Министерство образования и науки Российской Федерации

«Национальный исследовательский ядерный университет

«МИФИ»

Факультет Экспериментальной и Теоретической физики

Кафедра № 11:

«Экспериментальные методы ядерной физики»

Специальность: «Физика атомного ядра и частиц»

Коды УДК: 539.12; 537.8

Код ОКП: 20ВТ70117

Проверка пропорциональности сцинтилляционного детектора

неорганического сцинтиллятора NaI(Tl) размером 40*40 мм² при

регистрации гамма-излучения c энергиями 0,5 – 1,4 МэВ

Отчёт по выполнению научно-исследовательской работы студента

№ отчёта:7

Инвентарный номер: Т70117

Исполнитель __________________ студентка группы Т7-11 Тимина А.П.

(подпись)

Руководитель _______________ ведущий инженер Шарапов М.П.

(подпись)

Утвердил ____________________ доцент Наумов П.Ю.

(подпись)

Комиссия ______________________________________________________

(подписи)

Москва, 2013

Реферат

Данная НИРС выполнена на лабораторной установке «Сцинтилляционный детектор», которая входит в учебный комплекс лабораторных работ по курсу «Экспериментальные методы ядерной физики» в лаборатории «Методы регистрации излучения» кафедры №11 НИЯУ МИФИ.

Объектом исследования является сцинтиллятор NaI(Tl). Цель работы: проверка пропорциональности сцинтилляционного детектора при регистрации ядерного излучения неорганического сцинтиллятора NaI(Tl) для уточнения характеристик детектора.

В результате исследования была получена и проанализирована зависимость амплитуд импульсов, соответствующих максимумам пиков полного поглощения от энергии гамма-квантов.

К работе прилагаются литературный и патентный обзоры по данной теме, графики, а также диск формата CD-R с используемыми в работе файлами и презентацией.

Содержание

Список обозначений и сокращений …………………………………………………………..4

Список определений…………………………………………………………………………….5

Введение………………………………………………………………………………………....6

Основная часть…………………………………………………………………………………..7

Заключение……………………………………………………………………………………..18

Список используемой литературы……………………………………………………………19

Приложение 1 (Патентный обзор)…………………………………………………………….20

Приложение 2 (Графики)………………………………………………………………………25

Приложение 3 (Описание программы)………………………………………………………..31

Приложение 4 (Литературный обзор)…………………………………………………………33

Приложение 5 (Файлы, приложенные на диске CD-R)……………………………………...34

Приложение (Диск CD-R)

Список обозначений и сокращений

В настоящем отчёте используются следующие обозначения и сокращения:

АЦП – аплитудно-цифровой преобразователь

МНК – метод наименьших квадратов

НИРС – научно-исследовательская работа студента

ОСГИ – обрасцово-спектрометрические источники гамма-излучения

ППП – полный пик поглощения

ТУ – технические условия

ФЭУ – фотоэлектронный умножитель

ЭП – эмиттерный повторитель

a – параметр линейной функции

b – параметр линейной функции

D – дисперсия измеряемой величины

dE/dx – удельные ионизационные потери

E – энергия гамма-квантов

N – номер канала спектра

N_max – номера канала максимума ППП

ΔN_max – абсолютная погрешность номера канала максимума ППП

n – число импульсов

σ – среднекватическое отклонение

Список определений

В настоящем отчёте используются следующие термины и, соответствующие им определения.

Аналогово-цифоровой преобразователь – сложнейшая электронная система, преобразующая значение амплитуды имульса в цифровой код. (Основы гамма-спектрометрии: http://aes.pp.ua/RSafety/P11-06.htm)

Время

- высвечивания – время, за которое возбужденная молекула высвечивает фотон с определенным значением энергии. [4]

Гигроскопичность – способность некоторых веществ поглощать водяные пары из воздуха. (Свободная энциклопедия: http://ru.wikipedia.org/wiki/)

Импульс сцинтиллятора – короткая вспышка. [4]

Сцинтиллятор – прибор, регистрирующий световые вспышки: электронное устройство для получения и обработки данных об амплитуде сцинтилляционного импульса, его форме, спектре свечения. [4]

Сцинтилляции – короткие вспышки света, возникающие в некоторых веществах в результате прохождения через них заряженных частиц. [2]

Фотокатод – часть любого устройства, в кот. происходит фотоэффект. [3]

Введение

Сцинтилляционный метод основан на регистрации коротких вспышек света, возникающих в некоторых веществах в результате прохождения через них заряженных частиц. Сцинтилляции отличаются от других видов свечения тем, что они обусловлены электронными переходами внутри центра свечения.

Преимуществом рассматриваемого метода является его универсальность. Он пригоден для регистрации практически всех видов ионизирующих излучений в широком диапазоне энергий (от единиц эВ до десятков ГэВ), включая, например, супермягкое ß-излучение изотопов 3Н или 14С и супержёсткое излучение ускорителей коллайдерного типа. Использование в качестве сцинтилляционных датчиков не только объёмных блоков, но и волокон или плёночных структур, а также жидких сцинтилляционных материалов ещё более расширяет возможность сцинтилляционного метода. В связи с этим однокристальные и комбинированные сцинтилляционные детекторы находят всё большее применение в ядерной физике, в геофизике, астрофизике и физике высоких энергий, в биофизике и биохимии, в радиохимии, в медицинской радиационной технике (сцинтиграфия, SPECT-, PET- и СТ-томография), а также в промышленных комплексах неразрушающего радиационного контроля и в комплексах для импактного радиоэкологического мониторинга территорий и акваторий. Особую актуальность сцинтилляционный метод приобретает в связи с необходимостью создания более совершенных комплексов технического контроля за первичным ядерным топливом и за изделиями из делящихся материалов из-за возможной опасности ядерного терроризма.

Патентное исследование, проведённое в ходе выполнения данной НИРС, показало, что до сих пор ведутся активные исследования по видоизменению сцинтилляторов и сцинтилляционных веществ с целью улучшения характеристик детекторов элементарных частиц; неорганические сцинтилляторы широко применимы в современных изобретениях.

Подробное описание патентного поиска приведено в приложении 1.

Понимание принципов работы сцинтилляционных детекторов, а следовательно, создание совершенных детекторов невозможно без детального исследования сцинтилляционного процесса.

Сцинтилляционный детектор в принципе является пропорциональным, поэтому можно найти условия, при которых сигнал на выходе детектора пропорционален поглощенной в детекторе энергии. Определение зависимости между амплитудами импульсов от энергий регистрируемых гамма-квантов является важным этапом в работе со сцинтилляционными детекторами. Поэтому заявленная тема данной НИРС, а именно, «Проверка пропорциональности сцинтилляционного детектора неорганического сцинтиллятора NaI(Tl) размером 40*40 мм² при регистрации гамма-излучения c энергиями 0,5 – 1,4 МэВ» является актуальной.

Основная часть

Для проверки пропорциональности сцинтилляционного детектора при регистрации гамма-излучения была исследована зависимость амплитуд импульсов, соответствующих максимумам пиков полного поглощения от энергий источников.

Для проведения энергетической калибровки был выбран неорганический сцинтиллятор NaI(Tl) размерами 40*40 мм ² . Основные характеристики данного вещества представлены в таблице 1 Данные взяты из учебного пособия Тимошенко Н.Г. «Методы экспериментальной ядерной физики» Международного университета природы, общества и человека “Дубна”, кафедры “Биофизика”.

Таблица 1

Основные характеристики неорганического кристаллического сцинтиллятора

Мате-риал	Плот-ность (г/см3)	Гиг-рос-ко-пич-ность	Коэф-фици-ент пре-лом-ления	Ради- ацион-ная длина	Время высве-чива-ния, мед-лен-ная ком-поне-нта (нс)	Время высве-чива-ния, быст-рая ком-поне-нта (нс)	Отно-ситель-ный свето-выход, % (ф/Кэв)	dE/dx	Энер-гети-ческое разре-шение	Длина волны макс. испу-скания
NaI(Tl)	3,67	да	1,85	2,59	230	5	100 (8,8)	-	6-8	415

Функциональная схема лабораторной установки, используемой в экспериментальной части представлена на рис.1. Перечень элементов, использованных в схеме, представлен ниже в таблице 2.

рис.1 Функциональная схема установки

Таблица 2

Перечень элементов функциональной схемы

Позиция	Наименование
1	блок питания эмиттерного повторителя
2	высоковольтный стабилизированный источник питания БНВ3-09
3	эмиттерный повторитель
4	фотоэлектронный умножитель
5	свинцовый экран
6	держатель источников
7	съемная крышка
8	светозащитный кожух
9	сцинтиллятор
10	усилитель
11	осциллограф С1-112А
12	амплитудный анализатор ПК

Принципиальная схема сцинтилляционного детектора изображена на рисунке 2.

Рис.2. Принципиальная схема сцинтилляционного детектора:

1 – сцинтиллятор; 2 – светопровод; 3 – фотокатод; 4 – диноды; 5 – анод.

Сцинтиллятор и фотоэлектронный умножитель размещены в блоке детектирования БДБСЗ-1еМ («Воря»). В верхней части светозащитного кожуха блока детектирования находится съемная крышка с держателем источников. Для уменьшения влияния внешнего фонового излучения на результаты измерений блок имеет свинцовый экран. При открывании верхней части экрана появляется доступ к крышке светозащитного кожуха. Для проведения измерений блок детектирования комплектуется набором сменных сцинтилляторов.

При работе сцинтилляционного детектора напряжение на ФЭУ подается от высоковольтного стабилизированного источника питания БНВЗ-09. Импульсы с анода ФЭУ через ЭП и усилитель подаются на вход многоканального амплитудного анализатора импульсов, который используется для измерения амплитуд импульсов, поступающих в случайные моменты времени, хранения и обработки информации. Анализатор выполнен на базе персонального компьютера, в системный блок которого встроена плата, содержащая амплитудно-цифровой преобразователь импульсов и память для хранения данных. С помощью осциллографа С1-112А осуществляется контроль формы импульсов и измерение их амплитуды.

Найденные технические данные и данные по ТУ для приборов представлены в таблице 3. Взято из паспортных данных приборов С1-112А8990 (6405/27) и БНВ-3-09.

Таблица 3.

Основные технические данные приборов.

Прибор	Параметр	Значение	Примечания
С1-112А	Ширина линии луча, мм, не более	0,8
	Основная относительная погрешность коэффициента отклонения при измерении на 4,6 делениях, %, не более	±4
	Время нарастания переходной характеристики, нс, не более	8
	Основная относительная погрешность для коэффициентов развертки 0,1 мкс/деление – 50 мс/деление при измерениях на 6,8,10 делениях, %, не более	±4
	Погрешность измерения напряжения постоянного тока, %	±(1+0,1(Uk/Ux))	Uk-конечное значение предела измерения, В Ux-измеряемая величина, В
	Погрешность измерения активных сопротивлений, %	±(2+0,1(Rk/Rx))	Rk-конечное значение предела измерения, Ом Rx-измеряемая величина, Ом
	Рабочая часть экрана, мм	40*60
	Среднее время восстановления, ч	3
	Мощность, потребляемая от сети питания, В*А Время непрерывной работы, ч	24
		8
	Время установления рабочего режима, мин	5
			Осциллограф- мультиметр С1-112А, заводской номер: 8990, соответствует ТУ ВФ2.014.010. Дата выпуска: 16.07.1990 г.
БНВ-3-09	Величина выходного напряжения максимальная, В	2500	Знак выходного напряжения положительный или отрицательный.
	Величина выходного напряжения минимальная, В	800
	Шаг ступенчатого изменения выходного напряжения, В	100
	Предел диапазона, В	100
			Блок питания высоковольтный БНВ-3-09 соответствует ТУ.

Перед выполнением эксперимента была тщательно проведена подготовка лабораторной установки к работе согласно инструкции, описанной в [2]. В ходе эксперимента были соблюдены меры предостороженности и техника безопасности [1], [2].

Высокое напряжение подавалось на электроды ФЭУ только при плотно закрытой верхней крышке светозащитного кожуха и крышке радиационного экрана непосредственно после включения БНВЗ-09 тумблером «Сеть».

Подготовка блока детектирования к работе была произведена следующим образом. Убедившись, что высокое напряжение на ФЭУ не подано, был открыт радиационный экран, расположенный в верхней части блока детектирования. Ослаблены винты, крепящие светозащитную крышку к кожуху. Установлен на фотокатод ФЭУ исследуемый сцинтиллятор NaI(Tl). Закрытие крышки светозащитного кожуха, установка в гнездо держателя требуемого источника гамма-квантов. Закрытие радиационного экрана. Установка на блоке БНВЗ-09 переключателя «kV» в положение 0,9 кВ. Включение всех приборов, кроме БНВЗ-09, в сеть.

Замена источников гамма-излучения производилась только при высоковольтном питании (блок БНВЗ-09).

В ходе проведения экспериментальной части был установлен сцинтиллятор NaJ(Tl) диаметром 40 мм и высотой 40 мм на фотокатод ФЭУ, применяя для лучшего оптического контакта специальную смазку. NaI(Tl) упакован в алюминиевый контейнер с толщиной стенки ≥ 1 мм, поэтому бета-частицы поглощаются в стенке и не попадают в кристалл NaI(Tl). В гнездо держателя был помещён источник гамма-квантов ⁶⁰Co. Напряжение питания ФЭУ было подобрано таким образом, чтобы пик полного поглощения располагался в 500-600 каналах. Время измерения – чтобы статистическая ошибка в максимуме распределения не превышала 3%. С помощью амплитудного анализатора было снято распределение импульсов по амплитудам. С помощью установленной программы обработки спектров были определены положения максимумов пиков полного поглощения (первичная обработка измеренного амплитудного распределения).

То же самое было проделано для других источников гамма-квантов из комплекта ОСГИ. В итоге, в работе учитываются наиболее активные – ²²Na, ¹³⁷Cs, выбранный дополнительно, ²⁴¹Am.

Так как пики близких по значению энергий не могут быть разрешены сцинтилляционным детектором, то для его калибровки по энергии лучше использовать источники, обладающие отдельными, ярко выраженными энергетическими линиями (например, ²⁴¹Am, ¹³⁷Cs,) или изотопы, имеющие небольшое число энергетических линий, расположенных на значительном удалении друг от друга (например, ²²Na, ⁶⁰Co) [5].

Изотопы из ОСГИ применяются в качестве рабочих эталонов для поверки и градуировки средств измерений фотонного излучения.

Информация об используемых в работе источниках представлена ниже в табл.4.

Таблица 4.

Источники гамма-квантов.

Изотоп	Энергия гамма-квантов, МэВ	Период полураспада
^22Na	0,511 1,276	2,6 года
^60Со	1,173 1,333	5,26 года
^137Cs	0,662	30 лет
^241Am	0,026 0,057	432 года

Для точных измерений был измерен фон за те же времена, за которые снимались спектры от источников – 1,5 мин и 10 мин.

Напряжение для всех снятых спектров было подобрано таким образом, чтобы максимальная амплитуда импульсов не превышала диапазона работы блока амплитудного анализатора, т.е. была меньше 10,0 В. Оценка амплитуды импульсов проведена с помощью осциллографа, и оказалась равной 3,5 В.

В результате были получены исходные данные в виде снятых спектров, приложенных на диске CD-R, в текстовом формате с расширением *txt.

По полученным данным были построены распределения импульсов по амплитудам с вычтенным предварительно фоном. Данная обработка полученных спектров была произведена в программе Microsoft Office Excel.

В ходе обработки спектров было выявлено, что распределение полученное, от источника гамма-квантов ²⁴¹ Am, не может быть использовано для проверки пропорциональности детектора, так как распределение не соответствует заявленным параметрам: отсутствуют чётко выраженные пики с отношение энергий (E=0,026; 0,057 МэВ) 2,2 . Это можно объяснить тем, что исследуемый сцинтиллятор не чувствителен к столь низким значениям энергий. Также энергетический выход для америция должен быть: 2,4%, 36%. Поэтому ²⁴¹ Am не предложен для изучения в лабораторном комплексе.

Также для сравнения полученных пиков с ожидаемыми были найдены экспериментальные данные со схожими установленными данными [6],[8]. Все распределения совпадают по своему виду с ожидаемыми, кроме распределения для америция.

Найденные значения номеров максимумов каналов ППП и число импульсов немного различны, так в найденном эксперименте использовался сцинтиллятор NaI(Tl) размером 38*38 мм². Время набора спектра было меньше, чем выбранное в ходе проведения эксперимента НИРС.

Графики всех полученных экспериментально и выбранных в качестве образцовых распределений представлены в приложении 2.

Распределения, полученные от источников, приведены с учётом фонов. Значения фона вычитались поканально.

Для ²²Na в приложении представлено два графика. Первый график отражает всё полученное распределение. Самый крайний правый пик, соответствующий 781 – 787 номерам каналов, является результатом нарушения линейности в конце регистрации излучения. Он присутствует на всех распределениях от всех исследуемых источников. Отрицательные значения по оси амплитуд объясняются флуктуациями коэффициента усиления. На втором графике для того же источника данный пик не изображён, так как он не нужен в исследовании. Далее все графики распределений показаны без данного участка.

Методика вычисления погрешности для номеров каналов ППП.

С помощью программы Excel по построенным распределениям была оценена погрешность для номеров каналов для каждого пика.

Для этого программным способом в пике проводилась прямая на его полувысоте, вверх и вниз откладывались корни данного значения числа импульсов. В полученном туннеле программным методом подсчитывались точки, попавшие в интервал в пределах своих погрешностей.

Пример обработки одного из таких пиков указан ниже на рис.3, 4 (на рисунке 4 – увеличенно).

Рис.3,4. Обработка пика натрия-22 для подсчёта погрешности максимума номера канала.

Остальные пики обрабатывались аналогичным образом.

Полученные данные, по которым далее происходила проверка пропорциональности исследуемого сцинтилляционного детектора, указаны в табл. 5.

Таблица 5.

Полученные экспериментальные данные для проверки пропорциональности исследуемого сцинтилляционного детектора.

Источник гамма-квантов	Е, МэВ	Nmax	ΔNmax
^22Na	0,511 1,276	283 679	9 26
^60Со	1,173 1,333	628 715	15 18
^137Cs	0,662	366	7

Полученные значения погрешностей не во всех случаях увеличиваются с ростом значений энергий и номера канала. Это может быть связано с флуктуациями распределения импульсов частиц и коэффициента усиления, а также с возможной ошибкой оператора.

Построение зависимости амплитуд импульсов, соответствующих максимумам пиков полного поглощения, от энергии гамма-квантов была произведена с помощью МНК для линейной функции в программе Mathcad Professional. Данный метод был применён на основе данных, полученных из [2], [3].

Использование метода наименьших квадратов для линейной функции

Предположительно имеется совокупность экспериментальных данных в виде пар измеренных чисел (x₁,y₁), (x₂,y₂), … , (x_n, y_n). В исследуемом случае - это пары (N₁,E₁), (N₂,E₂), … , (N_n, E_n).

Известно, что искомая зависимость между значениями N и Е должна быть линейной, так как сцинтилляционный детектор должен быть пропорциональным, т.е. y=a+bx. Таким образом у в каждой точке определяет х. Эта зависимость будет наилучшей, если сумма квадратов отклонений, измеренных у от значений, вычисленных y=a+bx, окажется минимальной:

Σ(y_i – (a+bx_i))²=min. (1)

Из этого условия находятся неизвестные параметры a и b прямой :

a= (Σ x_i²Σy_i-Σx_iΣx_iy_i)/D (2)

b= (nΣ x_iy_i-Σx_iΣy_i)/D (3),

где D - дисперсия, D= nΣ x_i²- (Σx_i) ² (4),

n – количество измерений ( в нашем случае = 5).

Найденные по методу наименьших квадратов значения a и b выражаются через суммы значений величин y и, следовательно, имеют погрешности, которые выражаются следующими формулами:

σ(a)=σy√(Σx_i²/D) (5),

σ(b)=σy√(n/D) (6),

где σ_y = √(Σy_i(y_i-a-bx_i)²/(n-2)) (7).

Для проверки пропорциональности выбрано, в итоге, 3 источника гамма-квантов: ²²Na, ⁶⁰Со, ¹³⁷Cs. По пяти значениям энергий и соответствующим максимумам каналов была построена прямая y=a+bx с найденными предварительно неизвестными параметрами a и b. Данные величины выражаются через суммы случайных величин y, и, следовательно, имеют соответствующие погрешности, формулы которых и значения приведены в приложении.

График зависимости амплитуд импульсов, соответствующих максимумам пиков полного поглощения от энергии гамма квантов, полученный с помощью метода МНК представлен на рисунке 5. Из графика видно, что зависимость является линейной, как и следовало ожидать. Следовательно, изучаемый сцинтилляционный детектор является пропорциональным в исследуемом диапазоне энергий.

Рис.5. График зависимости амплитуд импульсов, соответствующих максимумам ППП

от энергии гамма-квантов (x_i – номера каналов, y_i – энергии гамма-квантов).

Для сравнения приведён график, полученный в [6], полученный при калибровке сцинтилляционного детектора по ¹³⁷Cs и ⁶⁰Co (рис. 6). Исследуемая зависимость также является пропорциональной.

Возможная причина отличия полученных в ходе НИРС значений от представленных в [6] была описана ранее.

Рис.6. График зависимости амплитуд импульсов, соответствующих максимумам ППП

от энергии гамма-квантов из [6].

Полученные распределения и страница программы с использованием МНК приведены в приложениях 2,3 отчёта.

Заключение

По результатам эксперимента была получена зависимость амплитуд импульсов, соответствующих максимам пиков полного поглощения от энергии гамма-квантов. Данная зависимость является пропорциональной, как и следовало ожидать. Таким образом, можно утверждать, что данный сцинтилляционный детектор является пропорциональным в исследованном диапазоне энергий гамма-квантов.

Проверка исследуемой характеристики позволяет достоверно судить о возможностях существующего в лаборатории сцинтилляционного детектора.

Список используемой литературы

[1]. Инструкция по безопасности труда студентов, проходящих лабораторный практикум на кафедре № 11 МИФИ Регистрационный номер инструкции: II – 1988 – 85 БТ. [Tекст] //Москва: МИФИ, 1985. – 2с.

[2]. Кирсанов М.А. Сцинтилляционный детектор [Текст] //Лабораторный практикум по курсу: «Экспериментальные методы ядерной физики». «Сцинтилляционный детектор»/М.А. Кирсанов, В.В. Кушин, Н.А. Миханчук, С.Г. Покачалов – Москва: МИФИ, 2006. – 24 с.

[3]. Кирсанов М.А. Введение в методику ядерно-физического эксперимента [Текст] //Лабораторный практикум по курсу: «Экспериментальные методы ядерной физики». «Введение в методику ядерно-физического эксперимента»/М.А. Кирсанов, В.В. Кушин, Н.А. Миханчук, С.Г. Покачалов – Москва: МИФИ, 2006. – 40 с.

[4]. Ляпидевский В.К. Методы детектирования излучений [Текст] //Методы детектирования излучений: Учебное пособие для вузов – Москва: Энергоатомиздам, 1987. – 408 с.

[5]. Бойко В.И. Методы и приборы для измерения ядерных и других радиоактивных материалов. [Текст] //Учебное пособие: Образовательная программа в области физической ядерной безопасности. «Методы и приборы для измерения ядерных и других радиоактивных материалов»/ Бойко В.И., Жерин И.И., Каратаев В.Д., Недбайло Ю.В., Силаев М.Е. – Москва: МАГАТЭ, 2011. – 356 с.

[6]. R. L. Heath, Scintillation Spectrometry, Gamma-Ray Spectrum Catalog, 1 and 2, Report No. IDO-16880. Available from the National Technical Information Center, U. S. Dept. of Commerce, Springfield, Virginia[Тext] ./ USA. – 19 p.

[7]. Абрамов А.И. Основы экспериментальных методов ядерной физики [Текст]// «Основы экспериментальных методов ядерной физики»/ Абрамов А.И., Казанский Ю.А., Матусевич Е.С. – Москва: Энергоатомиздат, 1977. – 526 с.

[8]. Gilmore G, Hemingway J.D. Practical gamma-ray spectrometry. [Text]// John Wiley & Sons, Chichester,/ USA 1995, - 314 p.