Strahlendosimetrie

Ein Tscherenkow-Detektor ist ein Teilchendetektor, der auf der Detektion von Cherenkov-Strahlung (sichtbares Licht oder UV-Photonen) basiert . Im Gegensatz zu einem Szintillationszähler erfolgt die Lichterzeugung augenblicklich. Typische Szintillatordetektoren haben eine Abklingzeit, die in Mikrosekunden gemessen wird, während die Cherenkov-Strahlung nahezu augenblicklich ist und mit schnellen Pulsverarbeitungsgeräten in Pikosekunden gemessen werden kann. Cherenkov-Zähler werden hauptsächlich zur Partikelidentifikation , dh zur Bestimmung von Partikelmassen eingesetzt. Cherenkov-Zähler enthalten zwei Hauptelemente:

• ein Strahler, durch den das geladene Teilchen tritt,
• ein Fotodetektor (z. B. eine Fotovervielfacherröhre – PMT ).

Die Cherenkov-Strahlung, die im Strahler erzeugt wird, ist elektromagnetische Strahlung, die abgegeben wird, wenn sich ein geladenes Teilchen (wie ein Elektron) schneller als die Phasengeschwindigkeit von Licht in diesem Medium durch ein dielektrisches Medium bewegt . Teilchen, die die Phasengeschwindigkeit des Lichts überschreiten, bewirken eine Polarisation entlang der Bewegungsachse, wodurch ein Dipolfeld erzeugt wird. Wenn dieses Feld zusammenbricht, wird ein elektromagnetischer Impuls (Cherenkov-Strahlung) in Vorwärtsrichtung ausgesendet. Es ähnelt der Bugwelle, die von einem Boot erzeugt wird, das schneller als die Geschwindigkeit von Wasserwellen fährt. Cherenkov-Strahlung tritt nur auf, wenn die Teilchengeschwindigkeit höher ist als die Phasengeschwindigkeit des Lichts im Material. Auch bei hohen Energien geht die Energie verlorendurch Cherenkov-Strahlung ist viel geringer als die durch die anderen Mechanismen (Kollisionen, Bremsstrahlung). Es ist nach dem sowjetischen Physiker Pavel Alekseyevich Cherenkov benannt , der 1958 den Nobelpreis für Physik mit Ilya Frank und Igor Tamm für die Entdeckung der Cherenkov-Strahlung aus dem Jahr 1934 teilte .

Cherenkov-Strahlung wird üblicherweise in dielektrischen Materialien durch Compton-Elektronen oder durch Elektronen und Positronen zur Paarbildung erzeugt. Die Intensität des durch dieses Verfahren erzeugten Lichts ist viel geringer als die der Lumineszenz (die Grundlage für den Betrieb des Szintillationsdetektors), was empfindlichere optische Photonendetektionsgeräte wie Photovervielfacherröhren für schwaches Licht (PMT) erfordert . Cherenkov-Zähler können entweder als Bildgebungs- oder Schwellentypen klassifiziert werden , abhängig davon, ob sie Cherenkov-Winkel (θ) -Informationen verwenden oder nicht. Im einfachen Fall eines SchwellendetektorsDie massenabhängige Schwellenenergie ermöglicht die Unterscheidung zwischen einem leichteren Teilchen (das strahlt) und einem schwereren Teilchen (das nicht strahlt) mit der gleichen Energie oder dem gleichen Impuls. Bildzähler können verwendet werden, um Partikel zu verfolgen und sie zu identifizieren. Obwohl Geräte, die Cherenkov-Strahlung verwenden, häufig als PID-Detektoren (Particle Identification) angesehen werden, werden sie in der Praxis in einem viel breiteren Anwendungsbereich eingesetzt. einschließlich:

• schnelle Partikelzähler
• hadronische Partikelidentifikation
• Tracking-Detektoren, die eine vollständige Ereignisrekonstruktion durchführen.

Typen von Tscherenkow-Detektoren – Beispiele

• RICH. Praktische mehrspurige Ring-Imaging-Cherenkov-Detektoren (allgemein als RICH-Zähler bezeichnet) sind eine neuere Entwicklung. In einem RICH-Detektor wird ein Cherenkov-Lichtkegel erzeugt, wenn ein schnell geladenes Teilchen ein geeignetes Medium durchquert, das häufig als Strahler bezeichnet wird. Dieser Lichtkegel wird auf einem positionsempfindlichen planaren Photonendetektor detektiert, der die Rekonstruktion eines Rings oder einer Scheibe ermöglicht, dessen Radius ein Maß für den Cherenkov-Emissionswinkel ist. Zum Beispiel verwendet das LHCb-Experiment am Large Hadron Collider zwei RICH-Detektoren zur Unterscheidung zwischen Pionen und Kaonen.
• Super-Kamiokande. Super-Kamiokande ist ein unterirdisches Neutrino-Observatorium, das mithilfe großer Cherenkov-Wasserzähler energiereiche Neutrinos aufspürt, um nach Protonenzerfall zu suchen, solare und atmosphärische Neutrinos zu untersuchen und in der Milchstraße nach Supernovae Ausschau zu halten. Es besteht aus einem zylindrischen Edelstahltank mit einer Höhe von 40 m und einem Durchmesser von 50.000 Tonnen hochreinem Wasser. Auf einem inneren Aufbau sind etwa 13.000 Photovervielfacherröhren montiert, die das Licht der Cherenkov-Strahlung erfassen.

Die Detektion von Röntgenstrahlen  ist sehr spezifisch, da hochenergetische Photonen unterschiedlich mit Materie interagieren. Hochenergetische Photonen können Tausende von Fuß in der Luft wandern und verschiedene Materialien leicht durchdringen. Darüber hinaus können hochenergetische Photonen durch den photoelektrischen Effekt und den Compton-Effekt Atome indirekt und direkt ionisieren (obwohl sie elektrisch neutral sind) . Die sekundäre (indirekte) Ionisation ist jedoch weitaus bedeutender.

Um die Prinzipien der Detektion von hochenergetischen Photonen zu beschreiben, müssen wir die Wechselwirkung von Strahlung mit Materie verstehen . Jeder Partikeltyp wechselwirkt auf unterschiedliche Weise. Daher müssen Wechselwirkungen von hochenergetischen Photonen (Strahlung als Fluss dieser Strahlen) separat beschrieben werden.

Siehe auch: Röntgenbilder

Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit Materie

Obwohl eine große Anzahl möglicher Wechselwirkungen bekannt ist, gibt es drei wichtige Wechselwirkungsmechanismen mit Materie. Die Stärke dieser Wechselwirkungen hängt von der  Energie der Röntgenstrahlen  und der Elementzusammensetzung des Materials ab, nicht jedoch von den chemischen Eigenschaften, da die Röntgenphotonenenergie viel höher ist als die chemischen Bindungsenergien. Die photoelektrische Absorption dominiert bei niedrigen Röntgenenergien  ,  während die Compton-Effekt bei höheren Energien dominiert.

• Photoelektrischer Effekt
• Compton-Effekt
• Rayleigh-Streuung

Das Photon wird im photoelektrischen Effekt vollständig absorbiert, während bei einer gegebenen Compton-Effekt nur teilweise Energie abgeschieden wird. Die Wahrscheinlichkeit der photoelektrischen Absorption (dominiert bei niedrigeren Röntgenenergien) pro Masseneinheit ist ungefähr proportional zu:

τ (photoelektrisch) = Konstante x Z ^N / E ^3.5

wobei Z die Ordnungszahl ist, variiert der Exponent n zwischen 4 und 5. E ist die Energie des einfallenden Photons. Die Wahrscheinlichkeit der Compton-Effekt pro Wechselwirkung mit einem Atom steigt linear mit der Ordnungszahl Z an, da sie von der Anzahl der Elektronen abhängt, die für die Streuung im Zielatom zur Verfügung stehen.

Detektoren von Röntgenstrahlen

Detektoren können auch nach empfindlichen Materialien und Methoden kategorisiert werden, die zur Durchführung einer Messung verwendet werden können:

• Gasionisationsdetektoren
• Szintillationsdetektoren
• Halbleiterdetektoren

Detektion von Röntgenstrahlen mittels Ionisationskammer

Gammastrahlen  haben nur sehr geringe Probleme, die Metallwände der Kammer zu durchdringen. Daher können Ionisationskammern verwendet werden, um Gammastrahlung und Röntgenstrahlen zu erfassen, die zusammen als Photonen bekannt sind, und hierfür wird die fensterlose Röhre verwendet. Ionisationskammern reagieren über einen weiten Energiebereich gleichmäßig gleichmäßig auf Strahlung und sind das bevorzugte Mittel zur Messung hoher Gammastrahlungswerte. Einige Probleme werden durch die Tatsache verursacht, dass Alpha-Partikel stärker ionisieren als Beta-Partikel und als Gammastrahlen, so dass durch Alpha mehr Strom im Alpha-Bereich als durch Beta und Gamma erzeugt wird. Gammastrahlen lagern deutlich weniger Energie im Detektor ab als andere Partikel.

Detektion von Röntgenstrahlen mit dem Geigerzähler

Der Geigerzähler  kann ionisierende Strahlung wie  Alpha-  und  Betateilchen ,  Neutronen , Röntgen- und  Gammastrahlen  mithilfe des Ionisierungseffekts erfassen , der in einer Geiger-Müller-Röhre erzeugt wird, die dem Instrument seinen Namen gibt. Die Spannung des Detektors wird so eingestellt, dass die Bedingungen der  Region Geiger-Müller entsprechen .

Der  hohe Verstärkungsfaktor  des Geigerzählers ist der Hauptvorteil gegenüber der Ionisationskammer. Der Geigerzähler ist daher ein viel empfindlicheres Gerät als andere Kammern. Aus diesem Grund wird es häufig zum Nachweis von Gammastrahlen und Beta-Partikeln mit niedrigem Pegel verwendet.

Fensterloser Typ

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

• Ein  dickwandiges Rohr  wird zur Detektion von Gammastrahlung oberhalb von Energien von etwa 25 KeV verwendet. Dieser Typ hat im Allgemeinen eine Gesamtwandstärke von etwa 1-2 mm Chromstahl.
• Eine  dünnwandige Röhre  wird für Photonen mit niedriger Energie (Röntgen- oder Gammastrahlen) und Beta-Teilchen mit hoher Energie verwendet. Der Übergang von dünnwandigem zu dickwandigem Design erfolgt bei einem Energieniveau von 300–400 keV. Oberhalb dieser Ebenen werden dickwandige Designs verwendet, und unterhalb dieser Ebenen ist der direkte Gasionisationseffekt vorherrschend.

Detektion von Röntgenstrahlen mit dem Szintillationszähler

Szintillationszähler  werden zur Messung der Strahlung in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet, einschließlich handgehaltener Strahlungsmessgeräte, Personal- und Umweltüberwachung auf  radioaktive Kontamination , medizinische Bildgebung, radiometrische Untersuchung, nukleare Sicherheit und Sicherheit von Kernkraftwerken. Sie sind weit verbreitet, weil sie kostengünstig und dennoch mit guter Effizienz hergestellt werden können und sowohl die Intensität als auch die Energie der einfallenden Strahlung messen können.

Szintillationszähler können verwendet werden, um Alpha- ,  Beta- , Röntgen- und  Gammastrahlung zu erfassen  . Sie können auch zum  Nachweis von Neutronen verwendet werden . Zu diesem Zweck werden verschiedene Szintillatoren verwendet.

• Röntgenstrahlen .  High-Z-Materialien  eignen sich am besten als Szintillatoren zur Detektion von Gammastrahlen. Das am häufigsten verwendete Szintillationsmaterial ist  NaI (Tl)  (Thallium-dotiertes Natriumiodid). Das Jod liefert den größten Teil der Bremskraft in Natriumjodid (da es einen hohen Z = 53 hat). Diese kristallinen Szintillatoren sind durchhohe Dichte,hohe Ordnungszahl gekennzeichnet, undImpulsabfallzeiten von etwa 1 Mikrosekunde (~ 10 ^-6 sec). Die Szintillation in anorganischen Kristallen ist typischerweise langsamer als in organischen. Sie weisen eine hohe Effizienz für die Detektion von Gammastrahlen auf und sind in der Lage, hohe Zählraten zu verarbeiten. Anorganische Kristalle können auf kleine Größen geschnitten und in einer Array-Konfiguration angeordnet werden, um eine Positionsempfindlichkeit bereitzustellen. Dieses Merkmal wird in der medizinischen Bildgebung häufig verwendet, um Röntgen- oder Gammastrahlen zu erfassen. Anorganische Szintillatoren können Gammastrahlen und Röntgenstrahlen besser erfassen. Dies ist auf ihre hohe Dichte und Ordnungszahl zurückzuführen, die eine hohe Elektronendichte ergibt.

Detektion von Röntgenstrahlen mit Halbleitern – HPGe-Detektoren

Hochreine Germaniumdetektoren  ( HPGe-Detektoren ) sind die beste Lösung für präzise  Gamma- und Röntgenspektroskopie .

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 . Wenn 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.

Der Nachweis von Gammastrahlung ist sehr spezifisch, da Gammastrahlen unterschiedlich mit Materie interagieren. Gammastrahlen können Tausende von Fuß in der Luft wandern und verschiedene Materialien leicht passieren. Darüber hinaus können Gammastrahlen durch den photoelektrischen Effekt und den Compton-Effekt Atome indirekt und direkt ionisieren (obwohl sie elektrisch neutral sind) . Die sekundäre (indirekte) Ionisation ist jedoch weitaus bedeutender.

Um die Prinzipien der Detektion von Gammastrahlung zu beschreiben, müssen wir die Wechselwirkung von Strahlung mit Materie verstehen . Jeder Partikeltyp wechselwirkt auf unterschiedliche Weise. Daher müssen Wechselwirkungen von Gammastrahlen (Strahlung als Fluss dieser Strahlen) separat beschrieben werden.

Wechselwirkung von Gammastrahlung mit Materie

Gammastrahlen bestehen aus energiereichen Photonen . Diese Photonen sind Teilchen / Wellen (Welle-Teilchen-Dualität) ohne Ruhemasse oder elektrische Ladung. Sie können 10 Meter oder mehr in der Luft zurücklegen. Dies ist eine große Entfernung im Vergleich zu Alpha- oder Betateilchen. Gammastrahlen lagern jedoch weniger Energie auf ihren Wegen ab. Blei, Wasser und Beton stoppen die Gammastrahlung. Photonen (Gammastrahlen und Röntgenstrahlen) können Atome direkt durch den photoelektrischen Effekt und den Compton-Effekt ionisieren, wobei das relativ energetische Elektron erzeugt wird. Das Sekundärelektron wird weiterhin mehrere Ionisationsereignisse erzeugen , daher ist die sekundäre (indirekte) Ionisation viel bedeutender.

Obwohl eine große Anzahl möglicher Wechselwirkungen bekannt ist, gibt es drei wichtige Wechselwirkungsmechanismen mit Materie.

• Photoelektrischer Effekt
• Compton-Effekt
• Paarbildung

Das Photon wird beim photoelektrischen Effekt und bei der Paarbildung vollständig absorbiert, während bei einer gegebenen Compton-Effekt nur teilweise Energie abgeschieden wird. Die Wahrscheinlichkeit der photoelektrischen Absorption (dominiert bei niedrigeren Gammastrahlungsenergien) pro Masseneinheit ist ungefähr proportional zu:

τ (photoelektrisch) = Konstante x Z ^N / E ^3.5

wobei Z die Ordnungszahl ist, variiert der Exponent n zwischen 4 und 5. E ist die Energie des einfallenden Photons. Die Wahrscheinlichkeit der Compton-Streuung pro Wechselwirkung mit einem Atom steigt linear mit der Ordnungszahl Z an, da sie von der Anzahl der Elektronen abhängt, die für die Streuung im Zielatom zur Verfügung stehen. Die Wahrscheinlichkeit der Paarbildung (dominiert bei höheren Gammastrahlungsenergien), charakterisiert durch den Querschnitt, ist eine sehr komplizierte quantenmechanische Funktion . Im Allgemeinen nimmt der Querschnitt ungefähr mit dem Quadrat der Ordnungszahl (σ p ~ Z ² ) zu und nimmt mit der Photonenenergie zu, aber diese Abhängigkeit ist viel komplexer.

Infolgedessen basiert ein wirksames empfindliches Material für die Detektion von Gammastrahlung in den meisten Fällen auf der Verwendung von Materialien mit zwei folgenden Materialeigenschaften:

• hohe Materialdichte.
• hohe Ordnungszahl des Materials  (hohe Z-Materialien)

Detektoren der Gammastrahlung

Detektoren können auch nach empfindlichen Materialien und Methoden kategorisiert werden, die zur Durchführung einer Messung verwendet werden können:

• Gasionisationsdetektoren
• Szintillationsdetektoren
• Halbleiterdetektoren

Detektion von Gammastrahlung mit Ionisationskammer

Gammastrahlen  haben nur sehr geringe Probleme, die Metallwände der Kammer zu durchdringen. Daher können Ionisationskammern verwendet werden, um Gammastrahlung und Röntgenstrahlen zu erfassen, die zusammen als Photonen bekannt sind, und hierfür wird die fensterlose Röhre verwendet. Ionisationskammern reagieren über einen weiten Energiebereich gleichmäßig gleichmäßig auf Strahlung und sind das bevorzugte Mittel zur Messung hoher Gammastrahlungswerte. Einige Probleme werden durch die Tatsache verursacht, dass Alpha-Partikel stärker ionisieren als Beta-Partikel und als Gammastrahlen, so dass im Bereich der Ionisationskammer durch Alpha mehr Strom erzeugt wird als durch Beta und Gamma. Gammastrahlen lagern deutlich weniger Energie im Detektor ab als andere Partikel.

Der Wirkungsgrad der Kammer kann durch die Verwendung eines Hochdruckgases weiter gesteigert werden. Typischerweise kann ein Druck von 8 bis 10 Atmosphären verwendet werden, und verschiedene Edelgase werden eingesetzt. Beispielsweise sind  Hochdruck-Xenon (HPXe) -Ionisationskammern  ideal für den Einsatz in unkontrollierten Umgebungen, da sich gezeigt hat, dass die Reaktion eines Detektors über große Temperaturbereiche (20–170 ° C) gleichmäßig ist. Der höhere Druck führt zu einer größeren Gasdichte und damit zu einer größeren Wahrscheinlichkeit einer Kollision mit dem Füllgas und der Erzeugung von Ionenpaaren durch einfallende Gammastrahlung. Aufgrund der erhöhten Wandstärke, die erforderlich ist, um diesem hohen Druck standzuhalten, kann nur Gammastrahlung erfasst werden. Diese Detektoren werden in  Vermessungsmessgeräten  und zur Umweltüberwachung eingesetzt.

Detektion von Gammastrahlung mit Geigerzähler

Der Geigerzähler  kann ionisierende Strahlung wie  Alpha-  und  Betateilchen ,  Neutronen und  Gammastrahlen  mithilfe des Ionisierungseffekts erfassen , der in einer Geiger-Müller-Röhre erzeugt wird, die dem Instrument seinen Namen gibt. Die Spannung des Detektors wird so eingestellt, dass die Bedingungen der  Region Geiger-Müller entsprechen .

Der  hohe Verstärkungsfaktor  des Geigerzählers ist der Hauptvorteil gegenüber der Ionisationskammer. Der Geigerzähler ist daher ein viel empfindlicheres Gerät als andere Kammern. Aus diesem Grund wird es häufig zum Nachweis von Gammastrahlen und Beta-Partikeln mit niedrigem Pegel verwendet.

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Detektion von Gammastrahlung mit Szintillationszähler

Szintillationszähler  werden zur Messung der Strahlung in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet, einschließlich handgehaltener Strahlungsmessgeräte, Personal- und Umweltüberwachung auf  radioaktive Kontamination , medizinische Bildgebung, radiometrische Untersuchung, nukleare Sicherheit und Sicherheit von Kernkraftwerken. Sie sind weit verbreitet, weil sie kostengünstig und dennoch mit guter Effizienz hergestellt werden können und sowohl die Intensität als auch die Energie der einfallenden Strahlung messen können.

Szintillationszähler können verwendet werden, um Alpha- ,  Beta- und  Gammastrahlung zu erfassen  . Sie können auch zum  Nachweis von Neutronen verwendet werden . Zu diesem Zweck werden verschiedene Szintillatoren verwendet.

• Gammastrahlen . High-Z-Materialien  eignen sich am besten als Szintillatoren zur Detektion von Gammastrahlen. Das am häufigsten verwendete Szintillationsmaterial ist  NaI (Tl)  (Thallium-dotiertes Natriumiodid). Das Jod liefert den größten Teil der Bremskraft in Natriumjodid (da es einen hohen Z = 53 hat). Diese kristallinen Szintillatoren sind durchhohe Dichte,hohe Ordnungszahl gekennzeichnet, undImpulsabfallzeiten von etwa 1 Mikrosekunde (~ 10 ^-6 sec). Die Szintillation in anorganischen Kristallen ist typischerweise langsamer als in organischen. Sie weisen eine hohe Effizienz für die Detektion von Gammastrahlen auf und sind in der Lage, hohe Zählraten zu verarbeiten. Anorganische Kristalle können auf kleine Größen geschnitten und in einer Array-Konfiguration angeordnet werden, um eine Positionsempfindlichkeit bereitzustellen. Dieses Merkmal wird in der medizinischen Bildgebung häufig verwendet, um Röntgen- oder Gammastrahlen zu erfassen. Anorganische Szintillatoren können Gammastrahlen und Röntgenstrahlen besser erfassen. Dies ist auf ihre hohe Dichte und Ordnungszahl zurückzuführen, die eine hohe Elektronendichte ergibt.

Detektion von Gammastrahlung mit Halbleitern – HPGe-Detektoren

Hochreine Germaniumdetektoren  ( HPGe-Detektoren ) sind die beste Lösung für präzise  Gamma- und Röntgenspektroskopie .

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 . Wenn 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.

Die Detektion von Beta-Strahlung ist sehr spezifisch, da Beta-Teilchen eindringender sind als Alpha-Teilchen. Andererseits kann eine dünne Aluminiumplatte sie aufhalten.

Um die Prinzipien des Nachweises von Betastrahlung zu beschreiben, müssen wir die Wechselwirkung von Strahlung mit Materie verstehen . Jeder Partikeltyp wechselwirkt auf unterschiedliche Weise. Daher müssen wir die Wechselwirkung von Beta-Partikeln (Strahlung als Fluss dieser Partikel) separat beschreiben.

Wechselwirkung von Beta-Teilchen mit Materie

Beta-Strahlung besteht aus freien Elektronen oder Positronen mit relativistischer Geschwindigkeit. Beta-Teilchen (Elektronen) sind viel kleiner als Alpha-Teilchen. Sie tragen eine einzelne negative Ladung. Sie sind durchdringender als Alphateilchen, aber eine dünne Aluminiumplatte kann sie aufhalten. Sie können sich mehrere Meter in der Luft fortbewegen, aber an jedem Punkt auf ihrem Weg weniger Energie abgeben als Alphateilchen. Ähnlich wie bei stark geladenen Partikeln übertragen Beta-Partikel Energie durch:

• Erregung. Das geladene Teilchen kann Energie auf das Atom übertragen und Elektronen auf ein höheres Energieniveau bringen.
• Ionisation. Eine Ionisierung kann auftreten, wenn die geladenen Teilchen genug Energie haben, um ein Elektron zu entfernen. Dies führt zur Bildung von Ionenpaaren in der umgebenden Materie.

Zusätzlich zu diesen Wechselwirkungen verlieren Betateilchen durch den als Bremsstrahlung bekannten Strahlungsprozess Energie . Wenn ein geladenes Teilchen beschleunigt oder abgebremst wird, muss es nach klassischer Theorie Energie abstrahlen, und die Verzögerungsstrahlung wird als Bremsstrahlung („Bremsstrahlung“) bezeichnet .

Zusammenfassung der Arten von Interaktionen:

• Inelastische Kollisionen mit Atomelektronen (Anregung und Ionisation)
• Elastische Streuung von Kernen
• Bremsstrahlung
• Cherenkov-Strahlung.
• Vernichtung (nur Positronen)

Die Art der Wechselwirkung einer Betastrahlung mit Materie unterscheidet sich von der Alphastrahlung , obwohl Betateilchen auch geladene Teilchen sind. Beta-Partikel haben im Vergleich zu Alpha-Partikeln eine viel geringere Masse und erreichen meist relativistische Energien . Ihre Masse entspricht der Masse der Orbitalelektronen, mit denen sie interagieren, und im Gegensatz zum Alpha-Teilchen kann ein viel größerer Teil seiner kinetischen Energie in einer einzigen Wechselwirkung verloren gehen. Da die Beta-Teilchen meist relativistische Energien erreichen, kann die nichtrelativistische Bethe-Formel nicht verwendet werden. Für hochenergetische Elektronen wurde von Bethe auch ein ähnlicher Ausdruck abgeleitetBeschreibung des spezifischen Energieverlusts durch Anregung und Ionisation (die „Kollisionsverluste“).

Darüber hinaus können Beta-Partikel über eine Elektron-Kern-Wechselwirkung (elastische Streuung von Kernen) interagieren , wodurch sich die Richtung der Beta-Partikel erheblich ändern kann . Daher ist ihr Weg nicht so einfach. Die Beta-Partikel folgen einem sehr Zick-Zack-Pfad durch das absorbierende Material. Dieser resultierende Partikelpfad ist länger als das lineare Eindringen (Bereich) in das Material.

Detektoren der Beta-Strahlung

Detektoren können auch nach empfindlichen Materialien und Methoden kategorisiert werden, die zur Durchführung einer Messung verwendet werden können:

• Gasionisationsdetektoren
• Szintillationsdetektoren
• Halbleiterdetektoren

Detektion von Beta-Strahlung mit Ionisationskammer

Damit  Alpha-  und  Betateilchen  durch Ionisationskammern nachgewiesen werden können, müssen sie mit einem dünnen Fenster versehen sein. Dieses „Endfenster“ muss dünn genug sein, damit die Alpha- und Betateilchen eindringen können. Ein Fenster mit nahezu beliebiger Dicke verhindert jedoch, dass ein Alpha-Partikel in die Kammer gelangt. Das Fenster besteht üblicherweise aus Glimmer mit einer Dichte von ca. 1,5 – 2,0 mg / cm ² .

Die Ionisationskammer kann beispielsweise zur Messung von Tritium in der Luft verwendet werden. Diese Geräte werden als Tritium-in-Air-Monitore bezeichnet. Tritium  ist ein radioaktives Isotop, emittiert jedoch eine sehr schwache Form von Strahlung, ein energiearmes  Beta-Teilchen  , das einem Elektron ähnlich ist. Es ist ein reiner Beta-Emitter (dh Beta-Emitter ohne begleitende  Gammastrahlung ). Die kinetische Energie des Elektrons variiert mit durchschnittlich 5,7 keV, während die verbleibende Energie vom nahezu nicht nachweisbaren Elektronenantineutrino  abgeführt wird. Eine so sehr niedrige Elektronenenergie führt dazu, dass das Elektron die Haut nicht durchdringen kann oder sich in der Luft nicht sehr weit bewegt. Beta-Partikel aus Tritium können nur etwa 6,0 mm Luft durchdringen. Es ist praktisch unmöglich, einen Detektor zu entwerfen, dessen Wände diese Beta-Partikel durchdringen können. Stattdessen pumpt der Tritium-in-Luft-Monitor die mit Tritium kontaminierte Luft direkt durch eine Ionisationskammer, so dass die gesamte Energie der Beta-Partikel sinnvollerweise in Ionenpaare innerhalb der Kammer umgewandelt werden kann.

Nachweis der Beta-Strahlung mit dem Szintillationszähler

Szintillationszähler  werden zur Messung der Strahlung in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet, einschließlich handgehaltener Strahlungsmessgeräte, Personal- und Umweltüberwachung auf  radioaktive Kontamination , medizinische Bildgebung, radiometrische Untersuchung, nukleare Sicherheit und Sicherheit von Kernkraftwerken. Sie sind weit verbreitet, weil sie kostengünstig und dennoch mit guter Effizienz hergestellt werden können und sowohl die Intensität als auch die Energie der einfallenden Strahlung messen können.

Szintillationszähler können verwendet werden, um Alpha- ,  Beta- und  Gammastrahlung zu erfassen  . Sie können auch zum  Nachweis von Neutronen verwendet werden . Zu diesem Zweck werden verschiedene Szintillatoren verwendet.

• Beta-Teilchen . Zum Nachweis von Beta-Partikeln können organische Szintillatoren verwendet werden. 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. Organische Szintillatoren mit einem  niedrigeren Z  als anorganische Kristalle eignen sich am besten zum Nachweis von Beta-Partikeln mit niedriger Energie (<10 MeV).

Detektion von Beta-Strahlung mit Halbleitern – Siliziumstreifendetektoren

Detektoren auf Siliziumbasis eignen sich sehr gut zur Verfolgung geladener Teilchen. Ein Siliziumstreifendetektor ist eine Anordnung von streifenförmig geformten Implantaten, die als Ladungssammelelektroden wirken.

Siliziumstreifendetektoren 5 x 5 cm ²in area sind weit verbreitet und werden in Reihe (genau wie Ebenen von MWPCs) verwendet, um Trajektorien geladener Teilchen mit Positionsgenauigkeiten in der Größenordnung von mehreren μm in Querrichtung zu bestimmen. Diese Implantate werden auf einem niedrig dotierten, vollständig abgereicherten Siliziumwafer platziert und bilden eine eindimensionale Anordnung von Dioden. Durch Verbinden jedes der metallisierten Streifen mit einem ladungsempfindlichen Verstärker wird ein positionsempfindlicher Detektor aufgebaut. Zweidimensionale Positionsmessungen können durch Aufbringen einer zusätzlichen streifenartigen Dotierung auf die Waferrückseite unter Verwendung einer doppelseitigen Technologie erreicht werden. Solche Vorrichtungen können verwendet werden, um kleine Aufprallparameter zu messen und dadurch zu bestimmen, ob ein geladenes Teilchen aus einer Primärkollision stammt oder das Zerfallsprodukt eines Primärteilchens war, das eine kleine Strecke von der ursprünglichen Wechselwirkung zurückgelegt und dann zerfallen ist.

Indirekte ionisierende Strahlung besteht aus elektrisch neutralen Partikeln und ionisiert daher die Materie nicht direkt. Der Hauptteil der Ionisationseffekte ist auf sekundäre Ionisationen zurückzuführen.

Detektion von Gammastrahlung

Der Nachweis von Gammastrahlung ist sehr spezifisch, da Gammastrahlen unterschiedlich mit Materie interagieren. Gammastrahlen können Tausende von Fuß in der Luft wandern und verschiedene Materialien leicht passieren. Darüber hinaus können Gammastrahlen durch den photoelektrischen Effekt und den Compton-Effekt Atome indirekt und direkt ionisieren (obwohl sie elektrisch neutral sind). Die sekundäre (indirekte) Ionisation ist jedoch weitaus bedeutender.

Um die Prinzipien der Detektion von Gammastrahlung zu beschreiben, müssen wir die Wechselwirkung von Strahlung mit Materie verstehen . Jeder Partikeltyp wechselwirkt auf unterschiedliche Weise. Daher müssen Wechselwirkungen von Gammastrahlen (Strahlung als Fluss dieser Strahlen) separat beschrieben werden.

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.

Der Nachweis von Neutronen  ist sehr spezifisch, da die Neutronen  elektrisch neutrale Teilchen sind  und daher hauptsächlich starken Kernkräften, jedoch keinen elektrischen Kräften ausgesetzt sind. 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.

Detektion von Neutronen mittels Ionisationskammer

Ionisationskammern  werden häufig als Detektionsvorrichtung für geladene Teilchen verwendet. Wenn beispielsweise die innere Oberfläche 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, begleitet von 0,48 MeV 

Darüber hinaus hat das Isotop Bor-10 einen hohen (n, alpha) Reaktionsquerschnitt entlang des gesamten  Neutronenenergiespektrums . 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.

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Geladene Teilchen ( Atomkerne, Elektronen, Positronen, Protonen, Myonen usw. ) können Atome durch fundamentale Wechselwirkung durch die Coulomb-Kraft direkt ionisieren, wenn sie über ausreichende kinetische Energie verfügen. Diese Teilchen müssen sich mit relativistischen Geschwindigkeiten bewegen, um die erforderliche kinetische Energie zu erreichen. Sogar Photonen (Gammastrahlen und Röntgenstrahlen) können Atome durch den photoelektrischen Effekt und den Compton-Effekt direkt ionisieren (obwohl sie elektrisch neutral sind), die sekundäre (indirekte) Ionisierung ist jedoch viel bedeutender.

Nachweis von Alpha-Partikeln

Die Detektion von Alphastrahlung ist sehr spezifisch, da Alphateilchen sich nur wenige Zentimeter in der Luft bewegen, aber alle ihre Energien auf ihren kurzen Wegen ablagern. Daher ist die übertragene Energiemenge sehr hoch.

Um die Prinzipien der Detektion von Alphastrahlung zu beschreiben, müssen wir die Wechselwirkung von Strahlung mit Materie verstehen . Jeder Partikeltyp wechselwirkt auf unterschiedliche Weise. Daher müssen wir die Wechselwirkung von Alpha-Partikeln (Strahlung als Fluss dieser Partikel) separat beschreiben.

Alpha-Detektion mit Halbleitern – Silizium-Streifendetektoren

Detektoren auf Siliziumbasis sind sehr gut zur Verfolgung geladener Teilchen geeignet. Ein Siliziumstreifendetektor ist eine Anordnung von streifenförmig geformten Implantaten, die als Ladungssammelelektroden wirken.

Siliziumstreifendetektoren 5 x 5 cm ²in area sind weit verbreitet und werden in Reihe (genau wie Ebenen von MWPCs) verwendet, um Flugbahnen geladener Teilchen mit Positionsgenauigkeiten in der Größenordnung von mehreren μm in Querrichtung zu bestimmen. Diese Implantate bilden auf einem niedrig dotierten, vollständig verarmten Siliziumwafer eine eindimensionale Anordnung von Dioden. Durch Verbinden jedes der metallisierten Streifen mit einem ladungsempfindlichen Verstärker wird ein positionsempfindlicher Detektor aufgebaut. Zweidimensionale Positionsmessungen können durch Aufbringen einer zusätzlichen streifenartigen Dotierung auf die Waferrückseite unter Verwendung einer doppelseitigen Technologie erreicht werden. Solche Vorrichtungen können verwendet werden, um kleine Aufprallparameter zu messen und dadurch zu bestimmen, ob ein geladenes Teilchen aus einer Primärkollision stammt oder das Zerfallsprodukt eines Primärteilchens war, das eine kleine Strecke von der ursprünglichen Wechselwirkung zurückgelegt hat und dann zerfiel.

Nachweis von Beta-Partikeln

Die Detektion von Beta-Strahlung  ist sehr spezifisch, da  Beta-Partikel  eindringender sind als Alpha-Partikel. Andererseits kann eine dünne Aluminiumplatte sie aufhalten.

Um die Prinzipien des Nachweises von Betastrahlung zu beschreiben, müssen wir die Wechselwirkung von Strahlung mit Materie verstehen  . Jeder Partikeltyp wechselwirkt auf unterschiedliche Weise. Daher müssen wir die Wechselwirkung von Beta-Partikeln (Strahlung als Fluss dieser Partikel) separat beschreiben.

Nachweis der Betastrahlung mittels Szintillationszähler

Szintillationszähler  werden verwendet, um Strahlung in einer Vielzahl von Anwendungen zu messen, einschließlich Handmessgeräten für Strahlungsmessungen, Personal- und Umgebungsüberwachung auf  radioaktive Kontamination , medizinische Bildgebung, radiometrische Tests, nukleare Sicherheit und Sicherheit von Nuklearanlagen. Sie sind weit verbreitet, weil sie kostengünstig und dennoch mit gutem Wirkungsgrad hergestellt werden können und sowohl die Intensität als auch die Energie der einfallenden Strahlung messen können.

Szintillationszähler können verwendet werden, um Alpha- ,  Beta- und  Gammastrahlung zu erfassen  . Sie können auch zum  Nachweis von Neutronen verwendet werden . Zu diesem Zweck werden verschiedene Szintillatoren verwendet.

• Beta-Partikel . Zum Nachweis von Beta-Partikeln können organische Szintillatoren verwendet werden. 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. Organische Szintillatoren mit einem  niedrigeren Z  als anorganische Kristalle eignen sich am besten zum Nachweis von Beta-Partikeln mit niedriger Energie (<10 MeV).

Die Detektion von Alphastrahlung ist sehr spezifisch, da Alphateilchen sich nur wenige Zentimeter in der Luft bewegen, aber alle ihre Energien auf ihren kurzen Wegen ablagern. Daher ist die übertragene Energiemenge sehr hoch.

Um die Prinzipien der Detektion von Alphastrahlung zu beschreiben, müssen wir die Wechselwirkung von Strahlung mit Materie verstehen . Jeder Partikeltyp wechselwirkt auf unterschiedliche Weise. Daher müssen wir die Wechselwirkung von Alpha-Partikeln (Strahlung als Fluss dieser Partikel) separat beschreiben.

Wechselwirkung stark geladener Teilchen mit Materie

Alphastrahlung besteht aus Alphapartikeln mit hoher Energie / Geschwindigkeit. Die Produktion von Alpha-Partikeln wird als Alpha-Zerfall bezeichnet . Alpha-Teilchen bestehen aus zwei Protonen und zwei Neutronen , die zu einem Teilchen verbunden sind, das mit einem Heliumkern identisch ist. Alpha-Teilchen sind relativ groß und doppelt positiv geladen. Sie sind nicht sehr durchdringend und ein Stück Papier kann sie aufhalten. Im Allgemeinen übertragen stark geladene Teilchen Energie hauptsächlich durch:

• Erregung. Das geladene Teilchen kann Energie auf das Atom übertragen und Elektronen auf ein höheres Energieniveau bringen.
• Ionisation. Eine Ionisierung kann auftreten, wenn die geladenen Teilchen genug Energie haben, um ein Elektron zu entfernen. Dies führt zur Bildung von Ionenpaaren in der umgebenden Materie.

Die Entfernung, die erforderlich ist, um das Teilchen zur Ruhe zu bringen, wird als seine Reichweite bezeichnet. Der Bereich der schwer geladenen Teilchen in Festkörpern beträgt nur wenige Mikrometer, und daher wird der größte Teil der Energie dieser Teilchen sehr nahe am Entstehungsort in Wärme umgewandelt. Bei Gasen erhöht sich die Reichweite in Abhängigkeit von Gasparametern (Dichte, Gasart usw.) auf einige Zentimeter. Dieser Abstand ist für Detektoren sehr wichtig und bestimmt maßgeblich das Design aller Detektoren. In den Materialien wird die Flugbahn schwer geladener Teilchen nicht stark beeinflusst, da sie meist mit leichten Atomelektronen wechselwirken. Andere geladene Teilchen, wie die Protonen, verhalten sich mit einer Ausnahme ähnlich – für leichtere geladene Teilchen sind die Reichweiten etwas länger.

Eine geeignete Variable, die die Ionisationseigenschaften des umgebenden Mediums beschreibt, ist die Stoppleistung . Der klassische Ausdruck, der den spezifischen Energieverlust beschreibt, ist als Bethe-Formel bekannt. Bei Alpha-Partikeln und schwereren Partikeln ist die Bremskraft der meisten Materialien bei stark geladenen Partikeln sehr hoch, und diese Partikel haben sehr kurze Reichweiten. Beispielsweise beträgt die Reichweite eines 5-MeV-Alpha-Partikels in einer Aluminiumlegierung nur ungefähr 0,002 cm. Die meisten Alpha-Partikel können durch ein normales Blatt Papier oder lebendes Gewebe gestoppt werden.

Detektoren der Alpha-Strahlung

Detektoren können auch nach empfindlichen Materialien und Methoden kategorisiert werden, die zur Durchführung einer Messung verwendet werden können:

• Gasionisationsdetektoren
• Szintillationsdetektoren
• Halbleiterdetektoren

Detektion von Alpha-Strahlung mit Ionisationskammer

Damit Alpha- und Betateilchen durch Ionisationskammern nachgewiesen werden können , müssen sie mit einem dünnen Fenster versehen sein . Dieses „Endfenster“ muss dünn genug sein, damit die Alpha- und Betateilchen eindringen können. Ein Fenster mit nahezu beliebiger Dicke verhindert jedoch, dass ein Alpha-Partikel in die Kammer gelangt. Das Fenster besteht üblicherweise aus Glimmer mit einer Dichte von ca. 1,5 – 2,0 mg / cm ² . Dies bedeutet jedoch nicht, dass Alphastrahlung von einer Ionisationskammer nicht erfasst werden kann.

In einer Art Rauchmelder können Sie beispielsweise künstliche Radionuklide wie Americium-241 treffen , das eine Quelle für Alpha-Partikel ist. Der Rauchmelder verfügt über zwei Ionisationskammern, eine zur Luft hin offen, und eine Referenzkammer, in die keine Partikel eindringen können. Die radioaktive Quelle emittiert Alpha-Partikel in beide Kammern, die einige Luftmoleküle ionisieren. Die Freiluftkammer ermöglicht den Eintritt von Rauchpartikeln in das empfindliche Volumen und die Änderung der Dämpfung von Alpha-Partikeln. Wenn Rauchpartikel in die Freiluftkammer gelangen, haften einige der Ionen an den Partikeln und sind nicht verfügbar, um den Strom in dieser Kammer zu leiten. Eine elektronische Schaltung erkennt, dass sich zwischen der offenen und der versiegelten Kammer eine Stromdifferenz entwickelt hat, und gibt Alarm.

Detektion von Alpha-Strahlung mit Geiger-Müller-Zähler

Geigerzähler werden aufgrund ihrer Empfindlichkeit, einfachen Zählschaltung und Fähigkeit zur Erfassung von Strahlung mit niedrigem Pegel hauptsächlich für tragbare Instrumente verwendet. Obwohl Geigerzähler hauptsächlich für die Detektion einzelner Partikel verwendet werden, sind sie auch in Gamma-Vermessungsmessgeräten zu finden. Sie können fast alle Arten von Strahlung erfassen, es gibt jedoch geringfügige Unterschiede in der Geiger-Müller-Röhre. Die Geiger-Müller-Röhre erzeugt jedoch eine Impulsausgabe, die für alle detektierte Strahlung gleich groß ist, so dass ein Geigerzähler mit einer Endfensterröhre nicht zwischen Alpha- und Betateilchen unterscheiden kann.

Endfenstertyp

Damit Alpha- und Betateilchen von Geigerzählern erkannt werden können , müssen sie mit einem dünnen Fenster versehen sein. Dieses „Endfenster“ muss dünn genug sein, damit die Alpha- und Betateilchen eindringen können. Ein Fenster mit nahezu beliebiger Dicke verhindert jedoch, dass ein Alpha-Partikel in die Kammer gelangt. Das Fenster besteht normalerweise aus Glimmer mit einer Dichte von etwa 1,5 bis 2,0 mg / cm ² , damit niederenergetische Beta-Partikel (z. B. aus Kohlenstoff-14) in den Detektor gelangen können. 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.

Detektion von Alpha mit dem Szintillationszähler

Szintillationszähler werden zur Messung der Strahlung in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet, einschließlich handgehaltener Strahlungsmessgeräte, Personal- und Umweltüberwachung auf radioaktive Kontamination, medizinische Bildgebung, radiometrische Untersuchung, nukleare Sicherheit und Sicherheit von Kernkraftwerken. Sie sind weit verbreitet, weil sie kostengünstig und dennoch mit guter Effizienz hergestellt werden können und sowohl die Intensität als auch die Energie der einfallenden Strahlung messen können.

Szintillationszähler können verwendet werden, um Alpha-, Beta- und Gammastrahlung zu erfassen. Sie können auch zum Nachweis von Neutronen verwendet werden. Für diese Zwecke werden verschiedene Szintillatoren verwendet:

Alpha-Teilchen und schwere Ionen . Aufgrund der sehr hohen Ionisierungskraft von Schwerionen sind Szintillationszähler normalerweise nicht ideal für den Nachweis von Schwerionen. Bei gleichen Energien erzeugt ein Proton 1/4 bis 1/2 des Lichts eines Elektrons, während Alpha-Teilchen nur etwa 1/10 des Lichts erzeugen. Bei Bedarf sollten anorganische Kristalle, z. B. CsI ​​(Tl) , ZnS (Ag) (typischerweise in dünnen Schichten als α-Partikelmonitore verwendet) organischen Materialien vorgezogen werden. Reines CsI ist ein schnelles und dichtes Szintillationsmaterial mit relativ geringer Lichtausbeute, das mit dem Abkühlen erheblich zunimmt. Die Nachteile von CsI sind ein hoher Temperaturgradient und eine leichte Hygroskopizität.

Detektion von Alpha mit Halbleitern – Siliziumstreifendetektoren

Detektoren auf Siliziumbasis eignen sich sehr gut zur Verfolgung geladener Teilchen. Ein Siliziumstreifendetektor ist eine Anordnung von streifenförmig geformten Implantaten, die als Ladungssammelelektroden wirken.

Siliziumstreifendetektoren 5 x 5 cm ²in area sind weit verbreitet und werden in Reihe (genau wie Ebenen von MWPCs) verwendet, um Trajektorien geladener Teilchen mit Positionsgenauigkeiten in der Größenordnung von mehreren μm in Querrichtung zu bestimmen. Diese Implantate werden auf einem niedrig dotierten, vollständig abgereicherten Siliziumwafer platziert und bilden eine eindimensionale Anordnung von Dioden. Durch Verbinden jedes der metallisierten Streifen mit einem ladungsempfindlichen Verstärker wird ein positionsempfindlicher Detektor aufgebaut. Zweidimensionale Positionsmessungen können durch Aufbringen einer zusätzlichen streifenartigen Dotierung auf die Waferrückseite unter Verwendung einer doppelseitigen Technologie erreicht werden. Solche Vorrichtungen können verwendet werden, um kleine Aufprallparameter zu messen und dadurch zu bestimmen, ob ein geladenes Teilchen aus einer Primärkollision stammt oder das Zerfallsprodukt eines Primärteilchens war, das eine kleine Strecke von der ursprünglichen Wechselwirkung zurückgelegt und dann zerfallen ist.

Einer von drei Haupttypen von Detektoren, die unterschiedliche Signaltypen aufzeichnen, ist ein Zähler . Die Aktivität oder Intensität der Strahlung wird in Zählungen pro Sekunde ( cps ) gemessen , was eine Rate von Zählungen pro Zeiteinheit ausdrückt, wie sie von einem Strahlungsüberwachungsinstrument registriert werden. Im Allgemeinen sind häufig verwendete Mengen:

• Anzahl pro Minute (cpm)
• Anzahl pro Sekunde (cps) 

Der bekannteste Zähler ist der Geiger-Müller-Zähler. Bei Strahlungszählern wird das von der einfallenden Strahlung erzeugte Signal durch Zählen der Anzahl der am empfindlichen Volumen des Detektors auftretenden Wechselwirkungen erzeugt.

Die Einheit der Anzahl pro Sekunde , die von einem Gerät erfasst wird, ist in gewisser Weise proportional zur Aktivität einer gemessenen Probe. Beachten Sie jedoch, dass diese Proportionalität auch durch den Abstand zwischen Detektor und Probe sowie durch die Detektionseffizienz bestimmt wird.

Was ist eine Zählung

Man nehme gasförmige Ionisationsdetektoren an . Grundlegender Gasionisationsdetektor besteht aus einer Kammerdas mit einem geeigneten Medium (Luft oder einem speziellen Füllgas) gefüllt ist, das leicht ionisiert werden kann. In der Regel ist der Mitteldraht die positive Elektrode (Anode) und der Außenzylinder die negative Elektrode (Kathode), so dass (negative) Elektronen vom Mitteldraht und positive Ionen vom Außenzylinder angezogen werden. Die Anode liegt bezüglich der Detektorwand an einer positiven Spannung. Wenn ionisierende Strahlung in das Gas zwischen den Elektroden eintritt, wird eine endliche Anzahl von Ionenpaaren gebildet. Unter dem Einfluss des elektrischen Feldes bewegen sich die positiven Ionen in Richtung der negativ geladenen Elektrode (äußerer Zylinder) und die negativen Ionen (Elektronen) wandern in Richtung der positiven Elektrode (zentraler Draht). Die Ansammlung dieser Ionen erzeugt eine Ladung an den Elektroden und anelektrischer Impuls über die Erfassungsschaltung . Es ist jedoch ein kleines Signal, dieses Signal kann verstärkt und dann als eine Zählung aufgezeichnet werden  .