I STYTUT CHEMII I TECH IKI JĄDROWEJ

PROJEKT WSPÓŁFIASOWAY PRZEZ UIĘ EUROPEJSKĄ Z EUROPEJSKIEGO FUDUSZU ROZWOJU REGIOALEGO
ISTYTUT CHEMII I TECHIKI JĄDROWEJ
OPRACOWANIE WEWNĘTRZNE IChTJ nr .....
TYTUŁ PRACY:
Badania przydatności wielopunktowego licznika fotonów światła Multi
Pixel Photon Counter do pomiaru stężenia radonu
AUTORZY:
B. Machaj, J, Mirowicz, E. Kowalska, A. Jakowiuk
STRESZCZENIE PRACY:
Do detekcji światła scyntylacji komory scyntylacyjnej Lucasa, stosowanej do pomiaru stężenia
radonu, standardowo wykorzystywane są fotopowielacze sprzężone optycznie z komorą scyntylacyjną.
Półprzewodnikowy, wielopunktowy licznik fotonów światła Multi Pixel Photon Counter (MPPC)
oferowany japońską firmę Hamamatsu charakteryzuje się wysoką czułością, niskim napięciem
zasilania ok. 70 V, wysokim wzmocnieniu ok. 105, o małych wymiarach, odpornym mechanicznie jest
w stanie mierzyć pojedyncze fotony światła. Zastąpienie tradycyjnych fotopowielaczy przez MPPC
pozwolić może na miniaturyzację scyntylacyjnych sond detekcyjnych, zwiększyć niezawodność
pracy sond i ich odporność na wstrząsy mechaniczne, oraz znaczne zmniejszyć pobór mocy przez
sondę. Przedmiotem opracowania są badania przydatności MPPC do pomiaru stężenia radonu za
pomocą komory scyntylacyjnej sprzężonej optycznie z komorą
Komora scyntylacyjna Lucasa o wymiarach φ54 x 74 mm została sprzężona optycznie z MPPC o
wymiarach 3x3 mm. Komora napromieniowana została źródłem promieniowania alfa Pu-238
imitującym stężenie radonu w komorze. Zmieniano napięcie zasilania i temperaturę otocznie MPPC,
mierzono widma promieniowania szumów i impulsów od Pu-238. Dla porównania .dokonano również
pomiaru widma szumów i widma impulsów od Pu-238 komory scyntylacyjnej sprzężonej z
fotopowielaczem.
Badania wykazują że do uzyskania zadawalającej szybkości liczenia impulsów od promieniowania
alfa radonu należy łączyć równolegle wiele egzemplarzy MPPC, a dla utrzymania poziomu szybkości
liczenia impulsów tła na stałym poziomie należy chłodzić MPPC. Takie rozwiązanie jest zbyt
kosztowne, i nieprzydatne w miernikach do pomiaru stężenia radonu w warunkach polowych
(zasilanie z akumulatora)
Zatwierdzam:
Możliwość zastosowania:
Badania przydatności nowych detektorów światła scyntylacji
........................................................
(Kierownik Projektu)
........................................................
(Kierownik Laboratorium)
........................................................
(Dyrektor IChTJ)
Symbol UKD:
Symbol IIS:
Ochrona inf. o pracy:
Laboratorium Technik
Jądrowych
721.3
D.22
C
Zakończono dnia
14-05-2009
Umowa nr:
Słowa kluczowe:
UDA-POIG.01.04.01- stężenie radonu, półprzewodnikowy detektor światła scyntylacji
14-065/08-00.
PROJEKT WSPÓŁFIASOWAY PRZEZ UIĘ EUROPEJSKĄ Z EUROPEJSKIEGO FUDUSZU ROZWOJU REGIOALEGO
Zadanie 3 - System Pomiaru Stężenia Radonu
w Powietrzu
Badania przydatności wielopunktowego
licznika fotonów światła Multi Pixel Photon
Counter do pomiaru stężenia radonu
Opracowano w ramach projektu POIG 1.3.1
UDA-POIG.01.04.01-14-065/08-00
owa generacja inteligentnych urządzeń radiometrycznych z
bezprzewodową teletransmisją informacji
PROJEKT WSPÓŁFIASOWAY PRZEZ UIĘ EUROPEJSKĄ Z EUROPEJSKIEGO FUDUSZU ROZWOJU REGIOALEGO
1. Wprowadzenie
Niniejsze opracowanie dotyczy zadania nr. 3. System pomiaru stężenia radonu w ramach
projektu POIG 1.3.1 – Program Operacyjny Innowacyjna Gospodarka. Badania i Rozwój
Nowoczesnych Technologii.
Do detekcji światła scyntylacji komory scyntylacyjnej Lucasa, stosowanej do pomiaru
stężenia radonu, standardowo wykorzystywane są fotopowielacze. Japońska firma
Hamamatsu, producent wielopunktowego licznika fotonów światła Multi Pixel Photon
Counter (MPPC) zachwala je jako półprzewodnikowy fotopowielacz o wysokiej czułości
zdolnym do detekcji pojedynczych fotonów światła, niskim napięciu zasilania ok. 70 V,
wysokim wzmocnieniu ok. 105, o małych wymiarach, odpornym mechanicznie [1-4]
Zastąpienie tradycyjnych fotopowielaczy przez MPPC pozwolić może na miniaturyzację
scyntylacyjnych sond detekcyjnych, zwiększyć niezawodność pracy sond i ich odporność na
wstrząsy mechaniczne, oraz znaczne zmniejszyć pobór mocy przez sondę. Jest to szczególnie
istotne przy długookresowym monitoringu stężenia radonu w powietrzu lub w wodzie, w
terenie gdzie nie jest doprowadzona sieć energetyczna i sondy muszą być zasilane z
własnych akumulatorów.
Biorąc powyższe względy pod uwagę przeprowadzone zostały badania przydatności
MPPC do sond pomiarowych stężenia radonu, a wyniki badań przedstawia niniejszy raport.
2. Układ pomiarowy do badania MPPC
Schemat blokowy zestawu pomiarowego do badania MPPC przedstawiono na rys 1..
Wielopunktowy licznik fotonów MPPC umieszczono na światłoszczelnej płytce w miejsce
okienka scyntylacyjnej komory Lucasa. Podzespoły elektroniczne znajdują się na zewnątrz
komory Lucasa. Zmieniając wielkość napięcia polaryzującego, oraz temperaturę otoczenia
mierzono amplitudę impulsów na wyjściu wzmacniacza W, oraz widmo promieniowania alfa
źródła Pu-239, za pomocą którego imitowano stężenia radonu w komorze scyntylacyjnej.
Komora Lucasa o wymiarach φ54 x 74 mm
Scyntylator ZnS(Ag)
Źródło Pu-238 w kształcie pręta
MPPC
OSC
Z#P
W
MCA
Rys. 1. Schemat blokowy zestawu pomiarowego do badania MPPC
ZNP - zasilacz napięcia polaryzacji MPPC, Ua= 66 ÷72.5 V
W
- wzmacniacz impulsów napięcia. RC=42.5 ns na wejściu dodatnim wzmacniacza
MCA - wielokanałowy analizator amplitudy impulsowe
OSC - oscyloskop Tektronix, 50 MHz
1
PROJEKT WSPÓŁFIASOWAY PRZEZ UIĘ EUROPEJSKĄ Z EUROPEJSKIEGO FUDUSZU ROZWOJU REGIOALEGO
3. Widmo szumów i źródła alfa Pu-239
Na rys. 2 przedstawiono widmo szumów i widmo promieniowania źródła Pu-238
zmierzone przez MPPC za pomocą analizatora TUKAN. Te same widma w rozciągniętej
skali liczby zliczeń cpm (counts per minute) przedstawiono na rys. 3 pozwalającej na
porównanie obu widm przy niskiej liczbie zliczeń.
Rys. 2. Widmo tła i od źródła Pu-238 –
Analizator TUKAN
Ua=71.2 V – napięcie polaryzacji
T= 20 - temperatura otoczenia
mpc1 - komora KW-10 nie napromieniowana
mpc2 – komora KW-10 napromieniowana
źródłem Pu-238
Bardzo wysokie tło nie pozwala na
rozróżnienie4 obu widm od siebie
MPC1
MPC2
Rys. 3. Widma z rys. 2. Przy zmienionej skali
liczby zliczeń. Analizator TUKAN
U=71.2 V, T= 20 °C
MPC1 - komora KW-10 nie napromieniowana
MPC2 – komora KW-10 napromieniowana
źródłem Pu-238
Ui= 2.5 V – amplituda impulsu Pu-238
Usz=1.0 V – amplituda szumów
Widma różnią się od siebie powyżej 100 kan.
Liczba zliczeń tła i Pu-238 przy dyskryminacji
= 150 kanał
sum(mpc1(150:300))=4 cpm
- tło
sum(mpc2(150:300))=2036 cpm – Pu-238
sum(mpc1(20:300))= 2392634 cpm
Dla porównania dokonano pomiaru widma promieniowania źródła Pu-239 i szumów
komory KW-10 sprzężonej z fotopowielaczem o średnicy φ50 mm. Napięcie fotopowielacza
dobrano tak by widmo promieniowania mieściło się w 256 kanałach analizatora amplitudy
impulsów Pu-238. Wyniki pomiarów przedstawiono na rys .4 i rys. 5.
2
PROJEKT WSPÓŁFIASOWAY PRZEZ UIĘ EUROPEJSKĄ Z EUROPEJSKIEGO FUDUSZU ROZWOJU REGIOALEGO
Rys. 4.widmo szumów gdy komora Lucasa
KW-10 sprzężona jest z fotopowielaczem
średnicy φ50 mm.
Ua=850V – na[pięcie fotopowielacza
Tło dla progu dyskryminacj = 20 kanal.
Sum(mpc31(20:256))=2 cpm
Rys. 5 widmo Pu-238 gdy komora Lucasa KW10 sprzężona jest z fotopowielaczem średnicy
φ50 mm.
Ua=850V – napięcie fotopowielacza
Liczba zliczeń Pu-238 dla progu dyskryminacji
= 20 kanał
sum(mpc30(20:256))= 39193 cpm
Komentarz
•
Liczba zliczeń od źródła Pu-238 powyżej tła wynosi 2036 imp/min dla MPPC, oraz
39193 imp/min dla fotopowielacza, tzn 39193/2036 = 19.25 razy. Wynika to głownie z
małej powierzchni czynnej MPPT wynoszącej 3x 3=9 mm2. W stosunku do powierzchni
fotopowielacza = 502*π/4=1963 mm2. Stosunek powierzchni wynosi 1963/9=218.
• Dla uzyskania liczby zliczeń impulsów takiej jak przy zastosowaniu fotopowielacza, co
jest ściśle związane z czułością pomiaru radonu, należałoby łączyć do pracy równoległej
wiele MPPC. Takie rozwiązanie jest kosztowne.. Koszt MPPC 3x3 mm wynosi ponad 200
E
• Zwraca uwagę bardzo wysoki poziom tła MPPC = 2 392 634 imp/min dla progu
dyskryminacji = 20 kanał. (1/15 maksymalnej amplitudy impulsu od Pu-238). Tło
fotopowielacza dla podobnego progu dyskryminacji wynosi 2 imp/min. Wielkość
szumów znajduje swoje potwierdzenie w liczbie zliczeń tła podanych przez producenta
które wynoszą:
•
400 imp/s
- dla fotopowielacza prod. ET typ 9266B
270 000 imp/s - dla MPPC typu S10362 – 11 – 050C prod. Hamamatsu 1x1 mm
3
PROJEKT WSPÓŁFIASOWAY PRZEZ UIĘ EUROPEJSKĄ Z EUROPEJSKIEGO FUDUSZU ROZWOJU REGIOALEGO
3.1. Wpływ napięcia polaryzacji MPPC
W uzupełnieniu pomiaru widm (mpc1, mpc2) przy napięciu polaryzacji = 71.2 V
dokonano pomiaru widm szumów i Pu-238 przy napięciu polaryzacji = 71.00 V.
przedstawionych na rys. 6. (mierzone MPPC za pomocą analizatora TUKAN) w temperaturze
pokojowej.
MPC3
MPC4
Rys. 6. Widmo tła i źródła prętowego Pu-238.
Analizator TUKAN
U=71.0 V, T= 20 °C
MPC3 – komora KW-10 napromieniowana
źródłem Pu-238
MPC4 - komora KW-10 nie napromieniowana
Liczba zliczeń tła i Pu-238 przy dyskryminacji
= 100 kanał
Sum(mpc3(100:200))=3972 cpm – Pu239
Sum(mpc4(100:200))=3 cpm
Zmiana napięcia polaryzacji z 71.2 V na 71.0 V
powoduje silny spadek wzmocnienia
Dobierano progi dyskryminacji widma tak by liczba zliczeń przy napięciu 71.20V i napięciu
71.00 V była taka sama (dokładność ½ kanału), Na tej podstawie wyznaczono zmianę
wzmocnienia MPPC
sum(mpc1(100:300))=1371 cpm
sum(mpc4(70:300))=1306 cpm
sum(mpc2(150:300))=2703 cpm
sum(mpc3(115:300))=2734 cpm
>>>
>>>
>>>
>>>
prog dyskr = 100, Ua=71.20 V, szumy
prog dyskr = 70, Ua=71.00 V, szumy
prog dyskr = 150, Ua=71.20 V, Pu-238
prog dyskr = 115, Ua=71.00 V, Pu-238
>>> 70/100= 0.7
>>> 115/150 = 0.76
Komentarz
Zmiana napięcia polaryzacji z 71.2 V na 71.0 V ( 0.3%) powoduje zmianę amplitudy
impulsu Pu238 o 24 %, oraz amplitudy szumów o 30 %. MPPC jest bardzo wrażliwy na
zmiany napięcia polaryzacji. Znajduje to potwierdzenie w danych producenta
Zmiany wzmocnienia w funkcji niestabilności napięcia polaryzującego mogą być
kompensowane np. za pomocą układu automatycznej regulacji wzmocnienia.
3.2. Wpływ temperatury MPPC
Dokonano pomiaru widm Pu-238 w temperaturze pokojowej.. Następnie po 2
godzinach przebywania komory Lucasa razem z MPPC w podwyższonej temperaturze,
dokonano pomiaru widma Pu-238. Pomiarów widm dokonano analizatorem Genie-2000 w
którym wzmocnienie analizowanych impulsów jest mniejsze niż w analizatorze TUKAN. W
związku z tym, przy takich samych amplitudach impulsu na wyjściu MPPC widma są
bardziej ”ściśnięte” . Wyniki pomiarów przedstawiono na rys.7 i rys. 8
4
PROJEKT WSPÓŁFIASOWAY PRZEZ UIĘ EUROPEJSKĄ Z EUROPEJSKIEGO FUDUSZU ROZWOJU REGIOALEGO
mpc17
mpc16
mpc14
mpc12
Rys. 7. Widma szumów i Pu-238 w
temperaturze pokojowe i podwyższonej.
(analizator Genie 2000).
mpc12 - Pu-238, T=22°C, Ua=71.02V, Ui=2.5V
mpc14 – Pu-238, T=38°C, Ua=71.01 V
mpc16 - szumy, T=37°C, Ua=71.01 V
mpc17 – szumy. T=25°C, Ua=71.01 V, Ui=1 V
Rys. 8. Widma z rys. 7 w rozciągniętej skali
liczby zliczeń
mpc17
mpc16
mpc14
mpc12
mpc12 - Pu-238, T=22°C, Ua=71.02V
mpc14 – Pu-238, T=38°C, Ua=71.01 V
mpc16 - szumy, T=37°C, Ua=71.01 V
mpc17 – szumy. T= 25°C, Ua=71.01 V,
sum(mpc12(40:150))=3323 cpm >>> prog dyskr = 40, Pu-238, T=22 °C (tło od mpc17(40:150) = 3 cpm),
stosunek tło/zliczenia od Pu-238 = 3/3323=0.009
sum(mpc14(15:150))=2298 cpm >>> prog dyskr = 15, Pu-238, T=38 °C (tło od mpc16 (15:150)= 227 cpm)
stosunek tło/zliczenia od Pu-238 = 227/2298=0.099
Komentarz
Wzrost temperatury MPPC z 22 °C na 38 °C powoduje spadek amplitudy impulsów od
Pu-238 w stosunku 15/40 =0.375 (ponad 60%) przy równoczesnym pogorszeniu stosunku
liczby zliczeń tła do Pu-238
Układ automatycznej regulacji wzmocnienia nie jest w stanie zapobiec pogorszeniu
stosunku tła do sygnału użytecznego.
Radykalnym rozwiązaniem problemu szumów jest chłodzenie MPPC. Przy schłodzeniu
MPPC do temperatury 78.5 °K zredukowano zliczenia szumów do 0.2 cps [2]. Takie
rozwiązanie jest mało przydatne w urządzeniach polowych (zasilanie z akumulatora)
5
PROJEKT WSPÓŁFIASOWAY PRZEZ UIĘ EUROPEJSKĄ Z EUROPEJSKIEGO FUDUSZU ROZWOJU REGIOALEGO
4. Wnioski
Wielopunktowy licznik fotonów światła Multi Pixel Photon Counter (MPPC) wykazuje
bardzo wysokie tło (liczbę zliczeń impulsów tła) na które nakładają się impulsy od
promieniowania alfa komory scyntylacyjnej. Liczba zliczeń impulsów (szybkość liczenia)
MPPC od promieniowania alfa (Pu-238) przy progu dyskryminacji odcinającym impulsy
tła jest ok. 20 razy niższa niż liczba zliczeń od fotopowielacza sprężonego z komorą
scyntylacyjna Lucasa. Dla uzyskania takiej samej liczby zliczeń impulsów Pu-238 (takiej
samej czułości pomiaru stężenia radonu) należałoby łączyć równolegle do pracy wiele
egzemplarzy MPPC . Takie rozwiązanie jest kosztowne.
MPPC jest bardzo wrażliwy na zmianę temperaturę pracy. Podwyższenie temperatury
otoczenia z 22 °C na 38 °C powoduje spadek wzmocnienia sygnału od promieniowania
alfa o ponad 60% przy równoczesnym pogorszeniu stosunku liczby zliczeń tła do liczby
zliczeń od promieniowania alfa. Skuteczną metodą kontroli tła może być chłodzenie
MPPC co w warunkach polowych nie jest przydatne
Z wyżej podanych powodów uznać należy że wielopunktowy licznik fotonów światła
Multi Pixel Photon Counter nie jest przydatny do jako detektor światła scyntylacji komory
scyntylacyjnej ZnS(Ag) stosowanej do pomiaru stężenia radonu.
5. Literatura
1. K. Yamamoto, K. Yamamura, K. Sato, T. Ota, H. Suzuki, S. Ohsuka. Development of
Multi {ixel Photon Counter (MPPC). 2006 IEEE Nuclear Science Sympsium Conference
Record. N30-102. Manuscript Nov. 2006, pp 1094-1097
2. M. Akiba, K. Tsujino, K. Sato, M. Sasaki. A multipixel silicon APD with ultra low dark
current rate at liquid nitrogen temperature. National Institute of Information and
Communications Technology, Japan + Hamamatsu Photonics, Japan
3. Photon counting module with built in MPPC, www.hamamatsu.com
4. Multi-Pixel Photon Counter. News 2008 vol. 2 Hamamatsu
6