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. Gasproportionalzähler arbeiten üblicherweise in hohen elektrischen Feldern in der Größenordnung von 10 kV / cm und erzielen typischeVerstärkungsfaktoren 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.
Dies ist ein subtiler, aber wichtiger Unterschied zwischen Ionisationskammern und Proportionalzählern . Eine Ionisationskammer erzeugt einen Strom, der proportional zur Anzahl der pro Sekunde gesammelten Elektronen ist. Dieser Strom wird gemittelt und verwendet, um einen Anzeigewert in Bq oder μSv / h zu steuern. Proportionalzähler funktionieren auf diese Weise nicht. Stattdessen verstärken sie jeden der einzelnen Ionisationsstöße, sodass jedes Ionisationsereignis separat erfasst wird. Sie messen daher die Anzahl der ionisierenden Ereignisse (weshalb sie als Zähler bezeichnet werden).
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. 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 identifizierenund Energiemessung (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 .
Während Ionisationskammern im Strom- oder Impulsmodus betrieben werden können, werden im Impulsmodus fast immer Proportionalzähler oder Geigerzähler verwendet. 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.
Argon und Helium sind die am häufigsten verwendeten Füllgase und ermöglichen den Nachweis von Alpha-, Beta- und Gammastrahlung. Zum Nachweis von Neutronen sind He-3 und BF 3 (Bortrifluorid) die am häufigsten verwendeten Gase. Für spezielle Zwecke wurden andere Gasgemische verwendet, wie beispielsweise ein gewebeäquivalentes Gasgemisch, das aus 64,4% Methan, 32,4% Kohlendioxid und 3,2% Stickstoff besteht.
Siehe auch: Vor- und Nachteile von Proportionalzählern
Grundprinzip der Proportionalzähler
Der Proportionalzähler hat eine Kathode und eine Anode, die auf einer Spannung (über 1000 V) gehalten werden, und die Vorrichtung ist durch eine Kapazität gekennzeichnet, die durch die Geometrie der Elektroden bestimmt wird. In einem Proportionalzähler ist das Füllgas der Kammer ein Inertgas, das durch einfallende Strahlung ionisiert wird, und ein Löschgas, um sicherzustellen, dass jede Impulsentladung endet; Eine übliche Mischung ist 90% Argon, 10% Methan, bekannt als P-10.
Wenn ionisierende Strahlung zwischen den Elektroden in das Gas eintritt, wird eine endliche Anzahl von Ionenpaaren gebildet. In Luft beträgt die durchschnittliche Energie, die zur Erzeugung eines Ions benötigt wird, ungefähr 34 eV, daher erzeugt eine 1 MeV-Strahlung, die vollständig im Detektor absorbiert ist, ungefähr 3 × 10 4Ionenpaar. 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 zur negativ geladenen Elektrode (äußerer Zylinder) und die negativen Ionen (Elektronen) zur positiven Elektrode (zentraler Draht). Das elektrische Feld in diesem Bereich verhindert, dass sich die Ionen mit den Elektronen rekombinieren. In unmittelbarer Nähe des Anodendrahtes wird die Feldstärke groß genug, um Townsend-Lawinen zu erzeugen. Dieser Lawinenbereich tritt nur Bruchteile eines Millimeters vom Anodendraht entfernt auf, der selbst einen sehr kleinen Durchmesser hat. Dies dient dazu, den Multiplikationseffekt der von jedem Ionenpaar erzeugten Lawine zu nutzen. Dies ist die Lawinenregion. Ein wichtiges Entwurfsziel ist, dass jedes ursprüngliche ionisierende Ereignis aufgrund einfallender Strahlung nur eine Lawine erzeugt. Gasverstärkungsfaktoren können von Eins im Ionisationsbereich bis 10 3 oder 10 4 im Proportionalbereich reichen . Der hohe Verstärkungsfaktor des Proportionalzählers ist der Hauptvorteil gegenüber der Ionisationskammer.
Die Sammlung all dieser Elektronen erzeugt eine Ladung an den Elektroden und einen elektrischen Impuls über die Detektionsschaltung. Jeder Impuls entspricht einer Gammastrahl- oder Partikelwechselwirkung. Die Impulshöhe ist proportional zur Anzahl der ursprünglich erzeugten Elektronen. In diesem Fall wird die Impulshöhe jedoch vom Detektor erheblich verstärkt. Der Proportionalitätsfaktor ist in diesem Fall der Gasverstärkungsfaktor. Die Anzahl der erzeugten Elektronen ist proportional zur Energie des einfallenden Teilchens. Proportionalzähler sind daher in der Lage, Partikel zu identifizieren und Energie zu messen (Spektroskopie). Durch Analyse der Impulshöhe können unterschiedliche Strahlungsenergien und unterschiedliche Strahlungstypen unterschieden werden, da sie sich in der Primärionisation signifikant unterscheiden (Low-LET vs. High-LET).
Der Aufbau der Ionisationskammer unterscheidet sich vom Proportionalzähler. Das flache Plattendesign wird für Ionisationskammern bevorzugt, oder konzentrische Zylinder können bei der Konstruktion verwendet werden, um die Integration von Impulsen zu ermöglichen, die durch die einfallende Strahlung erzeugt werden. Proportionalzähler und Geigerzähler verwenden normalerweise Zylinder und Zentralelektrode. Der Proportionalzähler würde eine so genaue Steuerung des elektrischen Feldes zwischen den Elektroden erfordern, dass dies nicht praktikabel wäre.
Abschrecken – Proportionalzähler
In einem Proportionalzähler ist das Füllgas der Kammer ein Inertgas, das durch einfallende Strahlung ionisiert wird, und ein Löschgas, um sicherzustellen, dass jede Impulsentladung endet; Eine übliche Mischung ist 90% Argon, 10% Methan, bekannt als P-10.
Für jedes in der Kammer gesammelte Elektron bleibt ein positiv geladenes Gasion übrig. Diese Gasionen sind im Vergleich zu einem Elektron schwer und bewegen sich viel langsamer. Freie Elektronen sind viel leichter als die positiven Ionen, daher werden sie viel schneller zur positiven Zentralelektrode gezogen als die positiven Ionen zur Kammerwand. Die resultierende Wolke positiver Ionen in der Nähe der Elektrode führt zu Verzerrungen bei der Gasvermehrung. Schließlich bewegen sich die positiven Ionen vom positiv geladenen zentralen Draht zur negativ geladenen Wand und werden durch Gewinnung 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 werden unterwegs multipliziert. Dieser Ladungsimpuls steht in keinem Zusammenhang mit der zu erfassenden Strahlung und kann eine Reihe von Impulsen auslösen. In der Praxis wird die Beendigung der Lawine durch den Einsatz von „Löschtechniken .
Die Löschgasmoleküle haben eine schwächere Affinität zu Elektronen als das Kammergas; Daher nehmen die ionisierten Atome des Kammergases leicht Elektronen aus den Löschgasmolekülen auf. Somit erreichen die ionisierten Löschgasmoleküle anstelle des Kammergases die Kammerwand. Die ionisierten Moleküle des Löschgases werden durch Gewinnung eines Elektrons neutralisiert, und die freigesetzte Energie bewirkt keine weitere Ionisierung, sondern eine Dissoziation des Moleküls.
Sonderreferenz: US-Ministerium für Energie, Instrumantation und Kontrolle. DOE Fundamentals Handbook, Band 2 vom 2. Juni 1992.
Detektion von Alpha, Beta und Gammastrahlung mit Proportionalzähler
Proportionalzähler in Form von großflächigen planaren Detektoren werden häufig zur Überprüfung auf radioaktive Kontamination verwendetauf Personal, ebenen Flächen, Werkzeugen und Kleidungsstücken. Proportionalzähler werden normalerweise zum Erfassen von Alpha- und Betateilchen verwendet und können eine Unterscheidung zwischen ihnen ermöglichen, indem eine Impulsausgabe bereitgestellt wird, die proportional zu der von jedem Teilchen in der Kammer abgelagerten Energie ist. Sie haben eine hohe Effizienz für Beta, aber eine niedrigere für Alpha. Damit Alpha- und Betateilchen von Proportionalzählern 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 Fenster mit nahezu beliebiger Dicke verhindert jedoch, dass ein Alpha-Partikel in die Kammer gelangt. Das Fenster wird in der Regel aus Glimmer mit einer Dichte von etwa gemacht 1,5 bis 2,0 mg / cm 2 niederenergetische Beta – Teilchen (beispielsweise von ermöglichen Kohlenstoff-14), um den Detektor zu betreten. Die Effizienzreduzierung für Alpha ist auf den Dämpfungseffekt des Endfensters zurückzuführen, obwohl der Abstand von der zu prüfenden Oberfläche ebenfalls einen signifikanten Effekt hat. Idealerweise sollte eine Alpha-Strahlungsquelle aufgrund der Dämpfung in der Luft weniger als 10 mm vom Detektor entfernt sein.
Gammastrahlen haben nur sehr geringe Probleme, die Metallwände der Kammer zu durchdringen. Daher können Proportionalzähler verwendet werden, um Gammastrahlung und Röntgenstrahlen (dünnwandige Röhren) zu erfassen, die zusammen als Photonen bekannt sind, und hierfür wird die fensterlose Röhre verwendet.
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 schwer vorzusehen, und deshalb werden Proportionalzähler eher in festen oder Laborinstrumenten verwendet.
Proportionalzähler – Spektroskopie
Im Allgemeinen sind Spektroskope Vorrichtungen zum Messen der spektralen Leistungsverteilung einer Quelle. Die einfallende Strahlung erzeugt ein Signal, mit dem die Energie des einfallenden Partikels bestimmt werden kann.
In Proportionalzählern ist die Anzahl der erzeugten Elektronen proportional zur Energie und Art des einfallenden Teilchens. Proportionalzähler sind daher in der Lage, Partikel zu identifizieren und Energie zu messen (Spektroskopie). Durch Analyse der Impulshöhe können unterschiedliche Strahlungsenergien und unterschiedliche Strahlungstypen unterschieden werden, da sie sich in der Primärionisation signifikant unterscheiden (Low-LET vs. High-LET). Proportionalzähler können beispielsweise verwendet werden, um ein Spektrum von Alpha-Strahlungen oder ein Spektrum von Beta-Partikeln zu analysieren. Die Energieauflösung eines Proportionalzählers ist jedoch begrenzt, da sowohl das anfängliche Ionisationsereignis als auch das nachfolgende „Multiplikations“ -Ereignis statistischen Schwankungen unterliegen, die durch eine Standardabweichung gekennzeichnet sind, die der Quadratwurzel der gebildeten Durchschnittszahl entspricht.
Ein großvolumiger sphärischer Proportionalzähler kann für Neutronenmessungen verwendet werden. Das reine N 2 -Gas wird für die thermische und schnelle Neutronendetektion untersucht und bietet einen neuen Weg für die Neutronenspektroskopie. Die Neutronen werden über die 14 N (n, p) 14 C- und 14 N (n, α) 11 B- Reaktionen nachgewiesen.
Es ist zu beachten, dass für die Gammaspektrometrie die häufigsten Detektoren Natriumiodid (NaI) -Szintillationszähler und hochreine Germaniumdetektoren umfassen.
Mehrdraht-Proportionalkammer – MWPC
Eine Mehrdraht-Proportionalkammer ist eine Art Proportionalzähler, der insbesondere in der Hochenergie-Teilchenphysik zum Erfassen geladener Teilchen und Photonen verwendet wird und Positionsinformationen über ihre Flugbahn liefern kann. Dieses Gerät wurde von Georges Charpak und seinen Mitarbeitern entwickelt. Diese Erfindung führte dazu, dass er 1992 den Nobelpreis für Physik erhielt. Die Mehrdrahtkammer verwendet eine Reihe von Hochspannungsdrähten (Anode), die durch eine Kammer mit auf Erdpotential gehaltenen leitenden Wänden (Kathode) verlaufen. Das Prinzip besteht darin, eine Ebene von Anodendrähten mit typischen Drahtabständen von etwa 2 mm genau zu positionieren. Durch Berechnen von Impulsen aus allen Drähten kann die Teilchenbahn gefunden werden.
Detektion von Neutronen mit Proportionalzähler
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.
Proportionalzähler werden häufig als Detektionsvorrichtung für geladene Teilchen verwendet. In Kernkraftwerken werden normalerweise gasgefüllte (BF 3 ) Proportionalzähler als Quellenbereichsdetektoren verwendet. Diese Detektoren verwenden anstelle von Luft in der Kammer das Gas Bortrifluorid (BF 3 ). Die ankommenden Neutronen produzieren Alpha-Teilchen, wenn sie mit den Boratomen im Detektorgas reagieren. 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.
Der proportionale Zählerausgang hat die Form eines Impulses für jedes ionisierende Ereignis; Daher gibt es eine Reihe von zufälligen Impulsen unterschiedlicher Größe, die Neutronen- und Gamma-Ionisierungsereignisse darstellen. Die Impulshöhe beträgt möglicherweise nur wenige Millivolt, was zu niedrig ist, um ohne Verstärkung direkt verwendet zu werden. Der Diskriminator schließt den Durchgang von Impulsen aus, die kleiner als ein vorbestimmtes Niveau sind. Die Funktion des Diskriminators besteht darin, Rauschen und Gamma-Impulse auszuschließen, deren Größe geringer ist als die von Neutronenimpulsen.
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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.
