Photonen in Astronomie und Astrophysik Sommersemester 2015

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Hertha Ursula Bach
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1 Photonen in Astronomie und Astrophysik Sommersemester 2015 Dr. Kerstin Sonnabend II. DETEKTION VON PHOTONEN II.1 Detektoreigenschaften 05. Mai 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 1

2 beschreiben Leistungsfähigkeit des Detektors dienen als Vergleichsgrößen zwischen verschiedenen Typen beinhalten teilweise auch Effekte der verwendeten Elektronik sind abhängig vom Teilchentyp und der Teilchenenergie 05. Mai 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 2

3 Energieauflösung Anzahl erzeugter Ladungsträger statistisch verteilt abhängig von benötigter Energie pro Photon / Ladungsträger Beispiele für γ-strahlung: BaF 2 anorg. Szintillator: 1,400 (9,500) photons / MeV NaI(Tl) anorg. Szintillator: 38,000 photons / MeV LaBr 3 (Ce) anorg. Szintillator: 63,000 photons / MeV Si Halbleiter: 275,000 e -Loch-Paare / MeV Ge Halbleiter: 338,000 e -Loch-Paare / MeV 05. Mai 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 3

4 Energieauflösung Absolutwert: ΔE = FWHM eines Peaks (full width at half maximum) Relativwert: ΔE/E angeben Fano-Faktor F: Erzeugung Ladungsträger nicht unabhängig Abweichung von Gaußbzw. Poisson-Statistik!E E stat.limit = 2.35" F N Quelle: G.F. Knoll, Radiation Detection and Measurement, figure Mai 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 4

5 Antwortfunktion Messumformung bewirkt Signalverfälschung Statistik: δ-funktion wird zu Gauß-Funktion Umwandlung in Ladungsträger: Strukturen im Spektrum Photonen e : full-energy -Peak, Comptonuntergrund... Ereignisse(E) = Verteilung(E γ ) Antwortfunktion(E,E γ ) de γ unvollständige Energieabgabe: Niederenergieflanke verlängert / verbreitert 05. Mai 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 5

6 Antwortfunktion 50 kev 500 kev 5000 kev full-energy peak full-energy peak full-energy peak single escape Compton Compton double escape 05. Mai 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 6

7 Antwortzeit, Signaldauer, Zeitkonstanten Antwortzeit t response : Dauer von Ankunft der Strahlung bis Signalanstieg Signaldauer t signal : Dauer von Signalanstieg bis Rückkehr zur Nulllinie Zeitkonstanten τ rise und τ decay : A rise (t)! A 0 " rise # t A decay (t) = A 0 # exp($" decay # t) 05. Mai 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 7

8 Antwortzeit, Signaldauer, Zeitkonstanten Zeitpunkt des Signals ( timing ): konstante und bekannte Antwortzeit t response kurze Anstiegszeit τ rise Integration des Signals ( energy ): bekannte Signaldauer t signal schnelle Abklingzeit τ decay Zählratenfestigkeit ( pile up ): kurze Signaldauer t signal schnelle Abklingzeit τ decay 05. Mai 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 8

9 Antwortzeit, Signaldauer, Zeitkonstanten Signalform (t signal, τ rise, τ decay ) abhängig von Strahlungsart Pulsform-Diskriminierung mit versch. Integrationszeiten τ i τ long α-teilchen τ short schnelle n γ-strahlung 05. Mai 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 9

10 Effizienz intrinsische Effizienz ε int : Wahrscheinlichkeit, dass Teilchen im Detektor registriert wird! int = Anzahl registrierter Teilchen Anzahl Teilchen auf Detektor material- und energieabhängig geometrische Effizienz ε geom : vom Detektor abgedecktes Raumwinkelelement d"! geom = $ 4# dritte Dimension (Dicke, Tiefe) in ε int enthalten 05. Mai 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 10

11 Effizienz totale Effizienz ε tot : Wahrscheinlichkeit, dass Teilchen registriert wird Anzahl registrierter Teilchen! total = Anzahl emittierter Teilchen =! "! int geom umfasst gesamte Antwortfunktion Peakeffizienz ε peak : Wahrscheinlichkeit, dass Energie vollständig registriert wird! peak = Anzahl Ereignisse im Peak Anzahl Ereignisse im Detektor umfasst nur full-energy -Peak 05. Mai 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 11

12 Effizienz Angabe relativ zu 3 3 NaI(Tl) in 25 cm Abstand bei 1332 kev Quelle: G.F. Knoll, Radiation Detection and Measurement, figure Mai 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 12

13 Effizienz Bestimmung mit radioaktiven Quellen bekannter Aktivität als Funktion von E γ und Abstand zu vermeiden: Summeneffekte, zufällige Koinzidenzen 57 Co, 133 Ba 54 Mn, 109 Cd, 137 Cs 57 Co, 133 Ba, 54 Mn, 109 Cd, 137 Cs Absolute efficiency close to detector [5 mm] far from detector [15 cm] fit E [kev] Quelle: J. Glorius, Dissertation, Goethe Universität Frankfurt a.m., Mai 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 13

Sensitivität Erzeugung eines verwertbaren Signals abhängig von Strahlungsart und Untergrundbedingungen beeinflusst von Detektormaterial Detektormasse

14 Sensitivität Erzeugung eines verwertbaren Signals abhängig von Strahlungsart und Untergrundbedingungen beeinflusst von Detektormaterial Detektormasse Eigenrauschen Abschirmung Quelle: T. Szücs et al., J. Phys. Conf. Series 337 (2012) Mai 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 14

15 Detektionsausbeute Zusammenhang deponierte Energie de/dx und Anzahl erzeugter Ladungsträger dl/dx Linearität vs. quenching -Effekte Quelle: G.F. Knoll, Radiation Detection and Measurement, figure Mai 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 15

16 Detektionsausbeute Temperaturabhängigkeit Quelle: G.F. Knoll, Radiation Detection and Measurement, figure 8.12 (l.) und figure 8.13 (r.) 05. Mai 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 16

17 Totzeit m: tatsächliche Ereignisrate n: beobachtete Ereignisrate τ: Totzeit nicht-erweiterbare Totzeit: m = n / (1 + n τ) erweiterbare Totzeit: m = n exp(n τ) 05. Mai 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 17

18 Totzeit nicht-erweiterbar erweiterbar Quelle: G.F. Knoll, Radiation Detection and Measurement, figure Mai 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 18

19 Totzeit Bestimmung mit kurzlebiger radioaktiver Quelle tatsächliche Rate n bekannt: n = n 0 exp( λt) + n b nicht-erweiterbar: m exp( λt) = n 0 τ m + n 0 für n b 0 erweiterbar: λt + ln(m) = n 0 τ exp( λt) + ln(n 0 ) für n b 0 Quelle: G.F. Knoll, Radiation Detection and Measurement, figure Mai 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 19

20 Totzeit Bestimmung mit Zwei-Quellen-Technik Messungen mit Quelle 1, Quellen 1+2 und Quelle 2 n 1 Detektor m 1 tatsächliche Raten: n 1, n 2 und n 12 n 1 +n 2, Untergrundrate n b gemessene Raten: m 1, m 2 und m 12, Untergrundrate m b nicht-erweiterbare Totzeit: Y = m 1 m 2! = ( m 12 + m ) b! m b m 12 m 1 + m 2 n 1 +n 2 X " ( 1# 1# Z) Y Detektor Detektor mit X = m 1 m 2 # m b m 12, ( ), Z = Y ( m + m! m! m ) b X Mai 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 20 n 2 m 12 m 2

21 Totzeit Bestimmung mit Pulsgenerator counts decay 91 Mo decay 94m Tc decay 94 Tc tatsächliche Rate Pulsgenerator n 0 gemessene Rate Pulsgenerator m 0 Totzeit τ gemessene Rate counts nat Mo(p,x), Ep = 19 MeV pulser / 100 Peakinhalt m Peak tatsächliche Rate Peakinhalt n Peak ACHTUNG: E / kev n Peak n Mai 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 21

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