A.1 Ionisoivan säteilyn ja ilmaisinaineen vuorovaikutukset

Transkriptio

1 A IONISOIVAN SÄTEILYN HAVAITSEMINEN A.1 Ionisoivan säteilyn ja ilmaisinaineen vuorovaikutukset Ionisoivaa säteilyä on kolmea päätyyppiä: 1) Nopeat varatut hiukkaset: α- ja β-säteily, suurenergiset protonit ym. 2) Suurenergiset fotonit eli röntgen- ja gammasäteily 3) Neutronit Jotta ionisoivaa säteilyä havaittaisiin, säteilyn on oltava vuorovaikutuksessa ilmaisinaineen kanssa. Jos halutaan mitata hiukkasen energia, on hiukkasen luovutettava koko energiansa ilmaisinaineelle. Tässä suhteessa eri säteilylajien vuorovaikutukset ovat hyvin erityyppisiä. Ilmaisinaineessa etenevät nopeat varatut hiukkaset ovat sähkömagneettisessa vuorovaikutuksessa aineen elektronien ja ytimien kanssa, jolloin hiukkaset menettävät energiaa ja ionisoivat ainetta. Keskimääräinen ioniparin muodostusenergia W on kaasuissa n. 30 ev/ionipari, kiinteissä aineissa puolestaan 3 4 ev/ionipari. Raskaat ainehiukkaset, kuten α-säteily, menettävät kiinteässä aineessa energiansa muutaman kymmenen mikrometrin matkalla, nopeat elektronit millimetrin luokkaa olevalla matkalla. Kantamat kasvavat voimakkaasti hiukkasten energian kasvaessa. Suurenergiset fotonit absorboituvat väliaineeseen valosähköisessä ilmiössä, menettävät energiaansa Compton-sironnassa tai häviävät kokonaan parinmuodostuksessa (kvantti muuttuu elektroni-positroni -pariksi). Vuorovaikutuksissa kvanteilta elektroneille siirtynyt energia absorboituu tehokkaasti tuottaen ionipareja. Jos vuorovaikutus on tapahtunut ilmaisinaineessa, jäljelle jääneet fotonit (valosähköisen ilmiön aikaansaama karakteristinen röntgenkvantti, Comptonsironnut fotoni tai positronin ja elektronin annihilaatiossa syntynyt kvantti) voivat joko vuorovaikuttaa uudelleen ilmaisinaineessa tai karata ilmaisimesta. Fotonien energian mittaamisen kannalta tällaiset karkaamiset ovat ongelmallisia, sillä vain osa fotonin energiasta synnyttää ionipareja. Ilmaisinaineen koko, muoto ja laatu ovat siis tärkeitä tekijöitä fotonisäteilyn energiaa mitattaessa. Neutronien havaitseminen on epäsuoraa, koska neutronit eivät koe sähkömagneettista vuorovaikutusta. Epäsuora havaitseminen perustuu neutronien aiheuttamiin ydinreaktioihin, jolloin ytimestä emittoituu gammakvantti tai nopea varattu hiukkanen. Näiden energia voidaan mitata edellä kuvatuilla tavoilla. Ionisoivan säteilyn havaitseminen perustuu säteilyn kykyyn ionisoida ilmaisinainetta. Jos hiukkasen koko energia absorboituu, se tuottaa keskimäärin /W ioniparia. Jos näin syntyneet erimerkkiset varaukset erotetaan toisistaan sähkökentän avulla, saadaan varauspulssi, jonka suuruus on verrannollinen hiukkasen energiaan (puolijohde- ja verrannollisuusilmaisimet). Toinen vaihtoehto on käyttää sellaista ilmaisinainetta, jossa ionisoituminen saa aikaan fluorisoivaa säteilyä virittyneiden elektronitilojen siirtyessä takaisin perustilaan ja emittoidessa valokvantteja (tuikeilmaisimet). Molemmilla ilmaisintyypeillä havaitaan siis sekä hiukkasen saapuminen ilmaisimeen että hiukkasen ilmaisinaineeseen jättämän energian määrä.

2 A.2 Ilmaisimen erotuskyky Ilmaisinlaitteiston hyvyyttä kuvataan tunnusluvuilla, joista tärkeimpiä on energian erotuskyky R. Kun mitataan monoenergeettisten (energia ) hiukkasten aikaansaamien pulssien suuruuksia, saadaan kuvan 1 kaltainen jakauma, jonka huippu on kohdassa mutta jolla on äärellinen puoliarvoleveys ΔE. Erotuskyky määritellään kaavalla R = ΔE. (1) Kuva 1: Ilmaisimen erotuskyvyn määrittäminen Ajatellaan ihanteellista ilmaisinta, jossa hiukkasten energia absorboituu täysin tuottaen keskimäärin N= /W ioniparia. Jos ioniparin synty oletetaan Poisson-jakautuneeksi satunnaisilmiöksi (ks. liite B), ioniparimäärän tilastollinen hajonta olisi σ = N. Koska ioniparien lukumäärä on suuri, voidaan Poisson-jakauma korvata normaalijakaumalla, jonka hajonta on ioniparien lukumäärän neliöjuuri. Puoliarvoleveys on tällöin ΔN=2,35σ, joten ideaalisen ilmaisimen erotuskyky voidaan kirjoittaa muotoon R = ΔE = ΔN N = 2,35 N N = 2,35 N = 2, 35 W. (2) Useissa ilmaisimissa ioniparien muodostumiset eivät ole täysin toisistaan riippumattomia Poisson-jakautuneita tapahtumia, jolloin hajonta on pienempi kuin N. Poikkeamaa Poissonjakaumasta kuvataan Fano-tekijällä F, joka määritellään F = mitattu σ 2 Poissonjakauman σ 2. (3) Ihanneilmaisimen erotuskyky on Fano-tekijän avulla ilmaistuna R = 2,35 F N = 2,35 FW. (4)

3 Mitä pienempi Fano-tekijä on, sitä parempi on ilmaisimen erotuskyky. Esimerkiksi tuikeilmaisimissa (huono erotuskyky) Fano-tekijä on lähes yksi, kun taas puolijohdeilmaisimissa (hyvä erotuskyky) se on n. 0,13. A.3 Ilmaisimen tehokkuutta ja tarkkuutta rajoittavat tekijät Ilmaisin havaitsee vain hiukkasen, joka on vuorovaikutuksessa ilmaisinaineen kanssa. α- ja β- hiukkaset jarruuntuvat tehokkaasti kiinteässä aineessa, jolloin ongelmana voikin olla säteilyn absorptio varsinaista ilmaisinainetta ympäröivään kuoreen, ilmaisimen ikkunaan. Kaasutäytteisessä ilmaisimessa β-säteily jarruuntuu heikosti, mutta kuitenkin riittävästi hiukkasen havaitsemiseksi. Fotonien havaitseminen on vaikeampaa. Olkoon tehtävänä määrittää tietyn gammasäteilijän lähettämien fotonien energiajakauma eli energiaspektri. Jokainen radioaktiivinen isotooppi säteilee γ-kvantteja tietyillä ko. isotoopille ominaisilla energioilla. Esim. radioaktiivinen jodi, 131 I, lähettää γ-kvantteja viidellä eri energialla. Suurin osa (n. 80 %) fotoneista on energialtaan 364 kev. 131 I:n emissiospektri on esitetty kuvassa 2a. Jos γ-kvantit tulisivat siroamatta lähteestä ilmaisimeen, menettäisivät ilmaisimessa kaiken energiansa ja jos ilmaisin olisi luvussa B.2 kuvattu ideaalinen ilmaisin, mittaustulos olisi kuvan 2b kaltainen pulssinkorkeusspektri, jossa piikkien pinta-alat olisivat verrannollisia erienergisten γ- kvanttien saapumistaajuuteen. Kuva 2: a) 131 I:n gammaemissiospektri, b) ideaalisen ilmaisimen 131 I:sta mittaama pulssinkorkeusjakauma Käytännössä ilmaisinta ei voida rakentaa ideaaliseksi. Ensinnäkin on olemassa joukko ilmiöitä, jotka tapahtuvat itse lähteessä ja sitä ympäröivässä aineessa ja jotka vaikuttavat ilmaisimen havaitsemaan säteilyn energiaan (kuva 3a). a) fotoni kulkee lähteestä ilmaisimen suuntaan menettämättä energiaa b) fotoni lähtee ilmaisimen suuntaan, mutta vuorovaikuttaa lähdeaineen tai lähdettä ympäröivän aineen kanssa ja poikkeaa suunnasta menettäen samalla osan energiastaan

4 c) fotoni ei aluksi lähde ilmaisimen suuntaan, mutta vuorovaikuttaa lähdeaineen tai lähdettä ympäröivän aineen kanssa ja siroaa ilmaisimen suuntaan menetettyään osan energiastaan Toiseksi on olemassa joukko ilmiöitä, jotka tapahtuvat ilmaisinaineessa ja jotka vaikuttavat syntyvän pulssin kokoon (kuva 3b). d) fotoni kulkee ilmaisinaineen läpi kokematta vuorovaikutuksia e) fotoni aiheuttaa ilmaisimessa valosähköisen ilmiön ja menettää kaiken energiansa f) fotoni kokee ilmaisimessa yhden tai useamman Compton-sironnan ja menettää lopun energiansa valosähköisessä ilmiössä g) fotoni kokee ilmaisimessa Compton-sironnan ja kulkeutuu tämän jälkeen ulos ilmaisimesta h) fotoni virittää ilmaisinaineen atomin valosähköisessä ilmiössä ja menettää kaiken energiansa, mutta atomin viritystilan lauetessa syntyvä fotoni karkaa ulos ilmaisimesta Jos tulevan γ-säteilyn energia on suurempi kuin 1,02 MeV, Comptonin sironnan rinnalla voi esiintyä myös parinmuodostusta ja siitä seuraavaa annihilaatiosäteilyä, joka voi absorboitua tai paeta. Kuva 3: a) lähteessä, b) ilmaisimessa tapahtuvia kvantin ja aineen vuorovaikutuksia Kuva 4: Tuikeilmaisimella mitattu 131 I:n spektri kaavamaisesti esitettynä Ainoastaan yhdistelmiä a e ja a f vastaavan pulssin koko on verrannollinen γ-kvantin alkuperäiseen energiaan. Kaikkia muita yhdistelmiä seuraa pulssi, jota vastaava energia on pienempi

5 kuin γ-kvantin alkuperäinen energia. Lisäksi ilmaisimen lämpötilakohina voi vääristää spektriä etenkin pienillä energioilla. Näistä syistä esim. 131 I:n tuikeilmaisimella mitattu spektri ei sisällä erillisiä piikkejä, kuten kuvassa 2b, vaan spektri on jatkuva pulssinkorkeusjakauma, kuten kuvassa 4 on hahmoteltu. Koska γ-säteily absorboituu varsin heikosti aineeseen, γ- spektroskopiassa on käytettävä kiinteätä tai nestemäistä ilmaisinainetta. Kaasutäytteisiä verrannollisuusilmaisimia voidaan käyttää vain matalaenergisen röntgensäteilyn spektroskopiassa, koska tällainen säteily absorboituu riittävän tehokkaasti myös kaasuun. A.4 Ilmaisimen hukka-aika Säteilyhiukkasen aiheuttama ilmaisinaineen atomin ionisointi on hyvin nopea prosessi. Syntyneen sähkövarauksen kerääminen ja pulssin elektroninen käsittely vie kuitenkin äärellisen ajan τ. Tänä aikana ilmaisin ei kykene havaitsemaan uusia hiukkasia, joten aikaa τ kutsutaan ilmaisimen hukka-ajaksi. Hukka-ajasta johtuu, että mitattu pulssitaajuus poikkeaa todellisesta. Ilmaisinta sanotaan lamautumattomaksi, jos hukka-aikana tullut hiukkanen ei vaikuta ilmaisimeen. Usein kuitenkin hukka-ajan τ kestäessä ilmaisimeen tullut uusi hiukkanen tukkii ilmaisimen, jolloin alkaa uusi hukka-aika (kuva 5a). Tällaista ilmaisinta kutsutaan lamautuvaksi. Kuvassa 5b on esitetty lamautumattomasta ja lamautuvasta ilmaisimesta saatavat pulssitaajuudet ilmaisimeen tulevan hiukkastaajuuden funktiona. Kuvasta havaitaan, että lamautuvalla ilmaisimella mitattu pulssitaajuus ei ole yksikäsitteinen, ts. lamautuva ilmaisin antaa saman pulssitaajuuden N kahdella erilaisella ilmaisimeen tulevalla hiukkastaajuudella N 1 (pieni hiukkastaajuus) ja N 2 (suuri hiukkastaajuus). Kuva 5: a) hukka-aika, b) mitattu pulssitaajuus lamautumattomassa ja lamautuvassa ilmaisimessa tulevan hiukkastaajuuden funktiona Haetaan seuraavaksi lamautumattoman ilmaisimen antaman pulssitaajuuden riippuvuus ilmaisimeen tulevasta hiukkastaajuudesta. Olkoon N ilmaisimeen saapuneiden hiukkasten lukumäärä sekunnin aikana ja n ilmaisimen havaitsemien hiukkasten lukumäärä sekunnin aikana.

6 Tällöin ilmaisin on sekunnin aikana ajan nτ kykenemätön havaitsemaan uusia hiukkasia. Havaitsemattomien hiukkasten määrä sekunnissa on siten Nnτ. Koska havaitsemattomien hiukkasten määrä on toisaalta N-n, saadaan N = n 1 nτ = kn, (5) missä hukka-ajasta aiheutuva korjauskerroin k on k = 1 1 nτ. (6) Kaavaa (6) voidaan käyttää myös lamautuvalle ilmaisimelle, jos nτ<<1. Todelliset ilmaisimet ovat näiden kahden ideaalisen perustyypin välimuotoja. Jos pulssin elektroninen käsittely on hidasta pulssin havaitsemisaikaan verrattuna, lamautuvasta ilmaisimesta voidaan tehdä lähes lamautumaton rakentamalla vahvistimen rinnalle nopea elektroninen piiri, joka sulkee esivahvistimen ulostulon hukka-ajan pituiseksi jaksoksi. A.5 Kaasun ionisaatioon perustuvat ilmaisimet Ionisaatiokammio. Vanhin mutta edelleen yleisesti käytetty tapa röntgensäteilyn, γ-säteilyn ja ionisoivan hiukkassäteilyn havaitsemiseksi perustuu säteilyn kykyyn ionisoida kaasuja. Ionisaatiokammion periaate on esitetty kuvassa 6. Kuva 6: Ionisaatiokammio Kammion kuorena on maadoitettu ohutseinäinen sylinteri S. Akselilla A olevalle eristimen E varaan kiinnitetylle langalle tuodaan vastuksen R kautta positiivinen jännite U. Lanka on kondensaattorin C kautta kytketty elektrometriin, vahvistimeen tms. Kun ionisoiva säteily saapuu seinän S läpi kammioon, se irrottaa elektroneja täytekaasun atomeista. Elektronit kulkevat langan A ja seinän S välisessä sähkökentässä kohti lankaa ja positiiviset ionit kohti sylinterin seinää. Kun jännite U on valittu sopivasti (n. 300 V), ionit kulkevat sylinterin seinämille tarpeeksi nopeasti, jotta ne eivät ehdi neutralisoitua vapaitten elektronien kanssa. Toisaalta ionien saavuttama nopeus on niin pieni, että ionit eivät pysty ionisoimaan neutraaleja kaasuatomeja kimmottomissa törmäyksissä. Tällöin kerätty varausmäärä on verrannollinen sylinteriin tulleeseen säteilyenergiaan, ja sähkövirta vastaavasti verrannollinen säteilyenergiaan aikayksikössä. Ionisaatiokammiota käytetään esim. säteilyturvallisuusmittauksiin (annosmittarit) ja säteilylähteiden kalibrointiin. Verrannollisuusilmaisin. Kuvan 6 kaltaista laitetta käytetään myös yksityisten absorboituneiden fotonien havaitsemiseen. Kun jännitettä U nostetaan riittävän suureksi, saadaan aikaan ns. kaasuvahvistus. Röntgen- tai γ-kvantti tai ionisoiva hiukkanen synnyttää

7 ensin kaasussa primäärielektroneja, jotka kulkevat kohti anodilankaa. Anodin lähellä kentän voimakkuus on niin suuri, että elektronien energia kasvaa riittävästi, jotta ne voivat ionisoida uusia kaasuatomeja. Varauksenkuljettajien lukumäärä kasvaa, ja anodille saapuu elektroneja moninkertainen määrä primäärielektroneihin verrattuna. Ellei jännite U ole liian suuri, lopullinen varauksenkuljettajien määrä on verrannollinen primäärielektronien määrään ja siten myös säteilyhiukkasen putkessa menettämän energian määrään. Varauspulssi muunnetaan jännitepulssiksi ja vahvistetaan, jolloin pulssinkorkeusjakauma kertoo säteilyn energiaspektrin. Vaikka verrannollisuuslaskurin energiaerotuskyky ei olekaan paras mahdollinen, sillä on halvan hintansa, yksinkertaisuutensa ja luotettavuutensa vuoksi suuri merkitys röntgenspektroskopiassa. Verrannollisuusilmaisimen erotuskykyyn vaikuttaa primääri-ioniparien aiheuttaman hajonnan lisäksi kaasuvahvistuksen aiheuttama hajonta, jota kuvataan Fano-tekijään lisättävällä parametrilla b: R = 2,35 ( F + b)w. (7) Fano-tekijä voi olla huomattavasti alle yhden, mutta vyöryparametri b huonontaa erotuskykyä. Hyvissä verrannollisuusilmaisimissa voi olla esim. W=25,3 ev, F=0,05 ja b=0,38, jolloin kaavan (7) mukaan kalibroinnissa yleisesti käytetylle 5,9 kev:n röntgensäteilylle R=10,1 %. Geigerilmaisin. Kun kuvan 6 ionisaatiokammiossa jännite U asetetaan hyvin korkeaksi, kammio toimii geigerilmaisimena. Geigerputki antaa myös jännitepulssin aina, kun putkeen absorboituu kvantti tai ionisoiva ainehiukkanen, mutta kaasuvahvistus on niin suuri, että tieto tulevan hiukkasen energiasta menetetään. Geigerputki on myös varsin hidas. Kun putkeen saapuu säteilyhiukkanen tai kvantti, ionisaatiossa vapautuneet elektronit kulkevat hyvin nopeasti anodilangalle. Sen sijaan positiivisilta ioneilta kuluu noin satakertainen aika kulkeutua sylinterin seinälle. Tänä aikana positiivinen varauspilvi kumoaa anodin ja sylinterin välistä sähkökenttää siten, että ionisaatio lakkaa. Geigerputki havaitsee uuden hiukkasen vasta, kun ioneja on neutraloitunut sylinterin seinällä niin paljon, että uusi vyörypurkaus voi lähteä käyntiin. Geigerputki on kaasutäytteisenä myös varsin epäherkkä gammasäteilyn havaitsemiseen. Heikkouksistaan huolimatta geigerputki on yksinkertaisuutensa ja halpuutensa vuoksi käytetyin ilmaisin säteilysuojelu- ym. tehtävissä. A.6 Tuikeilmaisin ja valomonistinputki Tuikeilmaisin. Jos fluorisoivien aineiden atomeja ionisoidaan tai viritetään gammasäteilyllä tai β-hiukkasilla, ne säteilevät viritystilan lauetessa valoa. Tuikeilmaisimissa käytettäviä fluorisoivia aineita kutsutaan tuikeaineiksi, ja niiden tuottama valo on tavallisesti spektrin sinisessä tai ultravioletissa osassa. Varsin usein tuikeaineena käytetään talliumilla seostettua natriumjodidikidettä NaI(Tl). Gammasäteilyn ilmaisimena tuikeilmaisimella on kaksi suurta etua geigerputkeen verrattuna. Ensiksikin viritystilat laukeavat hyvin nopeasti (n. 10 ns), joten ilmaisimen hukka-aika on vain noin tuhannesosa geigerputken hukka-ajasta. Toiseksi kiteen atomitiheys on niin suuri, että lähes kaikki gammakvantit absorboituvat kiteeseen. Lisäksi

8 eräin edellytyksin tuikekiteessä syntyvä valomäärä on verrannollinen gammakvanttien energiaan, jolloin tuikeilmaisimesta saadaan kvantin energiaan verrannollinen pulssi. Kuva 7: Tuikeilmaisin ja siihen liitetty valomonistinputki Valomonistinputki. Edellä mainitut ominaisuudet tekisivät tuikekiteen ihanteelliseksi yksittäisten gammakvanttien tai β-hiukkasten ilmaisimeksi, ellei yhdessä tuikahduksessa syntyvä valomäärä olisi kovin pieni. Valomäärän pienuuden vuoksi on käytettävä valomonistinta, jolla voidaan mitata erittäin heikkojen valotuikahdusten intensiteettejä. Valomonistimen (kuva 7) ulkopinnalla on valoherkällä aineella päällystetty valokatodi. Siitä irtoaa valokvantin absorboituessa elektroneja, jos valokvantin energia on suurempi kuin elektronin irroitustyö valokatodilta (vrt. työ 44). Irtoavien elektronien määrä on verrannollinen absorboituvien valokvanttien määrään, mutta liian pieni suoraan mitattavaksi. Elektronien määrää kasvatetaan valomonistinputkessa olevilla vahvistinasteilla, dynodeilla. Kukin dynodi on korkeammassa potentiaalissa kuin edellinen. Valokatodilta irronneet elektronit kiihtyvät katodin ja ensimmäisen dynodin välisessä sähkökentässä. Kun elektronit törmäävät dynodiin, dynodilta irtoaa moninkertainen määrä uusia elektroneja, jotka kiihtyvät ensimmäisen ja toisen dynodin välisessä sähkökentässä jne. Viimeiselle elektrodille eli anodille saapuvien elektronien lukumäärä on kertainen valokatodilta irronneiden elektronien lukumäärään verrattuna, mutta kuitenkin suoraan verrannollinen kiteessä syntyneeseen valomäärään ja siten kiteeseen absorboituneen kvantin energiaan. Valomonistimen ominaisuuksia. Valomonistimen kanssa työskenneltäessä on otettava huomioon kaksi tärkeää ominaisuutta. 1) Pimeävirta. Jonkin verran elektroneja irtoaa valokatodilta itsestään katodin äärellisen lämpötilan vuoksi (lämpöliike). Nämä monistuvat aivan samoin kuin valon irrottamat elektronit. Pimeävirran synnyttämät pulssit näyttävät pienienergisten gammakvanttien aiheuttamilta, sillä pimeävirran pienuuden vuoksi vain muutamia elektroneja irtoaa valokatodilta yhtäaikaa. Pimeävirta kasvaa valokatodin lämpötilan kasvaessa. 2) Valomonistimen lähtöpulssin koko riippuu putken jännitteestä. Jännitteen kasvattaminen lisää niiden pulssien määrää, joiden koko ylittää havaitsemiskynnyksen, kunnes pienimmätkin pulssit havaitaan. Samalla kuitenkin yhä suurempi osa pimeävirran aiheuttamista pulsseista ylittää havaitsemiskynnyksen, joten jännitettä ei kannata nostaa mielivaltaisen suureksi. Tuikeilmaisimen erotuskyky. Tuikeilmaisimen erotuskyky on melko huono, koska ensiksikin Fano-tekijä on lähes yksi, toiseksi vain osa tuikeaineessa syntyvästä valosta osuu valokatodille ja kolmanneksi valokatodin hyötysuhde on pieni, ts. katodilta irtoavien elektronien määrä on pieni verrattuna tuikeaineessa laukeavien viritystilojen määrään. Lisäksi erotuskykyä huonontaa valomonistinputken kohina. Kokeellisesti mitatun erotuskyvyn lausekkeeksi voidaan kirjoittaa

9 R = α+β, (8) missä α ja β ovat käytetylle tuikeaineelle ja valomonistinputkelle ominaisia vakioita. Hyvän NaI(Tl)-ilmaisimen erotuskyky on 137 Cs:n lähettämälle 0,662 MeV:n gammasäteilylle 6 7%. A.7 Puolijohdeilmaisin Gammaspektroskopiassa yleisimmin käytetyt ilmaisimet ovat piistä tai germaniumista valmistettuja erikoisrakenteisia pin-diodeja (kuva 8), joiden napojen välillä on estosuuntainen jännite. Absorboituvan kvantin synnyttämä vapaa elektroni menettää nopeasti energiansa synnyttämällä puolijohteeseen suuren joukon elektroni-aukkopareja. Nämä varauksenkuljettajat keräytyvät nopeasti diodin kentässä elektrodeille, ja näin saatu varauspulssi vahvistetaan elektronisesti. Lämpöliikkeestä syntyvän kohinan vaimentamiseksi diodi ja sen välittömässä läheisyydessä oleva esivahvistimen kanavatransistori joudutaan usein jäähdyttämään nestetypen lämpötilaan (n. 77 K). Kuva 8: Puolijohdeilmaisimen kaaviokuva Puolijohdeilmaisimilla on hyvä erotuskyky. Ioniparin muodostumisenergia W on pieni (piillä ja germaniumilla n. 3 ev), joten ioniparien lukumäärä on noin kymmenkertainen kaasuilmaisimiin verrattuna. Toisaalta Fano-tekijä on pieni, n. 0,13 0,14. Yhtälön (4) mukaan saadaan tällöin R = 2,35 FW = 2,15eV. (9) Mikäli huomioidaan vielä ilmaisimen ja esivahvistimen kohina, on puolijohdeilmaisimen erotuskyvyn lauseke samaa muotoa kuin tuikeilmaisimissa (yhtälö (8)). Parhaiden puolijohdeilmaisimien puoliarvoleveys on 150 ev, kun mitataan yleisesti kalibrointiin käytettyä FeKα-viivaa ( =5,9 kev). Puolijohdeilmaisimien erotuskyky on huomattavasti parempi kuin tuikeilmaisimien, mutta huonoina puolina ovat korkea hinta sekä ilmaisimen vaatima jäähdytys.

10 A.8 Säteilyn energiaspektrin mittaaminen monikanava-analysaattorilla Säteilyn energiaspektri voidaan mitata kuvan 9 mukaisella laitteistolla. Laitteisto koostuu esivahvistimesta, digitaalisesta pulssinkäsittelijästä ja PC-tietokoneesta. Mittaustuloksena saadaan kuvan 4 kaltainen pulssinkorkeusjakauma, josta kalibroinnin avulla saadaan säteilyn energiaspektri. Kuva 9: Säteilyspektrin mittauksessa käytettävä laitteisto Esivahvistin. Välittömästi ilmaisinkiteen yhteyteen on sijoitettu esivahvistin, jonka tehtävänä on vahvistaa ilmaisinkiteessä syntynyt heikko sähköinen signaali. Esivahvistuksen ansiosta signaali voidaan siirtää koaksiaalikaapelia pitkin pulssinkäsittelyjärjestelmän muihin osiin, jotka yleensä suurikokoisina on sijoitettava kauas varsinaisesta ilmaisimesta. 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 pulssinkorkeusjakauman luominen. Pulssinkäsittelijässä esivahvistimen tuottama signaali ensin suodatetaan ja muokataan niin, että lopputuloksena on jännitepulssi, jonka amplitudi eli korkeus riippuu lineaarisesti hiukkasen tai kvantin ilmaisimessa luovuttamasta energiasta. Tämän jälkeen varsinainen pulssien analysointi eli pulssinkorkeusspektrin 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. Pulssinkorkeusspektri (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. Kalibrointi. Pulssinkäsittelyjärjestelmän kalibroinnissa säädetään pulssinkorkeuden maksimiarvo vastaamaan haluttua energia-arvoa. Kalibroinnissa käytetään gammalähteitä, joiden energiaspektri tunnetaan. Tällöin saadaan määritettyä kanavan ja gammakvanttien energian välinen riippuvuus, joka kuvan 10 tapaan esitettynä on yleensä likimain suoraviivainen. Kuva 10: Monikanava-analysaattorin kalibrointisuora