Gamma- ja röntgenspektrin mittaaminen monikanava-analysaattorilla

Samankaltaiset tiedostot
Gamma- ja röntgenspektrin mittaaminen monikanava-analysaattorilla

FYS207/K5. GAMMASÄTEILYN JA AINEEN VUOROVAIKUTUS

A.1 Ionisoivan säteilyn ja ilmaisinaineen vuorovaikutukset

FYSP106 / K2 RÖNTGENFLUORESENSSI

TYÖ 1.3 Gammasäteilyn energiaspektri

Kvantittuminen. E = hf f on säteilyn taajuus h on Planckin vakio h = 6, Js = 4, evs. Planckin kvanttihypoteesi

GAMMASÄTEILYMITTAUKSIA

1 Johdanto. 2 Lähtökohdat

Fysiikka 8. Aine ja säteily

Radioaktiivisen säteilyn läpitunkevuus. Gammasäteilty.

Työssä tutustutaan hajoamislakiin ja määritetään 137 Ba:n viritystilan kev keskimääräinen elinaika ja puoliintumisaika.

PIXE:n hyödyntäminen materiaalitutkimuksessa

3 SÄTEILYN JA AINEEN VUOROVAIKUTUS

CBRNE-aineiden havaitseminen neutroniherätteen avulla

Hajoamiskaaviot ja niiden tulkinta (PHYS-C0360)

Käy vastaamassa kyselyyn kurssin pedanet-sivulla (TÄRKEÄ ensi vuotta ajatellen) Kurssin suorittaminen ja arviointi: vähintään 50 tehtävää tehtynä

Suhteellisuusteoriasta, laskuista ja yksiköistä kvantti- ja hiukkasfysiikassa. Tapio Hansson

Atomin ydin. Z = varausluku (järjestysluku) = protonien määrä N = neutroniluku A = massaluku (nukleoniluku) A = Z + N

Osallistumislomakkeen viimeinen palautuspäivä on maanantai

Säteilyannokset ja säteilyn vaimeneminen. Tapio Hansson

Experiment Finnish (Finland) Hyppivät helmet - Faasimuutosten ja epätasapainotilojen mekaaninen malli (10 pistettä)

RADIOAKTIIVISUUS JA SÄTEILY

Ch4 NMR Spectrometer

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

n=5 n=4 M-sarja n=3 L-sarja n=2 Lisäys: K-sarjan hienorakenne K-sarja n=1

25A40B 4h. RADIOAKTIIVINEN SÄTEILY

Leptonit. - elektroni - myoni - tauhiukkanen - kolme erilaista neutriinoa. - neutriinojen varaus on 0 ja muiden leptonien varaus on -1

eriste C K R vahvistimeen Kuva 1. Geigerilmaisimen periaate.

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 3 Kevät E 1 + c 2 m 2 = E (1) p 1 = P (2) E 2 1

PHYS-C0240 Materiaalifysiikka kevät 2017

Työn tavoitteita. 1 Teoriaa

Perusopintojen Laboratoriotöiden Työselostus 1

Infrapunaspektroskopia

Kohina. Havaittujen fotonien statistinen virhe on kääntäen verrannollinen havaittujen fotonien lukumäärän N neliö juureen ( T 1/ N)

AKTIIVISUUDEN MÄÄRITYS

S Fysiikka III (EST) (6 op) 1. välikoe

Nimi: Muiden ryhmäläisten nimet:

766326A Atomifysiikka 1 - Syksy 2013

PHYS-A1110 Laboratoriotyöosuus. Vastaava opettaja Jani Sainio puh: huone 138 (OK 4A)

Valosähköinen ilmiö. Kirkas valkoinen valo. Himmeä valkoinen valo. Kirkas uv-valo. Himmeä uv-valo

Havaitsevan tähtitieteen peruskurssi I. Datan käsittely. Jyri Lehtinen. kevät Helsingin yliopisto, Fysiikan laitos

Teema 3: Tilastollisia kuvia ja tunnuslukuja

25A40B 4h. RADIOAKTIIVINEN SÄTEILY

infoa tavoitteet E = p2 2m kr2 Klassisesti värähtelyn amplitudi määrää kokonaisenergian Klassisesti E = 1 2 mω2 A 2 E = 1 2 ka2 = 1 2 mω2 A 2

Mittaustulosten tilastollinen käsittely

Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

Mikrotila Makrotila Statistinen paino Ω(n) 3 Ω(3) = 4 2 Ω(2) = 6 4 Ω(4) = 1

Harjoitustehtävien vastaukset

LIITE 11A: VALOSÄHKÖINEN ILMIÖ

Hiukkasfysiikka. Katri Huitu Alkeishiukkasfysiikan ja astrofysiikan osasto, Fysiikan laitos, Helsingin yliopisto

L a = L l. rv a = Rv l v l = r R v a = v a 1, 5

Successive approximation AD-muunnin

A Z X. Ydin ja isotoopit

Teoreetikon kuva. maailmankaikkeudesta

Säteilyannokset ja säteilyn vaimeneminen

Opetusesimerkki hiukkasfysiikan avoimella datalla: CMS Masterclass 2014

ECR-ionilähteen tuottaman röntgensäteilyn simulointi

Ohjeita fysiikan ylioppilaskirjoituksiin

Aluksi Kahden muuttujan lineaarinen yhtälö

25A40B 4h. RADIOAKTIIVINEN SÄTEILY

FYSA242 Statistinen fysiikka, Harjoitustentti

Tiedonkeruu ja analysointi

GEIGERIN JA MÜLLERIN PUTKI

Radioaktiivisten päästöjen mittaaminen ilmanvaihdon poistoilmasta. Anssi Nykänen

40D. RADIOAKTIIVISUUSTUTKIMUKSIA

SPEKTROMETRI, HILA JA PRISMA

Työ 2.1: Positronimittaukset puolijohteissa

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

Vastksen ja diodin virta-jännite-ominaiskäyrät sekä valodiodi

CCD-kamerat ja kuvankäsittely

S OPTIIKKA 1/10 Laboratoriotyö: Polarisaatio POLARISAATIO. Laboratoriotyö

Havaitsevan tähtitieteen peruskurssi I

Työ 21 Valon käyttäytyminen rajapinnoilla. Työvuoro 40 pari 1

FRANCKIN JA HERTZIN KOE

TIIVISTELMÄRAPORTTI NEUTRONISÄTEILYÄ LÄHETTÄVIEN AINEIDEN HAVAITSEMINEN JA TUNNISTAMINEN

Havainto uudesta 125 GeV painavasta hiukkasesta

Röntgenkuvaus, digitaalinen kuvaus ja tietokonetomografia

FYSA230/2 SPEKTROMETRI, HILA JA PRISMA

Tiedonkeruu ja analysointi

Limsan sokeripitoisuus

766326A ATOMIFYSIIKKA 1 - SYKSY 2017

Tilat ja observaabelit

Luku 14: Elektronispektroskopia. 2-atomiset molekyylit moniatomiset molekyylit Fluoresenssi ja fosforesenssi

Kojemeteorologia. Sami Haapanala syksy Fysiikan laitos, Ilmakehätieteiden osasto

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 4 Kevät 2017

RADIOAKTIIVISUUS JA SÄTEILY

55 RADIOAKTIIVISUUS JA SÄTEILY

Kuva 1. Fotodiodi (vasemmalla) ja tässä työssä käytetty mittauskytkentä (oikealla).

Perusvuorovaikutukset. Tapio Hansson

YDINSPEKTROMETRIA TENTTI mallivastaukset ja arvostelu max 30 p, pisterajat 15p 1, 18p 2, 21p 3, 24p 4, 27p - 5

Perusvuorovaikutukset. Tapio Hansson

Ydinfysiikkaa. Tapio Hansson

Kanelihappokiteiden fotodimerisaatio ja röntgen-ramanmittaukset. Tuomas Talka

Tehtävänä on tutkia gammasäteilyn vaimenemista ilmassa ja esittää graafisesti siihen liittyvä lainalaisuus (etäisyyslaki).

- Pyri kirjoittamaan kaikki vastauksesi tenttipaperiin. Mikäli vastaustila ei riitä, jatka konseptilla

Estimointi. Estimointi. Estimointi: Mitä opimme? 2/4. Estimointi: Mitä opimme? 1/4. Estimointi: Mitä opimme? 3/4. Estimointi: Mitä opimme?

VAIHTOVIRTAPIIRI. 1 Työn tavoitteet

FoA5 Tilastollisen analyysin perusteet puheentutkimuksessa. Luentokuulustelujen esimerkkivastauksia. Pertti Palo. 30.

3.1 Varhaiset atomimallit (1/3)

1.1 ATOMIN DISKREETIT ENERGIATILAT

Transkriptio:

Gamma- ja röntgenspektrin mittaaminen monikanava-analysaattorilla Fysiikan laboratoriotöissä käytetään digitaalista pulssinkäsittelijää töiden, 1.3 (Gammasäteilyn energiaspektri) ja 1.4 (Elektronin suhteellisuusteoreettinen liikemäärä) yhteydessä. Energiaspektri 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.

% 75 % Comptonin sironta 364 kev:n prim aarinen piikki 50 25 E/keV E/keV 20 0 40 0 60 0 johtuu 364 kev:a suuremm ista om in. energioista Kuva 1. Gammaemissiospektri ja mitattu energiaspektri Ilmaisimet 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 1.3 & 1.4) 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.

Pulssien käsittely Pulssinkäsittelyjärjestelmän (kuva 2) tarkoituksena on muuttaa ilmaisimelta saatavan heikon signaalin sisältämä informaatio havainnollistavaan muotoon. Se koostuu esivahvistimesta, digitaalisesta pulssinkäsittelijästä ja tietokoneesta. Esivahvistin Kuva 2. Pulssinkäsittelyjärjestelmä 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: Pulssinkorkeushistogrammi esitetään yleensä pistejoukkona 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 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 Ei ja mitattujen kanavien xi 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) 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 ( k k) x ( b b) ja E ( k k) x ( b b) 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, http://www.fyslab.hut.fi/kurssit/tfy-3.15xx/luentomat/tulostenkasittely.pdf, 'PNS ja graafinen esitys', viitattu 23.10.2007