Strahlendosimetrie

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

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

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.

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.

Vorteile von Ionisationskammern

• Momentaner Zustand. Ionisationskammern werden für hohe Strahlendosisleistungen bevorzugt , da sie keine „Totzeit“ aufweisen, 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. 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.
• Einfachheit . Der Ausgangsstrom ist unabhängig von der Betriebsspannung des Detektors. Beobachten Sie den flachen Bereich der Kurve im Bereich der Ionenkammer. Infolgedessen können weniger regulierte und dadurch kostengünstigere und tragbarere Stromversorgungen mit Ionenkammerinstrumenten verwendet werden und bieten dennoch eine einigermaßen genaue Reaktion.
• Neutronendetektion . In Kernreaktoren werden Ionisationskammern im aktuellen Modus häufig zum Nachweis von Neutronen verwendet und gehören zum Neutron Instrumentation System (NIS). Wenn beispielsweise die innere Oberfläche der Ionisationskammer mit einer dünnen Schicht Bor beschichtet ist, kann die (n, alpha) -Reaktion stattfinden. 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. Ein anderes Verfahren zum Nachweis von Neutronen unter Verwendung einer Ionisationskammer besteht in der Verwendung des GasesBortrifluorid (BF ₃ ) anstelle von Luft in der Kammer. Die einfallenden Neutronen produzieren Alpha-Partikel, wenn sie mit den Boratomen im Detektorgas reagieren. Mit beiden Methoden können Neutronen im Kernreaktor nachgewiesen werden.

Nachteile von Ionisationskammern

• Keine Ladungsverstärkung . 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. In Luft, benötigt die mittlere Energie ein Ion ist etwa 34 eV, also eine 1 MeV Strahlung vollständig in dem Detektor erzeugt etwa absorbiert herzustellen 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.
• Geringe Dichte . 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.
• 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 .

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.

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.

Ein  Proportionalzähler , auch als Proportionaldetektor bezeichnet , ist ein elektrisches Gerät, das verschiedene Arten von ionisierender Strahlung erfasst. Die Spannung des Detektors wird so eingestellt, dass die Bedingungen dem proportionalen Bereich entsprechen . In diesem Bereich ist die Spannung hoch genug, um die Primärelektronen mit ausreichender Beschleunigung und Energie zu versorgen, damit sie zusätzliche Atome des Mediums ionisieren können. Diese gebildeten Sekundärionen ( Gasverstärkung ) werden ebenfalls beschleunigt und verursachen einen als Townsend-Lawinen bekannten Effekt , der einen einzigen großen elektrischen Impuls erzeugt. Gasproportionalzähler arbeiten üblicherweise in hohen elektrischen Feldern in der Größenordnung von 10 kV / cm und erzielen typischeVerstärkungsfaktoren von etwa 10 ⁵ . Da der Verstärkungsfaktor stark von der angelegten Spannung abhängt, ist die gesammelte Ladung (Ausgangssignal) auch von der angelegten Spannung abhängig und Proportionalzähler benötigen eine konstante Spannung.

Dies ist ein subtiler, aber wichtiger Unterschied zwischen Ionisationskammern und Proportionalzählern . Eine Ionisationskammer erzeugt einen Strom, der proportional zur Anzahl der pro Sekunde gesammelten Elektronen ist. Dieser Strom wird gemittelt und verwendet, um einen Anzeigewert in Bq oder μSv / h zu steuern. Proportionalzähler funktionieren auf diese Weise nicht. Stattdessen verstärken sie jeden der einzelnen Ionisationsstöße, sodass jedes Ionisationsereignis separat erfasst wird. Sie messen daher die Anzahl der ionisierenden Ereignisse (weshalb sie als Zähler bezeichnet werden).

Der Prozess der Ladungsverstärkung verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis des Detektors erheblich und verringert die erforderliche nachfolgende elektronische Verstärkung. Wenn Instrumente im Proportionalbereich betrieben werden, muss die Spannung konstant gehalten werden . Bleibt eine Spannung konstant, ändert sich auch der Gasverstärkungsfaktor nicht. Proportionalzähler sind sehr empfindlich gegen geringe Strahlung. Durch geeignete funktionale Anordnungen, Modifikationen und Vorspannungen kann der Proportionalzähler verwendet werden, um Alpha-, Beta-, Gamma- oder Neutronenstrahlung in gemischten Strahlungsfeldern zu erfassen. Außerdem können Proportionalzähler Partikel identifizierenund Energiemessung (Spektroskopie). Die Impulshöhe reflektiert die von der einfallenden Strahlung im Detektorgas abgelagerte Energie. Somit ist es möglich, die größeren Impulse, die von Alphateilchen erzeugt werden, von den kleineren Impulsen zu unterscheiden, die von Betateilchen oder Gammastrahlen erzeugt werden .

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

Argon und Helium sind die am häufigsten verwendeten Füllgase und ermöglichen den Nachweis von Alpha-, Beta- und Gammastrahlung. Zum Nachweis von Neutronen sind He-3 und BF ₃ (Bortrifluorid) die am häufigsten verwendeten Gase. Für spezielle Zwecke wurden andere Gasgemische verwendet, wie beispielsweise ein gewebeäquivalentes Gasgemisch, das aus 64,4% Methan, 32,4% Kohlendioxid und 3,2% Stickstoff besteht.

Siehe auch: Vor- und Nachteile von Proportionalzählern

Grundprinzip der Proportionalzähler

Der Proportionalzähler hat eine Kathode und eine Anode, die auf einer Spannung (über 1000 V) gehalten werden, und die Vorrichtung ist durch eine Kapazität gekennzeichnet, die durch die Geometrie der Elektroden bestimmt wird. In einem Proportionalzähler ist das Füllgas der Kammer ein Inertgas, das durch einfallende Strahlung ionisiert wird, und ein Löschgas, um sicherzustellen, dass jede Impulsentladung endet; Eine übliche Mischung ist 90% Argon, 10% Methan, bekannt als P-10.

Wenn ionisierende Strahlung zwischen den Elektroden in das Gas eintritt, wird eine endliche Anzahl von Ionenpaaren gebildet. In Luft beträgt die durchschnittliche Energie, die zur Erzeugung eines Ions benötigt wird, ungefähr 34 eV, daher erzeugt eine 1 MeV-Strahlung, die vollständig im Detektor absorbiert ist, ungefähr 3 × 10 ⁴Ionenpaar. Das Verhalten der resultierenden Ionenpaare wird durch den Potentialgradienten des elektrischen Feldes innerhalb des Gases und die Art und den Druck des Füllgases beeinflusst. Unter dem Einfluss des elektrischen Feldes bewegen sich die positiven Ionen zur negativ geladenen Elektrode (äußerer Zylinder) und die negativen Ionen (Elektronen) zur positiven Elektrode (zentraler Draht). Das elektrische Feld in diesem Bereich verhindert, dass sich die Ionen mit den Elektronen rekombinieren. In unmittelbarer Nähe des Anodendrahtes wird die Feldstärke groß genug, um Townsend-Lawinen zu erzeugen. Dieser Lawinenbereich tritt nur Bruchteile eines Millimeters vom Anodendraht entfernt auf, der selbst einen sehr kleinen Durchmesser hat. Dies dient dazu, den Multiplikationseffekt der von jedem Ionenpaar erzeugten Lawine zu nutzen. Dies ist die Lawinenregion. Ein wichtiges Entwurfsziel ist, dass jedes ursprüngliche ionisierende Ereignis aufgrund einfallender Strahlung nur eine Lawine erzeugt. Gasverstärkungsfaktoren können von Eins im Ionisationsbereich bis 10 ³ oder 10 ⁴ im Proportionalbereich reichen . Der hohe Verstärkungsfaktor des Proportionalzählers ist der Hauptvorteil gegenüber der Ionisationskammer.

Die Sammlung all dieser Elektronen erzeugt eine Ladung an den Elektroden und einen elektrischen Impuls über die Detektionsschaltung. Jeder Impuls entspricht einer Gammastrahl- oder Partikelwechselwirkung. Die Impulshöhe ist proportional zur Anzahl der ursprünglich erzeugten Elektronen. In diesem Fall wird die Impulshöhe jedoch vom Detektor erheblich verstärkt. Der Proportionalitätsfaktor ist in diesem Fall der Gasverstärkungsfaktor. Die Anzahl der erzeugten Elektronen ist proportional zur Energie des einfallenden Teilchens. Proportionalzähler sind daher in der Lage, Partikel zu identifizieren und Energie zu messen (Spektroskopie). Durch Analyse der Impulshöhe können unterschiedliche Strahlungsenergien und unterschiedliche Strahlungstypen unterschieden werden, da sie sich in der Primärionisation signifikant unterscheiden (Low-LET vs. High-LET).

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

Abschrecken – Proportionalzähler

In einem Proportionalzähler ist das Füllgas der Kammer ein Inertgas, das durch einfallende Strahlung ionisiert wird, und ein Löschgas, um sicherzustellen, dass jede Impulsentladung endet; Eine übliche Mischung ist 90% Argon, 10% Methan, bekannt als P-10.

Für jedes in der Kammer gesammelte Elektron bleibt ein positiv geladenes Gasion übrig. Diese Gasionen sind im Vergleich zu einem Elektron schwer und bewegen sich viel langsamer. Freie Elektronen sind viel leichter als die positiven Ionen, daher werden sie viel schneller zur positiven Zentralelektrode gezogen als die positiven Ionen zur Kammerwand. Die resultierende Wolke positiver Ionen in der Nähe der Elektrode führt zu Verzerrungen bei der Gasvermehrung. Schließlich bewegen sich die positiven Ionen vom positiv geladenen zentralen Draht zur negativ geladenen Wand und werden durch Gewinnung eines Elektrons neutralisiert. Dabei wird etwas Energie abgegeben, die eine zusätzliche Ionisierung der Gasatome bewirkt. Die durch diese Ionisation erzeugten Elektronen bewegen sich in Richtung des zentralen Drahtes und werden unterwegs multipliziert. Dieser Ladungsimpuls steht in keinem Zusammenhang mit der zu erfassenden Strahlung und kann eine Reihe von Impulsen auslösen. In der Praxis wird die Beendigung der Lawine durch den Einsatz von „Löschtechniken .

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

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

Detektion von Alpha, Beta und Gammastrahlung mit Proportionalzähler

Proportionalzähler in Form von großflächigen planaren Detektoren werden häufig zur Überprüfung auf radioaktive Kontamination verwendetauf Personal, ebenen Flächen, Werkzeugen und Kleidungsstücken. Proportionalzähler werden normalerweise zum Erfassen von Alpha- und Betateilchen verwendet und können eine Unterscheidung zwischen ihnen ermöglichen, indem eine Impulsausgabe bereitgestellt wird, die proportional zu der von jedem Teilchen in der Kammer abgelagerten Energie ist. Sie haben eine hohe Effizienz für Beta, aber eine niedrigere für Alpha. Damit Alpha- und Betateilchen von Proportionalzählern erfasst werden können, müssen sie mit einem dünnen Fenster versehen sein. Dieses „Endfenster“ muss dünn genug sein, damit die Alpha- und Betateilchen eindringen können. Ein Fenster mit nahezu beliebiger Dicke verhindert jedoch, dass ein Alpha-Partikel in die Kammer gelangt. Das Fenster wird in der Regel aus Glimmer mit einer Dichte von etwa gemacht 1,5 bis 2,0 mg / cm ² niederenergetische Beta – Teilchen (beispielsweise von ermöglichen Kohlenstoff-14), um den Detektor zu betreten. Die Effizienzreduzierung für Alpha ist auf den Dämpfungseffekt des Endfensters zurückzuführen, obwohl der Abstand von der zu prüfenden Oberfläche ebenfalls einen signifikanten Effekt hat. Idealerweise sollte eine Alpha-Strahlungsquelle aufgrund der Dämpfung in der Luft weniger als 10 mm vom Detektor entfernt sein.

Gammastrahlen haben nur sehr geringe Probleme, die Metallwände der Kammer zu durchdringen. Daher können Proportionalzähler verwendet werden, um Gammastrahlung und Röntgenstrahlen (dünnwandige Röhren) zu erfassen, die zusammen als Photonen bekannt sind, und hierfür wird die fensterlose Röhre verwendet.

Der Hauptnachteil bei der Verwendung von Proportionalzählern in tragbaren Instrumenten besteht darin, dass sie eine sehr stabile Stromversorgung und einen Verstärker benötigen, um konstante Betriebsbedingungen (in der Mitte des Proportionalbereichs) zu gewährleisten. Dies ist in einem tragbaren Instrument schwer vorzusehen, und deshalb werden Proportionalzähler eher in festen oder Laborinstrumenten verwendet.

Proportionalzähler – Spektroskopie

Im Allgemeinen sind Spektroskope Vorrichtungen zum Messen der spektralen Leistungsverteilung einer Quelle. Die einfallende Strahlung erzeugt ein Signal, mit dem die Energie des einfallenden Partikels bestimmt werden kann.

In Proportionalzählern ist die Anzahl der erzeugten Elektronen proportional zur Energie und Art des einfallenden Teilchens. Proportionalzähler sind daher in der Lage, Partikel zu identifizieren und Energie zu messen (Spektroskopie). Durch Analyse der Impulshöhe können unterschiedliche Strahlungsenergien und unterschiedliche Strahlungstypen unterschieden werden, da sie sich in der Primärionisation signifikant unterscheiden (Low-LET vs. High-LET). Proportionalzähler können beispielsweise verwendet werden, um ein Spektrum von Alpha-Strahlungen oder ein Spektrum von Beta-Partikeln zu analysieren. Die Energieauflösung eines Proportionalzählers ist jedoch begrenzt, da sowohl das anfängliche Ionisationsereignis als auch das nachfolgende „Multiplikations“ -Ereignis statistischen Schwankungen unterliegen, die durch eine Standardabweichung gekennzeichnet sind, die der Quadratwurzel der gebildeten Durchschnittszahl entspricht.

Ein großvolumiger sphärischer Proportionalzähler kann für Neutronenmessungen verwendet werden. Das reine N ₂ -Gas wird für die thermische und schnelle Neutronendetektion untersucht und bietet einen neuen Weg für die Neutronenspektroskopie. Die Neutronen werden über die ¹⁴ N (n, p) ¹⁴ C- und ¹⁴ N (n, α) ¹¹ B- Reaktionen nachgewiesen.

Es ist zu beachten, dass für die Gammaspektrometrie die häufigsten Detektoren Natriumiodid (NaI) -Szintillationszähler und hochreine Germaniumdetektoren umfassen.

Mehrdraht-Proportionalkammer – MWPC

Eine Mehrdraht-Proportionalkammer ist eine Art Proportionalzähler, der insbesondere in der Hochenergie-Teilchenphysik zum Erfassen geladener Teilchen und Photonen verwendet wird und Positionsinformationen über ihre Flugbahn liefern kann. Dieses Gerät wurde von Georges Charpak und seinen Mitarbeitern entwickelt. Diese Erfindung führte dazu, dass er 1992 den Nobelpreis für Physik erhielt. Die Mehrdrahtkammer verwendet eine Reihe von Hochspannungsdrähten (Anode), die durch eine Kammer mit auf Erdpotential gehaltenen leitenden Wänden (Kathode) verlaufen. Das Prinzip besteht darin, eine Ebene von Anodendrähten mit typischen Drahtabständen von etwa 2 mm genau zu positionieren. Durch Berechnen von Impulsen aus allen Drähten kann die Teilchenbahn gefunden werden.

Detektion von Neutronen mit Proportionalzähler

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

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

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

Der proportionale Zählerausgang hat die Form eines Impulses für jedes ionisierende Ereignis; Daher gibt es eine Reihe von zufälligen Impulsen unterschiedlicher Größe, die Neutronen- und Gamma-Ionisierungsereignisse darstellen. Die Impulshöhe beträgt möglicherweise nur wenige Millivolt, was zu niedrig ist, um ohne Verstärkung direkt verwendet zu werden. Der Diskriminator schließt den Durchgang von Impulsen aus, die kleiner als ein vorbestimmtes Niveau sind. Die Funktion des Diskriminators besteht darin, Rauschen und Gamma-Impulse auszuschließen, deren Größe geringer ist als die von Neutronenimpulsen.

Gasionisationsdetektoren 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. Beispiele für Neutronendetektoren sind kompensierte Ionenkammern, BF ₃ -Zähler, Spaltzähler und Protonenrückstoßzähler.

Vor- und Nachteile in Abhängigkeit von der 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) nützlich sind, um ionisierende Strahlung zu erfassen. Diese Anforderungen sind nachstehend 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 Gamma-Kurve vom Rekombinationsbereich zum Teil des begrenzten Proportionalitätsbereichs.

• 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 wieder vereinigen, und nur ein kleiner Teil der erzeugten Elektronen und Ionen erreicht ihre jeweiligen Elektroden. Mit zunehmender Detektorspannung gelangt jedoch ein immer größerer Teil der erzeugten Ionen zu den Elektroden. Dieser Anstieg setzt sich fort, bis die Spannung „Sättigung“ 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 ursprünglich erzeugten Ionenpaare genau bestimmt werden kann.
• Ionisationsregion . Im Ionisationsbereich führt eine Erhöhung der Spannung nicht zu einer wesentlichen Erhöhung der Anzahl der gesammelten Ionenpaare. Die Anzahl der von den Elektroden gesammelten Ionenpaare ist gleich der Anzahl der von der einfallenden Strahlung erzeugten Ionenpaare und hängt von der Art und Energie der Teilchen oder Strahlen in der einfallenden Strahlung ab. Daher ist in diesem Bereich die Kurve 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 (sekundäre Ionisation) zu erzeugen. Detektoren im Ionisationsbereich arbeiten mit einer geringen elektrischen Feldstärke, die so gewählt ist, dass keine Gasvermehrung stattfindet. Ihr Strom ist unabhängig von der angelegten Spannung und sie sindbevorzugt für hohe Strahlendosisleistungen, da sie keine „Totzeit“ aufweisen, ein Phänomen, das die Genauigkeit der Geiger-Müller-Röhre bei hohen Dosisleistungen beeinträchtigt.
• Proportionalbereich . Im proportionalen Bereich steigt die gesammelte Ladung mit einem weiteren Anstieg der Detektorspannung, während die Anzahl der Primärionenpaare unverändert bleibt. Durch die Erhöhung der Spannung erhalten die Primärelektronen eine ausreichende Beschleunigung und Energie, so dass sie zusätzliche Atome des Mediums ionisieren können. Diese gebildeten Sekundärionen werden ebenfalls beschleunigt und verursachen einen als Townsend-Lawinen bekannten Effekt , der einen einzigen großen elektrischen Impuls erzeugt. Auch wenn es eine große Anzahl von Sekundärionen (etwa 10 ³ – 10 ⁵ ) für jedes Primärereignis wird die Kammer immer so betrieben wird, dass die Zahl der Sekundärionen ist proportionalauf die Anzahl der primären Ereignisse. Dies ist sehr wichtig, da die primäre Ionisierung von der Art und Energie der Partikel oder Strahlen im Feld der abgefangenen Strahlung abhängt. Die Anzahl der gesammelten Ionenpaare geteilt durch die Anzahl der durch die primäre Ionisierung erzeugten Ionenpaare liefert den Gasverstärkungsfaktor (mit A bezeichnet). Die in diesem Bereich auftretende Gasverstärkung kann die Gesamtmenge der Ionisation auf einen messbaren Wert erhöhen. 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. Außerdem können Proportionalzähler Partikel identifizieren und Energie messen (Spektroskopie). Unterschiedliche Strahlungsenergien und Strahlungsarten können durch Analyse der Impulshöhe 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 bewirken, dass bei einer gegebenen angelegten Spannung keine Proportionalität des Ausgangssignals zur abgeschiedenen Energie besteht. Das elektrische Feld in der Kammer ist aufgrund der hohen positiven Ionenkonzentration verzerrt. 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. Dieser Bereich wird üblicherweise als Erfassungsbereich vermieden.
• Geiger-Müller-Region . In der Geiger-Müller-Region 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 durch das elektrische Feld beeinflusst werden, können sie weit (z. B. seitlich zur Achse) von der Primärlawine wechselwirken, wobei die gesamte Geiger-Röhre am Prozess beteiligt ist. Ein starkes Signal (der Verstärkungsfaktor kann ca. 10 ^{10 erreichen}) wird durch diese Lawinen mit Form und Höhe unabhängig von der Primärionisation und der Energie des detektierten Photons erzeugt. Detektoren, die im Geiger-Müller-Gebiet betrieben werden, können sowohl Gammastrahlen als auch alle Arten geladener Teilchen detektieren, die in den Detektor eindringen können. Diese Detektoren werden als Geigerzähler bezeichnet . Der Hauptvorteil dieser Instrumente besteht darin, dass sie normalerweise keine Signalverstärker benötigen. Da sich die positiven Ionen nicht weit vom Lawinengebiet entfernen, stört eine positiv geladene Ionenwolke das elektrische Feld und beendet den Lawinenprozess. In der Praxis wird die Beendigung der Lawine durch den Einsatz von „ Quenching “ verbessertTechniken. Im Gegensatz zu Proportionalzählern kann die Energie oder auch einfallende Strahlung nicht von Geigerzählern unterschieden werden, da das Ausgangssignal unabhängig von Menge und Art der ursprünglichen Ionisation ist.
• Entladungsregion . Schließlich erzeugt das elektrische Feld bei noch höheren Spannungen (oberhalb des Geiger-Müller-Gebiets) eine kontinuierliche Entladung des Mediums, wobei die Kammer gegenüber einer einfallenden Ionisation nicht mehr empfindlich ist. Dieser Bereich wird nicht zum Nachweis oder zur Messung ionisierender Strahlung verwendet. Wenn die Spannung der Geiger-Röhre über das Ende des Plateaus erhöht wird, beginnt die Zählrate wieder schnell zu steigen, bis eine kontinuierliche Entladung einsetzt, bei der die Röhre keine Strahlung erfassen kann und beschädigt werden kann.

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) nützlich sind, um ionisierende Strahlung zu erfassen. Diese Anforderungen sind nachstehend 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 Gamma-Kurve vom Rekombinationsbereich zum Teil des begrenzten Proportionalitätsbereichs.

Entladungsgebiet

Schließlich erzeugt das elektrische Feld bei noch höheren Spannungen (oberhalb des Geiger-Müller-Gebiets) eine kontinuierliche Entladung des Mediums, wobei die Kammer gegenüber einer einfallenden Ionisation nicht mehr empfindlich ist. Dieser Bereich wird nicht zum Nachweis oder zur Messung ionisierender Strahlung verwendet. Wenn die Spannung der Geiger-Röhre über das Ende des Plateaus erhöht wird, beginnt die Zählrate wieder schnell zu steigen, bis eine kontinuierliche Entladung einsetzt, bei der die Röhre keine Strahlung erfassen kann und beschädigt werden kann.

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) nützlich sind, um ionisierende Strahlung zu erfassen. Diese Anforderungen sind nachstehend 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 Gamma-Kurve vom Rekombinationsbereich zum Teil des begrenzten Proportionalitätsbereichs.

Geiger-Müller-Region

In der Geiger-Müller-Region 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 durch das elektrische Feld beeinflusst werden, können sie weit (z. B. seitlich zur Achse) von der Primärlawine wechselwirken, wobei die gesamte Geigerröhre am Prozess beteiligt ist. Ein starkes Signal (der Verstärkungsfaktor kann ca. 10 ^{10 erreichen}) wird durch diese Lawinen mit Form und Höhe unabhängig von der Primärionisation und der Energie des detektierten Photons erzeugt. Detektoren, die im Geiger-Müller-Gebiet betrieben werden, können sowohl Gammastrahlen als auch alle Arten geladener Teilchen detektieren, die in den Detektor eindringen können. Diese Detektoren werden als Geigerzähler bezeichnet . Der Hauptvorteil dieser Instrumente besteht darin, dass sie normalerweise keine Signalverstärker benötigen. Da sich die positiven Ionen nicht weit vom Lawinengebiet entfernen, stört eine positiv geladene Ionenwolke das elektrische Feld und beendet den Lawinenprozess. In der Praxis wird die Beendigung der Lawine durch den Einsatz von „ Quenching “ verbessertTechniken. Im Gegensatz zu Proportionalzählern kann die Energie oder auch einfallende Strahlung nicht von Geigerzählern unterschieden werden, da das Ausgangssignal unabhängig von Menge und Art der ursprünglichen Ionisation ist.

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) nützlich sind, um ionisierende Strahlung zu erfassen. Diese Anforderungen sind nachstehend 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 Gamma-Kurve vom Rekombinationsbereich zum Teil des begrenzten Proportionalitätsbereichs.

Begrenzte proportionale Region

Im begrenzten Proportionalbereich steigt der Gasverstärkungsfaktor nicht proportional zur Spannung weiter an. Zusätzliche Ionisationen und nichtlineare Effekte bewirken, dass bei einer gegebenen angelegten Spannung keine Proportionalität des Ausgangssignals zur abgeschiedenen Energie besteht. Das elektrische Feld in der Kammer ist aufgrund der hohen positiven Ionenkonzentration verzerrt. 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. Dieser Bereich wird üblicherweise als Erfassungsbereich vermieden.

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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.

Szintillationsmaterialien – Szintillatoren

Szintillatoren sind Arten von Materialien, die nach dem Durchgang eines geladenen Teilchens oder eines Photons nachweisbare Photonen im sichtbaren Teil des Lichtspektrums liefern. Der Szintillator besteht aus einem transparenten Kristall , normalerweise einer Phosphor-, Kunststoff- oder organischen Flüssigkeit, die beim Auftreffen von ionisierender Strahlung fluoresziert. Der Szintillator muss auch für seine eigenen Lichtemissionen transparent sein und eine kurze Abklingzeit haben. Der Szintillator muss auch von allem Umgebungslicht abgeschirmt sein, damit externe Photonen die durch einfallende Strahlung verursachten Ionisationsereignisse nicht überschwemmen. Um dies zu erreichen, wird häufig eine dünne undurchsichtige Folie wie aluminisiertes Mylar verwendet, die jedoch eine ausreichend geringe Masse aufweisen muss, um eine übermäßige Dämpfung der gemessenen einfallenden Strahlung zu minimieren .

In der Kern- und Teilchenphysik werden hauptsächlich zwei Arten von Szintillatoren verwendet: organische oder plastische Szintillatoren und anorganische oder kristalline Szintillatoren.

Anorganische Szintillatoren

Anorganische Szintillatoren sind normalerweise Kristalle, die in Hochtemperaturöfen gezüchtet werden. Sie umfassen Lithiumiodid (LiI), Natriumiodid (NaI) , Cäsiumiodid (CsI) und Zinksulfid (ZnS). Das am häufigsten verwendete Szintillationsmaterial ist NaI (Tl) (mit Thallium dotiertes Natriumiodid). Das Jod liefert den größten Teil der Bremskraft in Natriumjodid (da es ein hohes Z = 53 hat). Diese kristallinen Szintillatoren zeichnen sich durch eine hohe Dichte, eine hohe Atomzahl und Pulsabklingzeiten von etwa 1 Mikrosekunde ( ~ 10 ^-6 s) aus). Die Szintillation in anorganischen Kristallen ist typischerweise langsamer als in organischen. Sie weisen eine hohe Effizienz für die Detektion von Gammastrahlen auf und können mit hohen Zählraten umgehen. Anorganische Kristalle können in kleine Größen geschnitten und in einer Array-Konfiguration angeordnet werden , um eine Positionsempfindlichkeit bereitzustellen. Diese Funktion wird in der medizinischen Bildgebung häufig zur Erkennung von Röntgen- oder Gammastrahlen eingesetzt . Anorganische Szintillatoren können Gammastrahlen und Röntgenstrahlen besser nachweisen als organische Szintillatoren. Dies ist auf ihre hohe Dichte und Ordnungszahl zurückzuführen, die eine hohe Elektronendichte ergeben. Ein Nachteil einiger anorganischer Kristalle, z. B. NaI, ist ihre HygroskopizitätDies ist eine Eigenschaft, bei der sie in einem luftdichten Behälter untergebracht werden müssen, um sie vor Feuchtigkeit zu schützen.

Thallium-dotierte Natriumiodid- NaI (Tl) -Szintillatoren

Das am häufigsten verwendete Szintillationsmaterial ist NaI (Tl) (mit Thallium dotiertes Natriumiodid) . NaI (Tl) als Szintillator wird in Szintillationsdetektoren verwendet, traditionell in der Nuklearmedizin, Geophysik, Kernphysik und Umweltmessungen. Das Jod liefert den größten Teil der Bremskraft in Natriumjodid (da es ein hohes Z = 53 hat). Diese kristallinen Szintillatoren zeichnen sich durch eine hohe Dichte, eine hohe Atomzahl und Impulsabklingzeiten von etwa 1 Mikrosekunde (~ 10 ^-6 s) aus. Die Wellenlänge der maximalen Emission beträgt 415 nm. Die Szintillation in anorganischen Kristallen ist typischerweise langsamer als in organischen. Sie weisen eine hohe Effizienz für die Detektion von Gammastrahlen auf und können mit hohen Zählraten umgehen. Anorganische Kristalle können in kleine Größen geschnitten und in einer Array-Konfiguration angeordnet werden, um eine Positionsempfindlichkeit bereitzustellen. Diese Funktion wird in der medizinischen Bildgebung häufig zur Erkennung von Röntgen- oder Gammastrahlen eingesetzt. Anorganische Szintillatoren können Gammastrahlen und Röntgenstrahlen besser nachweisen. Dies ist auf ihre hohe Dichte und Ordnungszahl zurückzuführen, die eine hohe Elektronendichte ergeben. Ein Nachteil einiger anorganischer Kristalle, z. B. NaI, ist ihre Hygroskopizität, eine Eigenschaft, bei der sie in einem luftdichten Behälter untergebracht werden müssen, um sie vor Feuchtigkeit zu schützen. Die Kristalle sind gewöhnlich mit einer Photovervielfacherröhre in einer hermetisch abgedichteten Anordnung gekoppelt.

Thallium-dotierte Cäsiumiodid- CsI ​​(Tl) -Szintillatoren

Cäsiumiodid (CsI) in kristalliner Form wird als Szintillator zum Nachweis von Protonen und Alpha-Partikeln verwendet . Pure CsI ist ein schnelles und dichtes szintillierendes Material mit relativ geringer Lichtausbeute, das mit dem Abkühlen erheblich ansteigt. Die Nachteile von CsI sind ein hoher Temperaturgradient und eine leichte Hygroskopizität.

Thallium-dotiertes Cäsiumiodid hat eine effektive Ordnungszahl von 54 und eine Dichte von 4,51 g / cm ³ . CsI ​​(TI) ist ebenfalls hygroskopisch und sollte keiner hohen Luftfeuchtigkeit oder Wasser ausgesetzt werden. CsI ​​(TI) hat unterschiedliche Abklingzeiten für unterschiedliche Partikel (680 ns und 3340 ns) und kann zur Bestimmung zwischen verschiedenen Arten von Strahlung verwendet werden. Das Emissionsspektrum liegt bei 540-560 nm.

Organische Szintillatoren

Organische Szintillatoren sind Arten von organischen Materialien, die nach dem Durchgang eines geladenen Teilchens oder eines Photons im sichtbaren Teil des Lichtspektrums nachweisbare Photonen liefern. Der Szintillationsmechanismus in organischen Materialien unterscheidet sich stark vom Mechanismus in anorganischen Kristallen. In anorganischen Szintillatoren, zB NaI, CsI, entsteht die Szintillation aufgrund der Struktur des Kristallgitters. Der Fluoreszenzmechanismus in organischen Materialien ergibt sich aus Übergängen der Energieniveaus eines einzelnen Moleküls, und daher kann die Fluoreszenz unabhängig vom physikalischen Zustand (Dampf, Flüssigkeit, Feststoff) beobachtet werden.

Im Allgemeinen haben organische Szintillatoren schnelle Abklingzeiten (typischerweise ~ 10 ^–8 s ), während anorganische Kristalle normalerweise viel langsamer sind (~ 10 ^–6 s), obwohl einige auch schnelle Komponenten in ihrer Reaktion haben. Es gibt drei Arten von organischen Szintillatoren:

• Reine organische Kristalle . Reine organische Kristalle umfassen Kristalle von Anthracen, Stilben und Naphthalin. Die Abklingzeit dieser Art von Leuchtstoff beträgt ungefähr 10 Nanosekunden. Diese Art von Kristall wird häufig zum Nachweis von Beta-Partikeln verwendet . Sie sind sehr langlebig, aber ihre Reaktion ist anisotrop (was die Energieauflösung beeinträchtigt, wenn die Quelle nicht kollimiert wird), und sie können weder leicht bearbeitet noch in großen Größen gezüchtet werden. Daher werden sie nicht sehr oft verwendet.
• Flüssige organische Lösungen . Flüssige organische Lösungen werden durch Auflösen eines organischen Szintillators in einem Lösungsmittel hergestellt.
• Plastikszintillatoren . Kunststoffleuchtstoffe werden durch Zugabe von Szintillationschemikalien zu einer Kunststoffmatrix hergestellt. Die Abklingkonstante ist die kürzeste der drei Leuchtstoffarten und nähert sich 1 oder 2 Nanosekunden. Kunststoff-Szintillatoren eignen sich daher besser für die Verwendung in Umgebungen mit hohem Fluss und bei Messungen mit hoher Dosisleistung. Der Kunststoff hat einen hohen Wasserstoffgehalt und ist daher für schnelle Neutronendetektoren nützlich . Die Erzeugung eines nachweisbaren Photons in einem Szintillator erfordert wesentlich mehr Energie als ein Elektron-Ionen-Paar durch Ionisation (typischerweise um den Faktor 10). Da anorganische Szintillatoren mehr Licht als organische Szintillatoren erzeugen, sind sie folglich besser für Anwendungen bei niedrigen Energien geeignet .