3. Dawki promieniowania
4.2. Pomiar promieniowania α z zastosowaniem detektora półprzewodniko-
Rejestracja promieniowania α w spektrometrze dokonywana jest najczęściej z użyciem krzemowego detektora półprzewodnikowego z cienkim okienkiem wejściowym (fot. 2). Detektory dostępne obecnie na rynku to np. DJD (ang.
Diffused Junction Detector) lub SBSD (ang. Surface Barrier Silicon Detector
60 Stosowane metody pomiarowe
Fot. 2. Spektrometr α 7401VR firmy Canberra — Packard:
a— otwarta komora pomiarowa z widocznym detektorem półprzewodnikowym oraz źródłem α-spektrometrycznym, b — stanowisko pomia-rowe w ZFJiJZ
a)
b)
— detektor z barierą powierzchniową). W takich detektorach krzem typu n ma od frontu tzw. barierę powierzchniową ze złota, natomiast z tyłu — warstwę z aluminium jako kontakt oporowy. Dziedziny takie, jak: analiza radiochemicz-na w badaniach środowiskowych, fizyce medycznej, geologii czy geomorfo-logii, wymuszają produkcję detektorów z niższym tłem, lepszą zdolnością rozdzielczą, wyższą wydajnością detekcji cząstek, większą odpornością i sta-bilnością pomiarową niż otrzymane w starszych rozwiązaniach. Nowoczesne detektory implantowane jonami, jak PIPS (ang. Passivated Implanted Planar Silicon — pasywowane, implantowane, krzemowe detektory planarne, firmy Canberra) lub Ruggedized Detectors (firmy Ortec) są najnowocześniej zbudo-wanymi detektorami cząstek naładowanych i niemal pod każdym względem przewyższają jakością inne typy detektorów.
Napięcie pracy detektora wynosi kilkadziesiąt woltów. Cząstka α po przejś-ciu przez detektor deponuje w nim swą energię, co wytwarza sygnał proporcjo-nalny do tej energii. Po wzmocnieniu w przedwzmacniaczu i wzmacniaczu sy-gnał trafia do konwertera analogowo-cyfrowego ADC, w którym jego amplituda porównywana jest z sygnałem rosnącym schodkowo. Numer „schodka” jest rów-nocześnie adresem komórki pamięci, w której w trakcie pomiaru gromadzone jest widmo. Schemat blokowy przedstawiony na rys. 9 jest podobny do opisane-go dalej schematu spektrometru promieniowania γ.
Najważniejszymi parametrami charakteryzującymi detektor promieniowania α są zdolność rozdzielcza FWHM (ang. Full Width at Half Maximum) i wyso-kość szumów tła. Wysoką zdolność rozdzielczą otrzymuje się w detektorach z cienkim okienkiem wejściowym na powierzchni detektora. Ogranicza to roz-rzut energii cząstek, a co za tym idzie — nie powoduje poszerzenia linii wid-mowych. Ponadto mały prąd upływowy detektora zapewnia niskie tło, co rów-nież wpływa na dobrą zdolność rozdzielczą. W detektorach PIPS uzyskiwane
4. Spektrometria α 61
ród³o -spektrometryczne a
Detektor Zasilacz (oko³o 50 V)
Przed-wzmacniacz Wzmacniacz
Konwerter
analogowo--cyfrowy
Wielokana³owy analizator amplitudy Rys. 9.Schemat blokowy jednokomorowego spektrometru promieniowania α
zdolności rozdzielcze wynoszą około 18—20 keV (w przypadku detektorów o powierzchni czynnej 300—450 mm2).
Na zdolność rozdzielczą mają wpływ również czynniki zewnętrzne, takie jak: odległość usytuowania źródła od detektora, promień źródła czy jego jakość.
Wraz ze wzrostem odległości źródła od detektora maleje wydajność pomiarowa.
Gdy źródło zostanie maksymalnie przybliżone do detektora, następuje wzrost wydajności pomiaru kosztem poszerzenia linii widmowych. Liczba cząstek wchodzących do detektora pod dużymi kątami zwiększa się, a tym samym zwiększa się rozrzut energii cząstek. Prowadzi to do pojawienia się od strony niskich energii asymetrii w kształcie linii widmowych, co może nawet spowodo-wać przekrywanie się wzajemne linii, które leżą bliżej siebie. Przykładowy fragment widma promieniowania α ukazujący wymienione problemy pomiaro-we wraz z rozdzieleniem pokrywających się linii pokazano na rys. 10.
Podstawowym założeniem dotyczącym rozmiaru wytworzonego źródła α-spektrometrycznego jest, by średnica źródła nie przekraczała średnicy detek-tora. Optymalna wartość średnicy źródła powinna być równa średnicy po-wierzchni czynnej detektora. Oznacza to, że dla detektora o popo-wierzchni czyn-nej 300 mm2optymalna średnica źródła wynosi 20 mm.
Jak już wspomniano wcześniej, źródło α-spektrometryczne musi być cienkie i homogeniczne, aby uniknąć rozrzutu energii spowodowanego samoabsorpcją w źródle. Samoabsorpcja jest wprost proporcjonalna do gęstości źródła i od-wrotnie proporcjonalna do stężenia aktywności. Dla typowych wartości stężeń aktywności otrzymywanych w przypadku źródeł środowiskowych samoabsorp-cja jest z reguły zaniedbywalna.
62 Stosowane metody pomiarowe
Rys. 10.Przykład rozdzielenia linii widmowych promieniowania α, dokonany za pomocą progra-mu ALF (M i e t e l s k i 1989) dla próby wody mineralnej
Wpływ odległości źródła od detektora (X1,2,3) oraz grubości warstwy mar-twej detektora (d) na pomiar został zaprezentowany na rys. 11, gdzie zobrazo-wano różne drogi wędrówki cząstki α ze źródła do warstwy czynnej detektora.
Odcinki X1, X2i X3oznaczają drogi, jakie przebywają cząstki α ze źródła do de-tektora, wylatujące odpowiednio — centralnie ze źródła z dalszej odległości od detektora, centralnie z bliższej odległości oraz z bliższej odległości z położenia niecentralnego. Odcinki przedstawione na rys. 10 za pomocą symboli h1, h2i h3 ilustrują drogi cząstki α wpadającej pod pewnym kątem do detektora w najbar-dziej niekorzystnych przypadkach. Widać wyraźnie różne odległości, które musi przebyć cząstka przez warstwę martwą detektora, co jest przyczyną straty jej energii. Dodatkowo dla wszystkich możliwych dróg cząstki α może nastąpić
4. Spektrometria α 63
L1
L2
L3
h1
h3
X1
h2
X2
X3
a a
a d
d
d
Rys. 11.Różne warunki geometryczne pomiaru powodujące wystąpienie asy-metrii linii widmowych:
X1,2,3— droga źródło — detektor, d —
sze-rokość warstwy martwej detektora, h1,2,3— najdłuższa droga, po której podróżuje cząstka α przez warstwę martwą detektora, l1,2 — promień źródła dla centralnie wyla-tującej cząstki; w trzecim przypadku L3
jest odległością pomiędzy brzegiem detek-tora a niecentralnym wylotem cząstki ze źródła
ewentualna strata energii cząstki w samym źródle w przypadku wystąpienia sa-moabsorpcji (niezaznaczona na rys. 10). Z zależności geometrycznych można obliczyć długość niekorzystnego odcinka drogi h oraz stratę energii cząstek w warstwie martwej detektora na tej drodze.
Zgodnie z notacją z rys. 11, drogę h przedstawia zależność:
(28)
h d L
= d X + æ
èç ö
ø÷2 +1,
gdzie:
d — szerokość warstwy martwej, X — odległość źródło — detektor, L — promień powierzchni detektora.
Dla detektora o powierzchni czynnej 600 mm2 (promień l = 13,8 mm, X1,2,3
— odpowiednio 40 mm, 4 mm, 3 mm) można obliczyć długości dróg h1,2,3 wy-noszące odpowiednio: 0,21 mm, 0,72 mm oraz 1,21 mm, co odpowiada stratom energii 0,03 MeV, 0,103 MeV oraz 0,173 MeV.
Odsunięcie źródła od detektora minimalizuje straty energii cząstek w war-stwie martwej detektora, co powoduje polepszenie zdolności rozdzielczej linii spektralnych. Odbywa się to jednak kosztem wydajności pomiaru.
Ważnym czynnikiem wpływającym na stabilność pracy detektora jest unika-nie jego kontaminacji. Pomiar źródła odbywa się w komorze próżniowej. Konta-minacja detektora jądrami odrzutu może mieć miejsce, jeżeli zostaną one zde-ponowane na powierzchni czynnej detektora. W większości przypadków kontaminację detektorów PIPS można usunąć, czyszcząc je watką zanurzoną w acetonie, lecz nie jest to oczyszczenie idealne. Najlepszą metodą unikania kontaminacji jest przyłożenie ujemnego napięcia rzędu kilku woltów do źródła oraz utrzymanie w komorze niskiej próżni, jednak nie niższej niż 0,02 mbar (M i e t e l s k i 2003, Canberra — Packard 2007).
Tabela 11.Parametry techniczne detektora UltraTM300-AS firmy Ortec
Parametr Wielkość
Pole powierzchni
Zdolność rozdzielcza dla linii 5,486 MeV241Am Napięcie pracy
300 mm3 19 keV
50 V
Tabela 11 prezentuje parametry techniczne detektorów używanych do po-miarów podczas realizacji niniejszej pracy za pomocą spektrometru promienio-wania α 7401VR firmy Canberra — Packard.
64 Stosowane metody pomiarowe