Table of Contents
הקדמה אל Alpha Particle Spectroscopy
ספקטרום חלקיקים הוא טכניקה אנליטית רגישה מאוד המשמש לזיהוי וזיהוי רדיונוקלידים המבוססים על אנרגיות דיסקרטיות של חלקיקי אלפא שהם פולטים.כל איזוטופה של אלפא-המתה, מ FLT:023903FLT 1 {\displaystyle to FLT:2241FLT:3}}, פולטת חלקיקים באנרגיות קינטיות ספציפיות, יצירת חתת חלקיקים ייחודית, אשר לעתים קרובות יכול להיות משקף אנרגיה נמוכה מאוד, אשר יכול להשיג את ההשפעות של חומר אטומית, אשר לעתים קרובות מאוד, אשר עשוי להיות מדויק על פני חלקיקים.
עקרונות פיזיקה וזיהוי
אלפא חלקיקים אינטראקציה ואובדן אנרגיה
חלקיקי אלפא מורכבים משתי פרוטונים ושני נויטרונים (גרעין הליום-4) כאשר הם נוסעים דרך חומר, הם אינטראקציה בעיקר באמצעות התנגשויות לא-רלטסטיות עם אלקטרונים, מה שגורם ionization וציטוט.שיעור אובדן האנרגיה לאורכו של זנב יחידה, הידוע בשם כוח עצירה, מתואר על ידי משוואה Bethe-Bloch. זה מדגיש את התלות חזקה של אובדן אנרגיה על מספר המשקעים האטומיים אפילו לפני החלקיק הפעיל של הנפח של הנפח הוא רק כדי לספוגה.
החלטות אנרגיה והערכה
[ה] היכולת להבחין בין איזוטופים שונים תלויה ישירות ברזולוציה האנרגיה של המערכת.ההחלטה מוגדרת כ-Width המלא בחצי מקסימלי (FWHM) של שיא, המובא ב-keV. A Quality alpha spectrometer יכול להשיג את ההשפעות FWHM של 12-20 keV עבור שיא 5.486 MeV של FLT:0241Falure (החומר ה-F2) הוא חלק מ-D2:
ראשי תיבות של Alpha Spectroscopy Systems
שרשרת אלפא מלאה כוללת מספר תת-מערכות מונדסיות בדיוק מעובדות ברצף.מרכיבים העיקריים כוללים את תא הדגימה (מערכתvacuum), גלאי הסיליקון, את האלקטרוניקה לעיבוד אותות אנלוגי (מדגם ומעצבים מגבר), יחידת ההמרה הדיגיטלית (ADC ו- MCA), ואת התוכנה.הביצועים של המערכת מוגבלים על ידי הקישור החלש ביותר שלה, הדורש שילוב זהיר ואופטימיזציה של כל חלק.
Detector Technologies and Engineering
הגלאי הוא הלב של המערכת.מודרני אלפא ספקטרוסקופיה מסתמכת כמעט בלעדית על גלאי מוליכים למחצה, בעיקר עוברי השתלות תוכנית הסיליקון (PIPS) גלאי התקנים אלה לתפקד כמו דידות הפוכה מבוטחות. חלקיקי אלפא הנכנסים יוצרים זוגות של אלקטרונים-חור לאורך מסלול ההצתה שלהם בתוך אזור הדפלציה.
PIPS Detectors
גלאי PIPS מייצגים התקדמות הנדסית משמעותית על גלאי הסיליקון (SSB) של הסיליקון.הם מרוקנים באמצעות השתלת יון כדי ליצור את הצומת pn, יצירת חלון כניסה דק מאוד וחוספס (שכבה מאוחרת) חלון דק זה מקטין אובדן אנרגיה לפני שהחלקיק נכנס לנפח הפעיל, אשר חיוני לשמירה על פתרון מעולה ויחס גבוה לדרגה גבוהה ל-75 מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"לצמצם"לצמצם"לצמצם"לצמצם"לצמצם"לצמצם את הקיבולת גבוהה יותר ל- 20 אזורי הטעינה"ל, בדרך כלל, כדי להפחית את עוצמת הפחתת טווח איטי יותר של מהירות גבוהה יותר של מהירות גבוהה יותר של צריכת דלק בטווח של ירידה של צריכת דלק גבוה יותר, בדרך כלל, עם טווח איטי יותר, עם עלייה של צריכת דלקות גבוהה יותר של צריכת דלקות גבוהה יותר של 20 אזורים יציבים בטווח של צריכת דלקות גבוהה יותר של יותר של טווח איטי יותר של מהירות גבוהה יותר של צריכת דלקות בטווח של טווח איטי יותר של מהירות גבוהה יותר של
Detector Performance Characterization
מדדים מרכזיים להערכת איכות הגלאי כוללים זרם דליפות (בדרך כלל FLT:02120303FLT:1Po דורש עומק של כ 80 מיקרומטר בסיליקון) מהנדסים נבחרים וגלאים הטיה כדי להבטיח איסוף מטען מלא תוך צמצום התרומות רעש.
המונחים: Digital Signal Processing
המטען שנוצר בגלאי הוא קטן מאוד, בדרך כלל סביב 1.6 כרומוזומים עבור MeV של אנרגיה מופקדת.זה אות חייב להיות מומר לתוך דופק יציב, גבוה מתח מתאים דיגיטציה.
עיצוב Premplifier
השלב הראשון של הדגימה הוא מדבק רגיש האחראי הממוקם קרוב לגלאי ככל האפשר פיזית.עיגול זה משלב את המטען הנכנס על מחזר קטן, ומייצר צעד מתח.העיצוב של מנגנון איפוס של preamplifier הוא החלטה הנדסית קריטית.נגד ממריצים מסורתיים משתמשים בהתנגדות גבוהה לפירוק של קפירטור, מתן משוב יציב במיוחד עם יציבות נמוכה יותר (מתאים מתקדמים) עם יציבות נמוכה יותר עם רעידות מהירות נמוכה יותר.
דופק שפינג ופילטר
לאחר המרשם, האות עובר דרך מגבר עיצוב.יחידה זו מבצעת מספר פונקציות: היא מגבירה את האות, מסנן רעש נמוך (/f רעש) ורעש גבוה (רעש צילום), ומחליפה את הדופק דמוי צעד לפעימה בצורת פעמון (בדרך כלל סמי-גאוסי או מלכודת) זמן עיצוב קבוע בין ספירת זמן ל- 1 ל- מיקרוסקופ (שדומה גם לרעש) עם מהירות יותר (כלומר, אשר כוללת יותר ויותר) עם גלימה).
סטיות אנליסטים-to-Digital Conversion (ADC)
הדופק האנלוגי בצורת מומר למספר ערוץ דיגיטלי על ידי מנתח רב ערוצים (MCA) ADC קובע את האמפול של הדופק. Wilkinson-type ADCs לעתים קרובות מועדים לינאריות יוצאת דופן שלהם ושונים. הם עובדים על ידי הטעינה קפיטור לגובה הדופק העליון ולאחר מכן מתפוררים אותו באופן קבוע, מהמיר את הזמן לתוך ספירה דיגיטלית.
מערכת Vacuum ו- Sample
הטווח הקצר של חלקיקי אלפא באוויר מטיל דרישות קפדניות על סביבת המדידה.הדגימה והגלאי חייב להיות שוכן בתא ריק כדי למנוע אובדן אנרגיה ופיזור.
דרישות Vacuum
בלחץ אטמוספירי, חלקיק 5 מ"א אלפא נוסע רק כ-3.5 ס"מ. אפילו כמה סנטימטרים של אוויר בחדר יגרום לאובדן אנרגיה משמעותי ועלייה בהרחבת (התרחבה) כדי לחסל את זה, ספקטרום אלפא פועל בלחץ בדרך כלל מתחת 1 tomrr.מערכת הריק חייבת להיות חופשי מזיהום ותנודתיות מתוחכמות.
איכות הכנת מקורות
איכות המקור היא ככל הנראה הגורם החשוב ביותר לקבוע את איכות ספקטרום אלפא. אובדן האנרגיה בתוך חומר המקור עצמו הוא מקור עיקרי של זנב אנרגיה נמוכה ורזולוציה מופחתת.הכנה במקור שואפת ליצור FLT:0masslessFLT 1 להפקיד, שבו חלקיקי אלפא לברוח ללא אובדן אנרגיה משמעותי.
שיטות הכנה למקורות
- (FLT:0) Electrodeposition: 1FLT) זוהי השיטה המועדפת לייצור מקורות האיכות הגבוהים ביותר.היסוד של העניין הוא מצופה מפתרון מוזר או אורגני על דיסק מתכת מלוטש (למשל, נירוסטה פלדה או פלטינה).
- (FLT:0)Co-precipitation:FLT:1 משמש לרכז אקטיניים מדגימות סביבתיות בנפח גדול (מים, אדמה leachates) פילטר מסנן membrane. בעוד פשוט יותר, מקורות אלה הם לעתים קרובות עבה יותר ולדיעה של פתרון גרוע יותר מאשר מקורות אלקטרודרופיים.
- (FLT:0) ,Evaporation: FLT:1 כרך קטן של פתרון המכיל את רדיונוקל ממוקם על תוכנית ומאפשר להתאדות.זה מהיר אבל לעתים קרובות תוצאות בפקדות לא אחידות ("נקודות קריינות") שמובילות לאובדן אנרגיה משמעותי ואיכות ספק מרכזית ירודה.
- (ב) ,0) , אלקטרוניקה ו-Sputtering:03:1 טכניקות מתקדמות אלה יכולות לייצר פיקדונות דקים ומדים מאוד, אך דורשות ציוד מיוחד.
קלבריון, תקנים, וביטוח איכות
תוצאות אמינות תלויות בשקיקה קפדנית ודבקות בפרוטוקולים של אבטחת איכות, כגון ANSI N42.25.
אנרגיה ומאמץ קליברציה
(הדגשה של אנרגיה) קובעת את הקשר בין מספר ערוץ ADC לבין אנרגיית חלקיקים אלפא.זה מבוצע על ידי מדידה של מקור סטנדרטי מעורב המכיל nuclides עם אנרגיות ידועות, מעקביות, כגון:023903033FLT:1 {\displaystyle \iiii}}, FLT:2241FLT 3Am (5.4 MeV), ו-FLT52392,5) {\displaystyle CLT5} (Avidance) {\displaystyle CLT5} 5.
רקע והתערבות
(ב) בפרשת האלפא (ב) מקורו בעיקר מפרוגניציה של רהדון, במיוחד (FLT:0.210FLT:1Po,FLT:2183FLT 3Po, ו-FLT:421403:501Fspeccon:5FLT) אלגוריתמים אלה יכולים להפקד על פני השטח בתוך הריקבון.
שיקולים מתקדמים בהנדסה
לדחוף את הגבולות של ביצועים אלפא ספקטרוסקופיה דורש התייחסות לכמה אתגרים הנדסיים מתוחכמים.
Detector Cooling
קירור הגלאי ואת שלב הקלט של preamplifier מפחית רעש הנוכחי והרמייש. Thermoelectric (Peltier) קירור הוא בדרך כלל מועסק לייצב את הגלאי בטמפרטורות סביב -10 מעלות צלזיוס ל -20 מעלות צלזיוס. זה מספק שיפור משמעותי בהחלטה, במיוחד עבור מדידות אנרגיה נמוכה (be 3 MeV נמוך), שבו רעש יכול אחרת לטשטש את האות.
Pile-Up Rejection ו- High Count rate
בפעילויות מדגם גבוהות יותר, ההסתברות של שתי פעימות חופפות עלייה, מעוות את מדידת האנרגיה. Pileup דחייה מעגלים תחושה נוכחות של הדופק חופף ובאופן פעיל להיפטר מהם.הזמן המת של המערכת (התקופה ADC מעבד דופק) חייב להיות נמדד בקפידה ותיקון לשימוש שעונים בזמן חיים.
אלפא-גמה Coincidence Spectroscopy
לדגימות מורכבות, מדידת חלקיקי אלפא במקרה עם קרני גמא או צילומי רנטגן יכול לפשט באופן דרמטי את הספקטרום ולצמצם את הרקע.לדוגמה, FLT:0241FLT:1Am דעך באמצעות פליטה אלפא למצב נרגש של FLT:2237FLT 3:Np, אשר de-excites על ידי פולטת gamma או X-ray (החלמה) אשר דורש אותות אלפא-Dy (Dy) קרוב ל-Damtamtamtam) או גלאימיון (Dy) או גלאימילאהחלים).
יישומים מרכזיים במדע ובתעשייה
הדיוק ההנדסי של אלפא spectroscopy הופך אותו לכלי עבור מגוון רחב של יישומים קריטיים.
פיקוח סביבתי
גופי רגולציה דורשים מדידה רגישה של רדיונוקליפטיים באדמה, מים ואוויר.phatroscopy משמש כדי לקבוע את נוכחות והרכב איזוטופי של פלוטוניום, americium, כוריום, אורניום בדגימות סביבתיות.זיהוי גבולות הם נמוכים במיוחד, לעתים קרובות להגיע שבריר של abcquerel perlogram (B / k) של מדגם ק"ג.
שמירה גרעינית ואבטחה
הסוכנות לאנרגיה אטומית הבינלאומית (IAEA) מסתמכת על ספקטרוסקופיה אלפא לניתוח דגימות נפוחות שנלקחו במהלך הבדיקות.הטביעה האיזוטופית של פלוטוניום (למשל, הכמויות היחסיות של FLT:0238FLT:1Pu, FLT:239FLT 3, 4240Fal:5, ו-FLT1 מ-FR) {\displaystyle: 7.
בריאות פיזיקה וביוסאסי
חשיפה פנימית לאפא-מיטטינג רדיונוקלידים מהווה סיכון בריאותי משמעותי.התוכנות הביוסאות משתמשות ב-Aphatroscopy אלפא כדי לנתח שתן ודגימות צואה מעובדים בענף הגרעין. בדומה לכך, מסנני ניטור אוויר מנתחים כדי להבטיח כי ריכוזים באוויר של אורניום, פלוטוניום, ופעולות אחרות נותרו בתוך גבולות בטוחים.
חומרים מדע ומחקר בסיסי
ספקטרום אלפא משמש למדידת טוהר החומרים, ללמוד תגובה גרעינית צולבת, ואפיון דגימות גיאולוגיות עבור היכרויות אורניום-אוריום.היכולת למדוד במדויק אנרגיות מאפשר לחוקרים לחקור יחסים של ענף טוב ותכניות ברמה גרעינית.
כיוונים עתידיים וטכנולוגיות מתפתחות
בעוד שספקטרום אלפא spectroscopy מבוסס סיליקון הוא טכנולוגיה בוגרת, מאמצי הנדסה מתמשכת ממשיכים לשפר את הביצועים ולהרחיב את הכדאיות.