Detektoren in der Gammaspektrometrie
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Detektoren in der Gammaspektrometrie Hans-Jürgen Lange SAAGAS21 Mainz 23.März 2007 Gammaspektrometrie in den USA = 1.0 + 0.1 Kalibrierung Qualitätssicherung Externe Dienstleistung Review ED XRF Spectrum X-ray charakteristische Emission Eine spezielle x-ray Emission weist eine intrinsische Lorentzverteilung auf, die bei Elementen Z < 50 eine Linienbreite von ~ 10 eV erzeugt. Characteristic X-ray In der Realität zeigt sich jedoch eine Gaussverteilung um die charakteristische Energie E0: 2000 Data: Graph3_Counts1 Model: Gauss Chi^2 = 486.54395 R^2 = 0.99916 1500 G(x) Detektor Response _B y0 xc w A 4.09062 -0.01604 1.99903 4961.15275 1000 500 0 -4 -2 0 X 3 2 4 ±7.62365 ±0.00836 ±0.01996 ±54.17105 Detektion von Photonen • Szintillationsdetektoren – Plastik – NaI(Tl) – LaBr • Halbleiterdetektoren – CdZnTe – Si – SiLi – Ge Vorteile von LaBr gegenüber NaI als Detektor Hohe Lichtausbeute und exzellente Linearität Crystal B380 (LaBr3) NaI(Tl) Light yield (photons/keV ) 63 38 Bessere Energieauflösung als bei NaI(Tl) Gute Temperaturstabilität Schnelle Zerfallszeiten Crystal B380 (LaBr3) NaI(Tl) Primary decay time (ns) 16 250 Ausgezeichnet für hohe Zählraten Verbesserte Zeitauflösung bei Koinzidenzmessungen 5 LaBr- New detector for gamma spectroscopy Energieauflöung: Canberra Daten Vergleich der Auflösung eines 1.5 x 1.5“ NaI(Tl)-Detektors mit einem 1.5 x 1.5“ LaBr3(Ce)-Detektors Die Auflösung ist bei Energien oberhalb von 200 keV etwa einen Faktor 2 besser 6 LaBr- New detector for gamma spectroscopy Auflösung: 133Ba Spektren and NaI Com parison Vergleich derLaBr Auflösung eines 1.5 x 1.5“ NaI(Tl)-Detektors 1.5" X 1.5" Probes Ba-133 mit einem 1.5 x 1.5“ LaBr3(Ce)-Detektors 35000 30000 Counts 25000 LaBr NaI 20000 15000 10000 5000 0 226 276 326 Energy (KeV) 7 LaBr- New detector for gamma spectroscopy 376 Temperaturabhängigkeit LED NaI(Tl) PMT 8 LaBr- New detector for gamma spectroscopy Schnelle Zerfallszeiten und die Vorteile Ergebnis LaBr kann signifikant höhere Zählraten verarbeiten als NaI Vorteil Weiterer Messbereich 9 Crystal LaBr NaI(Tl) Primary decay time (ns) 16* 250 LaBr- New detector for gamma spectroscopy ED XRF Spektren Pile-up und Summenpeaks. 10 Germanium Geschichtliches: 1886 wurde Germanium von dem deutschen Chemiker und Mineralogen Clemens Alexander Winkler (1838-1904) in Freiberg/Sachsen aus dem Mineral Argyrodit isoliert. Theodor Hieronymus Richter (1825-1898) und Julius Lothar Meyer (1830-1895) identifizierten Germanium als ein Element der 4. Hauptgruppe und nannten es "Eka-Silicium". Winkler vergab dann den Namen Germanium, zu Ehren seiner Heimat, dem lateinischen Wort germania ("Deutschland"). Germanium Grundsubstanz: polykristallines Reingermanium - Zonenschmelzverfahren (Schmelzpunkt 937,4 °C) - Czochralskiverfahren Dichte: 5,323 g/cm³ Ge-70 21,23% Ge-72 27,66% Ge-73 7,73% Ge-74 35,94% Ge-76 7,44% Germanium Beim Dotieren mit Fremdatomen, z.B. mit Aluminium oder Antimon, kann die Leitfähigkeit erhöht werden. Beim Dotieren mit Phosphor, Antimon oder Arsen erhält man einen n-Halbleiter, mit Bor, Aluminium, Indium oder Gallium einen p-Halbleiter Germaniumdetektor Germaniumdetektor NEU Wrap-around Technologie IEEE: Spezifikation: ALT Bulletizing Rel. Effizienz @1332 keV Auflösung @ 5.9 keV, 122 keV 1332 keV Peak/Compton-Verhältnis Germaniumdetektor BE5030 GC5020 : Durchmesser 60mm, Länge 80mm, nicht bulletized Probe : Durchmesser 74mm, Länge 21mm, gemessen auf der Endkappe Absorptionskoeffizient [cm2/g] Germaniumdetektor 1,00E+05 1,00E+03 1,00E+01 Compton 1,00E-01 Photo 1,00E-03 Paar 1,00E-05 Total 1,00E-07 1,00E-09 1,00E+00 1,00E+02 1,00E+04 Energie [keV] 1,00E+06 1,00E+08 Germaniumdetektoreffizienz Abstand Quelle-Kristall 25,5 cm Fläche Kristall: 38 cm2 Detektor Quelle Gesamtfläche der Kugel A = 4 I r2 = 8167 cm2 Fläche Kristall/ Fläche Kugel = 0.00465 Das Flächenverhältnis ist 5% größer als die Effizienz Messwert Effizienz bei 60 keV = 0.00443 Effizienzwert ISOCS bei 60 keV = 0.00441 Germaniumdetektoreffizienz 1,00E-02 1,00E-03 1,00E-04 Effizienzfunktion reine Photo totale Effizienz 1,00E-05 10 100 1000 Energie [keV] 10000 Germaniumdetektoreigenschaften Peak/Totale Effizienz Verhältnis 1,2 P/T-Verhältnis 1 Theorie Experiment 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 200 400 600 Energie [keV] 800 1000 Germaniumdetektoreigenschaften Anteil primärer Photoeffekt an FEP-Effizienz 120,00% 100,00% 80,00% 60,00% 40,00% 20,00% 0,00% 0 100 200 300 Energie [keV] 400 500 600 Germaniumdetektoreigenschaften - Analyse der Einzelprozesse - Verschiedene Positionen mit Ladungswolken - Pile-up-Rejection für hohe Energien Analyse von Gammaspektren - Analyse der Response des Messgeräts (Auflösung, Effizienz, Peak/Totale-Verhältnis) - Analyse der Einträge in das Spektrum durch die Umgebung (Untergrund, kosmische) - Analyse der Einträge durch die Probe (Beta, Compton-gestreute, Interferenzen) - Abtrennung der ungewünschten Einträge durch die Probe Analyse der Einträge in das Spektrum durch die Umgebung Analyse der - kosmischen Komponente - terrestrischen Komponente - Eigenzählrate Intrinsische Nachweisgrenzen des Messplatzes an definierter Position - Eigenaktivität der Abschirmung - Eigenaktivität der Umgebung - Elementare Wirkungsquerschnitte für Kernreaktionen mit der GCR - (n, n‘ gamma), (n, gamma) - Bremsstrahlung 40K, Rn-Tochternuklide Verwendete Materialien: Pb, Cd, Cu, Ge, Al, Be, In, Sn Molekularsiebe, Dichtungen, Elektronik Untergrund aus der Probe Erhöhung des Untergrundkontinuums durch Aktivität in der Probe selbst 1. I-Emissionen - Direkter Energieübertrag an den Detektor Erzeugung von Bremsstrahlung Anregung von Röntgenfluoreszenz 2. J-Emissionen - Erzeugung von Bremsstrahlung Anregung von Röntgenfluoreszenz 3. K-Emissionen - Erzeugung von Bremsstrahlung Anregung von Röntgenfluoreszenz Unvollständige Energieabgabe Koinzidenzverfahren zur Trennung von Gamma- und Betaemittern Besteht aus: - Energiedispersivem Detektor zur Messung der Energie des Beta-Teilchens / Gammas - Durchflugdetektor zur Teilchenerkennung Untergrund aus der Probe Teleskopdetektor Comptonsupression Nachweisgrenzen sind abhängig von: - Kalibrierfaktoren = reziproke Effizienz - der Wurzel der Untergrundzählraten - (Auflösung) Die Auflösung legt die Bereiche fest, über die die Untergrundzählrate bestimmt wird. Interferenzen durch verschiedene Linien Interferierende Linien anderer Nuklide Escapelinien Eu-152 13.537 Jahre 671,2 keV 0.019 % Ac-228 6.16 Stunden 672.0 keV 0.026 % Ge-77 11.3 Stunden 673.1 keV 0.652 % Interferierende Linien anderer Nuklide (n, )-Linien Cd-110 662 keV 0.29 % Ge-73 663.19 keV 0.06 % Interferierende Linien anderer Nuklide Double-Escape Linien Bi-214 19.9 Minuten 1683.99 keV 0.216 % Ac-228 6.15 Stunden 1684.01 keV 0.015 % Wie berechne ich Nachweisgrenzen bei Interferenzen?
