Nick Connor

Im Gegensatz zur Kontamination kann die Strahlung von keinem Medium verbreitet werden. Es wandert durch Materialien, bis es seine Energie verliert. Ionisierung bedeutet nicht zwangsläufig, dass das Objekt radioaktiv wird (mit Ausnahme von sehr seltener Neutronenstrahlung). Um radioaktiv zu werden, müssen Sie radioaktives Material enthalten. Im Allgemeinen gibt es zwei Möglichkeiten, um radioaktiv zu werden:

• Exposition gegenüber Neutronenstrahlung . Neutronen interagieren nur mit Atomkernen und können vom Zielkern eingefangen werden. Diese Reaktion wird als Strahlungseinfang bezeichnet und macht Materie radioaktiv. Der radioaktive Zerfall dieser produzierten Radionuklide ist für jedes Element (Nuklid) spezifisch. Jedes Nuklid sendet die charakteristischen Gammastrahlen aus . Signifikante Neutronenstrahlung kommt im Allgemeinen nur in Kernreaktoren vor. Das heißt aber nicht, dass man im Alltag keine Neutronen treffen kann. Neutronen werden auch in der oberen Atmosphäre produziert. Kosmische Strahlung interagiert mit Kernen in der Atmosphäre und erzeugt auch energiereiche Neutronen . Laut UNSCEAR beträgt die Fluenz der Neutronen 0,0123 cm ^–2 s^–1 auf Meereshöhe bei einem geomagnetischen Breitengrad von 45 N. Auf der Grundlage dieser Daten wird die effektive jährliche Dosis von Neutronen auf Meereshöhe und bei einem Breitengrad von 50 Grad auf 0,08 mSv (8 mrem) geschätzt.
• Aufnahme von radioaktivem Material. Die Aufnahme von radioaktivem Material kann auf verschiedenen Wegen erfolgen, z. B. durch Aufnahme von radioaktiver Kontamination in Lebensmitteln oder Flüssigkeiten. Dies ist das Prinzip hinter der medizinischen Verwendung ( Nuklearmedizin ) vieler radioaktiver Materialien, da es die Bildgebung, Diagnose und andere Bereiche unterstützt. In der Nuklearmedizin werden sehr geringe Mengen radioaktiver Stoffe, sogenannte Radiotracer, verwendet , die intern beispielsweise intravenös oder oral eingenommen werden. Zwischen der kurzen Halbwertszeit der beteiligten Elemente und den natürlichen Möglichkeiten des Körpers, viele radioaktive Elemente zu entsorgen, ist die individuelle Radioaktivität einer Person normalerweise von kurzer Dauer.

Was ist die Antwort? Eine Person wird „radioaktiv“, wenn Staubpartikel, die verschiedene Radioisotope enthalten, auf der Haut oder den Kleidungsstücken der Person landen. Das ist Verschmutzung. Sobald eine Person durch Entfernen der Kleidung und Hautreinigung dekontaminiert wurde, werden alle partikelförmigen Radioaktivitätsquellen beseitigt und die Person ist nicht mehr kontaminiert. Eine Person, die Strahlung ausgesetzt ist, wird jedoch nicht radioaktiv. Alpha-, Beta- und Gammastrahlen können keine Zielkerne aktivieren, da sie hauptsächlich mit Atomelektronen interagieren. Daher können die meisten Strahlungsarten kein Material aktivieren. Strahlung wandert durch Materialien, bis sie ihre Energie verliert. Danach bleiben die Materialien inaktiv. Allerdings, wie es heißt. Der menschliche Körper ist bereits radioaktiv.

Ein weiterer sehr wichtiger Punkt ist, dass alle Menschen von Geburt an auch einige radioaktive Isotope in ihrem Körper haben . Diese Isotope sind insbesondere Kalium-40 , Kohlenstoff-14 sowie die Isotope von Uran und Thorium. Die Variation der Strahlendosis von einer Person zur anderen ist nicht so groß wie die Variation der Dosis von kosmischen und terrestrischen Quellen. Die durchschnittliche jährliche Strahlungsdosis einer Person aus anderen radioaktiven Materialien als Radon beträgt etwa 0,3 mSv / Jahr, wovon:

• 2 mSv / Jahr kommt aus Kalium-40,
• 0,12 mSv / Jahr stammen aus der Uran- und Thoriumreihe,
• 12 μSv / Jahr stammen aus Kohlenstoff-40.

Wie zu sehen ist, ist Kalium-40 der Hauptverursacher. Die Kaliumkonzentration im menschlichen Körper basiert streng auf dem homöostatischen Prinzip. Kalium wird nach der Nahrungsaufnahme mehr oder weniger im Körper verteilt (insbesondere in Weichgeweben). Ein 70 kg schwerer Mann enthält etwa  126 g  Kalium (0,18%), das meiste davon befindet sich in den Muskeln. Der tägliche Kaliumverbrauch beträgt ca. 2,5 Gramm. Daher ist die Kalium-40-Konzentration bei allen Personen mit einem Gehalt von etwa  55 Bq / kg  (insgesamt 3850 Bq) nahezu  stabil  , was einer effektiven Jahresdosis von  0,2 mSv entspricht . Darüber hinaus verursacht das Schlafen neben jemandem eine Strahlendosis von etwa  0,05 µSv.

Siehe auch: Interne Strahlungsquelle

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Atome  sind die kleinsten Bestandteile gewöhnlicher Materie, die sich teilen lassen, ohne dass elektrisch geladene Teilchen freigesetzt werden. Die Atome bestehen aus zwei Teilen. Ein Atomkern  und  eine  Elektronenwolke . Radioaktive Atome sind Atome, die einen instabilen Kern enthalten und radioaktiv zerfallen können. Der Begriff radioaktives Atom ist ein irreführender Begriff, da normalerweise nur Kerne zerfallen können und Änderungen der Elektronenkonfiguration nur auf Änderungen der Kernkonfiguration zurückzuführen sind. Es muss angemerkt werden, dass dies keine Regel ist. Beim Elektroneneinfang spielt auch die Elektronenwolke eine Schlüsselrolle, da ein Elternkern eines seiner Orbitalelektronen einfangen muss.

Radionuklide

Es gibt Nuklide, die instabil und radioaktiv sind. Diese Nuklide werden als Radionuklide (radioaktive Nuklide) oder Radioisotope (radioaktive Isotope) bezeichnet. Diese  instabilen Isotope  zerfallen auf verschiedenen Wegen des radioaktiven Zerfalls, am häufigsten durch Alpha-Zerfall, Beta-Zerfall, Gamma-Zerfall oder Elektroneneinfang. Viele andere seltene Zerfallsarten wie Spontanspaltung oder Neutronenemission sind bekannt.

Wie geschrieben wurde, den radioaktiven Zerfall der Radionuklide ist ein zufälliger Prozess auf der Ebene der einzelnen Atome, dass nach der Quantentheorie, es unmöglich ist , vorherzusagen , wann ein bestimmtes Atom zerfällt. Mit anderen Worten, ein Kern eines Radionuklids hat kein „Gedächtnis“. Ein Kern „altert“ nicht im Laufe der Zeit. Somit steigt die Wahrscheinlichkeit seines Zerfalls nicht mit der Zeit, sondern bleibt konstant, egal wie lange der Kern existiert hat.

Daher kann die Rate des nuklearen Zerfalls auch als Halbwertszeit gemessen werden . Jedes Radionuklid hat seine eigene Halbwertszeit, die sich unabhängig von der Menge oder Form des Materials (dh Feststoff, Flüssigkeit, Gas, Element oder Verbindung) oder seiner Vorgeschichte niemals ändert. Wenn ein Radioisotop eine Halbwertszeit von 14 Tagen hat, ist die Hälfte seiner Atome innerhalb von 14 Tagen zerfallen. In weiteren 14 Tagen verfällt die Hälfte der verbleibenden Hälfte und so weiter.

Die Gefahr ionisierender Strahlung besteht darin, dass die Strahlung unsichtbar ist und von den menschlichen Sinnen nicht direkt wahrgenommen werden kann. Menschen können Strahlung weder sehen noch fühlen, aber sie gibt Energie an die Materialmoleküle ab. Die Energie wird für jede Wechselwirkung zwischen der Strahlung und einem Molekül in geringen Mengen übertragen, und es gibt gewöhnlich viele Arten von Wechselwirkungen . Daher können Sie Strahlung nur mit Instrumenten ( Detektoren für ionisierende Strahlung ) erfassen und messen .

Detaillierte Kenntnisse über die Detektion von Strahlung sind in vielen Bereichen des Ingenieurwesens, einschließlich des Strahlenschutzes, von großer Bedeutung. Die meisten modernen Kern- oder Teilchenexperimente verwenden eine Vielzahl hochentwickelter Detektoren zum Messen und Nachweisen von subatomaren Teilchen . Um erkannt zu werden, muss ein Partikel Spuren in einem Detektor hinterlassen. Teilchen lagern meistens Energie auf ihrem Weg ab. Die Kenntnis dieser Wechselwirkung, wie unterschiedliche Teilchen Energie in der Materie ablagern und wie viel Energie sich in Teilchen ablagert, ist für das Verständnis vieler Probleme von grundlegender Bedeutung. In diesem Kapitel erhalten Sie ein grundlegendes Verständnis der Funktionsweise dieser Detektoren und einiger ihrer Einschränkungen.

Was ist Ionisation?

Ionisation ist der Prozess, bei dem ein Atom oder ein Molekül Elektronen gewinnt oder verliert , um geladene Ionen zu bilden. Die Ionisierung kann durch den Verlust eines Elektrons nach Kollisionen mit energetischen subatomaren Partikeln, Kollisionen mit anderen Atomen, Molekülen und Ionen oder durch die Wechselwirkung mit elektromagnetischer Strahlung verursacht werden. Im Allgemeinen ist ionisierende Strahlung jede Strahlung (Partikel oder elektromagnetische Wellen), die genug Energie trägt, um Elektronen von Atomen oder Molekülen zu stoßen und sie dadurch zu ionisieren. Für ionisierende Strahlung ist die kinetische Energie von Partikeln ( Photonen, Elektronen usw. ) ausreichend und das Partikel kann Zielatome ionisieren (um Ionen durch Elektronenverlust zu bilden), um Ionen zu bilden.

Die Grenze zwischen ionisierender und nichtionisierender Strahlung ist nicht scharf definiert, da unterschiedliche Moleküle und Atome bei unterschiedlichen Energien ionisieren. Gammastrahlen , Röntgenstrahlen und der höhere ultraviolette Teil des Spektrums ionisieren, wohingegen das niedrigere ultraviolette, sichtbare Licht (einschließlich Laserlicht), Infrarot, Mikrowellen und Radiowellen als nicht ionisierende Strahlung gelten.

Grundprinzipien von Detektoren

Es gibt drei Haupttypen von Detektoren, die verschiedene Arten von Signalen aufzeichnen.

• Zähler . Die Aktivität oder Intensität der Strahlung wird in Zählungen pro Sekunde (cps) gemessen. Der bekannteste Zähler ist der Geiger-Müller-Zähler. In Strahlungszählern wird das von der einfallenden Strahlung erzeugte Signal durch Zählen der Anzahl von Wechselwirkungen erzeugt, die am empfindlichen Volumen des Detektors auftreten.
• Strahlungsspektrometer . Spektrometer sind Geräte zur Messung der spektralen Leistungsverteilung einer Quelle. Die einfallende Strahlung erzeugt ein Signal, mit dem die Energie des einfallenden Partikels bestimmt werden kann.
• Dosimeter . Ein Strahlungsdosimeter ist ein Gerät, das die Exposition gegenüber ionisierender Strahlung misst. Dosimeter zeichnen normalerweise eine Dosis auf, bei der es sich um die in Grautönen (Gy) gemessene absorbierte Strahlungsenergie der in Sieverts (Sv) gemessenen äquivalenten Dosis handelt. Ein persönliches Dosimeter ist ein Dosimeter, das von der überwachten Person an der Körperoberfläche getragen wird es zeichnet die empfangene Strahlendosis auf.

Alle diese Arten von Geräten erfordern, dass die Strahlung zu beobachtbaren Änderungen einer Verbindung (ob Gas, Flüssigkeit oder Feststoff) führt. In ihren Grundprinzipien folgen die meisten Detektoren ionisierender Strahlung ähnlichen Eigenschaften. Detektoren ionisierender Strahlung  bestehen aus zwei Teilen, die normalerweise miteinander verbunden sind. Der erste Teil besteht aus einem  empfindlichen Material, bestehend aus einer Verbindung, die bei Bestrahlung Veränderungen erfährt. Die andere Komponente ist ein Gerät, das diese Änderungen in messbare Signale umwandelt. Alle Detektoren erfordern, dass Strahlung einen Teil ihrer Energie in empfindlichem Material ablagern muss, das Teil des Instruments ist. Die Strahlung tritt in den Detektor ein, interagiert mit Atomen des Detektormaterials und lagert etwas Energie an empfindliches Material ab. Jedes Ereignis kann ein Signal erzeugen, das ein Impuls, ein Loch, ein Lichtsignal, Ionenpaare in einem Gas und viele andere sein kann. Die Hauptaufgabe besteht darin, ausreichend Signal zu erzeugen, zu verstärken und aufzuzeichnen.

Nehmen wir gasförmige Ionisationsdetektoren an . Der grundlegende Gasionisationsdetektor besteht aus einer Kammerdas mit einem geeigneten Medium (Luft oder einem speziellen Füllgas) gefüllt ist, das leicht ionisiert werden kann. In der Regel ist der Mitteldraht die positive Elektrode (Anode) und der äußere Zylinder die negative Elektrode (Kathode), so dass (negative) Elektronen vom Mitteldraht und positive Ionen vom äußeren Zylinder angezogen werden. Die Anode hat eine positive Spannung in Bezug auf die Detektorwand. Wenn ionisierende Strahlung zwischen den Elektroden in das Gas eintritt, wird eine endliche Anzahl von Ionenpaaren gebildet. 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). Die Sammlung dieser Ionen erzeugt eine Ladung an den Elektroden und einen elektrischen Impuls über die Erfassungsschaltung.verstärkt und dann mit Standardelektronik aufgezeichnet .

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

Die 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 .

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.

Zählrohre sind Strahlungsdetektoren zum Nachweis und zur Messung ionisierender Strahlung. Zählrohre gehören also zu den Strahlungs- und Teilchendetektoren. Diese Detektoren messen die Ionisation, die entsteht, wenn ein einfallendes Teilchen ein Medium durchquert. Sie basieren auf der ionisierenden Wirkung von Strahlung. Damit ionisierende Strahlung auftritt, ist die kinetische Energie von Teilchen ( Photonen, Elektronen usw. ) ionisierender Strahlung ausreichend, und die Teilchen können Zielatome ionisieren (um Ionen durch Elektronenverlust zu bilden), um Ionen zu bilden. Durch ionisierende Strahlung können Elektronen aus einem Atom herausgeschleudert werden.

Die grundlegende Zählrohre bestehen aus einer Kammer, die mit einem geeigneten Medium (Luft oder einem speziellen Füllgas) gefüllt ist, das leicht ionisiert werden kann. Die am weitesten verbreiteten Arten dieser Detektoren basieren auf den Effekten, die erzeugt werden, wenn ein geladenes Teilchen durch ein Gas strömt. Das Betriebsmedium:

• sollten chemisch stabil (oder inert) sein, damit die sich bewegenden Ionisationselektronen nicht leicht von den Molekülen dieses Mediums eingefangen werden
• sollte einen niedrigen Wert des Ionisationspotentials (I) haben, um die Menge der Ionisation zu maximieren, die pro Energie erzeugt wird, die von einem einfallenden Partikel abgeschieden wird.
• sollten nicht sehr empfindlich gegenüber Strahlenschäden sein, damit sich ihre Reaktion auf einfallende Partikel bei Gebrauch nicht merklich ändert.

Typische in Detektoren verwendete Gase sind Argon und Helium , obwohl Bortrifluorid  (BF ₃ ) verwendet wird, wenn der Detektor zur Messung von Neutronen verwendet werden soll. Zählrohre 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. Kompensierte Ionenkammern, BF ₃ Zähler, Spaltzähler und Protonenrückstoßzähler sind Beispiele für Neutronendetektoren.

Grundprinzip von Zählrohre

Die Kammer hat eine Kathode und eine Anode, die auf einer hohen relativen Spannung gehalten werden, und die Vorrichtung ist gekennzeichnet durch eine Kapazität, die durch die Geometrie der Elektroden bestimmt wird. Wenn ionisierende Strahlung in das Gas zwischen den Elektroden eintritt, wird eine endliche Anzahl von Ionenpaaren gebildet. 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) und die negativen Ionen (Elektronen) wandern in Richtung der positiven Elektrode (zentraler Draht). Das elektrische Feld in dieser Region hindert die Ionen daran, sich mit den Elektronen wieder zu vereinigen. Das Sammeln dieser Ionen erzeugt eine Ladung an den Elektroden und einen elektrischen Impuls über die Detektionsschaltung. 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 wird, ungefähr 3 × 10⁴ Ionenpaare. Es ist zwar ein kleines Signal, dieses Signal kann jedoch mit Standardelektronik erheblich verstärkt werden.

Betriebsbereiche ionisierender Detektoren – 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) zur Detektion ionisierender Strahlung nützlich sind. Diese Anforderungen sind unten 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 Gammakurve vom Rekombinationsbereich zum Teil des Bereichs mit begrenzter Proportionalität.

• 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 rekombinieren, und nur ein kleiner Teil der erzeugten Elektronen und Ionen erreicht ihre jeweiligen Elektroden. Mit zunehmender Detektorspannung erreicht jedoch ein immer größerer Teil der erzeugten Ionen die Elektroden. Dieser Anstieg setzt sich fort, bis die Sättigungsspannung 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 anfänglich erzeugten Ionenpaare genau bestimmt werden können.
• Ionisationsregion . Im Ionisationsbereich bewirkt ein Spannungsanstieg keinen wesentlichen Anstieg der Anzahl der gesammelten Ionenpaare. Die Anzahl der von den Elektroden gesammelten Ionenpaare entspricht der Anzahl der durch die einfallende Strahlung erzeugten Ionenpaare und hängt von der Art und Energie der Partikel oder Strahlen in der einfallenden Strahlung ab. Daher ist die Kurve in diesem Bereich 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 (Sekundärionisation) zu erzeugen. Detektoren im Ionisationsbereich arbeiten mit einer geringen elektrischen Feldstärke, die so ausgewählt ist, dass keine Gasvermehrung stattfindet. Ihr Strom ist unabhängig von der angelegten Spannung und sie sind esbevorzugt für hohe Strahlungsdosisraten, da sie keine „Totzeit“ haben, ein Phänomen, das die Genauigkeit der Geiger-Müller-Röhre bei hohen Dosisraten beeinflusst.
• Proportionalbereich . Im proportionalen Bereich nimmt die gesammelte Ladung mit einem weiteren Anstieg der Detektorspannung zu, während die Anzahl der primären Ionenpaare unverändert bleibt. Durch Erhöhen der Spannung werden die Primärelektronen mit ausreichender Beschleunigung und Energie versorgt, damit sie zusätzliche Atome des Mediums ionisieren können. Diese gebildeten Sekundärionen werden ebenfalls beschleunigt, was einen als Townsend-Lawinen bekannten Effekt verursacht , der einen einzelnen großen elektrischen Impuls erzeugt. Obwohl es für jedes Primärereignis eine große Anzahl von Sekundärionen gibt (etwa 10 ³ – 10 ⁵ ), wird die Kammer immer so betrieben, dass die Anzahl der Sekundärionen proportional istauf die Anzahl der primären Ereignisse. Dies ist sehr wichtig, da die primäre Ionisation von der Art und Energie der Partikel oder Strahlen im abgefangenen Strahlungsfeld abhängt. Die Anzahl der gesammelten Ionenpaare geteilt durch die Anzahl der durch die Primärionisation erzeugten Ionenpaare liefert den Gasverstärkungsfaktor (bezeichnet mit A). Die in diesem Bereich auftretende Gasverstärkung kann die Gesamtionisationsmenge auf einen messbaren Wert erhöhen. Der Prozess der Ladungsverstärkung verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis des Detektors erheblich und reduziert die nachfolgende erforderliche elektronische Verstärkung. Wenn Instrumente im Proportionalbereich betrieben werden, muss die Spannung konstant gehalten werden.Bleibt eine Spannung konstant, ändert sich auch der Gasverstärkungsfaktor nicht. Proportionalzählererkennungsinstrumente sind sehr empfindlich gegenüber geringen Strahlungswerten. Darüber hinaus können Proportionalzähler Partikel identifizieren und Energie messen (Spektroskopie). Durch Analyse der Impulshöhe können unterschiedliche Strahlungsenergien und unterschiedliche Strahlungstypen 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 führen dazu, dass bei einer gegebenen angelegten Spannung keine Proportionalität des Ausgangssignals zur abgeschiedenen Energie vorliegt. Das elektrische Feld in der Kammer ist aufgrund der hohen positiven Ionenkonzentration verzerrt. 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. Dieser Bereich wird normalerweise als Erfassungsbereich vermieden.
• Geiger-Müller-Region . In der Region Geiger-Müller 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 vom elektrischen Feld beeinflusst werden, können sie weit (z. B. seitlich zur Achse) von der Primärlawine interagieren, wobei die gesamte Geigerröhre an dem Prozess beteiligt ist. Ein starkes Signal (der Verstärkungsfaktor kann etwa 10 ^{10 erreichen}) wird durch diese Lawinen mit Form und Höhe unabhängig von der Primärionisation und der Energie des detektierten Photons erzeugt. Detektoren, die in der Region Geiger-Müller betrieben werden, können Gammastrahlen und auch alle Arten geladener Teilchen erfassen, die in den Detektor gelangen können. Diese Detektoren sind als Geigerzähler bekannt . Der Hauptvorteil dieser Instrumente besteht darin, dass sie normalerweise keine Signalverstärker benötigen. Da sich die positiven Ionen nicht weit vom Lawinenbereich entfernen, stört eine positiv geladene Ionenwolke das elektrische Feld und beendet den Lawinenprozess. In der Praxis wird die Beendigung der Lawine durch die Verwendung von „ Quenching “ verbessertTechniken. Im Gegensatz zu Proportionalzählern kann die Energie oder sogar einfallende Strahlungsteilchen von Geigerzählern nicht unterschieden werden, da das Ausgangssignal unabhängig von der Menge und Art der ursprünglichen Ionisation ist.
• Entladungsregion . Schließlich erzeugt das elektrische Feld bei noch höheren Spannungen (oberhalb der Geiger-Müller-Region) eine kontinuierliche Entladung des Mediums, wobei die Kammer nicht mehr empfindlich gegenüber einfallender Ionisation ist. Dieser Bereich wird nicht zum Nachweis oder zur Messung ionisierender Strahlung verwendet. Wenn die Geiger-Röhrenspannung über das Ende des Plateaus erhöht wird, beginnt die Zählrate wieder schnell anzusteigen, bis eine kontinuierliche Entladung einsetzt, bei der die Röhre keine Strahlung erfassen kann und beschädigt werden kann.

Arten von Detektoren ionisierender Strahlung

Infolgedessen gibt es drei Grundtypen von Zählrohre , die nach der an den Detektor angelegten Spannung kategorisiert werden:

• Ionisationskammern,
• Proportionalzählrohr,
• Geiger-Müller-Zählrohr.

Wie bei anderen Detektoren können Ionisationskammern im Strom- oder Impulsmodus betrieben werden. Im Gegensatz dazu werden Proportional- oder Geigerzähler fast immer im Pulsmodus verwendet. Detektoren ionisierender Strahlung können sowohl zur Aktivitätsmessung als auch zur Dosismessung eingesetzt werden. Mit dem Wissen über die Energie, die zur Bildung eines Ionenpaars benötigt wird, kann die Dosis erhalten werden.

Zur Detektion von Strahlung werden verschiedene Instrumente und Geräte eingesetzt. Generell können Detektoren für ionisierende Strahlung nach ihrem Zweck klassifiziert werden. Sein Zweck hängt eng mit dem im Detektor erzeugten Signal zusammen. Es gibt drei Haupttypen von Detektoren, die unterschiedliche Signaltypen aufzeichnen.

• Zähler . Die Aktivität oder Intensität der Strahlung wird in Anzahl pro Sekunde (cps) gemessen. Der bekannteste Zähler ist der Geiger-Müller-Zähler. Bei Strahlungszählern wird das von der einfallenden Strahlung erzeugte Signal durch Zählen der Anzahl der am empfindlichen Volumen des Detektors auftretenden Wechselwirkungen erzeugt.
• Strahlungsspektrometer . Spektrometer sind Geräte zur Messung der spektralen Leistungsverteilung einer Quelle. Die einfallende Strahlung erzeugt ein Signal, mit dem die Energie des einfallenden Partikels bestimmt werden kann.
• Dosimeter . Ein Strahlungsdosimeter ist ein Gerät, das die Exposition gegenüber ionisierender Strahlung misst. Dosimeter zeichnen normalerweise eine Dosis auf, die die in Grautönen (Gy) gemessene absorbierte Strahlungsenergie der in Sieverts (Sv) gemessenen Äquivalentdosis ist es zeichnet die empfangene Strahlendosis auf.

Alle diese Arten von Geräten erfordern, dass die Strahlung zu beobachtbaren Änderungen in einer Verbindung führt (ob gasförmig, flüssig oder fest). Die meisten Detektoren ionisierender Strahlung folgen in ihren Grundprinzipien ähnlichen Eigenschaften. Detektoren für ionisierende Strahlung bestehen aus zwei Teilen, die normalerweise miteinander verbunden sind. Der erste Teil besteht aus einem empfindlichen Material, bestehend aus einer Verbindung, die unter Einwirkung von Strahlung Veränderungen erfährt. Die andere Komponente ist ein Gerät, das diese Änderungen in messbare Signale umwandelt. Alle Detektoren erfordern, dass Strahlung einen Teil ihrer Energie in empfindlichem Material ablegt, das Teil des Instruments ist. Die Strahlung tritt in den Detektor ein, interagiert mit Atomen des Detektormaterials und lagert etwas Energie an empfindliches Material ab. Jedes Ereignis kann ein Signal erzeugen, das ein Impuls, ein Loch, ein Lichtsignal, Ionenpaare in einem Gas und viele andere sein kann. Die Hauptaufgabe besteht darin, ein ausreichendes Signal zu erzeugen, es zu verstärken und aufzuzeichnen.

In diesem Abschnitt werden verschiedene Arten von Strahlungsmessgeräten beschrieben. Wir konzentrieren uns auf den ersten Teil, der aus einem sensiblen Material besteht. Detektoren können nach empfindlichen Materialien und Methoden eingeteilt werden, mit denen eine Messung durchgeführt werden kann:

• Zählrohre
• Szintillationsdetektoren
• Halbleiterdetektoren
• Filmdosimeter
• TLD

Grundprinzipien von Detektoren

In ihren Grundprinzipien folgen die meisten Detektoren ionisierender Strahlung ähnlichen Eigenschaften. Detektoren ionisierender Strahlung bestehen aus zwei Teilen , die normalerweise miteinander verbunden sind. Der erste Teil besteht aus einem empfindlichen Material , das aus einer Verbindung besteht, die sich bei Bestrahlung verändert. Die andere Komponente ist ein Gerät, das diese Änderungen in messbare Signale umwandelt. Alle Detektoren erfordern, dass Strahlung einen Teil ihrer Energie in empfindlichem Material ablagern muss, das Teil des Instruments ist. Die Strahlung tritt in den Detektor ein, interagiert mit Atomen des Detektormaterials und lagert etwas Energie an empfindliches Material ab. Jedes Ereignis kann ein Signal erzeugen, das ein Impuls, ein Loch, ein Lichtsignal, Ionenpaare in einem Gas und viele andere sein kann. Die Hauptaufgabe besteht darin, ausreichend Signal zu erzeugen, zu verstärken und aufzuzeichnen.

Nehmen wir Zählrohre an . Die grundlegende Zählrohre bestehen aus einer Kammer das mit einem geeigneten Medium (Luft oder einem speziellen Füllgas) gefüllt ist, das leicht ionisiert werden kann. In der Regel ist der Mitteldraht die positive Elektrode (Anode) und der äußere Zylinder die negative Elektrode (Kathode), so dass (negative) Elektronen vom Mitteldraht und positive Ionen vom äußeren Zylinder angezogen werden. Die Anode hat eine positive Spannung in Bezug auf die Detektorwand. Wenn ionisierende Strahlung zwischen den Elektroden in das Gas eintritt, wird eine endliche Anzahl von Ionenpaaren gebildet. 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). Die Sammlung dieser Ionen erzeugt eine Ladung an den Elektroden und einen elektrischen Impuls über die Erfassungsschaltung.verstärkt und dann mit Standardelektronik aufgezeichnet .

Signal-Rausch-Verhältnis

Das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) ist ein in Wissenschaft und Technik verwendetes Maß, das das elektrische Ausgangssignal mit dem im Kabelverlauf oder in der Instrumentierung erzeugten elektrischen Rauschen vergleicht.

Diskriminator

Die Unterscheidung in Strahlungserfassungsschaltungen bezieht sich auf den Prozess der Unterscheidung zwischen verschiedenen Arten von Strahlung anhand der Impulshöhe. Eine Diskriminatorschaltung wählt die minimale oder maximale Impulshöhe aus, die gezählt werden soll. Beispielsweise wird im Neutronendetektor eine Diskriminatorschaltung verwendet, um die großen Impulse von der Alpha-Ionisation (die Neutronenabsorption im Detektor erzeugt Alpha-Partikel) von den viel kleineren zu unterscheiden, die durch Gammastrahlen verursacht würden.

Sonderreferenz: US-Ministerium für Energie, Instrumantation und Kontrolle. DOE Fundamentals Handbook, Band 2 vom 2. Juni 1992.

Die Gefahr ionisierender Strahlung besteht darin, dass die Strahlung unsichtbar ist und von den menschlichen Sinnen nicht direkt wahrgenommen werden kann. Menschen können Strahlung weder sehen noch fühlen, aber sie gibt Energie an die Materialmoleküle ab. Die Energie wird für jede Wechselwirkung zwischen der Strahlung und einem Molekül in geringen Mengen übertragen, und es gibt gewöhnlich viele Arten von Wechselwirkungen . Daher können Sie Strahlung nur mit Instrumenten ( Detektoren für ionisierende Strahlung ) erfassen und messen .

Detaillierte Kenntnisse über die Detektion von Strahlung sind in vielen Bereichen des Ingenieurwesens, einschließlich des Strahlenschutzes, von großer Bedeutung. Die meisten modernen Kern- oder Teilchenexperimente verwenden eine Vielzahl hochentwickelter Detektoren zum Messen und Nachweisen von subatomaren Teilchen . Um erkannt zu werden, muss ein Partikel Spuren in einem Detektor hinterlassen. Teilchen lagern meistens Energie auf ihrem Weg ab. Die Kenntnis dieser Wechselwirkung, wie unterschiedliche Teilchen Energie in der Materie ablagern und wie viel Energie sich in Teilchen ablagert, ist für das Verständnis vieler Probleme von grundlegender Bedeutung. In diesem Kapitel erhalten Sie ein grundlegendes Verständnis der Funktionsweise dieser Detektoren und einiger ihrer Einschränkungen.

Grundprinzipien von Detektoren

Die meisten Detektoren ionisierender Strahlung folgen in ihren Grundprinzipien ähnlichen Eigenschaften. Detektoren für ionisierende Strahlung bestehen aus zwei Teilen , die normalerweise miteinander verbunden sind. Der erste Teil besteht aus einem empfindlichen Material , das aus einer Verbindung besteht, die bei Bestrahlung Veränderungen erfährt. Die andere Komponente ist ein Gerät, das diese Änderungen in messbare Signale umwandelt. Alle Detektoren erfordern, dass Strahlung einen Teil ihrer Energie in empfindlichem Material ablegt, das Teil des Instruments ist. Die Strahlung tritt in den Detektor ein, interagiert mit Atomen des Detektormaterials und lagert etwas Energie an empfindliches Material ab. Jedes Ereignis kann ein Signal erzeugen, das ein Impuls, ein Loch, ein Lichtsignal, Ionenpaare in einem Gas und viele andere sein kann. Die Hauptaufgabe besteht darin, ein ausreichendes Signal zu erzeugen, es zu verstärken und aufzuzeichnen.

Nehmen wir Zählrohre an . Die grundlegende Zählrohre bestehen aus einer Kammer das mit einem geeigneten Medium (Luft oder einem speziellen Füllgas) gefüllt ist, das leicht ionisiert werden kann. In der Regel ist der Mitteldraht die positive Elektrode (Anode) und der Außenzylinder die negative Elektrode (Kathode), so dass (negative) Elektronen vom Mitteldraht und positive Ionen vom Außenzylinder angezogen werden. Die Anode liegt bezüglich der Detektorwand an einer positiven Spannung. Wenn ionisierende Strahlung in das Gas zwischen den Elektroden eintritt, wird eine endliche Anzahl von Ionenpaaren gebildet. Unter dem Einfluss des elektrischen Feldes bewegen sich die positiven Ionen in Richtung der negativ geladenen Elektrode (äußerer Zylinder) und die negativen Ionen (Elektronen) wandern in Richtung der positiven Elektrode (zentraler Draht). Das Sammeln dieser Ionen erzeugt eine Ladung an den Elektroden und einen elektrischen Impuls über die Detektionsschaltung.verstärkt , und dann aufgezeichnet Standardelektronik verwendet wird .

Klassifizierung von Strahlungsdetektoren – Zweck

Im Allgemeinen können Detektoren ionisierender Strahlung nach ihrem Zweck klassifiziert werden. Ihr Zweck hängt eng mit dem im Detektor erzeugten Signal zusammen. Es gibt drei Haupttypen von Detektoren, die verschiedene Arten von Signalen aufzeichnen.

• Zähler . Die Aktivität oder Intensität der Strahlung wird in Zählungen pro Sekunde (cps) gemessen . Der bekannteste Zähler ist der Geiger-Müller-Zähler. In Strahlungszählern wird das von der einfallenden Strahlung erzeugte Signal durch Zählen der Anzahl von Wechselwirkungen erzeugt, die am empfindlichen Volumen des Detektors auftreten.
• Strahlungsspektrometer . Spektrometer sind Geräte zur Messung der spektralen Leistungsverteilung einer Quelle. Die einfallende Strahlung erzeugt ein Signal, mit dem die Energie des einfallenden Partikels bestimmt werden kann.
• Dosimeter . Ein Strahlungsdosimeter ist ein Gerät, das die Exposition gegenüber ionisierender Strahlung misst. Dosimeter zeichnen normalerweise eine Dosis auf, bei der es sich um die in Grautönen (Gy) gemessene absorbierte Strahlungsenergie der in Sieverts (Sv) gemessenen äquivalenten Dosis handelt. Ein persönliches Dosimeter ist ein Dosimeter, das von der überwachten Person an der Körperoberfläche getragen wird es zeichnet die empfangene Strahlendosis auf.

Klassifizierung von Strahlungsdetektoren – Strahlungstyp

Prinzipien und Methoden zum Nachweis ionisierender Strahlung hängen von vielen Faktoren ab. Die Art der gemessenen und detektierten Strahlung ist ein Schlüsselfaktor, und verschiedene Arten von Detektoren in verschiedenen physikalischen Zuständen (fest, flüssig oder gasförmig) werden verwendet, um selektive Arten ionisierender Strahlung zu messen. Es ist wichtig, zwischen Alpha- oder Betateilchen , Röntgen- oder γ-Strahlen und Neutronen zu unterscheiden. Da jede Strahlung unterschiedlich mit Materie interagiert, können wir beispielsweise keinen Neutronendetektor zur Detektion von Betastrahlung verwenden. Manchmal können Detektoren verschiedene Arten von Strahlung erfassen, beispielsweise können Neutronendetektoren auch Gammastrahlung erfassen. Normalerweise ist dieses Merkmal nicht wünschenswert, und Detektoren müssen die unerwünschte Komponente der Strahlung kompensieren .

Um die Klassifizierung von Strahlungsdetektoren nach der Art der Strahlung zu beschreiben, müssen wir die Wechselwirkungen von Strahlung mit Materie verstehen . Jeder Partikeltyp interagiert auf unterschiedliche Weise , daher müssen wir die Interaktion von Partikeln (Strahlung als Fluss dieser Partikel) separat beschreiben. Beispielsweise können geladene Teilchen mit hohen Energien Atome direkt ionisieren. Andererseits interagieren elektrisch neutrale Teilchen nur indirekt, können aber auch einige oder alle ihrer Energien auf die Materie übertragen. Dies ist das Hauptmerkmal der Kategorisierung von Strahlungsdetektoren. Wir können einfach keinen Gammastrahlendetektor verwenden, um Alphastrahlung zu erfassen. Detektoren können wie folgt in zwei allgemeine Typen eingeteilt werden:

• Detektion von direkt ionisierender Strahlung
  • Alpha-Strahlung
  • Beta-Strahlung
• Detektion indirekt ionisierender Strahlung
  • Gammastrahlung
  • Neutronenstrahlung
  • Neutrinos

Der Neutronenlebenszyklus quantifiziert die wichtigsten neutronenphysikalischen Prozesse , die im  Kernreaktor ablaufen . Im Reaktor werden Neutronen als schnelle Neutronen produziert und die meisten von ihnen werden nach der Thermalisierung absorbiert. Es gibt sechs Prozesse (Faktoren)  , die die inhärente Multiplikationsfähigkeit des Systems beschreiben. Vier davon sind völlig unabhängig von der Größe und Form des Reaktors. Dies sind:

• Schnelle Spaltung . Der Fast-Fission-Prozess ist im Multiplikationsfaktor durch den Fast-Fission-Faktor ε gekennzeichnet , der die schnelle Neutronenpopulation in einer Neutronengeneration erhöht. Der Faktor der schnellen Spaltung ist definiert als das Verhältnis der schnellen Neutronen, die durch Spaltungen bei allen Energien erzeugt werden, zur Anzahl der schnellen Neutronen, die bei der thermischen Spaltung erzeugt werden.
• Resonance Escape . Die durch p symbolisierte Resonanzaustrittswahrscheinlichkeit ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Neutron zu thermischer Energie abgebremst wird und der Resonanzerfassung entgeht . Diese Wahrscheinlichkeit ist definiert als das Verhältnis der Anzahl der Neutronen, die thermische Energie erreichen, zur Anzahl der schnellen Neutronen, die sich zu verlangsamen beginnen.
• Thermische Verwertung . Der thermische Nutzungsfaktor f ist der Anteil der thermischen Neutronen , die im Kernbrennstoff absorbiert werden , in allen Isotopen des Kernbrennstoffs. Es beschreibt, wie effektiv (wie gut genutzt) thermische Neutronen im Brennstoff absorbiert werden. Der Wert des thermischen Nutzungsfaktors ergibt sich aus dem Verhältnis der Anzahl der im Brennstoff absorbierten thermischen Neutronen (alle Nuklide) zur Anzahl der thermischen Neutronen, die in dem gesamten Material, aus dem der Kern besteht, absorbiert sind .
• Fortpflanzung . Die Anzahl der in der neuen Generation erzeugten Neutronen wird durch den Neutronenreproduktionsfaktor bestimmt . Der Reproduktionsfaktor η ist definiert als das Verhältnis der Anzahl der durch thermische Spaltung erzeugten schnellen Neutronen zur Anzahl der im Brennstoff absorbierten thermischen Neutronen .

Diese Prozesse des Neutronenlebenszyklus, von ihren Faktoren quantifiziert werden , bilden den unendlichen Multiplikationsfaktor (k _∞ ), die mathematisch durch folgende Gleichung in Bezug auf diesen Faktoren ausgedrückt werden kann, in der Regel bekannt als die vier Faktor Formel :

k _∞  = η.ε.pf

Der effektive Multiplikationsfaktor ( k _eff ) kann mathematisch ausgedrückt werden durch den unendlichen Multiplikationsfaktor (k _∞ ) und zwei zusätzliche Faktoren, die den Neutronenverlust während der Neutronenthermisierung ( schnelle Nichtleckwahrscheinlichkeit ) und den Neutronenverlust während der Neutronendiffusion ( thermisch ) erklären Nichtleckwahrscheinlichkeit ) durch folgende Gleichung, die üblicherweise als Sechs-Faktoren-Formel bezeichnet wird :

k _eff = k _∞ . P _f . P _t

• Schnelle, leckagefreie Wahrscheinlichkeit . Während des Verlangsamungsprozesses entweichen einige der Neutronen aus den Grenzen des Reaktorkerns, bevor sie thermisch werden . Dieser Prozess und seine Auswirkung auf den effektiven Multiplikationsfaktor ist durch den schnellen Nichtleckfaktor P _{f gekennzeichnet} , der als das Verhältnis der Anzahl schneller Neutronen definiert ist, die während des Verlangsamungsprozesses nicht aus dem Reaktorkern in den entweichen Anzahl schneller Neutronen, die durch Spaltungen bei allen Energien erzeugt werden.
• Thermische Nichtleckwahrscheinlichkeit . Während der Neutronendiffusion entweichen einige der Neutronen aus den Grenzen des Reaktorkerns, bevor sie absorbiert werden. Dieser Prozess und seine Auswirkung auf den effektiven Multiplikationsfaktor ist durch den thermischen Nichtleckfaktor P _{t gekennzeichnet} , der als das Verhältnis der Anzahl der thermischen Neutronen definiert ist, die während des Neutronendiffusionsprozesses nicht aus dem Reaktorkern in den entweichen Anzahl der Neutronen, die thermische Energien erreichen.

In der Reaktorphysik ist k _eff  der bedeutendste Parameter in Bezug auf die Reaktorsteuerung. Bei jedem spezifischen Leistungspegel oder Zustand des Reaktors wird k _eff  so nahe wie möglich am Wert von 1,0 gehalten . Zu diesem Zeitpunkt wird das Neutronengleichgewicht auf genau ein Neutron eingestellt, das den Lebenszyklus für jedes im Kraftstoff absorbierte ursprüngliche Neutron abschließt.

Neutronenlebenszyklus in schnellen Reaktoren

Die Methode zur Berechnung von Multiplikationsfaktoren wurde in den frühen Jahren der Kernenergie entwickelt und ist nur auf thermische Reaktoren anwendbar , bei denen der Großteil der Spaltreaktionen bei thermischen Energien stattfindet. Diese Methode stellt alle Prozesse, die mit den thermischen Reaktoren verbunden sind (z. B. die Neutronenthermisierung, die Neutronendiffusion oder die schnelle Spaltung), gut in den Kontext, da die wichtigsten neutronenphysikalischen Prozesse in Energiebereichen ablaufen , die klar voneinander getrennt werden können voneinander . Kurz gesagt, die Berechnung des Multiplikationsfaktors gibt einen guten Einblick in die Prozesse, die in jedem thermischen Multiplikationssystem ablaufen.

Für schnelle Reaktoren , in denen die Spaltung durch Neutronen mit einer sehr breiten Energieverteilung verursacht wird, ist eine solche Analyse ungeeignet. Der Neutronenfluss in schnellen Reaktoren muss in viele Energiegruppen unterteilt werden . Darüber hinaus ist in schnellen Reaktoren die Neutronenthermisierung ein unerwünschter Prozess, und daher macht die Vier-Faktor-Formel keinen Sinn. Die Resonanzfluchtwahrscheinlichkeit ist nicht signifikant, da bei Energien, bei denen die Resonanzabsorption signifikant ist, nur sehr wenige Neutronen existieren. Die thermische Nichtleckwahrscheinlichkeit besteht nicht, da der Reaktor so ausgelegt ist, dass die Thermalisierung von Neutronen vermieden wird.

Der Aufbaufaktor ist ein Korrekturfaktor, der den Einfluss der Streustrahlung plus etwaiger Sekundärpartikel im Medium bei Abschirmungsberechnungen berücksichtigt. Wenn wir den Aufbau von Sekundärstrahlung berücksichtigen wollen, müssen wir den Aufbaufaktor einbeziehen . Der Aufbaufaktor ist dann ein multiplikativer Faktor, der die Reaktion auf die nicht kollidierten Photonen berücksichtigt, um den Beitrag der gestreuten Photonen einzuschließen. Somit kann der Aufbaufaktor als Verhältnis der Gesamtdosis zur Reaktion auf eine nicht kollidierte Dosis erhalten werden.

Die erweiterte Formel für die Dosisleistungsberechnung lautet:

Der ANSI / ANS-6.4.3-1991-Standard für Gammastrahlen-Dämpfungskoeffizienten und Aufbaufaktoren für technische Materialien enthält abgeleitete Gammastrahlen-Dämpfungskoeffizienten und Aufbaufaktoren für ausgewählte technische Materialien und Elemente zur Verwendung bei Abschirmungsberechnungen (ANSI / ANS-6.1 .1, 1991).

Gültigkeit des Exponentialgesetzes

Das Exponentialgesetz beschreibt immer die Abschwächung der Primärstrahlung durch Materie. Wenn Sekundärteilchen erzeugt werden oder wenn die Primärstrahlung ihre Energie oder Richtung ändert, ist die effektive Dämpfung viel geringer. Die Strahlung wird tiefer in die Materie eindringen, als dies allein das Exponentialgesetz vorsieht. Der Prozess muss bei der Bewertung der Wirkung der Strahlenabschirmung berücksichtigt werden.