute HPGe (dřiacuteve Ge(Li)) ndash potřebujiacute chlazeniacute tekutyacutem dusiacutekem Si ndash pro niacutezkoenergetickou oblast

Novějšiacute a zatiacutem speciaacutelnějšiacute CdTe HgI2 CdZnTe (CZT) ndash zatiacutem takeacute pro niacutezkeacute energie neniacute třeba chladit eS ~ 44 eV

Ge Si ndash čtyři valenčniacute elektrony ndash uvolněniacute elektronu (jeho převedeniacute z valenčniacuteho do vodiveacuteho paacutesu) rarr vznikaacute diacutera a volnyacute elektron

Přiacuteměs s 3 valenčniacutemi elektrony ndash přiacutejemce elektronů rarr převaha děr rarr polovodič typu pPřiacuteměs s 5 valenčniacutemi elektrony ndash daacuterce elektronů rarr převaha elektronurarr polovodič typu n

Ge(Li) detektor ndash 1012 atomů přiacuteměsiacute na cm3

HPGe ndash 109 atomů přiacuteměsiacute na cm3

Zabraacuteněniacute tepelneacute produkci paacuterů diacutera a elektron rarr teplota 77 K

Zaacutechyt a rekombinace na poruchaacutech a přiacuteměsiacutech

HPGe detektor umiacutestěnyacute do stiacuteniacuteciacuteho olověneacuteho boxu

straacute

nky

W W

estm

aier

při T=77 K Si GeZ 14 32atomovaacute hmotnost 2809 7260hustota ρ [gcm3] 233 533energetickaacute mezera [eV] 11 07pohyblivost elektronů μe[ 104cm2Vs] 21 36pohyblivost děr μd [104cm2Vs] 11 42eS [eV] 376 296Fano koeficient F ~ 009 ndash 012 ~ 006 ndash 013

Zaacutekladniacute vlastnosti polovodičů

Pozičně citliveacute HPGe segmentovaneacutedetektory jsou vyviacutejeny v LLNL (Kalifornskaacute universita) jejich WWW

ve = μeE vd = μdE

Napětiacute na detektoru přes 1000 V

Maleacute pulsy rarr nutnost předzesilovače

detektor rarr předzesilovač rarr zesilovač rarr ADC rarr analyzaacutetor počiacutetač

Technickeacute podrobnosti ndash viz doporučenaacute literatura

Parametry pro linku 60Co 1332 keV

Relativniacute efektivita ku standardu (NaI(Tl)) 10 ndash 70 (εNaI = 012 εGEO ~ 058 εVNI ~ 20 )

piacutekcompton 130 až 160

Rozlišeniacute FWHM 17 ndash 23

Tvar piacuteku FWTMFWHM ~20 (Gauss 182) FWFMFWHM 265 ndash 300 (Gauss 238)

Limitniacute teoretickeacute rozlišeniacute bezzapočteniacute vlivu elektroniky a vychytaacutevaacuteniacute nosičů naacuteboje

Přesnost měřeniacute až jednotky eV

ΔEΣ2 = ΔETN

2 + ΔEELEK2 + ΔEPN

2

Niacutezkeacute energie ndash Si a tenkeacute HPGe detektory berylioveacute okeacutenkoVysokeacute energie - HPGe s velkyacutem objemem hliniacutekoveacute okeacutenko

delšiacute (6 μs) nebo kratšiacute (2 - 4 μs) časovaacute konstantau zesilovače

ΔETN ndash vnitřniacute neurčitost (tvorby nosičů)ΔEELEK ndash neurčitost danaacute elektronikouΔEPN ndash neurčitost danaacute rekombinaciacute a zaacutechytem elektronů a děr

Obrovskeacute rozšiacuteřeniacute v praxi rarrřada komerčně vyraacuteběnyacutech typů a modelů STN eEFFWHME 352

Krystal difrakčniacute spektrometrySklaacutedajiacute se z 1) destičky z krystalu (křemennyacute krystal kalcit) 2) detektoru rentgenovskeacuteho a gama zaacuteřeniacute

Různeacute geometrie krystalu Rovneacute krystaly Ohnuteacute krystaly

Různeacute konfigurace s jedniacutem krystalem Θ = ΘB

se dvěma krystaly Θ = 2ΘB

Charakteristickeacute uacutehly ovlivňujiacuteciacute šiacuteřku linkyφZ ndash uacutehel pod niacutemž je vidět zdrojφK ndash uacutehel pod niacutemž je vidět štěrbina kolimaacutetoru φC ndash uacutehel pološiacuteřky difrakčniacute linky

ΘB ndash Braggův uacutehelUacutehlovaacute pološiacuteřka φ intenzity pak je(pro maleacute hodnoty všech uacutehlů v radiaacutenech)

φ2 asymp φZ2 + φK

2 + φC2

Přiacuteklad přesnosti měřeniacute 169Yb rarr 169Tm linka 63 keV ndash E = 6312080(16) keVNutno započiacutetat vliv odrazu při vyzaacuteřeniacute fotonu a přesnosti určeniacute energetickyacutech standardů

Detektor

Krystalovaacutemřiacutež

Zdroj Kolimaacutetor

φK

φZ φC

ΘB

REE

EkonstEEkonst

~

R ndash uacutehloveacute rozlišeniacute

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15

Srovnaacutevaciacute charakteristiky detektorů

Citlivost ndash schopnost produkovat měřitelnyacute signaacutel pro danyacute typ čaacutestic a energii Zaacutevisiacute na 1) uacutečinneacutem průřezu ionizujiacuteciacutech reakciacute reakciacute fotonů 2) hmotnosti detektoru jeho konstrukci 3) šumu detektoru 4) tloušťce a druhu materiaacutelu obklopujiacuteciacuteho citlivyacute objem

detektoru

Odezva ndash vztah mezi energiiacute čaacutestice a vyacutestupem na detektoru (celkovyacutem naacutebojem nebo amplitudou proudoveacuteho pulsu)

Funkce odezvy F(EEacute) - spektrum S(Eacute) monoenergetickeacuteho svazku je detektorem pozorovaacuteno jako komplikovanaacute funkce většinou bliacutezkaacute Gaussově funkci s chvostem k nižšiacutem energiiacutem Naměřeneacute rozloženiacute amplitud pulsů P(E)

E ndash energie v naměřeneacutem spektru Eacute- energie původniacute

Časovaacute odezva ndash čas vytvaacuteřeniacute signaacutelu v detektoru

Tvar pulsu ndash tvar signaacutelu z detektoru naacuteběžnaacute hrana sestupnaacute (i viacutece složek) rychlaacute složka pomalaacute složka

EdEEFESEP )()()(

1) detektor se staacutevaacute necitlivyacute2) detektor zůstaacutevaacute citlivyacute ndash vznikaacute bdquopile-upldquo ndash sklaacutedaacuteniacute amplitud

Mrtvaacute doba ndash doba potřebnaacute pro vytvořeniacute a zpracovaacuteniacute signaacutelu v detektoru

Skutečnyacute počet čaacutestic NS = mT = k + mkτ

m ndash skutečnaacute četnost T ndash doba měřeniacutek ndash počet zaznamenanyacutech přiacutepadů

Přiacutepad 1 (mrtvaacute doba se neprodloužiacute)

skutečnaacute četnost

TkTk

m1

Přiacutepad 2 (mrtvaacute doba se prodloužiacute)

Předpoklad mrtvaacute doba τ je konstantniacute

Rozděleniacute intervalů t mezi přiacutechodem signaacutelůmtemtP )(

a tedy pravděpodobnost že t gt τ

mmt edtemtP )(

a mezi počtem registraciacute k a skutečnou četnostiacute m platiacute mmTek

Mrtvaacute doba a jejiacute vliv

Detekčniacute uacutečinnost ndash poměr mezi počtem čaacutestic vyzaacuteřenyacutech zdrojem a detekovanyacutech detektorem ndash absolutniacute uacutečinnost Ta se sklaacutedaacute z vnitřniacute uacutečinnosti εVNI a geometrickeacute uacutečinnosti (akceptance) εGEO ε = εVNIεGEO Standard ndash linka 1332 keV 60Co Udaacutevaacute se i relativně ndash detektor vůči standardniacutemu (např NaI(Tl) o rozměru 762762 cm) v zadaneacute geometrii ( - vzdaacutelenost 25 cm) εNaI = 012

Poměr mezi piacutekem a comptonovskyacutem pozadiacutem - pro detektory zaacuteřeniacute gama ndash poměr mezi maximaacutelniacute amplitudou v piacuteku 1332 keV a středniacute hodnotou v oblasti 1040 ndash 1096 keV Energetickeacute rozlišeniacute ndash nejmenšiacute rozlišitelnyacute rozdiacutel energie ΔE mezi dvěma bliacutezkyacutemi energiemi Monoenergetickyacute svazek rarr ideaacutelně δ-funkce ndash reaacutelně piacutek s konečnou šiacuteřkou (většinou maacute Gaussův tvar Rozlišeniacute se většinou udaacutevaacute ve formě pološiacuteřky ndash FWHM) Udaacutevaacute se relativniacute rozlišeniacute ΔEE v [] odchylku od Gaussova tvaru udaacutevaacute FWTM ndash šiacuteřka v 110 vyacutešky FWFM ndash šiacuteřka v 150 vyacutešky Gauss FWTMFWHM = 182 FWFMFWHM = 238 I jinaacute rozděleniacute asymetrie elektrostatickyacute spektrometr ndash Lorentzův tvar

Detektor pohlcujiacuteciacute čaacutest energie

Detektor pohlcujiacuteciacute celkovovou energii (fotonoveacute detektory)

Ionizace a deexcitace ndash Poissonovo rozděleniacute rarr standardniacute odchylka

Počet vzniklyacutech nosičů naacuteboje fotonů hellip

(Platiacute pro scintilačniacute polovodičoveacute plynoveacute detektory)

SeEN

N

Kde eS je středniacute energie potřebnaacute na vznik nosiče naacuteboje nebo fotonu

Vztah mezi FWHM a σ pro Gaussovu křivku FWHM = 235 σ

Velikost pološiacuteřky ndash energetickeacuteho rozlišeniacute

Deponovanaacute energie E volně fluktuuje rarr platiacute Poissonovo rozděleniacute

Deponovanaacute energie je fixniacute konečnaacute hodnota rarr neplatiacute Poisson opravu zavedl Fano

kde F ndash korekce Fano

SsS

S eEeeEeNFWHME 352352352

NF SeEFFWHME 352

Relativniacute energetickeacute rozlišeniacute EEeF

EER S 1~352

Časoveacute rozlišeniacute ndash nejmenšiacute rozlišitelnyacute rozdiacutel časů ndash definice podobneacute jako u energie

Draacutehoveacute rozlišeniacute ndash nejmenšiacute rozlišitelnyacute rozdiacutel v draacuteze ndash definice obdobnaacute jako u předchoziacutech

Velikost pološiacuteřky ovlivňujiacute i dalšiacute faktory pohlceniacute nosičů naacuteboje fotonů vlastnosti elektroniky hellipPokud jsou přiacutespěvky nezaacutevisleacute (ΔE)2 = (ΔETN)2 + (ΔEPN)2 + (ΔEELEK)2 + hellip

Srovnaacuteniacute absolutniacuteho a relativniacuteho rozlišeniacute pro scintilačniacute a polovodičoveacute detektory

Ukaacutezka zhoršeniacute HPGE detektorů sondy INTEGRAL po ozaacuteřeniacute (zprava AThevenina)

Odolnost proti radiačniacutemu poškozeniacute ndash radiačniacute ozaacuteřeniacute rarr poškozeniacute poškozeniacute krystaloveacute mřiacuteže poruchy meacuteně citliveacute ndash kapalneacute a plynneacute detektory viacutece citliveacute ndash scintilačniacute a hlavně polovodičoveacute detektory

Křivka po ozaacuteřeniacute

Gaussova křivka před ozaacuteřeniacutem

Při experimentech na urychlovačiacutechpracujiacute detektory v silneacutem radiačniacutem poli

Někdy dochaacuteziacute k postupneacute regeneraci u HPGe detektoru lze detektor regenerovat při ohřaacutetiacute

Scintilačniacute detektoryScintilačniacute detektor 1) Scintilator 2) Fotonaacutesobič + antimagnetickeacute stiacuteněniacute (nebo fotodioda) 3) Dělič

Průchod ionizujiacuteciacuteho zaacuteřeniacute rarr excitace atomu a molekuldeexcitace rarr energie rarr produkce světla - luminiscence

Informace 1) Energie 2) Čas ndash jsou rychleacute 3) Identifikace čaacutestice z tvaru pulsu

Fluorescence ndash rychlaacute konverze energie na světlo 10-8sFosforoscence - zpožděnaacute konverze energie na světlo μs ndash dny ndash většiacute λ

Vlastnosti fotonaacutesobičů fotodiodlavinovyacutech fotodiod ndash viz literatura

Vybiacutejeniacute lze popsat exponenciaacutelniacutem vybiacutejeniacutem

R

t

eNN

0

PR

tt

eBeAN

jednosložkoveacute

dvojsložkoveacute

τR ndash rychlejšiacute složka τP ndash pomalejšiacute složka

Požadavky na scintilator

1) Vysokaacute efektivita konverze excitačniacute energie na fluorescenčniacute světlo2) Konverze by měla byacutet lineaacuterniacute3) Průhlednost pro fluorescenčniacute světlo (v jineacute oblasti spektra emituje a absorbuje světlo4) Fluorescenčniacute spektrum vhodneacute pro fotonaacutesobiče5) Kraacutetkaacute rozpadovaacute konstanta 6) Musiacute miacutet dobreacute optickeacute vlastnosti a musiacute byacutet opracovatelnyacute7) Index lomu musiacute byacutet bliacutezkyacute n = 15 (sklo) ndash dobryacute přestup světla do FN

Přiacuteklad tvaru signaacutelu u dvojsložkoveacuteho scintilaacutetoru

ρ [gcm3] eS [eV] τ [ns]Anthracen ~08 60 30Plastik (NE111) ~12 100 17NaI 367 26 230CsI 451 19 1000 (05 rychlaacute)BGO 713 130 300BaF2 489 100 600 (06 rychlaacute)PbWO4 828 4000 5-15 CeF3 616 250 25

Organickeacute scintilaacutetory 1) Organickeacute krystaly ndash antraceacuten stylbeacuten 2) Tekuteacute organickeacute scintilaacutetory velmi odolneacute proti radiačniacutemu poškozeniacute měřenaacute radioaktivniacute laacutetka může byacutet součaacutestiacute 3) Plastickeacute scintilaacutetory ndash velmi rychleacute τ ~ 2 ns NE111 τNaacuteběžnaacute hrana = 02 ns a τ = 17 ns niacutezkeacute Z rarr maleacute σ pro fotoefekt převažuje comptonův rozptyl přidaacuteniacute přiacuteměsi těžkyacutech prvků (Pb) rarr zvětšeniacute fotopiacuteku zmenšeniacute světelneacuteho vyacutestupu

Anorganickeacute scintilaacutetory Jsou pomalejšiacute většiacute Z rarr vhodnějšiacute pro zaacuteřeniacute gama CsI(Tl) NaI(Tl) (je hygroskopickyacute) BGO (Bi4Ge3O12) BaF2PbWO4

BGO BaF2 PbWO4 velmi vhodneacute pro vysokoenergetickeacute gama BaF2 velmi rychlyacute (rychlaacute komponenta) dvě komponenty

Fano koeficient je pro scintilaacutetory F ~ 1

Limitniacute teoretickeacute rozlišeniacute bezzapočteniacute vlivu elektroniky a vychytaacutevaacuteniacute nosičů naacuteboje

Krystal PbWO4 vysokoenergetickeacuteho fotonoveacuteho spektrometru projektu ALICEmodraacute λ= 420 nm a zelenaacute λ= 480-520 nm

BaF2 krystaly fotonoveacuteho spektrometru TAPSultrafialoveacute komponenty λ=220nm a λ=310 nm

TA

PS a

AL

ICE

pre

zent

ovan

eacute fo

tom

ater

iaacutely

Polovodičoveacute detektoryVelmi časteacute HPGe (dřiacuteve Ge(Li)) ndash potřebujiacute chlazeniacute tekutyacutem dusiacutekem Si ndash pro niacutezkoenergetickou oblast

Novějšiacute a zatiacutem speciaacutelnějšiacute CdTe HgI2 CdZnTe (CZT) ndash zatiacutem takeacute pro niacutezkeacute energie neniacute třeba chladit eS ~ 44 eV

Ge Si ndash čtyři valenčniacute elektrony ndash uvolněniacute elektronu (jeho převedeniacute z valenčniacuteho do vodiveacuteho paacutesu) rarr vznikaacute diacutera a volnyacute elektron

Přiacuteměs s 3 valenčniacutemi elektrony ndash přiacutejemce elektronů rarr převaha děr rarr polovodič typu pPřiacuteměs s 5 valenčniacutemi elektrony ndash daacuterce elektronů rarr převaha elektronurarr polovodič typu n

Ge(Li) detektor ndash 1012 atomů přiacuteměsiacute na cm3

HPGe ndash 109 atomů přiacuteměsiacute na cm3

Zabraacuteněniacute tepelneacute produkci paacuterů diacutera a elektron rarr teplota 77 K

Zaacutechyt a rekombinace na poruchaacutech a přiacuteměsiacutech

HPGe detektor umiacutestěnyacute do stiacuteniacuteciacuteho olověneacuteho boxu

straacute

nky

W W

estm

aier

při T=77 K Si GeZ 14 32atomovaacute hmotnost 2809 7260hustota ρ [gcm3] 233 533energetickaacute mezera [eV] 11 07pohyblivost elektronů μe[ 104cm2Vs] 21 36pohyblivost děr μd [104cm2Vs] 11 42eS [eV] 376 296Fano koeficient F ~ 009 ndash 012 ~ 006 ndash 013

Zaacutekladniacute vlastnosti polovodičů

Pozičně citliveacute HPGe segmentovaneacutedetektory jsou vyviacutejeny v LLNL (Kalifornskaacute universita) jejich WWW

ve = μeE vd = μdE

Napětiacute na detektoru přes 1000 V

Maleacute pulsy rarr nutnost předzesilovače

detektor rarr předzesilovač rarr zesilovač rarr ADC rarr analyzaacutetor počiacutetač

Technickeacute podrobnosti ndash viz doporučenaacute literatura

Parametry pro linku 60Co 1332 keV

Relativniacute efektivita ku standardu (NaI(Tl)) 10 ndash 70 (εNaI = 012 εGEO ~ 058 εVNI ~ 20 )

piacutekcompton 130 až 160

Rozlišeniacute FWHM 17 ndash 23

Tvar piacuteku FWTMFWHM ~20 (Gauss 182) FWFMFWHM 265 ndash 300 (Gauss 238)

Limitniacute teoretickeacute rozlišeniacute bezzapočteniacute vlivu elektroniky a vychytaacutevaacuteniacute nosičů naacuteboje

Přesnost měřeniacute až jednotky eV

ΔEΣ2 = ΔETN

2 + ΔEELEK2 + ΔEPN

2

Niacutezkeacute energie ndash Si a tenkeacute HPGe detektory berylioveacute okeacutenkoVysokeacute energie - HPGe s velkyacutem objemem hliniacutekoveacute okeacutenko

delšiacute (6 μs) nebo kratšiacute (2 - 4 μs) časovaacute konstantau zesilovače

ΔETN ndash vnitřniacute neurčitost (tvorby nosičů)ΔEELEK ndash neurčitost danaacute elektronikouΔEPN ndash neurčitost danaacute rekombinaciacute a zaacutechytem elektronů a děr

Obrovskeacute rozšiacuteřeniacute v praxi rarrřada komerčně vyraacuteběnyacutech typů a modelů STN eEFFWHME 352

Krystal difrakčniacute spektrometrySklaacutedajiacute se z 1) destičky z krystalu (křemennyacute krystal kalcit) 2) detektoru rentgenovskeacuteho a gama zaacuteřeniacute

Různeacute geometrie krystalu Rovneacute krystaly Ohnuteacute krystaly

Různeacute konfigurace s jedniacutem krystalem Θ = ΘB

se dvěma krystaly Θ = 2ΘB

Charakteristickeacute uacutehly ovlivňujiacuteciacute šiacuteřku linkyφZ ndash uacutehel pod niacutemž je vidět zdrojφK ndash uacutehel pod niacutemž je vidět štěrbina kolimaacutetoru φC ndash uacutehel pološiacuteřky difrakčniacute linky

ΘB ndash Braggův uacutehelUacutehlovaacute pološiacuteřka φ intenzity pak je(pro maleacute hodnoty všech uacutehlů v radiaacutenech)

φ2 asymp φZ2 + φK

2 + φC2

Přiacuteklad přesnosti měřeniacute 169Yb rarr 169Tm linka 63 keV ndash E = 6312080(16) keVNutno započiacutetat vliv odrazu při vyzaacuteřeniacute fotonu a přesnosti určeniacute energetickyacutech standardů

Detektor

Krystalovaacutemřiacutež

Zdroj Kolimaacutetor

φK

φZ φC

ΘB

REE

EkonstEEkonst

~

R ndash uacutehloveacute rozlišeniacute

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15

1) detektor se staacutevaacute necitlivyacute2) detektor zůstaacutevaacute citlivyacute ndash vznikaacute bdquopile-upldquo ndash sklaacutedaacuteniacute amplitud

Mrtvaacute doba ndash doba potřebnaacute pro vytvořeniacute a zpracovaacuteniacute signaacutelu v detektoru

Skutečnyacute počet čaacutestic NS = mT = k + mkτ

m ndash skutečnaacute četnost T ndash doba měřeniacutek ndash počet zaznamenanyacutech přiacutepadů

Přiacutepad 1 (mrtvaacute doba se neprodloužiacute)

skutečnaacute četnost

TkTk

m1

Přiacutepad 2 (mrtvaacute doba se prodloužiacute)

Předpoklad mrtvaacute doba τ je konstantniacute

Rozděleniacute intervalů t mezi přiacutechodem signaacutelůmtemtP )(

a tedy pravděpodobnost že t gt τ

mmt edtemtP )(

a mezi počtem registraciacute k a skutečnou četnostiacute m platiacute mmTek

Mrtvaacute doba a jejiacute vliv

Detekčniacute uacutečinnost ndash poměr mezi počtem čaacutestic vyzaacuteřenyacutech zdrojem a detekovanyacutech detektorem ndash absolutniacute uacutečinnost Ta se sklaacutedaacute z vnitřniacute uacutečinnosti εVNI a geometrickeacute uacutečinnosti (akceptance) εGEO ε = εVNIεGEO Standard ndash linka 1332 keV 60Co Udaacutevaacute se i relativně ndash detektor vůči standardniacutemu (např NaI(Tl) o rozměru 762762 cm) v zadaneacute geometrii ( - vzdaacutelenost 25 cm) εNaI = 012

Poměr mezi piacutekem a comptonovskyacutem pozadiacutem - pro detektory zaacuteřeniacute gama ndash poměr mezi maximaacutelniacute amplitudou v piacuteku 1332 keV a středniacute hodnotou v oblasti 1040 ndash 1096 keV Energetickeacute rozlišeniacute ndash nejmenšiacute rozlišitelnyacute rozdiacutel energie ΔE mezi dvěma bliacutezkyacutemi energiemi Monoenergetickyacute svazek rarr ideaacutelně δ-funkce ndash reaacutelně piacutek s konečnou šiacuteřkou (většinou maacute Gaussův tvar Rozlišeniacute se většinou udaacutevaacute ve formě pološiacuteřky ndash FWHM) Udaacutevaacute se relativniacute rozlišeniacute ΔEE v [] odchylku od Gaussova tvaru udaacutevaacute FWTM ndash šiacuteřka v 110 vyacutešky FWFM ndash šiacuteřka v 150 vyacutešky Gauss FWTMFWHM = 182 FWFMFWHM = 238 I jinaacute rozděleniacute asymetrie elektrostatickyacute spektrometr ndash Lorentzův tvar

Detektor pohlcujiacuteciacute čaacutest energie

Detektor pohlcujiacuteciacute celkovovou energii (fotonoveacute detektory)

Ionizace a deexcitace ndash Poissonovo rozděleniacute rarr standardniacute odchylka

Počet vzniklyacutech nosičů naacuteboje fotonů hellip

(Platiacute pro scintilačniacute polovodičoveacute plynoveacute detektory)

SeEN

N

Kde eS je středniacute energie potřebnaacute na vznik nosiče naacuteboje nebo fotonu

Vztah mezi FWHM a σ pro Gaussovu křivku FWHM = 235 σ

Velikost pološiacuteřky ndash energetickeacuteho rozlišeniacute

Deponovanaacute energie E volně fluktuuje rarr platiacute Poissonovo rozděleniacute

Deponovanaacute energie je fixniacute konečnaacute hodnota rarr neplatiacute Poisson opravu zavedl Fano

kde F ndash korekce Fano

SsS

S eEeeEeNFWHME 352352352

NF SeEFFWHME 352

Relativniacute energetickeacute rozlišeniacute EEeF

EER S 1~352

Časoveacute rozlišeniacute ndash nejmenšiacute rozlišitelnyacute rozdiacutel časů ndash definice podobneacute jako u energie

Draacutehoveacute rozlišeniacute ndash nejmenšiacute rozlišitelnyacute rozdiacutel v draacuteze ndash definice obdobnaacute jako u předchoziacutech

Velikost pološiacuteřky ovlivňujiacute i dalšiacute faktory pohlceniacute nosičů naacuteboje fotonů vlastnosti elektroniky hellipPokud jsou přiacutespěvky nezaacutevisleacute (ΔE)2 = (ΔETN)2 + (ΔEPN)2 + (ΔEELEK)2 + hellip

Srovnaacuteniacute absolutniacuteho a relativniacuteho rozlišeniacute pro scintilačniacute a polovodičoveacute detektory

Ukaacutezka zhoršeniacute HPGE detektorů sondy INTEGRAL po ozaacuteřeniacute (zprava AThevenina)

Odolnost proti radiačniacutemu poškozeniacute ndash radiačniacute ozaacuteřeniacute rarr poškozeniacute poškozeniacute krystaloveacute mřiacuteže poruchy meacuteně citliveacute ndash kapalneacute a plynneacute detektory viacutece citliveacute ndash scintilačniacute a hlavně polovodičoveacute detektory

Křivka po ozaacuteřeniacute

Gaussova křivka před ozaacuteřeniacutem

Při experimentech na urychlovačiacutechpracujiacute detektory v silneacutem radiačniacutem poli

Někdy dochaacuteziacute k postupneacute regeneraci u HPGe detektoru lze detektor regenerovat při ohřaacutetiacute

Scintilačniacute detektoryScintilačniacute detektor 1) Scintilator 2) Fotonaacutesobič + antimagnetickeacute stiacuteněniacute (nebo fotodioda) 3) Dělič

Průchod ionizujiacuteciacuteho zaacuteřeniacute rarr excitace atomu a molekuldeexcitace rarr energie rarr produkce světla - luminiscence

Informace 1) Energie 2) Čas ndash jsou rychleacute 3) Identifikace čaacutestice z tvaru pulsu

Fluorescence ndash rychlaacute konverze energie na světlo 10-8sFosforoscence - zpožděnaacute konverze energie na světlo μs ndash dny ndash většiacute λ

Vlastnosti fotonaacutesobičů fotodiodlavinovyacutech fotodiod ndash viz literatura

Vybiacutejeniacute lze popsat exponenciaacutelniacutem vybiacutejeniacutem

R

t

eNN

0

PR

tt

eBeAN

jednosložkoveacute

dvojsložkoveacute

τR ndash rychlejšiacute složka τP ndash pomalejšiacute složka

Požadavky na scintilator

1) Vysokaacute efektivita konverze excitačniacute energie na fluorescenčniacute světlo2) Konverze by měla byacutet lineaacuterniacute3) Průhlednost pro fluorescenčniacute světlo (v jineacute oblasti spektra emituje a absorbuje světlo4) Fluorescenčniacute spektrum vhodneacute pro fotonaacutesobiče5) Kraacutetkaacute rozpadovaacute konstanta 6) Musiacute miacutet dobreacute optickeacute vlastnosti a musiacute byacutet opracovatelnyacute7) Index lomu musiacute byacutet bliacutezkyacute n = 15 (sklo) ndash dobryacute přestup světla do FN

Přiacuteklad tvaru signaacutelu u dvojsložkoveacuteho scintilaacutetoru

ρ [gcm3] eS [eV] τ [ns]Anthracen ~08 60 30Plastik (NE111) ~12 100 17NaI 367 26 230CsI 451 19 1000 (05 rychlaacute)BGO 713 130 300BaF2 489 100 600 (06 rychlaacute)PbWO4 828 4000 5-15 CeF3 616 250 25

Organickeacute scintilaacutetory 1) Organickeacute krystaly ndash antraceacuten stylbeacuten 2) Tekuteacute organickeacute scintilaacutetory velmi odolneacute proti radiačniacutemu poškozeniacute měřenaacute radioaktivniacute laacutetka může byacutet součaacutestiacute 3) Plastickeacute scintilaacutetory ndash velmi rychleacute τ ~ 2 ns NE111 τNaacuteběžnaacute hrana = 02 ns a τ = 17 ns niacutezkeacute Z rarr maleacute σ pro fotoefekt převažuje comptonův rozptyl přidaacuteniacute přiacuteměsi těžkyacutech prvků (Pb) rarr zvětšeniacute fotopiacuteku zmenšeniacute světelneacuteho vyacutestupu

Anorganickeacute scintilaacutetory Jsou pomalejšiacute většiacute Z rarr vhodnějšiacute pro zaacuteřeniacute gama CsI(Tl) NaI(Tl) (je hygroskopickyacute) BGO (Bi4Ge3O12) BaF2PbWO4

BGO BaF2 PbWO4 velmi vhodneacute pro vysokoenergetickeacute gama BaF2 velmi rychlyacute (rychlaacute komponenta) dvě komponenty

Fano koeficient je pro scintilaacutetory F ~ 1

Limitniacute teoretickeacute rozlišeniacute bezzapočteniacute vlivu elektroniky a vychytaacutevaacuteniacute nosičů naacuteboje

Krystal PbWO4 vysokoenergetickeacuteho fotonoveacuteho spektrometru projektu ALICEmodraacute λ= 420 nm a zelenaacute λ= 480-520 nm

BaF2 krystaly fotonoveacuteho spektrometru TAPSultrafialoveacute komponenty λ=220nm a λ=310 nm

TA

PS a

AL

ICE

pre

zent

ovan

eacute fo

tom

ater

iaacutely

Polovodičoveacute detektoryVelmi časteacute HPGe (dřiacuteve Ge(Li)) ndash potřebujiacute chlazeniacute tekutyacutem dusiacutekem Si ndash pro niacutezkoenergetickou oblast

Novějšiacute a zatiacutem speciaacutelnějšiacute CdTe HgI2 CdZnTe (CZT) ndash zatiacutem takeacute pro niacutezkeacute energie neniacute třeba chladit eS ~ 44 eV

Ge Si ndash čtyři valenčniacute elektrony ndash uvolněniacute elektronu (jeho převedeniacute z valenčniacuteho do vodiveacuteho paacutesu) rarr vznikaacute diacutera a volnyacute elektron

Přiacuteměs s 3 valenčniacutemi elektrony ndash přiacutejemce elektronů rarr převaha děr rarr polovodič typu pPřiacuteměs s 5 valenčniacutemi elektrony ndash daacuterce elektronů rarr převaha elektronurarr polovodič typu n

Ge(Li) detektor ndash 1012 atomů přiacuteměsiacute na cm3

HPGe ndash 109 atomů přiacuteměsiacute na cm3

Zabraacuteněniacute tepelneacute produkci paacuterů diacutera a elektron rarr teplota 77 K

Zaacutechyt a rekombinace na poruchaacutech a přiacuteměsiacutech

HPGe detektor umiacutestěnyacute do stiacuteniacuteciacuteho olověneacuteho boxu

straacute

nky

W W

estm

aier

při T=77 K Si GeZ 14 32atomovaacute hmotnost 2809 7260hustota ρ [gcm3] 233 533energetickaacute mezera [eV] 11 07pohyblivost elektronů μe[ 104cm2Vs] 21 36pohyblivost děr μd [104cm2Vs] 11 42eS [eV] 376 296Fano koeficient F ~ 009 ndash 012 ~ 006 ndash 013

Zaacutekladniacute vlastnosti polovodičů

Pozičně citliveacute HPGe segmentovaneacutedetektory jsou vyviacutejeny v LLNL (Kalifornskaacute universita) jejich WWW

ve = μeE vd = μdE

Napětiacute na detektoru přes 1000 V

Maleacute pulsy rarr nutnost předzesilovače

detektor rarr předzesilovač rarr zesilovač rarr ADC rarr analyzaacutetor počiacutetač

Technickeacute podrobnosti ndash viz doporučenaacute literatura

Parametry pro linku 60Co 1332 keV

Relativniacute efektivita ku standardu (NaI(Tl)) 10 ndash 70 (εNaI = 012 εGEO ~ 058 εVNI ~ 20 )

piacutekcompton 130 až 160

Rozlišeniacute FWHM 17 ndash 23

Tvar piacuteku FWTMFWHM ~20 (Gauss 182) FWFMFWHM 265 ndash 300 (Gauss 238)

Limitniacute teoretickeacute rozlišeniacute bezzapočteniacute vlivu elektroniky a vychytaacutevaacuteniacute nosičů naacuteboje

Přesnost měřeniacute až jednotky eV

ΔEΣ2 = ΔETN

2 + ΔEELEK2 + ΔEPN

2

Niacutezkeacute energie ndash Si a tenkeacute HPGe detektory berylioveacute okeacutenkoVysokeacute energie - HPGe s velkyacutem objemem hliniacutekoveacute okeacutenko

delšiacute (6 μs) nebo kratšiacute (2 - 4 μs) časovaacute konstantau zesilovače

ΔETN ndash vnitřniacute neurčitost (tvorby nosičů)ΔEELEK ndash neurčitost danaacute elektronikouΔEPN ndash neurčitost danaacute rekombinaciacute a zaacutechytem elektronů a děr

Obrovskeacute rozšiacuteřeniacute v praxi rarrřada komerčně vyraacuteběnyacutech typů a modelů STN eEFFWHME 352

Krystal difrakčniacute spektrometrySklaacutedajiacute se z 1) destičky z krystalu (křemennyacute krystal kalcit) 2) detektoru rentgenovskeacuteho a gama zaacuteřeniacute

Různeacute geometrie krystalu Rovneacute krystaly Ohnuteacute krystaly

Různeacute konfigurace s jedniacutem krystalem Θ = ΘB

se dvěma krystaly Θ = 2ΘB

Charakteristickeacute uacutehly ovlivňujiacuteciacute šiacuteřku linkyφZ ndash uacutehel pod niacutemž je vidět zdrojφK ndash uacutehel pod niacutemž je vidět štěrbina kolimaacutetoru φC ndash uacutehel pološiacuteřky difrakčniacute linky

ΘB ndash Braggův uacutehelUacutehlovaacute pološiacuteřka φ intenzity pak je(pro maleacute hodnoty všech uacutehlů v radiaacutenech)

φ2 asymp φZ2 + φK

2 + φC2

Přiacuteklad přesnosti měřeniacute 169Yb rarr 169Tm linka 63 keV ndash E = 6312080(16) keVNutno započiacutetat vliv odrazu při vyzaacuteřeniacute fotonu a přesnosti určeniacute energetickyacutech standardů

Detektor

Krystalovaacutemřiacutež

Zdroj Kolimaacutetor

φK

φZ φC

ΘB

REE

EkonstEEkonst

~

R ndash uacutehloveacute rozlišeniacute

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15

Detekčniacute uacutečinnost ndash poměr mezi počtem čaacutestic vyzaacuteřenyacutech zdrojem a detekovanyacutech detektorem ndash absolutniacute uacutečinnost Ta se sklaacutedaacute z vnitřniacute uacutečinnosti εVNI a geometrickeacute uacutečinnosti (akceptance) εGEO ε = εVNIεGEO Standard ndash linka 1332 keV 60Co Udaacutevaacute se i relativně ndash detektor vůči standardniacutemu (např NaI(Tl) o rozměru 762762 cm) v zadaneacute geometrii ( - vzdaacutelenost 25 cm) εNaI = 012

Poměr mezi piacutekem a comptonovskyacutem pozadiacutem - pro detektory zaacuteřeniacute gama ndash poměr mezi maximaacutelniacute amplitudou v piacuteku 1332 keV a středniacute hodnotou v oblasti 1040 ndash 1096 keV Energetickeacute rozlišeniacute ndash nejmenšiacute rozlišitelnyacute rozdiacutel energie ΔE mezi dvěma bliacutezkyacutemi energiemi Monoenergetickyacute svazek rarr ideaacutelně δ-funkce ndash reaacutelně piacutek s konečnou šiacuteřkou (většinou maacute Gaussův tvar Rozlišeniacute se většinou udaacutevaacute ve formě pološiacuteřky ndash FWHM) Udaacutevaacute se relativniacute rozlišeniacute ΔEE v [] odchylku od Gaussova tvaru udaacutevaacute FWTM ndash šiacuteřka v 110 vyacutešky FWFM ndash šiacuteřka v 150 vyacutešky Gauss FWTMFWHM = 182 FWFMFWHM = 238 I jinaacute rozděleniacute asymetrie elektrostatickyacute spektrometr ndash Lorentzův tvar

Detektor pohlcujiacuteciacute čaacutest energie

Detektor pohlcujiacuteciacute celkovovou energii (fotonoveacute detektory)

Ionizace a deexcitace ndash Poissonovo rozděleniacute rarr standardniacute odchylka

Počet vzniklyacutech nosičů naacuteboje fotonů hellip

(Platiacute pro scintilačniacute polovodičoveacute plynoveacute detektory)

SeEN

N

Kde eS je středniacute energie potřebnaacute na vznik nosiče naacuteboje nebo fotonu

Vztah mezi FWHM a σ pro Gaussovu křivku FWHM = 235 σ

Velikost pološiacuteřky ndash energetickeacuteho rozlišeniacute

Deponovanaacute energie E volně fluktuuje rarr platiacute Poissonovo rozděleniacute

Deponovanaacute energie je fixniacute konečnaacute hodnota rarr neplatiacute Poisson opravu zavedl Fano

kde F ndash korekce Fano

SsS

S eEeeEeNFWHME 352352352

NF SeEFFWHME 352

Relativniacute energetickeacute rozlišeniacute EEeF

EER S 1~352

Časoveacute rozlišeniacute ndash nejmenšiacute rozlišitelnyacute rozdiacutel časů ndash definice podobneacute jako u energie

Draacutehoveacute rozlišeniacute ndash nejmenšiacute rozlišitelnyacute rozdiacutel v draacuteze ndash definice obdobnaacute jako u předchoziacutech

Velikost pološiacuteřky ovlivňujiacute i dalšiacute faktory pohlceniacute nosičů naacuteboje fotonů vlastnosti elektroniky hellipPokud jsou přiacutespěvky nezaacutevisleacute (ΔE)2 = (ΔETN)2 + (ΔEPN)2 + (ΔEELEK)2 + hellip

Srovnaacuteniacute absolutniacuteho a relativniacuteho rozlišeniacute pro scintilačniacute a polovodičoveacute detektory

Ukaacutezka zhoršeniacute HPGE detektorů sondy INTEGRAL po ozaacuteřeniacute (zprava AThevenina)

Odolnost proti radiačniacutemu poškozeniacute ndash radiačniacute ozaacuteřeniacute rarr poškozeniacute poškozeniacute krystaloveacute mřiacuteže poruchy meacuteně citliveacute ndash kapalneacute a plynneacute detektory viacutece citliveacute ndash scintilačniacute a hlavně polovodičoveacute detektory

Křivka po ozaacuteřeniacute

Gaussova křivka před ozaacuteřeniacutem

Při experimentech na urychlovačiacutechpracujiacute detektory v silneacutem radiačniacutem poli

Někdy dochaacuteziacute k postupneacute regeneraci u HPGe detektoru lze detektor regenerovat při ohřaacutetiacute

Scintilačniacute detektoryScintilačniacute detektor 1) Scintilator 2) Fotonaacutesobič + antimagnetickeacute stiacuteněniacute (nebo fotodioda) 3) Dělič

Průchod ionizujiacuteciacuteho zaacuteřeniacute rarr excitace atomu a molekuldeexcitace rarr energie rarr produkce světla - luminiscence

Informace 1) Energie 2) Čas ndash jsou rychleacute 3) Identifikace čaacutestice z tvaru pulsu

Fluorescence ndash rychlaacute konverze energie na světlo 10-8sFosforoscence - zpožděnaacute konverze energie na světlo μs ndash dny ndash většiacute λ

Vlastnosti fotonaacutesobičů fotodiodlavinovyacutech fotodiod ndash viz literatura

Vybiacutejeniacute lze popsat exponenciaacutelniacutem vybiacutejeniacutem

R

t

eNN

0

PR

tt

eBeAN

jednosložkoveacute

dvojsložkoveacute

τR ndash rychlejšiacute složka τP ndash pomalejšiacute složka

Požadavky na scintilator

1) Vysokaacute efektivita konverze excitačniacute energie na fluorescenčniacute světlo2) Konverze by měla byacutet lineaacuterniacute3) Průhlednost pro fluorescenčniacute světlo (v jineacute oblasti spektra emituje a absorbuje světlo4) Fluorescenčniacute spektrum vhodneacute pro fotonaacutesobiče5) Kraacutetkaacute rozpadovaacute konstanta 6) Musiacute miacutet dobreacute optickeacute vlastnosti a musiacute byacutet opracovatelnyacute7) Index lomu musiacute byacutet bliacutezkyacute n = 15 (sklo) ndash dobryacute přestup světla do FN

Přiacuteklad tvaru signaacutelu u dvojsložkoveacuteho scintilaacutetoru

ρ [gcm3] eS [eV] τ [ns]Anthracen ~08 60 30Plastik (NE111) ~12 100 17NaI 367 26 230CsI 451 19 1000 (05 rychlaacute)BGO 713 130 300BaF2 489 100 600 (06 rychlaacute)PbWO4 828 4000 5-15 CeF3 616 250 25

Organickeacute scintilaacutetory 1) Organickeacute krystaly ndash antraceacuten stylbeacuten 2) Tekuteacute organickeacute scintilaacutetory velmi odolneacute proti radiačniacutemu poškozeniacute měřenaacute radioaktivniacute laacutetka může byacutet součaacutestiacute 3) Plastickeacute scintilaacutetory ndash velmi rychleacute τ ~ 2 ns NE111 τNaacuteběžnaacute hrana = 02 ns a τ = 17 ns niacutezkeacute Z rarr maleacute σ pro fotoefekt převažuje comptonův rozptyl přidaacuteniacute přiacuteměsi těžkyacutech prvků (Pb) rarr zvětšeniacute fotopiacuteku zmenšeniacute světelneacuteho vyacutestupu

Anorganickeacute scintilaacutetory Jsou pomalejšiacute většiacute Z rarr vhodnějšiacute pro zaacuteřeniacute gama CsI(Tl) NaI(Tl) (je hygroskopickyacute) BGO (Bi4Ge3O12) BaF2PbWO4

BGO BaF2 PbWO4 velmi vhodneacute pro vysokoenergetickeacute gama BaF2 velmi rychlyacute (rychlaacute komponenta) dvě komponenty

Fano koeficient je pro scintilaacutetory F ~ 1

Limitniacute teoretickeacute rozlišeniacute bezzapočteniacute vlivu elektroniky a vychytaacutevaacuteniacute nosičů naacuteboje

Krystal PbWO4 vysokoenergetickeacuteho fotonoveacuteho spektrometru projektu ALICEmodraacute λ= 420 nm a zelenaacute λ= 480-520 nm

BaF2 krystaly fotonoveacuteho spektrometru TAPSultrafialoveacute komponenty λ=220nm a λ=310 nm

TA

PS a

AL

ICE

pre

zent

ovan

eacute fo

tom

ater

iaacutely

Polovodičoveacute detektoryVelmi časteacute HPGe (dřiacuteve Ge(Li)) ndash potřebujiacute chlazeniacute tekutyacutem dusiacutekem Si ndash pro niacutezkoenergetickou oblast

Novějšiacute a zatiacutem speciaacutelnějšiacute CdTe HgI2 CdZnTe (CZT) ndash zatiacutem takeacute pro niacutezkeacute energie neniacute třeba chladit eS ~ 44 eV

Ge Si ndash čtyři valenčniacute elektrony ndash uvolněniacute elektronu (jeho převedeniacute z valenčniacuteho do vodiveacuteho paacutesu) rarr vznikaacute diacutera a volnyacute elektron

Přiacuteměs s 3 valenčniacutemi elektrony ndash přiacutejemce elektronů rarr převaha děr rarr polovodič typu pPřiacuteměs s 5 valenčniacutemi elektrony ndash daacuterce elektronů rarr převaha elektronurarr polovodič typu n

Ge(Li) detektor ndash 1012 atomů přiacuteměsiacute na cm3

HPGe ndash 109 atomů přiacuteměsiacute na cm3

Zabraacuteněniacute tepelneacute produkci paacuterů diacutera a elektron rarr teplota 77 K

Zaacutechyt a rekombinace na poruchaacutech a přiacuteměsiacutech

HPGe detektor umiacutestěnyacute do stiacuteniacuteciacuteho olověneacuteho boxu

straacute

nky

W W

estm

aier

při T=77 K Si GeZ 14 32atomovaacute hmotnost 2809 7260hustota ρ [gcm3] 233 533energetickaacute mezera [eV] 11 07pohyblivost elektronů μe[ 104cm2Vs] 21 36pohyblivost děr μd [104cm2Vs] 11 42eS [eV] 376 296Fano koeficient F ~ 009 ndash 012 ~ 006 ndash 013

Zaacutekladniacute vlastnosti polovodičů

Pozičně citliveacute HPGe segmentovaneacutedetektory jsou vyviacutejeny v LLNL (Kalifornskaacute universita) jejich WWW

ve = μeE vd = μdE

Napětiacute na detektoru přes 1000 V

Maleacute pulsy rarr nutnost předzesilovače

detektor rarr předzesilovač rarr zesilovač rarr ADC rarr analyzaacutetor počiacutetač

Technickeacute podrobnosti ndash viz doporučenaacute literatura

Parametry pro linku 60Co 1332 keV

Relativniacute efektivita ku standardu (NaI(Tl)) 10 ndash 70 (εNaI = 012 εGEO ~ 058 εVNI ~ 20 )

piacutekcompton 130 až 160

Rozlišeniacute FWHM 17 ndash 23

Tvar piacuteku FWTMFWHM ~20 (Gauss 182) FWFMFWHM 265 ndash 300 (Gauss 238)

Limitniacute teoretickeacute rozlišeniacute bezzapočteniacute vlivu elektroniky a vychytaacutevaacuteniacute nosičů naacuteboje

Přesnost měřeniacute až jednotky eV

ΔEΣ2 = ΔETN

2 + ΔEELEK2 + ΔEPN

2

Niacutezkeacute energie ndash Si a tenkeacute HPGe detektory berylioveacute okeacutenkoVysokeacute energie - HPGe s velkyacutem objemem hliniacutekoveacute okeacutenko

delšiacute (6 μs) nebo kratšiacute (2 - 4 μs) časovaacute konstantau zesilovače

ΔETN ndash vnitřniacute neurčitost (tvorby nosičů)ΔEELEK ndash neurčitost danaacute elektronikouΔEPN ndash neurčitost danaacute rekombinaciacute a zaacutechytem elektronů a děr

Obrovskeacute rozšiacuteřeniacute v praxi rarrřada komerčně vyraacuteběnyacutech typů a modelů STN eEFFWHME 352

Krystal difrakčniacute spektrometrySklaacutedajiacute se z 1) destičky z krystalu (křemennyacute krystal kalcit) 2) detektoru rentgenovskeacuteho a gama zaacuteřeniacute

Různeacute geometrie krystalu Rovneacute krystaly Ohnuteacute krystaly

Různeacute konfigurace s jedniacutem krystalem Θ = ΘB

se dvěma krystaly Θ = 2ΘB

Charakteristickeacute uacutehly ovlivňujiacuteciacute šiacuteřku linkyφZ ndash uacutehel pod niacutemž je vidět zdrojφK ndash uacutehel pod niacutemž je vidět štěrbina kolimaacutetoru φC ndash uacutehel pološiacuteřky difrakčniacute linky

ΘB ndash Braggův uacutehelUacutehlovaacute pološiacuteřka φ intenzity pak je(pro maleacute hodnoty všech uacutehlů v radiaacutenech)

φ2 asymp φZ2 + φK

2 + φC2

Přiacuteklad přesnosti měřeniacute 169Yb rarr 169Tm linka 63 keV ndash E = 6312080(16) keVNutno započiacutetat vliv odrazu při vyzaacuteřeniacute fotonu a přesnosti určeniacute energetickyacutech standardů

Detektor

Krystalovaacutemřiacutež

Zdroj Kolimaacutetor

φK

φZ φC

ΘB

REE

EkonstEEkonst

~

R ndash uacutehloveacute rozlišeniacute

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15

Detektor pohlcujiacuteciacute čaacutest energie

Detektor pohlcujiacuteciacute celkovovou energii (fotonoveacute detektory)

Ionizace a deexcitace ndash Poissonovo rozděleniacute rarr standardniacute odchylka

Počet vzniklyacutech nosičů naacuteboje fotonů hellip

(Platiacute pro scintilačniacute polovodičoveacute plynoveacute detektory)

SeEN

N

Kde eS je středniacute energie potřebnaacute na vznik nosiče naacuteboje nebo fotonu

Vztah mezi FWHM a σ pro Gaussovu křivku FWHM = 235 σ

Velikost pološiacuteřky ndash energetickeacuteho rozlišeniacute

Deponovanaacute energie E volně fluktuuje rarr platiacute Poissonovo rozděleniacute

Deponovanaacute energie je fixniacute konečnaacute hodnota rarr neplatiacute Poisson opravu zavedl Fano

kde F ndash korekce Fano

SsS

S eEeeEeNFWHME 352352352

NF SeEFFWHME 352

Relativniacute energetickeacute rozlišeniacute EEeF

EER S 1~352

Časoveacute rozlišeniacute ndash nejmenšiacute rozlišitelnyacute rozdiacutel časů ndash definice podobneacute jako u energie

Draacutehoveacute rozlišeniacute ndash nejmenšiacute rozlišitelnyacute rozdiacutel v draacuteze ndash definice obdobnaacute jako u předchoziacutech

Velikost pološiacuteřky ovlivňujiacute i dalšiacute faktory pohlceniacute nosičů naacuteboje fotonů vlastnosti elektroniky hellipPokud jsou přiacutespěvky nezaacutevisleacute (ΔE)2 = (ΔETN)2 + (ΔEPN)2 + (ΔEELEK)2 + hellip

Srovnaacuteniacute absolutniacuteho a relativniacuteho rozlišeniacute pro scintilačniacute a polovodičoveacute detektory

Ukaacutezka zhoršeniacute HPGE detektorů sondy INTEGRAL po ozaacuteřeniacute (zprava AThevenina)

Odolnost proti radiačniacutemu poškozeniacute ndash radiačniacute ozaacuteřeniacute rarr poškozeniacute poškozeniacute krystaloveacute mřiacuteže poruchy meacuteně citliveacute ndash kapalneacute a plynneacute detektory viacutece citliveacute ndash scintilačniacute a hlavně polovodičoveacute detektory

Křivka po ozaacuteřeniacute

Gaussova křivka před ozaacuteřeniacutem

Při experimentech na urychlovačiacutechpracujiacute detektory v silneacutem radiačniacutem poli

Někdy dochaacuteziacute k postupneacute regeneraci u HPGe detektoru lze detektor regenerovat při ohřaacutetiacute

Scintilačniacute detektoryScintilačniacute detektor 1) Scintilator 2) Fotonaacutesobič + antimagnetickeacute stiacuteněniacute (nebo fotodioda) 3) Dělič

Průchod ionizujiacuteciacuteho zaacuteřeniacute rarr excitace atomu a molekuldeexcitace rarr energie rarr produkce světla - luminiscence

Informace 1) Energie 2) Čas ndash jsou rychleacute 3) Identifikace čaacutestice z tvaru pulsu

Fluorescence ndash rychlaacute konverze energie na světlo 10-8sFosforoscence - zpožděnaacute konverze energie na světlo μs ndash dny ndash většiacute λ

Vlastnosti fotonaacutesobičů fotodiodlavinovyacutech fotodiod ndash viz literatura

Vybiacutejeniacute lze popsat exponenciaacutelniacutem vybiacutejeniacutem

R

t

eNN

0

PR

tt

eBeAN

jednosložkoveacute

dvojsložkoveacute

τR ndash rychlejšiacute složka τP ndash pomalejšiacute složka

Požadavky na scintilator

1) Vysokaacute efektivita konverze excitačniacute energie na fluorescenčniacute světlo2) Konverze by měla byacutet lineaacuterniacute3) Průhlednost pro fluorescenčniacute světlo (v jineacute oblasti spektra emituje a absorbuje světlo4) Fluorescenčniacute spektrum vhodneacute pro fotonaacutesobiče5) Kraacutetkaacute rozpadovaacute konstanta 6) Musiacute miacutet dobreacute optickeacute vlastnosti a musiacute byacutet opracovatelnyacute7) Index lomu musiacute byacutet bliacutezkyacute n = 15 (sklo) ndash dobryacute přestup světla do FN

Přiacuteklad tvaru signaacutelu u dvojsložkoveacuteho scintilaacutetoru

ρ [gcm3] eS [eV] τ [ns]Anthracen ~08 60 30Plastik (NE111) ~12 100 17NaI 367 26 230CsI 451 19 1000 (05 rychlaacute)BGO 713 130 300BaF2 489 100 600 (06 rychlaacute)PbWO4 828 4000 5-15 CeF3 616 250 25

Organickeacute scintilaacutetory 1) Organickeacute krystaly ndash antraceacuten stylbeacuten 2) Tekuteacute organickeacute scintilaacutetory velmi odolneacute proti radiačniacutemu poškozeniacute měřenaacute radioaktivniacute laacutetka může byacutet součaacutestiacute 3) Plastickeacute scintilaacutetory ndash velmi rychleacute τ ~ 2 ns NE111 τNaacuteběžnaacute hrana = 02 ns a τ = 17 ns niacutezkeacute Z rarr maleacute σ pro fotoefekt převažuje comptonův rozptyl přidaacuteniacute přiacuteměsi těžkyacutech prvků (Pb) rarr zvětšeniacute fotopiacuteku zmenšeniacute světelneacuteho vyacutestupu

Anorganickeacute scintilaacutetory Jsou pomalejšiacute většiacute Z rarr vhodnějšiacute pro zaacuteřeniacute gama CsI(Tl) NaI(Tl) (je hygroskopickyacute) BGO (Bi4Ge3O12) BaF2PbWO4

BGO BaF2 PbWO4 velmi vhodneacute pro vysokoenergetickeacute gama BaF2 velmi rychlyacute (rychlaacute komponenta) dvě komponenty

Fano koeficient je pro scintilaacutetory F ~ 1

Limitniacute teoretickeacute rozlišeniacute bezzapočteniacute vlivu elektroniky a vychytaacutevaacuteniacute nosičů naacuteboje

Krystal PbWO4 vysokoenergetickeacuteho fotonoveacuteho spektrometru projektu ALICEmodraacute λ= 420 nm a zelenaacute λ= 480-520 nm

BaF2 krystaly fotonoveacuteho spektrometru TAPSultrafialoveacute komponenty λ=220nm a λ=310 nm

TA

PS a

AL

ICE

pre

zent

ovan

eacute fo

tom

ater

iaacutely

Polovodičoveacute detektoryVelmi časteacute HPGe (dřiacuteve Ge(Li)) ndash potřebujiacute chlazeniacute tekutyacutem dusiacutekem Si ndash pro niacutezkoenergetickou oblast

Novějšiacute a zatiacutem speciaacutelnějšiacute CdTe HgI2 CdZnTe (CZT) ndash zatiacutem takeacute pro niacutezkeacute energie neniacute třeba chladit eS ~ 44 eV

Ge Si ndash čtyři valenčniacute elektrony ndash uvolněniacute elektronu (jeho převedeniacute z valenčniacuteho do vodiveacuteho paacutesu) rarr vznikaacute diacutera a volnyacute elektron

Přiacuteměs s 3 valenčniacutemi elektrony ndash přiacutejemce elektronů rarr převaha děr rarr polovodič typu pPřiacuteměs s 5 valenčniacutemi elektrony ndash daacuterce elektronů rarr převaha elektronurarr polovodič typu n

Ge(Li) detektor ndash 1012 atomů přiacuteměsiacute na cm3

HPGe ndash 109 atomů přiacuteměsiacute na cm3

Zabraacuteněniacute tepelneacute produkci paacuterů diacutera a elektron rarr teplota 77 K

Zaacutechyt a rekombinace na poruchaacutech a přiacuteměsiacutech

HPGe detektor umiacutestěnyacute do stiacuteniacuteciacuteho olověneacuteho boxu

straacute

nky

W W

estm

aier

při T=77 K Si GeZ 14 32atomovaacute hmotnost 2809 7260hustota ρ [gcm3] 233 533energetickaacute mezera [eV] 11 07pohyblivost elektronů μe[ 104cm2Vs] 21 36pohyblivost děr μd [104cm2Vs] 11 42eS [eV] 376 296Fano koeficient F ~ 009 ndash 012 ~ 006 ndash 013

Zaacutekladniacute vlastnosti polovodičů

Pozičně citliveacute HPGe segmentovaneacutedetektory jsou vyviacutejeny v LLNL (Kalifornskaacute universita) jejich WWW

ve = μeE vd = μdE

Napětiacute na detektoru přes 1000 V

Maleacute pulsy rarr nutnost předzesilovače

detektor rarr předzesilovač rarr zesilovač rarr ADC rarr analyzaacutetor počiacutetač

Technickeacute podrobnosti ndash viz doporučenaacute literatura

Parametry pro linku 60Co 1332 keV

Relativniacute efektivita ku standardu (NaI(Tl)) 10 ndash 70 (εNaI = 012 εGEO ~ 058 εVNI ~ 20 )

piacutekcompton 130 až 160

Rozlišeniacute FWHM 17 ndash 23

Tvar piacuteku FWTMFWHM ~20 (Gauss 182) FWFMFWHM 265 ndash 300 (Gauss 238)

Limitniacute teoretickeacute rozlišeniacute bezzapočteniacute vlivu elektroniky a vychytaacutevaacuteniacute nosičů naacuteboje

Přesnost měřeniacute až jednotky eV

ΔEΣ2 = ΔETN

2 + ΔEELEK2 + ΔEPN

2

Niacutezkeacute energie ndash Si a tenkeacute HPGe detektory berylioveacute okeacutenkoVysokeacute energie - HPGe s velkyacutem objemem hliniacutekoveacute okeacutenko

delšiacute (6 μs) nebo kratšiacute (2 - 4 μs) časovaacute konstantau zesilovače

ΔETN ndash vnitřniacute neurčitost (tvorby nosičů)ΔEELEK ndash neurčitost danaacute elektronikouΔEPN ndash neurčitost danaacute rekombinaciacute a zaacutechytem elektronů a děr

Obrovskeacute rozšiacuteřeniacute v praxi rarrřada komerčně vyraacuteběnyacutech typů a modelů STN eEFFWHME 352

Krystal difrakčniacute spektrometrySklaacutedajiacute se z 1) destičky z krystalu (křemennyacute krystal kalcit) 2) detektoru rentgenovskeacuteho a gama zaacuteřeniacute

Různeacute geometrie krystalu Rovneacute krystaly Ohnuteacute krystaly

Různeacute konfigurace s jedniacutem krystalem Θ = ΘB

se dvěma krystaly Θ = 2ΘB

Charakteristickeacute uacutehly ovlivňujiacuteciacute šiacuteřku linkyφZ ndash uacutehel pod niacutemž je vidět zdrojφK ndash uacutehel pod niacutemž je vidět štěrbina kolimaacutetoru φC ndash uacutehel pološiacuteřky difrakčniacute linky

ΘB ndash Braggův uacutehelUacutehlovaacute pološiacuteřka φ intenzity pak je(pro maleacute hodnoty všech uacutehlů v radiaacutenech)

φ2 asymp φZ2 + φK

2 + φC2

Přiacuteklad přesnosti měřeniacute 169Yb rarr 169Tm linka 63 keV ndash E = 6312080(16) keVNutno započiacutetat vliv odrazu při vyzaacuteřeniacute fotonu a přesnosti určeniacute energetickyacutech standardů

Detektor

Krystalovaacutemřiacutež

Zdroj Kolimaacutetor

φK

φZ φC

ΘB

REE

EkonstEEkonst

~

R ndash uacutehloveacute rozlišeniacute

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15

Časoveacute rozlišeniacute ndash nejmenšiacute rozlišitelnyacute rozdiacutel časů ndash definice podobneacute jako u energie

Draacutehoveacute rozlišeniacute ndash nejmenšiacute rozlišitelnyacute rozdiacutel v draacuteze ndash definice obdobnaacute jako u předchoziacutech

Velikost pološiacuteřky ovlivňujiacute i dalšiacute faktory pohlceniacute nosičů naacuteboje fotonů vlastnosti elektroniky hellipPokud jsou přiacutespěvky nezaacutevisleacute (ΔE)2 = (ΔETN)2 + (ΔEPN)2 + (ΔEELEK)2 + hellip

Srovnaacuteniacute absolutniacuteho a relativniacuteho rozlišeniacute pro scintilačniacute a polovodičoveacute detektory

Ukaacutezka zhoršeniacute HPGE detektorů sondy INTEGRAL po ozaacuteřeniacute (zprava AThevenina)

Odolnost proti radiačniacutemu poškozeniacute ndash radiačniacute ozaacuteřeniacute rarr poškozeniacute poškozeniacute krystaloveacute mřiacuteže poruchy meacuteně citliveacute ndash kapalneacute a plynneacute detektory viacutece citliveacute ndash scintilačniacute a hlavně polovodičoveacute detektory

Křivka po ozaacuteřeniacute

Gaussova křivka před ozaacuteřeniacutem

Při experimentech na urychlovačiacutechpracujiacute detektory v silneacutem radiačniacutem poli

Někdy dochaacuteziacute k postupneacute regeneraci u HPGe detektoru lze detektor regenerovat při ohřaacutetiacute

Scintilačniacute detektoryScintilačniacute detektor 1) Scintilator 2) Fotonaacutesobič + antimagnetickeacute stiacuteněniacute (nebo fotodioda) 3) Dělič

Průchod ionizujiacuteciacuteho zaacuteřeniacute rarr excitace atomu a molekuldeexcitace rarr energie rarr produkce světla - luminiscence

Informace 1) Energie 2) Čas ndash jsou rychleacute 3) Identifikace čaacutestice z tvaru pulsu

Fluorescence ndash rychlaacute konverze energie na světlo 10-8sFosforoscence - zpožděnaacute konverze energie na světlo μs ndash dny ndash většiacute λ

Vlastnosti fotonaacutesobičů fotodiodlavinovyacutech fotodiod ndash viz literatura

Vybiacutejeniacute lze popsat exponenciaacutelniacutem vybiacutejeniacutem

R

t

eNN

0

PR

tt

eBeAN

jednosložkoveacute

dvojsložkoveacute

τR ndash rychlejšiacute složka τP ndash pomalejšiacute složka

Požadavky na scintilator

1) Vysokaacute efektivita konverze excitačniacute energie na fluorescenčniacute světlo2) Konverze by měla byacutet lineaacuterniacute3) Průhlednost pro fluorescenčniacute světlo (v jineacute oblasti spektra emituje a absorbuje světlo4) Fluorescenčniacute spektrum vhodneacute pro fotonaacutesobiče5) Kraacutetkaacute rozpadovaacute konstanta 6) Musiacute miacutet dobreacute optickeacute vlastnosti a musiacute byacutet opracovatelnyacute7) Index lomu musiacute byacutet bliacutezkyacute n = 15 (sklo) ndash dobryacute přestup světla do FN

Přiacuteklad tvaru signaacutelu u dvojsložkoveacuteho scintilaacutetoru

ρ [gcm3] eS [eV] τ [ns]Anthracen ~08 60 30Plastik (NE111) ~12 100 17NaI 367 26 230CsI 451 19 1000 (05 rychlaacute)BGO 713 130 300BaF2 489 100 600 (06 rychlaacute)PbWO4 828 4000 5-15 CeF3 616 250 25

Organickeacute scintilaacutetory 1) Organickeacute krystaly ndash antraceacuten stylbeacuten 2) Tekuteacute organickeacute scintilaacutetory velmi odolneacute proti radiačniacutemu poškozeniacute měřenaacute radioaktivniacute laacutetka může byacutet součaacutestiacute 3) Plastickeacute scintilaacutetory ndash velmi rychleacute τ ~ 2 ns NE111 τNaacuteběžnaacute hrana = 02 ns a τ = 17 ns niacutezkeacute Z rarr maleacute σ pro fotoefekt převažuje comptonův rozptyl přidaacuteniacute přiacuteměsi těžkyacutech prvků (Pb) rarr zvětšeniacute fotopiacuteku zmenšeniacute světelneacuteho vyacutestupu

Anorganickeacute scintilaacutetory Jsou pomalejšiacute většiacute Z rarr vhodnějšiacute pro zaacuteřeniacute gama CsI(Tl) NaI(Tl) (je hygroskopickyacute) BGO (Bi4Ge3O12) BaF2PbWO4

BGO BaF2 PbWO4 velmi vhodneacute pro vysokoenergetickeacute gama BaF2 velmi rychlyacute (rychlaacute komponenta) dvě komponenty

Fano koeficient je pro scintilaacutetory F ~ 1

Limitniacute teoretickeacute rozlišeniacute bezzapočteniacute vlivu elektroniky a vychytaacutevaacuteniacute nosičů naacuteboje

Krystal PbWO4 vysokoenergetickeacuteho fotonoveacuteho spektrometru projektu ALICEmodraacute λ= 420 nm a zelenaacute λ= 480-520 nm

BaF2 krystaly fotonoveacuteho spektrometru TAPSultrafialoveacute komponenty λ=220nm a λ=310 nm

TA

PS a

AL

ICE

pre

zent

ovan

eacute fo

tom

ater

iaacutely

Polovodičoveacute detektoryVelmi časteacute HPGe (dřiacuteve Ge(Li)) ndash potřebujiacute chlazeniacute tekutyacutem dusiacutekem Si ndash pro niacutezkoenergetickou oblast

Novějšiacute a zatiacutem speciaacutelnějšiacute CdTe HgI2 CdZnTe (CZT) ndash zatiacutem takeacute pro niacutezkeacute energie neniacute třeba chladit eS ~ 44 eV

Ge Si ndash čtyři valenčniacute elektrony ndash uvolněniacute elektronu (jeho převedeniacute z valenčniacuteho do vodiveacuteho paacutesu) rarr vznikaacute diacutera a volnyacute elektron

Přiacuteměs s 3 valenčniacutemi elektrony ndash přiacutejemce elektronů rarr převaha děr rarr polovodič typu pPřiacuteměs s 5 valenčniacutemi elektrony ndash daacuterce elektronů rarr převaha elektronurarr polovodič typu n

Ge(Li) detektor ndash 1012 atomů přiacuteměsiacute na cm3

HPGe ndash 109 atomů přiacuteměsiacute na cm3

Zabraacuteněniacute tepelneacute produkci paacuterů diacutera a elektron rarr teplota 77 K

Zaacutechyt a rekombinace na poruchaacutech a přiacuteměsiacutech

HPGe detektor umiacutestěnyacute do stiacuteniacuteciacuteho olověneacuteho boxu

straacute

nky

W W

estm

aier

při T=77 K Si GeZ 14 32atomovaacute hmotnost 2809 7260hustota ρ [gcm3] 233 533energetickaacute mezera [eV] 11 07pohyblivost elektronů μe[ 104cm2Vs] 21 36pohyblivost děr μd [104cm2Vs] 11 42eS [eV] 376 296Fano koeficient F ~ 009 ndash 012 ~ 006 ndash 013

Zaacutekladniacute vlastnosti polovodičů

Pozičně citliveacute HPGe segmentovaneacutedetektory jsou vyviacutejeny v LLNL (Kalifornskaacute universita) jejich WWW

ve = μeE vd = μdE

Napětiacute na detektoru přes 1000 V

Maleacute pulsy rarr nutnost předzesilovače

detektor rarr předzesilovač rarr zesilovač rarr ADC rarr analyzaacutetor počiacutetač

Technickeacute podrobnosti ndash viz doporučenaacute literatura

Parametry pro linku 60Co 1332 keV

Relativniacute efektivita ku standardu (NaI(Tl)) 10 ndash 70 (εNaI = 012 εGEO ~ 058 εVNI ~ 20 )

piacutekcompton 130 až 160

Rozlišeniacute FWHM 17 ndash 23

Tvar piacuteku FWTMFWHM ~20 (Gauss 182) FWFMFWHM 265 ndash 300 (Gauss 238)

Limitniacute teoretickeacute rozlišeniacute bezzapočteniacute vlivu elektroniky a vychytaacutevaacuteniacute nosičů naacuteboje

Přesnost měřeniacute až jednotky eV

ΔEΣ2 = ΔETN

2 + ΔEELEK2 + ΔEPN

2

Niacutezkeacute energie ndash Si a tenkeacute HPGe detektory berylioveacute okeacutenkoVysokeacute energie - HPGe s velkyacutem objemem hliniacutekoveacute okeacutenko

delšiacute (6 μs) nebo kratšiacute (2 - 4 μs) časovaacute konstantau zesilovače

ΔETN ndash vnitřniacute neurčitost (tvorby nosičů)ΔEELEK ndash neurčitost danaacute elektronikouΔEPN ndash neurčitost danaacute rekombinaciacute a zaacutechytem elektronů a děr

Obrovskeacute rozšiacuteřeniacute v praxi rarrřada komerčně vyraacuteběnyacutech typů a modelů STN eEFFWHME 352

Krystal difrakčniacute spektrometrySklaacutedajiacute se z 1) destičky z krystalu (křemennyacute krystal kalcit) 2) detektoru rentgenovskeacuteho a gama zaacuteřeniacute

Různeacute geometrie krystalu Rovneacute krystaly Ohnuteacute krystaly

Různeacute konfigurace s jedniacutem krystalem Θ = ΘB

se dvěma krystaly Θ = 2ΘB

Charakteristickeacute uacutehly ovlivňujiacuteciacute šiacuteřku linkyφZ ndash uacutehel pod niacutemž je vidět zdrojφK ndash uacutehel pod niacutemž je vidět štěrbina kolimaacutetoru φC ndash uacutehel pološiacuteřky difrakčniacute linky

ΘB ndash Braggův uacutehelUacutehlovaacute pološiacuteřka φ intenzity pak je(pro maleacute hodnoty všech uacutehlů v radiaacutenech)

φ2 asymp φZ2 + φK

2 + φC2

Přiacuteklad přesnosti měřeniacute 169Yb rarr 169Tm linka 63 keV ndash E = 6312080(16) keVNutno započiacutetat vliv odrazu při vyzaacuteřeniacute fotonu a přesnosti určeniacute energetickyacutech standardů

Detektor

Krystalovaacutemřiacutež

Zdroj Kolimaacutetor

φK

φZ φC

ΘB

REE

EkonstEEkonst

~

R ndash uacutehloveacute rozlišeniacute

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15

Ukaacutezka zhoršeniacute HPGE detektorů sondy INTEGRAL po ozaacuteřeniacute (zprava AThevenina)

Odolnost proti radiačniacutemu poškozeniacute ndash radiačniacute ozaacuteřeniacute rarr poškozeniacute poškozeniacute krystaloveacute mřiacuteže poruchy meacuteně citliveacute ndash kapalneacute a plynneacute detektory viacutece citliveacute ndash scintilačniacute a hlavně polovodičoveacute detektory

Křivka po ozaacuteřeniacute

Gaussova křivka před ozaacuteřeniacutem

Při experimentech na urychlovačiacutechpracujiacute detektory v silneacutem radiačniacutem poli

Někdy dochaacuteziacute k postupneacute regeneraci u HPGe detektoru lze detektor regenerovat při ohřaacutetiacute

Scintilačniacute detektoryScintilačniacute detektor 1) Scintilator 2) Fotonaacutesobič + antimagnetickeacute stiacuteněniacute (nebo fotodioda) 3) Dělič

Průchod ionizujiacuteciacuteho zaacuteřeniacute rarr excitace atomu a molekuldeexcitace rarr energie rarr produkce světla - luminiscence

Informace 1) Energie 2) Čas ndash jsou rychleacute 3) Identifikace čaacutestice z tvaru pulsu

Fluorescence ndash rychlaacute konverze energie na světlo 10-8sFosforoscence - zpožděnaacute konverze energie na světlo μs ndash dny ndash většiacute λ

Vlastnosti fotonaacutesobičů fotodiodlavinovyacutech fotodiod ndash viz literatura

Vybiacutejeniacute lze popsat exponenciaacutelniacutem vybiacutejeniacutem

R

t

eNN

0

PR

tt

eBeAN

jednosložkoveacute

dvojsložkoveacute

τR ndash rychlejšiacute složka τP ndash pomalejšiacute složka

Požadavky na scintilator

1) Vysokaacute efektivita konverze excitačniacute energie na fluorescenčniacute světlo2) Konverze by měla byacutet lineaacuterniacute3) Průhlednost pro fluorescenčniacute světlo (v jineacute oblasti spektra emituje a absorbuje světlo4) Fluorescenčniacute spektrum vhodneacute pro fotonaacutesobiče5) Kraacutetkaacute rozpadovaacute konstanta 6) Musiacute miacutet dobreacute optickeacute vlastnosti a musiacute byacutet opracovatelnyacute7) Index lomu musiacute byacutet bliacutezkyacute n = 15 (sklo) ndash dobryacute přestup světla do FN

Přiacuteklad tvaru signaacutelu u dvojsložkoveacuteho scintilaacutetoru

ρ [gcm3] eS [eV] τ [ns]Anthracen ~08 60 30Plastik (NE111) ~12 100 17NaI 367 26 230CsI 451 19 1000 (05 rychlaacute)BGO 713 130 300BaF2 489 100 600 (06 rychlaacute)PbWO4 828 4000 5-15 CeF3 616 250 25

Organickeacute scintilaacutetory 1) Organickeacute krystaly ndash antraceacuten stylbeacuten 2) Tekuteacute organickeacute scintilaacutetory velmi odolneacute proti radiačniacutemu poškozeniacute měřenaacute radioaktivniacute laacutetka může byacutet součaacutestiacute 3) Plastickeacute scintilaacutetory ndash velmi rychleacute τ ~ 2 ns NE111 τNaacuteběžnaacute hrana = 02 ns a τ = 17 ns niacutezkeacute Z rarr maleacute σ pro fotoefekt převažuje comptonův rozptyl přidaacuteniacute přiacuteměsi těžkyacutech prvků (Pb) rarr zvětšeniacute fotopiacuteku zmenšeniacute světelneacuteho vyacutestupu

Anorganickeacute scintilaacutetory Jsou pomalejšiacute většiacute Z rarr vhodnějšiacute pro zaacuteřeniacute gama CsI(Tl) NaI(Tl) (je hygroskopickyacute) BGO (Bi4Ge3O12) BaF2PbWO4

BGO BaF2 PbWO4 velmi vhodneacute pro vysokoenergetickeacute gama BaF2 velmi rychlyacute (rychlaacute komponenta) dvě komponenty

Fano koeficient je pro scintilaacutetory F ~ 1

Limitniacute teoretickeacute rozlišeniacute bezzapočteniacute vlivu elektroniky a vychytaacutevaacuteniacute nosičů naacuteboje

Krystal PbWO4 vysokoenergetickeacuteho fotonoveacuteho spektrometru projektu ALICEmodraacute λ= 420 nm a zelenaacute λ= 480-520 nm

BaF2 krystaly fotonoveacuteho spektrometru TAPSultrafialoveacute komponenty λ=220nm a λ=310 nm

TA

PS a

AL

ICE

pre

zent

ovan

eacute fo

tom

ater

iaacutely

Polovodičoveacute detektoryVelmi časteacute HPGe (dřiacuteve Ge(Li)) ndash potřebujiacute chlazeniacute tekutyacutem dusiacutekem Si ndash pro niacutezkoenergetickou oblast

Novějšiacute a zatiacutem speciaacutelnějšiacute CdTe HgI2 CdZnTe (CZT) ndash zatiacutem takeacute pro niacutezkeacute energie neniacute třeba chladit eS ~ 44 eV

Ge Si ndash čtyři valenčniacute elektrony ndash uvolněniacute elektronu (jeho převedeniacute z valenčniacuteho do vodiveacuteho paacutesu) rarr vznikaacute diacutera a volnyacute elektron

Přiacuteměs s 3 valenčniacutemi elektrony ndash přiacutejemce elektronů rarr převaha děr rarr polovodič typu pPřiacuteměs s 5 valenčniacutemi elektrony ndash daacuterce elektronů rarr převaha elektronurarr polovodič typu n

Ge(Li) detektor ndash 1012 atomů přiacuteměsiacute na cm3

HPGe ndash 109 atomů přiacuteměsiacute na cm3

Zabraacuteněniacute tepelneacute produkci paacuterů diacutera a elektron rarr teplota 77 K

Zaacutechyt a rekombinace na poruchaacutech a přiacuteměsiacutech

HPGe detektor umiacutestěnyacute do stiacuteniacuteciacuteho olověneacuteho boxu

straacute

nky

W W

estm

aier

při T=77 K Si GeZ 14 32atomovaacute hmotnost 2809 7260hustota ρ [gcm3] 233 533energetickaacute mezera [eV] 11 07pohyblivost elektronů μe[ 104cm2Vs] 21 36pohyblivost děr μd [104cm2Vs] 11 42eS [eV] 376 296Fano koeficient F ~ 009 ndash 012 ~ 006 ndash 013

Zaacutekladniacute vlastnosti polovodičů

Pozičně citliveacute HPGe segmentovaneacutedetektory jsou vyviacutejeny v LLNL (Kalifornskaacute universita) jejich WWW

ve = μeE vd = μdE

Napětiacute na detektoru přes 1000 V

Maleacute pulsy rarr nutnost předzesilovače

detektor rarr předzesilovač rarr zesilovač rarr ADC rarr analyzaacutetor počiacutetač

Technickeacute podrobnosti ndash viz doporučenaacute literatura

Parametry pro linku 60Co 1332 keV

Relativniacute efektivita ku standardu (NaI(Tl)) 10 ndash 70 (εNaI = 012 εGEO ~ 058 εVNI ~ 20 )

piacutekcompton 130 až 160

Rozlišeniacute FWHM 17 ndash 23

Tvar piacuteku FWTMFWHM ~20 (Gauss 182) FWFMFWHM 265 ndash 300 (Gauss 238)

Limitniacute teoretickeacute rozlišeniacute bezzapočteniacute vlivu elektroniky a vychytaacutevaacuteniacute nosičů naacuteboje

Přesnost měřeniacute až jednotky eV

ΔEΣ2 = ΔETN

2 + ΔEELEK2 + ΔEPN

2

Niacutezkeacute energie ndash Si a tenkeacute HPGe detektory berylioveacute okeacutenkoVysokeacute energie - HPGe s velkyacutem objemem hliniacutekoveacute okeacutenko

delšiacute (6 μs) nebo kratšiacute (2 - 4 μs) časovaacute konstantau zesilovače

ΔETN ndash vnitřniacute neurčitost (tvorby nosičů)ΔEELEK ndash neurčitost danaacute elektronikouΔEPN ndash neurčitost danaacute rekombinaciacute a zaacutechytem elektronů a děr

Obrovskeacute rozšiacuteřeniacute v praxi rarrřada komerčně vyraacuteběnyacutech typů a modelů STN eEFFWHME 352

Krystal difrakčniacute spektrometrySklaacutedajiacute se z 1) destičky z krystalu (křemennyacute krystal kalcit) 2) detektoru rentgenovskeacuteho a gama zaacuteřeniacute

Různeacute geometrie krystalu Rovneacute krystaly Ohnuteacute krystaly

Různeacute konfigurace s jedniacutem krystalem Θ = ΘB

se dvěma krystaly Θ = 2ΘB

Charakteristickeacute uacutehly ovlivňujiacuteciacute šiacuteřku linkyφZ ndash uacutehel pod niacutemž je vidět zdrojφK ndash uacutehel pod niacutemž je vidět štěrbina kolimaacutetoru φC ndash uacutehel pološiacuteřky difrakčniacute linky

ΘB ndash Braggův uacutehelUacutehlovaacute pološiacuteřka φ intenzity pak je(pro maleacute hodnoty všech uacutehlů v radiaacutenech)

φ2 asymp φZ2 + φK

2 + φC2

Přiacuteklad přesnosti měřeniacute 169Yb rarr 169Tm linka 63 keV ndash E = 6312080(16) keVNutno započiacutetat vliv odrazu při vyzaacuteřeniacute fotonu a přesnosti určeniacute energetickyacutech standardů

Detektor

Krystalovaacutemřiacutež

Zdroj Kolimaacutetor

φK

φZ φC

ΘB

REE

EkonstEEkonst

~

R ndash uacutehloveacute rozlišeniacute

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15

Scintilačniacute detektoryScintilačniacute detektor 1) Scintilator 2) Fotonaacutesobič + antimagnetickeacute stiacuteněniacute (nebo fotodioda) 3) Dělič

Průchod ionizujiacuteciacuteho zaacuteřeniacute rarr excitace atomu a molekuldeexcitace rarr energie rarr produkce světla - luminiscence

Informace 1) Energie 2) Čas ndash jsou rychleacute 3) Identifikace čaacutestice z tvaru pulsu

Fluorescence ndash rychlaacute konverze energie na světlo 10-8sFosforoscence - zpožděnaacute konverze energie na světlo μs ndash dny ndash většiacute λ

Vlastnosti fotonaacutesobičů fotodiodlavinovyacutech fotodiod ndash viz literatura

Vybiacutejeniacute lze popsat exponenciaacutelniacutem vybiacutejeniacutem

R

t

eNN

0

PR

tt

eBeAN

jednosložkoveacute

dvojsložkoveacute

τR ndash rychlejšiacute složka τP ndash pomalejšiacute složka

Požadavky na scintilator

1) Vysokaacute efektivita konverze excitačniacute energie na fluorescenčniacute světlo2) Konverze by měla byacutet lineaacuterniacute3) Průhlednost pro fluorescenčniacute světlo (v jineacute oblasti spektra emituje a absorbuje světlo4) Fluorescenčniacute spektrum vhodneacute pro fotonaacutesobiče5) Kraacutetkaacute rozpadovaacute konstanta 6) Musiacute miacutet dobreacute optickeacute vlastnosti a musiacute byacutet opracovatelnyacute7) Index lomu musiacute byacutet bliacutezkyacute n = 15 (sklo) ndash dobryacute přestup světla do FN

Přiacuteklad tvaru signaacutelu u dvojsložkoveacuteho scintilaacutetoru

ρ [gcm3] eS [eV] τ [ns]Anthracen ~08 60 30Plastik (NE111) ~12 100 17NaI 367 26 230CsI 451 19 1000 (05 rychlaacute)BGO 713 130 300BaF2 489 100 600 (06 rychlaacute)PbWO4 828 4000 5-15 CeF3 616 250 25

Organickeacute scintilaacutetory 1) Organickeacute krystaly ndash antraceacuten stylbeacuten 2) Tekuteacute organickeacute scintilaacutetory velmi odolneacute proti radiačniacutemu poškozeniacute měřenaacute radioaktivniacute laacutetka může byacutet součaacutestiacute 3) Plastickeacute scintilaacutetory ndash velmi rychleacute τ ~ 2 ns NE111 τNaacuteběžnaacute hrana = 02 ns a τ = 17 ns niacutezkeacute Z rarr maleacute σ pro fotoefekt převažuje comptonův rozptyl přidaacuteniacute přiacuteměsi těžkyacutech prvků (Pb) rarr zvětšeniacute fotopiacuteku zmenšeniacute světelneacuteho vyacutestupu

Anorganickeacute scintilaacutetory Jsou pomalejšiacute většiacute Z rarr vhodnějšiacute pro zaacuteřeniacute gama CsI(Tl) NaI(Tl) (je hygroskopickyacute) BGO (Bi4Ge3O12) BaF2PbWO4

BGO BaF2 PbWO4 velmi vhodneacute pro vysokoenergetickeacute gama BaF2 velmi rychlyacute (rychlaacute komponenta) dvě komponenty

Fano koeficient je pro scintilaacutetory F ~ 1

Limitniacute teoretickeacute rozlišeniacute bezzapočteniacute vlivu elektroniky a vychytaacutevaacuteniacute nosičů naacuteboje

Krystal PbWO4 vysokoenergetickeacuteho fotonoveacuteho spektrometru projektu ALICEmodraacute λ= 420 nm a zelenaacute λ= 480-520 nm

BaF2 krystaly fotonoveacuteho spektrometru TAPSultrafialoveacute komponenty λ=220nm a λ=310 nm

TA

PS a

AL

ICE

pre

zent

ovan

eacute fo

tom

ater

iaacutely

Polovodičoveacute detektoryVelmi časteacute HPGe (dřiacuteve Ge(Li)) ndash potřebujiacute chlazeniacute tekutyacutem dusiacutekem Si ndash pro niacutezkoenergetickou oblast

Novějšiacute a zatiacutem speciaacutelnějšiacute CdTe HgI2 CdZnTe (CZT) ndash zatiacutem takeacute pro niacutezkeacute energie neniacute třeba chladit eS ~ 44 eV

Ge Si ndash čtyři valenčniacute elektrony ndash uvolněniacute elektronu (jeho převedeniacute z valenčniacuteho do vodiveacuteho paacutesu) rarr vznikaacute diacutera a volnyacute elektron

Přiacuteměs s 3 valenčniacutemi elektrony ndash přiacutejemce elektronů rarr převaha děr rarr polovodič typu pPřiacuteměs s 5 valenčniacutemi elektrony ndash daacuterce elektronů rarr převaha elektronurarr polovodič typu n

Ge(Li) detektor ndash 1012 atomů přiacuteměsiacute na cm3

HPGe ndash 109 atomů přiacuteměsiacute na cm3

Zabraacuteněniacute tepelneacute produkci paacuterů diacutera a elektron rarr teplota 77 K

Zaacutechyt a rekombinace na poruchaacutech a přiacuteměsiacutech

HPGe detektor umiacutestěnyacute do stiacuteniacuteciacuteho olověneacuteho boxu

straacute

nky

W W

estm

aier

při T=77 K Si GeZ 14 32atomovaacute hmotnost 2809 7260hustota ρ [gcm3] 233 533energetickaacute mezera [eV] 11 07pohyblivost elektronů μe[ 104cm2Vs] 21 36pohyblivost děr μd [104cm2Vs] 11 42eS [eV] 376 296Fano koeficient F ~ 009 ndash 012 ~ 006 ndash 013

Zaacutekladniacute vlastnosti polovodičů

Pozičně citliveacute HPGe segmentovaneacutedetektory jsou vyviacutejeny v LLNL (Kalifornskaacute universita) jejich WWW

ve = μeE vd = μdE

Napětiacute na detektoru přes 1000 V

Maleacute pulsy rarr nutnost předzesilovače

detektor rarr předzesilovač rarr zesilovač rarr ADC rarr analyzaacutetor počiacutetač

Technickeacute podrobnosti ndash viz doporučenaacute literatura

Parametry pro linku 60Co 1332 keV

Relativniacute efektivita ku standardu (NaI(Tl)) 10 ndash 70 (εNaI = 012 εGEO ~ 058 εVNI ~ 20 )

piacutekcompton 130 až 160

Rozlišeniacute FWHM 17 ndash 23

Tvar piacuteku FWTMFWHM ~20 (Gauss 182) FWFMFWHM 265 ndash 300 (Gauss 238)

Limitniacute teoretickeacute rozlišeniacute bezzapočteniacute vlivu elektroniky a vychytaacutevaacuteniacute nosičů naacuteboje

Přesnost měřeniacute až jednotky eV

ΔEΣ2 = ΔETN

2 + ΔEELEK2 + ΔEPN

2

Niacutezkeacute energie ndash Si a tenkeacute HPGe detektory berylioveacute okeacutenkoVysokeacute energie - HPGe s velkyacutem objemem hliniacutekoveacute okeacutenko

delšiacute (6 μs) nebo kratšiacute (2 - 4 μs) časovaacute konstantau zesilovače

ΔETN ndash vnitřniacute neurčitost (tvorby nosičů)ΔEELEK ndash neurčitost danaacute elektronikouΔEPN ndash neurčitost danaacute rekombinaciacute a zaacutechytem elektronů a děr

Obrovskeacute rozšiacuteřeniacute v praxi rarrřada komerčně vyraacuteběnyacutech typů a modelů STN eEFFWHME 352

Krystal difrakčniacute spektrometrySklaacutedajiacute se z 1) destičky z krystalu (křemennyacute krystal kalcit) 2) detektoru rentgenovskeacuteho a gama zaacuteřeniacute

Různeacute geometrie krystalu Rovneacute krystaly Ohnuteacute krystaly

Různeacute konfigurace s jedniacutem krystalem Θ = ΘB

se dvěma krystaly Θ = 2ΘB

Charakteristickeacute uacutehly ovlivňujiacuteciacute šiacuteřku linkyφZ ndash uacutehel pod niacutemž je vidět zdrojφK ndash uacutehel pod niacutemž je vidět štěrbina kolimaacutetoru φC ndash uacutehel pološiacuteřky difrakčniacute linky

ΘB ndash Braggův uacutehelUacutehlovaacute pološiacuteřka φ intenzity pak je(pro maleacute hodnoty všech uacutehlů v radiaacutenech)

φ2 asymp φZ2 + φK

2 + φC2

Přiacuteklad přesnosti měřeniacute 169Yb rarr 169Tm linka 63 keV ndash E = 6312080(16) keVNutno započiacutetat vliv odrazu při vyzaacuteřeniacute fotonu a přesnosti určeniacute energetickyacutech standardů

Detektor

Krystalovaacutemřiacutež

Zdroj Kolimaacutetor

φK

φZ φC

ΘB

REE

EkonstEEkonst

~

R ndash uacutehloveacute rozlišeniacute

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15

Vybiacutejeniacute lze popsat exponenciaacutelniacutem vybiacutejeniacutem

R

t

eNN

0

PR

tt

eBeAN

jednosložkoveacute

dvojsložkoveacute

τR ndash rychlejšiacute složka τP ndash pomalejšiacute složka

Požadavky na scintilator

1) Vysokaacute efektivita konverze excitačniacute energie na fluorescenčniacute světlo2) Konverze by měla byacutet lineaacuterniacute3) Průhlednost pro fluorescenčniacute světlo (v jineacute oblasti spektra emituje a absorbuje světlo4) Fluorescenčniacute spektrum vhodneacute pro fotonaacutesobiče5) Kraacutetkaacute rozpadovaacute konstanta 6) Musiacute miacutet dobreacute optickeacute vlastnosti a musiacute byacutet opracovatelnyacute7) Index lomu musiacute byacutet bliacutezkyacute n = 15 (sklo) ndash dobryacute přestup světla do FN

Přiacuteklad tvaru signaacutelu u dvojsložkoveacuteho scintilaacutetoru

ρ [gcm3] eS [eV] τ [ns]Anthracen ~08 60 30Plastik (NE111) ~12 100 17NaI 367 26 230CsI 451 19 1000 (05 rychlaacute)BGO 713 130 300BaF2 489 100 600 (06 rychlaacute)PbWO4 828 4000 5-15 CeF3 616 250 25

Organickeacute scintilaacutetory 1) Organickeacute krystaly ndash antraceacuten stylbeacuten 2) Tekuteacute organickeacute scintilaacutetory velmi odolneacute proti radiačniacutemu poškozeniacute měřenaacute radioaktivniacute laacutetka může byacutet součaacutestiacute 3) Plastickeacute scintilaacutetory ndash velmi rychleacute τ ~ 2 ns NE111 τNaacuteběžnaacute hrana = 02 ns a τ = 17 ns niacutezkeacute Z rarr maleacute σ pro fotoefekt převažuje comptonův rozptyl přidaacuteniacute přiacuteměsi těžkyacutech prvků (Pb) rarr zvětšeniacute fotopiacuteku zmenšeniacute světelneacuteho vyacutestupu

Anorganickeacute scintilaacutetory Jsou pomalejšiacute většiacute Z rarr vhodnějšiacute pro zaacuteřeniacute gama CsI(Tl) NaI(Tl) (je hygroskopickyacute) BGO (Bi4Ge3O12) BaF2PbWO4

BGO BaF2 PbWO4 velmi vhodneacute pro vysokoenergetickeacute gama BaF2 velmi rychlyacute (rychlaacute komponenta) dvě komponenty

Fano koeficient je pro scintilaacutetory F ~ 1

Limitniacute teoretickeacute rozlišeniacute bezzapočteniacute vlivu elektroniky a vychytaacutevaacuteniacute nosičů naacuteboje

Krystal PbWO4 vysokoenergetickeacuteho fotonoveacuteho spektrometru projektu ALICEmodraacute λ= 420 nm a zelenaacute λ= 480-520 nm

BaF2 krystaly fotonoveacuteho spektrometru TAPSultrafialoveacute komponenty λ=220nm a λ=310 nm

TA

PS a

AL

ICE

pre

zent

ovan

eacute fo

tom

ater

iaacutely

Polovodičoveacute detektoryVelmi časteacute HPGe (dřiacuteve Ge(Li)) ndash potřebujiacute chlazeniacute tekutyacutem dusiacutekem Si ndash pro niacutezkoenergetickou oblast

Novějšiacute a zatiacutem speciaacutelnějšiacute CdTe HgI2 CdZnTe (CZT) ndash zatiacutem takeacute pro niacutezkeacute energie neniacute třeba chladit eS ~ 44 eV

Ge Si ndash čtyři valenčniacute elektrony ndash uvolněniacute elektronu (jeho převedeniacute z valenčniacuteho do vodiveacuteho paacutesu) rarr vznikaacute diacutera a volnyacute elektron

Přiacuteměs s 3 valenčniacutemi elektrony ndash přiacutejemce elektronů rarr převaha děr rarr polovodič typu pPřiacuteměs s 5 valenčniacutemi elektrony ndash daacuterce elektronů rarr převaha elektronurarr polovodič typu n

Ge(Li) detektor ndash 1012 atomů přiacuteměsiacute na cm3

HPGe ndash 109 atomů přiacuteměsiacute na cm3

Zabraacuteněniacute tepelneacute produkci paacuterů diacutera a elektron rarr teplota 77 K

Zaacutechyt a rekombinace na poruchaacutech a přiacuteměsiacutech

HPGe detektor umiacutestěnyacute do stiacuteniacuteciacuteho olověneacuteho boxu

straacute

nky

W W

estm

aier

při T=77 K Si GeZ 14 32atomovaacute hmotnost 2809 7260hustota ρ [gcm3] 233 533energetickaacute mezera [eV] 11 07pohyblivost elektronů μe[ 104cm2Vs] 21 36pohyblivost děr μd [104cm2Vs] 11 42eS [eV] 376 296Fano koeficient F ~ 009 ndash 012 ~ 006 ndash 013

Zaacutekladniacute vlastnosti polovodičů

Pozičně citliveacute HPGe segmentovaneacutedetektory jsou vyviacutejeny v LLNL (Kalifornskaacute universita) jejich WWW

ve = μeE vd = μdE

Napětiacute na detektoru přes 1000 V

Maleacute pulsy rarr nutnost předzesilovače

detektor rarr předzesilovač rarr zesilovač rarr ADC rarr analyzaacutetor počiacutetač

Technickeacute podrobnosti ndash viz doporučenaacute literatura

Parametry pro linku 60Co 1332 keV

Relativniacute efektivita ku standardu (NaI(Tl)) 10 ndash 70 (εNaI = 012 εGEO ~ 058 εVNI ~ 20 )

piacutekcompton 130 až 160

Rozlišeniacute FWHM 17 ndash 23

Tvar piacuteku FWTMFWHM ~20 (Gauss 182) FWFMFWHM 265 ndash 300 (Gauss 238)

Limitniacute teoretickeacute rozlišeniacute bezzapočteniacute vlivu elektroniky a vychytaacutevaacuteniacute nosičů naacuteboje

Přesnost měřeniacute až jednotky eV

ΔEΣ2 = ΔETN

2 + ΔEELEK2 + ΔEPN

2

Niacutezkeacute energie ndash Si a tenkeacute HPGe detektory berylioveacute okeacutenkoVysokeacute energie - HPGe s velkyacutem objemem hliniacutekoveacute okeacutenko

delšiacute (6 μs) nebo kratšiacute (2 - 4 μs) časovaacute konstantau zesilovače

ΔETN ndash vnitřniacute neurčitost (tvorby nosičů)ΔEELEK ndash neurčitost danaacute elektronikouΔEPN ndash neurčitost danaacute rekombinaciacute a zaacutechytem elektronů a děr

Obrovskeacute rozšiacuteřeniacute v praxi rarrřada komerčně vyraacuteběnyacutech typů a modelů STN eEFFWHME 352

Krystal difrakčniacute spektrometrySklaacutedajiacute se z 1) destičky z krystalu (křemennyacute krystal kalcit) 2) detektoru rentgenovskeacuteho a gama zaacuteřeniacute

Různeacute geometrie krystalu Rovneacute krystaly Ohnuteacute krystaly

Různeacute konfigurace s jedniacutem krystalem Θ = ΘB

se dvěma krystaly Θ = 2ΘB

Charakteristickeacute uacutehly ovlivňujiacuteciacute šiacuteřku linkyφZ ndash uacutehel pod niacutemž je vidět zdrojφK ndash uacutehel pod niacutemž je vidět štěrbina kolimaacutetoru φC ndash uacutehel pološiacuteřky difrakčniacute linky

ΘB ndash Braggův uacutehelUacutehlovaacute pološiacuteřka φ intenzity pak je(pro maleacute hodnoty všech uacutehlů v radiaacutenech)

φ2 asymp φZ2 + φK

2 + φC2

Přiacuteklad přesnosti měřeniacute 169Yb rarr 169Tm linka 63 keV ndash E = 6312080(16) keVNutno započiacutetat vliv odrazu při vyzaacuteřeniacute fotonu a přesnosti určeniacute energetickyacutech standardů

Detektor

Krystalovaacutemřiacutež

Zdroj Kolimaacutetor

φK

φZ φC

ΘB

REE

EkonstEEkonst

~

R ndash uacutehloveacute rozlišeniacute

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15

ρ [gcm3] eS [eV] τ [ns]Anthracen ~08 60 30Plastik (NE111) ~12 100 17NaI 367 26 230CsI 451 19 1000 (05 rychlaacute)BGO 713 130 300BaF2 489 100 600 (06 rychlaacute)PbWO4 828 4000 5-15 CeF3 616 250 25

Organickeacute scintilaacutetory 1) Organickeacute krystaly ndash antraceacuten stylbeacuten 2) Tekuteacute organickeacute scintilaacutetory velmi odolneacute proti radiačniacutemu poškozeniacute měřenaacute radioaktivniacute laacutetka může byacutet součaacutestiacute 3) Plastickeacute scintilaacutetory ndash velmi rychleacute τ ~ 2 ns NE111 τNaacuteběžnaacute hrana = 02 ns a τ = 17 ns niacutezkeacute Z rarr maleacute σ pro fotoefekt převažuje comptonův rozptyl přidaacuteniacute přiacuteměsi těžkyacutech prvků (Pb) rarr zvětšeniacute fotopiacuteku zmenšeniacute světelneacuteho vyacutestupu

Anorganickeacute scintilaacutetory Jsou pomalejšiacute většiacute Z rarr vhodnějšiacute pro zaacuteřeniacute gama CsI(Tl) NaI(Tl) (je hygroskopickyacute) BGO (Bi4Ge3O12) BaF2PbWO4

BGO BaF2 PbWO4 velmi vhodneacute pro vysokoenergetickeacute gama BaF2 velmi rychlyacute (rychlaacute komponenta) dvě komponenty

Fano koeficient je pro scintilaacutetory F ~ 1

Limitniacute teoretickeacute rozlišeniacute bezzapočteniacute vlivu elektroniky a vychytaacutevaacuteniacute nosičů naacuteboje

Krystal PbWO4 vysokoenergetickeacuteho fotonoveacuteho spektrometru projektu ALICEmodraacute λ= 420 nm a zelenaacute λ= 480-520 nm

BaF2 krystaly fotonoveacuteho spektrometru TAPSultrafialoveacute komponenty λ=220nm a λ=310 nm

TA

PS a

AL

ICE

pre

zent

ovan

eacute fo

tom

ater

iaacutely

Polovodičoveacute detektoryVelmi časteacute HPGe (dřiacuteve Ge(Li)) ndash potřebujiacute chlazeniacute tekutyacutem dusiacutekem Si ndash pro niacutezkoenergetickou oblast

Novějšiacute a zatiacutem speciaacutelnějšiacute CdTe HgI2 CdZnTe (CZT) ndash zatiacutem takeacute pro niacutezkeacute energie neniacute třeba chladit eS ~ 44 eV

Ge Si ndash čtyři valenčniacute elektrony ndash uvolněniacute elektronu (jeho převedeniacute z valenčniacuteho do vodiveacuteho paacutesu) rarr vznikaacute diacutera a volnyacute elektron

Přiacuteměs s 3 valenčniacutemi elektrony ndash přiacutejemce elektronů rarr převaha děr rarr polovodič typu pPřiacuteměs s 5 valenčniacutemi elektrony ndash daacuterce elektronů rarr převaha elektronurarr polovodič typu n

Ge(Li) detektor ndash 1012 atomů přiacuteměsiacute na cm3

HPGe ndash 109 atomů přiacuteměsiacute na cm3

Zabraacuteněniacute tepelneacute produkci paacuterů diacutera a elektron rarr teplota 77 K

Zaacutechyt a rekombinace na poruchaacutech a přiacuteměsiacutech

HPGe detektor umiacutestěnyacute do stiacuteniacuteciacuteho olověneacuteho boxu

straacute

nky

W W

estm

aier

při T=77 K Si GeZ 14 32atomovaacute hmotnost 2809 7260hustota ρ [gcm3] 233 533energetickaacute mezera [eV] 11 07pohyblivost elektronů μe[ 104cm2Vs] 21 36pohyblivost děr μd [104cm2Vs] 11 42eS [eV] 376 296Fano koeficient F ~ 009 ndash 012 ~ 006 ndash 013

Zaacutekladniacute vlastnosti polovodičů

Pozičně citliveacute HPGe segmentovaneacutedetektory jsou vyviacutejeny v LLNL (Kalifornskaacute universita) jejich WWW

ve = μeE vd = μdE

Napětiacute na detektoru přes 1000 V

Maleacute pulsy rarr nutnost předzesilovače

detektor rarr předzesilovač rarr zesilovač rarr ADC rarr analyzaacutetor počiacutetač

Technickeacute podrobnosti ndash viz doporučenaacute literatura

Parametry pro linku 60Co 1332 keV

Relativniacute efektivita ku standardu (NaI(Tl)) 10 ndash 70 (εNaI = 012 εGEO ~ 058 εVNI ~ 20 )

piacutekcompton 130 až 160

Rozlišeniacute FWHM 17 ndash 23

Tvar piacuteku FWTMFWHM ~20 (Gauss 182) FWFMFWHM 265 ndash 300 (Gauss 238)

Limitniacute teoretickeacute rozlišeniacute bezzapočteniacute vlivu elektroniky a vychytaacutevaacuteniacute nosičů naacuteboje

Přesnost měřeniacute až jednotky eV

ΔEΣ2 = ΔETN

2 + ΔEELEK2 + ΔEPN

2

Niacutezkeacute energie ndash Si a tenkeacute HPGe detektory berylioveacute okeacutenkoVysokeacute energie - HPGe s velkyacutem objemem hliniacutekoveacute okeacutenko

delšiacute (6 μs) nebo kratšiacute (2 - 4 μs) časovaacute konstantau zesilovače

ΔETN ndash vnitřniacute neurčitost (tvorby nosičů)ΔEELEK ndash neurčitost danaacute elektronikouΔEPN ndash neurčitost danaacute rekombinaciacute a zaacutechytem elektronů a děr

Obrovskeacute rozšiacuteřeniacute v praxi rarrřada komerčně vyraacuteběnyacutech typů a modelů STN eEFFWHME 352

Krystal difrakčniacute spektrometrySklaacutedajiacute se z 1) destičky z krystalu (křemennyacute krystal kalcit) 2) detektoru rentgenovskeacuteho a gama zaacuteřeniacute

Různeacute geometrie krystalu Rovneacute krystaly Ohnuteacute krystaly

Různeacute konfigurace s jedniacutem krystalem Θ = ΘB

se dvěma krystaly Θ = 2ΘB

Charakteristickeacute uacutehly ovlivňujiacuteciacute šiacuteřku linkyφZ ndash uacutehel pod niacutemž je vidět zdrojφK ndash uacutehel pod niacutemž je vidět štěrbina kolimaacutetoru φC ndash uacutehel pološiacuteřky difrakčniacute linky

ΘB ndash Braggův uacutehelUacutehlovaacute pološiacuteřka φ intenzity pak je(pro maleacute hodnoty všech uacutehlů v radiaacutenech)

φ2 asymp φZ2 + φK

2 + φC2

Přiacuteklad přesnosti měřeniacute 169Yb rarr 169Tm linka 63 keV ndash E = 6312080(16) keVNutno započiacutetat vliv odrazu při vyzaacuteřeniacute fotonu a přesnosti určeniacute energetickyacutech standardů

Detektor

Krystalovaacutemřiacutež

Zdroj Kolimaacutetor

φK

φZ φC

ΘB

REE

EkonstEEkonst

~

R ndash uacutehloveacute rozlišeniacute

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15

Krystal PbWO4 vysokoenergetickeacuteho fotonoveacuteho spektrometru projektu ALICEmodraacute λ= 420 nm a zelenaacute λ= 480-520 nm

BaF2 krystaly fotonoveacuteho spektrometru TAPSultrafialoveacute komponenty λ=220nm a λ=310 nm

TA

PS a

AL

ICE

pre

zent

ovan

eacute fo

tom

ater

iaacutely

Polovodičoveacute detektoryVelmi časteacute HPGe (dřiacuteve Ge(Li)) ndash potřebujiacute chlazeniacute tekutyacutem dusiacutekem Si ndash pro niacutezkoenergetickou oblast

Novějšiacute a zatiacutem speciaacutelnějšiacute CdTe HgI2 CdZnTe (CZT) ndash zatiacutem takeacute pro niacutezkeacute energie neniacute třeba chladit eS ~ 44 eV

Ge Si ndash čtyři valenčniacute elektrony ndash uvolněniacute elektronu (jeho převedeniacute z valenčniacuteho do vodiveacuteho paacutesu) rarr vznikaacute diacutera a volnyacute elektron

Přiacuteměs s 3 valenčniacutemi elektrony ndash přiacutejemce elektronů rarr převaha děr rarr polovodič typu pPřiacuteměs s 5 valenčniacutemi elektrony ndash daacuterce elektronů rarr převaha elektronurarr polovodič typu n

Ge(Li) detektor ndash 1012 atomů přiacuteměsiacute na cm3

HPGe ndash 109 atomů přiacuteměsiacute na cm3

Zabraacuteněniacute tepelneacute produkci paacuterů diacutera a elektron rarr teplota 77 K

Zaacutechyt a rekombinace na poruchaacutech a přiacuteměsiacutech

HPGe detektor umiacutestěnyacute do stiacuteniacuteciacuteho olověneacuteho boxu

straacute

nky

W W

estm

aier

při T=77 K Si GeZ 14 32atomovaacute hmotnost 2809 7260hustota ρ [gcm3] 233 533energetickaacute mezera [eV] 11 07pohyblivost elektronů μe[ 104cm2Vs] 21 36pohyblivost děr μd [104cm2Vs] 11 42eS [eV] 376 296Fano koeficient F ~ 009 ndash 012 ~ 006 ndash 013

Zaacutekladniacute vlastnosti polovodičů

Pozičně citliveacute HPGe segmentovaneacutedetektory jsou vyviacutejeny v LLNL (Kalifornskaacute universita) jejich WWW

ve = μeE vd = μdE

Napětiacute na detektoru přes 1000 V

Maleacute pulsy rarr nutnost předzesilovače

detektor rarr předzesilovač rarr zesilovač rarr ADC rarr analyzaacutetor počiacutetač

Technickeacute podrobnosti ndash viz doporučenaacute literatura

Parametry pro linku 60Co 1332 keV

Relativniacute efektivita ku standardu (NaI(Tl)) 10 ndash 70 (εNaI = 012 εGEO ~ 058 εVNI ~ 20 )

piacutekcompton 130 až 160

Rozlišeniacute FWHM 17 ndash 23

Tvar piacuteku FWTMFWHM ~20 (Gauss 182) FWFMFWHM 265 ndash 300 (Gauss 238)

Limitniacute teoretickeacute rozlišeniacute bezzapočteniacute vlivu elektroniky a vychytaacutevaacuteniacute nosičů naacuteboje

Přesnost měřeniacute až jednotky eV

ΔEΣ2 = ΔETN

2 + ΔEELEK2 + ΔEPN

2

Niacutezkeacute energie ndash Si a tenkeacute HPGe detektory berylioveacute okeacutenkoVysokeacute energie - HPGe s velkyacutem objemem hliniacutekoveacute okeacutenko

delšiacute (6 μs) nebo kratšiacute (2 - 4 μs) časovaacute konstantau zesilovače

ΔETN ndash vnitřniacute neurčitost (tvorby nosičů)ΔEELEK ndash neurčitost danaacute elektronikouΔEPN ndash neurčitost danaacute rekombinaciacute a zaacutechytem elektronů a děr

Obrovskeacute rozšiacuteřeniacute v praxi rarrřada komerčně vyraacuteběnyacutech typů a modelů STN eEFFWHME 352

Krystal difrakčniacute spektrometrySklaacutedajiacute se z 1) destičky z krystalu (křemennyacute krystal kalcit) 2) detektoru rentgenovskeacuteho a gama zaacuteřeniacute

Různeacute geometrie krystalu Rovneacute krystaly Ohnuteacute krystaly

Různeacute konfigurace s jedniacutem krystalem Θ = ΘB

se dvěma krystaly Θ = 2ΘB

Charakteristickeacute uacutehly ovlivňujiacuteciacute šiacuteřku linkyφZ ndash uacutehel pod niacutemž je vidět zdrojφK ndash uacutehel pod niacutemž je vidět štěrbina kolimaacutetoru φC ndash uacutehel pološiacuteřky difrakčniacute linky

ΘB ndash Braggův uacutehelUacutehlovaacute pološiacuteřka φ intenzity pak je(pro maleacute hodnoty všech uacutehlů v radiaacutenech)

φ2 asymp φZ2 + φK

2 + φC2

Přiacuteklad přesnosti měřeniacute 169Yb rarr 169Tm linka 63 keV ndash E = 6312080(16) keVNutno započiacutetat vliv odrazu při vyzaacuteřeniacute fotonu a přesnosti určeniacute energetickyacutech standardů

Detektor

Krystalovaacutemřiacutež

Zdroj Kolimaacutetor

φK

φZ φC

ΘB

REE

EkonstEEkonst

~

R ndash uacutehloveacute rozlišeniacute

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15

Polovodičoveacute detektoryVelmi časteacute HPGe (dřiacuteve Ge(Li)) ndash potřebujiacute chlazeniacute tekutyacutem dusiacutekem Si ndash pro niacutezkoenergetickou oblast

Novějšiacute a zatiacutem speciaacutelnějšiacute CdTe HgI2 CdZnTe (CZT) ndash zatiacutem takeacute pro niacutezkeacute energie neniacute třeba chladit eS ~ 44 eV

Ge Si ndash čtyři valenčniacute elektrony ndash uvolněniacute elektronu (jeho převedeniacute z valenčniacuteho do vodiveacuteho paacutesu) rarr vznikaacute diacutera a volnyacute elektron

Přiacuteměs s 3 valenčniacutemi elektrony ndash přiacutejemce elektronů rarr převaha děr rarr polovodič typu pPřiacuteměs s 5 valenčniacutemi elektrony ndash daacuterce elektronů rarr převaha elektronurarr polovodič typu n

Ge(Li) detektor ndash 1012 atomů přiacuteměsiacute na cm3

HPGe ndash 109 atomů přiacuteměsiacute na cm3

Zabraacuteněniacute tepelneacute produkci paacuterů diacutera a elektron rarr teplota 77 K

Zaacutechyt a rekombinace na poruchaacutech a přiacuteměsiacutech

HPGe detektor umiacutestěnyacute do stiacuteniacuteciacuteho olověneacuteho boxu

straacute

nky

W W

estm

aier

při T=77 K Si GeZ 14 32atomovaacute hmotnost 2809 7260hustota ρ [gcm3] 233 533energetickaacute mezera [eV] 11 07pohyblivost elektronů μe[ 104cm2Vs] 21 36pohyblivost děr μd [104cm2Vs] 11 42eS [eV] 376 296Fano koeficient F ~ 009 ndash 012 ~ 006 ndash 013

Zaacutekladniacute vlastnosti polovodičů

Pozičně citliveacute HPGe segmentovaneacutedetektory jsou vyviacutejeny v LLNL (Kalifornskaacute universita) jejich WWW

ve = μeE vd = μdE

Napětiacute na detektoru přes 1000 V

Maleacute pulsy rarr nutnost předzesilovače

detektor rarr předzesilovač rarr zesilovač rarr ADC rarr analyzaacutetor počiacutetač

Technickeacute podrobnosti ndash viz doporučenaacute literatura

Parametry pro linku 60Co 1332 keV

Relativniacute efektivita ku standardu (NaI(Tl)) 10 ndash 70 (εNaI = 012 εGEO ~ 058 εVNI ~ 20 )

piacutekcompton 130 až 160

Rozlišeniacute FWHM 17 ndash 23

Tvar piacuteku FWTMFWHM ~20 (Gauss 182) FWFMFWHM 265 ndash 300 (Gauss 238)

Limitniacute teoretickeacute rozlišeniacute bezzapočteniacute vlivu elektroniky a vychytaacutevaacuteniacute nosičů naacuteboje

Přesnost měřeniacute až jednotky eV

ΔEΣ2 = ΔETN

2 + ΔEELEK2 + ΔEPN

2

Niacutezkeacute energie ndash Si a tenkeacute HPGe detektory berylioveacute okeacutenkoVysokeacute energie - HPGe s velkyacutem objemem hliniacutekoveacute okeacutenko

delšiacute (6 μs) nebo kratšiacute (2 - 4 μs) časovaacute konstantau zesilovače

ΔETN ndash vnitřniacute neurčitost (tvorby nosičů)ΔEELEK ndash neurčitost danaacute elektronikouΔEPN ndash neurčitost danaacute rekombinaciacute a zaacutechytem elektronů a děr

Obrovskeacute rozšiacuteřeniacute v praxi rarrřada komerčně vyraacuteběnyacutech typů a modelů STN eEFFWHME 352

Krystal difrakčniacute spektrometrySklaacutedajiacute se z 1) destičky z krystalu (křemennyacute krystal kalcit) 2) detektoru rentgenovskeacuteho a gama zaacuteřeniacute

Různeacute geometrie krystalu Rovneacute krystaly Ohnuteacute krystaly

Různeacute konfigurace s jedniacutem krystalem Θ = ΘB

se dvěma krystaly Θ = 2ΘB

Charakteristickeacute uacutehly ovlivňujiacuteciacute šiacuteřku linkyφZ ndash uacutehel pod niacutemž je vidět zdrojφK ndash uacutehel pod niacutemž je vidět štěrbina kolimaacutetoru φC ndash uacutehel pološiacuteřky difrakčniacute linky

ΘB ndash Braggův uacutehelUacutehlovaacute pološiacuteřka φ intenzity pak je(pro maleacute hodnoty všech uacutehlů v radiaacutenech)

φ2 asymp φZ2 + φK

2 + φC2

Přiacuteklad přesnosti měřeniacute 169Yb rarr 169Tm linka 63 keV ndash E = 6312080(16) keVNutno započiacutetat vliv odrazu při vyzaacuteřeniacute fotonu a přesnosti určeniacute energetickyacutech standardů

Detektor

Krystalovaacutemřiacutež

Zdroj Kolimaacutetor

φK

φZ φC

ΘB

REE

EkonstEEkonst

~

R ndash uacutehloveacute rozlišeniacute

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15

při T=77 K Si GeZ 14 32atomovaacute hmotnost 2809 7260hustota ρ [gcm3] 233 533energetickaacute mezera [eV] 11 07pohyblivost elektronů μe[ 104cm2Vs] 21 36pohyblivost děr μd [104cm2Vs] 11 42eS [eV] 376 296Fano koeficient F ~ 009 ndash 012 ~ 006 ndash 013

Zaacutekladniacute vlastnosti polovodičů

Pozičně citliveacute HPGe segmentovaneacutedetektory jsou vyviacutejeny v LLNL (Kalifornskaacute universita) jejich WWW

ve = μeE vd = μdE

Napětiacute na detektoru přes 1000 V

Maleacute pulsy rarr nutnost předzesilovače

detektor rarr předzesilovač rarr zesilovač rarr ADC rarr analyzaacutetor počiacutetač

Technickeacute podrobnosti ndash viz doporučenaacute literatura

Parametry pro linku 60Co 1332 keV

Relativniacute efektivita ku standardu (NaI(Tl)) 10 ndash 70 (εNaI = 012 εGEO ~ 058 εVNI ~ 20 )

piacutekcompton 130 až 160

Rozlišeniacute FWHM 17 ndash 23

Tvar piacuteku FWTMFWHM ~20 (Gauss 182) FWFMFWHM 265 ndash 300 (Gauss 238)

Limitniacute teoretickeacute rozlišeniacute bezzapočteniacute vlivu elektroniky a vychytaacutevaacuteniacute nosičů naacuteboje

Přesnost měřeniacute až jednotky eV

ΔEΣ2 = ΔETN

2 + ΔEELEK2 + ΔEPN

2

Niacutezkeacute energie ndash Si a tenkeacute HPGe detektory berylioveacute okeacutenkoVysokeacute energie - HPGe s velkyacutem objemem hliniacutekoveacute okeacutenko

delšiacute (6 μs) nebo kratšiacute (2 - 4 μs) časovaacute konstantau zesilovače

ΔETN ndash vnitřniacute neurčitost (tvorby nosičů)ΔEELEK ndash neurčitost danaacute elektronikouΔEPN ndash neurčitost danaacute rekombinaciacute a zaacutechytem elektronů a děr

Obrovskeacute rozšiacuteřeniacute v praxi rarrřada komerčně vyraacuteběnyacutech typů a modelů STN eEFFWHME 352

Krystal difrakčniacute spektrometrySklaacutedajiacute se z 1) destičky z krystalu (křemennyacute krystal kalcit) 2) detektoru rentgenovskeacuteho a gama zaacuteřeniacute

Různeacute geometrie krystalu Rovneacute krystaly Ohnuteacute krystaly

Různeacute konfigurace s jedniacutem krystalem Θ = ΘB

se dvěma krystaly Θ = 2ΘB

Charakteristickeacute uacutehly ovlivňujiacuteciacute šiacuteřku linkyφZ ndash uacutehel pod niacutemž je vidět zdrojφK ndash uacutehel pod niacutemž je vidět štěrbina kolimaacutetoru φC ndash uacutehel pološiacuteřky difrakčniacute linky

ΘB ndash Braggův uacutehelUacutehlovaacute pološiacuteřka φ intenzity pak je(pro maleacute hodnoty všech uacutehlů v radiaacutenech)

φ2 asymp φZ2 + φK

2 + φC2

Přiacuteklad přesnosti měřeniacute 169Yb rarr 169Tm linka 63 keV ndash E = 6312080(16) keVNutno započiacutetat vliv odrazu při vyzaacuteřeniacute fotonu a přesnosti určeniacute energetickyacutech standardů

Detektor

Krystalovaacutemřiacutež

Zdroj Kolimaacutetor

φK

φZ φC

ΘB

REE

EkonstEEkonst

~

R ndash uacutehloveacute rozlišeniacute

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15

Parametry pro linku 60Co 1332 keV

Relativniacute efektivita ku standardu (NaI(Tl)) 10 ndash 70 (εNaI = 012 εGEO ~ 058 εVNI ~ 20 )

piacutekcompton 130 až 160

Rozlišeniacute FWHM 17 ndash 23

Tvar piacuteku FWTMFWHM ~20 (Gauss 182) FWFMFWHM 265 ndash 300 (Gauss 238)

Limitniacute teoretickeacute rozlišeniacute bezzapočteniacute vlivu elektroniky a vychytaacutevaacuteniacute nosičů naacuteboje

Přesnost měřeniacute až jednotky eV

ΔEΣ2 = ΔETN

2 + ΔEELEK2 + ΔEPN

2

Niacutezkeacute energie ndash Si a tenkeacute HPGe detektory berylioveacute okeacutenkoVysokeacute energie - HPGe s velkyacutem objemem hliniacutekoveacute okeacutenko

delšiacute (6 μs) nebo kratšiacute (2 - 4 μs) časovaacute konstantau zesilovače

ΔETN ndash vnitřniacute neurčitost (tvorby nosičů)ΔEELEK ndash neurčitost danaacute elektronikouΔEPN ndash neurčitost danaacute rekombinaciacute a zaacutechytem elektronů a děr

Obrovskeacute rozšiacuteřeniacute v praxi rarrřada komerčně vyraacuteběnyacutech typů a modelů STN eEFFWHME 352

Krystal difrakčniacute spektrometrySklaacutedajiacute se z 1) destičky z krystalu (křemennyacute krystal kalcit) 2) detektoru rentgenovskeacuteho a gama zaacuteřeniacute

Různeacute geometrie krystalu Rovneacute krystaly Ohnuteacute krystaly

Různeacute konfigurace s jedniacutem krystalem Θ = ΘB

se dvěma krystaly Θ = 2ΘB

Charakteristickeacute uacutehly ovlivňujiacuteciacute šiacuteřku linkyφZ ndash uacutehel pod niacutemž je vidět zdrojφK ndash uacutehel pod niacutemž je vidět štěrbina kolimaacutetoru φC ndash uacutehel pološiacuteřky difrakčniacute linky

ΘB ndash Braggův uacutehelUacutehlovaacute pološiacuteřka φ intenzity pak je(pro maleacute hodnoty všech uacutehlů v radiaacutenech)

φ2 asymp φZ2 + φK

2 + φC2

Přiacuteklad přesnosti měřeniacute 169Yb rarr 169Tm linka 63 keV ndash E = 6312080(16) keVNutno započiacutetat vliv odrazu při vyzaacuteřeniacute fotonu a přesnosti určeniacute energetickyacutech standardů

Detektor

Krystalovaacutemřiacutež

Zdroj Kolimaacutetor

φK

φZ φC

ΘB

REE

EkonstEEkonst

~

R ndash uacutehloveacute rozlišeniacute

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15

Krystal difrakčniacute spektrometrySklaacutedajiacute se z 1) destičky z krystalu (křemennyacute krystal kalcit) 2) detektoru rentgenovskeacuteho a gama zaacuteřeniacute

Různeacute geometrie krystalu Rovneacute krystaly Ohnuteacute krystaly

Různeacute konfigurace s jedniacutem krystalem Θ = ΘB

se dvěma krystaly Θ = 2ΘB

Charakteristickeacute uacutehly ovlivňujiacuteciacute šiacuteřku linkyφZ ndash uacutehel pod niacutemž je vidět zdrojφK ndash uacutehel pod niacutemž je vidět štěrbina kolimaacutetoru φC ndash uacutehel pološiacuteřky difrakčniacute linky

ΘB ndash Braggův uacutehelUacutehlovaacute pološiacuteřka φ intenzity pak je(pro maleacute hodnoty všech uacutehlů v radiaacutenech)

φ2 asymp φZ2 + φK

2 + φC2

Přiacuteklad přesnosti měřeniacute 169Yb rarr 169Tm linka 63 keV ndash E = 6312080(16) keVNutno započiacutetat vliv odrazu při vyzaacuteřeniacute fotonu a přesnosti určeniacute energetickyacutech standardů

Detektor

Krystalovaacutemřiacutež

Zdroj Kolimaacutetor

φK

φZ φC

ΘB

REE

EkonstEEkonst

~

R ndash uacutehloveacute rozlišeniacute

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15