Detektor ionizujícího záĜení pro automatizovaný sbČr dat

ý ESKÉ VYSOKÉ U ý ENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta elektrotechnická

Katedra mikroelektroniky

Detektor ionizujícího zá Ĝ ení pro automatizovaný sb Č r dat

KvČten 2015 Diplomant: Bc. Pavel KovaĜík Vedoucí práce: Ing. Adam BouĜa, Ph.D.

ý estné prohlášení

Prohlašuji, že jsem zadanou diplomovou práci zpracoval sám s pĜispČním vedoucího práce a konzultanta a používal jsem pouze literaturu v práci uvedenou. Dále prohlašuji, že nemám námitek proti pĤjþování nebo zveĜejĖování mé diplomové práce nebo její þásti se souhlasem katedry.

Datum: 11. 5. 2015

Podpis diplomanta

ýeské vysoké uþení technické v Praze Fakulta elektrotechnická

katedra mikroelektroniky

ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE

Student: Bc. K O V A ě Í K Pavel

Studijní program: Komunikace, multimédia a elektronika Obor: Elektronika

Název tématu: Detektor ionizujícího záĜení pro automatizovaný sbČr dat

Pokyny pro vypracování:

1. Seznamte se s problematikou ionizujicího záĜení a principy jejich detekce. Prostudujte metody komunikace senzorĤ s mikrokontroléry a s nadĜazenou jednotkou.

2. Na základČ získaných poznatkĤ zvolte vhodnou metodu mČĜení, která bude umožĖova programové nastavení parametrĤ a odeslání namČĜených dat v digitální podobČ.

3. Realizujte zaĜízení pro detekci ionizujícího záĜení s možností vzdáleného ovládání pomocí sbČrnice.

4. Sestavte testovací pracovištČ, provećte mČĜení a kriticky zhodnoĢte dosažené parametry vašeho Ĝešení. Na základČ výsledkĤ testování pĜípadnČ navrhnČte další možná vylepšení.

Seznam odborné literatury:

[1] Gerndt, J.: Detektory ionizujícího záĜení. Vydavatelství ýVUT, Praha, 1996.

[2] Vedral, J., Fischer, J.: Elektronické obvody pro mČĜicí techniku, Vydavatelství ýVUT, Praha, 2004.

[3] Matoušek, D.: Práce s mikrokontroléry ATMEL AVR AT mega 16, 4. díl, Praha 2006, Nakladatelství BEN - technická literatura, ISBN 80-7300-174-8.

[4] Mann, B.: C pro mikrokontroléry, 1. Vydání, Praha 2003, Nakladatelství BEN - technická literatura, ISBN 80-7300-077-6.

Vedoucí: Ing. Adam BouĜa, Ph.D.

Platnost zadání: 31. 8. 2016

L.S.

Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc. vedoucí katedry

prof. Ing. Pavel Ripka, CSc.

dČkan V Praze dne 27. 1. 2015

Anotace:

Tato diplomová práce se zabývá návrhem a konstrukcí mČĜícího pĜípravku pro mČĜení pĜirozené radioaktivity pĜi archeologických vykopávkách. PĜípravek je rozdČlen na dva samostatné moduly, z nichž jeden je vlastní detektor a druhý je emulátorem ovládání namísto Ĝízení od robota, kde má být deska detektoru pĤvodnČ zabudována. Text také obsahuje nezbytnou teorii, kterou je nutné nastudovat, aby byl pochopen princip a cíle mČĜení a také kvĤli porozumČní vlastní konstrukce. Tato práce má názorným zpĤsobem pĜedstavit základní problematiku radiaþního mČĜení.

Klíþová slova:

Ionizující záĜení, radioaktivita, poloþas rozpadu, interakce, detekþní trubice, geiger – müllerĤv þítaþ, záĜiþ, mikropoþítaþ, scintilátor, radiace, impuls, sbČrnice, SPI, zdroj vysokého napČtí, úprava impulzu, filtrace, þetnost

Summary:

This thesis describes the design and construction of measurement for the measurement of natural radioactivity in an archaeological dig. The product is divided into two separate modules, one has its own detector and the second emulator is operating instead of the robot control, which should be originally built plate detector. The text also contains the necessary theory you need to learn to be understanding of the principles and objectives of the measure and also for understanding the structure. This work is a simple way to introduce basic problems of radiation measurements.

Index terms:

Ionizing radiation, radioactivity, half-life, interaction, detection tubes, Geiger - Muller counter, radiator, microcomputer, scintillator, radiation, pulse, bus, SPI, high voltage source, pulse treatment, filtration, rate

Seznam použitých zkratek:

1. ACK - Acknowledge; potvrzovací bit

2. CCD - Charged couple device; nábojovČ vázaný senzor 3. CS - Chip select, aktivaþní vstup obvodu

4. Flash - Energeticky nezávislá pamČĢ; zpravidla pro program 5. GND - Ground; spoleþný zemnící vodiþ

6. IC - Integrated circuit, integrovaný obvod

7. ICSP - In-Circuit Serial Programming; programování v aplikaci 8. I²C - Inter-Integrated Circuit; sériová sbČrnice I²C

9. IMP - Impuls; pojmenování vodiþe 10. LED - Light emitting diode; svítivá dioda

11. MISO - Master in, slave out; vstupní datový vodiþ þlena Master u SPI 12. MOSI - Master out, slave in; výstupní datový vodiþ þlena Master u SPI

13. NMOS - N-type metal-oxide-semiconductor; polem Ĝízený tranzistor s N vodivostí 14. PRE_IMP - Neupravený impuls; oznaþení vodiþe

15. ROM - Read only memory; pamČĢ pouze pro þtení 16. SCK - Serial clock; oznaþení vodiþe

17. SCL - Serial clock; oznaþení vodiþe 18. SDA - Serial data; oznaþení vodiþe

19. SMD - Surface mount device; souþástka pro povrchovou montáž 20. SP - Speaker; oznaþení akustického indikátoru

21. SPI - Serial Peripheral Interface; sériová sbČrnice SPI 22. SS - Slave select; aktivaþní vstup podĜízeného obvodu 23. USB - Universal serial bus; univerzální sériová sbČrnice 24. VN - VysokonapČĢový; oznaþení zdroje

Obsah

Obsah ... 1

Úvod ... 2

1 Problematika radioaktivního záĜení, principĤ detekce a komunikace senzorĤ... 3

1.1 Ionizující záĜení ... 3

1.2 Radioaktivita... 3

1.3 Typy radioaktivního rozpadu... 4

1.3.1 Alfa záĜení ... 4

1.3.2 Beta záĜení... 5

1.3.3 Gama záĜení ... 5

1.3.4 Rozpadový zákon ... 7

1.4 Princip detekce ... 9

1.5 Elektrické detektory... 10

1.6 Scintilaþní detektory ... 25

1.7 SbČrnice I²C... 29

1.8 SbČrnice SPI ... 32

1.9 SbČrnice 1-wire... 36

2 Metodika Ĝešení a realizace ... 40

2.1 VýbČr trubice ... 40

2.2 Vývoj dílþích þásti zapojení ... 42

3 Popis finální verze detektoru ionizujícího záĜení ... 47

3.1 Blokové schéma celého zaĜízení... 47

3.2 Modul detektoru ... 48

3.2.1 Napájecí zdroj ... 48

3.2.2 Zdroj vysokého napČtí... 49

3.2.3 Obvody úpravy impulzĤ... 52

3.2.4 Obvody Ĝízení... 54

3.3 Modul vyhodnocovací jednotky ... 58

3.4 Program modulu detektoru ... 60

3.5 Program vyhodnocovacího modulu... 61

3.6 Konstrukce... 63

4 Zkušební mČĜení finálního zaĜízení ... 67

4.1 MČĜení pomocí radioaktivního záĜiþe... 67

4.2 MČĜení dílþích þásti zapojení... 69

4.3 Možné budoucí úpravy ... 73

5 ZávČr ... 75

6 Použitá literatura a odkazy... 77

7 Seznamy obrázkĤ, tabulek a vztahĤ... 79

8 PĜílohy ... 81

Úvod

Práce se zabývá návrhem detektoru ionizujícího záĜení pro automatizovaný sbČr dat.

Samotný detektor s automatizovaným sbČrem dat je zaĜízení, které mĤže být umístČno napĜíklad na mČĜícím ramenu automatizovaného robota, který zkoumá zbytkovou radiaci v rĤzných usazených vrstvách zeminy. Tento robot mĤže zkoumat vrstvy zeminy na stČnČ lomu. Robot by takto postupnČ mapoval ramenem celou výšku lomu. MČĜící rameno s popsaným detektorem zaznamenává zvýšenou radiaci, která je indikátorem toho, že se v daném místČ mĤže nacházet napĜíklad nČjaký fosilní pozĤstatek. Toto zaĜízení je tak pĜedurþeno k paleontologickým úþelĤm.

Jelikož je modul detektoru ionizujícího záĜení ovládán skrze sbČrnici pĜímo robotem, je v práci popsána také vyhodnocovací jednotka. Ta má za úkol nahradit rozhraní ze strany robota, který normálnČ tento modul ovládá. Vyhodnocovací jednotka tedy pĜímo komunikuje s detektorem a je také výstupem i vstupem informací ze strany uživatele.

Jelikož jednotka není souþástí detektoru, byla realizována zvlášĢ na vývojové desce.

Vývojovou desku jsem zde použil z dĤvodu, protože vyhodnocovací jednotka slouží pouze k odzkoušení komunikace a testování detektoru. Pro úþel pozdČjšího zaþlenČní do mČĜicího systému je definováno hardwarové a softwarové rozhraní pro vzdálenou obsluhu pro sbČrnici.

Cílem této práce jsou tedy:

• VýbČr vhodné detekþní trubice (metody mČĜení)

• Návrh vysokonapČĢového napájecího zdroje pro trubici

• Návrh detektoru impulzĤ pocházejících z trubice

• Návrh vyhodnocovací jednotky s definovaným hardwarovým a softwarovým rozhraním pro vzdálenou obsluhu po sbČrnici.

1 Problematika radioaktivního zá Ĝ ení, princip Ĥ detekce a komunikace senzor Ĥ

Kapitola popisuje základní teorii, kterou jsem nastudoval, abych porozumČl nČkterým

pojmĤm, nezbytným fyzikálním základĤm [1], funkci nČkterých detektorĤ [2]

a možnostem pĜenosu namČĜených dat v rámci procesorového systému.

1.1 Ionizující zá Ĝ ení

Ionizující záĜení je každé záĜení, které prĤchodem látkou dokáže zpolarizovat þástice,

ze kterých je látka složena. Dokáže tedy ovlivnit elektrickou neutralitu atomĤ látky a vytvoĜit tak kladné a záporné ionty (þástice s nevyrovnaným poþtem elektronĤ v obalu a protonĤ v jádĜe daného atomu). Ionizace látky se dČje dvČma zpĤsoby: pĜímo a nepĜímo.

PĜímá ionizace probíhá tak, že vlastní ionizaþní záĜení (tvoĜeno elektrony, þi fotony) má dostateþnou energii k tomu, aby mohlo vyvolat pĜímo ionizaci atomu látky. NepĜímá ionizace probíhá interakcemi (srážkami) mezi atomy látkami, kdy jsou srážkami uvolĖovány sekundární þástice, které zpĤsobují vlastní ionizaci. Srážky jsou vyvolány elektricky neutrálními þásticemi (fotony, neutrony).

Zdrojem ionizujícího záĜení mohou být jednak nČkteré nestabilní prvky (radionuklidy), které se þasem rozpadají a generují tak vlastní záĜení. Radionuklidy jsou pĜírodního charakteru, nebo jsou vyrobeny umČle, vČtšinou z dĤvodu vyšší efektivity, nebo z dĤvodu jistého požadavku na charakter generovaného ionizujícího záĜení. Druhým zpĤsobem, jak takové záĜení vytvoĜit, je použití umČlých generátorĤ, napĜíklad urychlovaþĤ þástic, nebo Roentgenovy lampy.

1.2 Radioaktivita

Radioaktivitou se nazývá proces, kdy se rozpadá jádro atomu nestabilního prvku a tvoĜí se ionizujícího záĜení. Radioaktivní rozpad je zpĤsoben tím, že ne každý poþet protonĤ a neutronĤ v jádĜe je stabilní. Lehká jádra, která mají malý poþet protonĤ v jádĜe (cca do 10 protonĤ), mají „vyrovnaný“ poþet protonĤ a neutronĤ v jádĜe. To ale neznamená, že pĜi poþtu 10 protonĤ bude i 10 protonĤ. „Vyrovnaný“ zde znamená, že poþet neutronĤ bude

o nČco vyšší. Nad poþet 10 protonĤ/jádro se poþet neutronĤ rapidnČ zvyšuje [1]. Zvýšením poþtu neutronĤ se kompenzují odpudivé síly mezi protony, jelikož neutrony vytváĜejí pĜitažlivou sílu a snaží se držet jádro pohromadČ. Tento mechanismus kompenzování pĜitažlivých a odpudivých sil však funguje jen do urþitého poþtu protonĤ, kdy ještČ pĜitažlivá síla neutronĤ „zvládá“ držet odpuzující se protony v jádĜe atomu. Hranicí stability tvoĜí dle literatury [1] izotop Bizmutu ²⁰⁹₈₃Bi, který se však již velmi pomalu samovolnČ rozpadá a generuje ionizující záĜení.

Radioaktivní rozpad lze také vyvolat umČle, kdy pomocí jaderné reakce zmČníme pomČr poþtu protonĤ a neutronĤ v jádĜe, což vede k porušení vyrovnaných pĜitažlivých sil neutronĤ a odpudivých sil mezi protony.

1.3 Typy radioaktivního rozpadu

Mezi nejdĤležitČjší vlastnosti radioaktivního rozpadu dané látky patĜí:

• ZmČna chemické podstaty látky (dochází k transformaci prvku).

• Je zcela nezávislý na prostĜedí, nebo na vnČjších podmínkách.

• Je vždy doprovázen emisí záĜení (alfa, beta, gama).

1.3.1 Alfa záĜení

Je tvoĜeno jádrem hélia. Hmotnostní þíslo A klesne o 4 a atomové þíslo Z klesne o 2.

Pokud máme tedy obecný prvek X, pak tedy je to matematicky vyjádĜeno vztahem (1.3.1.1). Nový prvek Y, který vznikne rozpadem, bude o dvČ místa vlevo, od prvku X.

Y He

X ^A_Z

A Z

4 2 4

2

−

+ −

→ , (1.3.1.1)

Energie alfa záĜení je tím vČtší, þím rychleji se látka rozpadá. Alfa þástice pĜi ionizaci vyráží z atomĤ ionizované látky elektrony z elektronového obalu a tvoĜí tak kladné a záporné ionty. ýástice alfa svou rychlost ztrácí velmi rychle a mají proto velmi malý dolet, což je dráha, kterou urazí, než svou rychlost ztratí (respektive svou energii odevzdají okolí).

1.3.2 Beta záĜení

Ionizující záĜení je v ȕ^- – rozpadu tvoĜeno elektronem. Protože se elektron nemĤže uvolnit z rozpadu jádra (jelikož v jádĜe žádný elektron není), dojde k transformaci neutronu v jádĜe. Neutron se rozpadne na proton, elektron a antineutrino. PĜi tomto rozpadu se hmotnostní þíslo A nezmČní, atomové þíslo Z vzroste o 1. Prvek Y, který vznikne rozpadem prvku X, najdeme v tabulce prvkĤ vpravo, vedle prvku X (se tedy posune o jedno místo doprava). OpČt lze matematicky vyjádĜit vztahem (1.3.2.1).

Y e

X _Z^A

A

Z 1

0

1 +

− +

→ , (1.3.2.1)

PĜíklady ȕ^- – rozpadu je napĜíklad rozpad kobaltu, kdy je produktem nikl, nebo rozpad cesia, kdy se prvek transformuje na barium.

Existuje ještČ jeden typ rozpadu beta, rozpad ȕ⁺, kdy není generován elektron, ale jeho inverzní varianta – pozitron, neboli anti-elektron. Je naprosto stejný principem, jako ȕ^- s tím rozdílem, že atomové þíslo Z klesá. Tedy prvek se posunuje o jednu pozici doleva.

Popsáno vztahem (1.3.2.2).

Y e

X _Z^A

A

Z 1

0

1 + −

→ , (1.3.2.2)

Tento typ rozpadu se v pĜírodČ nevyskytuje a probíhá pouze u umČle vytvoĜených radionuklidĤ. Vzhledem k tomu, že toto záĜení je tvoĜeno (anti)elektrony, jsou þástice velmi malé a lehké, proto dochází pĜi prĤchodu hustou pĜekážkou k minimálním ztrátám energie a jejich dráha tak skrze pĜekážku mĤže být dlouhá a chaotická. V Ĝídkých materiálech prakticky tuto dráhu neovlivĖuje chemické složení látky, jen její hustota.

U rozpadu ȕ⁺, pokud pozitron ztratí svou energii, spojí se s elektronem. Dojde k anihilaci obou þástic, a vzniknou dva fotony záĜení gama.

1.3.3 Gama záĜení

Vzniká izomerním pĜechodem. Jádro atomu pĜechází z hladiny vysoké energie, do nízkoenergetické hladiny a rozdíl energie je vyzáĜen v podobČ Ȗ – záĜení. Nedochází ke zmČnČ hmotnostního, ani atomového þísla. PĜi tomto rozpadu mĤže dojít ke dvou

variantám rozpadu. Produkt rozpadu je již stabilní a dál se nerozpadá (rozpad vlastního radioaktivního prvku), nebo produkt je stále radioaktivní a rozpad pokraþuje dále (oznaþuje se jako rozpadová Ĝada prvkĤ). PĜírodnČ se vyskytují pouze 3 typy [1], které jsou schopny vyvolat rozpadovou Ĝadu. Jde o prvky uranu ²³⁸₉₂U, aktinouranu ²³⁵₉₂U a thoria ²³²₉₂Th. V každé ĜadČ se dceĜiný prvek rozpadá pĜes odlišné produkty na koneþný stabilní prvek, který je všech pĜípadech olovo. UmČle se zatím (dle [1], str. 7) podaĜilo vytvoĜit rozpadovou Ĝadu neptunia ²³⁷₉₃Np. PĜírodní i umČle vytvoĜená rozpadová Ĝada má hlavní spoleþné vlastnosti, které ji charakterizují.

• MateĜské prvky (na zaþátku rozpadové Ĝady) mají velmi dlouhý poloþas rozpadu.

• Meziprodukty rozpadu jsou vždy izotopy tČžkých prvkĤ, kdy v polovinČ Ĝady dojde i k rozpadu na plyn (vČtšinou izotop radonu).

• Izotop plynu se rozpadá jak rozpadem Į, tak i ȕ^- (obvykle) s velmi krátkou dobou života.

• Rozpad Ĝady je vždy ukonþen stabilním prvkem. VČtšinou již zmínČným izotopem olova.

Co se týká rozpadu prvkĤ, které se již pĜi prvním rozpadu transformují na stabilní prvek (a nedochází tak k vytvoĜení rozpadové Ĝady), tak mezi typické pĜedstavitele patĜí izotopy stroncia, jódu, cesia a kobaltu. ObecnČ prvek, který je nestabilní, ale u kterého nedojde k rozpadové ĜadČ, ale pouze k rozpadu, lze identifikovat tak, že má nestabilní pomČr poþtu protonĤ a neutronĤ ve svém atomovém jádĜe. ZáĜení gama má obvykle velmi krátkou vlnovou délku a velmi ojedinČle je vyzáĜeno zcela samostatnČ. VČtšinou jej doprovází výše zmínČné beta a alfa záĜení. Generované záĜení mĤže mít pouze urþité hladiny energií, které jsou charakteristické pro každou látku. Spektrum energií je tedy þárové a mĤže nabývat jen urþitých, konkrétních hodnot. PĜi prĤchodu látkou fotony beta záĜení svou energii pĜedávají þásticím hmoty, kterou procházejí. ýástice jsou pak schopny ionizace a excitace.

Jde tedy o nepĜímo ionizující záĜení. Vyvolává tĜi interakce:

• Fotoefekt – foton svou energii (jednotky keV) odevzdá elektronu v obalu atomu dané látky. Je – li pĜedaná energie vČtší, než výstupní energie daného elektronu, elektron se odpoutá z elektronového obalu. Prázdné místo po odpoutaném elektronu se obvykle zaplní elektronem z jiného vyššího orbitu, než ze kterého odpoutaný elektron vyletČl. Nástupní

elektron pĜi zmČnČ orbity svou pĜebyteþnou energii vyzáĜí v podobČ fotonu. ZáĜení je však pohlceno vlastní látkou, jelikož má vyzáĜený foton mizivou energii.

• ComptonĤv rozptyl – jde o srážku volného, nebo velmi slabČ vázaného elektronu s fotonem. Princip je obdobný s fotoefektem s tím rozdílem, že fotoefektem oznaþujeme kolizi fotonu s vázaným, nikoliv volným elektronem. Foton pĜedá þást energie elektronu, který zmČní svou dráhu. Foton pak po srážce pokraþuje dále, odraženým smČrem, se zmenšenou energií (neboli s vyšší vlnovou délkou).

• Tvorba párĤ elektron-pozitron – Tato interakce vzniká, pokud má foton velmi vysokou hladinu energie (> 1,02 MeV). Pak je pĜi interakci s þásticí látky zcela pohlcen v obalu jádra a dojde k vyzáĜení páru elektron-pozitron. Rozdíl energie mezi pohlceným fotonem a generovaným párem je vyjádĜen kinetickou energií páru.

1.3.4 Rozpadový zákon

Rozpadový zákon popisuje jev, kdy v radionuklidu postupem þasu ubývá poþet radioaktivních jader, které se rozpadají. Rozpadový zákon je popsán matematickým vztahem (1.3.4.1) a má exponenciální charakter. Mezi þasem a poþtem rozpadlých jader je pĜímá úmČra.

e t

n n= ⋅ ^−λ

0 , (1.3.4.1)

Kde:

n0………poþet atomĤ na zaþátku rozpadu (t = 0)

n……….poþet atomĤ (zbývajících, nerozpadlých), v þase t Ȝ……….pĜemČnová konstanta (charakterizuje danou látkou)

Ze vztahu (1.3.4.1) mĤžeme vyjádĜit zpČtnČ pĜemČnovou konstantu Ȝ, která charakterizuje rychlost rozpadu daného radionuklidu, konkrétnČ je to poþet rozpadnutých atomĤ za sekundu. Matematicky je pĜemČnová konstanta Ȝ vyjádĜena vztahem (1.3.4.2).

Jednotka je s^-1.

dt n dn

0

−

λ= , (1.3.4.2)

Kde:

dn……….poþet rozpadlých þástic

dt……….þasový interval kdy došlo k rozpadu þástic v poþtu dn

V praxi se ovšem setkáváme s odlišnou interpretací rozpadového zákona, aþkoliv v principu jde o tentýž mechanismus. VČtšinou se tato interpretace oznaþuje jako poloþas pĜemČny. Ta popisuje dobu, za kterou se rozpadne polovina množství dané látky. Poloþas pĜemČny T dá se charakterizovat pomocí pĜemČnové konstanty, popsáno vztahem (1.3.4.3).

λ λ

693 , 0 2 ln =

T = , (1.3.4.3)

Poloþas pĜemČny se v závislosti na prvku pohybuje od zlomkĤ sekundy až po stovky miliónĤ let. ýím vČtší poloþas rozpadu, tím déle trvá, než se daná polovina látky rozpadne.

Dalším charakterizaþním parametrem radionuklidu je jeho aktivita A. Matematicky je jeho závislost na pĜemČnové konstantČȜpopsána vztahem (1.3.4.4).

dt n

A=−dn =λ , (1.3.4.4)

Jednotkou aktivity A je Becquerel (Bq), která má rozmČr s^-1. Aktivita A s þasem exponenciálnČ klesá, dle vztahu (1.3.4.5).

t T

T A e

A

⋅

−

⋅

=

2 ln

0 , (1.3.4.5)

Kde:

A0……….Poþáteþní aktivita látky v t = 0, (Bq) At……….Aktivita radionuklidu v þase t, (Bq) T………..Poloþas pĜemČny (s)

Aktivita radioaktivní látky závisí pĜímo úmČrnČ na její hmotnosti, kdy poþet atomĤ látky nahradíme její hmotností (vztah (1.3.4.6)):

M N n m

A=λ =λ , (1.3.4.6)

Kde:

m……….hmotnost látky

M……….molární hmotnost látky

N………..Avogadrovo þíslo (6,023⋅10²⁶⋅kilomol⁻¹)

1.4 Princip detekce

Metody mČĜení a princip detekce je založen na vlastnostech ionizujícího záĜení a jeho interakcích s þásticemi záĜení vystavených látek. Základní schéma detektoru je zobrazeno na obr. 1.4.1.

Obr. 1.4.1 – Základní schéma detekþního zaĜízení

V detekþní þásti, která detekuje vlastní þástice záĜení, dochází k pĜedávání energie z ionizovaných þástic do snímací struktury detektoru, která na to reaguje vytvoĜením slabého elektrického signálu. Ten je upraven (analogovČ zesílen, popĜípadČ frekvenþnČ upraven - filtrován) a následnČ je zpracován a jeho þíslicová podoba mĤže být uložena pro pozdČjší matematické zpracování, nebo zobrazení. ObecnČ jsou dva principy þinnosti této aparatury. Buć aparatura poþítá jednotlivé impulsy (využitý pĜípad v praktické þásti práce) a tedy poþítá jednotlivé zachycené þástice, nebo mČĜí stĜední hodnotu proudu, který teþe vlastním detektorem. Tato obecná zaĜízení mĤže sloužit k rĤzným úþelĤm, podle toho, co chceme mČĜit. MĤže to být:

• Stanovení úrovnČ aktivity (Radiometrie)

• MČĜení energie ionizujícího záĜení (Spektrometrie)

• MČĜení vlastností materiálĤ pro prĤmyslové úþely (MČĜící aparatura má i zdroj záĜení a mĤžeme pozorovat a mČĜit napĜíklad stínící úþinnost materiálu v radiaþní ochranČ).

Vlastní detekþní struktura má obecné dva principy, na kterých pracuje. První je kontinuální, který podává informaci o okamžité hodnotČ veliþiny, kterou právČ mČĜí.

Integrální detektor poskytuje pĜírĤstek veliþiny za jednotku þasu, což je vhodné pro mČĜení dávky, nebo doby expozice. Integrální detektor má pamČĢovou vlastnost, po skonþení ozaĜování si trvale pamatuje poslední hodnotu ozáĜení. Používají se v tzv. osobní dozimetrii, kdy pracovníci, kteĜí pĜicházejí do styku s radioaktivními látkami nosí speciální kartu, která pĜi pĜíliš velké dávce zþerná. Dává tak vČdČt, že dotyþný þlovČk již pĜekroþil bezpeþnou denní dávku a musí opustit pracovištČ. Podle principĤ detekce rozeznáváme tĜi hlavní principy detekce:

• Elektrické detektory – pĤsobením záĜení se mČní elektrické vlastnosti (rezistivita,

vodivost) snímací struktury. PatĜí sem ionizaþní komory, Geiger – Müllerovy a proporcionální poþítaþe, polovodiþové a krystalové struktury detektorĤ.

• Scintilaþní detektory – pĤsobením ionizujícího záĜení vzniká záĜení luminiscenþní (svČtlo). Záblesky jsou posléze zachyceny (fotodioda, fotonásobiþ) a signály ze svČtelných senzorĤ jsou dále zpracovány.

• Samostatné detektory – nepotĜebují žádné mezi úpravy detekce a zobrazují pĜímo. Jsou založeny na chemické bázi, na látkách, které pĤsobením záĜení mČní své fyzikální vlastnosti (objem, barva, složení). Jsou výhradnČ integrální a patĜí sem napĜíklad výše zmínČné prvky v osobní dozimetrii (karty, pĜívČsky).

1.5 Elektrické detektory

Jsou založeny na deskových, þi válcových kondenzátorech koaxiálního uspoĜádání.

Mezi elektrodami kondenzátorĤ zaþne procházet elektrický proud, v pĜípadČ, že se mezi deskami nachází zdroj ionizujícího záĜení. Schéma základního zapojení elektrického detektoru je na obr. 1.5.1. PrĤchod proudu je zde mČĜen galvanometrem G. Kontrola deskového napČtí, je provádČna voltmetrem V a nastavuje se potenciometrem.

Obr. 1.5.1 – Základní zapojení elektrického detektoru [1]

Mohou nastat 3 pĜípady, díky kterým mĤže skrze detektor (tvoĜený kondenzátorem) protékat mČĜitelný proud:

• Ionizace – ionty, generované zdrojem záĜení se pohybují k deskám kondenzátoru, které mají opaþný náboj, než samy ionty. Jelikož dochází ke zmČnČ pĜenášeného náboje za jednotku þasu, pohyb iontĤ mĤžeme brát jako elektrický proud.

• Rekombinace – slouþením dvou opaþnČ nábojovČ orientovaných iontĤ vznikne neutrální atom. ýím se ionty rychleji pohybují (dáno velikostí intenzity el. pole, tedy napČtím na kondenzátoru), tím je ménČ pravdČpodobné, že se opaþnČ nabité ionty srazí.

• Sekundární ionizace – ionty s vysokou rychlostí (a tedy i energií) mohou vytváĜet další ionty.

Ionizaþní proud, který teþe skrze desky kondenzátoru, je závislý na pĜiloženém napČtí, dle obr. 1.5.2.

Obr. 1.5.2 – Závislost ionizaþního proudu na napČtí mezi deskami [1]

Charakteristika na obr. 1.5.2 se dČlí do nČkolika oborĤ:

• Obor Ohmova zákona (I) – Zde ionizaþní proud roste s napČtím, protože pĜi vyšším napČtí se ionty pohybují rychleji a klesá pravdČpodobnost rekombinace iontĤ. V praxi se nepoužívá.

• Obor nasyceného proudu (II) – Ionty se pohybují již tak rychle, že nedochází k rekombinaci (všechny pohybující ionty se tedy podílí na pĜepravČ elektrického náboje, jsou tedy všechny považovány za proud). Zde již není proud závislý na napČtí (zmČna rychlosti již možnost rekombinace neovlivní). Tento obor se používá pro ionizaþní komory.

• Obor pĜídavné ionizace (III) – Energie a rychlost iontĤ jsou tak velké, že jsou schopny pĜi srážce s neutrální þásticí vytvoĜit další ionty. Každý iont dokáže generovat urþitý poþet dalších iontĤ. Generovaný poþet je dán koeficientem plynového zesílení (K). Obor pĜídavné ionizace se ještČ dČlí na:

o Obor úplné proporcionality (III1); proporcionální poþítaþe o Obor þásteþné proporcionality (III2); nevyužíván

o Geiger – MüllerĤv obor (III3); Geiger – Müllerovy poþítaþe

1.5.1 Ionizaþní komory

Je tvoĜena kondenzátorem s deskovými, nebo válcovými elektrodami. Dielektrikum tvoĜí vČtšinou vzduch. NapČtí mezi deskami je 150 – 200 V (obor nasyceného proudu).

Ionty detekovaného záĜení buć putují k opaþnČ nabitým deskám, což vyvolá impuls ionizaþního proudu (komory s konstantní ionizací), nebo pulsem napČĢovým (impulsní ionizaþní komory). Proudové vyhodnocení je integrální [2], nemČĜí tedy jednotlivé interakce, ale pĜírĤstek (konkrétnČ stĜední hodnotu pĜírĤstku). Vyhodnocení proudového režimu je analogové a tudíž nároþnČjší na realizaci (kvĤli velmi malým mČĜeným proudĤm). Impulsní vyhodnocení (napČĢové) je o nČco jednodušší. Poþet napČĢových pulzĤ je dán poþtem srážek (interakcí) a velikost pulsu popisuje energii þástice. Není zde nutno Ĝešit kvalitní izolaci pĜívodĤ, kvĤli parazitním proudĤm (ochranné prstence), ani jejich kompenzaci, jak je tomu v pĜípadČ proudového mČĜení. V obou pĜípadech je velmi dĤležitá rychlost odezvy komory (reakce na skokový signál), což ve vČtšinČ pĜípadĤ ovlivĖují parazitní kapacity a svody mezi deskami, pĜívody a okolním svČtem (zemí).

Ionizaþní komory jsou používány v tČžkých podmínkách, kde nelze použít ostatní detektory (vibrace, vysoké teploty). Zapojení je na obr. 1.5.1.1.

Obr. 1.5.1.1 – Dva druhy zapojení ionizaþní komory

V praxi se þasto stává, že pulzy z komory registrujeme i tehdy, kdy komora není vystavena záĜiþi. Registrovaný proud (nebo impulzy napČtí) je projevem nedokonalostí konstrukce ionizaþní komory a bývá zpĤsobován špatným stínČním, kosmickým záĜením, pĜímČsemi v pracovního plynu, popĜípadČ zbytkovou radiací po pĜedchozím mČĜením, kdy þástice mČĜeného materiálu ulpČly napĜíklad na stČnách komory. Tento jev se vČtšinou nazývá pozadím (zde pozadí ionizaþní komory), jelikož nevzniká jen u ionizaþních komor, ale projevuje se u všech detektorĤ, je nutno s tímto jevem poþítat.

1.5.2 Proporcionální poþítaþe

Pracují výhradnČ v napČĢovém (impulsním) režimu. Využívá plynného zesílení K, se þástice vlivem vnČjšího el. pole pohybují tak rychle, že z pĤvodních elektricky neutrálních atomĤ plynu v trubici se vytváĜí další ionty (pĜípadnČ elektrony). NovČ vytvoĜené elektrony (þi ionty) jsou také vnČjším elektrickým polem urychlovány a dosáhne-li jejich rychlost (a tedy i energie) urþité velikosti jsou také schopny ionizovat další elektricky neutrální atomy, stejnČ jako pĤvodní þástice, zpĤsobující jejich vlastní ionizaci. PotĜebná energie musí být vČtší, než ionizaþní energie neutrálního atomu plynu. Tak se podíl rychlých þástic, schopných ionizace lavinovitČ zvyšuje (tzv. Towsendova lavina [2]).

Koeficient K (jednotka V⋅cm⁻¹⋅atm) se velmi liší od složení plynu a také jeho tlaku.

Pohybuje v Ĝádech desetitisícĤ pro smČsi „obyþejných“ plynĤ (metan), po statisíce v smČsích vzácných plynĤ (Helium). U tČchto poþítaþĤ je tĜeba velmi stabilního

napČĢového zdroje, který vytváĜí el. pole v trubici. Jelikož je plynové zesílení K na tomto napČtí velmi závislé, vlivem jeho kolísání by se koeficient K bČhem mČĜení mČnil. Na rozdíl od ionizaþních komor, kde je plnícím plynem vČtšinou vzduch, zde se naopak používají plyny jako metan, propan, isobutan, argon, nebo helium (popĜípadČ jejich kombinace). Vzduch lze použít pro pĜípad, kdy budou obČ desky velmi blízko sebe, ale vzhledem k horším parametrĤm se toto Ĝešení nepoužívá. U proporcionálních nám zmČna charakteru plynu znaþnČ ovlivĖuje plynové zesílení K, což se projeví zmČnou amplitudy pulzĤ, nebo jejich deformací. Tento fakt se navíc zhoršuje se stoupajícím poþtem detekovaných þástic ionizujícího záĜení. Proto se u tČchto detektorĤ nastavuje velikost napájení detektoru tak, aby rychlosti þástic, vyvolávajících další ionizace v plynu byla co nejmenší (avšak stále schopná dostateþnČ elektrony urychlovat, aby se proces lavinové ionizace nezastavil). Jinak Ĝeþeno, snažíme se nastavit co nejmenší napČtí (a tím co nejmenší plynové zesílení K), aby interakce zachycených þástic ionizujícího záĜení byly zpracujícími obvody poþítaþe ještČ detekovatelné. Nedodržením tohoto doporuþení dojde

ke ztrátČ pulsĤ a vyĜazení detektoru z þinnosti, popĜípadČ ke ztrátČ, þi zhoršení rozlišovacích schopností. Obrázek takové aparatury je na obr. 1.5.2.1. Katodu tvoĜí vyhĜívaná podložka a je vodivČ spojená s krytem, který brání vniku cizích plynĤ a navíc tvoĜí stínČní. Anoda musí být proto velmi dobĜe elektricky izolována, dĤraz je kladen na co nejmenší svody a parazitní kapacity. Výhodou je fakt, že mezi vzorkem a anodou není žádný materiál, nebo jiný konstrukþní prvek, který by pohlcoval mČĜené þástice ionizujícího záĜení. Proto se tento detektor používá pro slabé interakce alfa [2] záĜení. Jiné detektory, které mají rĤzná okénka (pro oddČlení vzorku od pracovního plynu, nebo celého detektoru od vzorku), by nešly vĤbec použít. OddČlovací okénka a jiné pĜepážky by jádra hélia pohltily a detektor by nic nezaznamenal.

Obr. 1.5.2.1 – UspoĜádání proporcionálního detektoru (pĜekresleno dle [2])

1.5.3 Korónové detektory

Svou funkcí jsou obdobné poþítaþĤm s pĜedchozí kapitoly a navazují na Geigerovu oblast od U₅ (obr. 1.5.2). Jejich výboj je samostatný, trvalý a vzniká vlivem asymetrického rozložení elektrického pole v detektoru a urþitého tlaku plynové náplnČ (100 – 1000 Pa).

Asymetrického rozložení intenzity el. pole je dosaženo vhodnou geometrickou topologií elektrod (hrot nad rovinou, þi koaxiální uspoĜádání, které je nejþastČjší). PodobnČ, jako u Geiger – Müllerova poþítaþe, je trubice tvoĜena tenkou anodou (pokud se bavíme o koaxiálním uspoĜádání), pĜipojenou pĜes rezistor k vysokému napČtí. PlášĢ opČt tvoĜí katodu a je pĜipojen k zemi, zároveĖ slouží jako stínČní. Plynovou náplĖ tvoĜí vzácné plyny s absencí zhášecích pĜísad. Napájecí napČtí musí byt tak vysoké, aby elektrony z interakcí byly schopny vyvolat lavinovou ionizaci. Mezní velikost napČtí je právČ velikost U5, kdy výboj sice vzniká, ale je nestabilní, proto skuteþnČ použitelné napČtí musí být o nČco málo vyšší. Stabilní výboj má dvČ oblasti, vnitĜní a vnČjší. VnitĜní þást zpĤsobuje plynové zesílení a je umístČná okolo anody a vlivem excitace atomĤ svČtélkuje. VnČjší oblast je

díky menší hodnotČ intenzity elektrického pole nemožné splnit Towsendonova podmínku.

Proto zde k ionizaþním lavinám a excitaci nedochází. Jsou zde jen kladné ionty a díky absenci excitace nemĤžeme pozorovat ani záĜení. PĜi dalším zvýšení anodového napČtí dojde k protáhnutí vnitĜní oblasti výboje ke katodČ. Proud tekoucí trubicí pĜi výboji je v podstatČ nulový. Anodové napČtí by se nemČlo pĜíliš zvyšovat nad mez, kdy je výboj stabilní. PĜílišné zvýšení anodového napČtí jednak vede k vyššímu protékajícímu proudu a navíc mĤže vzniknout doutnavý výboj. Ten jednak mĤže poškodit vlastní strukturu trubice a jednak i pĜi nedestruktivním úþinku vyĜazuje trubici z þinnosti, protože v tomto režimu má trubice záporný diferenciální odpor (dle vztahu 1.5.3.1).

<0 dI

dU , (1.5.3.1)

Trubice v tomto stavu není schopna detekovat interakce. Vzhledem k vysokému poþtu lavin, které jsou spuštČny samotným výbojem, se lavina vyvolaná elektronem, který pochází od interakce nijak neprojeví a nejde ji ani zjistit. To je z dĤvodu toho, že pulzy jsou stejné a nezáleží, co lavinu vyvolalo, jestli vnČjší interakce, nebo lavina vytvoĜená vnitĜní oblastí výboje. Impulzy tvoĜené výbojem jsou proto brány jako šum a mohou být registrovány pouze interakce velmi rychlých þástic, které vytvoĜí dost svých lavin. To se projeví vysokým impulsem, který je zaregistrovatelný nad „trávou“ nízkých impulsĤ, zpĤsobených výbojem (šumem). Graficky je situace znázornČna na obr. 1.5.3.1.

Obr. 1.5.3.1 – Odezva korónového detektoru

Tyto detektory se tak hodí pouze pro velmi silné interakce. Komparaþní úroveĖ (jinak zvaná diskriminaþní hladina) musí být nastavena tak, aby ji nepĜesáhly ani nejsilnČjší

impulzy ze šumu. ZároveĖ musí být nastavena co nejníže. Zápalné napČtí je kolem 500 – 800 V a trubice jsou plnČny vzácnými plyny; nejþastČji argonem. Amplituda výstupních pulzĤ je ovlivnČna pĜímČsemi v plynu a také napČtí a proudem, který udržuje korónový výboj. Tyto typy se používají zejména v reaktorech, nejsou citlivé na svČtelné záĜení. Korónový detektor má omezenou životnost, sice u nČj þasem nedegraduje plynová náplĖ a ani jeho životnost nedegradují samotné interakce, ale s postupem þasu zaþne ztrácet schopnost udržet vlastní výboj. Proto na rozdíl od samozhášecích Geiger- Müllerových poþítaþĤ, kde je životnost udána v poþtu interakcí, zde je životnost udávána v hodinách (ĜádovČ 10³ h).

1.5.4 Polovodiþové detektory

Vzhledem k tomu, že nízká hustota plynĤ výše uvedených typĤ detektorĤ má slabé brzdné schopnosti a tím malou pravdČpodobnost interakce mezi ionizujícím záĜením a molekulou plynu, byly hledány látky v pevném skupenství, které mají vyšší hustotu pracovního média, jelikož s vyšší hustotou roste pravdČpodobnost srážky (interakce) a tím také jsme schopni zaregistrovat vyšší poþet interakcí. Prvními detektory s pevnou látkou místo pracovního plynu jsou scintilaþní detektory, kterým bude vČnována samostatná kapitola. Ty se ovšem vyznaþují špatnou úþinností, vzhledem ke složité konverzi zjištČné energie na výstupní signál, kdy je velká þást energie „vyplýtvána“ (pĜemČnČna na neužiteþnou veliþinu) pĜi transformacích mezi rĤznými mezi veliþinami. Teprve s rozvojem polovodiþových souþástek v druhé polovinČ 20. století, pĜišly na Ĝadu polovodiþové detektory radiaþního záĜení. Perspektivním prvkem se ukázalo germanium (Ge). Ovšem výroba detektorĤ byla složitá, drahá a nerentabilní. S postupem þasu se však technologie zlepšila a bylo možné táhnout monokrystaly Germania pro výrobu detektorĤ se stále nižší koncentrací pĜímČsí.

Schopnost zachycení interakce (dle její energie), které jsou tyto polovodiþové detektory schopny zaznamenat, je dána zakázaným pásem. Pokud je energie (rychlost) þástice dostateþná (alespoĖ stejná jako energie zakázaného pásu), vyvolá interakce tvorbu páru elektron – díra, pĜípadný nadbytek energie se vyzáĜí v podobČ fotonu. Vzhledem k tomu, že energie zakázaného pásu je velmi malá (u Si a Ge to jsou jednotky eV, konkrétnČ cca 3 eV), dokáže tento detektor zachytit i velmi slabé interakce. Teoreticky jsou tedy schopny zachytit v pĜípadČ Si a Ge interakci þástic s energií alespoĖ 3 eV, což je naprosto neporovnatelné s elektrickými plynovými detektory, kde je potĜeba energie až 10x vyšší

(30 eV). Navíc, energie potĜebná pro generací páru závisí jen na teplotČ a materiálu, na rozdíl od plynových detektorĤ nám odpadají starosti se složením plynu a jeho tlakem. I zde je tĜeba vnČjší elektrické pole, které zabrání zpČtné rekombinaci páru. Intenzita elektrického pole je v polovodiþových detektorech volena tak, aby rychlost nosiþĤ náboje byla saturovaná (co nejvyšší), jelikož v tomto stavu je prakticky nezávislá na teplotČ. Díky dosažené rychlosti mají polovodiþové detektory prakticky nejrychlejší odezvu ze všech uvedených druhĤ detektorĤ.

ýinnost a vlastnosti polovodiþových detektorĤ jsou dány fyzikálními vlastnostmi polovodiþĤ, z nichž je detektor vyroben, mezi nČž patĜí intrinsický, neboli vlastní polovodiþ. Ten neobsahuje pĜímČsi a v krystalové mĜíži najdeme v uzlových bodech jen atomy jednoho prvku. Pokud bude mít krystal nenulovou teplotu, þást tepelné energie využijí elektrony z posledního valenþního pásu, aby pĜekonaly zakázaný pást a dostal se do pásu vodivostního. Na jeho místČ zĤstane prázdné místo (díra). Teplem tak vlastnČ generujeme pár elektron – díra. Je – li krystal pĜipojen k napČĢovému zdroji, vlivem elektrického pole se zaþnou páry elektron-díra pohybovat; vzniká tak elektrický proud, který protéká krystalem. Velikost protékajícího proudu závisí na teplotČ, proto se v aplikaþních situací tyto þisté detekþní struktury chladí tekutým dusíkem (zejména u germania). Chlazením se jednak snižuje protékající proud a jednak se zlepšují šumové vlastnosti. V pokojových teplotách by šum byl natolik velký, že rekonstrukce signálu by byla krajnČ problematická. Vlastní funkce polovodiþového detektoru pĜipomíná obyþejnou diodu, kdy se používá v závČrném smČru. S tím souvisí nutnost poþítat s kapacitou pĜechodu, která se tvoĜí ve vyprázdnČné oblasti pĜechodu. Ke snížení kapacity (a tím zlepšení dynamických vlastností) se dČlá detektor co nejtlustší (se vzdáleností obou elektrod s nahromadČným nábojem kapacita klesá) a dále se snažíme o co nejvyšší provozní napČtí, þímž dosáhneme širší vyprázdnČné oblasti a dalšího snížení kapacity.

Musíme mít však na pamČtí, že pĜekroþení kritické intenzity elektrického pole, dojde k napČĢovému prĤrazu (obr. 1.5.4.1) a ke zniþení struktury detektoru. Toto napČtí se liší díky technologickému provedení a dosahuje znaþného rozptylu. VČtšinou se nelze spoléhat jen na hodnotu udávanou výrobcem, ale je tĜeba si experimentálnČ zmČĜit V – A charakteristiku daného kusu samostatnČ.

Obr. 1.5.4.1 – PrĤraz polovodiþe v závČrném smČru

NepĜedvídatelnost prĤrazného napČtí je vČtšinou ovlivnČna poruchami krystalické mĜížky a to je dĤvod, proþ s urþením prĤrazného napČtí má potíže i výrobce. Jejich pĜedpovČć a dopad nelze nijak charakterizovat, proto je každý vyrobený kus do jisté míry originálem. Proto je použití tČchto detektorĤ ztíženo nejen požadavky k jejich funkci (chlazení dusíkem), ale i jejich cenou. Ta se odvíjí od jejich tloušĢky (þím tlustČjší, tím lepší jsou dynamické parametry, menší kapacita a možnost registrace i lehkých fotonĤ) a prĤrazného (resp. pracovního) napČtí. ýím vyšší pracovní napČtí, tím opČt lepší

dynamické vlastnosti. Ovšem tyto vlastnosti jsou vykoupeny nároþnČjší výrobou a þistČjšími materiály, protože každá porucha krystalové mĜíže zpĤsobená neþistotami,

zpĤsobí vČtší rozptyl již tak vysokého pracovního napČtí polovodiþového detektoru. Proto se obvykle dává pĜednost detektorĤm vyrobených na bázi kĜemíku, jednak kvĤli levnČjšímu materiálu a jednak nepotĜebují nákladné chlazení, jako germaniové detektory a pracují spolehlivČ i pĜi pokojové teplotČ. U kĜemíkového detektoru, je k detekci využíván buć obyþejný kĜemíkový PN pĜechod, nebo pĜechod polovodiþ – kov (Schottkyho pĜechod). Obyþejný polovodiþový pĜechod již není zpravidla využíván a byl nahrazen iontovou implantací, která poskytuje vČtší výtČžnost výroby a menší rozptyl parametrĤ.

U pĜechodu s kontaktem kov – polovodiþ se obvykle používá jako substrát polovodiþ typu n, na který je nanesena vrstva polovodiþe typu p a na tento „sandwich“ je opatĜený napaĜenou tenká vrstvou zlata, nebo vzácnČji hliníku. Vrstva kovu zároveĖ slouží jako okénko detektoru a jako ochrana pĜed vlivy vnČjšího svČta. Detektor je zapouzdĜen v uzavĜené kovové trubce, spojené se zemí (a je tedy uzemnČno i okénko – kovová vrstva).

Anoda je na stranČ polovodiþe. VČtšinou ji tvoĜí hliníkový pásek, nalisován pĜímo na polovodiþ, nebo pájený kontakt na pĜedem pĜipravenou, napaĜenou plošku z hliníku. Tato technologie poskytuje dobrou stabilitu parametrĤ a rovnČž rozptyl parametrĤ každého kusu

je malý i ve velkých sériích. Problémem je fakt, že okénko, tedy kovová vrstva, je vystavena okolnímu svČtu a je tedy náchylná na mechanické poškození, napĜíklad poškrábání, které je neopravitelné a vede ke zniþení detektoru. Dále jsou tyto detektory citlivé na svČtlo a musí pracovat v tmavém prostĜedí (což Ĝeší trubka, ve které je detektor umístČn). Dalším problémem je tČsnost ochranné trubice. Ta musí být provedena preciznČ, jinak hrozí, že nČkteré plyny, které vniknou do trubice netČsností v jejím tČle, mohou vdifundovat do polovodiþe a zmČnit jeho vlastnosti. Proto tyto detektory vČtšinou, aþkoliv jsou umístČny v ochranné trubici, pracují ve vakuu, kdy musíme dát pozor, aby vývČva sama vakuum nezneþistila napĜíklad parami olejĤ, které do vedení proniknou z pístového mechanismu vývČvy. Proto se mechanické ani rtuĢové vývČvy pro tyto detektory nepoužívají. Vlastnost, pro kterou jsou cenČny, je rychlá reakce na interakce. Tvar, ani doba impulzu není závislý na interakci a je zpravidla ovlivnČn jen nábojovým zesilovaþem, který impulz bezprostĜednČ z detektoru zpracovává. StejnČ jako u germaniových detektorĤ, lze nežádoucí šum snížit jejich chlazením, ovšem chlazení nemá zlepšující vliv na detekþní vlastnosti. V souþasné dobČ jsou velmi rozšíĜeny nábojovČ vázané detektory s CCD (Charged Coupled Devices), které jsou spíše známy jako snímací prvky kamer, nebo fotoaparátĤ, nahrazující fotocitlivé, chemické filmy. Vzhledem k tomu, že detekují þástice (fotony) bČžného svČtla, jejich princip je neomezuje jen na spektrum viditelného záĜení.

Jsou schopny zaregistrovat þástice vzniklé interakcemi jaderného záĜení.

Obr. 1.5.4.2 – Struktura CCD detektoru (pĜekresleno z [2])

Na obr. 1.5.4.2. je vidČt struktura tohoto polovodiþového detektoru (respektive jen pár bunČk, které pak tvoĜí celý snímaþ). Detektor se principem neliší od toho, který najdeme jako snímací prvek kamery, nebo fotoaparátu. Princip je pomČrnČ jednoduchý. Nejprve se celá oblast detektoru vyprázdní, všechny volné, zbylé, nebo tepelnČ excitované elektrony

jsou odsáty, aby v aktivní oblasti bylo prázdno a elektrony se tvoĜily až vlastním ozáĜením.

V další fázi, kdy je þip ozáĜen, se ve vyprázdnČné oblasti tvoĜí elektrony, které se zachytávají pod vyþítacími elektrodami, v potenciálových jámách. NáslednČ, až jsou všechny jámy zaplnČny, se elektrony pomocí elektrod posouvají smČrem k anodČ, kde jsou vyþítány. Posun je ovlivnČn signály, které jsou v pĜesném þasovém okamžiku pĜipojovány k vyþítacím elektrodám. Poþet elektronĤ, zachycených v jámČ pod elektrodou je úmČrné ozáĜení dané oblasti, kdy každá elektroda, je brána jako jedna oblast – pixel. Pixely se vyþítají postupnČ, po Ĝádcích. Skupiny jednotlivých bunČk jsou sdružovány do matic, tvoĜí pak plošné detektory. Nejprve se þtou Ĝádky (zpravidla zleva), sloupce se pak posouvají buć do pomocných bunČk nebo jsou transportovány pĜímo do þtených ĜádkĤ, kde jsou þteny rovnČž jako Ĝádky. Z toho vyplývá, že vyþítání plošného detektoru mĤže trvat i nČkolik vteĜin. Doba þtení jednoho Ĝádku je zhruba 10 ȝs. I pĜes problémy, jako je možné ovlivĖování mezi jednotlivými pixely, pĜeslechy signálĤ a problému (který jde do jisté míry ovlivnit vyhodnocovacím algoritmem, þi zvýšenou rychlostí vyþítání), kdy zachycená interakce mĤže být vyhodnocena dvČma pixely najednou, jde v souþasné dobČ o velmi používaný typ detektoru.

Obr. 1.5.4.3 – Princip vyþítání CCD [2]

Na obr. 1.5.4.3. je ještČ jednou zobrazeno vyþítání þipu CCD. Nejvíce používaná topologie je, že vlastní pixely tvoĜí Ĝádek, neboli lineární þip (na obrázku je to sloupec, situace je o 90 ࡈ otoþena) a tyto poþetnČ znásobené Ĝádky pak tvoĜí celou matici. ěádky (na obrázku tedy sloupce) si postupnČ pĜedávají svĤj obsah až k tomu krajnímu, který je pĜipojen k anodČ a vyþítán. Pro chlazení polovodiþových detektorĤ, které to vyžadují, se obecnČ používají kryostaty. Speciální chladící nádoby, ve kterých je detektor umístČn.

Detektor navíc chrání pĜed kontaminací cizími látkami z okolního prostĜedí. Detektor své teplo pĜedává mČdČné trubce a ta ho pĜedává tekutému dusíku, umístČném v DewarovČ nádobČ. ěez pĜíkladem kryostatu je na obr. 1.5.4.4.

Obr 1.5.4.4 – Kryostat, pro chlazení polovodiþových detektorĤ [2]

Jelikož jsou kryostaty finanþnČ nákladné a vyžadují pravidelnou údržbu, nČkdy se nahrazují buć mechanickým chlazením. Mechanickým chlazením však nikdy nedosáhneme tak nízké teploty, jako s kapalným dusíkem a hodí se proto jen pro nenároþné aplikace. Navíc vibrace kompresoru škodí detektorĤm a na kompresory je nutno montovat silentbloky, a jejich pĜívody místo trubic pĜipojovat hadicemi, což brání šíĜení otĜesĤ skrze trubkový rozvod. Proto se v praxi spíše používá chlazení pomocí Peltierova þlánku, který je tichý, levný, nehluþí a netrpí vibracemi. Jednu nevýhodu však má, stejnČ jako kompresorové chlazení je totiž závislý na síti a na jejím výpadku. Je proto nutno, v pĜípadČ výpadku zajistit náhradní pĜívod energie. V souþasné dobČ se používá k chlazení kombinace jak Dewarovy nádoby s dusíkem, která detektor chladí v pĜípadČ výpadku elektrické energie, tak chlazení Peltierovým þlánkem, které detektor pĜi provozu chladí normálnČ.

1.5.5 Geiger – Müllerovy poþítaþe

Jejich princip byl objeven již v roce 1928 [2] a pro své vlastnosti v porovnání s jejich cenou a konstrukþní složitostí jsou velmi oblíbené pro nenároþné aplikace. Základní schéma tohoto poþítaþe je na obr. 1.5.5.1.

Obr. 1.5.5.1 – Základní zapojení [1]

Kde:

1……….Trubice

2……….Zdroj detekþního proudu 3………..ZatČžovací rezistor

4………..Vyhodnocovací obvod (vyhodnotí proudový impulz výboje jako úbytek napČtí na rezistoru R)

Princip je trochu podobný proporcionálním detektorĤm. Plynové zesílení je opČt dáno lavinou ionizací. Ovšem elektrické pole není v trubici rozloženo stejnČ v celém objemu (je nehomogenní). Kombinace vhodného pracovního plynu a vyššího napájecího napČtí povede k tomu, že bude energie (a tím i rychlost) urychlených þástic natolik velká, že zaþne být schopna ionizovat i þástice plynu. To vede ke vzniku dalších lavin, které se v Ĝádu jednotek ȝs rozšíĜí v prostoru celé trubice. Vznikne tak výboj, a plynové zesílení K zde dosáhne svého maxima (K § 10¹⁰). Tento mechanismus je schopen spustit i jeden jediný elektron, který má dost vysokou energii pro vytvoĜení primární ionizace.

V základním provedení není schopná trubice výboj sama uhasit a u prvních pĜístrojĤ to dokonce musela zajišĢovat obsluha snížením napájecího napČtí a zamezení tvorby (tzv.

zhášení) další lavinové ionizace. Zhasnutí výboje je nutné z toho dĤvodu, že v této dobČ není trubice schopna zaregistrovat další interakce detekovaných þástic. Známe dva základní typy tČchto trubic; nesamozhášecí a samozhášecí. Nesamozhášecí jsou historicky starší a jejich trubice byly plnČny þistými vzácnými plyny (helium, argon).

Zhášení tČchto trubic provádČno bućto obsluhou, ale to bylo velmi nepohodlné a navíc to nepĜíznivČ ovlivĖovalo, þi rovnou znehodnocovalo vlastní mČĜení (pĜítomnost lidského faktoru). Proto se hledal zpĤsob, jak snižovat napájecí napČtí trubice automaticky.

Používalo se pĜedĜadného rezistoru o vysoké hodnČ odporu (desítky Mȍ), který na trubici snížil napČtí o svĤj úbytek, neboĢ pĜi výboji v trubici jí zaþal protékat proud. Vysoká hodnota rezistoru spolu s kapacitou vlastní trubice a kapacitou vstupu vyhodnocovacích obvodĤ tvoĜí integraþní obvod. Kapacita integraþního obvodu se nabíjí díky velkému odporu velmi pomalu (þímž se i velmi pomalu vrací napČtí na pĤvodní úroveĖ) a trubice má tak velkou mrtvou dobu, ve které neregistruje další interakce. NicménČ toto bylo jediné Ĝešení, které se používalo, vzhledem k možnosti tehdejší elektroniky.

S rozvojem polovodiþĤ pĜišly další metody, jak trubici zhášet, ale zároveĖ snížit mrtvou dobu trubice. Nejjednodušší z dalších metod se ukázalo impulsní napájení. Tedy vysoké napČtí bylo k trubici pĜipojeno s urþitou stĜídou. Pokud bČhem doby, pĜi které bylo vysoké napČtí na anodČ pĜítomno, došlo k interakci, v trubici vznikl výboj, který byl následnČ uhašen pĜerušením napájení. Velmi jednoduché technické Ĝešení negativnČ neovlivnilo dobu zotavení, ovšem pĜineslo jednu nevýhodu; totiž bČhen vypnutého napájení trubice samozĜejmČ nemohla registrovat pĜíchozí interakce. Vznikly také modifikace tohoto Ĝešení, kdy se napČtí neodpojovalo, ale pouze snižovalo pod U₄ (obr.1.5.2), protože pokles napČtí pod Geiger – MüllerĤv práh znemožní urychlení elektronĤ na takovou úroveĖ, aby pokraþovala sekundární ionizace; dojde k zhasnutí výboje. Asi nejdokonalejší metodou byla reverzace napájení, kdy v závislosti na tvaru detekovaného impulzu po interakci byl odvozen reverzaþní impulz, dle kterého se na urþitou dobu obrátilo napájení. Výhodou je, že rychlé elektrony jsou sebrány na anodČ mnohem rychleji, než pomalé kladné ionty, které jsou díky své malé rychlosti stále blízko anody, která se díky reverzaci stane katodou a ionty „odsaje“ v dobČ, kdy rychlé elektrony jsou již dávno zaznamenány. Výhodou je zmenšení poþítacích ztrát a rychlá doba zotavení. NicménČ v praxi se ani jedno z tČchto Ĝešení neujalo. DĤvod je prostý; pĜílišná komplikace jednoduchého a spolehlivého zapojení. Proto se zaþaly hledat taková Ĝešení, kdy ke zhášení není tĜeba externí elektronika, ale aby nastávalo na základČ fyzikálních zákonitostí již pĜímo v trubici. Proto vznikly samozhášecí trubice, které nevyžadují k zhášení výboje žádný zásah zvenþí.

Samozhášecí detektory využívají procesu vnitĜního samozhášení. Tento proces byl náhodou objeven v roce 1935 [2]. V podstatČ tento proces byl vypozorován v tehdy bČžném nesamozhášivém detektoru, jehož pracovní náplĖ vzácným plynem byla naĜedČna parami alkoholu. TČžké, složité molekuly alkoholu totiž brzdí tvorbu dalších sekundárních lavin. V prĤbČhu mČĜení interakcí se molekuly zhášecí pĜímČsi rozkládají a nejsou schopny

se již regenerovat. Proto díky používání detektoru zhášecí pĜímČs degraduje a detektor má sníženou životnost. To je hlavní nevýhoda tČchto detektorĤ. Degradaci navíc ovlivĖuje i proud, který trubicí pĜi výboji prochází. Ten by mČl být proto co nejmenší, tedy musíme volit co nejvČtší pĜedĜadný rezistor. Ten je v praxi ovšem mnohem menší, než stejnČ zapojený rezistor v pĜípadČ nesamozhášecích trubic (v praxi cca desítky kȍ). Problém nízké životnosti tČchto detektorĤ se Ĝeší nahrazením organických molekul alkoholu anorganickou náhradou, kdy se osvČdþily pĜímČsi halogenĤ, které pĜi srážkách v sekundárních ionizacích nedegradují a detektor má tak neomezenou dobu používání. To je vykoupeno delší odezvou impulzĤ na interakci a vzhledem k chemické agresivitČ halogenĤ je obtížná výroba tČchto detektorĤ, zejména materiálem, který by agresivním pĜímČsím odolal. NepĜíjemnou vlastností tČchto detektorĤ jsou falešné impulzy. Ty vznikají po „pravých“, ale již nejsou dĤsledkem mČĜených interakcí, ale ionizovanými þásticemi plynové náplnČ, které pĜi své neutralizaci poslali elektron na anodu místo aby jej pohltila zhášecí náplĖ. Vyhodnocovací þást samozĜejmČ nedokáže poznat pĤvod elektronu, takže jej bere jako dĤsledek další interakce, což znehodnocuje mČĜení. Tento jev se eliminuje vhodnou koncentrací plynu a zhášecí pĜímČsi. U obyþejných samozhášecích detektorĤ se tento jev objevuje þastČji s þastČjším používáním, na vinČ je již zmínČná degradace alkoholových molekul. U samozhášecích detektorĤ s pĜímČsí halogenĤ by teoreticky k tomuto jevu docházet nemČlo, jelikož halogeny používáním detektoru nedegradují. Ovšem v praxi se falešné impulzy nevyhýbají ani jim. DĤvodem je vysoká reaktivita halogenĤ, které reagují napĜíklad s povrchem trubice, þímž dojde k poklesu aktivních molekul zpomalovaþe plynu (jelikož nČkteré molekuly jsou pĜi reakci s kovem pohlceny).

Mezi nejdĤležitČjší parametry tČchto trubic patĜí mrtvá doba td a doba regenerace (zotavení) tr. Mrtvá doba td je þasový interval. Elektron, pocházející z interakce není elektrickým polem urychlen do té míry, aby spustil lavinovou ionizaci. Je to proto, že kladné ionty, které jsou soustĜedČny kolem anody trubice, snižují hodnotu intenzity elektrického pole. Kladné ionty se s postupem þasu od anody oddalují a intenzita elektrického pole roste, než pĜekroþí hodnotu, kdy je další elektron z interakce schopen zpustit nárazovou ionizaci (lavinu). Doba, za kterou se kladné ionty oddálí od anody natolik, že je elektron z registrované interakce schopen spustit ionizaþní lavinu, se nazývá mrtvá doba td. BČhem této doby trubice není schopna zaregistrovat žádnou interakci. Po uplynutí této doby již zaþíná trubice reagovat, ovšem impulzy jsou velmi malé a tČžko se

tak vyhodnocují, jelikož jsou utopeny v šumu. Amplituda impulzĤ postupnČ roste, jelikož rozložení pole (díky oddalujícím se kladným iontĤ smČrem od anody) dostává postupnČ do správné konfigurace, která je nutná pro správnou funkci. Doba, která uplyne od konce

mrtvé doby, až po dobu, kdy je pole v pĤvodní konfiguraci (þímž máme impulzy o maximální amplitudČ), nazýváme dobou zotavení t_r. Graficky jsou obČ doby znázornČny

na obr. 1.5.5.2.

Obr. 1.5.5.2 – Grafické vyjádĜení td a tr

Mrtvá dona závisí nejvíce na napájecím napČtí, kde se vzrĤstajícím anodovým napČtím klesá. PĜíklad závislosti td na napájecím napČtí je uveden na stranČ 67, v [2]. Pro stanovení mrtvé doby se používají více-záĜiþové konfigurace nebo metody záĜiþe s krátkým poloþasem rozpadu.

1.6 Scintila þ ní detektory

Scintilaþní detektor pĜevádí energii zachycené interakce na fotonové záĜení. Zachycená energie tedy koreluje s energií (rychlostí) generovaných fotonĤ. Generované záĜení leží v oblasti ultrafialového záĜení. První pokusy s tČmito detektory byly na zaþátku 20. století a záblesky, vyvolané srážkou þástice a stínítka byly poþítány „ruþnČ“. Poþítal je pozorovatel, který záblesky sledoval mikroskopem. Taková mČĜení mohlo provádČt jen pár lidí, kteĜí mČli výjimeþné pozorovací schopnosti a výborný zrak. Práce s tímto zaĜízením, nazývaném Spintariskop, byla namáhavá a vyžadovala znaþný výcvik a hlavnČ disciplínu pozorovatelĤ. Ve tĜicátých letech byly Spintariskopy vytlaþeny v té dobČ již osvČdþenými ionizaþními komorami. O dekádu pozdČji se však scintilaþní detektory vrátily, jen lidského pozorovatele nahradily fotonásobiþe (které mimochodem této aplikaci vdČþí za svĤj rychlý rozvoj). Vzhledem k jejich dobrým vlastnostem, jako je provozní nenároþnost, odolnost,

spolehlivost a kompaktnost se rozšíĜily do všech oblastí techniky, jako je prĤmysl, vojenství a koneþnČ i do vČdecké sféry. Je vhodné poznamenat, že vlastní detektor netvoĜí fotonásobiþ, ale organická, þi anorganická látka, konvertující energii interakce na fotonové záĜení. Fotonásobiþ (který bývá obþas nahrazen fotodiodou) jen detekuje záblesky fotonového záĜení a vlastnČ není k þinnosti vlastního detektoru vĤbec nutný, vlastní detektor je založen výhradnČ na chemickém principu pĜemČny formy energie.

ýinnost scintilaþního detektoru jde rozepsat do tĜí hlavních þástí:

• Absorpce mČĜeného záĜení:

• Scintilaþní proces pĜevodu energie mČĜeného záĜení na energii fotonĤ

• PĜenos generovaných fotonĤ na snímací prvek (fotonásobiþ, fotodioda)

• PĜevod detekovaných fotonĤ na elektrický signál (fotoelektrický jev, þi generace páru elektron – díra u fotodiody)

Mechanismus pĜemČny energie zachycené interakce na energii fotonĤ (zachycený záblesk) se liší dle látky, která tato pĜemČnu pĜevádí. Mezi nejbČžnČjší rozdČlení scintilátorĤ patĜí již zmínČné organické a anorganické. Organické scintilaþní detektory jsou založeny na molekulách benzenu. Emise fotonĤ, tedy vlastního detekþního ultrafialového záblesku zde souvisí s vazbami mezi molekulami organické látky. Tyto stavy nejsou ovlivnČny skupenstvím látky, proto tento mechanismus probíhá u všech tĜí skupenství dané detekþní látky. Energie výstupních fotonĤ je samozĜejmČ menší, než energie dodaná zachycenou interakcí, proto se u tČchto detektorĤ uvádí i energetická úþinnost. Naprostá vČtšina vstupní energie je využita na ionizaci (primární scintilaþní proces) pracovního prostĜedí a na excitaci vazebních elektronĤ ve vazbách mezi molekulami benzenu. Tyto elektrony po své zpČtné rekombinaci svou pĜebyteþnou energii vyzáĜí právČ ve formČ fotonu, který pak tvoĜí kýžený ultrafialový záblesk (sekundární scintilaþní proces). Rekombinace mĤže probČhnout buć skokovČ, tedy z hladiny s nejvyšší energií, do hladiny základní. Další možností je rekombinace postupná, tedy pozvolnou rekombinací pĜes všechny dostupné energetické hladiny, od nejvyšší hladiny.

Postupná rekombinace však zvyšuje riziko, že pĜebyteþná energie nebude pĜedaná ve formČ fotonu, ale ve formČ tepla (což je ztrátová, nezáĜivá detekce). To tedy znamená, že reakce na interakci ve formČ záblesku není 100 % zachytitelná fotonásobiþem. Navíc, generování záblesku u organických scintilaþních detektorĤ není vČcí jednoho

mechanismu, generované fotony tak mají rĤzné vlastnosti, napĜíklad rĤznou vlnovou délku. Mechanismy generující záĜení organických scintilaþních detektorĤ jsou:

• Fluorescence

• Fosforescence

• ZpoždČná Fosforescence

Fluorescence je nejrychlejším mechanismem pĜemČny energie zachycené interakce na záĜení.

Vlnové délky generovaných fotonĤ jsou krátké. I pĜes pĜímou rekombinaci se však nČkdy místo fotonu generuje teplo. Dochází k urþitému rozptylu vyzáĜené energie, což je zpĤsobeno teplotními kmity þástic. Tím se mČní rychlost generovaných fotonĤ a to vede k jejich rozdílné vlnové délce.

Fosforescence vzniká nepĜímou rekombinací vazebních elektronĤ benzenu, kdy elektron nerekombinuje pĜímo z nejvyššího stavu na stav s minimální energií, ale na základní hladinu rekombinuje z vyššího energetického pásu, který je však níže, než jen ten s nejvyšší energií.

Vlnová délka je tak delší, protože generované fotony jsou pomalejší. Snížená rychlost je zpĤsobena menším rozdílem energetických hladin pásĤ, kterými elektron pĜi rekombinaci prochází. Ke zpoždČné fosforescenci dochází v pĜípadČ, že elektron nerekombinuje ze své hladiny na hladinu základní, ale excituje na hladinu s vyšší energií, kdy je excitován napĜíklad teplem. Dále se organické scintilaþní detektory dČlí dle skladby vlastního scintilátoru na:

• Jednosložkové – složeny z þistých organických krystalĤ, jako je antracen, nebo kapalné na bázi þistých roztokĤ, bez pĜímČsí.

• Dvousložkové – vČtšinou kapalné scintilátory, nebo dvousložkové krystalové scintilátory na bázi antracenu.

• TĜísložkové – tĜí a vícesložkové systémy

Vícesložkové scintilátory se používají z dĤvodu zvýšení úþinnosti. V jednoduchém, jednosložkovém scintilátoru totiž existuje zvýšené nebezpeþí, že elektron svou pĜebyteþnou energii bude odevzdávat právČ ve formČ tepla a nikoliv jako foton. VyzáĜení pĜebyteþné energie pĜi rekombinaci vazebního elektronu teplem vyniká zejména v pĜípadČ, že elektron prochází skrze energetické pásy v rámci nČkolika atomĤ. Tedy pĜejde s vysokoenergetického pásu jedné þástice do pásu s nižší energií druhé þástice. Jev je znázornČn na obr. 1.6.1.