Методы подсчета гамма-совпадений
Измерения совпадений являются важным инструментом обнаружения ионизирующего излучения для широкого круга приложений. Многие ядерные процессы производят два фотона одновременно, в то время как другие процессы производят два или более фотонов в быстрой последовательности. В таких случаях можно изучить временные и угловые корреляции между двумя фотонами, установив систему обнаружения совпадений. Эти выбросы могут происходить одновременно или в течение очень короткого периода времени по сравнению с временным разрешением системы обнаружения. Например, распад за счет бета-излучения до дочернего ядра, которое, в свою очередь, распадается за счет гамма-излучения, порождает бета-частицу и гамма-излучение по существу в одно и то же время. Точно так же одно ядро может испускать каскадом несколько гамма-лучей, которые практически одновременны, потому что задержка между событиями короткая. Обычны задержки в 10-9 секунд.
В приложениях ядерной физики системы совпадений используются для обнаружения и идентификации слабых сигналов обнаружения или для отделения физического сигнала от фоновых сигналов, как это делается в системах подавления Комптона или космических вето. В физике высоких энергий или элементарных частиц системы обнаружения, состоящие из тысяч детекторов и электронных каналов, работают по совпадению, когда два ускоренных луча сталкиваются для поиска вновь образованных частиц или новых путей распада.
Измерения совпадения времени
В дополнение к характеристикам детектора излучения, таким как эффективность или энергетическое разрешение, важно измерять временное разрешение. Это необходимо для определения зависимости ядерных распадов от времени, как обсуждалось выше.Он отражает возможность измерения времени прибытия падающей частицы или времени конкретного взаимодействия и связанного с ним сигнала. Временное разрешение конкретного детектора зависит от нескольких параметров, таких как форма сигнала, называемая «временем обхода», и шум сигнала, называемый «временем дрожания».
В некоторых случаях можно измерить фактическую разницу во времени между двумя событиями, но во многих случаях необходимо только определить, коррелируют ли события во времени.
Определение того, что два ядерных события происходят одновременно, осуществляется с помощью электронной системы совпадений. Этот блок работает со стандартизированными импульсами и определяет, происходят ли события в течение определенного интервала времени, называемого временем разрешения. В качестве входных данных используются стандартные импульсы от любого одноканального анализатора, по одному входу от каждого детектора.
Количество совпадений, которые являются реальными, а не случайными, определяется физикой распада, телесными углами и эффективностью детекторов. Это настоящие совпадения.
В некоторых экспериментах количество совпадений является единственной необходимой информацией. Однако часто сигнал совпадения используется для открытия линейного затвора в многоканальном анализаторе, так что спектр получается в условиях совпадения.
Этот эксперимент состоит из трех отдельных частей, в которых техника совпадения используется по-разному.
γγ Угловые корреляции
Угловая корреляция двух гамма-лучей ⓿ и ─ можно определить как вероятность ─ испускается под углом относительно направления ⓿. Испускание гамма-лучей возбужденными ядрами можно математически рассматривать как классическое излучение электромагнитной энергии заряженной системой. Электрическое поле можно разложить по векторным сферическим гармоникам, соответствующим различным мультиполям распределения заряда. Форма углового распределения излучения относительно излучающей системы однозначно определяется порядком мультиполя.
В ядерных системах порядок мультиполя зависит от чисел углового момента и четности начального и конечного состояний, участвующих в переходе. Таким образом, если бы все ядра в радиоактивном образце можно было сориентировать так, чтобы угловые моменты их ядер были выровнены, то по форме углового распределения гамма-квантов можно было бы определить мультиполярность перехода.
Однако ядра ориентированы случайным образом. Для обеспечения ориентации можно использовать очень сильные магнитные поля при низкой температуре, но более простой метод заключается в использовании метода совпадения для случаев, когда два или более гамма-излучения испускаются каскадом. Первый гамма-луч устанавливает направление оси вращения ядра; следовательно, второй гамма-луч будет иметь определенное распределение относительно этой оси. Нужно только измерить угловую корреляцию для двух гамма-лучей и сравнить ее с табличными значениями для различных мультиполярностей.
В экспериментах по ядерной физике измеряется угловая корреляция между двумя гамма-лучами, испускаемыми почти одновременно в каскаде при распаде радиоактивного ядра. Гамма-лучи регистрируются с помощью двух сцинтилляционных счетчиков NaI, в которых высота выходных электронных импульсов пропорциональна энергии падающего гамма-излучения. При выборе амплитуды импульса в «режиме одноканального анализатора» для записи будет использоваться один счетчик γ.1 и другой ─. Скорость счета каждого счетчика, Rя, для обнаружения выбранного гамма-излучения определяется как:
Н — число распадов в секунду в радиоактивном источнике.
ея — эффективность детектора.
Оя — геометрический телесный угол, образуемый детектором.
ян при отсутствии угловых корреляций истинная частота обнаруженных гамма-совпадений составляет:
Случайная частота совпадений между гамма-излучением, обнаруженным детектором 1, и гамма-излучением, обнаруженным детектором 2, составляет:
где Δt — разрешающее время системы подсчета совпадений между двумя детекторами. Если оба детектора настроены так, чтобы реагировать на оба гамма-излучения, скорость счета каждого детектора представляет собой сумму скоростей счета различных гамма-лучей.
Руководство по эксперименту 9:
Измерения временных совпадений с использованием режима сбора данных TLIST. Совпадения NaI-NaI.
Калибровка энергии
1. Используйте два детектора NaI (один подключен через Osprey, а другой — через предусилитель 2007P и Lynx), подключенные к измерительному ПК напрямую или через локальную сеть.
2. Откройте программное обеспечение для гамма-спектроскопии ProSpect и подключитесь к обоим MCA.
3. Настройте оба MCA в соответствии с рекомендациями в эксперименте 1 для настройки на детектор NaI.
4. Выберите «Настройки высокого напряжения» на вкладке «Детектор» в программном обеспечении ProSpect, чтобы подать рекомендуемое высокое напряжение на оба детектора.
5. Поместите источник 22 Na между двумя детекторами с близкой геометрией.
6. Установите усиление преобразования на вкладке MCA программного обеспечения ProSpect на 2048 каналов для обоих MCA.
7. Отрегулируйте грубые и точные настройки усиления на вкладке MCA ProSpect на обоих MCA так, чтобы пик полной энергии 1275 кэВ находился в верхней части каждого спектра.
8. Щелкните Start (в верхней части каждого Spectral Display), чтобы начать накопление двух спектров. Используйте такое время счета, чтобы в пике полной энергии было не менее 10 000 импульсов.
9. Выполните энергетическую калибровку, используя пики 511,0 и 1274,5 кэВ 22 Na, при необходимости обращаясь к Эксперименту 1.
Спектры распада
10. На вкладке сбора данных установите режим сбора данных в режим TLIST. Режим TLIST позволяет собирать данные о событиях, которые обеспечивают энергию и время для каждого события.
11. Настройте два устройства в соответствии с таблицей 9-1. Обратите внимание, что сначала необходимо применить настройку внешней синхронизации. Подключите разъем Sync BNC на задней панели Lynx к входному каналу 1 GPIO Osprey. См. Рисунок 9-1. (При необходимости используйте терминатор 50 Ом для уменьшения отражений.)
12.Нажмите Control-Start, чтобы начать сбор данных одновременно на обоих устройствах.
Рисунок 9-1: Конфигурация кабелей для синхронизации MCA Lynx и Osprey.
13. Убедитесь, что оба детектора перешли в режим ожидания (синий фон на миниатюрах источников данных). Быстро (до истечения 20-секундного тайм-аута) переключите внешнюю синхронизацию Lynx с ведомого на ведущее устройство B.
14. Убедитесь, что оба детектора начали собирать данные (данные PHA появляются на дисплее, и оба фона становятся зелеными в виде миниатюр источника данных).
15. Собирайте данные в течение примерно 5 минут, нажмите Control-Stop, чтобы остановить сбор данных обоими MCA и сохранить данные PHA. Данные TLIST автоматически сохраняются во время сбора данных.
Таблица 9-1: Настройки синхронизированного сбора данных в режиме TLIST с помощью Osprey и Lynx MCA.
Анализ
16. Для анализа данных режима TLIST и просмотра результатов измерения совпадений используйте приложение ProSpect Data Scanner (которое можно загрузить с веб-сайта CANBERRA™ www.canberra.com). Выполните следующие действия, чтобы запустить сканер данных ProSpect.
17. Выберите интересующую папку, в которой хранятся данные.
18. Выберите параметр «Предварительное сканирование», чтобы отсортировать события по отметке времени. Обратите внимание, что для каждого файла отображается прошедшее и живое время. Кроме того, отображается общее количество событий в данных режима PHA и TLIST, а также прошедшее реальное и реальное время для файла данных режима TLIST.
19. Введите уравнения калибровки энергии для обоих детекторов, которые находятся на вкладке калибровки энергии. Выберите Energy-Scan, чтобы реконструировать энергетические спектры для обоих устройств из событий TLIST.
20. Чтобы обеспечить возможность наблюдения временных корреляций между событиями, установите ворота вокруг пика полной энергии 511 кэВ.
21. Выберите Time-Scan, чтобы сгенерировать спектр временных совпадений. Спектр отображения покажет временную корреляцию между событиями, зарегистрированными обоими детекторами.
22. Прокомментируйте коррелированный по времени спектр.
NaI-HPGe совпадения
Калибровка энергии
1.Подключите Lynx (с подключенным детектором HPGe) к измерительному ПК или через локальную сеть с помощью соединения Ethernet.
2. Подключите Osprey (с подключенным детектором NaI(Tl)) к компьютеру для проведения измерений либо напрямую, либо через локальную сеть.
3. Откройте программное обеспечение для гамма-спектроскопии ProSpect и подключитесь к MCA Lynx и Osprey.
4. Настройте детектор NaI, как рекомендовано в эксперименте 1, и детектор HPGe, как рекомендовано в эксперименте 7.
5. Выберите «Настройки высокого напряжения» на вкладке «Детектор» в программном обеспечении ProSpect, чтобы подать рекомендуемое высокое напряжение на оба детектора.
6. Для каждого детектора выполните энергетическую калибровку с использованием пиков 511,0 и 1274,5 кэВ 22 Na, обращаясь при необходимости к эксперименту 1.
7. Сохраните оба спектра. После того, как вы установили коэффициент усиления и энергетические калибровочные коэффициенты, не меняйте его, иначе вам придется повторить калибровку.
Спектры распада
16. В программе ProSpect установите сбор данных в режим TLIST. Режим TLIST позволяет одновременно получать данные о событиях, которые обеспечивают энергию и время для каждого события.
17. Для сбора данных в режиме TLIST установите оба детектора, как показано в таблице 9-1.
18. После настройки двух устройств, как описано в таблице 9-1, обязательно подключите разъем Sync BNC на задней панели Lynx (добавьте терминатор 50 Ом для предотвращения отражений) к входному каналу 1 GPIO Osprey.
19. Выберите Control-Start, чтобы начать сбор данных одновременно на обоих устройствах.
20. Убедитесь, что оба детектора перешли в режим ожидания (синий фон на миниатюрах источников данных). Быстро (до истечения 20-секундного тайм-аута) переключите внешнюю синхронизацию Lynx с ведомого на ведущее устройство B.
21. Убедитесь, что оба детектора начали собирать данные (данные PHA появляются на дисплее, и оба фона становятся зелеными в виде миниатюр источника данных).
22. Соберите данные в течение примерно 5 минут и сохраните их.
Анализ
23.Для анализа данных режима TLIST и просмотра результатов измерения совпадений используйте приложение ProSpect TLIST Data Scanner (которое можно загрузить с веб-сайта CANBERRA). Выполните следующие действия, чтобы запустить сканер данных ProSpect TLIST.
24. На вкладке Каталоги поиска укажите каталог с полученными данными TLIST. Нажмите кнопку запуска, чтобы начать анализ.
25. На вкладке «Результаты сканирования» выберите соответствующие измерения и установите диапазон времени начала на -6000 нс, максимальный диапазон времени на 6000 нс и интервалы времени на 1000.
26. На вкладке «Анализ» выберите две регистрации с помощью вкладок «Устройство» и «Запуск сбора данных». Постройте Энергию на оси X и Время на оси Y, чтобы наблюдать совпадающие подсчеты. Прокомментируйте наблюдаемый график. Обратите внимание, что вы можете скопировать график в буфер обмена для дальнейшего анализа.
27. Прокомментируйте спектр временных совпадений и сравните со спектром, полученным для двух Osprey выше.
Измерения временных совпадений с использованием аппаратного стробирования Lynx MCA
В этом разделе необходимо следующее:
ПроСпект Версия 1.1
Прошивка Lynx версии 1.3
1. Убедитесь, что детекторы из высокочистого германия (HPGe) и NaI откалиброваны по энергии.
2. Поместите источники 137 Cs и 22 Na между двумя счетчиками-детекторами в замкнутой геометрии.
3. Подключите блок GPIO 1 Osprey к входу Gate Lynx.
4. Для детектора NaI откройте диалоговое окно GPIO на вкладке MCA программного обеспечения ProSpect и установите GPIO на одноканальный анализатор, SCA 1.
5. Для детектора NaI перейдите к одноканальному анализатору на вкладке MCA программного обеспечения Prospect и включите SCA.
6. Перейдите на вкладку Acquisition программного обеспечения Prospect для устройства Lynx и установите параметры строба совпадения следующим образом:
Табл. 9-2: Настройки ProSpect для шага 6.
7. Запустите цифровой осциллограф и посмотрите на кривые Lynx. Установите триггер на импульс сохранения и убедитесь, что внешний строб перекрывается с импульсом обнаружения пика.Увеличьте Gate Delay Ext так, чтобы край обнаруженного пика перекрывался с краем внешнего строба.
8. Приобретите энергетически стробируемый спектр в детекторе HPGe. Используйте время счета таким образом, чтобы в каждом фотопике было не менее 10 000 импульсов.
9. Сохраните спектр.
10. Установите параметры ворот совпадения следующим образом:
Табл. 9-3: Настройки ProSpect для шага 10.
11. Приобретите энергетически стробируемый спектр в детекторе HPGe. Используйте время счета таким образом, чтобы в каждом фотопике было не менее 10 000 импульсов.
12. Сохраните спектр.
13. Установите параметры ворот совпадения следующим образом:
Таблица 9-4: Настройки ProSpect для шага 13.
14. Получите спектр с регулировкой энергии в детекторе HPGe. Используйте время счета таким образом, чтобы в каждом фотопике было не менее 10 000 импульсов.
15. Сохраните спектр.
16. Постройте энергетические спектры, полученные при различных условиях стробирования совпадений, и сравните количество отсчетов в фотопиках для разных условий стробирования.
