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Was ist der Vorteil und der Nachteil von Gasionisationsdetektoren – Definition

Vor- und Nachteile von Gasionisationsdetektoren hängen von der Detektorspannung ab. Gasionisationsdetektoren werden in Kernkraftwerken häufig zur Messung von Alpha- und Betateilchen, Neutronen und Gammastrahlen eingesetzt. Strahlendosimetrie
Detektor für ionisierende Strahlung - Geigerrohr
Detektor für ionisierende Strahlung – Geigerrohr

Gasionisationsdetektoren werden in Kernkraftwerken häufig zur Messung von Alpha- und Betateilchen , Neutronen und Gammastrahlen eingesetzt . Die Detektoren arbeiten im Ionisations-, Proportional- und Geiger-Müller-Bereich mit einer Anordnung, die für die Art der gemessenen Strahlung am empfindlichsten ist. Neutronendetektoren verwenden Ionisationskammern oder Proportionalzähler geeigneter Bauart. Beispiele für Neutronendetektoren sind kompensierte Ionenkammern, BF 3 -Zähler, Spaltzähler und Protonenrückstoßzähler.

Vor- und Nachteile in Abhängigkeit von der Detektorspannung

Die Beziehung zwischen der angelegten Spannung und der Impulshöhe in einem Detektor ist sehr komplex. Die Impulshöhe und die Anzahl der gesammelten Ionenpaare stehen in direktem Zusammenhang. Wie geschrieben wurde, können die Spannungen in Abhängigkeit von der Detektorgeometrie und dem Gastyp und -druck stark variieren. Die 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. Diese Anforderungen sind nachstehend aufgeführt. Die Alpha-Kurve ist aufgrund der größeren Anzahl von Ionenpaaren, die durch die anfängliche Reaktion der einfallenden Strahlung erzeugt werden, höher als die Beta-und Gamma-Kurve vom Rekombinationsbereich zum Teil des begrenzten Proportionalitätsbereichs.

Gasionisationsdetektoren - Regionen
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.
  • Rekombinationsregion. Bei niedriger Spannung ist das elektrische Feld nicht groß genug, um Elektronen und Ionen zu beschleunigen. Die Elektronen und Ionen können sich kurz nach ihrer Erzeugung wieder vereinigen, und nur ein kleiner Teil der erzeugten Elektronen und Ionen erreicht ihre jeweiligen Elektroden. Mit zunehmender Detektorspannung gelangt jedoch ein immer größerer Teil der erzeugten Ionen zu den Elektroden. Dieser Anstieg setzt sich fort, bis die Spannung „Sättigung“ erreicht ist. Der Bereich der Betriebsspannung, in dem dies auftritt, wird als Rekombinationsbereich bezeichnet . Detektoren werden in diesem Bereich nicht betrieben, da weder die Anzahl der Rekombinationen noch die Anzahl der ursprünglich erzeugten Ionenpaare genau bestimmt werden kann.
  • Ionisationsregion . Im Ionisationsbereich führt eine Erhöhung der Spannung nicht zu einer wesentlichen Erhöhung der Anzahl der gesammelten Ionenpaare. Die Anzahl der von den Elektroden gesammelten Ionenpaare ist gleich der Anzahl der von der einfallenden Strahlung erzeugten Ionenpaare und hängt von der Art und Energie der Teilchen oder Strahlen in der einfallenden Strahlung ab. Daher ist in diesem Bereich die Kurve flach. Die Spannung muss höher sein als der Punkt, an dem dissoziierte Ionenpaare rekombinieren können. Andererseits ist die Spannung nicht hoch genug, um eine Gasverstärkung (sekundäre Ionisation) zu erzeugen. Detektoren im Ionisationsbereich arbeiten mit einer geringen elektrischen Feldstärke, die so gewählt ist, dass keine Gasvermehrung stattfindet. Ihr Strom ist unabhängig von der angelegten Spannung und sie sindbevorzugt für hohe Strahlendosisleistungen, da sie keine „Totzeit“ aufweisen, ein Phänomen, das die Genauigkeit der Geiger-Müller-Röhre bei hohen Dosisleistungen beeinträchtigt.
  • Proportionalbereich . Im proportionalen Bereich steigt die gesammelte Ladung mit einem weiteren Anstieg der Detektorspannung, während die Anzahl der Primärionenpaare unverändert bleibt. Durch die Erhöhung der Spannung erhalten die Primärelektronen eine ausreichende Beschleunigung und Energie, so dass sie zusätzliche Atome des Mediums ionisieren können. Diese gebildeten Sekundärionen werden ebenfalls beschleunigt und verursachen einen als Townsend-Lawinen bekannten Effekt , der einen einzigen großen elektrischen Impuls erzeugt. Auch wenn es eine große Anzahl von Sekundärionen (etwa 10 3 – 10 5 ) für jedes Primärereignis wird die Kammer immer so betrieben wird, dass die Zahl der Sekundärionen ist proportionalauf die Anzahl der primären Ereignisse. Dies ist sehr wichtig, da die primäre Ionisierung von der Art und Energie der Partikel oder Strahlen im Feld der abgefangenen Strahlung abhängt. Die Anzahl der gesammelten Ionenpaare geteilt durch die Anzahl der durch die primäre Ionisierung erzeugten Ionenpaare liefert den Gasverstärkungsfaktor (mit A bezeichnet). Die in diesem Bereich auftretende Gasverstärkung kann die Gesamtmenge der Ionisation auf einen messbaren Wert erhöhen. Der Prozess der Ladungsverstärkung verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis des Detektors erheblich und verringert die erforderliche nachfolgende elektronische Verstärkung. Wenn Instrumente im Proportionalbereich betrieben werden, muss die Spannung konstant gehalten werden.Bleibt eine Spannung konstant, ändert sich auch der Gasverstärkungsfaktor nicht. Proportionalzähler sind sehr empfindlich gegen geringe Strahlung. Außerdem können Proportionalzähler Partikel identifizieren und Energie messen (Spektroskopie). Unterschiedliche Strahlungsenergien und Strahlungsarten können durch Analyse der Impulshöhe unterschieden werden, da sie sich in der Primärionisation signifikant unterscheiden.
  • Begrenzte proportionale Region . Im begrenzten Proportionalbereich steigt der Gasverstärkungsfaktor nicht proportional zur Spannung weiter an. Zusätzliche Ionisationen und nichtlineare Effekte bewirken, dass bei einer gegebenen angelegten Spannung keine Proportionalität des Ausgangssignals zur abgeschiedenen Energie besteht. Das elektrische Feld in der Kammer ist aufgrund der hohen positiven Ionenkonzentration verzerrt. 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. Dieser Bereich wird üblicherweise als Erfassungsbereich vermieden.
  • Geiger-Müller-Region . In der Geiger-Müller-Region ist die Spannung und damit das elektrische Feld so stark, dass Sekundärlawinen auftreten können. Diese Lawinen können durch Photonen ausgelöst und verbreitet werden, die von Atomen emittiert werden, die in der ursprünglichen Lawine angeregt wurden. Da diese Photonen nicht durch das elektrische Feld beeinflusst werden, können sie weit (z. B. seitlich zur Achse) von der Primärlawine wechselwirken, wobei die gesamte Geiger-Röhre am Prozess beteiligt ist. Ein starkes Signal (der Verstärkungsfaktor kann ca. 10 10 erreichen) wird durch diese Lawinen mit Form und Höhe unabhängig von der Primärionisation und der Energie des detektierten Photons erzeugt. Detektoren, die im Geiger-Müller-Gebiet betrieben werden, können sowohl Gammastrahlen als auch alle Arten geladener Teilchen detektieren, die in den Detektor eindringen können. Diese Detektoren werden als Geigerzähler bezeichnet . Der Hauptvorteil dieser Instrumente besteht darin, dass sie normalerweise keine Signalverstärker benötigen. Da sich die positiven Ionen nicht weit vom Lawinengebiet entfernen, stört eine positiv geladene Ionenwolke das elektrische Feld und beendet den Lawinenprozess. In der Praxis wird die Beendigung der Lawine durch den Einsatz von „ Quenching “ verbessertTechniken. Im Gegensatz zu Proportionalzählern kann die Energie oder auch einfallende Strahlung nicht von Geigerzählern unterschieden werden, da das Ausgangssignal unabhängig von Menge und Art der ursprünglichen Ionisation ist.
  • Entladungsregion . Schließlich erzeugt das elektrische Feld bei noch höheren Spannungen (oberhalb des Geiger-Müller-Gebiets) eine kontinuierliche Entladung des Mediums, wobei die Kammer gegenüber einer einfallenden Ionisation nicht mehr empfindlich ist. Dieser Bereich wird nicht zum Nachweis oder zur Messung ionisierender Strahlung verwendet. Wenn die Spannung der Geiger-Röhre über das Ende des Plateaus erhöht wird, beginnt die Zählrate wieder schnell zu steigen, bis eine kontinuierliche Entladung einsetzt, bei der die Röhre keine Strahlung erfassen kann und beschädigt werden kann.

 

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Dieser Artikel basiert auf der maschinellen Übersetzung des englischen Originalartikels. Weitere Informationen finden Sie im Artikel auf Englisch. Sie können uns helfen. Wenn Sie die Übersetzung korrigieren möchten, senden Sie diese bitte an: [email protected] oder füllen Sie das Online-Übersetzungsformular aus. Wir bedanken uns für Ihre Hilfe und werden die Übersetzung so schnell wie möglich aktualisieren. Danke.