Detektoren in der Gammaspektrometrie. Hans-Jürgen Lange SAAGAS21 Mainz 23.März 2007

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1 Detektoren in der Gammaspektrometrie Hans-Jürgen Lange SAAGAS21 Mainz 23.März 2007

2 Gammaspektrometrie in den USA = Kalibrierung Qualitätssicherung Externe Dienstleistung Review

3 ED XRF Spectrum X-ray charakteristische Emission Eine spezielle x-ray Emission weist eine intrinsische Lorentzverteilung auf, die bei Elementen Z < 50 eine Linienbreite von ~ 10 ev erzeugt. In der Realität zeigt sich jedoch eine Gaussverteilung um die charakteristische Energie E 0 : Detektor Response Characteristic X-ray G(x) _B Data: Graph3_Counts1 Model: Gauss Chi^2 = R^2 = y ± xc ± w ± A ± X 3

4 Szintillationsdetektoren Detektion von Photonen Plastik NaI(Tl) LaBr Halbleiterdetektoren CdZnTe Si SiLi Ge

5 Vorteile von LaBr gegenüber NaI als Detektor Hohe Lichtausbeute und exzellente Linearität Crystal Light yield (photons/kev γ) B380 (LaBr 3 ) 63 NaI(Tl) 38 Bessere Energieauflösung als bei NaI(Tl) Gute Temperaturstabilität Schnelle Zerfallszeiten Crystal Primary decay time (ns) B380 (LaBr 3 ) 16 NaI(Tl) 250 Ausgezeichnet für hohe Zählraten Verbesserte Zeitauflösung bei Koinzidenzmessungen 5 LaBr- New detector for gamma spectroscopy

6 Energieauflöung: Canberra Daten Vergleich der Auflösung eines 1.5 x 1.5 NaI(Tl)-Detektors mit einem 1.5 x 1.5 LaBr 3 (Ce)-Detektors Die Auflösung ist bei Energien oberhalb von 200 kev etwa einen Faktor 2 besser 6 LaBr- New detector for gamma spectroscopy

7 Auflösung: 133 Ba Spektren Vergleich derlabr Auflösung and NaI eines Comparison 1.5 x 1.5 NaI(Tl)-Detektors 1.5" X 1.5" Probes Ba-133 mit einem 1.5 x 1.5 LaBr 3 (Ce)-Detektors LaBr NaI Counts Energy (KeV) 7 LaBr- New detector for gamma spectroscopy

8 Temperaturabhängigkeit LED NaI(Tl) PMT 8 LaBr- New detector for gamma spectroscopy

9 Schnelle Zerfallszeiten und die Vorteile Ergebnis LaBr kann signifikant höhere Zählraten verarbeiten als NaI Vorteil Weiterer Messbereich Crystal Primary decay time (ns) LaBr 16* NaI(Tl) LaBr- New detector for gamma spectroscopy

10 ED XRF Spektren Pile-up und Summenpeaks. 10

11 Germanium Geschichtliches: 1886 wurde Germanium von dem deutschen Chemiker und Mineralogen Clemens Alexander Winkler ( ) in Freiberg/Sachsen aus dem Mineral Argyrodit isoliert. Theodor Hieronymus Richter ( ) und Julius Lothar Meyer ( ) identifizierten Germanium als ein Element der 4. Hauptgruppe und nannten es "Eka-Silicium". Winkler vergab dann den Namen Germanium, zu Ehren seiner Heimat, dem lateinischen Wort germania ("Deutschland").

12 Germanium Grundsubstanz: polykristallines Reingermanium - Zonenschmelzverfahren (Schmelzpunkt 937,4 C) - Czochralskiverfahren Dichte: 5,323 g/cm³ Ge-70 21,23% Ge-72 27,66% Ge-73 7,73% Ge-74 35,94% Ge-76 7,44%

13 Germanium Beim Dotieren mit Fremdatomen, z.b. mit Aluminium oder Antimon, kann die Leitfähigkeit erhöht werden. Beim Dotieren mit Phosphor, Antimon oder Arsen erhält man einen n-halbleiter, mit Bor, Aluminium, Indium oder Gallium einen p-halbleiter

14 Germaniumdetektor

15 Germaniumdetektor NEU ALT Wrap-around Technologie IEEE: Spezifikation: Bulletizing Rel. kev 5.9 kev, 122 kev 1332 kev Peak/Compton-Verhältnis

16 Germaniumdetektor BE5030 GC5020 : Durchmesser 60mm, Länge 80mm, nicht bulletized Probe : Durchmesser 74mm, Länge 21mm, gemessen auf der Endkappe

17 Germaniumdetektor Absorptionskoeffizient [cm2/g] 1,00E+05 1,00E+03 1,00E+01 1,00E-01 1,00E-03 1,00E-05 1,00E-07 1,00E-09 1,00E+00 1,00E+02 1,00E+04 1,00E+06 1,00E+08 Compton Photo Paar Total Energie [kev]

18 Germaniumdetektoreffizienz Abstand Quelle-Kristall 25,5 cm Fläche Kristall: 38 cm 2 Quelle Detektor Gesamtfläche der Kugel A = 4 π r 2 = 8167 cm 2 Fläche Kristall/ Fläche Kugel = Das Flächenverhältnis ist 5% größer als die Effizienz Messwert Effizienz bei 60 kev = Effizienzwert ISOCS bei 60 kev =

19 Germaniumdetektoreffizienz 1,00E-02 1,00E-03 1,00E-04 Effizienzfunktion reine Photo totale Effizienz 1,00E Energie [kev]

20 Germaniumdetektoreigenschaften P/T-Verhältnis 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Peak/Totale Effizienz Verhältnis Theorie Experiment Energie [kev]

21 Germaniumdetektoreigenschaften Anteil primärer Photoeffekt an FEP-Effizienz 120,00% 100,00% 80,00% 60,00% 40,00% 20,00% 0,00% Energie [kev]

22 Germaniumdetektoreigenschaften - Analyse der Einzelprozesse - Verschiedene Positionen mit Ladungswolken - Pile-up-Rejection für hohe Energien

23 Analyse von Gammaspektren - Analyse der Response des Messgeräts (Auflösung, Effizienz, Peak/Totale-Verhältnis) - Analyse der Einträge in das Spektrum durch die Umgebung (Untergrund, kosmische) - Analyse der Einträge durch die Probe (Beta, Compton-gestreute, Interferenzen) - Abtrennung der ungewünschten Einträge durch die Probe

24 Analyse der Einträge in das Spektrum durch die Umgebung Analyse der - kosmischen Komponente - terrestrischen Komponente - Eigenzählrate

25 Intrinsische Nachweisgrenzen des Messplatzes an definierter Position - Eigenaktivität der Abschirmung - Eigenaktivität der Umgebung - Elementare Wirkungsquerschnitte für Kernreaktionen mit der GCR - (n, n gamma), (n, gamma) - Bremsstrahlung 40 K, Rn-Tochternuklide Verwendete Materialien: Pb, Cd, Cu, Ge, Al, Be, In, Sn Molekularsiebe, Dichtungen, Elektronik

26 Untergrund aus der Probe Erhöhung des Untergrundkontinuums durch Aktivität in der Probe selbst 1. β-emissionen - Direkter Energieübertrag an den Detektor - Erzeugung von Bremsstrahlung - Anregung von Röntgenfluoreszenz 2. α-emissionen - Erzeugung von Bremsstrahlung - Anregung von Röntgenfluoreszenz 3. γ-emissionen - Erzeugung von Bremsstrahlung - Anregung von Röntgenfluoreszenz - Unvollständige Energieabgabe

27 Koinzidenzverfahren zur Trennung von Gamma- und Betaemittern Besteht aus: - Energiedispersivem Detektor zur Messung der Energie des Beta-Teilchens / Gammas - Durchflugdetektor zur Teilchenerkennung

28 Untergrund aus der Probe Teleskopdetektor Comptonsupression

29 Nachweisgrenzen sind abhängig von: - Kalibrierfaktoren = reziproke Effizienz - der Wurzel der Untergrundzählraten - (Auflösung) Die Auflösung legt die Bereiche fest, über die die Untergrundzählrate bestimmt wird.

30 Interferenzen durch verschiedene Linien Interferierende Linien anderer Nuklide Escapelinien Eu-152 Ac-228 Ge-77 Cd-110 Ge-73 Interferierende Linien anderer Nuklide Double-Escape Linien Bi-214 Ac Jahre 6.16 Stunden 11.3 Stunden Interferierende Linien anderer Nuklide (n,γ)-linien 19.9 Minuten 6.15 Stunden 671,2 kev kev kev 662 kev kev kev kev % % % 0.29 % 0.06 % % % Wie berechne ich Nachweisgrenzen bei Interferenzen?