Detektory ionizujícího záření

Garant předmětu:

Petr Průša

Přednášející:

Petr Průša

Cvičící:

Předmět zajišťuje:

katedra dozimetrie a aplikace ionizujícího záření

Anotace:

Plynové detektory (ionizační komory, proporcionální, Geigerovy-Müllerovy, koronové detektory), organické a anorganické scintilační detektory, Čerenkovovy počítače, vyhodnocení světla fotonásobičem, parametry a různé typy fotonásobičů, polovodičové detektory , pozičně citlivé detektory, kryogenní detektory.

Požadavky:

Složení zkoušky. Zkoušející zadá tři otázky.

1) Otázka zaměřená na detekční principy (např. jak vznikají scintilační fotony v anorganickém scintilátoru; proč jsou jednosložkové organické scintilátory podstatně méně transparentní pro scintilační fotony než vícesložkové; co je to zhášení v GM detektorech, jak se realizuje a proč je nezbytné...)

2) Otázka zaměřená na konstrukce a funkci jednotlivých detektorů (např. popište normálovou ionizační komoru (kompenzační ionizační komoru, Si(Li) detektor, CCD detektor, scintilační phoswich detektor...) a/nebo vlastnosti detektorů (např. definujte spektrální kvantovou účinnost fotonásobiče, jaké konstrukční prvky ji ovlivňují a jak; co je mrtvá doba GM detektoru, jak ovlivňuje měření, jak závisí na vlastnostech detektoru a podmínkách měření...)

3) Otázka zaměřená na některé druhy měření a aplikace detektorů (např. nakreslete amplitudové spektrum detektoru HPGe ozařovaného zářičem vyzařujícím 3MeV monoenergetické fotony, popište všechny útvary ve spektru a vysvětlete, jak vznikají; jak se měří aktivita radiofarmak; jaký scintilátor je vhodné použít ke spektrometrii gama ve směsných polích neutron-gama).

Během zkoušky bude pomocí dílčích doplňujícíh otázek testována schopnost studenta tvořivě aplikovat příslušné znalosti. Naprosté selhání v jedné otázce vyústí v hodnocení zkoušky stupněm F.

Osnova přednášek:

1. Plynové detektory - rozdělení, střed. energie pro vznik 1 iont. páru

2. Proudové ionizační komory - saturovaný proud, ztáty rekombinační/difuzní - dynamická odezva IK, fluktuace ionizačního proudu, měření základních dozimetrických veličin,kompenzační komory

3. Impulsní ionizační komory - odvození časových závislostí odezev a dob sběru, paralelní desková, válcová a kulová komora s úplným/ elektronovým sběrem, štěpné komory v impulsním režimu

4. Proporcionální detektory - plynové zesílení, Diethornovy parametry, vliv prostorového náboje, energetická rozlišovací schopnost, fluktuace tvorby iontových párů, Fano faktor, fluktuace plynového zesílení

5. Tvar výstupního impulsu proporcionálního počítače, rozlišovací doba, počítací charakteristika, detekční účinnost, absolutní měření aktivit alfa a beta, detekce a spektrometrie nízkoenergetických fotonů.

6. Detekce a spektrometrie neutronů proporcionálními počítači - používané jaderné reakce, stěnový efekt, tvar spektra, dekonvoluce spekter, „dlouhý počítač“

7. Geiger - Müllerovy detektory - princip, nesamozhášecí a samozhášecí GM, halogenové počítače, počítací charakteristika, „falešné“ impulzy, mrtvá doba, doba zotavení, tvar impulsu GM, typy GM počítačů, detekční účinnost GM počítačů.

8. Koronové detektory - teorie koronového výboje, detekce neutronů, potlačení fotonové odezvy, charakteristické vlastnosti.

9. Úvod do scintilačních detektorů, rozdělení scintilačních detektorů, scintilační proces v organických scintilátorech, energetické stavy pí - elektronů, zářivé a nezářivé přechody, fluorescence, fosforescence, zpožděná fluorescence, migrace excitační energie, samoabsorpce, jednosložkové a vícesložkové scintilátory, konverzní účinnost, emisní spektrum, luminiscenční odezva, časový průběh vysvícení.

10. Použití organických scintilátorů, kapalné scintilátory - detekce a spektrometrie neutronů, tvarová diskriminace. Anorganické scintilátory, rozdělení - scintilace čistých a aktivovaných monokrystalů, scintilátory polykrystalické, skleněné a plynové,- základní parametry a použití anorganických scintilátorů, zvláštní scint. detektory.

11. Čerenkovovy detektory - prahové a diferenciální Č. detektory. Zpracování a vyhodnocení fotonů ze scintilátorů a Č. detektorů - fotonásobiče, fotokatody, dynody, fotodiody, temný proud, šumové impulsy.

12. Polovodičové detektory - stručný přehled teorie, p-n přechodu jako detektor, vyprázdněná oblast, vstupní okénko, polohově citlivé Si detektory, technologie výroby. P-I-N planární a koaxiální struktury (kompenzované Si(Li), HPGe) pro detekci fotonů, chlazení detektorů. Polovodičové detektory z jiných materiálů než Si a Ge.

13. Kryogenní detektory (princip, mikrokalorimetry, transition edge sensors, supravodivé tunelové přechody)

Osnova cvičení:

Cíle studia:

Znalosti:

Principy detekce ionizujícího záření, Hlavní aplikace detektorů ionizujícího, záření, Základy konstrukce detektorů ionizujícího záření

Schopnosti:

Orientace v probírané problematice, zhodnocení parametrů detektorů, výběr detektorů pro danou aplikaci

Studijní materiály:

Povinná literatura:

[1] Gerndt, J.; Průša, P.: Detektory ionizujícího záření. 2. přepracované vydání. Vydavatelství ČVUT, Praha, 2011.

Doporučená literatura:

[2] Knoll, G.F.: Radiation Detection and Measurement. John Wiley & Sons, 4th edition, 2010

[3] S.N. Ahmed: Physics & Engineering of Radiation Detection, Elsevier, 2nd edition, 2015

[4] P. Rodnyi: Physical Processes in Inorganic Scintillators,CRC Press, 1997

[5] B.B. Rossi: Ionization Chambers and Counters, McGraw-Hill, New York, 2010

[6] H. Spieler: Semiconductor Detector Systems, Oxford University Press, 2005

[7] D.S.McGregor, J.K. Shultis: Radiation Detection - Concepts, Methods, and Devices, CRC Press, 2021

Poznámka:

Od studenta jsou požadovány znalosti interakcí ionizujícího záření, např. z předmětů 16JRF1, 16URF1, a znalost základních dozimetrických veličin, veličin popisujícíh zdroje záření, pole záření a interakci záření (zvláště pak dávka, kerma, expozice, fluence, příkony těchto veličin, aktivita, účinný průřez, poločas přeměny, radiační výtěžek, lineární a hmotností brzdná schopnost, lineární a hmotnostní součinitel zeslabení).

Bez těchto znalostí je pochopení látky prakticky nemožné.

Rozvrh na zimní semestr 2024/2025:

Rozvrh není připraven

Rozvrh na letní semestr 2024/2025:

Rozvrh není připraven

Předmět je součástí následujících studijních plánů:

• Jaderné inženýrství - Aplikovaná fyzika ionizujícího záření (PS)
• Radiologická technika (povinný předmět programu)
• jaderné inženýrství - Radioaktivita v životním prostředí (PS)
• Vyřazování jaderných zařízení z provozu (povinný předmět programu)