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Physics and Engineering of Radiation Detection
By Syed Naeem Ahmed




Publisher: Academic Press
Number Of Pages: 820
Publication Date: 2007-04-13
ISBN-10 / ASIN: 0120455811
ISBN-13 / EAN: 9780120455812
Binding: Hardcover




This book presents an overview of the physics of radiation detection and its applications. It covers the origins and properties of different kinds of ionizing radiation, their detection and measurement, and the procedures used to protect people and the environment from their potentially harmful effects. It details the experimental techniques and instrumentation used in different detection systems in a very practical way without sacrificing the physics content. It provides useful formulae and explains methodologies to solve problems related to radiation measurements. With abundance of worked-out examples and end-of-chapter problems, this book enables the reader to understand the underlying physical principles and their applications. Detailed discussions on different detection media, such as gases, liquids, liquefied gases, semiconductors, and scintillators make this book an excellent source of information for students as well as professionals working in related fields. Chapters on statistics, data analysis techniques, software for data analysis, and data acquisition systems provide the reader with necessary skills to design and build practical systems and perform data analysis.

* Covers the modern techniques involved in detection and measurement of radiation and the underlying physical principles
* Illustrates theoretical and practical details with an abundance of practical, worked-out examples
* Provides practice problems at the end of each chapter



Summary: Review
Rating: 2

1) Book looked good at onset from ‘old’ standard by Glenn Knoll
2) There are a number of errors in this first edition. I would have thought that the author and publisher would have caught some of the errors. It needs work.
3) There is no solution or instructors manual accompanying the book. This does not make it easy to use in class.
4) I recommend that you consider it carefully before you use it for a generic radiation detection and measurment course.

It is new book,just wait for download

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新书，占位等待:31bb :31bb

Contents
Preface xxiii
1 Properties and Sources of Radiation 1
1.1 Types of Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Waves or Particles? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Radioactivity and Radioactive Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3.A Decay Energy or Q-Value . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.B TheDecay Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3.C Composite Radionuclides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3.D Radioactive Chain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.3.E Decay Equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
E.1 Secular Equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
E.2 Transient Equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
E.3 No Equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.3.F Branching Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.3.G Units of Radioactivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.4 Activation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.5 Sources of Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.5.A Natural Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
A.1 Cosmic Radiation Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
A.2 Terrestrial Radiation Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
A.3 Internal Radiation Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.5.B Man-Made Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.6 General Properties and Sources of Particles and Waves . . . . . . . . 30
1.6.A Photons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
A.1 Sources of Photons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.6.B Electrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
B.1 Sources of Electrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
1.6.C Positrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
C.1 Sources of Positrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
1.6.D Protons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
D.1 Sources of Protons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
1.6.E Neutrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
E.1 Sources of Neutrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
1.6.F Alpha Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
F.1 Sources of α-Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
1.6.G Fission Fragments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
vii
1.6.H Muons, Neutrinos and other Particles . . . . . . . . . . . . . 56
H.1 Muons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
H.2 Neutrinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
H.3 Some Other Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2 Interaction of Radiation with Matter 65
2.1 Some Basic Concepts and Terminologies . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.1.A Inverse Square Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.1.B Cross Section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.1.C Mean Free Path . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.1.D Radiation Length . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.1.E Conservation Laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
E.1 Conservation of Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
E.2 Conservation ofMomentum . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
E.3 Conservation of Electrical Charge . . . . . . . . . . . . . . . 76
2.2 Types of Particle Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
2.2.A Elastic Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
2.2.B Inelastic Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
2.2.C Annihilation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
2.2.D Bremsstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
2.2.E Cherenkov Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
2.3 Interaction of Photons withMatter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
2.3.A Interaction Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
A.1 Photoelectric Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
A.2 Compton Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
A.3 Thompson Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
A.4 Rayleigh Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
A.5 Pair Production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
2.3.B Passage of Photons throughMatter . . . . . . . . . . . . . . 97
B.1 Measuring Attenuation Coefficient . . . . . . . . . . . . . . 101
B.2 Mixtures and Compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
B.3 Stacked Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
2.4 Interaction of Heavy Charged Particles with Matter . . . . . . . . . 105
2.4.A Rutherford Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
2.4.B Passage of Charged Particles through Matter . . . . . . . . . 110
2.4.C Bragg Curve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
2.4.D Energy Straggling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
2.4.E Range and Range Straggling . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
E.1 Range of α-Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
E.2 Range of Protons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
2.5 Interaction of Electrons withMatter . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
2.5.A Interaction Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
A.1 Ionization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
A.2 Moeller Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
A.3 Bhabha Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
A.4 Electron-Positron Annihilation . . . . . . . . . . . . . . . . 124
A.5 Bremsstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
A.6 Cherenkov Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
viii
2.5.B Passage of Electrons throughMatter . . . . . . . . . . . . . . 127
2.5.C Energy Straggling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
2.5.D Range of Electrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
2.6 Interaction of Neutral Particles withMatter . . . . . . . . . . . . . . 137
2.6.A Neutrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
A.1 Elastic Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
A.2 Inelastic Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
A.3 Transmutation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
A.4 Radiative Capture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
A.5 Spallation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
A.6 Fission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
A.7 Total Cross Section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
A.8 Passage of Neutrons throughMatter . . . . . . . . . . . . . 140
2.7 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
3 Gas Filled Detectors 149
3.1 Production of Electron-Ion Pairs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
3.2 Diffusion and Drift of Charges in Gases . . . . . . . . . . . . . . . . 152
3.2.A Diffusion in the Absence of Electric Field . . . . . . . . . . . 152
A.1 Diffusion in the Presence of Electric Field . . . . . . . . . . 153
3.2.B Drift of Charges in Electric Field . . . . . . . . . . . . . . . . 153
B.1 Drift of Ions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
B.2 Drift of Electrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
3.2.C Effects of Impurities on Charge Transport . . . . . . . . . . . 157
3.3 Regions of Operation of Gas Filled Detectors . . . . . . . . . . . . . 161
3.3.A Recombination Region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
3.3.B Ion Chamber Region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
3.3.C Proportional Region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
C.1 AvalancheMultiplication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
3.3.D Region of Limited Proportionality . . . . . . . . . . . . . . . 166
3.3.E Geiger-Mueller Region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
E.1 Breakdown . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
3.3.F Continuous Discharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
3.4 Ionization Chambers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
3.4.A Current Voltage Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
3.4.B Mechanical Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
B.1 Parallel Plate Geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
B.2 Cylindrical Geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
3.4.C Choice of Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
3.4.D Special Types of Ion Chambers . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
D.1 Parallel Plate Frisch Grid Chamber . . . . . . . . . . . . . 178
D.2 Boron-lined Ion Chamber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
D.3 Compensated Ion Chamber . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
3.4.E Applications of Ion Chambers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
3.4.F Advantages and Disadvantages of Ion Chambers . . . . . . . 181
3.5 Proportional Counters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
3.5.A Multiplication Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
3.5.B Choice of Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
ix
B.1 Threshold for Avalanche Multiplication . . . . . . . . . . . 188
B.2 Quenching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
B.3 Gas Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
3.5.C Special Types of Proportional Counters . . . . . . . . . . . . 190
C.1 BF3 Proportional Counter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
C.2 Helium Proportional Counters . . . . . . . . . . . . . . . . 191
C.3 Multi-Wire Proportional Counters . . . . . . . . . . . . . . 191
3.6 Geiger-Mueller Counters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
3.6.A Current-Voltage Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
3.6.B Dead Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
3.6.C Choice of Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
3.6.D Quenching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
D.1 Internal Quenching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
D.2 External Quenching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
3.6.E Advantages and Disadvantages of GM Counters . . . . . . . . 198
3.7 Sources of Error in Gaseous Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
3.7.A Recombination Losses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
3.7.B Effects of Contaminants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
B.1 Radiative Capture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
B.2 Dissociative Capture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
B.3 Capture without Dissociation . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
3.7.C Effects of Space Charge Buildup . . . . . . . . . . . . . . . . 202
3.8 Detector Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
3.8.A Signal-to-Noise Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
4 Liquid Filled Detectors 221
4.1 Properties of Liquids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
4.1.A Charge Pair Generation and Recombination . . . . . . . . . . 221
4.1.B Drift of Charges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
B.1 Drift of Electrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
B.2 Drift of Ions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
4.2 Liquid Ionization Chamber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
4.2.A Applications of Liquid Filled Ion Chambers . . . . . . . . . . 230
4.3 Liquid Proportional Counters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
4.3.A ChargeMultiplication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
4.4 Commonly Used Liquid Detection Media . . . . . . . . . . . . . . . . 233
4.5 Sources of Error in Liquid Filled Ionizing Detectors . . . . . . . . . . 234
4.5.A Recombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
4.5.B Parasitic Electron Capture and Trapping . . . . . . . . . . . 236
4.6 Cherenkov Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
4.7 Bubble Chamber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
4.8 Liquid Scintillator Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
5 Solid State Detectors 249
5.1 Semiconductor Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
5.1.A Structure of Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
5.1.B Charge Carriers Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
5.1.C Intrinsic, Compensated, and Extrinsic Semiconductors . . . . 251
5.1.D Doping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
x
D.1 Doping with Acceptor Impurity . . . . . . . . . . . . . . . . 254
D.2 Doping with Donor Impurity . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
5.1.E Mechanism and Statistics of Electron-Hole Pair Production . 255
E.1 Intrinsic Energy Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
E.2 Recombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
5.1.F Charge Conductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
F.1 Drift of Electrons and Holes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
5.1.G Materials Suitable for Radiation Detection . . . . . . . . . . 266
G.1 Silicon (Si) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
G.2 Germanium (Ge) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
G.3 Gallium Arsenide (GaAs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
G.4 Cadmium-Zinc-Tellurium (CdZnTe) . . . . . . . . . . . . . 283
5.1.H The pn-Junction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
H.1 Characteristics of a Reverse-Biased pn-Diode . . . . . . . . 286
H.2 Signal Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
H.3 Frequency Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
5.1.I Modes of Operation of a pn-Diode . . . . . . . . . . . . . . . 294
I.1 Photovoltaic Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
I.2 Photoconductive Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
5.1.J Desirable Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
J.1 High Radiation Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
J.2 Low Radiation Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
5.1.K Specific Semiconductor Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . 298
K.1 PIN Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
K.2 Schottky Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
K.3 Heterojunction Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
K.4 Avalanche Photodiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
K.5 Surface Barrier Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
K.6 Position Sensitive Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
5.1.L Radiation Damage in Semiconductors . . . . . . . . . . . . . 302
L.1 Damage Mechanism and NIEL Scaling . . . . . . . . . . . . 302
L.2 Leakage Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
L.3 Type Inversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
L.4 Depletion Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
L.5 Charge Trapping and Carrier Lifetime . . . . . . . . . . . . 305
L.6 Annealing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
5.2 Diamond Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
5.2.A Charge Pair Production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
5.2.B Recombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
5.2.C Drift of Charge Pairs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
5.2.D Leakage Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
5.2.E Detector Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
5.2.F Radiation Hardness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
5.2.G Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
5.3 Thermoluminescent Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
5.3.A Principle of Thermoluminescence . . . . . . . . . . . . . . . . 313
6 Scintillation Detectors and Photodetectors 319
xi
6.1 Scintillation Mechanism and Scintillator Properties . . . . . . . . . . 320
6.1.A Basic Scintillation Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
6.1.B Light Yield . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
6.1.C Rise and Decay Times . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
6.1.D Quenching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
D.1 Self Quenching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
D.2 Impurity Quenching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
D.3 Thermal Quenching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
D.4 Energy Quenching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
6.1.E Density and AtomicWeight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
6.1.F Mechanical Properties and Stability . . . . . . . . . . . . . . 328
6.1.G Optical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
6.1.H Phosphorescence or Afterglow . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
6.1.I Temperature Dependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
6.1.J Radiation Damage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
6.1.K Scintillation Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
6.2 Organic Scintillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
6.2.A Scintillation Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
6.2.B Plastic Scintillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
6.2.C Liquid Scintillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
6.2.D Crystalline Scintillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
D.1 Anthracene (C14H10) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
D.2 P-Terphenyl (C18C14) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
D.3 Stilbene (C14H12) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
6.3 Inorganic Scintillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
6.3.A Scintillation Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
A.1 Exciton Luminescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
A.2 Dopant Luminescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
A.3 Core Valence Band Luminescence . . . . . . . . . . . . . . . 352
6.3.B Radiation Damage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
6.3.C Some Common Inorganic Scintillators . . . . . . . . . . . . . 353
C.1 Thallium Doped Sodium Iodide (NaI:Tl) . . . . . . . . . . 354
C.2 Sodium Doped Cesium Iodide (CsI:Na) . . . . . . . . . . . 357
C.3 Thallium Doped Cesium Iodide (CsI:Tl) . . . . . . . . . . 357
C.4 Bismuth Germanate (BGO) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
C.5 Cadmium Tungstate (CWO) . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
C.6 Lead Tungstate (PWO) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
C.7 Cerium Doped Gadolinium Silicate (GSO) . . . . . . . . . 358
C.8 Cerium Doped Lutetium Aluminum Garnet (LuAG:Ce) . . 358
C.9 Cerium Doped Yttrium Aluminum Perovskite (YAP:Ce) . 359
C.10 Liquid Xenon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
6.4 Transfer of Scintillation Photons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
6.4.A Types of Light Guides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
A.1 Simple Reflection Type . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
A.2 Total Internal Reflection Type . . . . . . . . . . . . . . . . 362
A.3 Hybrid Light Guides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
6.5 Photodetectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
6.5.A Photomultiplier Tubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
xii
A.1 Photocathode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
A.2 Electron Focusing Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
A.3 ElectronMultiplication Structure . . . . . . . . . . . . . . . 373
A.4 Voltage Divider Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
A.5 Electron Collection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
A.6 Signal Readout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
A.7 Enclosure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
A.8 Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
A.9 Sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384
A.10 Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
A.11 Spatial Uniformity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
A.12 Time Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389
A.13 Frequency Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391
A.14 Energy Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
A.15 Modes of Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
A.16 Noise Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
A.17 Noise in AnalogMode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
A.18 Noise in Digital Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400
A.19 Effect ofMagnetic Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
6.5.B Photodiode Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
6.5.C Avalanche Photodiode Detectors (APD) . . . . . . . . . . . . 405
C.1 Basic Desirable Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . 406
C.2 Multiplication Process and Gain Fluctuations . . . . . . . . 407
C.3 QuantumEfficiency and Responsivity . . . . . . . . . . . . 411
C.4 Modes of Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412
C.5 Noise Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413
C.6 Radiation Damage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415
7 Position Sensitive Detection and Imaging 423
7.1 Some Important Terminologies and Quantities . . . . . . . . . . . . 423
7.1.A Spatial Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
A.1 Crosstalk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424
A.2 Aliasing and Antialiasing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424
A.3 Point Spread Function (PSF) . . . . . . . . . . . . . . . . 431
A.4 Line Spread Function (LSF) . . . . . . . . . . . . . . . . . 432
A.5 Edge Spread Function (ESF) . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
A.6 Modulation Transfer Function (MTF) . . . . . . . . . . . . 434
7.1.B Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437
B.1 QuantumEfficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437
B.2 Spatial Detective Quantum Efficiency (DQE(f)) . . . . . . 438
7.1.C Sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439
7.1.D Dynamic Range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439
7.1.E Uniformity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439
7.1.F Temporal Linearity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440
7.1.G Noise and Signal-to-Noise Ratio (S/N) . . . . . . . . . . . . . 440
7.2 Position Sensitive Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441
7.2.A Types of Position Sensitive Detectors . . . . . . . . . . . . . . 441
A.1 Array Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441
xiii
A.2 Scanning Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441
A.3 Timing Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441
7.2.B Multiwire Proportional Chambers (MWPCs) . . . . . . . . . 441
7.2.C Multiwire Drift Chamber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
7.2.D Microstrip Gas Chambers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
7.2.E Semiconductor Microstrip Detectors (SMSDs) . . . . . . . . . 446
7.3 Imaging Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450
7.3.A Conventional Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450
A.1 X-ray Photographic Films . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450
A.2 Thermoluminescent Detector Arrays . . . . . . . . . . . . . 451
7.3.B Electronics Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451
7.3.C Charged Coupled Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452
7.3.D Direct Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452
D.1 Properties of a Direct Imaging CCD . . . . . . . . . . . . . 453
D.2 Disadvantages of Direct Imaging . . . . . . . . . . . . . . . 455
7.3.E Indirect Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456
7.3.F Microstrip andMultiwire Detectors . . . . . . . . . . . . . . 457
7.3.G Scintillating Fiber Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457
8 Signal Processing 463
8.1 Preamplification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464
8.1.A Voltage Sensitive Preamplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465
8.1.B Current Sensitive Preamplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . 467
8.1.C Charge Sensitive Preamplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468
C.1 Resistive FeedbackMechanism . . . . . . . . . . . . . . . . 471
C.2 Pulsed ResetMechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472
8.2 Signal Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474
8.2.A Type of Cable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476
A.1 Coaxial Cable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477
A.2 Twisted Pair Cable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479
A.3 Flat Ribbon Cable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479
8.3 Pulse Shaping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480
8.3.A Delay Line Pulse Shaping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480
8.3.B CR-RC Pulse Shaping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481
B.1 Pole-Zero Cancellation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485
B.2 Baseline ShiftMinimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488
8.3.C Semi-Gaussian Pulse Shaping . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488
8.3.D Semi-Triangular Pulse Shaping . . . . . . . . . . . . . . . . . 489
8.4 Filtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 490
8.4.A Low Pass Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491
8.4.B High Pass Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493
8.4.C Band Pass Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493
8.5 Amplification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493
8.6 Discrimination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494
8.6.A Pulse Counting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495
A.1 Single Channel Analyzer (SCA) . . . . . . . . . . . . . . . . 496
A.2 Multi Channel Analyzer (MCA) . . . . . . . . . . . . . . . 497
8.7 Analog to Digital Conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 498
xiv
8.7.A A/D-Conversion Related Parameters . . . . . . . . . . . . . . 498
A.1 Conversion Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 498
A.2 Dead Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 498
A.3 Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 498
A.4 Nonlinearity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 499
A.5 Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 499
8.7.B A/D ConversionMethods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 500
B.1 Digital Ramp ADC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 500
B.2 Successive Approximation ADC . . . . . . . . . . . . . . . . 501
B.3 Tracking ADC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501
B.4 Wilkinson ADC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502
B.5 Flash ADC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505
8.7.C Hybrid ADCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506
8.8 Digital Signal Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506
8.8.A Digital Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508
8.9 Electronics Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509
8.9.A Types of Electronics Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511
A.1 Johnson Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511
A.2 Shot Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513
A.3 1/f Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514
A.4 Quantization Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515
8.9.B Noise in Specific Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . 516
B.1 Noise in Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 516
B.2 Noise in ADCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 518
8.9.C Measuring SystemNoise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 519
8.9.D Noise Reduction Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 519
D.1 Detector Signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 520
D.2 Frequency Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 520
9 Essential Statistics for Data Analysis 525
9.1 Measures of Centrality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 526
9.2 Measure of Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 528
9.3 Probability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 528
9.3.A Frequentist Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 529
9.3.B Bayesian Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 529
9.3.C Probability Density Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . 529
C.1 Quantities Derivable froma P.D.F . . . . . . . . . . . . . . 530
C.2 Maximum LikelihoodMethod . . . . . . . . . . . . . . . . . 533
9.3.D Some Common Distribution Functions . . . . . . . . . . . . . 536
D.1 Binomial Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 536
D.2 Poisson Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 537
D.3 Normal or Gaussian Distribution . . . . . . . . . . . . . . . 539
D.4 Chi-Square (χ2) Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . 542
D.5 Student’s t Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543
D.6 Gamma Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544
9.4 Confidence Intervals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546
9.5 Measurement Uncertainty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 548
9.5.A Systematic Errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 548
xv
9.5.B RandomErrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 549
9.5.C Error Propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 549
C.1 Addition of Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 550
C.2 Multiplication of Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . 550
9.5.D Presentation of Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 551
9.6 Confidence Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 551
9.6.A Chi-Square (χ2) Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552
9.6.B Student’s t Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553
9.7 Regression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555
9.7.A Simple Linear Regression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555
9.7.B Nonlinear Regression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 556
9.8 Correlation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 558
9.8.A Pearson r or Simple Linear Correlation . . . . . . . . . . . . 559
9.9 Time Series Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 561
9.9.A Smoothing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562
9.10 Frequency Domain Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563
9.11 Counting Statistics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565
9.11.A Measurement Precision and Detection Limits . . . . . . . . . 565
10 Software for Data Analysis 575
10.1 Standard Analysis Packages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 575
10.1.A ROOT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 575
A.1 Availability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 576
A.2 Data Handling, Organization, and Storage . . . . . . . . . . 577
A.3 Data Analysis Capabilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . 579
A.4 Graphics Capabilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 579
A.5 Using ROOT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 580
A.6 Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582
10.1.B Origin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 586
B.1 Data Import Capabilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 587
B.2 Graphics Capabilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 588
B.3 Data Analysis Capabilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . 588
B.4 Programming Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . 589
B.5 Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 589
10.1.C MATLAB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 591
C.1 Toolboxes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 592
C.2 Data Acquisition and Import Capabilities . . . . . . . . . . 594
C.3 Data Analysis Capabilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594
C.4 Visualization Capabilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594
C.5 Programming Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . 595
C.6 Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 595
10.2 Custom-Made Data Analysis Packages . . . . . . . . . . . . . . . . . 597
10.2.A Data Import/Export Routines . . . . . . . . . . . . . . . . . 598
10.2.B Data Analysis Routines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 599
10.2.C Code Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 600
10.2.D Result Display . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 600
11 Dosimetry and Radiation Protection 603
11.1 Importance of Dosimetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603
xvi
11.1.A Dose and Dose Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 604
11.2 Quantities Related to Dosimetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 604
11.2.A Radiation Exposure and Dose . . . . . . . . . . . . . . . . . . 604
A.1 Roentgen (R) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 605
A.2 Absorbed Dose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 605
A.3 Equivalent Dose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 605
A.4 Effective Dose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 607
11.2.B Flux or Fluence Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 609
11.2.C Integrated Flux or Fluence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 610
11.2.D Exposure and Absorbed Dose - Mathematical Definitions . . 611
11.2.E Kerma, Cema, and Terma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 615
E.1 Kerma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 615
E.2 Cema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 618
E.3 Terma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 618
11.2.F Measuring Kerma and Exposure . . . . . . . . . . . . . . . . 619
11.2.G Cavity Theories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 619
G.1 Bragg-Gray Cavity Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . 619
G.2 Spencer-Attix Cavity Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . 621
11.2.H LET and RBE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 622
11.2.I Beam Size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623
11.2.J Internal Dose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624
J.1 Internal Dose fromCharged Particles . . . . . . . . . . . . 625
J.2 Internal Dose fromThermal Neutrons . . . . . . . . . . . . 625
11.3 Passive Dosimetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 627
11.3.A Thermoluminescent Dosimetry . . . . . . . . . . . . . . . . . 627
A.1 Working Principle and Glow Curve . . . . . . . . . . . . . . 628
A.2 Common TLMaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 629
A.3 Advantages and Disadvantages of TL Dosimeters . . . . . . 630
11.3.B Optically Stimulated Luminescence Dosimetry . . . . . . . . 631
B.1 Working Principle and OSL Curve . . . . . . . . . . . . . . 632
B.2 Common OSLMaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 633
11.3.C FilmDosimetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 633
C.1 Advantages and Disadvantages of Film Dosimeters . . . . . 634
C.2 Common RadiochromaticMaterials . . . . . . . . . . . . . 634
11.3.D Track Etch Dosimetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 635
D.1 Advantages and Disadvantages of Track Etch Dosimeters . 636
11.4 Active Dosimetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 636
11.4.A Ion Chamber Dosimetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 636
A.1 Free in Air Ion Chamber Dosimetry . . . . . . . . . . . . . 637
A.2 Cavity Ion Chamber Dosimetry . . . . . . . . . . . . . . . . 639
11.4.B Solid State Dosimetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 642
B.1 MOSFET Dosimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 643
B.2 Diamond Dosimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 645
11.4.C Plastic Scintillator Dosimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . 646
11.4.D Quartz Fiber Electroscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 647
D.1 Advantages and Disadvantages of Quartz Fiber Electroscope 647
11.5 Microdosimetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 649
11.5.A Microdosimetric Quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 649
xvii
A.1 Linear Energy Transfer and Dose . . . . . . . . . . . . . . . 649
A.2 Specific Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 650
A.3 Lineal Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 650
11.5.B Experimental Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 651
B.1 Tissue Equivalent Proportional Counter (TEPC) . . . . . . 651
B.2 Solid State Nuclear Track Detector ((SSNTD) . . . . . . . 653
B.3 Silicon Microdosimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 655
11.6 Biological Effects of Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 656
11.6.A Acute and Chronic Radiation Exposure . . . . . . . . . . . . 657
A.1 Acute Exposure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 658
A.2 Chronic Exposure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 659
11.6.B Effects and Symptoms of Exposure . . . . . . . . . . . . . . . 660
B.1 Somatic Effects of Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . 660
B.2 Genetic Effects of Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 660
11.6.C Exposure Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 660
11.7 Radiation Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 662
11.7.A Exposure Reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 662
A.1 Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 662
A.2 Distance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 662
A.3 Shielding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 664
12 Radiation Spectroscopy 673
12.1 Spectroscopy of Photons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 673
12.1.A γ-Ray Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 673
12.1.B Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 677
12.1.C X-ray Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 678
C.1 X-ray Absorption Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . 678
C.2 X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) . . . . . . . . . . 686
C.3 X-ray Diffraction Spectroscopy (XDS) . . . . . . . . . . . . 689
12.2 Spectroscopy of Charged Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 692
12.2.A α-Particle Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 692
A.1 Energy of an Unknown α-Source . . . . . . . . . . . . . . . 697
A.2 Range and Stopping Power of α-particles in a Gas . . . . . 697
A.3 Activity of an α Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 697
12.2.B Electron Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 698
12.3 Neutron Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 699
12.3.A Neutrons asMatter Probes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 699
12.3.B Neutron Spectrometry Techniques . . . . . . . . . . . . . . . 701
B.1 Triple-Axis Spectrometry (TAS) . . . . . . . . . . . . . . . 704
B.2 High Flux Backscattering Spectrometer (HFBS) . . . . . . 706
B.3 Filter Analyzer Spectrometer (FAS) . . . . . . . . . . . . . 706
B.4 Disk Chopper Spectrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . 707
B.5 Fermi Chopper Spectrometer (FCS) . . . . . . . . . . . . . 708
B.6 Spin Echo Spectrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 709
12.4 Mass Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 710
12.5 Time Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 711
13 Data Acquisition Systems 717
13.1 Data Acquisition Chain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 717
xviii
13.1.A Pulse Counting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 717
A.1 Slow Pulse Counting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 718
A.2 Fast Pulse Counting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 718
13.1.B Energy Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 719
13.1.C Time Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 719
13.1.D Coincidence Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 720
13.2 Modular Instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 721
13.2.A NIMStandard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 721
A.1 NIMLayout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 722
A.2 NIMModules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 723
A.3 NIMLogic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 724
A.4 Signal Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 725
13.2.B CAMAC Standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 725
B.1 CAMAC Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 725
B.2 CAMAC Controllers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 725
B.3 CAMAC Logic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 726
13.2.C VME Standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 726
C.1 VME Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 727
C.2 VME Backplane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 728
C.3 VMEModules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 728
C.4 VME Logic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 728
13.2.D FASTBUS Standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 729
D.1 FASTBUS Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 729
D.2 FASTBUS Backplane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 729
13.3 PC Based Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 729
13.3.A PCI Boards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 729
13.3.B PC Serial PortModules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 730
13.3.C PC Parallel PortModules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 732
13.3.D USB BasedModules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 732
13.3.E TCP/IP Based Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 732
Appendices 737
A Essential Electronic Measuring Devices 739
A.1 Multimeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 739
A.1.A Measuring Voltage and Current . . . . . . . . . . . . . . . . . 739
A.1.B AnalogMultimeter (AMM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 740
A.1.C DigitalMultimeter (DMM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 740
A.1.D Measuring Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 740
A.1.E Measuring Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 741
A.2 Oscilloscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 741
A.2.A Analog Oscilloscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 741
A.1 Attenuator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 742
A.2 Electron Gun . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 742
A.3 Electron Beam Deflection Systems . . . . . . . . . . . . . . 742
A.4 Trigger System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 744
A.2.B Digital Oscilloscopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 744
A.2.C Signal Probes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 745
C.1 Passive Probes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 745
xix
C.2 Active Probes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 746
B Constants and Conversion Factors 749
B.1 Constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 749
B.2 Masses and Electrical Charges of Particles . . . . . . . . . . . . . . . 750
B.3 Conversion Prefixes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 751
C VME Connector Pin Assignments 753
Index 757

Physics and Engineering of Radiation Detection (Elsevier, 2007)Ahmed.part1

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Physics and Engineering of Radiation Detection (Elsevier, 2007)Ahmed.part2

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