LabSOCS
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SAAGAS 21<br />
Mathematische Effizienzkalibrierungen<br />
von Detektoren zur γ- Spektroskopie<br />
Spektrometrie<br />
21. – 23. März 2007<br />
Universität Mainz<br />
Dr. Gerhard Fritz<br />
Canberra GmbH<br />
Rüsselsheim<br />
<strong>LabSOCS</strong> Effizienz- Berechnung / März 2007 / Mainz
Ziel:<br />
Durchführung gammaspektrometrischer Messungen<br />
mit vorgegebener Genauigkeit oder zu<br />
vorgegebenen Grenzen<br />
⇒ Schwierigkeiten:<br />
- Wechselnde Geometrien<br />
- Wechselnde Dichten und Matrizees<br />
- Zeitvorgabe für die Analyse<br />
- Messungen an der Nachweisgrenze<br />
- Wahre Koinzidenzeffekte bei untersuchten Radionukliden<br />
2 <strong>LabSOCS</strong> Effizienz- Berechnung / März 2007 / Mainz
Lösungsvorschläge:<br />
Kalibrierung mit Standardpräparaten bekannter<br />
Aktivität<br />
Jede Geometrie benötigt eigene Standardpräparate auch für<br />
jede Dichte und Matrix<br />
Spiking Verfahren<br />
Jede Probe muß zweifach gemessen werden. Verbrauch an<br />
Standards<br />
Mathematische Modellierung auf der Basis von<br />
Monte-Carlo-Verfahren (ISOCS, <strong>LabSOCS</strong>)<br />
3 <strong>LabSOCS</strong> Effizienz- Berechnung / März 2007 / Mainz
<strong>LabSOCS</strong><br />
Um mathematische Effizienzkalibrierungen durchführen<br />
zu können, müssen 3 Voraussetzungen erfüllt<br />
sein:<br />
Kenntnis des räumlichen Verhaltens der Effizienzfunktion<br />
Kenntnis von Form und Material der Probe<br />
Mathematischer Algorithmus zur Berechnung der<br />
Effizienzfunktion<br />
4 <strong>LabSOCS</strong> Effizienz- Berechnung / März 2007 / Mainz
<strong>LabSOCS</strong><br />
Kenntnis des räumlichen Verhaltens der<br />
Effizienzfunktion<br />
1<br />
2<br />
3<br />
2 3 4<br />
4 energy<br />
5 <strong>LabSOCS</strong> Effizienz- Berechnung / März 2007 / Mainz
<strong>LabSOCS</strong><br />
Parameter der Berechnung sind die physikalischen<br />
Detektordaten (insges. 23 Parameter) wie<br />
Kristallgröße<br />
Totschicht<br />
Kristallaufhängung<br />
Material der Endkappe<br />
Kontaktierung<br />
6 <strong>LabSOCS</strong> Effizienz- Berechnung / März 2007 / Mainz
<strong>LabSOCS</strong><br />
Mathematische Kalibrierung von Detektoren<br />
Grundlage ist die ‘Charakterisierung des Detektors’<br />
Diese wird von Canberra für Germanium- und NaI- Detektoren<br />
durchgeführt:<br />
Bei Ge- Detektoren individuell auf den Detektor bezogen,<br />
Bei NaI allgemein für 2*2- bzw. 3*3- Zoll- Kristalle<br />
Er ist zeitlich recht aufwändig (2 – 4 Wochen), wird aber in der<br />
Regel ein Mal vor Auslieferung des Detektors durchgeführt.<br />
7 <strong>LabSOCS</strong> Effizienz- Berechnung / März 2007 / Mainz
<strong>LabSOCS</strong><br />
Charakterisierung des Detektors<br />
Berechnung der Effizienz von Punktquellen im Raum um den<br />
Detektor<br />
Messung von ‘echten’ Punktquellen und Flächenpräparaten<br />
Anpassung der Parameter der Simulation bis zu einer<br />
optimalen Übereinstimmung zwischen Simulation und<br />
Messungen<br />
8 <strong>LabSOCS</strong> Effizienz- Berechnung / März 2007 / Mainz
<strong>LabSOCS</strong><br />
Charakterisierung des Detektors<br />
Verwendung von 200 – 300 Datenpunkten im Raum<br />
8 – 10 Energien pro Datenpunkt<br />
Berechnung für<br />
0 bis 700 m Abstand<br />
45 bis 7000 keV Gamma- Energie<br />
alle Raumwinkel<br />
9 <strong>LabSOCS</strong> Effizienz- Berechnung / März 2007 / Mainz
ISOCS<br />
Charakterisierung des Detektors<br />
Verwendete Testquellen und Positionen<br />
Punktquelle auf der Detektorachse, Abstand 30 cm<br />
Punktquelle bei 90 0 , Abstand 30 cm seitlich<br />
Punktquelle bei 135 0 , Abstand ca. 22 cm von der<br />
Kristallachse<br />
Filter auf 3mm Plexiglas, Abstand 10.17 cm<br />
Filter auf 3mm Plexiglas, auf Endkappe<br />
10 <strong>LabSOCS</strong> Effizienz- Berechnung / März 2007 / Mainz
ISOCS<br />
Charakterisierung des Detektors<br />
11 <strong>LabSOCS</strong> Effizienz- Berechnung / März 2007 / Mainz
<strong>LabSOCS</strong><br />
Charakterisierung des Detektors<br />
Das Ergebnis der ‘Charakterisierung des Detektors’ ist<br />
ein binärer Datensatz, der die Parameter einer<br />
geschlossenen Funktion zur Beschreibung der<br />
Detektoreffizienz als Funktion von Energie, Abstand<br />
und Raumwinkel enthält.<br />
12 <strong>LabSOCS</strong> Effizienz- Berechnung / März 2007 / Mainz
<strong>LabSOCS</strong><br />
Charakterisierung des Detektors<br />
Kurven gleicher Effizienz im Raum um einen Detektor:<br />
13 <strong>LabSOCS</strong> Effizienz- Berechnung / März 2007 / Mainz
<strong>LabSOCS</strong><br />
Charakterisierung des Detektors<br />
Kurven gleicher Effizienz im Raum um einen Detektor:<br />
14 <strong>LabSOCS</strong> Effizienz- Berechnung / März 2007 / Mainz
<strong>LabSOCS</strong><br />
Mathematische Kalibrierung von Germanium-<br />
Detektoren:<br />
Effizienz für ein Objekt<br />
Berechnung der Detektor-<br />
Proben-<br />
Behälter<br />
source volume<br />
Punktquellen<br />
Abschirmungen 1 & 2<br />
Schwächung auf dem<br />
Strahlenweg<br />
Schwächung durch<br />
Kollimator<br />
Kollimator<br />
Detektor<br />
15 <strong>LabSOCS</strong> Effizienz- Berechnung / März 2007 / Mainz
Mathematische Kalibrierung von Germanium-<br />
Detektoren:<br />
Berechnung der Detektor- Effizienz für ein Objekt<br />
Das Objekt wird in 1024 Zellen zerlegt<br />
In jede Zelle wir eine Punktquelle platziert<br />
<strong>LabSOCS</strong><br />
Für die niedrigste geforderte Energie wird die Effizienz für jede<br />
einzelne Punktquelle errechnet unter Berücksichtigung von<br />
Selbstabsorption im Objekt<br />
Schwächung der Strahlung durch Probenbehälter<br />
Schwächung der Strahlung auf dem Weg zwischen Objekt und<br />
Detektor<br />
Schwächung der Strahlung durch Absorber<br />
Schwächung der Strahlung durch Kollimator<br />
16 <strong>LabSOCS</strong> Effizienz- Berechnung / März 2007 / Mainz
<strong>LabSOCS</strong><br />
Mathematische Kalibrierung von Germanium-<br />
Detektoren:<br />
Berechnung der Detektor- Effizienz für ein Objekt<br />
Die Effizienzen aller Punktquellen werden gemittelt<br />
Jede einzelne Zelle wird in 2 Teilzellen zerlegt<br />
Erneute Berechnung auf der Basis von 2048 Zellen<br />
Bei Übereinstimmung des Ergebnisses innerhalb eines<br />
vorgegebenen Konvergenz-Kriteriums: Fortfahren mit nächster<br />
Energie – ansonsten Fortsetzung der Zell- Halbierung<br />
17 <strong>LabSOCS</strong> Effizienz- Berechnung / März 2007 / Mainz
Kenntnis von Form und Material der Probe<br />
Der Geometrie- Editor<br />
Definition und Beschreibung der Probengeometrie<br />
Berechnung der Effizienz- Kurve<br />
<strong>LabSOCS</strong><br />
18 <strong>LabSOCS</strong> Effizienz- Berechnung / März 2007 / Mainz
Der Geometrie- Editor<br />
<strong>LabSOCS</strong><br />
19 <strong>LabSOCS</strong> Effizienz- Berechnung / März 2007 / Mainz
<strong>LabSOCS</strong><br />
Die <strong>LabSOCS</strong>- Masken<br />
20 <strong>LabSOCS</strong> Effizienz- Berechnung / März 2007 / Mainz
<strong>LabSOCS</strong><br />
Darstellung<br />
einer eingegebenen<br />
Probe<br />
21 <strong>LabSOCS</strong> Effizienz- Berechnung / März 2007 / Mainz
<strong>LabSOCS</strong><br />
Beispiel für eine<br />
Spezialgeometrie<br />
22 <strong>LabSOCS</strong> Effizienz- Berechnung / März 2007 / Mainz
<strong>LabSOCS</strong><br />
Definition von<br />
Probenmaterialien:<br />
Der Material-<br />
Editor<br />
23 <strong>LabSOCS</strong> Effizienz- Berechnung / März 2007 / Mainz
<strong>LabSOCS</strong><br />
Der Geometrie- Editor<br />
Nach Eingabe der Probendaten lässt sich ein Bericht erstellen<br />
24 <strong>LabSOCS</strong> Effizienz- Berechnung / März 2007 / Mainz
<strong>LabSOCS</strong><br />
Berechnung der<br />
Probeneffizienz:<br />
25 <strong>LabSOCS</strong> Effizienz- Berechnung / März 2007 / Mainz
Verwenden der errechneten Effizienzen im Gamma-<br />
Spektroskopie- Fenster<br />
Errechnen der Effizienz<br />
<strong>LabSOCS</strong><br />
26 <strong>LabSOCS</strong> Effizienz- Berechnung / März 2007 / Mainz
<strong>LabSOCS</strong><br />
Empfohlene Schritte zur Verifikation der <strong>LabSOCS</strong>-<br />
Effizienz<br />
QA- Messung mit QA- Quelle zur Verifikation<br />
der Energie- Kalibrierung<br />
des korrekten Arbeitens der Messkette<br />
der konstanten Effizienz<br />
27 <strong>LabSOCS</strong> Effizienz- Berechnung / März 2007 / Mainz
Wichtige Informationen zu<br />
ISOCS und <strong>LabSOCS</strong><br />
Die Langzeitstabilität der Effizienzfunktion hängt von der<br />
Detektorart, beziehungsweise der Dotierung ab. Für Detektoren<br />
der Temperatur von flüssigem Stickstoff sind Veränderungen der<br />
dotierten Schicht durch Diffusion gering.<br />
Bei Lagerung unter Raumtemperatur dagegen kann Li leicht<br />
diffundieren. => Eine regelmäßige Überprüfung ist erforderlich!<br />
Maquette 28
Qualitätssicherung <strong>LabSOCS</strong><br />
-> Temperaturabhängige Diffusion<br />
Totschichtwachstum bei Raumtemperatur<br />
155<br />
Eu und 22 Na<br />
Maquette 29
Wichtige Informationen zu ISOCS und <strong>LabSOCS</strong><br />
• Der Detektor für ISOCS/<strong>LabSOCS</strong> sollte<br />
unter Berücksichtigung der Messaufgaben<br />
und der Kühlung ausgewählt werden.<br />
• Wenn möglich, sollte ein ISOCS-Detektor<br />
kalt gehalten werden.<br />
• Die Qualitätssicherung ist noch wichtiger als<br />
bei Standardmessaufgaben.<br />
• Eine Nachcharakterisierung auf der Basis<br />
von Messungen, bei denen das Totschichtswachstum<br />
berücksichtigt wird, kann erfolgen.<br />
•Bei besonders hohen Anforderungen kann<br />
eine Neucharakterisierung erforderlich<br />
werden.<br />
155<br />
Eu und 22 Na<br />
Maquette 30
Einfluss der realen Geometrie: Sand mit Dichte 1,7g/cm 3<br />
Detektor<br />
Maquette 31
Einfluss der realen Geometrie: Sand mit Dichte 1,7g/cm 3<br />
Effizienz<br />
Probe mit 7 cm Durchmesser auf 7 cm Durchmesser<br />
Detektor B E 3825<br />
1,40E-01<br />
1,20E-01<br />
1,00E-01<br />
8,00E-02<br />
6,00E-02<br />
4,00E-02<br />
2,00E-02<br />
0,00E+00<br />
10 100 1000 10000<br />
Energie [keV]<br />
spezial<br />
standard<br />
Kautexflasche<br />
spezial standard<br />
Energie Effizienz Effizienz<br />
45 6,73E-02 9,03E-02<br />
50 7,44E-02 9,79E-02<br />
60 8,39E-02 1,08E-01<br />
70 8,88E-02 1,12E-01<br />
85 9,17E-02 1,14E-01<br />
100 9,24E-02 1,14E-01<br />
150 7,96E-02 9,66E-02<br />
200 6,48E-02 7,66E-02<br />
300 4,32E-02 5,05E-02<br />
400 3,19E-02 3,72E-02<br />
600 2,13E-02 2,47E-02<br />
800 1,67E-02 1,91E-02<br />
1000 1,37E-02 1,55E-02<br />
1500 9,71E-03 1,09E-02<br />
2500 5,91E-03 6,63E-03<br />
4000 3,39E-03 3,80E-03<br />
Maquette 32
Einfluss der Matrix auf den Energiebereich 45 - 300 keV<br />
Sand mit 50 % Reinelementanteil, Dichte 1,7g/cm 3<br />
9,00E-02<br />
8,00E-02<br />
Probe mit 7 cm Durchmesser und 5 cm Dicke<br />
auf 7cm Durchmesser Detektor BE3825<br />
Effizienz<br />
7,00E-02<br />
6,00E-02<br />
5,00E-02<br />
4,00E-02<br />
3,00E-02<br />
2,00E-02<br />
1,00E-02<br />
0,00E+00<br />
30 80 130 180 230 280<br />
Energie [keV]<br />
Sand<br />
Fe<br />
Cd<br />
Hg<br />
Pb<br />
U<br />
Maquette 33
<strong>LabSOCS</strong><br />
Empfohlene Schritte zur Auswertung von<br />
<strong>LabSOCS</strong>- Messungen<br />
Modellierung der Probe mit dem Geometrie- Editor<br />
Berechnung der Detektor- Effizienz<br />
Laden der Detektor- Effizienz in das Spektrum<br />
Auswertung der Messung (LACE!)<br />
Überprüfung der Messergebnisse<br />
Eventuell:<br />
- Neue Modellierung<br />
- Neues Laden der Effizienz<br />
- Erneute Auswertung<br />
34 <strong>LabSOCS</strong> Effizienz- Berechnung / März 2007 / Mainz
<strong>LabSOCS</strong><br />
Betrachtungen zur Effizienz- Unsicherheit<br />
BEDINGUNG<br />
LABORQUELLEN (i.A. kleine Quellen)<br />
Rel. Std.<br />
Abw. (%)<br />
50 - 100 keV 7<br />
100 - 400 keV 6<br />
400 - 7000 keV 4,5<br />
FELDQUELLEN (i.A: große Quellen)<br />
50 - 100 keV 10<br />
100 - 400 keV 8<br />
400 - 7000 keV 6,5<br />
35 <strong>LabSOCS</strong> Effizienz- Berechnung / März 2007 / Mainz
<strong>LabSOCS</strong><br />
Betrachtungen zur Effizienz- Unsicherheit<br />
BEDINGUNG<br />
GENAUIGKEIT<br />
Normale Bedingungen [mittlere bis große Quellen mit<br />
Energien >150 keV]<br />
5-10%<br />
Normale Bedingungen, Energien
Change language