Ein Proportionalzähler , auch als Proportionaldetektor bezeichnet , ist ein elektrisches Gerät, das verschiedene Arten von ionisierender Strahlung erfasst. Die Spannung des Detektors wird so eingestellt, dass die Bedingungen dem proportionalen Bereich entsprechen . In diesem Bereich ist die Spannung hoch genug, um die Primärelektronen mit ausreichender Beschleunigung und Energie zu versorgen, damit sie zusätzliche Atome des Mediums ionisieren können. Diese gebildeten Sekundärionen ( Gasverstärkung ) werden ebenfalls beschleunigt und verursachen einen als Townsend-Lawinen bekannten Effekt , der einen einzigen großen elektrischen Impuls erzeugt.
Vorteile von Proportionalzählern
- Verstärkung . Gasproportionalzähler arbeiten üblicherweise in hohen elektrischen Feldern in der Größenordnung von 10 kV / cm und erreichen typische Verstärkungsfaktoren von etwa 10 5 . Da der Verstärkungsfaktor stark von der angelegten Spannung abhängt, ist die gesammelte Ladung (Ausgangssignal) auch von der angelegten Spannung abhängig und Proportionalzähler benötigen eine konstante Spannung. Der hohe Verstärkungsfaktor des Proportionalzählers ist der Hauptvorteil gegenüber der Ionisationskammer.
- Empfindlichkeit . Der Prozess der Ladungsverstärkung verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis des Detektors erheblich und verringert die erforderliche nachfolgende elektronische Verstärkung. Da der Prozess der Ladungsverstärkung das Signal-Rausch-Verhältnis des Detektors stark verbessert, ist die anschließende elektronische Verstärkung normalerweise nicht erforderlich. Proportionalzähler sind sehr empfindlich gegen geringe Strahlung. Darüber hinaus ist bei der Messung der Stromabgabe ein Proportionaldetektor für die Dosisleistung nützlich,
da das Ausgangssignal proportional zur durch die Ionisation abgegebenen Energie und
damit proportional zur Dosisleistung ist. -
Dieses Diagramm zeigt die Anzahl der im gasgefüllten Detektor erzeugten Ionenpaare, die je nach angelegter Spannung für konstant einfallende Strahlung variiert. Die Spannungen können in Abhängigkeit von der Detektorgeometrie und der Gasart und dem Druck stark variieren. Diese Abbildung zeigt schematisch die verschiedenen Spannungsbereiche für Alpha-, Beta- und Gammastrahlen. Es gibt sechs praktische Hauptbetriebsbereiche, in denen drei (Ionisations-, Proportional- und Geiger-Müller-Bereich) nützlich sind, um ionisierende Strahlung zu erfassen. Alphateilchen sind ionisierender als Betateilchen und als Gammastrahlen, so dass durch Alpha mehr Strom in der Ionenkammerregion erzeugt wird als durch Beta und Gamma, aber die Teilchen können nicht unterschieden werden. Alphateilchen produzieren im proportionalen Zählbereich mehr Strom als Beta. Durch die Art der Proportionalzählung ist es jedoch möglich, Alpha-, Beta- und Gammapulse zu unterscheiden. In der Geigerregion gibt es keine Unterscheidung zwischen Alpha und Beta, da ein einzelnes Ionisationsereignis im Gas zur gleichen Stromabgabe führt. Spektroskopie . Durch geeignete funktionale Anordnungen, Modifikationen und Vorspannungen kann der Proportionalzähler verwendet werden, um Alpha-, Beta-, Gamma- oder Neutronenstrahlung in gemischten Strahlungsfeldern zu erfassen. Außerdem können Proportionalzähler Partikel identifizieren und Energie messen (Spektroskopie). Die Impulshöhe reflektiert die von der einfallenden Strahlung im Detektorgas abgelagerte Energie. Somit ist es möglich, die größeren Impulse, die von Alphateilchen erzeugt werden, von den kleineren Impulsen zu unterscheiden, die von Betateilchen oder Gammastrahlen erzeugt werden .
Nachteile von Proportionalzählern
- Konstante Spannung . Wenn Instrumente im Proportionalbereich betrieben werden, muss die Spannung konstant gehalten werden . Bleibt eine Spannung konstant, ändert sich auch der Gasverstärkungsfaktor nicht. Der Hauptnachteil bei der Verwendung von Proportionalzählern in tragbaren Instrumenten besteht darin, dass sie eine sehr stabile Stromversorgung und einen Verstärker benötigen, um konstante Betriebsbedingungen (in der Mitte des Proportionalbereichs) zu gewährleisten. Dies ist in einem tragbaren Instrument schwierig bereitzustellen, und aus diesem Grund werden Proportionalzähler eher in ortsfesten Instrumenten oder Laborinstrumenten verwendet.
- Abschrecken. Für jedes in der Kammer gesammelte Elektron verbleibt ein positiv geladenes Gasion. Diese Gasionen sind im Vergleich zu einem Elektron schwer und bewegen sich viel langsamer. Freie Elektronen sind viel leichter als die positiven Ionen und werden daher viel schneller zur positiven Mittelelektrode gezogen als die positiven Ionen zur Kammerwand. Die entstehende Wolke positiver Ionen in der Nähe der Elektrode führt zu Verzerrungen bei der Gasmultiplikation. Schließlich wandern die positiven Ionen vom positiv geladenen Mitteldraht zur negativ geladenen Wand und werden durch die Aufnahme eines Elektrons neutralisiert. Dabei wird etwas Energie abgegeben, die eine zusätzliche Ionisierung der Gasatome bewirkt. Die durch diese Ionisation erzeugten Elektronen bewegen sich in Richtung des zentralen Drahtes und vervielfachen sich unterwegs. Dieser Ladungsimpuls ist unabhängig von der zu detektierenden Strahlung und kann eine Reihe von Impulsen auslösen. In der Praxis wird die Beendigung der Lawine durch den Einsatz vonLöschtechniken .
Sonderreferenz: US-Ministerium für Energie, Instrumantation und Kontrolle. DOE Fundamentals Handbook, Band 2 vom 2. Juni 1992.
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