Was ist Ionisationskammer – Ionenkammer – 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. Strahlendosimetrie

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.

Grundprinzip der Ionisationskammern

Ionisationskammer - GrundprinzipDie Kammer hat eine Kathode und eine Anode, die auf einer bestimmten Spannung (möglicherweise 100 – 200 V) gehalten werden, und die Vorrichtung ist durch eine Kapazität gekennzeichnet, die durch die Geometrie der Elektroden bestimmt wird. Flache Platten oder konzentrische Zylinder können beim Aufbau einer Ionisationskammer verwendet werden. Das flache Plattendesign wird bevorzugt, weil es ein genau definiertes aktives Volumen hat und sicherstellt, dass sich keine Ionen auf den Isolatoren ansammeln und eine Störung des elektrischen Feldes verursachen. Während ionisierende Strahlung in das Gas zwischen den Elektroden eintritt, tritt eine endliche Anzahl von Ionenpaaren aufsind geformt. Das Verhalten der resultierenden Ionenpaare wird durch den Potentialgradienten des elektrischen Feldes innerhalb des Gases und die Art und den Druck des Füllgases beeinflusst. Unter dem Einfluss des elektrischen Feldes bewegen sich die positiven Ionen in Richtung der negativ geladenen Elektrode (äußerer Zylinder oder Platte) und die negativen Ionen (Elektronen) wandern in Richtung der positiven Elektrode (zentraler Draht oder Platte). Das elektrische Feld in dieser Region hält die Ionen davon ab, sich mit den Elektronen zu rekombinieren. Das Sammeln dieser Ionen erzeugt eine Ladung an den Elektroden und einen elektrischen Impuls über die Detektionsschaltung. In Luft benötigt , um die mittlere Energie ein Ion zu produzieren etwa 34 eV ist daher eine 1 MeV Strahlung vollständig in dem Detektor absorbierte produziert etwa 3 x 10 4 Paar – Ionen. Es ist zwar ein kleines Signal, dieses Signal kann jedoch mit Standardelektronik erheblich verstärkt werden. Ein Strom von 1 Mikroampere besteht aus ungefähr 10 12 Elektronen pro Sekunde.

Der Aufbau der Ionisationskammer unterscheidet sich vom Proportionalzähler. Die flache Plattenkonstruktion wird für Ionisationskammern bevorzugt, oder es können konzentrische Zylinder bei der Konstruktion verwendet werden, um die Integration von Impulsen zu ermöglichen, die durch die einfallende Strahlung erzeugt werden. Proportional- und Geigerzähler verwenden üblicherweise Zylinder und Mittelelektrode. Der Proportionalzähler würde eine so genaue Steuerung des elektrischen Feldes zwischen den Elektroden erfordern, dass dies nicht praktikabel wäre.

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 einer Art Rauchmelder können Sie beispielsweise künstliche Radionuklide wie Americium-241 treffen , das eine Quelle für Alpha-Partikel ist. Der Rauchmelder verfügt über zwei Ionisationskammern, eine zur Luft hin offen, und eine Referenzkammer, in die keine Partikel eindringen können. Die radioaktive Quelle emittiert Alpha-Partikel in beide Kammern, die einige Luftmoleküle ionisieren. Die Freiluftkammer ermöglicht den Eintritt von Rauchpartikeln in das empfindliche Volumen und die Änderung der Dämpfung von Alpha-Partikeln. Wenn Rauchpartikel in die Freiluftkammer gelangen, haften einige der Ionen an den Partikeln und sind nicht verfügbar, um den Strom in dieser Kammer zu leiten. Eine elektronische Schaltung erkennt, dass sich zwischen der offenen und der versiegelten Kammer eine Stromdifferenz entwickelt hat, und gibt Alarm.

Detektion von Beta-Strahlung mit Ionisationskammer

Damit Alpha- und Betateilchen durch Ionisationskammern nachgewiesen werden können, müssen sie mit einem dünnen Fenster versehen sein. Dieses „Endfenster“ muss dünn genug sein, damit die Alpha- und Betateilchen eindringen können. Ein Fenster mit nahezu beliebiger Dicke verhindert jedoch, dass ein Alpha-Partikel in die Kammer gelangt. Das Fenster besteht üblicherweise aus Glimmer mit einer Dichte von ca. 1,5 – 2,0 mg / cm 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, emittiert jedoch eine sehr schwache Form von Strahlung, 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 Elektronenantineutrino abgeführt wird. Eine so sehr niedrige Elektronenenergie führt dazu, dass das Elektron die Haut nicht durchdringen kann oder sich in der Luft nicht sehr weit bewegt. Beta-Partikel aus Tritium können nur etwa 6,0 mm Luft durchdringen. Es ist praktisch unmöglich, einen Detektor zu entwerfen, dessen Wände diese Beta-Partikel durchdringen können. Stattdessen pumpt der Tritium-in-Luft-Monitor die mit Tritium kontaminierte Luft direkt durch eine Ionisationskammer, so dass die gesamte Energie der Beta-Partikel sinnvollerweise in Ionenpaare innerhalb der Kammer umgewandelt werden kann.

Detektion von Gammastrahlung mit Ionisationskammer

Gammastrahlen haben nur sehr geringe 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 hierfür wird die fensterlose Röhre verwendet. Ionisationskammern reagieren über einen weiten Energiebereich gleichmäßig gleichmäßig auf Strahlung und sind das bevorzugte Mittel zur Messung hoher Gammastrahlungswerte. Einige Probleme werden durch die Tatsache verursacht, dass Alpha-Partikel stärker ionisieren als Beta-Partikel und als Gammastrahlen, so dass im Bereich der Ionisationskammer durch Alpha mehr Strom erzeugt wird als durch Beta und Gamma. Gammastrahlen lagern deutlich weniger Energie im Detektor ab als andere Partikel.

Der Wirkungsgrad der Kammer kann durch die Verwendung eines Hochdruckgases weiter gesteigert 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 gezeigt 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 erfasst werden. Diese Detektoren werden in Vermessungsmessgeräten 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 .

(n, alpha) -Reaktionen von 10B

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.

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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: translations@nuclear-power.net oder füllen Sie das Online-Übersetzungsformular aus. Wir bedanken uns für Ihre Hilfe und werden die Übersetzung so schnell wie möglich aktualisieren. Danke.