Характеристики детекторов.

Процесс детектирования излучения пребывает в получении с детектора электрического импульса (тока, напряжения) и измерении его черт.

Рис. 11.6.2. Гистограмма импульсов

Уже при ближайшем рассмотрении обнаруживается, что две частицы, имеющие однообразные энергии, создают мало разные по величине электрические импульсы. В случае если выстроить частотную гистограмму амплитуд электрических импульсов, то окажется фигура, изображенная на рисунке Рис.1.6.2. Для сравнения рядом нарисована гистограмма энергий заряженных частиц, пролетающих через детектор (в отечественном примере все частицы имеют равные энергии).

Видно, что гистограмма энергий под влиянием каких-то изюминок детектора расплывается, так что по конечной гистограмме импульсов детектора возможно выяснить энергию частицы только с некоей точностью, которая именуется энергетическим разрешением детектора.

Термин энергетическое разрешение имеет глубочайший физический суть. Пускай, к примеру, через детектор пролетают частицы, имеющие энергии двух родных значений E1 и E2. Тогда гистограммы (Рис. 11.6.2) примут вид (Рис. 11.6.3) и при некоторых E1 и Е2 станет нереально поделить импульсы, пришедшие от частиц с энергией E1 от импульсов от частиц с Е2. В этом случае говорят, что разрешение детектора не разрешает поделить частицы с энергиями, отличающимися на DE = E2 — E1.

Рис. 11.6.3. Определение энергетического разрешения детектора

Наряду с этим DЕ и имеется энергетическое разрешение детектора.

Энергетическое разрешение измеряют в КэВ и тогда говорят об полном разрешении либо в процентах:

и тогда e — относительное энергетическое разрешение.

Энергетическое разрешение возможно выяснить, и не имея источника частиц родных энергий. Принято вычислять энергетическим разрешением полную ширину гистограммы импульсов для частиц одной энергии, измеренную на полувысоте пика. Данный параметр есть серьёзной чёртом детекторов и обозначается ПШПВ либо FWHM (Full Width on Half Magnitude).

Относительное разрешение:

Но отчего же размывается энергетическая гистограмма?

Основной обстоятельством являются так именуемые флуктуации ионизации. Ионизация атомов при прохождении заряженной частицы — случайный процесс, исходя из этого, в случае если одна частица с энергией Е создаёт n1 пар зарядов, то вторая может произвести n2 актов ионизации и т.д. Среднее число пар зарядов будет равняется

где I — потенциал ионизации атомов вещества детектора. В теории математической статистики утверждается, что в процессах, проходящих в детекторе, флуктуации ионизации

где Dn — полное среднее отклонение n от среднего значения. Разумеется, что чем больше n для данной частицы, тем меньше будут относительные флуктуации dn:

и тем выше будет разрешение e.

Расширить же n возможно методом уменьшения I. Вот из-за чего лучшие разрешения были взяты на ППД, где I практически в 20 раз меньше, чем в газонаполненных детекторах. Основная изюминка флуктуации пребывает в том, что они принципиально неустранимы, т.к. являются неотъемлемым элементом процесса ионизации. В этом смысле флуктуационное энергетическое разрешение есть максимально достижимым для данного типа детектора.

Для сцинтиляционных детекторов флуктуирует число так называемых центров высвечивания, образующихся при прохождении заряженной частицы через сцинтиллятор. Помимо этого, изменяется и число электронов, выбиваемых фотонами с фотокатода.

Рис. 11.6.4. Влияние шумов на энергетическое разрешение детектора

Вторая обстоятельство размывания — шумы.

Шумы бывают по большей части двух типов. Первый тип — тепловые шумы, которые связаны с тем, что через любой детектор протекают микротоки, вызванные тепловыми флуктуациями заряда. В ФЭУ это темновые токи, появляющиеся по причине того, что электроны смогут оторваться от фотокатода и в отсутствие света.

В ППД это тепловые токи, которые связаны с неидеальностью кристаллической решетки детектора и наличием примесей в обедненной территории. Исходя из этого для уменьшения шумов ППД стремятся применять кристаллы вероятно более высокой частоты и действующий при низких температурах.

Второй тип шумов связан с чисто электрическими процессами в аппаратуре; шумами транзисторов, наводками из электросети и т.д.

Чтобы выяснить, как шумы приводят к размыванию энергетической гистограммы, разглядим несложный случай. Пускай с детектора наровне с нужными импульсами тока поступает маленькой синусоидальный шум гораздо меньшей амплитуды (рис.Рис.11.6.4). Тогда, в случае если нужный импульс совпадет с вершиной шумового сигнала, их амплитуды будут складываться. В случае если же нужный импульс попадет на минимум шумового сигнала, амплитуды вычтутся. Наряду с этим нужные сигналы однообразной амплитуды попадут в пик и разные области гистограммы расплывется.

Электрические шумы современной аппаратуры достигают в десятки раз меньших размеров, чем личные шумы детекторов (само собой разумеется, при верном подключении аппаратуры, хорошей экранировке от помех и заземлении). Личный шум детекторов во многом зависит от температуры.

Вот из-за чего для прецизионных измерений применяют охлаждаемые детекторы, действующий при низких температурах.

Представим, что какой -либо источник испускает гамма-кванты определенной энергии, и разглядим, как будет происходить регистрация этих гамма-квантов детектором (в этом случае детектор возможно любым).

Из N гамма-квантов, вылетевших из источника, часть пролетит мимо детектора, часть — через него, не провзаимодействовав, часть рассеется по механизму комптоновского рассеяния, часть образует пары и лишь Nф — поглотятся по механизму фотоэффекта, образовав нужные импульсы тока на детекторе, каковые дадут гистограмму, рассмотренную ранее.

Справедливости для, нужно подчернуть, что гамма-кванты смогут (один либо пара раз) рассеяться но механизму комптоновского рассеяния, не покидая детектор, а позже поглотиться в нем. В этом случае амплитуда сигнала с детектора будет такой же, как и при фотоэлектрического поглощения. Гистограмму, продемонстрированную на рисунке. Рис. 11.6.2 именуют пиком полного поглощения (ППП). Физически это указывает, что в случае если гамма-квант всецело поглотился в детекторе, он образует электрический импульс, попадающий в область пика.

Пускай, наровне с Nф некое число гамма-квантов Nп всецело поглотилось по вторым механизмам. Тогда полное число всецело поглотившихся гамма-квантов, а, следовательно, и число событий в гистограмме ППП равняется Nпп = Nф + Nп. В случае если отнести это число (Nпп) к числу гамма-квантов, вылетевших из источника, мы возьмём один из наиболее значимых параметров любого детектора — эффективность e:

Зная эффективность детектора для гамма-квантов данной энергии, мы можем по Nпп легко взять N0, т.е. практически активность источника. (Для получения активности необходимо N0 еще поделить на коэффициент интенсивности данной гамма-линии нуклида).

Эффективность детектора зависит от типа детектора (его размеров, конфигурации, материала и т.д.), энергии гамма-квантов и геометрии измерения. Строго говоря, необходимо знать эффективность каждого детектора для любой энергии и в любой геометрии. На практике измеряют эффективность конкретного детектора для нескольких энергий, полученные значения аппроксимируют какой-либо эргономичной функцией, к примеру, полиномом, разрешающей вычислить эффективность для любых промежуточных значений энергии. В большинстве случаев, выбираются пара стандартных геометрий измерения.

Геометрией измерения именуется обоюдное размещение в пространстве источника конкретной детектора и формы. В большинстве случаев употребляется 1-2 стандартных геометрии. Стандартные геометрии — это точечная геометрия, геометрия Маринелли, геологическое кольцо и другие.

Точечная геометрия свидетельствует точечный источник, расположенный в большинстве случаев на продольной оси детектора на расстоянии, существенно превышающим характерный размер детектора (Рис.11.6.5).

Рис.11.6.5. Точечная геометрия

Точечная геометрия в большинстве случаев употребляется для определения нуклидного активности и состава высокоактивных проб, каковые, будучи измерены в других геометриях, позвали бы перегрузку спектрометра. В точечной геометрии расстояние между детектором и источником должно быть большое количество больше детектора и размеров источника, это условие нужно для соблюдения точечности. Наряду с этим размеры и форма источника несущественны.

Эффективность в точечной геометрии рассчитывается для конкретного расстояния источник-детектор (либо для нескольких расстояний), исходя из этого запрещено произвольно поменять положение источника.

Геометрия Маринелли реализуется посредством особого сосуда, емкостью 1л либо 0.5л формы, представленной на Рис.11.6.6. Сосуд надевается на детектор, окружая его, так, практически со всех сторон. Эффективность детектора наряду с этим велика если сравнивать с остальными геометриями.

Рис.11.6.6. Геометрия Маринелли

Геометрия геологическое кольцо в большинстве случаев употребляется для измерений проб грунта (Рис.11.6.7). Геологическое кольцо представляет собой железное кольцо со съемными крышками. При пробоотборе кольцо вдавливают в грунт и после этого вынимают, так что в нем удерживается цилиндрическая проба верхних 5-10 см грунта. Затем кольцо закрывают крышками с двух сторон и помещают на детектор. Время от времени кольцо применяют и для простых измерений. Это не редкость при работе с громадными сцинтилляционными детекторами без колодца (150×100 мм), для которых, неосуществима геометрия Маринелли.

Рис.11.6.7. Геометрия геологическое кольцо

Еще одна довольно часто применяемая геометрия — Дента — это коробочка из под зубного порошка диаметром 80 мм и высотой 50 мм, которая ставится на рабочий торец детектора.

Дента эргономична в тех случаях, в то время, когда количество пробы через чур мелок для Маринелли.

Кроме стандартных смогут употребляться и произвольные геометрии, любая из которых испытывает недостаток в определении эффективности.

Ниже приведены экспериментальные информацию об эффективности разных детекторов в разных геометриях для трех энергий гамма-квантов:

Из таблицы для эффективностей регистрации в разных геометриях получается, что эффективность для геометрии Дента больше, чем для геометрии Маринелли. Отчего же тогда геометрия Маринелли признана оптимальной для гамма-спектрометрических измерений по определению активности радионуклидов в пробах?

Недоразумение исчезает, в случае если ввести понятие удельная эффективность. Назовем удельной эффективностью отношение эффективности регистрации для конкретной энергии к массе пробы единичной плотности (в кг). Сейчас таблица эффективностей будет смотреться так:

Это значит, что для проб с однообразной удельной активностью возможность регистрации одного гамма-кванта, появившегося в пробе, в геометрии Маринелли будет для.энергии 239 кэВ в 7.4 раза больше, для энергии 583 кэВ — в 6.3 раза, а для энергии 2614 кэВ — в 7.9 раза больше, чем в геометрии Дента. Кроме того, что для измерения проб равной удельной активности в геометрии Маринелли требуется примерно в семь раз меньше времени, минимально измеряемая активность 137Cs в геометрии Маринелли в большинстве случаев равна 1.5-2 Бк/кг, а в геометрии Дента 10-15 Бк/кг.

Тест видеорегистраторов с радар-детекторами

Похожие статьи:

• Характеристика программно-методического обеспечения
• Числовые характеристики cв
• Характеристика методов решения задач оптимизации