Πυρηνική Οργανολογία 1. Ανιχνευτές Σπινθηρισμού Α. Μαλτέζος

Ανιχνευτές Σπινθηρισμού Αναμφίβολα οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενοι ανιχνευτές Πρώτη φορά χρησιμοποιήθηκαν το 1903 από τον Crookes (σπινθηροσκόπιο – οθόνη από ZnS το οποίο παρήγαγε φως σπινθηρισμού από σωμάτια-α) Το 1944 οι Curran και Baker τοποθέτησαν φωτοπολλαπλασιαστή

Γενικά Χαρακτηριστικά

Ενεργειακή Ευαισθησία Ενεργειακή Ευαισθησία. Πάνω από μία συγκεκριμένη ενέργεια, οι περισσότεροι σπινθηριστές συμπεριφέρονται σχεδόν γραμμικά Ανιχνευτές αυτού του τύπου θεωρούνται ταχείς με την έννοια ότι οι χρόνοι απόκρισης και αποκατάστασης είναι μικροί συγκρινόμενοι με αυτούς άλλων τύπων ανιχνευτών Διευκρίνιση από το σχήμα του παλμού. Με κάποιους σπινθηριστές είναι δυνατόν να κάνουμε αναγνώριση του είδους της ακτινοβολίας

Τα υλικά σπινθηρισμού απορροφούν ακτινοβολία και εκπέμπουν ορατό φως: Δυο Μηχανισμοί Εκπομπής Φθoρισμός (fast), η εκπομπή γίνεται αμέσως (10-8 s) Φωσφορισμός (slow), η εκπομπή καθυστερεί από μερικά μs έως μερικές ώρες

Πρώτη προσέγγιση: Όπου: Ν είναι ο αριθμός των φωτονίων που εκπέμπεται σε χρόνο t, N0 ο ολικός αριθμός των φωτονίων, και τd η σταθερά εκπομπής

Πληρέστερη περιγραφή: Όπου τf και τs είναι οι σταθερές εκπομπής (fast – slow) Το σχετικό μέγεθος Α και Β κυμαίνεται από υλικό σε υλικό

Πρώτη Προσέγγιση Απλή εκθετική εκπομπή ακτινοβολίας φθορισμού. Ο χρόνος ανόδου (rise time) είναι πολύ μικρότερος από τη διάρκεια της εκπομπής (decay time)

Δεύτερη Προσέγγιση Διαχωρισμός ακτινοβολίας σπινθηρισμού σε γρήγορη (άμεση) και αργή (καθυστερημένη) συνιστώσα. Η συνεχής γραμμή αναπαριστά το άθροισμα των δύο συνιστωσών.

Υπάρχουν πολλά υλικά σπινθηριστών. Κατάλληλα όμως για ανιχνευτές δεν είναι όλα. Γενικά πρέπει να ικανοποιούνται οι παρακάτω προϋποθέσεις: Υψηλή αποδοτικότητα κατά την παραγωγή ακτινοβολίας φθορισμού. Διαφάνεια του υλικού. Η φασματική εκπομπή του υλικού να είναι συμβατή με την αντίστοιχη του φωτοπολλαπλασιαστή. Η σταθερά εκπομπής τ να είναι μικρή.

Υπάρχουν σε χρήση 6 τύποι υλικών σπινθηρισμού: Οργανικά υγρά Οργανικοί κρύσταλλοι Πλαστικοί Ανόργανοι κρύσταλλοι Αέρια Γυαλιά

Φυσικές Ιδιότητες διαφόρων εμπορικών υλικών Scintilator (Nuclear Enterprises scintillator catalog)

Φυσικές Ιδιότητες διαφόρων εμπορικών υλικών Scintilator (Nuclear Enterprises scintillator catalog) … συνεχεια …

Οργανικοί Σπινθηριστές - Αρωματικοί κυκλικοί υδρογονάνθρακες - Μικρός χρόνος εκπομπής (μερικά ns) - Παραγωγή φωτός από μεταβάσεις στις ενεργειακές στάθμες ηλεκτρονίων σθένους

Οργανικοί Κρύσταλλοι: Ανθρακένιο (C14H10) Οργανικά Υγρά: Διαλύματα οργανικών σπινθηριστών σε οργανικούς διαλύτες Πλαστικά: Διαλύματα οργανικών σπινθηριστών σε πλαστικό διαλύτη

Παρέχουν ιδιαίτερα γρήγορα σήματα: σταθερά εκπομπής 2-3 ns Η βέλτιστη Μαθηματική περιγραφή (Bengston & Moszynski) είναι συνέλιξη μίας Gaussian με μια εκθετική συνάρτηση: Όπου Gaussian με σταθερά απόκλισης σ

Φασματική απόκριση πλαστικών σπινθηριστών

Ανόργανοι Κρύσταλλοι Αλογονούχα Αλκάλια τα οποία περιλαμβάνουν κάποια πρόσμιξη για την ενεργοποίηση Υλικά που χρησιμοποιούνται συχνά: NaI(Tl), CsF2, CsI(Tl), CsI(Na), KI(Tl), LiI(Eu) Μη αλκαλικά: Bi4Ge3O12 (BGO), BaF2, ZnS(Ag), ZnO(Ga), CaWO4

Ζώνες ηλεκτρονίων ανόργανων κρυστάλλων Exciton: Δέσμιες καταστάσεις Ηλεκτρονίων-οπών Διέγερση των προσμίξεων (Tl) από Exciton και εκπομπή φωτονίων σπινθηρισμού

Φάσματα εκπεμπομένων φωτονίων για διάφορους ανόργανους κρυστάλλους σπινθηρισμού

Γραμμικότητα Κατά προσέγγιση θεωρούμε ότι το φως που εκπέμπεται είναι γραμμικό: Καλή προσέγγιση για πολλές περιπτώσεις Περιγράφεται καλύτερα όμως, από μια σύνθετη συνάρτηση, δεδομένου ότι όπως είναι γνωστό παρατηρούνται αποκλίσεις από την γραμμικότητα, ιδιαίτερα σε χαμηλές ενέργειες

Γραμμικότητα (συνέχεια) Πρώτο ημι-εμπειρικό μοντέλο (Birks 1951): Α : absolute scintillation efficiency kB : parameter relating the density of ionization centers to dE/dx

Γραμμικότητα (συνέχεια) Λόγω αποκλίσεων έχουν προταθεί προσεγγίσεις (μεγαλύτερης τάξης): ή

Γραμμικότητα (συνέχεια) Σε κάθε περίπτωση από τις παραπάνω, για μικρά dE/dx: Όμως για μεγάλα dE/dx (περίπτωση κόρου): Το οποίο στην ολοκληρωμένη του μορφή για το σωματίδιο που παράγει φως σπινθηρισμού δίνει:

Γραμμικότητα (συνέχεια)

Γραμμικότητα (συνέχεια)

Επίδραση Θερμοκρασίας

Παράδειγμα επίδρασης της θερμοκρασίας στη λειτουργία σπινθηριστή

Μορφές Παλμών Πλαστικός σπινθηριστής Κατ. Άξονας: 0.2V/cm Ορ. Άξονας: 10 ns/cm Πηγή: 207Bi 10μCi NaI Κατ. Άξονας: 0.2V/cm Ορ. Άξονας: 5 μs/cm Πηγή: 137Cs 10μCi

Συλλογή Φωτός Απώλεια φωτονίων: Εξωτερικές επιφάνειες σπινθηριστή (διάθλαση) Απορρόφηση από τον κρύσταλλο Σε ανιχνευτές μικρού μεγέθους, ο δεύτερος παράγοντας είναι αμελητέος. Αρχίζει να παίζει ρόλο όταν οι διαστάσεις του ανιχνευτή είναι συγκρίσιμες με το μήκος απορρόφησης: Το μήκος κατά το οποίο η φωτεινότητα ελλατώνεται κατά e-1 l: μήκος απορρόφησης x: μήκος διαδρομής L0: αρχική φωτεινότητα

Συλλογή Φωτός (συνέχεια) Η διάθλαση είναι ο ποιο σημαντικός λόγος απωλειών σπινθηριστή! Γωνία Brewster: nout: Δείκτης διάθλασης nscin: Δείκτης διάθλασης σπινθηριστή

Ανακλαστικότητα Απλή πρακτική για τη συλλογή φωτονίων Η ανακλαστική επιφάνεια: Κατοπτρική Διαχυτική Στη δεύτερη περίπτωση ακολουθεί το του νόμο Lambert:

Ανακλαστικότητα (συνέχεια) Ιδανικό υλικό για ανακλαστικές επιφάνειες: Φύλλο Αλουμινίου MgO, TiO2 και οξείδιο αλουμινίου

Κυματοδηγοί Δεν είναι πάντα δυνατή η απευθείας σύνδεση Φωτοπολλαπλασιαστή και σπινθηριστή Πρόβλημα χώρου Ύπαρξη Μαγνητικού Πεδίου Σχήμα Σπινθηριστή

Κυματοδηγοί (συνέχεια)

Κυματοδηγοί (συνέχεια)

Κυματοδηγοί (συνέχεια)

Φωτοπολλαπλασιαστές Ηλεκτρονικοί σωλήνες για την μετατροπή του Φωτός σε ηλεκτρικό ρεύμα. Ιδιαίτερα ευαίσθητοι. Χρησιμοποιούνται σε πειραματικές διατάξεις της Πυρηνικής Φυσικής και της Φυσικής Στοιχειωδών Σωματιδίων

Κατασκευή φωτοπολλαπλασιαστή Κάθοδος -> Φωτοκάθοδος Ηλεκτρονικό Σύστημα Επιτάχυνσης Κλίμακα: Κάθοδος-Δύνοδοι-Άνοδος Άνοδος

Λειτουργία Φωτοπολλαπλασιαστή Κατά την πρόσπτωση φωτονίων στη κάθοδο παράγονται ηλεκτρόνια 1. Συνεχής λειτουργία: Σταθερός Φωτισμός 2. Παλμική λειτουργία: Ανιχνευτές Σπινθηρισμού Αν το σύστημα Καθόδου – Δυνόδων θεωρηθεί γραμμικό Το ανοδικό ρεύμα είναι ανάλογο των προσπιπτόντων φωτονίων στη φωτοκάθοδο

Φωτοκάθοδος Φωτοηλεκτρικό Φαινόμενο Η φωτοκάθοδος μετατρέπει τα προσπίπτοντα φωτόνια σε ηλεκτρόνια (φωτοηλεκτρόνια) Τοποθέτηση φωτοκαθόδου σε λεπτό στρώμα quarz Einstein: Ε=hν-b Όπου: Ε είναι η κινητική ενέργεια του εκπεμπόμενου ηλεκτρονίου ν είναι η συχνότητα του προσπίπτοντος φωτονίου b είναι το έργο εξαγωγής Φωτοηλεκτρικό Φαινόμενο

Πάνω από το παραπάνω κατώφλιο είναι δυνατόν συμβεί το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο: quantum efficiency Πιθανότητα φωτοπαραγωγής Ισοδύναμα: Radiant cathode sensitivity Ιk είναι το ρεύμα φωτοηλεκτρικής εκπομπής στη φωτοκάθοδο P(λ) είναι προσπίπτουσα ισχύς S A/W λ nm Luminous cathode sensitivity: current per lumen of incident light

quantum efficiency

Λειτουργία Φωτοπολλαπλασιαστών

Τύποι Φωτοπολλαπλασιαστών Venetian blind

Τύποι Φωτοπολλαπλασιαστών (συνέχεια) Box and Grid

Τύποι Φωτοπολλαπλασιαστών (συνέχεια) Linear focused

Τύποι Φωτοπολλαπλασιαστών (συνέχεια) Circular focused

Τύποι Φωτοπολλαπλασιαστών (συνέχεια) Micro-channel plate

Υλικό Φωτοκαθόδου

Διαιρέτες Τάσης

Τυπική Φασματική Ευαισθησία Φωτοπολλαπλασιαστή

Παράδειγμα Φωτοπολλαπλασιαστή: PHILLIPS XP2262 Συνοπτικά τεχνικά χαρακτηριστικά

Επίδραση Μαγνητικού Πεδίου Ομοιόμορφη ακτινοβόληση της φωτοκαθόδου για Vht=1400 V, και για μαγνητικό πεδίο: 0.2 mT κάθετο στον άξονα α, ή 0.1 mT παράλληλο στον άξονα α Συνιστάται η χρήση θωράκισης mu-metal η οποία θα καλύπτει την φωτοκάθοδο τουλάχιστον κατά 15mm

Διαιρέτες τάσης (σύσταση)

Χαρακτηριστικά Φωτοπολλαπλασιαστή

Γεωμετρικά χαρακτηριστικά Φωτοπολλαπλασιαστή XP2262

Φασματική Ευαισθησία

Φάσμα Μοναχικού Ηλεκτρονίου

Ενίσχυση G, και ανοδικό ρεύμα σκότους ida

Συναρμολόγηση Ανιχνευτή Σπινθηρισμού Παράδειγμα Σιλικόνη Φύλλο Αλουμινίου Μαύρη ταινία Σπινθηριστής Φωτοπολλαπλασιαστής Βάση τροφοδοσίας Θωράκιση

Συναρμολόγηση Ανιχνευτή Σπινθηρισμού Παράδειγμα Καθαρισμός της επιφάνειας του φωτοπολλαπλασιαστή με χρήση αλκοόλης (όχι όμως στη περίπτωση πλαστικού σπινθηριστή) Τοποθέτηση σιλικόνης στην επιφάνεια του φωτοπολλαπλασιαστή

Συναρμολόγηση Ανιχνευτή Σπινθηρισμού Παράδειγμα Τοποθέτηση του σπινθηριστή Πρόσεχουμε ώστε: Να μην υπάρχουν φυσαλίδες μεταξύ σπινθηριστή και φωτοπολλαπλασιαστή Να μην αγγίζουμε το φωτοπολλαπλασιαστή ή τον σπινθηριστή με γυμνά χέρια

Συναρμολόγηση Ανιχνευτή Σπινθηρισμού Παράδειγμα Ο σπινθηριστής και ο φωτοπολλαπλασιαστής τυλίγονται με “τσαλακωμένο” φύλλο αλουμινίου έτσι ώστε να υπάρχει ανάμεσά τους στρώμα αέρος.

Συναρμολόγηση Ανιχνευτή Σπινθηρισμού Παράδειγμα Κάλυψη του φωτοπολλαπλασιαστή με μαύρη ταινία για να εξασφαλίσουμε τη φωτοστεγανότητα

Συναρμολόγηση Ανιχνευτή Σπινθηρισμού Παράδειγμα Τέλος, τοποθετούμε τη βάση τροφοδοσίας του φωτοπολλαπλασιαστή

Συμπερασματικά:

ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ Σας Ευχαριστώ !