Strahlendosimetrie

Bei Strahlungserfassungssystemen, die Impulse (diskrete Ereignisse) aufzeichnen , ist die Totzeit die Zeit nach jedem Ereignis, während der das System kein anderes Ereignis aufzeichnen kann. Dieses Phänomen ist zum Beispiel für Geigerzähler sehr wichtig . Aufgrund der großen Lawine, die durch eine Ionisierung verursacht wird, benötigt ein Geigerzähler eine lange Zeit (etwa 1 ms), um sich zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen zu erholen. Geigerzähler können daher aufgrund der „Totzeit“ der Röhre keine hohen Strahlungsraten messen.

Mit anderen Worten, die Totzeit ist die Zeit, in der der Detektor beschäftigt ist und keine Impulse annehmen und verarbeiten kann. Bei Detektoren für ionisierende Strahlung kann dieses Phänomen schwerwiegende Folgen haben, da die Totzeit die Leistung bei hohen Aktivitäten oder hohen Dosisleistungen verfälscht. Die gesamte Totzeit eines Detektionssystems ergibt sich üblicherweise aus den Beiträgen der intrinsischen Totzeit des Detektors, des analogen Frontends und der Datenerfassung.

verlängerbare und nicht verlängerbare Totzeit

Aufgrund der zufälligen Natur des radioaktiven Zerfalls besteht immer eine gewisse Wahrscheinlichkeit, dass ein echtes Ereignis verloren geht, da gerade ein anderes Ereignis aufgezeichnet wird und der Detektor nicht mehr als einen Impuls annehmen und verarbeiten kann.

Für Berechnungen des Zählverlusts werden zwei Typen von Totzeit unterschieden: die nicht verlängerbare und die verlängerbare Totzeit:

• verlängerbare. In einem Detektor mit der verlängerbare Totzeit wird ein Ereignis, das während der Totzeit auftritt, nicht nur übersehen, sondern die Totzeit neu gestartet, so dass der Detektor mit zunehmender Geschwindigkeit einen Sättigungspunkt erreicht, an dem er überhaupt kein Ereignis mehr aufzeichnen kann.
• nicht verlängerbare. In einem Detektor mit der nicht verlängerbare Totzeit geht ein Ereignis, das während der Totzeit auftritt, einfach verloren, so dass der Detektor mit zunehmender Ereignisrate eine Sättigungsrate erreicht, die dem Inversen der Totzeit entspricht.

Löschen – Totzeit – Geigerzähler

Das Totzeitphänomen ist auch für Geigerzähler sehr wichtig. Typischerweise hat es einen Wert von ca. 100 μs (bei Proportionalzählern ist es viel weniger) und so wird nach jedem Ionisationsereignis eine Geiger-Röhre grundsätzlich für 100 μs abgeschaltet.

In einem Geigerzähler ist das Füllgas der Kammer ein Inertgas, das durch einfallende Strahlung ionisiert wird, und ein Quenchgas aus 5–10% eines organischen Dampfs oder eines Halogengases, um ein störendes Pulsieren durch Löschen der Elektronenlawinen zu verhindern . Der Geigerzähler sollte keine Störimpulse abgeben und schnell in den passiven Zustand zurückkehren, um für das nächste Strahlungsereignis bereit zu sein. 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 jedes in der Kammer gesammelte Elektron verbleibt jedoch 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. Diese Atome kehren dann in ihren Grundzustand zurück, indem sie Photonen emittieren, die wiederum eine weitere Ionisation und damit falsche Sekundärentladungen erzeugen. 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 von verbessert„Quenching“ -Techniken .

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. Diese Art des Abschreckens wird als Selbstabschrecken oder inneres Abschrecken bezeichnet , da Röhren die Entladung ohne externe Unterstützung stoppen.

Für Geigerzähler ist auch eine externe Löschung möglich, die manchmal als “ aktive Löschung “ oder “ elektronische Löschung “ bezeichnet wird. Beim elektronischen Löschen wird eine vereinfachte Hochgeschwindigkeits-Steuerelektronik verwendet, um die Hochspannung zwischen den Elektroden nach jeder Entladungsspitze für eine feste Zeit schnell zu entfernen und wieder anzulegen, um die maximale Zählrate und Lebensdauer der Röhre zu erhöhen.

Im Allgemeinen ist die Spektroskopie die Wissenschaft der Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Materie und Strahlungsenergie, während die Spektrometrie die Methode ist, mit der eine quantitative Messung des Spektrums durchgeführt wird. Spektroskopie (Scopy bedeutet Beobachtung ) liefert keine Ergebnisse. Es ist der theoretische Ansatz der Wissenschaft. Spektrometrie (Metrie bedeutet Messung ) ist die praktische Anwendung, bei der die Ergebnisse generiert werden. Es ist die Messung der Intensität der Strahlung mit einem elektronischen Gerät. Oft werden diese Begriffe synonym verwendet, aber jede Spektrometrie ist keine Spektroskopie (z. B. Massenspektrometrie vs.Massenspektroskopie).

Gammaspektroskopie

Im Allgemeinen ist die Gammaspektroskopie die Untersuchung der Energiespektren von Gammastrahlenquellen, beispielsweise in der Nuklearindustrie, bei geochemischen Untersuchungen und in der Astrophysik. Spektroskope oder Spektrometer sind hochentwickelte Geräte, mit denen die spektrale Leistungsverteilung einer Quelle gemessen werden kann. Die einfallende Strahlung erzeugt ein Signal, mit dem die Energie des einfallenden Partikels bestimmt werden kann.

Die meisten radioaktiven Quellen erzeugen Gammastrahlen unterschiedlicher Energie und Intensität. Gammastrahlen begleiten häufig  die Emission  von  Alpha-  und  Betastrahlen . Wenn diese Emissionen mit einem Spektroskopiesystem erfasst und analysiert werden, kann ein Gammastrahlen-Energiespektrum erzeugt werden. Gammastrahlen vom radioaktiven Zerfallliegen im Energiebereich von einigen keV bis ~ 8 MeV, was den typischen Energieniveaus in Kernen mit angemessen langer Lebensdauer entspricht. Wie geschrieben wurde, werden sie durch den Zerfall von Kernen beim Übergang von einem Zustand hoher Energie in einen Zustand niedrigerer Energie erzeugt. Eine detaillierte Analyse dieses Spektrums wird typischerweise verwendet, um die Identität und Menge der in einer Probe vorhandenen Gammastrahler zu bestimmen , und ist ein wichtiges Instrument im radiometrischen Assay. Das Gamma-Spektrum ist charakteristisch für die in der Quelle enthaltenen Gamma-emittierenden Nuklide.

Röntgenspektroskopie

Röntgenspektroskopie ist ein allgemeiner Begriff für verschiedene spektroskopische Techniken zur Charakterisierung von Materialien unter Verwendung von Röntgenanregung. Wenn ein Elektron aus der inneren Hülle eines Atoms durch die Energie eines Photons angeregt wird, bewegt es sich auf ein höheres Energieniveau. Da der Prozess eine Lücke  in dem Elektronenenergieniveau hinterlässt,  aus dem das Elektron stammt, kaskadieren die äußeren Elektronen des Atoms nach  unten  , um die unteren Atomniveaus und eine oder mehrere charakteristische Röntgenstrahlen aufzufüllen  werden normalerweise ausgestrahlt. Infolgedessen treten im Spektrum scharfe Intensitätsspitzen bei Wellenlängen auf, die für das Material charakteristisch sind, aus dem das Anodentarget hergestellt ist. Die Frequenzen der charakteristischen Röntgenstrahlen können aus dem Bohr-Modell vorhergesagt werden. Die Analyse des Röntgenemissionsspektrums liefert qualitative Ergebnisse über die Elementzusammensetzung der Probe.

Gammastrahlenspektrometer – Gammastrahlenspektroskop

Das Studium und die Analyse von Gammastrahlenspektren für wissenschaftliche und technische Zwecke wird wie geschrieben als Gammaspektroskopie bezeichnet, und Gammastrahlenspektrometer sind die Instrumente, die solche Daten beobachten und sammeln. Ein Gammastrahlenspektrometer (GRS) ist ein hoch entwickeltes Gerät zur Messung der Energieverteilung von Gammastrahlung. Für die Messung von Gammastrahlen über mehreren hundert keV sind zwei Detektorkategorien von großer Bedeutung, anorganische Szintillatoren wie NaI (T1) und Halbleiterdetektoren. In den vorhergehenden Artikeln haben wir die Gammaspektroskopie unter Verwendung eines Szintillationsdetektors beschrieben, der aus einem geeigneten Szintillatorkristall, einer Photovervielfacherröhre und einer Schaltung zum Messen der Höhe der vom Photovervielfacher erzeugten Impulse besteht. Die Vorteile eines Szintillationszählers sind seine Effizienz (große Größe und hohe Dichte) und die möglichen hohen Genauigkeiten und Zählraten. Aufgrund der hohen Ordnungszahl von Jod führt eine große Anzahl aller Wechselwirkungen zu einer vollständigen Absorption der Gammastrahlenenergie, so dass der Photofraktion hoch ist.

Wenn jedoch eine perfekte Energieauflösung erforderlich ist, müssen wir einen Detektor auf Germaniumbasis wie den HPGe-Detektor verwenden . Halbleiterdetektoren auf Germaniumbasis werden am häufigsten dort eingesetzt, wo eine sehr gute Energieauflösung erforderlich ist, insbesondere für die Gammaspektroskopie sowie für die Röntgenspektroskopie. In der Gammaspektroskopie wird Germanium bevorzugt, da seine Ordnungszahl viel höher als die von Silizium ist und die Wahrscheinlichkeit einer Gammastrahlenwechselwirkung erhöht. Darüber hinaus hat Germanium eine niedrigere durchschnittliche Energie, die zur Erzeugung eines Elektron-Loch-Paares erforderlich ist, nämlich 3,6 eV für Silizium und 2,9 eV für Germanium. Dies bietet letzteren auch eine bessere Energieauflösung. Das FWHM (volle Breite bei halbem Maximum) für Germaniumdetektoren ist eine Funktion der Energie. Für ein 1,3-MeV-Photon beträgt die FWHM 2,1 keV, was sehr niedrig ist.

Gammaspektrumstruktur – Das Cobalt-60-Spektrum

Die Analyse von Gammaspektren ist sehr interessant, da sie eine Struktur aufweist und die Arbeiter zwischen zu analysierenden echten Impulsen und begleitenden Impulsen aus verschiedenen Strahlungsquellen unterscheiden müssen. Wir werden die Struktur des Gammaspektrums am Beispiel von Cobalt-60 zeigen, gemessen mit dem NaI (Tl) -Szintillationsdetektor und mit dem HPGe-Detektor. Der HPGe-Detektor ermöglicht die Trennung vieler eng beieinander liegender Gammalinien, was für die Messung von radioaktiven Quellen mit mehreren Gammasendungen sehr vorteilhaft ist.

Kobalt-60  ist ein künstliches radioaktives Kobaltisotop mit einer Halbwertszeit von 5,2747 Jahren . Es wird synthetisch durch Neutronenaktivierung von Cobalt-59 in Kernreaktoren hergestellt . Kobalt-60 ist eine in vielen Labors übliche Kalibrierungsquelle. Das Gammaspektrum weist zwei signifikante Peaks auf , einen bei 1173,2 keV und einen bei 1332,5 keV . Gute Szintillationsdetektoren sollten eine ausreichende Auflösung haben, um die beiden Peaks zu trennen. Bei HPGe-Detektoren sind diese Peaks perfekt getrennt.

Wie aus der Figur ersichtlich ist, gibt es zwei Gammastrahlen-Photopeaks . Beide Detektoren zeigen auch Ansprechen bei den niedrigeren Energien, die durch Compton – Streuung , zwei kleinere escape Peaks bei Energien 0,511 und 1,022 MeV unterhalb des Photopeaks für die Erzeugung von Elektron-Positron – Paaren , wenn eine oder beide Annihilationsphotonen entweichen, und einem Rückstreu peak . Höhere Energien können gemessen werden, wenn zwei oder mehr Photonen fast gleichzeitig auf den Detektor treffen und als Summenspitzen mit Energien bis zum Wert von zwei oder mehr hinzugefügten Photopeaks auftreten.

Die allgemeine Struktur des Gammastrahlenspektrums weist normalerweise die folgenden Hauptmerkmale auf :

• Photopeaks sind Peaks voller Energie, die erzeugt werden, wenn γ-Strahlen ihre volle Energie (hω-E- _Bindung ) in das empfindliche Material (Szintillationskristall oder Germaniumkristall) übertragen. Dann sollte eine einzelne Delta-Funktion im Spektrum beobachtet werden. Das Cobalt-60-Spektrum enthält zwei Photopeaks, einen bei 1173,2 keV und einen bei 1332,5 keV.
• Compton Continuum . Im Kristall unterliegt ein Gammastrahl einer Reihe von Wechselwirkungen, bei Zwischenenergien dominiert jedoch die Compton-Effekt. Bei der Compton-Effekt wird das einfallende Gammastrahlenphoton um einen Winkel Θ in Bezug auf seine ursprüngliche Richtung abgelenkt. Das Photon überträgt einen Teil seiner Energie auf das Rückstoßelektron. Die auf das Rückstoßelektron übertragene Energie kann von Null bis zu einem großen Bruchteil (Maximum E) der einfallenden Gammastrahlenenergie variieren, da alle Streuwinkel möglich sind. Die Größe des Szintillationskristalls verändert das Verhältnis zwischen Photopeak und Compton-Kontinuum. Für einen unendlich großen sphärischen Detektor, der um eine Quelle zentriert ist, könnten keine Photonen entweichen und nur ein Photopeak wäre im Spektrum zu sehen. Bei sehr kleinen Detektoren ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Photon nach der Compton-Effekt austritt, hoch und das Compton-Kontinuum wäre im Vergleich zum Photopeak groß.
• Compton Edge . Die Compton-Kante ist ein Merkmal des Spektrographen, das sich aus der Compton-Effekt im Szintillator oder Detektor ergibt. Dieses Merkmal ist auf Photonen zurückzuführen, die eine Compton-Effekt mit einem Streuwinkel von 180 ° erfahren und dann aus dem Detektor entweichen. Wenn ein Gammastrahl vom Detektor streut und entweicht, kann nur ein Bruchteil seiner Anfangsenergie in der empfindlichen Schicht des Detektors abgelagert werden. Es hängt vom Streuwinkel des Photons ab, wie viel Energie im Detektor abgeschieden wird. Dies führt zu einem Spektrum von Energien. Die Compton-Kantenenergie entspricht einem vollständig rückgestreuten Photon .  Die Zählungen zwischen der Compton-Kante und den Photopeaks werden durch mehrere Compton-Streuereignisse verursacht, bei denen gestreutes Gammaphoton aus dem empfindlichen Material austritt.

Manchmal weist die Struktur des Gammastrahlenspektrums die folgenden sekundären Merkmale auf :

• 

  Backscatter Peak . Ein Compton-Rückstreupeak wird gefunden, wenn γ-Strahlen um den Detektor herum in das Material eintreten und zurück in den Detektor gestreut werden. Gammaphotonen können durch den Compton-Mechanismus in Abschirmungen oder umgebenden Materialien interagieren und werden aus einem Material in ein empfindliches Volumen zurückgestreut. Die maximale Photonenenergie bei dieser Wechselwirkung beträgt ~ 200 keV, unabhängig von der anfänglichen Photonenenergie. Dies führt zu einem sekundären Peak bei -200 keV.

• Röntgenpeaks . Wenn die Gammastrahlen in umgebenden Materialien (z. B. Bleiabschirmung) einen photoelektrischen Effekt erfahren, kann die ausgehende Röntgenstrahlung vom Detektor wieder erfasst werden. Dies ergibt einen charakteristischen Röntgenpeak mit einer Energie, die von dem Material abhängt, aus dem er stammt. Bei Blei liegen die charakteristischen Röntgenenergien im Bereich von 72-84 keV. Photoelektrische Absorption durch K-Schalen-Elektronen in Abschirmung, was zu einer K-Schalen-Leerstelle führt. Der K -> L-Übergang für Blei = 72 keV. Wenn diese charakteristische Röntgenstrahlung im Kristall absorbiert wird, wird ein sekundärer Peak bei 72 keV beobachtet.
• Zufallsspitze . Gleichzeitige Absorption von zwei Gammaphotonen im Kristall, was zu einem Peak mit höherer Energie als der Photopeak führt. Die Gammaphotonen können aus seriellen isomeren Übergängen (z. B. 2 keV plus 1332,5 keV bei Cobalt-60) oder gleichzeitigen Zerfällen in getrennten Radionukliden (z. B. 2 x 1173,2 keV bei Cobalt-60) resultieren.
• Vernichtungsgipfel . Für hochenergetische Gammastrahlen (größer als 1,02 MeV) ist die Erzeugung von Elektronen-Positronen-Paaren eine mögliche Wechselwirkung. Ein Positron kann sich dann jedoch im Detektor oder im umgebenden Material vernichten. Wenn beide Vernichtungsphotonen mit 0,51 MeV im Kristall absorbiert werden, kann ein sekundärer Peak von 1,02 MeV unterhalb des Photopeaks gefunden werden. Wenn ein Vernichtungsphoton absorbiert wird und das zweite den Kristall verlässt, werden 0,51 MeV aus dem Photopeak entfernt, was zu einem sekundären Peak von 0,51 MeV unter dem Photopeak führt. Die Wahrscheinlichkeit ist größer, dass ein Vernichtungsphoton absorbiert wird.

Ein NaI (Tl) -Szintillationszähler  ist ein Strahlungsdetektor, der den als Szintillation bekannten Effekt nutzt . Szintillation, die im NaI (Tl) -Kristall auftritt  , ist ein Lichtblitz, der in einem transparenten Material durch den Durchgang eines Teilchens (eines Elektrons, eines Alphateilchens, eines Ions oder eines hochenergetischen Photons) erzeugt wird. Szintillation tritt im Szintillator auf, der ein wesentlicher Bestandteil eines Szintillationsdetektors ist. Im Allgemeinen besteht ein Szintillationsdetektor aus:

• Szintillator . Ein Szintillator erzeugt Photonen als Reaktion auf einfallende Strahlung.
• Fotodetektor . Ein empfindlicher Fotodetektor (normalerweise eine Fotovervielfacherröhre (PMT), eine Kamera mit ladungsgekoppelten Bauelementen (CCD) oder eine Fotodiode), der das Licht in ein elektrisches Signal umwandelt, und eine Elektronik, um dieses Signal zu verarbeiten.

Das grundlegende Funktionsprinzip besteht darin, dass die Strahlung mit einem Szintillator reagiert, der eine Reihe von Blitzen unterschiedlicher Intensität erzeugt. Die Intensität der Blitze ist proportional zur Strahlungsenergie. Diese Funktion ist sehr wichtig. Diese Zähler eignen sich zur Messung der Energie von Gammastrahlung ( Gammaspektroskopie ) und können daher zur Identifizierung von Gamma-emittierenden Isotopen verwendet werden.

Szintillationszähler sind im Strahlenschutz , in der Untersuchung radioaktiver Materialien und in der Physikforschung weit verbreitet , da sie kostengünstig und dennoch mit guter Effizienz hergestellt werden können und sowohl die Intensität als auch die Energie der einfallenden Strahlung messen können. Krankenhäuser auf der ganzen Welt haben Gammakameras, die auf dem Szintillationseffekt basieren, und werden daher auch Szintillationskameras genannt.

Die Vorteile eines Szintillationszählers liegen in seiner Effizienz und den möglichen hohen Genauigkeiten und Zählraten. Diese letzteren Eigenschaften sind eine Folge der extrem kurzen Dauer der Lichtblitze von etwa 10 ^{& supmin}  ; & sup9; (organische Szintillatoren) bis 10 ^{& supmin} ; & sup6; (anorganische Szintillatoren) Sekunden. Die Intensität der Blitze und die Amplitude des Ausgangsspannungsimpulses sind proportional zur Energie der Strahlung . Daher können Szintillationszähler verwendet werden, um die Energie sowie die Anzahl der anregenden Teilchen (oder Gammaphotonen) zu bestimmen. Für die Gammaspektrometrie gehören zu den gebräuchlichsten Detektoren Natriumiodid (NaI) -Szintillationszähler und hochreine Germaniumdetektoren.

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. Der NaI (Tl) -Szintillator hat eine höhere Energieauflösung als ein ProportionalzählerDies ermöglicht genauere Energiebestimmungen. 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.

Fotovervielfacherröhre

Photomultiplier Tubes (PMTs) sind Photonendetektionsgeräte, die den photoelektrischen Effekt in Kombination mit Sekundäremission nutzen, um Licht in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Ein Photovervielfacher absorbiert das vom Szintillator emittierte Licht und gibt es über den photoelektrischen Effekt in Form von Elektronen wieder ab . Das PMT ist seit jeher die erste Wahl für die Photonendetektion, da es eine hohe Quantenausbeute und eine hohe Verstärkung aufweist.

Komponenten der Fotovervielfacherröhre

Das Gerät besteht aus mehreren Komponenten und diese Komponenten sind in der Abbildung dargestellt.

• Fotokathode . Unmittelbar nach einem dünnen Eintrittsfenster befindet sich eine Fotokathode, die aus Material besteht, in dem die Valenzelektronen schwach gebunden sind und einen hohen Querschnitt zur Umwandlung von Photonen in Elektronen über den photoelektrischen Effekt aufweisen. Beispielsweise kann Cs ₃ Sb (Cäsium-Antimon) verwendet werden. Infolgedessen trifft das im Szintillator erzeugte Licht auf die Fotokathode einer Photovervielfacherröhre und setzt höchstens ein Photoelektron pro Photon frei.
• Dynoden . Unter Verwendung eines Spannungspotentials wird diese Gruppe von Primärelektronen elektrostatisch beschleunigt und fokussiert, so dass sie mit genügend Energie auf die erste Dynode treffen, um zusätzliche Elektronen freizusetzen. Es gibt eine Reihe („Stufen“) von Dynoden aus Material mit relativ geringer Austrittsarbeit. Diese Elektroden werden mit immer höherem Potential betrieben (z. B. ~ 100-200 V zwischen Dynoden). An der Dynode werden die Elektronen mit der Sekundäremission multipliziert. Die nächste Dynode hat eine höhere Spannung, wodurch die von der ersten freigesetzten Elektronen auf sie zu beschleunigen. Bei jeder Dynode werden 3-4 Elektronen für jedes einfallende Elektron freigesetzt, und bei 6 bis 14 Dynoden liegt die Gesamtverstärkung oder der Elektronenverstärkungsfaktor im Bereich von ~ 10 ⁴ -10⁷ wenn sie die Anode erreichen. Typische Betriebsspannungen liegen im Bereich von 500 bis 3000 V. An der endgültigen Dynode stehen ausreichend Elektronen zur Verfügung, um einen Impuls von ausreichender Größe für die weitere Verstärkung zu erzeugen. Dieser Impuls enthält Informationen über die Energie der ursprünglich einfallenden Strahlung. Die Anzahl solcher Impulse pro Zeiteinheit gibt auch Auskunft über die Intensität der Strahlung.

Im Allgemeinen ist die Spektroskopie die Wissenschaft der Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Materie und Strahlungsenergie, während die Spektrometrie die Methode ist, mit der eine quantitative Messung des Spektrums durchgeführt wird. Spektroskopie (Scopy bedeutet Beobachtung ) liefert keine Ergebnisse. Es ist der theoretische Ansatz der Wissenschaft. Spektrometrie (Metrie bedeutet Messung ) ist die praktische Anwendung, bei der die Ergebnisse generiert werden. Es ist die Messung der Intensität der Strahlung mit einem elektronischen Gerät. Oft werden diese Begriffe synonym verwendet, aber jede Spektrometrie ist keine Spektroskopie (z. B. Massenspektrometrie vs.Massenspektroskopie).

Gammaspektroskopie

Im Allgemeinen ist die Gammaspektroskopie die Untersuchung der Energiespektren von Gammastrahlenquellen, beispielsweise in der Nuklearindustrie, bei geochemischen Untersuchungen und in der Astrophysik. Spektroskope oder Spektrometer sind hochentwickelte Geräte, mit denen die spektrale Leistungsverteilung einer Quelle gemessen werden kann. Die einfallende Strahlung erzeugt ein Signal, mit dem die Energie des einfallenden Partikels bestimmt werden kann.

Die meisten radioaktiven Quellen erzeugen Gammastrahlen unterschiedlicher Energie und Intensität. Gammastrahlen begleiten häufig  die Emission  von  Alpha-  und  Betastrahlen . Wenn diese Emissionen mit einem Spektroskopiesystem erfasst und analysiert werden, kann ein Gammastrahlen-Energiespektrum erzeugt werden. Gammastrahlen vom radioaktiven Zerfallliegen im Energiebereich von einigen keV bis ~ 8 MeV, was den typischen Energieniveaus in Kernen mit angemessen langer Lebensdauer entspricht. Wie geschrieben wurde, werden sie durch den Zerfall von Kernen beim Übergang von einem Zustand hoher Energie in einen Zustand niedrigerer Energie erzeugt. Eine detaillierte Analyse dieses Spektrums wird typischerweise verwendet, um die Identität und Menge der in einer Probe vorhandenen Gammastrahler zu bestimmen , und ist ein wichtiges Instrument im radiometrischen Assay. Das Gamma-Spektrum ist charakteristisch für die in der Quelle enthaltenen Gamma-emittierenden Nuklide.

Siehe auch: Gammaspektroskopie

Röntgenspektroskopie

Röntgenspektroskopie ist ein allgemeiner Begriff für verschiedene spektroskopische Techniken zur Charakterisierung von Materialien unter Verwendung von Röntgenanregung. Wenn ein Elektron aus der inneren Hülle eines Atoms durch die Energie eines Photons angeregt wird, bewegt es sich auf ein höheres Energieniveau. Da der Prozess eine Lücke  in dem Elektronenenergieniveau hinterlässt,  aus dem das Elektron stammt, kaskadieren die äußeren Elektronen des Atoms nach  unten  , um die unteren Atomniveaus und eine oder mehrere charakteristische Röntgenstrahlen aufzufüllen  werden normalerweise ausgestrahlt. Infolgedessen treten im Spektrum scharfe Intensitätsspitzen bei Wellenlängen auf, die für das Material charakteristisch sind, aus dem das Anodentarget hergestellt ist. Die Frequenzen der charakteristischen Röntgenstrahlen können aus dem Bohr-Modell vorhergesagt werden. Die Analyse des Röntgenemissionsspektrums liefert qualitative Ergebnisse über die Elementzusammensetzung der Probe.

Gammastrahlenspektrometer – Gammastrahlenspektroskop

Wie bereits geschrieben, wird das Studium und die Analyse von Gammastrahlenspektren für wissenschaftliche und technische Zwecke als Gammaspektroskopie bezeichnet, und Gammastrahlenspektrometer sind die Instrumente, die solche Daten beobachten und sammeln. Ein Gammastrahlenspektrometer (GRS) ist ein hoch entwickeltes Gerät zur Messung der Energieverteilung von Gammastrahlung. Für die Messung von Gammastrahlen über mehreren hundert keV gibt es zwei Detektorkategorien von großer Bedeutung, anorganische Szintillatoren wie NaI (Tl) – und Halbleiterdetektoren. In den vorhergehenden Artikeln haben wir die Gammaspektroskopie unter Verwendung eines Szintillationsdetektors beschrieben, der aus einem geeigneten Szintillatorkristall, einer Fotovervielfacherröhre und einer Schaltung zum Messen der Höhe der vom Fotovervielfacher erzeugten Impulse besteht. Die Vorteile eines Szintillationszählers sind seine Effizienz (große Größe und hohe Dichte) und die möglichen hohen Präzisions- und Zählraten. Aufgrund der hohen Atomzahl von Jod führt eine große Anzahl aller Wechselwirkungen zu einer vollständigen Absorption der Gammastrahlenenergie, so dass der Photofraktion hoch ist.

Wenn jedoch eine perfekte Energieauflösung erforderlich ist, müssen wir einen Detektor auf Germaniumbasis wie den HPGe-Detektor verwenden . Halbleiterdetektoren auf Germaniumbasis werden am häufigsten dort eingesetzt, wo eine sehr gute Energieauflösung erforderlich ist, insbesondere für die Gammaspektroskopie sowie für die Röntgenspektroskopie. In der Gammaspektroskopie wird Germanium bevorzugt, da seine Ordnungszahl viel höher als die von Silizium ist und die Wahrscheinlichkeit einer Gammastrahlenwechselwirkung erhöht. Darüber hinaus hat Germanium eine niedrigere durchschnittliche Energie, die zur Erzeugung eines Elektron-Loch-Paares erforderlich ist, nämlich 3,6 eV für Silizium und 2,9 eV für Germanium. Dies bietet letzteren auch eine bessere Energieauflösung. Das FWHM (volle Breite bei halbem Maximum) für Germaniumdetektoren ist eine Funktion der Energie. Für ein 1,3-MeV-Photon beträgt die FWHM 2,1 keV, was sehr niedrig ist.

Im Allgemeinen ist ein Leuchtstoff eine Substanz, die das Phänomen der Lumineszenz zeigt. Diese Materialien werden auch in Szintillationsdetektoren in verschiedenen Formen verwendet. 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 aufweisen, da die Transparenz für eine gute Lichtdurchlässigkeit zum Erreichen der Elektrode wichtig ist und die kurze Abklingzeit eine schnelle Reaktion ermöglicht.

Anorganische Szintillationsphosphore

Anorganische Szintillationsleuchtstoffe sind gewöhnlich Kristalle, die in Hochtemperaturöfen gezüchtet werden. Dazu gehören 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) aus}sec). 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.

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