Strahlendosimetrie

Gemäß der ICRP (Publikation 103) basiert das Strahlenschutzsystem auf den folgenden drei Prinzipien:

1. Begründung . „Jede Entscheidung, die die Strahlenexposition verändert, sollte mehr nützen als schaden.“
2. Optimierung des Schutzes . „Alle Dosen sollten unter Berücksichtigung wirtschaftlicher und gesellschaftlicher Faktoren so niedrig wie möglich gehalten werden.“ (Bekannt als ALARA oder ALARP)
3. Dosisbegrenzung . „Die Gesamtdosis für eine Person … sollte die entsprechenden Grenzwerte nicht überschreiten.“

Eines dieser Prinzipien ist die Optimierung des Schutzes, die Folgendes erfordert:

„Dosen sollten alle so niedrig wie möglich gehalten werden“ .

Der Begriff ALARP ergibt sich aus der Gesetzgebung des Vereinigten Königreichs, insbesondere aus dem Gesetz über Gesundheit und Sicherheit am Arbeitsplatz usw. von 1974, das die Bereitstellung und Wartung von Anlagen und Systemen für die Arbeit vorschreibt, soweit dies nach vernünftigem Ermessen praktikabel, sicher und ohne Gesundheitsrisiken ist. Die Formulierung „So weit wie möglich“ in dieser und ähnlichen Klauseln wird so interpretiert, dass Risiken auf ein so niedriges Maß wie möglich reduziert werden müssen. Der Begriff ALARP, der insbesondere in Großbritannien verwendet wird, ist viel weiter gefasst als ALARA, da er in verschiedenen Bereichen der Regulierung und Verwaltung sicherheitskritischer und sicherheitsrelevanter Systeme Anwendung findet.

Der Begriff „so niedrig wie möglich“ (ALARA), der im Optimierungsprinzip verwendet wird, ist ein Synonym für ALARP und wird zur Beschreibung des Risikominderungsprozesses außerhalb des Vereinigten Königreichs verwendet. Der Begriff ALARA oder „so niedrig wie vernünftigerweise erreichbar“ wird in den Vereinigten Staaten von Amerika fast ausschließlich auf dem Gebiet des Strahlenschutzes synonym verwendet. ALARA und ALARP gelten in Sinn und Zweck als gleichwertig.

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 Primär bereitzustellen Elektronen mit ausreichender Beschleunigung und Energie , so dass sie zusätzliche Atom 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.

Mehrdraht-Proportional-Kammer – MWPC

Eine Mehrdraht-Proportionalkammer ist eine Art Proportionalzähler, der insbesondere in der Hochenergie-Teilchenphysik verwendet wird, um geladene Teilchen und Photonen zu erfassen und Positionsinformationen über ihre Flugbahn zu geben. Dieses Gerät wurde von Georges Charpak und seinen Mitarbeitern entwickelt. Diese Erfindung führte dazu, dass er 1992 den Nobelpreis für Physik gewann. Die Mehrdrahtkammer verwendet eine Anordnung von Drähten mit hoher Spannung (Anode), die durch eine Kammer verlaufen, deren leitende Wände auf Erdpotential (Kathode) gehalten werden. 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.

Spektroskope sind im Allgemeinen Geräte zur Messung 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). Unterschiedliche Strahlungsenergien und Strahlungsarten können durch Analyse der Impulshöhe unterschieden werden, da sie sich in der Primärionisation signifikant unterscheiden (low-LET vs. high-LET). Proportionalzähler können zum Beispiel verwendet werden, um ein Spektrum von Alphastrahlen oder ein Spektrum von Betateilchen zu analysieren. Die Energieauflösung eines Proportionalzählers ist jedoch begrenzt, da sowohl das anfängliche Ionisationsereignis als auch das nachfolgende Multiplikationsereignis 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 Detektion von Neutronen 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.

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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.com oder füllen Sie das Online-Übersetzungsformular aus. Wir bedanken uns für Ihre Hilfe und werden die Übersetzung so schnell wie möglich aktualisieren. Danke.

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.

Anwendung von Proportionalzählern

Nachweis von Alpha-, Beta- und Gammastrahlung mittels Proportionalzähler

Proportionalzähler in Form von großflächigen Flächendetektoren werden in großem Umfang zur Überprüfung auf radioaktive Kontamination eingesetztauf Personal, ebenen Flächen, Werkzeugen und Kleidungsstücken. Proportionalzähler werden normalerweise zum Erfassen von Alpha- und Betateilchen verwendet und können eine Unterscheidung zwischen ihnen ermöglichen, indem ein Impulsausgang bereitgestellt wird, der proportional zu der von jedem Teilchen in der Kammer abgelagerten Energie ist. Sie haben einen hohen Wirkungsgrad für Beta, aber einen niedrigeren für Alpha. Damit Alpha- und Betateilchen von Proportionalzählern erfasst werden können, müssen sie mit einem dünnen Fenster versehen werden. 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. 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 in den Detektor einzutreten. Die Effizienzminderung für Alpha ist auf den Dämpfungseffekt des Endfensters zurückzuführen, obwohl der Abstand von der zu prüfenden Oberfläche ebenfalls einen signifikanten Effekt hat. Aufgrund der Luftdämpfung sollte eine Alpha-Strahlungsquelle idealerweise weniger als 10 mm vom Detektor entfernt sein.

Gammastrahlen haben kaum 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 für diese 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 schwierig bereitzustellen, und aus diesem Grund werden Proportionalzähler eher in ortsfesten Instrumenten 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.

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.

Vorteile von Proportionalzählern

• Verstärkung . Gasproportionalzähler arbeiten üblicherweise in hohen elektrischen Feldern in der Größenordnung von 10 kV / cm und erreichen typische Verstärkungsfaktoren 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. Der hohe Verstärkungsfaktor des Proportionalzählers ist der Hauptvorteil gegenüber der Ionisationskammer.
• Empfindlichkeit . Der Prozess der Ladungsverstärkung verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis des Detektors erheblich und verringert die erforderliche nachfolgende elektronische Verstärkung. Da der Prozess der Ladungsverstärkung das Signal-Rausch-Verhältnis des Detektors stark verbessert, ist die anschließende elektronische Verstärkung normalerweise nicht erforderlich. Proportionalzähler sind sehr empfindlich gegen geringe Strahlung. Darüber hinaus ist bei der Messung der Stromabgabe ein Proportionaldetektor für die Dosisleistung nützlich,
  da das Ausgangssignal proportional zur durch die Ionisation abgegebenen Energie und
  damit proportional zur Dosisleistung ist.

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  Spektroskopie . 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 identifizieren und Energie messen (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 .

Nachteile von Proportionalzählern

• Konstante Spannung . Wenn Instrumente im Proportionalbereich betrieben werden, muss die Spannung konstant gehalten werden . Bleibt eine Spannung konstant, ändert sich auch der Gasverstärkungsfaktor nicht. 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 schwierig bereitzustellen, und aus diesem Grund werden Proportionalzähler eher in ortsfesten Instrumenten oder Laborinstrumenten verwendet.
• Abschrecken. Für jedes in der Kammer gesammelte Elektron verbleibt ein positiv geladenes Gasion. Diese Gasionen sind im Vergleich zu einem Elektron schwer und bewegen sich viel langsamer. 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. Schließlich wandern die positiven Ionen vom positiv geladenen Mitteldraht zur negativ geladenen Wand und werden durch die Aufnahme 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 vervielfachen sich unterwegs. Dieser Ladungsimpuls ist unabhängig von der zu detektierenden Strahlung und kann eine Reihe von Impulsen auslösen. In der Praxis wird die Beendigung der Lawine durch den Einsatz vonLöschtechniken .

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

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.

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.

Quenchen – Proportionalzähler

In einem Proportionalzähler ist das Füllgas der Kammer ein Inertgas, das durch einfallende Strahlung ionisiert wird, und ein Quenchgas, 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 verbleibt ein positiv geladenes Gasion. Diese Gasionen sind im Vergleich zu einem Elektron schwer und bewegen sich viel langsamer. 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. Schließlich wandern die positiven Ionen vom positiv geladenen Mitteldraht zur negativ geladenen Wand und werden durch die Aufnahme 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 vervielfachen sich unterwegs. Dieser Ladungsimpuls ist unabhängig von der zu detektierenden Strahlung und kann eine Reihe von Impulsen auslösen. In der Praxis wird die Beendigung der Lawine durch den Einsatz vonLöschtechniken .

Die Löschgasmoleküle haben eine schwächere Affinität für Elektronen als das Kammergas; daher nehmen die ionisierten Atome des Kammergases leicht Elektronen von den Löschgasmolekülen auf. Somit erreichen die ionisierten Löschgasmoleküle die Kammerwand anstelle des Kammergases. Die ionisierten Moleküle des Löschgases werden durch Gewinnung eines Elektrons neutralisiert und die freiwerdende Energie bewirkt keine weitere Ionisierung, sondern eine Dissoziation des Moleküls.

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

Detektion von Neutronen mittels Proportionalzähler

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

Proportionalzähler werden häufig als Vorrichtung zum Erfassen geladener Teilchen verwendet. In Kernkraftwerken werden normalerweise gasgefüllte Proportionalzähler (BF ₃ ) als Quellbereichsdetektoren verwendet. Diese Detektoren verwenden das Gas Bortrifluorid (BF ₃ ) anstelle von Luft in der Kammer. Die einfallenden Neutronen produzieren Alpha-Partikel, wenn sie mit den Boratomen im Detektorgas reagieren. Die meisten (n, alpha) -Reaktionen von thermischen Neutronen sind 10B (n, alpha) -7Li- Reaktionen, die mit einer Gamma-Emission von 0,48 MeV einhergehen .

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

In einem Proportionalzähler ist das Füllgas der Kammer ein Inertgas, das durch einfallende Strahlung ionisiert wird, und ein Quenchgas, 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 verbleibt ein positiv geladenes Gasion. Diese Gasionen sind im Vergleich zu einem Elektron schwer und bewegen sich viel langsamer. 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. Schließlich wandern die positiven Ionen vom positiv geladenen Mitteldraht zur negativ geladenen Wand und werden durch die Aufnahme 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 vervielfachen sich unterwegs. Dieser Ladungsimpuls ist unabhängig von der zu detektierenden Strahlung und kann eine Reihe von Impulsen auslösen. In der Praxis wird die Beendigung der Lawine durch den Einsatz vonLöschtechniken .

Die Löschgasmoleküle haben eine schwächere Affinität für Elektronen als das Kammergas; daher nehmen die ionisierten Atome des Kammergases leicht Elektronen von den Löschgasmolekülen auf. Somit erreichen die ionisierten Löschgasmoleküle die Kammerwand anstelle des Kammergases. Die ionisierten Moleküle des Löschgases werden durch Gewinnung eines Elektrons neutralisiert und die freiwerdende Energie bewirkt keine weitere Ionisierung, sondern eine Dissoziation des Moleküls.

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

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 Quenchgas, um sicherzustellen, dass jede Impulsentladung endet; Eine übliche Mischung ist 90% Argon, 10% Methan, bekannt als P-10.

Wenn ionisierende Strahlung in das Gas zwischen den Elektroden 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 wird, 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 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 hält die Ionen davon ab, sich mit den Elektronen zu 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 auf, der selbst einen sehr kleinen Durchmesser hat. Ziel ist es, 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. Die Gasverstärkungsfaktoren können von 1 im Ionisationsbereich bis 10 ³ oder 10 ⁴ im Proportionalbereich reichen . Der hohe Verstärkungsfaktor des Proportionalzählers ist der Hauptvorteil gegenüber der Ionisationskammer.

Das Sammeln all dieser Elektronen erzeugt eine Ladung an den Elektroden und einen elektrischen Impuls über die Detektionsschaltung. Jeder Impuls entspricht einem Gammastrahl oder einer 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). Unterschiedliche Strahlungsenergien und Strahlungsarten können durch Analyse der Impulshöhe unterschieden werden, da sie sich in der Primärionisation signifikant unterscheiden (low-LET vs. high-LET).

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.

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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.com oder füllen Sie das Online-Übersetzungsformular aus. Wir bedanken uns für Ihre Hilfe und werden die Übersetzung so schnell wie möglich aktualisieren. Danke.

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.