Was ist die Detektion von Alpha, Beta, Gamma, Neutronenstrahlung mittels Ionisationskammer – Definition?

Die Ionisationskammer , auch Ionenkammer genannt , ist ein elektrisches Gerät, das verschiedene Arten von ionisierender Strahlung erfasst . Die Spannung des Detektors wird so eingestellt, dass die Bedingungen dem Ionisationsbereich entsprechen . Die Spannung ist nicht hoch genug, um eine Gasverstärkung (Sekundärionisation) zu erzeugen. Detektoren im Ionisationsbereich arbeiten mit einer geringen elektrischen Feldstärke, die so gewählt ist, dass keine Gasvermehrung stattfindet. Die gesammelte Ladung (Ausgangssignal) ist unabhängig von der angelegten Spannung und ist für einzelne minimalionisierende Partikel in der Regel recht klein und erfordert spezielle rauscharme Verstärker, um eine effiziente Betriebsleistung zu erzielen. Ionisationskammern sind bevorzugtfür hohe Strahlendosisleistungen, weil sie keine „Totzeit“ haben, ein Phänomen, das die Genauigkeit der Geiger-Müller-Röhre bei hohen Dosisleistungen beeinträchtigt. Dies liegt an der Tatsache, dass das Betriebsmedium keine inhärente Signalverstärkung aufweist und diese Arten von Zählern daher nicht viel Zeit benötigen, um sich von großen Strömen zu erholen. Da es keine Verstärkung gibt, bieten sie außerdem eine hervorragende Energieauflösung, die hauptsächlich durch elektronisches Rauschen begrenzt wird.

Ionisationskammern können im Strom- oder Impulsmodus betrieben werden . Proportionalzähler oder Geigerzähler werden dagegen fast immer im Pulsbetrieb eingesetzt. Detektoren für ionisierende Strahlung können sowohl zur Aktivitätsmessung als auch zur Dosismessung eingesetzt werden. Mit dem Wissen über die Energie, die zur Bildung eines Ionenpaares benötigt wird, kann die Dosis erhalten werden.

Detektion von Alpha-Strahlung mittels Ionisationskammer

Damit Alpha- und Betateilchen von Ionisationskammern erfasst werden können, müssen sie mit einem dünnen Fenster versehen sein . Dieses „Endfenster“ muss dünn genug sein, damit die Alpha- und Betateilchen eindringen können. Ein fast beliebig dickes Fenster verhindert jedoch, dass Alpha-Partikel in die Kammer gelangen. 2,0 mg / cm – Das Fenster wird in der Regel von Glimmer mit einer Dichte von etwa 1,5 hergestellt ² . Dies bedeutet jedoch nicht, dass Alpha-Strahlung nicht von einer Ionisationskammer erfasst werden kann.

In einigen Rauchmeldern können Sie beispielsweise künstliche Radionuklide wie Americium-241 antreffen, das eine Quelle für Alpha-Partikel ist. Der Rauchmelder hat zwei Ionisationskammern, von denen eine zur Luft hin offen ist, und eine Referenzkammer, in die keine Partikel eindringen können. Die radioaktive Quelle gibt Alpha-Partikel in beide Kammern ab, die einige Luftmoleküle ionisieren. Die Freiluftkammer ermöglicht das Eindringen von Rauchpartikeln in das empfindliche Volumen und die Änderung der Dämpfung von Alpha-Partikeln. Wenn Rauchpartikel in die Luftkammer eindringen, lagern sich einige der Ionen an die Partikel an und stehen nicht für den Strom in dieser Kammer zur Verfügung. Eine elektronische Schaltung erkennt, dass sich eine Stromdifferenz zwischen der offenen und der versiegelten Kammer entwickelt hat, und gibt Alarm.

Nachweis von Betastrahlung mittels Ionisationskammer

Damit Alpha- und Betateilchen von Ionisationskammern erfasst werden können, müssen sie mit einem dünnen Fenster versehen sein. Dieses „Endfenster“ muss dünn genug sein, damit die Alpha- und Betateilchen eindringen können. Ein fast beliebig dickes Fenster verhindert jedoch, dass Alpha-Partikel in die Kammer gelangen. 2,0 mg / cm – Das Fenster wird in der Regel von Glimmer mit einer Dichte von etwa 1,5 hergestellt ² .

Die Ionisationskammer kann beispielsweise zur Messung von Tritium in der Luft verwendet werden. Diese Geräte werden als Tritium-In-Air-Monitore bezeichnet. Tritium ist ein radioaktives Isotop, sendet jedoch eine sehr schwache Form von Strahlung aus, ein energiearmes Beta-Teilchen , das einem Elektron ähnlich ist. Es ist ein reiner Beta-Emitter (dh Beta-Emitter ohne begleitende Gammastrahlung ). Die kinetische Energie des Elektrons variiert mit durchschnittlich 5,7 keV, während die verbleibende Energie vom nahezu nicht nachweisbaren Elektronen- Antineutrino abgeleitet wird. Eine so geringe Elektronenenergie führt dazu, dass das Elektron nicht in die Haut eindringen kann oder gar nicht weit in der Luft wandert. Beta-Partikel aus Tritium können nur ca. 6,0 mm Luft durchdringen. Es ist praktisch unmöglich, einen Detektor zu entwerfen, in dessen Wände diese Betateilchen eindringen können. Stattdessen pumpt der Tritium-in-Air-Monitor die mit Tritium kontaminierte Luft direkt durch eine Ionisierungskammer, so dass die gesamte Energie der Beta-Partikel sinnvoll in die Erzeugung von Ionenpaaren innerhalb der Kammer umgewandelt werden kann.

Detektion von Gammastrahlung mittels Ionisationskammer

Gammastrahlen haben kaum Probleme, die Metallwände der Kammer zu durchdringen. Daher können Ionisationskammern verwendet werden, um Gammastrahlung und Röntgenstrahlen zu erfassen, die zusammen als Photonen bekannt sind, und für diese wird die fensterlose Röhre verwendet. Ionisationskammern sprechen über einen weiten Bereich von Energien gleichmäßig auf Strahlung an und sind das bevorzugte Mittel zur Messung hoher Gammastrahlungspegel. Einige Probleme werden durch die Tatsache verursacht, dass Alphateilchen mehr ionisieren als Betateilchen und als Gammastrahlen, so dass durch Alpha mehr Strom in der Ionisationskammerregion erzeugt wird als durch Beta und Gamma. Gammastrahlen geben deutlich weniger Energie an den Detektor ab als andere Partikel.

Der Wirkungsgrad der Kammer kann durch die Verwendung eines Hochdruckgases weiter erhöht werden. Typischerweise kann ein Druck von 8 bis 10 Atmosphären verwendet werden und verschiedene Edelgase werden eingesetzt. Beispielsweise sind Hochdruck-Xenon (HPXe) -Ionisationskammern ideal für den Einsatz in unkontrollierten Umgebungen, da sich herausgestellt hat, dass die Reaktion eines Detektors über große Temperaturbereiche (20–170 ° C) gleichmäßig ist. Der höhere Druck führt zu einer größeren Gasdichte und damit zu einer größeren Wahrscheinlichkeit einer Kollision mit dem Füllgas und der Erzeugung von Ionenpaaren durch einfallende Gammastrahlung. Aufgrund der erhöhten Wandstärke, die erforderlich ist, um diesem hohen Druck standzuhalten, kann nur Gammastrahlung nachgewiesen werden. Diese Detektoren werden in Vermessungsinstrumenten und zur Umweltüberwachung eingesetzt.

Detektion von Neutronen mittels Ionisationskammer

Da die Neutronen elektrisch neutrale Teilchen sind, sind sie hauptsächlich starken Kernkräften ausgesetzt , nicht jedoch elektrischen Kräften. Daher ionisieren Neutronen nicht direkt und müssen normalerweise in geladene Teilchen umgewandelt werden, bevor sie nachgewiesen werden können. Im Allgemeinen muss jeder Neutronendetektortyp mit einem Konverter (um Neutronenstrahlung in gemeinsame nachweisbare Strahlung umzuwandeln) und einem der herkömmlichen Strahlungsdetektoren (Szintillationsdetektor, Gasdetektor, Halbleiterdetektor usw.) ausgestattet sein.

Ionisationskammern werden häufig als Detektionsvorrichtung für geladene Teilchen verwendet. Wenn beispielsweise die Innenfläche der Ionisationskammer mit einer dünnen Borschicht beschichtet ist, kann die (n, alpha) -Reaktion stattfinden. Die meisten (n, alpha) -Reaktionen von thermischen Neutronen sind 10B (n, alpha) 7Li- Reaktionen, die von einer Gamma-Emission von 0,48 MeV begleitet werden .

Darüber hinaus weist das Isotop Bor-10 einen hohen (n, alpha) Reaktionsquerschnitt entlang des gesamten Neutronenenergiespektrums auf . Das Alpha-Teilchen verursacht eine Ionisierung innerhalb der Kammer, und ausgestoßene Elektronen verursachen weitere sekundäre Ionisierungen.

Ein anderes Verfahren zum Nachweis von Neutronen unter Verwendung einer Ionisationskammer besteht darin, das Gas- Bortrifluorid (BF ₃ ) anstelle von Luft in der Kammer zu verwenden. Die ankommenden Neutronen produzieren Alpha-Teilchen, wenn sie mit den Boratomen im Detektorgas reagieren. Beide Methoden können zum Nachweis von Neutronen im Kernreaktor verwendet werden. Es ist zu beachten, dass BF ₃ -Zähler normalerweise im Proportionalbereich betrieben werden.