aalto1 untyped-item.component.html
Development and testing of a three detector setup for PALS measurements
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu |
Bachelor's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
Department
Major/Subject
Mcode
SCI3028
Degree programme
Language
en
Pages
26
Series
Abstract
While Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy (PALS) is a very effective method for measuring the presence of vacancy-type defects in a material structure, its reliance on detecting photons to calculate the lifetime of a positron means that, in the case of a radioactive sample, the lifetime spectra get distorted by this additional radiation. A solution to this problem is to use three detectors instead of the traditional two: one for detecting the start gamma and two for the annihilation gammas [1]. This would eliminate the majority of the false counts that cause the distortion, because unlike annihilation which always produces two simultaneous and co-linear photons, radioactive decay is often isotropic.
In order to allow better handling while taking the necessary measures for dealing with radioactive materials, a new source was needed. This source was prepared by enclosing 22Na salt between two layers of Kapton foil, with a sturdy plastic ring and a special sample holder to make it easier to handle. It was of course necessary to demonstrate that this new prototype source could be used for lifetime measurements by running traditional two detector PALS measurements with it and comparing the results to those of usual sources. The activity of the source and the necessary source corrections for the eventual analysis were also determined as a part of this process. After the source had been validated, the next step was to optimize the detectors. The biggest challenge in this was optimizing the time resolution, for which the Constant Fraction Discriminator (CFD) threshold response spectrum would need to be obtained. However, the system being not equipped with a Multi-Channel Analyzer (MCA), an innovative and elegant solution was proposed to reconstruct the energy spectrum of a given radioactive source. With the CFD threshold response spectrum, an optimized time resolution function could finally be obtained using a 60Co source.
Finally, once the source had been prepared and validated and the detectors optimized, the entire setup was tested to demonstrate it could eliminate the distortion caused by radiation from the sample and determine the device performance. Ultimately, a significant improvement was achieved with the three detector setup compared to using just two detectors.
Positroni annihilaatio spektroskopia (engl. Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy, PALS) on mittaustekniikka millä tutkintaan kiinteän aineen hilarakennetta. PALS:ia käytetään erityisesti vakanssien (atomihilassa olevien aukkojen) havaitsemisessa. PALS:issa tutkittavaan näytteeseen lähetetään positroneja, jotka lyhyen ajan kuluttua annihiloituvat näytteessä olevien elektronien kanssa. Positronit luonnostaan hakeutuvat hilan vakansseihin, missä myös niiden todennäköisyys annihiloitua elektronin kanssa on pienempi, ja tällöin positronin keskimääräinen elinaika pitenee. Tavallista PALS-mittauslaitteistoa ei kuitenkaan voi käyttää radioaktiivisen materiaalin tutkimiseen. Positronin elinaika määritetään kahdella detektorilla, jotka havaitsevat positronin synnyin- ja annihilaatio hetkillä lähtevät γ-hiukkaset. Radioaktiivinen näyte tai ympäristö kuitenkin lähettää jatkuvasti γ-säteilyä mikä häiritsee erityisesti annihilaatio hiukkasten havaitsemista.
Annihilaatiossa emittoituu aina kaksi γ-hiukkasta päinvastaisiin suuntiin. Lisäämällä kolmannen detektorin jonka tehtävä on myös havaita annihilaatio hiukkasia, voidaan havaitsemalla kaksi samanaikaista vastakkaissuuntaista γ-hiukkasta erotella annihilaatiohiukkaset satunnaisesta taustasäteilystä. Tässä työssä rakennettiin tämä muunneltu kolmen detektorin PALS-mittauslaitteisto, mikä pystyisi tekemään PALS-mittauksia suuresta taustasäteilystä huolimatta.
Ensimmäiseksi piti valmistaa uusi positroni lähde laitteistoa varten. Radioaktiivista materiaalia tutkiessa on säteilyturvallisuus syistä käytettävä hansikaskaappia, mutta tavallinen PALS-mittauksessa käytettävä positroni lähde on liian pieni ja hauras näihin olosuhteisiin. Uusi lähde valmistettiin sulkemalla β +-aktiivista Na22-isotooppia kahden kapton kalvon väliin ja sulkemalla koko paketti 1 cm halkaisijaltaan muovikiekolla. Valmistuksen jälkeen positroni-lähteen toiminta testattiin vertaamalla sillä mitattuja tuloksia tavallisen lähteen antamiin tuloksiin. Lähteen todettiin antavan riittävän tarkkoja tuloksia.
Seuraavaksi itse kolmen detektorin mittauslaitteisto koottiin ja detektorit kalibroitiin toimimaan yhdessä. Kun laitteisto oli saatu valmiiksi, oli aika testata sen toimivuutta. Käytössä ei ollut radioaktiivisia näytteitä mitä mitata, mutta testissä simuloitiin radioaktiivista ympäristöä asettamalla useita säteilyn lähteitä mitattavan näytteen läheisyyteen. Kolmen detektorin PALS laitteisto antoi tarkkoja ja luotettavia tuloksia taustasäteilystä riippumatta, missä tavallisen laitteiston tulokset vääristyivät kun taustasäteily oli korkea. Kolmen detektorin laitteistolla oli kuitenkin huomattavasti hitaampi kuin tavallinen laitteisto, sillä se seuloi pois myös paljon oikeita annihilaatio γ-hiukkasia taustasäteilyn lisäksi.