SIS Rapport 1981:10 H0VEDFAGS0PP6AVE I FYSIKK

Transkript

1 SIS Rapport 1981:10 H0VEDFAGS0PP6AVE I FYSIKK EN UNDERSØKELSE AV LAVAKTIVITETS- LABORATORIER OG KALIBRERING AV HELKROPPSTELLEREN PA STATENS INSTITUTT FOR STRÅLEHYGIENE TOR BERNT SUNDE, sommeren 1981

2 TO MY WIFE RUTH TO MY SON TORJE THANKS FOR MUCH PATIENCE AND UNDERSTANDING DURING YEARS OF STUDYING

3 DE GRUNNLEGGENDE TANKER BØR ALLTID VÆRE ENKLE Det er vanskelig å tenke korrekt når autoriteter har tenkt foran en. Det er nettopp automatisk akseptering av andres tanker som gjør det så vanskelig å komme ut av gale tankebaner, slik som for eksempel at folk alltid har godtatt at det eksisterer en "aamtidighet" på to forskjellige steder. Ens grunnleggende tanker bør alltid være meget enkle. Albert Einstein

4 FORORD Ved avslutningen. av den lavere grads ( cand. mag.) studier ved Norges Lærerhøyskole i Trondheim, NLHT, ble det aktuelt å se seg om etter et mulig hovedfagsarbeid. Jeg var interessert i å ta et mest mulig praktisk rettet hovedfag og da gjerne i forbindelse med industrien. Jeg skrev derfor til 74 forskjellige industribedrifter og institutter. Tilbake kom det 58 svar, og blandt disse var det skissert 12 konkrete hovedfagstilbud fordelt på 7 forskjellige bedrifter. Det mest interessante tilbud kom fra Statens Institutt for Strålehygiene, SIS, ved avdelingssjef Leiv Berteig og laboratorieførstefysiker Torolf Berthelsen. Begge tilhører avdeling II. ORGANISASJON AV STATENS INSTITUTT FOH STRÅLEHYGIENE MEDISINSK SEKSJON FYSISK I I SEKSJON SJON AVDELING I STRÅLEVERN VED BRUK AV STRÅLING I MEOISIN PERSON OOSER UNDER VISNING AVDELING II STRÅLEVERN VED BRUK AV STRÅLING I INDUSTRI OG FOHSKNING Hovedfagstilbudet gikk ut på i første rekke å kalibrere apparatur for måling av gammaemitterende nuklider i kroppen (helkroppstelling), dvs. å finne sammenhengen mellom måletallet f.eks. i pulser pr. sek. og kroppsinnholdet i pci eller Bq. Denne sammenhengen vil være avhengig av strålingsenergien og må derfor bestemmes for den enkelte nuklide. Det kunne være aktuelt med flere nuklider, men de viktigste var 137 Cs,, U K og 13 h. Jeg beqynte på SIS hasten Den eksperimentelle delen av hovedfagsoppgaven skulle utføres i et lavaktlvitets-laboratorium.

5 - v - Det var på dette tidspunkt kjøpt inn en mangekanalsanalysator ( MCA 8100), en data kassetspiller (Teotran 8410) og en X-Y skriver (Houston 2000 Recorder). Selve oppstillingen for helkroppstelling var ikke på plass og montert før mai året etter, 7-8 måneder etter lovet leveringsdato. Det første som måtte gjøres var å få innredet laboratoriet mest mulig hensiktsmessig med hensyn til innventar og måleutstyr. Av større arbeider kan nevnes montering av helkroppstellerutstyr, stålbenk med blybur for Ge(Li)-detektor, samt modifisering og montering av dental lampearm for bruk som detektorholder ved måling på skjoldbruskkjertelen for sjekk av eventuell jodkontaminering. Senhøstes 1978 var det så klart for storrengjøring av hele laboratoriet. Jeg har i det hele tatt i stor grad forestått oppbyggingen og utforniingen av laboratoriet frem til i dag. Frem til høsten 1978 var jeg formelt sett hovedfagsstudent ved NLHT, men av praktiske og faglige årsaker ble det naturlig for meg å bytte studieplass til Universitetet i Oslo. 1. amanuensis Anders Storruste ble min veileder og kontaktmann fra Universitetet. Arbeidet med selve hovedfagsoppgaven kom stort sett ikke i gang før høsten Dette på grunn av at jeg påtok meg kortere og lengre tids engasjementer på SIS, tilsammen to år frem til 1/ Dette ble gjort blant annet fordi utstyret ikke alltid virket som det skulle. For enkelte ting tok det flere måneder å bli reparert. Nytt utstyr ble sjelden levert på den tiden. Arbeidet med hovedfagsoppgaven kan deles opp som følgende. I Beskrivelse av planleggingen, den bygningsmessige konstruksjon og utførelse og innredning av lavaktivitetslaboratoriet på SIS. Laboratoriete mer-kostnader for å få det lavaktivt bygget, fikk jeg ved å gi igjennom anbudspapirene fra 1973 i forbindelse med nybygget. Papirene var arkivert hos Statens Bygge- og Eiendomsdirektorat. 10 års grensen for arkivering av disse var snart nådd.

6 -VI II III IV V Denne del består av Nal(Tl)- og Ge(Li)-detektorteori samt av et kostnadsoverslag over laboratoriets tekniske utstyr. Prisene ble funnet ved å lete gjennom alle fakturaer fra 1974 og frem til Fotoners vekselvirkningsteori og identifikasjon av gammalinjene i et bakgrunnsspekter er her beskrevet. Beskrivelse av lavaktivitetslaboratoriet på Haukeland Sykehus samt en diskusjon med sammenligninger av bakgrunnsspektrene herfrå og fra laboratoriet på SIS. Andre laboratorier er også tatt med i diskusjonen. I forbindelse med bakgrunnsmålingene som jeg utførte i februar 1980 på Haukeland Sykehus ble jeg spurt om å komme med et forslag til skjerming av lagerrommet for sykehusets ueksponerte røntgenfilmer. Dette ble gjort i et skriv til sykehuset i mai Skjermingsproblematikken blir drøftet i denne del av hovedfagsoppgaven. VI Kalibrering av helkroppstelleren. For å finne omregningsfaktoren fra registrerte pulser fra kroppsaktivitet fra cs og 4 0 K til aktivitet, er det her utført kalibreringaraålinger på forskjellige fantor.. for tre ulike målegeometrier. På grunn av noen uregelmessigheter i disse malinger er det lagt stor vekt på beregningen av usikkerheten for de forskjellige omregningsf aktorene. VII Videre fremdrlftsplaner på lavaktivitetslaboratoriet. For alle bakgrunnsspektrer som er brukt i denne oppgaven og fler til, er målingene lagret på kassett. Dette for å ha referenser til senere bruk for sjekking av en eventuell kontaminasjon av laboratoriet. Denne rapport er enkelte steder skrevet litt fyldig for at aenere brukere av lavaktivitetslaboratoriet skal finne nytte i den.

7 - VII - TAKK Jeg vil rette en spesiell takk til 1. amanuensis Anders Storruste ved Universitetet i Oslo og laboratorieførstefysiker Torolf Berthelsen ved Statens Institutt for Strålehygiene for god og effektiv veiledning. Videre vil jeg takke avdelingssjef Leiv Berteig og laboratoriefysiker Finn Ugletveit på SIS for gode råd. Sist men ikke minst takker jeg alle ved instituttet med tidligere direktør Kristian Koren (- 1980) og nå direktør Johan Baarli (1980 -) i spissen for at jeg har fått ta del i det fantastisk gode kameratskap og miljø som hersker på denne arbeidsplassen. Østerås, juli 1981 Tor Bernt Sunde

8 - VIII - INNHOLDSFORTEGNELSE Forord Takk Innholdsfortegnelse side IV VII VIII 1. Oppbygging og innredning av lavaktivitetslaboratoriet på SIS Innledning Planlegging og utførelse Byggekostnadene for målerom og helkroppsteiler Målerom Helkroppstelleren Varme og ventilasjon 6 2. Lavaktivitetslaboratoriets elektroniske utstyr for gamma malinger Nal(Tl) - detektor Nal(Tl) - krystall Fotomultiplikator (P.M.) rør Forforsterker (emitterfølger) Nal(Tl) - detektorens egenskaper Ge(Li) - detektor system Ge(Li) - krystallen Kryostat Forforsterker Påfylling av nitrogen Ge(Li) - detektorens egenskaper Spesifikasjoner til et detektorsystem Energi oppløsning Detektorens effektivitet Detektorens linearitet Detektorens "peak to Comton" forhold Mangekanals analysator (MCA) Arbeidsprinsippet for MCA Multichannel scaling Foto fra lavaktivitetslaboratoriet Kostnadsoverslag over utstyr pa lavaktivitetslaboratoriet Helkroppstelleren 33

9 IX Diverse annet utstyr Kommentarer Gamma spektroskop! Vekselvirknings teori for gamma stråler Fotoelektrisk absorpsjon Compton spredning Pardannelse Elastisk (koherent) spredning Diverse effekter son. kan observeres i et gamma spekter Karakteristisk røntgenstråling Tilbakesprednings- og Comptontopper Single- og dobbel escape topper Annihilasjons topp Koinsidens topp Identifikasjon av nuklider i et bakgrunnsspekter Lavaktivitetslaboratorier Beskrivelse av lavaktivitetslaboratoriet på Haukeland Sykehus Bakgrunnen i forskjellige lavaktivitetslaboratorier Skjerming av lagerrom for ueksponert røntgenfilm på Haukeland Sykehus Litt teori med anbefaling til skjerming Resultater oppnådd etter skjermingen Bakgrunnstrålingens energifordeling Kalibrering av helkroppstelleren Utstyr Kalibrering Innledning Tillaging av kalibrerings-løsninger til Remcal-fantomet CB - løsning K - løsning Remcal - fantomet SSI - fantom ( Walter, Cacar og Kutt ) 90

10 Kalibreringsmålinger AJctivitetberegninger for personer Minste detekterbare Cs - aktivitet 111 Videre fremdriftsplaner på helkroppstelleren Kalibrering og personmålinger Regnemaskinanalyse 115 Referanseliste 117 Appendiks 122 A 1 Absorpsjons kurver 123 A 2 Elektronenes bindingsenergier 126 A3 K X-stråling: energier, relative intensiteter og fluorescense utbytte 128 A 4 Gamma emitters in th.» environment by energy (in kev) 130 A 5 Radioaktive serier 137 A 6 Thorium- og uran-serien, energier og intensiteter 141

11 - 1 - I, OPPBYGGING OG INNREDNING AV LAVAKTIVITETS LABORATORIET PA SIS INNLEDNING I 1975 flyttet Statens Institutt for Strålehygiene inn i et nytt bygg ved Østerås i Bærum kommune. I byggets første etasje ble det blandt annet bygget et lavaktivitets-laboratorium med 2 et total areal pa ca. 60 m, fig 1.1. Lavaktivitets-laboratoiet består av et målerom med to avdelinger. Den ene inneholder utstyr for helkropptelling og den andre detektorutstyr til forskjellige andre malinger. Videre finnes det et kontrollrom hvor mesteparten av det elektroniske utstyr er plassert. I tilknyttning til laboratoriet er det også et omkledningsrom med garderobe og dusj PLANLEGGING OG OTFØRELSE Ved bygging av et lavaktivitets-laboratorium er det viktig at absolutt alle materialer som benyttes har lavest mulig radioaktivt innhold. I 1968 bygde Universitetet i Oslo et slikt laboratorium ved Kjemisk Institutt. Det ble samlet inn sand- og sementprøver f ra hele landet, samt noen f ra 'iverige. Ved nærme st en tilfeldighet ble også olivinsand vt dert. Denne sandprøven fra A/S Olivin fra Aneim på Sunnmør" hadde de egenskaper som var ønsket. I svenske lavaktiviteti-laboratorier ble det tidligere brukt hoforsitt. Den har imidlertid ikke så lavaktive egenskaper som olivinsanden. Derfor har svenskene i de fleste tilfeller nå gått over til å bruke olivinsand der hvor det er ønskelig med lav bakgrundstråling. Sementen fra Norland Cementfabrikk fra Kjøpsvik i Tysfjord ble valgt ut. Denne sementen sammen med olivinsand gav en meget lavaktiv betong. Betongen ble også byggteknisk testet og funnet kvalifisert.

12 FIGUR 1.1. SKISSE AV UVAKTIVITETS-LABORATORIET VED STATENS INSTITUTT FOR STRÅLEHYGIENE ( SIS ). S?=5 ir.f.u.!'.ws&æ wmrnmmmmsmmm '/////J vanlig betong? lavaktiv betong utvendig mursteinamur lavaktiv olivin sand i lavaktiv sta1beholder lavaktivt bly ^^mm&mmmsssgmsm T?= 1. Ge(Li) detektor med brønnskjerming 2. Tilkopplingspkt. for detektor 3. Nal(Tl) detektor ned brønnskjerming 4. Nal(Tl) detektor a. Blybur for oppbevaring av radioaktive b. Nettstabilisator Jcilder. c. Ventilasjon Målestokk

13 - 3 - Resultatene fra disse undersøkelser på Universitetet ble avgjørende i valg av lavaktive materialer til betongen som skulle brukes ved bygging av lavaktivitetslaboratoriet på SIS. Under hele byggeperioden ble arbeidet holdt under oppsyn av et par fysikere. Prøver ble regelmessig tatt av betongen og kontrollert. Det gikk med 80 m av denne spesialbetongen til laboratoriet. Veggene, taket og gulvet er 50 cm tykke. Den ene langveggen ligger ut mot bakken i bakkenivå. En seksjon av laboratoriet som brukes til helkroppstelling, fikk ekstra skjerming. Dette ble gjort for å få bakgrunnsstrålingen på et lavest mulig nivå for å optimalisere helkroppsmålingene, ref. 25 s Denne ekstra skjermingen består i tak og vegger av et 40 cm tykt lag med olivinsand som holdes på plass av 8 mm tykke lavaktive stålplater. Denne fyllmasse har en kornstørrelse fra 0 til 20 mm for at den skal være mest mulig kompakt. I tillegg er det skjennet med blyblokker og stålplater i tak, gulv og vegger slik fig. 1.2 viser. Totalt gikk det med 9,4 tonn stål, 13,6 tonn bly og 18 m olivinsand i løs masse til denne ekstra skjermingen. Det kan nevnes at bly fra kirketak som er et par hundre år gamle har tidligere vært benyttet hvor spesiell lav bakgrunn var ønskelig. Garranelt bly vil hovedsakelig bare inneholde 210 Pb, iiien på grunn av senere tids radioaktive forurensninger er det vanskelig å finne slikt bly. Undersøkelser har vist at bly fra Sala Silvergruver i Sverige er spesielt lavaktivt (ref. 2 og 32 s ). Dette bly ble benyttet på helkroppstelleren på SIS. Maling og gulvbelegg til laboratoriet ble funnet lavaktivt. undersøkt og Lavaktivitetslaboratoriet er konstruert med en vegg som stikker ut i selve målerommet (fig. 1.1). Dette er gjort for at bakgrunnsstrålingen fra kontrollrommet som ikke er bygget lavaktivt, skal bidra minst mulig til økning av aktiviteten i målerommet. Radioaktive stråler som kommer fra kontrollrommet gjennom døra, vil bli absorbert og reflektert i betongen. Denne metode blir ofte omtalt som en strålefelle. Slusen inn til helkroppstelleren har samme funksjon.

14 - A - FIGUR 1.2. SNITTSKISSE AV HELKROPPSTELLERAVDELINGEN MED DE FORSKJELLIGE SKJERMINGSHATERIALER. Lavaktiv betong h.0 ca olivinsand _ fye ;" 0.'*. ':*.': ' «' fl mm BtAJnlatir- '. *.» * :»'.' o BlybloWctr 500*1 0x30 i 0»-. a / *'-?0'''W' i -J : '?:; "* : ' 0 -'-'o. : '? * "' "" /> P J-2..* Hiltstokk 0 BO ko 60 SHJ I l H K O S - l t S K I I V U S E l 0 ca olltlo sud 30 aa blyblokk»r 8 aa «Ulplatcr 90 aa sulplatar 30 aa blrblokkar 10 aa aulpiatar USSUL IfO ca olivinsand 6 aa «Ulpl»t«r y> aa blyblokjiar

15 BYGGEKOSTNADENE FOR MÅLEROM OG HELKROPPSTELLER Kostnadsoverslaget er basert på anbudsdokumentene (okt.-73) samt byggekontrakten (des.-73) mellom Statens Bygge- og Eiendomsdirektoat og hovedentreprenøren. Prisene inkluderer alle utgifter slike som materialkostnader, transport og montering. 20% moms er inkludert. Byggeprisene for tilsvarande laboratorium på Haukeland Sykehus blir diskutert i avsnitt MÅLEROM Det gikk med 80 m spesialbetong til en totalpris av kr ,- (kr.960,- pr m ). For sammenligningens skyld kan det nevnes at et tilsvarende rom utført i vanlig betong ville ha kostet 3 kr ,- (kr. 203,- pr. m ). Det som fordyret det hele så me jet var lang transport på olivinsanden og sementen samt at spesialbetongen ble blandet for hand på byggeplassen. Det kostet altså ca. kr ,- for å få målerommet lavaktivt bygget. Det er her i dette meromkostningsoverslaget ikke tatt hensyn til at et vanlig rom kun har cm tykke vegger mot 50 cm tykkelse i målerommets. Målerommet har et totalt nytteareal på ca. 26 m 2 (herav hel- 2 kroppstelleren ca. 4 m ). Kvadratmeterprisen blir ca. kr ,- (des. - 73) HELKROPPSTELLEREN Olivinsand, løs masse : 18 m S kr. 410,- - kr ,- Stål : 9,41 tonn «kr.6.340, kr ,- Bly sl3,63 tonn S kr.7.620,- - kr ,- Overflatebehandling av stålplatene : - kr ,- Totalt : - kr ,- Nytteareal på 4 m (1.6x2,5ra) gir en kvadratmeterpris på ca. kr ,- (des.-73).

16 VARME OG VENTILASJON Lavaktivitets-laboratoriet har en egen ventilasjonskurs som leverer 1000 m luft i timen ved full hastighet. I tillegg til vanlig luftfiltrering med 3 stk. grovf ilter (60%) så er det et absolutt filter ( 90 % ) som skal fjerne mesteparten av støvpartiklene i lufta. Støvpartiklene kan seiv være radioaktive, eller være bærere for radioaktive partikler fra f.eks. radon-døtrene. Bakgrunnstrålingen reduseres derfor ved god ventilasjon og filtrering. På side 57 er ventilasjonens innvirkning på bakgrunnsspekteret fra helkroppstelleren på SIS gitt ved bruk av Ge(Li)-detektoren. Oppvarmingen av laboratoriet skjer ved oppvarming av ventilasjonslufta, samt i fyringssesongen fra fyrrommet som ligger under. Det er viktig for måleinstrumenter og detektorer at temperaturen holdes noenlunde konstant for å hindre drift i elektronikken under malinger. Det er derfor koplet til et varmebatteri til ventilasjonskursen for å jevne ut temperaturen utenom fyringssesongen ved vår og nøst. Imidlertid er det på grunn av konstruksjonsfeil i ventilasjonsanlegget problemer enkelte dager om våren og høsten når utetemperaturen svinger mye å holde konstant temperatur i laboratoriet. Det innhentes nå tilbud for løsing av dette problem. I kontrollrommet hvor mesteparten av elektronikken finnes, er det montert et termostatstyrt kjøleaggregat for å gi en mere behagelig og jevnere arbeidstemperatur. Elektronikken bidrar her med stort varmetilskudd. Det er ikke gjort noe spesielt for å holde fuktigheten i ' iboratoriet konstant.

17 - 7-2, LAVAKTIVITETS LABORATORIETS ELEKTRONISKE UTSTYR FOR GAMMA MÅLINGER Nal(Tl) - DETEKTOR Nal(Tl) - KRYSTALL I en ren Nal - krystall i normaltilstand er alle elektronene plassert i valensbåndet, mens ledningsbåndet er tomt. Et fritt elektron kan ikke eksistere mellom disse to energibånd i E. En ladet partikkel som treffer krystallen med tilstrekkelig energi, kan sende elektroner fra valensbåndet opp i ledningsbåndet (ionisasjon) og etterlate seg et såkalt positivt hull. Elektronene i ledningsbåndet og de positive hull i valensbåndet kan fritt bevege seg uavhengig gjennom krystallen. Fig. 2.1 Energibånd-modellen for en Nal(Tl)- krystall -y/y/,/- V Conduction band 68ev Eg r 1 "^ Frittd «*na bart MidZere ionisasjonsenergi for luminescenssentrene er *» 35 ev. Ved en tilsvarende prosess (eksitasjon) blir det produsert et elektron-hull par, eksiton. Dette par kan fritt vandre gjennom krystallen. Det er imidlertid ikke helt korrekt å sl at elektroner i ledningsbåndet, positive hull og eksitoner kan vandre helt fritt i krystallen da de har en svak avhengighet til krys ta Hens periodiske felt. Dette faktum neglisjeres ofte i litteraturen. Enhver ufullkommenhet i Nal - krystallen slike som urene

18 - 8 - atomer, eks. Tl, eller tomrom i gitteret kan skape lokale energinivåer i det forbudte område gjennom hele krystallen, se figur Doping av Tl inn i gitterstrukturen skaper aktivitets- eller luminescenssentrer i krystallen. Et positivt hull sammen med et fritt elektron, eller et eksiton vil kunne innfanges ved et luminescenssenter med den følge at dette eksiteres for deretter å deeksiteré under utsendelse av lyskvanter med bølgelengde i området Å, se figur Krystallen scintillerer. Deeksitasjonen skjer i løpet av 10" sekunder. Nal(Tl) - krystallen inneholder omkring 0,5% thalliumjodid, TII. Tettheten p T - 3,7 Hai kg/m 3. Den rene Nal - krystall er en utmerket scintillator ved 77 K (-196 C) som er nitrogenets kokepunkt. På grunn av at krystallen er svært hygroskopisk, må den kapsles hermetisk, oftest i en Al - boks (»0,5mm). Aluminium brukes på grunn av dets lave Z. På bestilling kan det leveres kapsling med spesielt lavaktivt materiale - rustfritt stål eller elektrolytisk kobber. På innsiden av kapslingen er det et reflekterende stoff, ofte AlA FOTOMULTIPLIKATOR (P.M.) RØR P.M. røret består i grove trekk av katode, dynodekjede og anode. Fig Elektrisk kopling for et P.M. rør med 10 dynoder

19 - 9 - Fotokatodens følsomhet for lys ligger i samme bølgelengdeområde som Nal(Tl)-krystallens eiranisjonsspekter. Figur 2.3. viser dette for to forskjellige fotokatodematerialer.. > -- Fig. 2.3 (Ref. 20 side 3) «FMT / - r 3»i- t -I V/ X/ // ^*- -1 V ^ \na "1* i» V-i«(M M IM 1» MO På fotokatoden løsrives et antall elektroner som er proporsjonalt med antall lyskvanter som absorberes og derfor også proporsjonalt med den avgitte fotonenergi. Krystallen må være i meget god optisk kontakt med P.M. røret. De løsrevne fotoelektroner akselreres mot den første i en serie elektroder kalt dynoder, D - D. Fig. 2.4 Stråling fra en radioaktiv kilde til den reglstreres i detektoren. Ref. 51 side 17.

20 -10- Ved hvert dynodetrinn får elektronene tillagt en kinetisk energi som gir en forøkelse av antall elektroner. Vanligvis er spenningen pr. dynodetrinn ca. 100 V. Dersom det ved hvert dynodetrinn løsrives 4 elektroner for hvert elektron som treffer dynoden, vil et elektron inn på D, gi 4 elektroner etter D. Q. Denne kaskade av elektroner samles til slutt opp ved anoden til en elektrisk puls med en samlet ladning q. q = M-e-N (2.1) M = elektronmultiplikasjonen eller strømforsterkningen e = elektronets ladning N = antall elektroner som løsrives på fotokatoden pr. y - kvant Den elektriske puls er således proporsjonal med y - kvantets energi som avgies i Nal(Tl) - krystallen FORFORSTERKER ( 5MITTEKFØLGER ) Dens funksjon er å maksimalisere forholdet signal/støy ved å forsterke signalet og redusere støyen. Støy kan blandt annet komme av kapasitiv ladning på detektoren noe som forforsterkeren minimaliserer. Andre støykilder er lysnettet med sine 50 Hz, og elektronikken i instrumentene. For å få minst mulig støy inn på kablene mellom detektor og analysator må kablene være skjennet og kortest mulig. For at proposjonaliteten mellom inngående- og utgående pulser skal bevarea, må foraterkningen være lineær.

21 NaI(Tl)-DETEKTORENS EGENSKAPER For de forskjellige vekselvirknlngs prosesser (se avsnitt 3.1.) som kan inntreffe mellom et foton og en materie, er det viktig å kjenne materiens atomnummer for å kunne se på dens evne til å absorbere fotoner. For Nal som er kompleks, må det regnes ut et effektivt atomnummer. Definisjon av et effektivt atomnummer. ili ( n\ l/n W H i > ili ' V H i >" (2.2) A - atomets masse Z - atomets nummer H - atomets hyppighet i komplekset n - potensen til Z f f i den aktuelle ligning i - ant?il forskjellige atomer i komplekset Effektivt atomnummer for Nal: e I < A Wa- z N a -" Ma '"* < V y, > n V /n " \ ' V V ^ ' N V > (2.3) Sannsynligheten for Z eff (Nal) 1. Fotoelektrisk effekt - Z 4 ' 5 /E* Z eff " " " Z l 2. Compton spredning _ Z/E y Z.ff " 4 6 ' 5 3. Pardannelse. Z /lne y Z eff " " " Z I

22 Nal (Tl)-detektoren har dårlig energi-oppløsning, men er derimot meget effektiv. Effektiviteten øker når volumet øker p.g.a. at spredte Compton-fotoner og "escape"-fotoner i krystallen har mindre sjanse til å unnslippe den. Nal(Tl)-krystallen gir høyt lysutbytte. I I I I I I L_ -«0 -W 0 *».« K» OnrSTAl IIWHATUtl - OCCURS CfNTIOIADE Fig Det relative lysutbytte er for alle sclntillatorer en funksjon av temperaturen. (Ref.11, side 14) Kort deeksitasjonstid (10" 7 s)i krystallen gjør at den kan klare å ta imot meget høye tellerater (ca. 10 tellinger pr. sek.). Begrensningene ligger i elektronikken. Måleteknlsk er detektoren meget stabil. Stabiliteten avhenger for en stor del av P.M. røret. Detektoren er meget følsom for slag og temperaturajokk. Fabrikkgarantien tillater vanligvis en temperaturgradient på maksimum 4 C pr. time.

23 PREAfWA-FCR CCJUER INSULATED COM^jeCTOn OPTISK INTERFACE FOTOKATODE,5 nun Al SUPPORT Pt-LV.Q VALVE HOLDER OUTER CASE OvrsDCE CHAM CCMSCNENTa APE VWEO ORECTLy ONTO THE NALVE SK 1: KONTAKT FOR HØYSPENNING FOR P.M.RØRET DRIFTSPENNING TIL FORFORSTERKEREN SIGNAL UT Fig Skisse av en 3" x 3" NaKTl) - detektor. Krystallens volum - 347,5 cm, vekt g p 3, kg/m 3

24 Ge(Li) - DETEKTOR SYSTEM Fra gruppen halvlederdetektorer er Ge(Li) - detektoren den som er best egnet for gamma malinger. Grunnen til dette er dens forholdsvis høye atomnummer (Z=32) og tetthet (p= 5, kg/m 3 ) Ge(Li) - KRYSTALLEN En halvleder er en perfekt isolator ved det absolutte nullpunkt. Ved høyere temperaturer viser den en rask økning i elektrisk ledningsevne. Dette skyldes ikke ioner, men elektriske bærere som er elektroner og positive hull. Dette forklares best ut i fra energibånd-modellen. Ved svært lave temperaturer er valenselektronene i en rendyrket halvlederkrystall lokalisert i valensbåndet, mens ledningsbåndet som er det neste tillatte energibånd er tomt. Ved økende temperatur som forårsaker økende bevegelse i krystallgitteret, vil noen av valenselektronene bli løftet opp i ledningsbåndet og etterlate seg et hull. Denne prosess er bare mulig dersom energiforskjellen mellom båndene er mindre enn 2 ev. For Ge er dette gapet på 0,67 ev ved 77 K. Det er i dag mulig å dyrke tilstrekkelig rene halvledermaterialer, men de har ennå ingen særlig praktisk betydning for detektorer på grunn av høy pris og for små krystaller. Ge og Si er i dag de mest benyttede halvledermaterialer. Ge-krystallen vil inneholde spor av Ga og In. Disse har 3 valens elektroner mot Ge 4. Når disse urenheter opptar gitterplaas, vil det derfor mangle et elektron. For å kompensere for dette, dopes Li med valens 1 inn i krystallgitteret. Dette kan f.eks gjøres ved at en litium-i-olje suspensjon strykes på krystallena overflate. Termisk diffusjon med spenning over krystallen fører Li innover 1 materialet. Det tar omlag 1 måned å føre Li 12 mm inn i en Ge-krystall. Den ferdige Ge(LI)-krystall er en diode med p-i-n struktur.

25 Lithium-clrittetl "intrinsic" region Pig Prinsipp skisse til en Li-dopet p-i-n sjikt (junction) detektor. Det er 1-sonens dimmensjoner som bestemmer detektorens aktive volum. Vanskeligheter med å dyrke store Ge-krystaller og vanskeligheter med å få Li til å trenge dypt nok inn gir begrensninger på i-sonens volum. Koaksial-krystallen med en lukket ende har en form som gir et forholdsvis stort volum. Closed-end Coaxial Fig Det er i det aktive volum vekselvirkninger med fotonei blir registrert. For at innkommende stråling ikke skal gi fra seg energi i den inaktive n-sonen, er denne sone svært tynn, mindre enn 1 mm. Den nødvendige energi for dannelse av et elektron-hull par er for Ge 2.94 ev i gjennomsnitt. Elektronene som blir frigjort ved eksitasjon eller ionisasjon i krystallen er frie og vil bevege seg under innflytelse av et elektribk felt. For å få en hurtig registrering av denne ladningspuls fra elektronene settes det på en kraftig spenning på opptil 4 kv over krystallen. Dette er nødvendig på grunn av ladningsbærernes korte levetid, elektronene beveger seg med hastlghet på IO 4 - lo 5 m/s, mens

26 de positive hull beveger seg litt senere. For at ikke Li i Ge(Li)-krystallen skal drifte ut, må systemet holdes i vakuum og nedkjølt ved lav temperatur. Flytende nitrogen blir vanligvis benyttet. Siden energigapet mellom valensbandet og ledningsbåndet kun er 0,67 ev for Ge, vil valenselektronene ha en viss mulighet til å bli termisk eksitert. Denne sannsynlighet er gitt ved Maxwell - Boltzmanns fordelings-lov. Nedkjøling av krystallen reduserer denne bakgrunnsstrøm KRYOSTAT Ge(Li)-krystallen blir montert i en krystallholder inne i en vakuum kryostat. Kryostaten som er vist på fig. 2.10, har en "kald finger" som står ned i en termobeholder, som inneholder flytende nitrogen (-196 c ) FORFORSTERKER Forforsterkeren konverterer ladningen som de frie elektroner i krystallen danner, til en spenningspuls. Da den dannede ladning er meget liten, og det ikke finner sted noen elektronmultiplikasjon, må det brukes en ladnlngsfølsom forforsterker. Denne plasseres vanligvis nærmest mulig krystallen for å få størst mulig signal/støy forhold. Spenningspulsen ut av forforsterkeren er gitt ved U-2--JP (2.4) Q - den samlede ladning til de frie elektronene C - feedback kapasitator - vanlig størrelse er 1 pf n - antall frie elektroner (elektron-hull par) e - elektronets ladning

27 Når662 kev energi blir absorbert i krystallen, vil det dannes ca. 2,2-10 elektron-hull par (avsnitt ). Ut i fra ligning 2.4 kan spenningspulsen fra forforsterkeren finnes. 0 = 2,2-lQ 5 1,6-KT 19 v = 3 5 m v l-lo -1^ PÅFYLLING AV NITROGEN Påfylling av nitrogen på termobeholderen for Ge(Li)-detektoren skjer ved at en ekstern 65 liters termobeholder med N koples til. I denne beholder settes det ned et varmeelement, W, som består av 2 stk. 12 ft effektmotstandere koplet i serie. Når systemet lukkes og spenningen settes på vil trykket i beholderenøke, og N, blir overført. Nitrogenforbruket ligger omkring 80 liter i måneden til en pris av kr. 600,- (jan-81).

28 Ge(Li)-DETEKTORENS EGENSKAPER Blandt halvleder-detektorene er Ge(Li)-detektoren den som er best egnet til Y" s P e ktroskopi. Det kommer blandt annet av at Ge har et forholdsvis et nøyt atomnummer, Z 32. Figur 2.9. viser en sammenligning mellom to y-spektra av m Ho tatt opp med henholdvis en Nal(Tl)- og en Ge(Li)- detektor. Det sees at energi-oppløsningen av fototoppene klart er best for Ge(Li)-detektoren GAMMA-FMY ENERGY (ktvi Fig y-spektra fradesintegrasjonen av m Ho målt i en Nal(Tl)- og Ge(Li)-detektor. ( Ref.21, side 354 ) Figuren viser at effektiviteten for Nal(Tl)-detektoren for forskjellige energier er aelloa 10 og 100 ganger større enn for Ge(Li)-detektoren. På grunn av at detektoren er avhengig av kjøling, egner den seg bast i en fast nålaposisjon. "One closed end coaxial" er pr. idag den Ge-krystall geometri sosi gir best følsomhat for lavenergetiake fotoner.

29 Beskyttelseskappe (0,75 mm tykk aluminium" Detektorens vindu ( 0,5 mm tykk aluminium, Kryostat Forforsterker med tilkoplingspkt.^ "\ for signal, høyspenning og driftsspenning Ventilasjon I'-' :S' '' '' ' :>. : 3 Fig Ge(Li)-detektor med vertikal "dipstick" kryostat. Detektor modell 7 229, Kryostat modell 7500 S, Canberra Industries, U.S.A. Ge(Li)-krystallen» form: Rett sylindrisk, koaksialt strømdrevet med en Apen ende. Lukket ende mot vlnduet. Krystallen* størrelse: diam. 52aa, nøyde 4 5,5mm, Total volum 96.6 cm, aktivt volum 86,6 cm 3, total vekt 528 g, p - 5,33-10~ 3 kg/m 3

30 SPESIFIKASJONER TIL ET DETEKTORSYSTEM ENERGI-OPPLØSNING Energi-opplysningen er et mål for detektorens evne til å skjelne mellom nærliggende gamma-energier. Den bestemmende faktor for energi-oppløsningen for Ge(Li)- detektoren er antall produserte elektron-hull par (N (L-))» mens det for Nal (Tl)-detektoren er antall elektroner produsert på fotokatoden <N N a I ( T 1 ) >. Energi-oppløsningen (R) er definert som forholdet mellom halvverdi-bredden AE av en y-linje og y-linjens energi E. I detektor spesifikasjonene refereres R normalt til en måling på spekteret for isotopen Cs-137 med full-energi topp ved 662 kev. R = I^-IOOS (2.5) R'= 2,35 j^s-vf-100% = 2,35 f -100% (2.6) K - proposjonalitets faktor F - Pano faktor, varierer for forskjellige detektortyper. For Ge(I.i)-deteJctorer er F tilnirmet lik 0,12 (Ref.31 side 363) og for Nal(Tl) detektorer lik 1. Ved hjelp av ligning 2.6 kan beste oppnåelige oppløsnlng regnes ut når den statistiske fluktuasjon i N, er den eneste usikkerhets faktor for energi-oppløsningen. I dette tilfelle er standard avviket K/H (2.7) I praksis viber det seg at det er flere usikkerhets faktorer for energi-oppløsningen. 1. Statistiske fluktuasjoner IN o statistisk 2. variasjoner 1 effektiviteten for oppsamling av ladnlnger o. ladning

31 Elektronisk støy 4. Drift i systemet stay statistisk ladning støy drift (2.8) H/2 Fig Definisjon av detektor oppløsningen. Halwerdibredden AE, er gitt ved 2,35ff for topper med Gausisk form. Por Ge(Li)-detektoren oppgis vanligvis ikke energi-oppløsningen, men halverdibredden AE i kev. For E = 662 kev kan AE f.eks. være lik 1,5 kev, dvs. energi oppløsning R = 0,23%. For å danne eu elektron-hull par i en Ge(Li)-krystall kreves det en midlere energi på 3 ev. For 662 kev energi absorbert i krystallen, vil det bli dannet ca. 2,2.10 elektron-hull par. Ligning 2.6 gir således, R'(662 kev) = 0,17%, når c statistisk Ut fra figur 2.12 som viser R(E) og R'(E), kan det sees at forholdet R/R' er større for lavere energier enn for høyere. Det kommer av at det for R' er utelatt flere uslkkerhets faktorer som ville bidratt til økning i energi-oppløsningen spesielt for lave energier. Energi-oppløanlngen for en Ge(LD-detektor er så god at den videre utvikling er blitt lagt til bl.a. forforsterkere og forsterkere for å bedre støynivået og tellekapasiteten.

32 ,4 1,2 2,0 2,8 MeV Fig R, plottet etter data over spesifikasjonene for halwerdi bredden for Ge(Li) detektoren, mod, 7229, innkjøpt på SIS. R', plottet etter lign I Nal (Tl) detektoren er scintillas jons effektiviteten på oa. 13% ( Ref. 31, side 256 ). Absorbsjon av 662 kev energi i krystallen 4 skulle derfor gi omkring 8,6.10 ev i total lysenergi eller 2,9-10 fotoner med middels energi på 3 ev ( X=420run, figur 2.3). Av disse scintillasjons-fotoner går en del tapt på krystall-overflaten og pi grenseflaten mellom krystall og fotokatode slik at kanskje ikke mere enn ca % av det totale antall fotoner går med til produksjon av elektroner. Kvantum - effektiviteten for en fotokatode, Q(X), er definert som antall foto-elektroner emittert fra fotokatoden pr. innkommende foton. S-11 (av EMI fabrikat) er et mye brukt fotokatode-materiale hvor QU) - 19% ( Ref.15, side 5 ). Med andre ord vil det bli produsert ca elektroner på fotokatoden (S-11) for 662 kev energi absorbert i Nal(Tl)-krystallen. Ligning 2.6 gir R' (662 kev) - 2,35 J5TJ0" 100* - 4 % Tar man mad de andre tillegga variaajoner vil den kalkulerte energi opplysning bli dårligare.

33 Dersom energi opplysningen til en Nal(Tl)-detektor oppgis til R(662 kev) = 7%, er den meget bra. Detektor oppløsningen blir vanligvis spesifisert ved lav tellehastighet slik at elektroniske effekter blir minimalisert DETEKTORENS EFFEKTIVITET Ved siden av spesifikasjoner over energi-oppløsniiigen er kjennskap til detektorens effektivitet av meget stor betydning. Det finnes flere raåter å definere denne effektiviteten på. Ved total detektor effektivitet ser man på hele spekteret, mans man kun ser på fototoppen ved full-energl-topp effektivitet. I tillegg brukes også dobbel - og single "escape" topp effektivitet som gir sannsynligheten for å få en telling registrert i "escape"toppen. Hver av disse fire typar for effektivitet kan omtales som absolutt-, intrinaikk (reell)- eller relativ effektivitet. Absolutt effektivitet forbinder antall registrerte detektor-pulser til antall gamma-striler emittert fra en kilde. Intrinaikk effektivitet forbinder antall registrerte pulser til antall ganna-stråler som treffer detektoren. Relativ effektivitet. Ofte er det tilstrekkelig å kjenne detektorens effektivitet i forhold til en gitt energi, slik at den relative effektivitet er adequat. Det er spesielt den reelle full-energl-topp effektiviteten som benyttes i spesifikasjoner over detektorar. For Ge(Li)-detaktor brukes også reell dobbel og single "escape" topp effektivitet. For egne kontrollmålinger av detektorens effektivitet er det enklest A ha en fast målegeometri og bruke absolutt full-energl-topp effektivitet. Standard metode for samnsnllgning av effektiviteten mellom Nal (Tl)- og Ga(Li)-detaktorer er å il illijne dares tallerate for fototoppen av 1,33 Nav til OO-60 ved 1 bruka standard avstand på 25 en fra kllden til dataktor, og plassere kllden pi detektoraksen. Ost er flere faktorar aom gjer at effektiviteten for Mal(Tl)-detektoren er sterre enn for Ge (LI)-detektoren.

34 Det effektive atomnummer for Nal > Ge. Se avsnitt Sannsynligheten for fotoelektrisk effekt er derfor størst i Nal. 2. Seiv cm tettheten p _ < p vil vekten bli større for M WaI Ge Nal (Tl)-krystallen på grunn av at den kan lages med mye større volum enn Ge (Li)-krystallen. Et innkomraende foton kan være årsak til flere påhverandre følgende compton-spredte fotoner inntil fotonets restenergi avgis ved fotoelektrisk effekt. Jo større krystallens volum er, jo større er sannsynligheten for at alle spredte fotoner vil avgi all sin energi i krystallen. Detektoren vil registrero dette som en fullenergi-topp som om hele fotonets energi ble avgitt i krystallen på en gang ved fotoelektrisk effekt. Dette medfører at compton-ryggen blir mindre. Økende volum vil giannihilasjonsfotoner mindre mulighet til å unnsllppe krystallen slik at disse fotoners energi har større sjanse til å bli registrert under en fullenergi-topp. Fullenergi-topp effektiviteten vil øke forteie enn volumet i forhold DETEKTORENS LIHEARITET I tillegg til detektorens oppløsning og effektivitet må også detektorens linearitet sjekkes med jevne mellomrom. Dette fordi detektorane er nokså følsomme for ytre påvirkninger. Linearlteten finnes ved å plotte kanalnummer som funksjon av energien for flere forskjellige isotopar. Dersom denne kallbreringskurve lkke går gjennom nullpunktet, kan det skyldes variasjoner 1 nullstillingon av ADC'en (Analog Digital Converter). Det kan også bety at pulsene går 1 mettnlng et eller annet sted 1 elektronikken. Denne form for avvik kan forekosme når forsterkningen er for stor. Detekterer som er beregnet for detekterlng for høyere energiar, vil sjelden vere llneare for helt lave energler.

35 DETEKTORENS "PEAK TO COMPTON" FORHOLD For 1,33 MeV (Co-60) bestemmes P/C-størrelsen ved å dividere antall tellinger i fullenergi topp-kanaien med antall tellinger i den kanalen som best tilsvarer middelverdien på energiens (1,33 MeV) compton-platå ( 1040 kev kev ). Denne P/C størrelse har betydning for detektorens evne til å skjelne lavenergetiske topper i nærvær av høyenergetiske kilder. P/C størrelsen er sterkt avhengig av målegeometrien. Stor spredning av fotoner utenfor detektoren gir et lavt P/C forhold. På detektor-spesifikasjonene kan P/C størrelsen ved 1,33 MeV være oppgitt til 40:1 for Ge(Li)-detektoren. På grunn av bedre oppløsning i en Ge(Li)-detektor vil P/C størrelsen være langt større for denne type detektor enn for NaI(Tl)-detektoren. Som nevnt i avsnitt vil økende volum på krystallen gi en mindre compton-rygg. Dette medfører at størrelsen P/C øker.

36 MANGEKAMALS ANALYSATOR (MCA) ARBEIDSPRINSIPPET FOR MCA I dette avsnitt omtales hovedtrekkene som MCA 8100 på SIS arbeider etter. Generelt er prinsippene i de forskjellige MCA'er noenlunde like. En MCA kan skjematisk deles opp i flere mindre grunnenheter. På figur 2.13 er de viktigste gjengitt. Etter at den produserte spenningspuls har panert forforsterkeren på detektoren, går den videre til en forsterker som i MCA 8100 er innebygd. Denne har en forsterkning på X. For å dra nytte av f.eks. Ge (Li)-detektorens gode oppløsningsevne, brukes ofte en ekstern forsterker som har bedre spesifikasjoner og som er mere differensiert enn den interne. Ved bruk av ekstern forsterker brukes ADC inngangen på MCA'en (den stiplede linje på fig. 2.13). Forsterkningen må være lineær og uavhengig av pulshøyden for at proporsjonaliteten mellom nøyde på inngående og utgående pulser skal bevares. Ved utgangen av forsterkeren deler signalpulsen seg til henholdsvis en "delay" enhet og til en enkanaler (SCA). Enkanaleren er utstyrt med en dlskriminator hvor man kan stille inn et vlndu med en øvre- (ULD) og en nedre terskelverdi (LLD) i volt. Det er kun pulser som ligger innenfor vinduet som blir registrert. Nedre terskelverdi settes vanligvis slik at små støypulser diskrimlneres bort. Dersom signalpulsen inn pi SCA har en ampiityde som ligger mellom LLD og ULD, blir det produsert en logisk puls. Dette skjer ved den negative flanke ved LLD, (fig. 2.14).

37 - 27 TELE PRINTER DATA RECORDER X - Y RECORDER PROCESSOR AND MEMORY CflANNELS- «^ ADC 50MHz CLOCK * INPUT GATE Jl < SCAN-POSITION T SCAN-SPEED A INPUT AMP AMP! MCA INPUT» ADC PRE- AMP P.M.T. SCAN MOTOR Fig Blokk diagram av HCA med tllhørende enheter N«JT1)

38 Fig Prinsippet for produksjon av logisk puls i SCA. IN ULD LLD SCA TIMING OUTPUT Den produserte logiske puls i SCA gir informasjoner til inngangsporten om at signalpulsen som er blitt 0.5 \is sinket i delay-enheten, kan slippes gjennom til ADCen. Her blir det analoge signalet konvertert til et ekvivalent digitalt signal. Hovedtrekkene i konverteringen er skissert i fig Fig Prinsippet for analog - digital konvertering. Lineær rampe konverter av Wilkinson - type. 1-2 Inngongspulsen gar gjennom en komparatorkreta som kontinuerlig sammenligner amplityden med den lineært økende spenningsrampe. Rampen blir generert ved i

39 lade opp en kapasitator med en konstant strømkilde som starter samtidig som inngangspulsen blir presentert i kretsen. Så snart den lineære rampe har nådd en høyde i volt som tilsvarer pulsens amplityde, stanser sammenligningen. Projeksjonen på x-aksen av den lineære rampe, (1-2), er derfor av variabel lengde som er direkte proporsjonal med inngangspulsens amplityde. 2-4 Kondensatoren utlades gjennom en konstant strømgenerator. 3 Pormen på utladningskurven er gitt. En 50 MHz klokke-oscillator starter. 4 Utladningen er ferdig. Det er i eksemplet produsert 36 pulser som er direkte proporsjonal med inngangssignalets amplityde. Adressen til hukommelsen er klar. Innholdet i kanal 36 i hukommelsen økes med 1 telling. Hver kanal kar ta imot tellinger. ADCen kan bare ta imot et signal om gangen for konvertering. Når ADCen behandler et signal blir inngangsporten stengt. Så snart signalet er digitalisert åpnes inngangsporten, og et nytt signal slippes inn for konvertering. Siden ADC'en kan være relativ sen i behandlingen, vil høye tellerater forårsake at ADCen ikke kan ta imot alle pulser. De blir ikke registrert. Tiden som ADC'en ikke er mottakelig for pulser på kalles dødtid. I MCA 8100 finnes det en intern klokke som sender ut regelmessige pulser som er synkronisert av en intern krystall oscillator. Hår bryteren for dødtidskorreksjon står på "live", vil MCA'en automatisk korrigere for dødtida ved hjelp av denne klokke. Korrigeringen skjer ved at klokkepulsene kun slipper inn gjennom inngangsporten når den er apen. Pulsene som blir registrert i kanal null, er således et mål for tiden analysatoren har vart mottakelig for nye pulser.

40 For å reduserte tapet av interessante pulser på grunn av dødtida, innstilles terskelverdiene i SCA Eiik at diskriminatoren utelukker flest mulig uinteressente pulser. I forbindelse med prosessorens hukommelse står oscilloskopet (display) hvor dataene som er analogt konvertert, vises i form av en integral fordelingskurve som er plottinger av antall registrerte tellinger som funksjon av energien eller kanalnummer. I tillegg kan oscilloskopet gi opplysninger om noen alfa-numeriske parametre slike som kanalinnhold, integraler, kanal adresser, telletid og energier. Data lagret i hukommelsen kan leses ut digitalt til en datakassettspiller (Tectran 8410},printer (Texas Silent modell 743) eller i analog form til en X - Y plotter (Houston 2000 X-Y recorder). I MCA 8100 finnes det i alt 4096 kanaler + kanal null. For y-spektroskopi hvor det kreves god energi-oppløsning f.eks. for malinger for Ge(Li)- detektoren, er det behov for å ta alle kanalene i bruk. For malinger med Na I(Tl)-detektoren som har dårlig energloppløsning, trengs imidlertid ikke flere enn 512 kanaler.

41 MULTICHANNEL SCALIMG MCA'en kan også arbeide etter et helt annet prinsipp enn som pulshøyde-analysator. Hver kanal kan brukes som en uavhengig teller. Her blir alle pulser lagret uansett amplitydens størrelse. Tellinger som kommer i begynnelsen av analyseperioden, blir lagret i kanal nummer en. Etter en gitt tid går alle tellinger i kanal to, osv.. Telletida over hver kanal er den samme. Denne metode kan være meget brukbar til å studere kortlivede radioaktive nuklider eller andre tidsavhengige fenomen. Ved hjelp av et bevegelig detektorsystem kan man på denne måten få data om aktivitetsfordelingen for eksempel i kroppen.

42 FOTO FRA IiAVAKTIVITETSLABORATORIET 1 '*j s eå^ fig Kontrollrommets elektroniske utstyr 2.17 Ge(Li)-detektoren i sin faste måleposisjon i et 3 cm blyskjermet bur 2.18 MAling ph skjoldbrukskjertelen med 3"xlmm Noi(Tl)-detektor med justarbar ko Umotor 1 on modifisert dentallampoarni 2.19 Helkroppstolllng pi et kalibrer Ing Fantora

43 KOSTNADSOVERSLAG OVER UTSTYR PÅ LAVAKTIVITETS LABORATORIET HELKROPPSTELLEREN Mangekanalsanalysator MCA 8100, 4096 kanalers hukommelse, 8192 kanalers ADC, Canberra Industries ( CI. ), USA : jun-75 kr ,- Høyspenningskilde 3 kv power supply, modell 3002, CI. jun-75 kr ,- NIM - BIN Modell 1400, CI. : jun-75 kr ,- Data kassettspiller Tectran Cassette Recorder, modell 8410, Tectran Industries, USA : jun-76 kr ,- X-Y skriver Omnigraphlc 2000 Recorder m/ modul 17, 26 og 200 Houston Instrument, USA : des-76 kr ,- Alfanuraerlsk skriver Texas Silent 700, modell 743 KSR Texas Instrumenta, USA : apr-78 kr ,- 19" rack for intrumenter J apr-78 kr ,- Utstyr for helkroppatelling Oppatilling for bank og atolgeom.- målinger, 6"x4" Nal(Tl)- detektor. Nuclear Entarpriaea, (N.E.) Skotti. Innatallaajon 09 prøvekjøring : Kabelopplagg : mar-78 kr ,- apr-78 kr ,- apr-78 kr ,-

44 Utstyr for scanning ved helkroppsteiling Stepmotor m/ power, NE 8124 Scan speed, NE 4665 Scan position, NE 4666 NIM - BIN Innstallering Timer B.H.E. - S.E. Solb.«Anders. Utstyr for kalibrering Alderson REMCAL Fantom, 'standard man med huie organer, Alderson Research Laboratories USA : Gamma Reference Source Set, Q.C.R. The Radiochemical Centre, England: Tilsammen : nov-78 kr , nov-78 kr , nov-78 kr , nov-78 kr , nov-78 kr , okt-80 kr , nov-77 kr ,- sep-79 kr ,- kr ,-

45 DIVERSE AUNET UTSTYR Ge(Li) - detektor oppsett Ge (Li) - detektor modell 7229, Cryostat modell 7500S, Right circular cylinder drifted with one open end, krever 4 kv, 30 1 termobeholder for N 2, C.I. : mai-78 kr ,- Ekstra termobeholder (N 2 ) : okt-78 kr ,- Mangekanalsanalysator MCA OMEGA - I, Modell 4100-I, 1024 kanalers hukommelse, 2048 kanalers ADC, transportkasse, C.I. : MCA, Serie 30, Modell 3100, 1024 kanalers hukommelse og ADC, transportkasse : Digital Cassette Recorder, Modell 5411, C.I. Pulsgenerator Type BNC/PB4 i portanim type BNC/AP2 Berkeley Nucleonics Corp. USA Mixer/Router Modell 8220A, C.I. : Osci1loskop-ksmera Polaroid CR 9 : Forsterkar Amplifier modell 1413, C.I. s Amplifier modell 2010, C.I. : Høyepennlngekllde H.V. Power supply, 5 kv, modell 3105, C.I. i Detectorer (Barehaw, Holland) Naim) 12SHB1M/3E, EMI 9758 i Nal(Tl) 12S512/3G, EMI 97S8 I Tllaavr jun-76 kr ,- nov-78 kr ,- nov-78 kr ,- feb-75 kr ,- jun-75 kr ,- dea-75 kr ,- jun-75 kr ,- apr-78 kr ,- apr-78 kr ,- des-76 kr ,- Jan-78 kr. 15.1B0.- kr ,-

46 KOMMEMTARER Det har skjedd en meget stor utvikling på elektronikkens område. Mikroprosessoren er blandt annet et resultat av dette og blir i dag i stadig større grad brukt i alt nytt elektronisk utstyr. Den erstatter i de fleste tilfeller fast oppkoplede logiske kretser. Et system bygget på mikroprosessoren, gir et mere enklere og fleksibelt system. Mikroprosessoren har medvirket til at dagens elektroniske utstyr er blitt mindre i størrelse og oftest prismessig gunstigere. Det er derfor i avsnitt og ikke gjort forsøk på å kostnadsberegne lavaktivitets laboratoriets utstyr frem til 1981.

47 GAMMA SPEKTROSKOPI 3.1. VEKSELVIRKNINGS TEORI FOR GAMMA-STRÅLER Når gamma-stråling treffer en materie, blir noen fotoner absorbert, andre forandrer retning og resten passerer rett gjennom materien uten å vekselvirke med dens atomer. De viktigste vekselvirknings prosesser er fotoelektrisk absorpsjon, Compton spredning og pardannelse. Sannsynligheten for hvilken prosess vekselvirkningen vil skje etter, er avhengig av fotonets energi og absorbatorens atomnummer, Z. Tabell 3.1. Vekselvirknings prosess Sannsynligheten prop, med Z og i^. Fotoelektrisk absorp. Compton spredning "f Z 4 -Z 5 E- 3 ' 5 - E- 1 "c z -E- 1 Pardannelse P p z 2 ln E i 11 inni i i lin in i 11 min i 111 im Fig Dan ralatlva fordalingan av da tre viktigate avakkninga-proaaaaar

48 Svekkning av gamma-stråler i en materie følger formel 3.1. I = I 0 e _ y x (3.1.) I Q er intensiteten av gamma strålen før, og I etter passering av absorbator med tykkelse x (cm). U er den lineære svekkelses koeffisient (cm -1 ). U = U f + V c + U p (3.2.) FOTOELEKTRISK ABSORPSJON Ved denne prosess vil et gamma-foton bli fullstendigt absorbert. Fotonets energi, E, går med til løsrivelse av vanligvis et K-elektron og til å gi det en kinetisk energi. Sannsynligheten for løsrivelse av elektroner fra andre skall avtar med økende avstand fra kjernen. Det ledige hull etter utsendelsen av et fotoelektron, blir umiddelbart fylt av et elektron fra et høyere-liggende skall i atomet. I denne prosessen blir differensen i bindingenergi mellom skallene frigjort under utsendelse av karakteristisk røntgen-stråling. Den frigjorte bindingenergi kan av og til overføres til et elektron som sendes ut av atomet (Auger elektron). Fig Fotoalaktrlsk absorpsjon

49 Dersom E er mindre enn bindingsenergien til elektronet vekselvirkningen skjer med, vil elektronet ikke løsrives fra sitt skall. Det fåes derfor skarpe diskontinuiteter i svekkningskurven for fotonene med energler korresponderende til bindingsenergiene til de forskjellige elektronskall. Se f.eks. svekkningskurva for Pb i appendiks A le COMPTON SPREDNING T _ REKYL ELEKTRON INNKOMMENDB FOTON Pig Compton spredning Si'SPREDT FOTO» Ved denne prosess vekselvirker gamma-fotonet med et elektron. Dette får en rekylenergi, T, samtidig som det blir sendt ut et spredt foton med energi '. Dette foton kan seiv undergå nye veksel vir kninger. Alle elektroner har Banane sannsynlighet til å delta. De regnes derfor i gjennomsnitt for frie elektroner, bindingenergi lik null. Karakteristisk røntgen-stråling er derfor negllsjerbar. Compton forlapet sees på som et uelastisk «tøt, E andre ord - fotonet må bli spredt. > T, med Ut fra loven on energi- og lnpulsbevarelse kan det utledes felgand* uttrykk for E' og T. Det spredt* t-fotonet» energi i E'" Sy (3.3.) Y 1 + E^l-co»e>/E, Tllbakespredningstopp, e-180»: E'- J «3.4.) In. 1 * 2 V E '