Laborversuch 9: Techniken für Koinzidenzmessungen bei Gammastrahlung
Zweck:
- Anwendung der Technik der Koinzidenzdetektion und Demonstration der Grundprinzipien der Koinzidenzmessungen.
Erforderliches Equipment:
Übersicht über die Theorie:
Koinzidenzmessungen sind bei einer breiten Palette von Anwendungen ein wichtiges Werkzeug zum Nachweis ionisierender Strahlung. Bei vielen nuklearen Prozessen werden gleichzeitig zwei Photonen, während in anderen Prozessen zwei oder mehr Photonen in schneller Folge erzeugt werden. In solchen Fällen ist es möglich, die zeitlichen und winkelabhängogen Korrelationen zwischen den beiden Photonen durch den Einsatz eines Koinzidenzdetektorsystems zu untersuchen. Diese Emissionen können simultan oder innerhalb eines Zeitraums auftreten, der im Verhältnis zur Zeitauflösung des Detektionssystems sehr kurz ist. Der Zerfall durch Beta-Emission zu einem Tochterkern, der seinerseits durch Gammaemissioin zerfällt, erzeugt im Wesentlichen gleichzeitig das Beta-Teilchen und die Gammastrahlung. Ganz ähnlich kann ein Kern mehrere Gammastrahlen kaskadiert emittieren, die jedoch effektiv gleichzeitig sind, da die Verzögerung zwischen den Ereignissen gering ist. Üblich sind Verzögerungen von 10–9 Sekunden.
In kernphysikalischen Anwendungen werden Koinzidenzsysteme verwendet, um schwache Detektionssignale zu erkennen und zu identifizieren oder um ein physikalisches Signal von Hintergrundsignalen zu unterscheiden, etwa in Form der Comptonunterdrückung oder kosmischer Veto-Systeme. In der Hochenergie- oder Teilchenphysik werden Detektionssysteme mit Tausenden von Detektoren und Elektronikkanälen gemeinsam in Koinzidenz betrieben, um nach der Kollision zweier beschleunigter Strahlen nach neu gebildeten Teilchen oder neuen Zerfallspfaden zu suchen.
Messungen mit zeitlicher Koinzidenz
Neben den Strahlungsdetektoreigenschaften wie Effizienz und Energieauflösung ist die Messung der Zeitauflösung wichtig. Dies ist erforderlich, um die zuvor diskutierte Zeitabhängigkeit von Kernzerfällen zu bestimmen. Die Zeitauflösung steht für die Fähigkeit zur Messung der Ankunftszeit des einfallenden Teilchens oder der Dauer einer bestimmten Wechselwirkung und des zugehörigen Signals. Die Zeitauflösung eines bestimmten Detektors hängt von mehreren Parametern ab, darunter der Signalform (der sogenannten „Walk time“) und dem Signalrauschen (der „Jitter-Zeit“).
In einigen Fällen kann die tatsächliche Zeitdifferenz zwischen den beiden Ereignissen gemessen werden, in vielen Fällen braucht es jedoch lediglich bestimmt zu werden, dass die Ereignisse zeitlich korreliert sind.
Das Messung, dass zwei nukleare Ereignisse gleichzeitig eintreten, erfolgt elektronisch mit einem Koinzidenzsystem. Dieses Gerät arbeitet mit standardisierten Impulsen und bestimmt, ob Ereignisse innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls auftreten, der sogenannten Auflösungszeit. Die Standardimpulse eines jeden Einkanalanalysators werden als Eingabe verwendet, wobei ein jeder Detektor eine Eingabe beisteuert.
Die Anzahl der realen, nicht zufälligen Koinzidenzen wird durch die Zerfallsphysik sowie durch die Raumwinkel und Effizienzen der Detektoren bestimmt. Das sind die wahren Koinzidenzen.
Bei einigen Experimenten ist die Anzahl der Koinzidenzen die einzige gesuchte Information. Häufig wird das Koinzidenzsignal jedoch verwendet, um das lineare Gate in einem Mehrkanalanalysator zu öffnen, so dass ein Spektrum unter bestimmten Koinzidenzbedingungen erfasst wird.
Dieses Experiment besteht aus drei separaten Teilen, welche die Koinzidenztechnik jeweils auf unterschiedliche Weise einsetzen.
γγ Winkelkorrelationen
Die Winkelkorrelation zweier Gammastrahlen, γ1 und γ2, kann als die Wahrscheinlichkeit definiert werden, dass γ2 in einem Winkel relativ zur Richtung von γ1 emittiert wird. Die Emission von Gammastrahlen durch angeregte Kerne kann mathematisch als die klassische Strahlung elektromagnetischer Energie eines geladenen Systems behandelt werden. Das elektrische Feld kann in vektorielle sphärische harmonische Schwingungen erweitert werden, was den verschiedenen Multipolen der Ladungsverteilung entspricht. Die Form der Winkelverteilung der Strahlung in Bezug auf das Strahlungssystem wird eindeutig durch die Reihenfolge der Multipole bestimmt.
In Kernphysikalischen Systemen hängt die Multipolreihenfolge von den Drehimpulszahlen und den Paritäten der in den Übergang involvierten Anfangs- und Endzustände ab. Wenn also alle Kerne in einer radioaktiven Probe so orientiert werden könnten, dass ihre Kerndrehimpulse aneinander ausgerichtet werden, könnte die Form der Winkelverteilung der Gammastrahlen verwendet werden, um die Multipolarität des Übergangs zu bestimmen.
Die Ausrichtung der Kerne ist jedoch zufällig. Es ließen sich zur Orientierung sehr starke Magnetfelder bei niedriger Temperatur verwenden, aber eine einfachere Methode besteht darin, die Koinzidenztechnik für Fälle einzusetzen, in denen zwei oder mehr Gammastrahlen kaskadiert emittiert werden. Die erste Gammastrahlung bestimmt die Richtung der Spinachse des Kerns. Folglich hat die zweite Gammastrahlung eine definierte Verteilung in Bezug auf diese Achse. Man braucht nur die Winkelkorrelation für die beiden Gammastrahlen zu messen und sie mit den tabellarischen Werten für verschiedene Multipolaritäten zu vergleichen.
In kernphysikalischen Experimenten wird die Winkelkorrelation zwischen zwei Gammastrahlen gemessen, die in der Kaskade durch den Zerfall nuklearer Kerne nahezu simultan emittiert werden. Die Gammastrahlen werden mit zwei NaI-Szintillationszählern nachgewiesen, bei denen die Höhe der elektronischen Ausgangsimpulse proportional zu den einfallenden Gammastrahlenenergien ist. Durch Auswahl der Impulshöhe wird im „Einzelkanalanalysatormodus“ einer der Zähler zum Aufzeichnen von γ1 verwendet, der andere zum Aufzeichnen von γ2. Die Zählrate eines jeden Zählers (Ri) zum Nachweis der für ihn ausgewählten Gammastrahlung ergibt sich wie folgt:
Wobei gilt:
N0 ist die Anzahl der Zerfälle pro Sekunde in der radioaktiven Quelle.
ei ist die Effizienz des Detektors.
Oi ist der vom Detektor aufgestellte, geometrische Raumwinkel.
In ist die Abwesenheit der Winkelkorrelationen. Die tatsächliche Rate der detektierten Gammastrahlungskoinzidenzen ist:
Die zufällige Koinzidenzrate zwischen einer in Detektor 1 detektierten Gammastrahlung und einer in Detektor 2 detektierten Gammastrahlung beträgt:
wobei Δt die Auflösungszeit des Koinzidenzzählsystems zwischen den beiden Detektoren ist. Wenn beide Detektoren so eingestellt sind, dass sie auf beide Gammastrahlen ansprechen, ist die Zählrate in jedem Detektor die Summe der Zählraten für die verschiedenen Gammastrahlen.
Leitfaden für Experiment 9:
Zeitkoinzidenzmessungen mit NaI-NaI-Koinzidenzen aus dem TLIST-Erfassungsmodus
Energiekalibrierung
1. Verwenden Sie zwei NaI-Detektoren (einer verbunden über ein Osprey-Gerät, der andere über den Vorverstärker 2007P und den Lynx II DSA), wobei die Detektoren entweder direkt oder über Ihr lokales Netzwerk an den Mess-PC angeschlossen werden.
2. Öffnen Sie die Gammaspektroskopiesoftware ProSpect und stellen Sie eine Verbindung zu beiden Vielkanalanalysatoren her.
3. Konfigurieren Sie beide Vielkanalanalysatoren so, wie in Experiment 1 für die Konfiguration mit einem NaI-Detektor empfohlen.
4. Wählen Sie in der ProSpect-Software unter dem Detektor-Tab die Hochspannungseinstellungen aus, um die empfohlene Hochspannung an beide Detektoren anzulegen.
5. Platzieren Sie die 22Na-Quelle in einer engen Geometrie zwischen die beiden Detektoren.
6. Stellen Sie die Verstärkung auf dem VKA-Tab (Englisch:MCA) der ProSpect-Software für beide VKAs auf 2048 Kanäle ein.
7. Stellen Sie die Grob- und Feineinstellungen unter dem VKA-Tab der ProSpect-Software auf beiden VKAs so ein, dass sich der Full Energy Peak von 1274 keV im oberen Teil jedes Spektrums befindet.
8. Klicken Sie auf Start (oben auf jedem der Spektraldisplays), um mit der Messung der beiden Spektren zu beginnen. Wählen Sie die Zählzeit so, dass mindestens 10.000 Zählungen im Full Energy Peak vorhanden sind.
9. Führen Sie eine Energiekalibrierung mit den Peaks 511.0 und 1274,5 keV von 22Na durch; Näheres finden Sie gegebenenfalls in Experiment 1.
Zerfallsspektren
10. Stellen Sie unter der Registerkarte "Acquisition mode" den auf TLIST ein. Der TLIST-Modus ermöglicht die Erfassung von Ereignisdaten, welche die Energie und Zeit für jedes Ereignis liefern.
11. Richten Sie die beiden Geräte gemäß Tabelle 9-1 ein. Beachten Sie, dass die Einstellung für die externe Synchronisierung zuerst angewendet werden muss. Verbinden Sie den Sync BNC-Anschluss auf der Rückseite des Lynx II DSA mit dem GPIO-Eingangskanal 1 des Osprey-Geräts. Siehe Abbildung 9-1. (Verwenden Sie ggf. einen 50-Ohm-Abschlussstück, um die Reflexionen zu reduzieren.)
12. Drücken Sie Control-Start, um die Erfassung auf beiden Geräten gleichzeitig zu starten.
Abbildung 9-1: Kabelkonfiguration für die Synchronisation von Lynx II und Osprey DSA.
13. Stellen Sie sicher, dass beide Detektoren in den Wartemodus geschaltet werden (blauer Hintergrund auf den Miniaturansichten der Datenquelle). Schalten Sie nun schnell (vor Erreichen des Timeouts von 20 Sekunden) die externe Synchronisation des Lynx II DSA von Slave auf Master B um.
14. Stellen Sie sicher, dass beide Detektoren mit der Erfassung von Daten beginnen (PHA-Daten erscheinen auf dem Display und beide Hintergründe werden in der Miniaturansicht der Datenquelle grün dargestellt).
15. Messen Sie etwa 5 Minuten lang Daten, drücken Sie Control-Stopp, um die Messung beider Vielkanalanalysatoren zu stoppen und die Pulshöhenanalyse-Daten zu speichern. Die TLIST-Daten werden während der Messung automatisch gespeichert.
Tabelle 9-1: Einstellungen für die synchronisierte TLIST-Modus-Messung mit einem Osprey und einem Lynx II DSA
Analyse
16. Zur Analyse der TLIST-Modus-Daten und zur Anzeige der Ergebnisse der Koinzidenzmessung verwenden Sie die Anwendung ProSpect Data Scanner (zum Download auf der MIRION-Website www.mirion.com verfügbar). Befolgen Sie die nachstehenden Schritte, um den ProSpect Data Scanner auszuführen.
17. Wählen Sie den Ordner aus, in dem die Daten gespeichert werden sollen.
18. Wählen Sie die Option Pre-Scan, um die Ereignisse nach dem Zeitstempel zu sortieren. Beachten Sie, dass für jede Datei die Durchlaufzeit und die reale Messzeit angezeigt wird. Darüber hinaus werden die Gesamtzahl der Ereignisse in den PHA- und TLIST-Modus-Daten sowie die verstrichenen Echt- und Livezeiten für die TLIST-Modus-Datendatei angezeigt.
19. Geben Sie die Energiekalibrierungsgleichungen für beide Detektoren ein, die unter der Registerkarte "Energiekalibrierung" zu finden sind. Wählen Sie Energy-Scan, um die Energiespektren für beide Geräte aus den TLIST-Ereignissen zu rekonstruieren.
20. Um sicherzustellen, dass die Zeitkorrelationen zwischen den Ereignissen beobachtet werden können, stellen Sie ein Gate um den Full Energy Peak von 511 keV herum ein.
21. Wählen Sie den Time-Scan, um das Spektrum zeitlicher Koinzidenzen zu erzeugen. Die Anzeige des Spektrums zeigt die Zeitkorrelation zwischen den in beiden Detektoren aufgezeichneten Ereignissen an.
22. Machen Sie Anmerkungen zum zeitkorrelierten Spektrum.
NaI-HPGe-Koinzidenzen
Energiekalibrierung
1. Verbinden Sie den Lynx II DSA (bei angeschlossenem HPGe-Detektor) direkt oder per Ethernet über Ihr lokales Netzwerk mit dem Mess-PC.
2. Verbinden Sie das Osprey-Gerät (mit angeschlossenem NaI(Tl)-Detektor) direkt oder über Ihr lokales Netzwerk mit dem Mess-PC.
3. Öffnen Sie die Gammaspektroskopiesoftware ProSpect und stellen Sie eine Verbindung zu den Geräten Lynx II und Osprey her.
4. Konfigurieren Sie den NaI-Detektor wie in Experiment 1 empfohlen, den HPGe-Detektor wie in Experiment 7 empfohlen.
5. Wählen Sie in der ProSpect-Software unter dem Detektor-Tab die Hochspannungseinstellungen aus, um die empfohlene Hochspannung an beide Detektoren anzulegen.
6. Führen Sie für jeden Detektor eine Energiekalibrierung mit den Peaks 511.0 und 1274,5 keV von 22Na durch und beziehen Sie sich bei Bedarf auf Experiment 1.
7. Speichern Sie beide Spektren. Sobald Sie die Verstärkung und die Energiekalibrierungskoeffizienten eingestellt haben, dürfen Sie diese nicht mehr ändern. Falls doch, müssen Sie erneut kalirieren.
Zerfallsspektren
8. Stellen Sie auf der ProSpect-Software die Datenerfassung auf den TLIST-Modus ein. Der TLIST-Modus ermöglicht die simultane Erfassung von Ereignisdaten, welche die Energie und Zeit für jedes Ereignis liefern.
9. Um Daten im TLIST-Modus zu erfassen, stellen Sie beide Detektoren gemäß Tabelle 9-1 ein.
10. Sobald beide Geräte gemäß Tabelle 9-1 eingerichtet sind, schließen Sie den Sync-BNC-Anschluss an der Rückseite des Lynx II DSA (Fügen Sie ein 50-Ohm-Anschlussstück hinzu, um Reflexionen zu vermeiden) an den GPIO-Eingangskanal 1 des Osprey-Geräts an.
11. Wählen Sie Control-Start, um die Messung auf beiden Geräten gleichzeitig zu starten.
12. Stellen Sie sicher, dass beide Detektoren in den Wartemodus geschaltet werden (blauer Hintergrund auf den Miniaturansichten der Datenquelle). Schalten Sie nun schnell (vor Erreichen des Timeouts von 20 Sekunden) die externe Synchronisation des Lynx II DSA von Slave auf Master B um.
13. Stellen Sie sicher, dass beide Detektoren mit der Erfassung von Daten beginnen (PHA-Daten erscheinen auf dem Display und beide Hintergründe werden in der Miniaturansicht der Datenquelle grün dargestellt).
14. Messen Sie etwa 5 Minuten lang und speichern Sie dann die Daten.
Analyse
15. Zur Analyse der TLIST-Modus-Daten und zur Anzeige der Ergebnisse der Koinzidenzmessung verwenden Sie die Anwendung ProSpect TLIST Data Scanner (zum Download auf der MIRION-Website www.mirion.com verfügbar). Befolgen Sie die nachstehenden Schritte, um den ProSpect TLIST Data Scanner auszuführen.
16. Identifizieren Sie unter dem Tab "Search Directories" (Suchverzeichnisse) das Verzeichnis mit den erfassten TLIST-Daten. Drücken Sie die Starttaste, um mit der Analyse zu beginnen.
17. Wählen Sie unter dem Tab Scanergebnisse (Scan Results) die entsprechenden Messungen aus und stellen Sie den Anfangszeitbereich auf -6.000 ns, den maximalen Zeitbereich auf 6.000 ns und das Zeitintervall auf 1.000 ein.
18. Wählen Sie unter dem Analyse-Tab (Analysis) über die Registerkarten "Gerät" (Device) und "Acq-Start" die beiden Messdateien aus. Stellen Sie die Energie auf der x-Achse und die Zeit auf der y-Achse dar, um die koinzidenten Zählungen anzuzeigen. Kommentieren Sie die erstellte Grafik. Hinweis: Sie können die Grafik zur weiteren Analyse in Ihre Zwischenablage kopieren.
19. Kommentieren Sie das Spektrum zeitlicher Koinzidenzen und vergleichen Sie es mit dem Spektrum, das für die beiden oben genannten Osprey-Einheiten gemessen wurde.
Zeitkoinzidenzmessungen mit lynx II-Hardware-Gating
Dieser Abschnitt erfordert:
ProSpect Version 1.1
1. Stellen Sie sicher, dass die Detektoren für hochreines Germanium (HPGe) und NaI-Energie kalibriert sind.
2. Platzieren Sie die 137C- und 22Na-Quellen in einer geschlossenen Geometrie zwischen die beiden Zählerdetektoren.
3. Verbinden Sie das GPIO 1-Gerät des digitalen MCA von Osprey mit dem Gate-Eingang des Lynx II DSA.
4. Öffnen Sie für den NaI-Detektor das GPIO-Dialogfeld unter dem MCA-Tab der ProSpect-Software und stellen Sie als GPIO den Einkanalanalysator SCA 1 ein.
5. Für den NaI-Detektor rufen Sie den Einkanalanalysator (Single-Channel Analyzer, SCA) unter dem MCA-Tab der ProSpect-Software auf und aktivieren Sie den SCA.
6. Gehen Sie für das Lynx II-Gerät zum Tab "Akquisition" der ProSpect-Software und stellen Sie die Koinzidenzgate-Parameter wie folgt ein:
Tabelle 9-2: ProSpect-Einstellungen für Schritt 6.
7. Starten Sie das digitale Oszilloskop und sehen Sie sich die Signaldarstellungen des Lynx II an. Stellen Sie den Trigger auf den Store-Impuls ein und stellen Sie sicher, dass das externe Gate mit dem Peak-Detektionsimpuls überlappt. Erhöhen Sie die Gate-Verzögerung "Gate Delay Ext" so, dass die Kante des detektierten Signals mit der Kante des externen Gates überlappt.
8. Messen Sie mit dem HPGe-Detektor ein energie-gegatetes Spektrum. Verwenden Sie eine solche Zählzeit, dass mindestens 10.000 Zählungen in jedem Fotopeak vorhanden sind.
9. Speichern Sie das Spektrum.
10. Nehmen Sie folgende Einstellungen für das Koinzidenzgate vor:
Tabelle 9-3: ProSpect-Einstellungen für Schritt 10.
11. Erfassen Sie im HPGe-Detektor ein energie-gegatetes Spektrum. Verwenden Sie eine solche Messzeit, dass mindestens 10.000 Ereignisse in jedem Fotopeak erreicht sind.
12. Speichern Sie das Spektrum.
13. Nehmen Sie folgende Einstellungen für das Koinzidenzgate vor:
Tabelle 9-4: ProSpect-Einstellungen für Schritt 13.
g14. Messen Sie mit dem HPGe-Detektor ein energie-gegatetes Spektrum. Verwenden Sie eine solche Messzeit, dass mindestens 10.000 Ereignisse in jedem Photopeak erreicht sind.
15. Speichern Sie das Spektrum.
16. Stellen Sie die Energiespektren grafisch dar, die mit verschiedenen Koinzidenz-Gating-Bedingungen erfasst wurden, und vergleichen Sie die Anzahl der Ereignisse in den Photopeaks für die verschiedenen Gating-Bedingungen.
