Strahlendosimetrie

HPGe-Detektoren

Hochreine Germaniumdetektoren  ( HPGe-Detektoren ) sind die beste Lösung für präzise  Gamma- und Röntgenspektroskopie . Im Vergleich zu  Siliziumdetektoren ist  Germanium  für die Strahlungsdetektion  viel effizienter als  Silizium , da seine Ordnungszahl viel höher als die von Silizium ist und aufgrund der geringeren durchschnittlichen Energie, die zur Erzeugung eines Elektron-Loch-Paares erforderlich  ist, 3,6 eV für Silizium und 2,9 eV beträgt für Germanium. Aufgrund seiner höheren Ordnungszahl hat  Ge  einen viel größeren linearen Dämpfungskoeffizienten, was zu einem kürzeren mittleren freien Weg führt. Darüber hinaus können Siliziumdetektoren nicht dicker als einige Millimeter sein, während Germanium eine abgereicherte, empfindliche Dicke von Zentimetern und kann daher als Gesamtabsorptionsdetektor für Gammastrahlen bis zu wenigen MeV verwendet werden.

Vorteile von HPGe-Detektoren

• Höhere Ordnungszahl. Germanium wird bevorzugt, da seine Ordnungszahl viel höher als die von Silizium ist und die Wahrscheinlichkeit einer Gammastrahlenwechselwirkung erhöht.
• Germanium hat 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.
• Sehr gute Energieauflösung . Das FWHM für Germaniumdetektoren ist eine Funktion der Energie. Für ein 1,3-MeV-Photon beträgt die FWHM 2,1 keV, was sehr niedrig ist.
• Große Kristalle . Während Detektoren auf Siliziumbasis nicht dicker als einige Millimeter sein können, kann Germanium eine abgereicherte, empfindliche Dicke von Zentimetern aufweisen und kann daher als Gesamtabsorptionsdetektor für Gammastrahlen bis zu wenigen MeV verwendet werden.

Nachteile von HPGe-Detektoren

• Kühlung . Der Hauptnachteil von HPGe-Detektoren besteht darin, dass sie auf Temperaturen von flüssigem Stickstoff abgekühlt werden müssen. Da Germanium eine relativ geringe Bandlücke aufweist , müssen diese Detektoren gekühlt werden, um die thermische Erzeugung von Ladungsträgern auf ein akzeptables Maß zu reduzieren . Andernfalls zerstört durch Leckstrom induziertes Rauschen die Energieauflösung des Detektors. Es sei daran erinnert, dass die Bandlücke (ein Abstand zwischen Valenz und Leitungsband ) für Germanium sehr gering ist (Egap = 0,67 eV). Das Abkühlen auf die Temperatur von flüssigem Stickstoff (-195,8 ° C; -320 ° F) reduziert die thermischen Anregungen von Valenzelektronen, so dass nur eine Gammastrahlenwechselwirkung einem Elektron die Energie geben kann, die erforderlich ist, um die Bandlücke zu überschreiten und das Leitungsband zu erreichen.
• Preis . Der Nachteil ist, dass Germaniumdetektoren viel teurer sind als Ionisationskammern oder Szintillationszähler .

Szintillationszähler

Ein Szintillationszähler oder Szintillationsdetektor ist ein Strahlungsdetektor, der den als Szintillation bekannten Effekt nutzt . Szintillation ist ein Lichtblitz, der in einem transparenten Material durch den Durchgang eines Teilchens (eines Elektrons, eines Alpha-Teilchens, eines Ions oder eines hochenergetischen Photons) erzeugt wird. Szintillation tritt im Szintillator auf, der ein Schlüsselelement eines Szintillationsdetektors ist.

Das Grundprinzip des Betriebs besteht darin, dass die Strahlung mit einem Szintillator reagiert, der eine Reihe von Blitzen unterschiedlicher Intensität erzeugt. Die Intensität der Blitze ist proportional zur Energie der Strahlung. 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 werden häufig im Strahlenschutz , bei der Untersuchung radioaktiver Materialien und in der Physikforschung eingesetzt, da sie kostengünstig und dennoch mit guter Effizienz hergestellt werden können und sowohl die Intensität als auch die Energie einfallender Strahlung messen können. Krankenhäuser auf der ganzen Welt verfügen über Gammakameras, die auf dem Szintillationseffekt basieren, und werden daher auch als Szintillationskameras bezeichnet.

Vor- und Nachteile von Szintillationszählern werden vom Szintillator bestimmt. Die folgenden Funktionen sind nicht für alle Szintillatoren allgemein.

Vorteile von Szintillationszählern

• Effizienz . Die Vorteile eines Szintillationszählers sind seine Effizienz und die hohen Präzisions- und Zählraten, die möglich sind. Diese letzteren Eigenschaften sind eine Folge der extrem kurzen Dauer der Lichtblitze von etwa 10 bis ⁹  (organische Szintillatoren) bis 10 bis ⁶ (anorganische Szintillatoren) Sekunden.
• Spektroskopie . 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 umfassen die gebräuchlichsten Detektoren Natriumiodid (NaI) -Szintillationszähler und hochreine Germaniumdetektoren. Der NaI (Tl) -Szintillator hat eine höhere Energieauflösung als ein Proportionalzähler, was genauere Energiebestimmungen ermöglicht. Wenn andererseits eine perfekte Energieauflösung erforderlich ist, müssen wir einen Detektor auf Germaniumbasis wie den HPGe-Detektor verwenden.

Nachteile von Szintillationszählern

• Hygroskopizität . Ein Nachteil einiger anorganischer Kristalle, z. B. NaI, ist ihre Hygroskopizität , eine Eigenschaft, die erfordert, dass sie in einem luftdichten Behälter untergebracht werden, um sie vor Feuchtigkeit zu schützen.
• NaI (Tl) hat keine Beta- oder Alpha-Reaktion und eine schlechte Niedrigenergie-Gamma-Reaktion.
• Flüssigszintillatoren sind relativ umständlich.

Szintillationszähler

Ein Szintillationszähler oder Szintillationsdetektor ist ein Strahlungsdetektor, der den als Szintillation bekannten Effekt nutzt . Szintillation ist ein Lichtblitz, der in einem transparenten Material durch den Durchgang eines Teilchens (eines Elektrons, eines Alpha-Teilchens, eines Ions oder eines hochenergetischen Photons) erzeugt wird. Szintillation tritt im Szintillator auf, der ein Schlüsselelement 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 CCD-Kamera (Charge Coupled Device) oder eine Fotodiode), der das Licht in ein elektrisches Signal und eine Elektronik umwandelt, um dieses Signal zu verarbeiten.

Das Grundprinzip des Betriebs besteht darin, dass die Strahlung mit einem Szintillator reagiert, der eine Reihe von Blitzen unterschiedlicher Intensität erzeugt. Die Intensität der Blitze ist proportional zur Energie der Strahlung. 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 werden häufig im Strahlenschutz , bei der Untersuchung radioaktiver Materialien und in der Physikforschung eingesetzt, da sie kostengünstig und dennoch mit guter Effizienz hergestellt werden können und sowohl die Intensität als auch die Energie einfallender Strahlung messen können. Krankenhäuser auf der ganzen Welt verfügen über Gammakameras, die auf dem Szintillationseffekt basieren, und werden daher auch als Szintillationskameras bezeichnet.

Vor- und Nachteile von Szintillationszählern werden vom Szintillator bestimmt. Die folgenden Funktionen sind nicht für alle Szintillatoren allgemein.

Vorteile von Szintillationszählern

• Effizienz . Die Vorteile eines Szintillationszählers sind seine Effizienz und die hohen Präzisions- und Zählraten, die möglich sind. Diese letzteren Eigenschaften sind eine Folge der extrem kurzen Dauer der Lichtblitze von etwa 10 bis ⁹  (organische Szintillatoren) bis 10 bis ⁶ (anorganische Szintillatoren) Sekunden.
• Spektroskopie . 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 umfassen die gebräuchlichsten Detektoren Natriumiodid (NaI) -Szintillationszähler und hochreine Germaniumdetektoren. Der NaI (Tl) -Szintillator hat eine höhere Energieauflösung als ein Proportionalzähler, was genauere Energiebestimmungen ermöglicht. Wenn andererseits eine perfekte Energieauflösung erforderlich ist, müssen wir einen Detektor auf Germaniumbasis wie den HPGe-Detektor verwenden.

Nachteile von Szintillationszählern

• Hygroskopizität . Ein Nachteil einiger anorganischer Kristalle, z. B. NaI, ist ihre Hygroskopizität , eine Eigenschaft, die erfordert, dass sie in einem luftdichten Behälter untergebracht werden, um sie vor Feuchtigkeit zu schützen.
• NaI (Tl) hat keine Beta- oder Alpha-Reaktion und eine schlechte Niedrigenergie-Gamma-Reaktion.
• Flüssigszintillatoren sind relativ umständlich.

Gasionisationsdetektoren

Gasionisationsdetektoren werden in Kernkraftwerken zum größten Teil zur Messung von Alpha- und Betateilchen , Neutronen und Gammastrahlen eingesetzt . Die Detektoren arbeiten in den Regionen Ionisation, Proportional und Geiger-Müller mit einer Anordnung, die für die Art der gemessenen Strahlung am empfindlichsten ist. Neutronendetektoren verwenden Ionisationskammern oder Proportionalzähler geeigneter Bauart. Kompensierte Ionenkammern, BF ₃ -Zähler, Spaltzähler und Protonenrückstoßzähler sind Beispiele für Neutronendetektoren.

Vor- und Nachteile je nach Detektorspannung

Die Beziehung zwischen der angelegten Spannung und der Impulshöhe in einem Detektor ist sehr komplex. Die Impulshöhe und die Anzahl der gesammelten Ionenpaare stehen in direktem Zusammenhang. Wie geschrieben wurde, können die Spannungen in Abhängigkeit von der Detektorgeometrie und dem Gastyp und -druck stark variieren. Die Abbildung zeigt schematisch die verschiedenen Spannungsbereiche für Alpha-, Beta- und Gammastrahlen. Es gibt sechs praktische Hauptbetriebsbereiche, in denen drei (Ionisations-, Proportional- und Geiger-Müller-Bereich) zur Detektion ionisierender Strahlung nützlich sind. Diese Anforderungen sind unten aufgeführt. Die Alpha-Kurve ist aufgrund der größeren Anzahl von Ionenpaaren, die durch die anfängliche Reaktion der einfallenden Strahlung erzeugt werden, höher als die Beta- und Gammakurve vom Rekombinationsbereich zum Teil des Bereichs mit begrenzter Proportionalität.

• Ionisationsregion . Im Ionisationsbereich bewirkt ein Spannungsanstieg keinen wesentlichen Anstieg der Anzahl der gesammelten Ionenpaare. Die Anzahl der von den Elektroden gesammelten Ionenpaare entspricht der Anzahl der durch die einfallende Strahlung erzeugten Ionenpaare und hängt von der Art und Energie der Partikel oder Strahlen in der einfallenden Strahlung ab. Daher ist die Kurve in diesem Bereich flach. Die Spannung muss höher sein als der Punkt, an dem dissoziierte Ionenpaare rekombinieren können. Andererseits ist die Spannung nicht hoch genug, um eine Gasverstärkung (Sekundärionisation) zu erzeugen. Detektoren im Ionisationsbereich arbeiten mit einer geringen elektrischen Feldstärke, die so ausgewählt ist, dass keine Gasvermehrung stattfindet. Ihr Strom ist unabhängig von der angelegten Spannung und sie sind esbevorzugt für hohe Strahlungsdosisraten, da sie keine „Totzeit“ haben, ein Phänomen, das die Genauigkeit der Geiger-Müller-Röhre bei hohen Dosisraten beeinflusst.
• Proportionalbereich . Im proportionalen Bereich nimmt die gesammelte Ladung mit einem weiteren Anstieg der Detektorspannung zu, während die Anzahl der primären Ionenpaare unverändert bleibt. Durch Erhöhen der Spannung werden die Primärelektronen mit ausreichender Beschleunigung und Energie versorgt, damit sie zusätzliche Atome des Mediums ionisieren können. Diese gebildeten Sekundärionen werden ebenfalls beschleunigt, was einen als Townsend-Lawinen bekannten Effekt verursacht, der einen einzelnen großen elektrischen Impuls erzeugt. Obwohl esfür jedes Primärereigniseine große Anzahl von Sekundärionen gibt (etwa 10 ³ – 10 ⁵ ), wird die Kammer immer so betrieben, dass die Anzahl der Sekundärionen proportional istauf die Anzahl der primären Ereignisse. Dies ist sehr wichtig, da die primäre Ionisation von der Art und Energie der Partikel oder Strahlen im abgefangenen Strahlungsfeld abhängt. Die Anzahl der gesammelten Ionenpaare geteilt durch die Anzahl der durch die Primärionisation erzeugten Ionenpaare liefert den Gasverstärkungsfaktor (bezeichnet mit A). Die in diesem Bereich auftretende Gasverstärkung kann die Gesamtionisationsmenge auf einen messbaren Wert erhöhen. Der Prozess der Ladungsverstärkung verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis des Detektors erheblich und reduziert die nachfolgende erforderliche elektronische Verstärkung. Wenn Instrumente im Proportionalbereich betrieben werden, muss die Spannung konstant gehalten werden.Bleibt eine Spannung konstant, ändert sich auch der Gasverstärkungsfaktor nicht. Proportionalzählererkennungsinstrumente sind sehr empfindlich gegenüber geringen Strahlungswerten. Darüber hinaus können Proportionalzähler Partikel identifizieren und Energie messen (Spektroskopie). Durch Analyse der Impulshöhe können unterschiedliche Strahlungsenergien und unterschiedliche Strahlungstypen unterschieden werden, da sie sich in der Primärionisation signifikant unterscheiden.
• Geiger-Müller-Region . In der Region Geiger-Müller ist die Spannung und damit das elektrische Feld so stark, dass Sekundärlawinen auftreten können. Diese Lawinen können durch Photonen ausgelöst und verbreitet werden, die von Atomen emittiert werden, die in der ursprünglichen Lawine angeregt wurden. Da diese Photonen nicht vom elektrischen Feld beeinflusst werden, können sie weit (z. B. seitlich zur Achse) von der Primärlawine interagieren, wobei die gesamte Geigerröhre an dem Prozess beteiligt ist. Ein starkes Signal (der Verstärkungsfaktor kann etwa 10 ^{10 erreichen}) wird durch diese Lawinen mit Form und Höhe unabhängig von der Primärionisation und der Energie des detektierten Photons erzeugt. Detektoren, die in der Region Geiger-Müller betrieben werden, können Gammastrahlen und auch alle Arten geladener Teilchen erfassen, die in den Detektor gelangen können. Diese Detektoren sind als Geigerzähler bekannt . Der Hauptvorteil dieser Instrumente besteht darin, dass sie normalerweise keine Signalverstärker benötigen. Da sich die positiven Ionen nicht weit vom Lawinenbereich entfernen, stört eine positiv geladene Ionenwolke das elektrische Feld und beendet den Lawinenprozess. In der Praxis wird die Beendigung der Lawine durch die Verwendung von „ Quenching “ verbessertTechniken. Im Gegensatz zu Proportionalzählern kann die Energie oder sogar einfallende Strahlungsteilchen von Geigerzählern nicht unterschieden werden, da das Ausgangssignal unabhängig von der Menge und Art der ursprünglichen Ionisation ist.

Gasionisationsdetektoren

Gasionisationsdetektoren werden in Kernkraftwerken zum größten Teil zur Messung von Alpha- und Betateilchen , Neutronen und Gammastrahlen eingesetzt . Die Detektoren arbeiten in den Regionen Ionisation, Proportional und Geiger-Müller mit einer Anordnung, die für die Art der gemessenen Strahlung am empfindlichsten ist. Neutronendetektoren verwenden Ionisationskammern oder Proportionalzähler geeigneter Bauart. Kompensierte Ionenkammern, BF ₃ -Zähler, Spaltzähler und Protonenrückstoßzähler sind Beispiele für Neutronendetektoren.

Vor- und Nachteile je nach Detektorspannung

Die Beziehung zwischen der angelegten Spannung und der Impulshöhe in einem Detektor ist sehr komplex. Die Impulshöhe und die Anzahl der gesammelten Ionenpaare stehen in direktem Zusammenhang. Wie geschrieben wurde, können die Spannungen in Abhängigkeit von der Detektorgeometrie und dem Gastyp und -druck stark variieren. Die Abbildung zeigt schematisch die verschiedenen Spannungsbereiche für Alpha-, Beta- und Gammastrahlen. Es gibt sechs praktische Hauptbetriebsbereiche, in denen drei (Ionisations-, Proportional- und Geiger-Müller-Bereich) zur Detektion ionisierender Strahlung nützlich sind. Diese Anforderungen sind unten aufgeführt. Die Alpha-Kurve ist aufgrund der größeren Anzahl von Ionenpaaren, die durch die anfängliche Reaktion der einfallenden Strahlung erzeugt werden, höher als die Beta- und Gammakurve vom Rekombinationsbereich zum Teil des Bereichs mit begrenzter Proportionalität.

• Ionisationsregion . Im Ionisationsbereich bewirkt ein Spannungsanstieg keinen wesentlichen Anstieg der Anzahl der gesammelten Ionenpaare. Die Anzahl der von den Elektroden gesammelten Ionenpaare entspricht der Anzahl der durch die einfallende Strahlung erzeugten Ionenpaare und hängt von der Art und Energie der Partikel oder Strahlen in der einfallenden Strahlung ab. Daher ist die Kurve in diesem Bereich flach. Die Spannung muss höher sein als der Punkt, an dem dissoziierte Ionenpaare rekombinieren können. Andererseits ist die Spannung nicht hoch genug, um eine Gasverstärkung (Sekundärionisation) zu erzeugen. Detektoren im Ionisationsbereich arbeiten mit einer geringen elektrischen Feldstärke, die so ausgewählt ist, dass keine Gasvermehrung stattfindet. Ihr Strom ist unabhängig von der angelegten Spannung und sie sind esbevorzugt für hohe Strahlungsdosisraten, da sie keine „Totzeit“ haben, ein Phänomen, das die Genauigkeit der Geiger-Müller-Röhre bei hohen Dosisraten beeinflusst.
• Proportionalbereich . Im proportionalen Bereich nimmt die gesammelte Ladung mit einem weiteren Anstieg der Detektorspannung zu, während die Anzahl der primären Ionenpaare unverändert bleibt. Durch Erhöhen der Spannung werden die Primärelektronen mit ausreichender Beschleunigung und Energie versorgt, damit sie zusätzliche Atome des Mediums ionisieren können. Diese gebildeten Sekundärionen werden ebenfalls beschleunigt, was einen als Townsend-Lawinen bekannten Effekt verursacht, der einen einzelnen großen elektrischen Impuls erzeugt. Obwohl esfür jedes Primärereigniseine große Anzahl von Sekundärionen gibt (etwa 10 ³ – 10 ⁵ ), wird die Kammer immer so betrieben, dass die Anzahl der Sekundärionen proportional istauf die Anzahl der primären Ereignisse. Dies ist sehr wichtig, da die primäre Ionisation von der Art und Energie der Partikel oder Strahlen im abgefangenen Strahlungsfeld abhängt. Die Anzahl der gesammelten Ionenpaare geteilt durch die Anzahl der durch die Primärionisation erzeugten Ionenpaare liefert den Gasverstärkungsfaktor (bezeichnet mit A). Die in diesem Bereich auftretende Gasverstärkung kann die Gesamtionisationsmenge auf einen messbaren Wert erhöhen. Der Prozess der Ladungsverstärkung verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis des Detektors erheblich und reduziert die nachfolgende erforderliche elektronische Verstärkung. Wenn Instrumente im Proportionalbereich betrieben werden, muss die Spannung konstant gehalten werden.Bleibt eine Spannung konstant, ändert sich auch der Gasverstärkungsfaktor nicht. Proportionalzählererkennungsinstrumente sind sehr empfindlich gegenüber geringen Strahlungswerten. Darüber hinaus können Proportionalzähler Partikel identifizieren und Energie messen (Spektroskopie). Durch Analyse der Impulshöhe können unterschiedliche Strahlungsenergien und unterschiedliche Strahlungstypen unterschieden werden, da sie sich in der Primärionisation signifikant unterscheiden.
• Geiger-Müller-Region . In der Region Geiger-Müller ist die Spannung und damit das elektrische Feld so stark, dass Sekundärlawinen auftreten können. Diese Lawinen können durch Photonen ausgelöst und verbreitet werden, die von Atomen emittiert werden, die in der ursprünglichen Lawine angeregt wurden. Da diese Photonen nicht vom elektrischen Feld beeinflusst werden, können sie weit (z. B. seitlich zur Achse) von der Primärlawine interagieren, wobei die gesamte Geigerröhre an dem Prozess beteiligt ist. Ein starkes Signal (der Verstärkungsfaktor kann etwa 10 ^{10 erreichen}) wird durch diese Lawinen mit Form und Höhe unabhängig von der Primärionisation und der Energie des detektierten Photons erzeugt. Detektoren, die in der Region Geiger-Müller betrieben werden, können Gammastrahlen und auch alle Arten geladener Teilchen erfassen, die in den Detektor gelangen können. Diese Detektoren sind als Geigerzähler bekannt . Der Hauptvorteil dieser Instrumente besteht darin, dass sie normalerweise keine Signalverstärker benötigen. Da sich die positiven Ionen nicht weit vom Lawinenbereich entfernen, stört eine positiv geladene Ionenwolke das elektrische Feld und beendet den Lawinenprozess. In der Praxis wird die Beendigung der Lawine durch die Verwendung von „ Quenching “ verbessertTechniken. Im Gegensatz zu Proportionalzählern kann die Energie oder sogar einfallende Strahlungsteilchen von Geigerzählern nicht unterschieden werden, da das Ausgangssignal unabhängig von der Menge und Art der ursprünglichen Ionisation ist.