Gamma- ja röntgenspektrin mittaaminen monikanava-analysaattorilla

Transkriptio

1 Yleisohje töihin 46, 52 ja jka/fmr/jps Yleisohje töihin 46, 52 ja jka/fmr/jps Gamma- ja röntgenspektrin mittaaminen monikanava-analysaattorilla Fysiikan laboratoriotöissä käytetään digitaalista pulssinkäsittelijää töiden 46 (Röntgenfluoresenssianalyysi), 52 (Gammasäteilyn energiaspektri) ja 53 (Elektronin suhteellisuusteoreettinen liikemäärä) yhteydessä. Energiaspektri % E/keV % Comptonin sironta 364 kev:n primaarinen piikki E/keV Tehtävissä mittauksissa tutkitaan detektorin, vahvistinelektroniikan ja digitaalisen pulssinkäsittelijän avulla sitä, miten fotonien säteilyilmaisimeen luovuttama energia on jakautunut. Tällaisessa esityksessä eri gammakvantit näkyvät karakteristisina piikkeinä. Saadussa energiaspektrissä (kuva 1) nähdään muutakin kuin pelkät piikit, koska gammasäteilyn vuorovaikutus ilmaisinmateriaalin kanssa on monimuotoista. Spektrissä on vaaka-akselilla fotonien energia jaettuna pieniin energiaväleihin eli kanaviin ja pystyakselilla on kutakin kanavaa vastaava tapahtumien lukumäärä. Ilmaisimeen osuva fotoni voi 1. saapua absorboivaan väliaineeseen, mutta jättää vuorovaikuttamatta sen kanssa. 2. osua ilmaisimeen ja luovuttaa koko energiansa valosähköisen ilmiön välityksellä. 3. sirota Compton-sironnassa (yksi tai useampia) ilmaisimessa ja lopulta menettää koko energiansa valosähköisen ilmiön kautta. 4. sirota Compton-sironnassa ja lopulta karata ilmaisinaineesta menettämättä kaikkea energiaansa. 5. virittää atomin ja menettää koko energiansa, mutta viritystilan lauetessa syntyvä fotoni karkaa ilmaisimesta Energiaspektri saadaan näiden mekanismien summana. Atomi- ja ydinfysikaalisten prosessien yhteydessä syntyvien fotonien energia saa tiettyjä arvoja, jotka vastaavat kvanttimekaanisten tilojen energioiden eroa. Karakteristista röntgensäteilyä (fotonien energiat kymmeniä elektronivoltteja) syntyy atomien elektronitilojen viritysten lauetessa ja gammasäteilyä (fotonien energiat 1 MeV luokkaa) radioaktiivisten prosessien yhteydessä ytimien viritystilojen muuttuessa. Ilmaisimet Kuva 1. Gammaemissiospektri ja mitattu energiaspektri johtuu 364 kev:a suuremmista omin. energioista Fotonien osuessa ilmaisinmateriaaliin tapahtuu siinä ionisoitumista ja elektronitilojen virittymistä. Säteilyilmaisimessa muutetaan näissä prosesseissa vapautunut energia sähköiseksi pulssiksi. Saatavan pulssin amplitudi on suoraan verrannollinen tähän energiaan. Tuikeilmaisin (työt 52 & 53) Tuikeilmaisimena käytetään fluoresoivia aineita, kuten eräitä epäorgaanisia kiteitä tai orgaanisia aineita. Gammakvanttien tuikemateriaalissa synnyttämien elektronitilojen viritysten lauetessa säteilevät atomit valokvantteja. Syntynyt valo muunnetaan sähköiseksi signaaliksi valomonistinputken avulla. Tehtävissä töissä käytetään tuikemateriaalina talliumilla aktivoitua natriumjodidia NaI(Ti). Tuikeilmaisin soveltuu hyvin energisen gammasäteilyn tutkimiseen. Tuikeilmaisimen toiminta on selitetty tarkemmin kurssin oppimateriaalin liitteessä C. Puolijohdeilmaisin (työ 46) Puolijohdeilmaisimessa fotonit hidastuvat ionisoimalla aineen atomeja. Näin syntyneet sekundäärielektronit muodostavat elektroni-aukkopareja. Sähkökentän avulla voidaan varauksenkantajat erottaa toisistaan ja näin saadaan fotonin puolijohdekiteeseen luovuttamaan energiaan verrannollinen sähköinen pulssi. Jotta säteilyn havaitseminen olisi mahdollista on ilmaisinkide jäähdytetty nestetypen lämpötilaan (-196 C). Puolijohdeilmaisimella havaitaan hyvin pieniä energiaeroja, mikä tekee siitä soveltuvan myös pienenergisen röntgensäteilyn havaitsemiseen.

2 Yleisohje töihin 46, 52 ja jka/fmr/jps Yleisohje töihin 46, 52 ja jka/fmr/jps Pulssien käsittely X-akselille valitaan sopiva yksikkö (kanava tai energia) tilanteen mukaan Pisteistöstä esitetään vain oleellinen osa, ei esim. pitkää nollahäntää Pystyakseli on järkevästi skaalattu, osan spektriä voi tarvittaessa skaalata eri tavalla Pulssinkäsittelyjärjestelmän (kuva 2) tarkoituksena on muuttaa ilmaisimelta saatavan heikon signaalin sisältämä informaatio havainnollistavaan muotoon. Se koostuu esivahvistimesta, digitaalisesta pulssinkäsittelijästä ja tietokoneesta. Esivahvistin Välittömästi ilmaisinkiteen yhteyteen on sijoitettu esivahvistin, jonka tehtävänä on vahvistaa ilmaisinkiteessä syntynyt heikko sähköinen signaali. Vahvistus tekee mahdolliseksi tavallisen koaksiaalikaapelin käytön siirrettäessä signaalia mittausjärjestelmän datakäsittelyosaan. Digitaalinen pulssinkäsittelijä (monikanava-analysaattori) Esivahvistinta seuraa mittausjärjestelmässä digitaalinen pulssinkäsittelijä, jonka tehtävänä on yksittäisten hiukkasten tai kvanttien aiheuttamien pulssien erottaminen esivahvistimen antamasta signaalista, kohinan suodattaminen ja edellä kuvatun energiaspektrin luominen. Pulssinkäsittelijässä esivahvistimen tuottama signaali ensin suodatetaan ja muokataan niin, että lopputuloksena on jännitepulssi, jonka amplitudi eli korkeus riippuu lineaarisesti fotonin ilmaisinaineessa luovuttamasta energiasta. Tämän jälkeen varsinainen pulssien analysointi eli energiaspektrin muodostaminen tapahtuu pulssinkäsittelijän monikanava-analysaattorissa (MCA, engl. multichannel analyser). Monikanava-analysaattorin analogia-digitaalimuunnin (ADC, engl. analog-to-digital converter) muuntaa pulssinkorkeuden pulssinkorkeuteen verrannolliseksi kokonaisluvuksi. Jokainen luku vastaa tiettyä pientä jänniteväliä eli kanavaa. Pulssinkorkeus- eli energiaspektri (pulssinkorkeushistogrammi) muodostuu, kun kuhunkin kanavaan osuneiden pulssien lukumäärä lasketaan yhteen. Histogrammi muodostetaan monikanava-analysaattorin prosessoriosassa, jossa kullekin kanavalle on varattu oma muistipaikkansa. Pulssinkäsittelijää ohjataan tietokoneella olevalla käyttöliittymällä. Pulssinkorkeushistogrammin esittäminen Tietokoneeseen liitetty pulssinkäsittelijä tuottaa varsin suuren joukon mittapisteitä. Kuitenkin käsiteltävän ilmiön kannalta vain osassa pisteistöä on jotain oleellista informaatiota. Piirrettäessä pisteistöstä graafi, tämä kannattaa ottaa huomioon, jotta graafista tulisi selkeä ja mahdollisimman informatiivinen. Graafisessa esityksessä kannattaa huomioida ainakin seuraavat seikat: Kuva 2. Pulssinkäsittelyjärjestelmä Pulssinkorkeushistogrammi esitetään yleensä pistejoukkona Intensiteetti (m.y.) Intensiteetti (m.y.) Kanava Kanava a) Väärä tapa b) Oikea tapa Kuva 3. Pulssinkorkeushistogrammin piirtäminen. Energiakalibrointi ja energioiden interpolointi Laitteiston muuntosuhde fotonin tuottaman pulssin korkeuden ja pulssinkäsittelijän kanavan välillä on lähes lineaarinen. Koska pulssinkorkeus vastaa energiaa, energia-kanava vastaavuuden määrittämistä kutsutaan energiakalibroinniksi. Energiakalibrointi on helpointa ja nopeinta tehdä siten, että mitataan tunnetusta gammalähteestä saatava spektri ja sovitetaan suoran yhtälö tunnettujen energioiden E i ja mitattujen kanavien x i välille. Suoran yhtälö on E kx b, (1) missä E on energia, x piikin paikka (kanava) ja b vakiotermi (ns. offset). Suuretta k kutsutaan usein muuntosuhteeksi kanavista energiaan. Saatua suoran yhtälöä voidaan sitten käyttää interpoloitaessa ja ekstrapoloitaessa tuntemattomien gammafotonien energioita, kun niiden aiheuttamat piikit havaitaan. Energiakalibraation tapauksessa määritetty virhe on piikin paikassa eli x-suuntainen. Tämä voidaan kuitenkin tarvittaessa muuntaa PNS-sovitusta varten y-suuntaiseksi virheeksi kaavalla y kx. (2) x4 300

3 Yleisohje töihin 46, 52 ja jka/fmr/jps Jos virhearviot eivät riitä selittämään hajontaa suoralta, voidaan hajonta laskea pisteistön ja suoran neliöllisistä poikkeamista. Kaavalla 1 lasketun energian virhettä voidaan arvioida esim. virhesuorien yhtälöiden avulla. Tällöin virhearvioksi saadaan virhesuorien E ( kk) x( bb) ja E ( kk) x( bb) 1 2 antama väli E 1 E 2 E. (3) 2 Vaihtoehtoisesti PNS-sovitukselle voidaan myös määrittää tilastollisesti koko suoran 100(1-) %:n luottamusrajat [1]. Luottamusrajat antavat vaihteluvälin, jonka sisään E:n odotusarvo annetulla x:n arvolla asettuu todennäköisyydellä 1-. Energiakalibraation virheen lisäksi täytyy ottaa myös huomioon kanavan x virhearvio. [1] Jouko Lahtinen, Petri Hirvonen, Jaani Nissilä, 'PNS ja graafinen esitys', viitattu

4 Työ 52 Gammasäteilyn energiaspektri jka, fmr Työ 52 Gammasäteilyn energiaspektri jka, fmr TYÖ 52 Gammasäteilyn energiaspektri Työssä on tarkoitus tutkia -säteilyn energiaspektriä sekä mittauksesta ja mittalaitteista johtuvia spektrissä esiintyviä epäideaalisuuksia. Työssä määritetään myös yhden aineen tuntemattomien -kvanttien energiat. Tähän käytetään erilaisia radioaktiivisia isotooppeja erienergisten gammojen lähteenä. Mittauslaitteisto koostuu tuikedetektorista ja digitaalisesta pulssianalysaattorista. Radioaktiivinen aine laitetaan tuikedetektorin (NaI) lähelle. Osuessaan kiteeseen gammakvantit voivat vuorovaikuttaa kiteen elektronien kanssa kolmella tavalla: tapahtuu valosähköisen ilmiö, Compton-sironta tai parinmuodostus. Gammakvantti voi myös läpäistä kiteen ilman ainuttakaan vuorovaikutusta, jolloin sitä ei havaita. Valosähköisessä ilmiössä tai Compton-sironnassa syntynyt nopea primäärielektroni luovuttaa energiaansa kiteeseen siroamalla väliaineen ytimistä, ionisoimalla väliaineen atomeja tai jarruuntumalla ytimien sähkökentässä, jolloin osa energiasta muuttuu sähkömagneettiseksi säteilyksi. Tuikedetektorin toiminta perustuu siihen, että osa primäärielektronin aiheuttamista elektronitransitioista purkautuu fotoneina: fotonien määrä ja lopulta detektorista saatava jännitepulssin korkeus on verrannollinen gammankvantin kiteeseen (primäärielektronille) jättämään energiaan. NaI-tuikeaineessa sekä valosähköinen ilmiö että Compton-sironta ovat todennäköisiä niille gammasäteilyn energioille, joita tässä työssä tutkitaan. Pulssianalysaattorilla kerättävä energiaspektri antaa siis tietoa sekä tulevan gammasäteilyn energiasta (fotopiikki, seurausta valosähköisestä ilmiöstä) että Compton-sironnan primäärielektronien energiasta (Compton-reuna ja -jatkumo). Jos oletetaan, että tutkittava radioaktiivinen isotooppi lähettää monoenergisiä gammakvantteja, ideaalisella detektorilla havaittaisiin säteilyn energiaspektrissä terävä piikki (-piikki) energiaa E vastaavassa kohdassa ja teoreettisen Compton-sironnan energiajakaumaa vastaava jatkuva jakauma energiaa E Compton pienemmillä energioilla (ks. kuva 1). Koska mikään mittauslaitteisto ei ole ideaalinen, mitattava energiajakauma vastaa kuvan 1 jakaumaa konvoloituna gaussisella resoluutiofunktiolla. Tämä konvoluutio levittää spektrin muotoja. Mittaukset 1. Kirjaudu työasemaan sisään ja käynnistä työpöydän kuvakkeesta dpp pulssianalysaattorin käyttöliittymä (ohjelma aukeaa Windows XP-moodissa ja saattaa kestää hetken latautua). Linkitä pulssianalysaattorin USB-väylä ohjelmaan painamalla tehtäväpalkin kuvakkeen kohdalla oikeaa hiiren näppäintä ja valitsemalla Manage USB devices. Valitse listasta pulssianalysaattori ja paina Attach. Lataa työssä käytettävät asetukset käyttöliittymästä painamalla Recall Configuration -nappia ja saata asetukset voimaan Configure -napista. Asetusten tulisi olla seuraavat (säädä tarvittaessa käsin): Time to Peak: Top Width: Threshold: 2,4 us 2 us Fast Threshold: 100 Output set: BLR: PUR: Reset: DAC: MCA Buffer Select: AutoBaseline: Rise Time Discrimination: 1.95% FS 101 mv Shaped 256 Ch Buffer A dn de fotopiikki Analog Gain: Gate Input: 10 (100 kev) Compton-reuna Seuraavassa esitellään käyttöliittymän tärkeimmät toiminnot: Slow Count: Ilmaisee spektrin kokonaispulssimäärän Compton-jatkumo Accum. Time: Ilmaisee kokonaismittausajan E Compton E E Nuoli ylös/nuoli alas/auto: Spektrin skaalaus pystysuunnassa Kuva 1. Teoreettinen gammakvanttien tuikeaineeseen jättämä energiajakauma. on sirontakulma ja dn on niiden havaittujen gammakvanttien lukumäärä, joiden energia on välillä [E, E+dE].

5 Työ 52 Gammasäteilyn energiaspektri jka, fmr Työ 52 Gammasäteilyn energiaspektri jka, fmr Count Mode: Pause/Resume MCA: Save Spectrum: Asennossa Delta näyttää ns. differentiaalisen spektrin; spektriä kerätään vain päivitysjakson ( Refresh ) verran, minkä jälkeen aloitetaan alusta. Asennossa Total kerää spektriä kunnes käyttäjä keskeyttää mittauksen. Keskeyttää mittauksen/jatkaa mittausta. Tallentaa spektrin ASCII-muodossa. Spektrejä mitattaessa laitetaan siis Count Mode asentoon Total. Kun haluttu mittausaika on tullut täyteen, keskeytetään mittaus painamalla Pause MCA nappia ja tallennetaan spektri. Uuden spektrin keräämiseksi vaihdetaan Count Mode ensin asentoon Delta ja sitten takaisin asentoon Total (Configurenappia saattaa joutua painamaan useamman kerran peräkkäin, mikäli uutta spektriä ei ala kertyä ruudulle). 2. Ennen kuin kytket tuikeilmaisimen suurjännitevirtalähteen päälle, tarkista että jännite on asetettu arvoon 760 V (ylin potentiometri asennossa 500, toinen asennossa 200, kolmas asennossa 60 ja alin potentiometri asennossa 0 ). Kytke sitten suurjännite päälle ja mittaa seuraavat isotoopit: Cs kev (puulaatikossa) Co kev, 1332 kev (3x3 cm 2 pleksien sisällä) Kuva 2. a) Tavallinen mittausgeometria. b) Mittausgeometria Cs-137 -isotoopin ja lyijytiilen kanssa. 3. Laita tuikeilmaisin pois päältä, laita tuikeilmaisimen virtalähde pois päältä, sulje pulssianalysaattorin käyttöliittymä painamalla Exit nappia ja kirjaudu ulos työasemasta. Na-22 Tuntematon (3x3 cm 2 pleksien sisällä) K kev (suolapurkissa) Mittausgeometria on esitetty kuvassa 2 a). Jotta spektri erottuisi selvästi, kannattaa mittausajaksi ottaa 5 10 min. Na-22 ja K-40 isotoopilla saatetaan tarvita pidempiäkin mittausaikoja Tarkista, että fotopiikit ja Compton-reunat erottuvat selvästi. Mittaa Cs-137 kahteen kertaan siten, että toisella kerralla asetat lyijytiilen telineeseen ja lähteen makaamaan lyijytiilen päälle (ks. kuva 2 b)). Kädet on hyvä pestä lyijytiilen käsittelyn jälkeen. Tallenna jokaisen mittauksen jälkeen spektri hakemistoon D:\Users\Oppilas. Muista siirtää spektrit omaan kotihakemistoosi atk-keskuksen palvelimella, levykkeelle tms. mittausten jälkeen. Assistentti tekee valmistelut K-40-isotoopin mittausta varten. Ilmoita, kun olette valmiit mittaamaan ko. spektrin.

6 Työ 52 Gammasäteilyn energiaspektri jka, fmr Selostus 1. Miten gammasäteilyä syntyy? Selitä eri mahdollisuudet. 2. Selitä yksityiskohtaisesti, miten tuikedetektori ja muu mittalaitteisto toimii. Käytä apuna kirjaa G. F. Knoll, Radiation detection and measurement (kurssikirja, Fysiikan osaston kirjastossa) tai kurssimateriaalin liitettä C. 3. Tutki mitattuja spektrejä ja selitä niiden muoto perusteellisesti. Mieti myös syitä spektreissä näkyvien epäideaalisuuksien vaihtelulle spektristä toiseen. Vertaa erityisesti kahta 137 Cs:lla mitattua spektriä keskenään ja pohdi syytä mahdolliseen poikkeavuuteen. 4. Tee energiakalibraatio tunnettujen fotopiikkien avulla. Määritä fotopiikin paikka esimerkiksi siksi kanavaksi, jolla on maksimipulssimäärä, ja paikan virhearvioksi esimerkiksi ±3 kanavaa riippuen siitä, kuinka epämääräiseltä fotopiikin paikka silmämääräisesti näyttää. Käytä pienimmän neliösumman keinoa kalibraatiosuoran sovittamisessa (ks. erillinen ohje). 5. Määritä 22 Na:n -piikkien energiat virhearvioineen. 6. Esitä mitattujen isotooppien hajoamiskaaviot pääpiirteissään. Transitiot, joiden todennäköisyydet ovat kovin pieniä, voi selvyyden vuoksi jättää pois. Selitä hajoamiskaavioiden avulla, mihin hajoamistapoihin havaitut gammakvantit liittyvät ja mitkä ovat kvanttien emissiotodennäköisyydet. Vertaa 22 Na:n spektristä määritettyjen gammakvanttien energioita hajoamiskaavion energioihin. Pohdi syitä mahdollisiin poikkeamiin. (Esim. C. M. Lederer, V. S. Shirley, Table of isotopes (7th ed.), John Wiley & Sons, 1978 tai Lund/LNBL Nuclear Data Search,