Strahlendosimetrie

Die Unterscheidung in Strahlungserfassungsschaltungen bezieht sich auf den Prozess der Unterscheidung zwischen verschiedenen Arten von Strahlung anhand der Impulshöhe. Eine Diskriminatorschaltung wählt die minimale oder maximale Impulshöhe aus, die gezählt werden soll. Beispielsweise wird im Neutronendetektor eine Diskriminatorschaltung verwendet, um die großen Impulse von der Alpha-Ionisation (die Neutronenabsorption im Detektor erzeugt Alpha-Partikel) von den viel kleineren zu unterscheiden, die durch Gammastrahlen verursacht würden.

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

Zweck von Strahlungsdetektoren

Es gibt drei Haupttypen von Detektoren, die verschiedene Arten von Signalen aufzeichnen.

• Zähler . Die Aktivität oder Intensität der Strahlung wird in Zählungen pro Sekunde (cps) gemessen. Der bekannteste Zähler ist der Geiger-Müller-Zähler. In Strahlungszählern wird das von der einfallenden Strahlung erzeugte Signal durch Zählen der Anzahl von Wechselwirkungen erzeugt, die am empfindlichen Volumen des Detektors auftreten.
• Strahlungsspektrometer . Spektrometer sind Geräte zur Messung der spektralen Leistungsverteilung einer Quelle. Die einfallende Strahlung erzeugt ein Signal, mit dem die Energie des einfallenden Partikels bestimmt werden kann.
• Dosimeter . Ein Strahlungsdosimeter ist ein Gerät, das die Exposition gegenüber ionisierender Strahlung misst. Dosimeter zeichnen normalerweise eine Dosis auf, bei der es sich um die in Grautönen (Gy) gemessene absorbierte Strahlungsenergie der in Sieverts (Sv) gemessenen äquivalenten Dosis handelt. Ein persönliches Dosimeter ist ein Dosimeter, das von der überwachten Person an der Körperoberfläche getragen wird es zeichnet die empfangene Strahlendosis auf.

Alle diese Arten von Geräten erfordern, dass die Strahlung zu beobachtbaren Änderungen einer Verbindung (ob Gas, Flüssigkeit oder Feststoff) führt. In ihren Grundprinzipien folgen die meisten Detektoren ionisierender Strahlung ähnlichen Eigenschaften. Detektoren ionisierender Strahlung  bestehen aus zwei Teilen, die normalerweise miteinander verbunden sind. Der erste Teil besteht aus einem  empfindlichen Material, bestehend aus einer Verbindung, die bei Bestrahlung Veränderungen erfährt. Die andere Komponente ist ein Gerät, das diese Änderungen in messbare Signale umwandelt. Alle Detektoren erfordern, dass Strahlung einen Teil ihrer Energie in empfindlichem Material ablagern muss, das Teil des Instruments ist. Die Strahlung tritt in den Detektor ein, interagiert mit Atomen des Detektormaterials und lagert etwas Energie an empfindliches Material ab. Jedes Ereignis kann ein Signal erzeugen, das ein Impuls, ein Loch, ein Lichtsignal, Ionenpaare in einem Gas und viele andere sein kann. Die Hauptaufgabe besteht darin, ausreichend Signal zu erzeugen, zu verstärken und aufzuzeichnen.

Klassifizierung nach empfindlichem Material

Wir konzentrieren uns auf den ersten Teil, der aus einem empfindlichen Material besteht. Detektoren können nach empfindlichen Materialien und Methoden kategorisiert werden, die zur Durchführung einer Messung verwendet werden können:

• Gasionisationsdetektoren
• Szintillationsdetektoren
• Halbleiterdetektoren
• Filmabzeichen
• TLD

Nehmen wir gasförmige Ionisationsdetektoren an . Der grundlegende 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 äußere Zylinder die negative Elektrode (Kathode), so dass (negative) Elektronen vom Mitteldraht und positive Ionen vom äußeren Zylinder angezogen werden. Die Anode hat eine positive Spannung in Bezug auf die Detektorwand. Wenn ionisierende Strahlung zwischen den Elektroden in das Gas eintritt, wird eine endliche Anzahl von Ionenpaaren gebildet. Unter dem Einfluss des elektrischen Feldes bewegen sich die positiven Ionen zur negativ geladenen Elektrode (äußerer Zylinder) und die negativen Ionen (Elektronen) zur positiven Elektrode (zentraler Draht). Die Sammlung dieser Ionen erzeugt eine Ladung an den Elektroden und einen elektrischen Impuls über die Erfassungsschaltung.verstärkt und dann mit Standardelektronik aufgezeichnet .

Klassifizierung von Strahlungsdetektoren – Strahlungstyp

Prinzipien und Methoden zum Nachweis ionisierender Strahlung hängen von vielen Faktoren ab. Die Art der gemessenen und detektierten Strahlung ist ein Schlüsselfaktor, und verschiedene Arten von Detektoren in verschiedenen physikalischen Zuständen (fest, flüssig oder gasförmig) werden verwendet, um selektive Arten ionisierender Strahlung zu messen. Es ist wichtig, zwischen Alpha- oder Betateilchen , Röntgen- oder γ-Strahlen und Neutronen zu unterscheiden. Da jede Strahlung unterschiedlich mit Materie interagiert, können wir beispielsweise keinen Neutronendetektor zur Detektion von Betastrahlung verwenden. Manchmal können Detektoren verschiedene Arten von Strahlung erfassen, beispielsweise können Neutronendetektoren auch Gammastrahlung erfassen. Normalerweise ist dieses Merkmal nicht wünschenswert, und Detektoren müssen die unerwünschte Komponente der Strahlung kompensieren .

Um die Klassifizierung von Strahlungsdetektoren nach der Art der Strahlung zu beschreiben, müssen wir die Wechselwirkungen von Strahlung mit Materie verstehen . Jeder Partikeltyp interagiert auf unterschiedliche Weise , daher müssen wir die Interaktion von Partikeln (Strahlung als Fluss dieser Partikel) separat beschreiben. Beispielsweise können geladene Teilchen mit hohen Energien Atome direkt ionisieren. Andererseits interagieren elektrisch neutrale Teilchen nur indirekt, können aber auch einige oder alle ihrer Energien auf die Materie übertragen. Dies ist das Hauptmerkmal der Kategorisierung von Strahlungsdetektoren. Wir können einfach keinen Gammastrahlendetektor verwenden, um Alphastrahlung zu erfassen. Detektoren können wie folgt in zwei allgemeine Typen eingeteilt werden:

• Detektion von direkt ionisierender Strahlung
  • Alpha-Strahlung
  • Beta-Strahlung
• Detektion indirekt ionisierender Strahlung
  • Gammastrahlung
  • Neutronenstrahlung
  • Neutrinos

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 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.

Szintillationszähler – Funktionsprinzip

Die Funktionsweise von Szintillationszählern ist in folgenden Punkten zusammengefasst:

• 

  Ionisierende Strahlung tritt in den Szintillator ein und interagiert mit dem Szintillatormaterial. Dies führt dazu, dass Elektronen in einen angeregten Zustand gebracht werden .

  • Für geladene Teilchen ist die Spur der Weg des Teilchens selbst.
  • Bei Gammastrahlen (ungeladen) wird ihre Energie entweder über den photoelektrischen Effekt , die Compton-Streuung oder die Paarbildung in ein energetisches Elektron umgewandelt .
• Die angeregten Atome des Szintillatormaterials regen an und emittieren schnell ein Photon im sichtbaren (oder nahezu sichtbaren) Lichtbereich. Die Menge ist proportional zur vom ionisierenden Teilchen abgelagerten Energie. Das Material soll fluoreszieren.
• Es werden drei Klassen von Leuchtstoffen verwendet:
  • anorganische Kristalle,
  • organische Kristalle,
  • Kunststoffleuchtstoffe.
• Das im Szintillator erzeugte Licht trifft auf die Fotokathode einer Photovervielfacherröhre und setzt höchstens ein Photoelektron pro Photon frei.
• 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 .
• Diese Sekundärelektronen werden angezogen und treffen auf eine zweite Dynode, wobei mehr Elektronen freigesetzt werden. Dieser Vorgang findet in der Photovervielfacherröhre statt.
• Jeder nachfolgende Dynodenaufprall setzt weitere Elektronen frei, so dass in jeder Dynodenstufe ein Stromverstärkungseffekt auftritt. Jede Stufe hat ein höheres Potential als die vorherige, um das Beschleunigungsfeld bereitzustellen.
• Das Primärsignal wird multipliziert und diese Verstärkung wird über 10 bis 12 Stufen fortgesetzt.
• 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.

Ein Szintillationsdetektor oder Szintillationszähler wird erhalten, wenn ein Szintillator an einen elektronischen Lichtsensor gekoppelt ist, wie z.

• eine Photovervielfacherröhre (PMT),
• eine CCD-Kamera (Charge Coupled Device),
• Fotodiode

Alle diese Geräte können in Szintillationszählern verwendet werden und alle wandeln das Licht in ein elektrisches Signal um und enthalten Elektronik zur Verarbeitung dieses Signals. Eine Photovervielfacherröhre (PMT) absorbiert das vom Szintillator emittierte Licht und emittiert es über den photoelektrischen Effekt in Form von Elektronen wieder. Das PMT ist seitdem die Hauptwahl für die Photonendetektion, da es eine hohe Quanteneffizienz und eine hohe Verstärkung aufweist. In letzter Zeit haben jedoch Halbleiter begonnen, mit der PMT zu konkurrieren, beispielsweise der Fotodiode, die im sichtbaren Bereich und darüber eine höhere Quanteneffizienz, einen geringeren Stromverbrauch und eine geringere Größe aufweist.

Vakuum-Fotodioden sind ähnlich, verstärken jedoch das Signal nicht, während Silizium-Fotodioden andererseits einfallende Photonen durch Anregung von Ladungsträgern direkt im Silizium erfassen.

Eine Reihe von tragbaren Gammakameras für die medizinische Bildgebung verwenden Szintillator-CCD-basierte Detektoren . In diesem Fall wandelt ein Szintillator die einfallende Strahlung (normalerweise Röntgenstrahlen) in Photonen mit sichtbarer Wellenlänge um, die dann direkt von der CCD-Kamera erfasst werden können.

Es ist zu beachten, dass der Begriff Quanteneffizienz (QE) für das Verhältnis von einfallendem Photon zu umgewandeltem Elektron (IPCE) einer lichtempfindlichen Vorrichtung gelten kann. Der Quantenwirkungsgrad für die Fotodiode ist hoch (60-80%) im Vergleich zum PMT (20-30%), was eine höhere Energieauflösung ergibt.

Szintillationsmaterialien – Szintillatoren

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

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

Anorganische Szintillatoren

Anorganische Szintillatoren sind üblicherweise Kristalle, die in Hochtemperaturöfen gezüchtet werden. Sie umfassen Lithiumiodid (LiI), Natriumiodid (NaI) , Cäsiumiodid (CsI) und Zinksulfid (ZnS). Das am häufigsten verwendete Szintillationsmaterial ist NaI (Tl) (Thallium-dotiertes Natriumiodid). Das Jod liefert den größten Teil der Bremskraft in Natriumjodid (da es einen hohen Z = 53 hat). Diese kristallinen Szintillatoren zeichnen sich durch eine hohe Dichte, eine hohe Ordnungszahl und Impulsabklingzeiten von ungefähr 1 Mikrosekunde ( ~ 10 ^–6 s) aus). Die Szintillation in anorganischen Kristallen ist typischerweise langsamer als in organischen. Sie weisen eine hohe Effizienz für die Detektion von Gammastrahlen auf und 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 als organische Szintillatoren. Dies ist auf ihre hohe Dichte und Ordnungszahl zurückzuführen, die eine hohe Elektronendichte ergibt. Ein Nachteil einiger anorganischer Kristalle, z. B. NaI, ist ihre HygroskopizitätEine Eigenschaft, bei der sie in einem luftdichten Behälter untergebracht werden müssen, um sie vor Feuchtigkeit zu schützen.

Organische Szintillatoren

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

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

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

Fotovervielfacherröhre

Photomultiplier-Röhren (PMTs) sind Photonendetektionsgeräte, die den photoelektrischen Effekt in Kombination mit der Sekundäremission nutzen, um Licht in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Ein Photovervielfacher absorbiert das vom Szintillator emittierte Licht und emittiert es über den photoelektrischen Effekt in Form von Elektronen wieder . Das PMT ist seitdem die Hauptwahl für die Photonendetektion, da es eine hohe Quanteneffizienz und eine hohe Verstärkung aufweist.

Komponenten der Photovervielfacherröhre

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.

Quanteneffizienz

Die Empfindlichkeit einer Fotokathode wird üblicherweise als Quanteneffizienz angegeben . Im Allgemeinen kann der Begriff Quanteneffizienz (QE) für das Verhältnis von einfallendem Photon zu umgewandeltem Elektron ( IPCE ) einer lichtempfindlichen Vorrichtung gelten. Die Quanteneffizienz der Fotokathode ist definiert als die Wahrscheinlichkeit für die Umwandlung einfallender Photonen in ein elektrisches Signal und definiert als:

Die Quanteneffizienz einer lichtempfindlichen Vorrichtung ist eine starke Funktion der Wellenlänge des einfallenden Lichts, und es wird versucht, die spektrale Antwort der Fotokathode an das Emissionsspektrum des verwendeten Szintillators anzupassen. In der Photovervielfacherröhre ist die Quanteneffizienz auf 20 bis 30% begrenzt , aber eine durchschnittliche Quanteneffizienz über das Emissionsspektrum eines typischen Szintillators beträgt etwa 15 bis 20% .

Der Standard für die Angabe ist die Anzahl der Photoelektronen pro keV Energieverlust durch schnelle Elektronen in einem NaI (Tl) -Szintillator . Für die maximale Quanteneffizienz werden pro keV-Energieverlust etwa 8 bis 10 Photoelektronen erzeugt. Daher beträgt der durchschnittliche Energieverlust, der zur Erzeugung eines einzelnen Photoelektron erforderlich ist, ~ 100 eV, was viel größer ist als die Werte in gasgefüllten Detektoren oder Halbleiterdetektoren.

Das PMT ist seitdem die Hauptwahl für die Photonendetektion, da es eine hohe Quanteneffizienz und eine hohe Verstärkung aufweist. In letzter Zeit haben jedoch Halbleiter begonnen, mit der PMT zu konkurrieren, beispielsweise der Fotodiode, die im sichtbaren Bereich und darüber eine höhere Quanteneffizienz, einen geringeren Stromverbrauch und eine geringere Größe aufweist. Der Quantenwirkungsgrad für die Fotodiode ist hoch (60-80%) im Vergleich zum PMT (20-30%), was eine höhere Energieauflösung ergibt.

Fotodioden – Szintillationszähler

Ein Szintillationsdetektor oder Szintillationszähler wird erhalten, wenn ein Szintillator an einen elektronischen Lichtsensor gekoppelt ist, wie z.

• eine Photovervielfacherröhre (PMT),
• eine CCD-Kamera (Charge Coupled Device),
• Fotodiode

Alle diese Geräte können in Szintillationszählern verwendet werden und alle wandeln das Licht in ein elektrisches Signal um und enthalten Elektronik zur Verarbeitung dieses Signals. Eine Fotodiode ist ein Halbleiterbauelement, das Licht in elektrischen Strom umwandelt. Dies ist eine Halbleitervorrichtung, die aus einer dünnen Siliziumschicht besteht, in der das Licht absorbiert wird, wonach freie Ladungsträger (Elektronen und Löcher) erzeugt werden. Eine herkömmliche Fotodiode bezieht sich meistens auf eine PIN-Diode. PIN bedeutet, dass die p- und die n-dotierte Seite durch einen abgereicherten i-Bereich getrennt sind. Elektronen und Löcher werden an der Anode und Kathode der Diode gesammelt. Dies führt zu einem Fotostrom, der der Ausgang der Diode ist. Die Ladung wird jedoch nicht verstärkt, wodurch die Amplitude des Ausgangssignals klein wird. Dies macht die Fotodiode empfindlich gegenüber elektronischem Rauschen. Andererseits,

Detektion von Alpha-, Beta- und Gammastrahlung 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.
• 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).
• 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 ^-6sec). 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.
• Neutronen . Da die Neutronen elektrisch neutrale Teilchen sind, sind sie hauptsächlich starken Kernkräften ausgesetzt , nicht jedoch elektrischen Kräften. Daher ionisieren Neutronen nicht direkt und müssen normalerweisein geladene Teilchen umgewandelt werden, bevor sie nachgewiesen werden können. Im Allgemeinen muss jeder Neutronendetektortyp mit einem Konverter (um Neutronenstrahlung in gemeinsame nachweisbare Strahlung umzuwandeln) und einem der herkömmlichen Strahlungsdetektoren (Szintillationsdetektor, Gasdetektor, Halbleiterdetektor usw.) ausgestattet sein.  Schnelle Neutronen (> 0,5 MeV) beruhen hauptsächlich auf dem Rückstoßproton in (n, p) -Reaktionen. Wasserstoffreiche Materialien, beispielsweise Kunststoffszintillatorensind daher für ihre Erkennung am besten geeignet. Thermische Neutronen beruhen auf Kernreaktionen wie den (n, γ) – oder (n, α) -Reaktionen, um eine Ionisation zu erzeugen. Materialien wie LiI (Eu) oder Glassilikate eignen sich daher besonders gut zum Nachweis von thermischen Neutronen.

Gammaspektroskopie mit Szintillationszähler

Siehe auch: Gammaspektroskopie mit Szintillationszähler

Siehe auch: Gammaspektroskopie

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

Die meisten radioaktiven Quellen erzeugen Gammastrahlen mit unterschiedlichen Energien und Intensitäten. Gammastrahlen begleiten häufig  die Emission  von  Alpha-  und  Betastrahlung . Wenn diese Emissionen mit einem Spektroskopiesystem erfasst und analysiert werden, kann ein Gammastrahlenenergiespektrum erzeugt werden. Gammastrahlen vom radioaktiven Zerfallliegen im Energiebereich von einigen keV bis ~ 8 MeV, was den typischen Energieniveaus in Kernen mit relativ langen Lebensdauern entspricht. Wie geschrieben wurde, entstehen sie durch den Zerfall von Kernen beim Übergang von einem Zustand hoher Energie in einen Zustand niedrigerer Energie. 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 Werkzeug im radiometrischen Assay. Das Gammaspektrum ist charakteristisch für die in der Quelle enthaltenen Gamma-emittierenden Nuklide.

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Dieser Artikel basiert auf der maschinellen Übersetzung des englischen Originalartikels. Weitere Informationen finden Sie im Artikel auf Englisch. Sie können uns helfen. Wenn Sie die Übersetzung korrigieren möchten, senden Sie diese bitte an: translations@nuclear-power.com oder füllen Sie das Online-Übersetzungsformular aus. Wir bedanken uns für Ihre Hilfe und werden die Übersetzung so schnell wie möglich aktualisieren. Danke.

Ein Geigerzähler besteht aus einer Geiger-Müller-Zählrohr (dem Sensorelement, das die Strahlung erfasst) und der Verarbeitungselektronik, die das Ergebnis anzeigt.

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

In diesem Bereich ist die Spannung hoch genug, um die Primärelektronen mit ausreichender Beschleunigung und Energie zu versorgen, damit sie zusätzliche Atome des Mediums ionisieren können. Diese gebildeten Sekundärionen (Gasverstärkung) werden ebenfalls beschleunigt und verursachen einen als Townsend-Lawinen bekannten Effekt . Diese Lawinen können durch Photonen ausgelöst und verbreitet werden, die von Atomen emittiert werden, die in der ursprünglichen Lawine angeregt wurden. Da diese Photonen nicht durch das elektrische Feld beeinflusst werden, können sie weit (z. B. seitlich zur Achse) von der Primärlawine wechselwirken, wobei die gesamte Geiger-Röhre am Prozess beteiligt ist.

Durch diese Lawinen wird unabhängig von der Primärionisation und der Energie des detektierten Photons ein starkes Signal (der Verstärkungsfaktor kann etwa 10 ^{10 erreichen} ) mit Form und Höhe erzeugt. Der Spannungsimpuls wäre in diesem Fall groß und leicht erfassbar ≈ 1,6 V. Der technische Vorteil eines Geigerzählers ist seine einfache Konstruktion und seine Unempfindlichkeit gegen kleine Spannungsschwankungen. Es ist sehr nützlich für die allgemeine Messung von Kernstrahlung, hat aber zwei wichtige Nachteile.

• 

  Da die Impulshöhe unabhängig von Art und Energie der Strahlung ist, ist eine Unterscheidung nicht möglich. Es gibt keinerlei Informationen über die Art der Ionisation, die den Puls verursacht hat.

• 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 .

Es gibt einen subtilen, aber wichtigen Unterschied zwischen Ionisationskammern und Geigerzählern . Eine Ionisationskammer erzeugt einen Strom, der proportional zur Anzahl der pro Sekunde gesammelten Elektronen ist (es findet keine Verstärkung statt). Dieser Strom wird gemittelt und verwendet, um einen Anzeigewert in Bq oder μSv / h zu steuern. Proportional- und Geigerzähler funktionieren auf diese Weise nicht. Stattdessen verstärken sie jeden der einzelnen Ionisationsstöße, sodass jedes Ionisationsereignis separat erfasst wird. Sie messen daher die Anzahl der ionisierenden Ereignisse (weshalb sie als Zähler bezeichnet werden). Während Ionisationskammern im Strom- oder Impulsbetrieb betrieben werden können, werden in fast immer Proportionalzähler oder Geigerzähler eingesetztPulsmodus . Im Gegensatz zu Proportionalzählern werden GM-Zähler aufgrund ihrer Empfindlichkeit, der einfachen Zählschaltung und der Fähigkeit, Strahlung mit niedrigem Strahlungspegel zu erfassen, hauptsächlich für tragbare Instrumente verwendet .

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.

Grundprinzip der Geigerzähler

Der Geigerzähler hat eine Kathode und eine Anode, die auf Hochspannung gehalten werden, und die Vorrichtung ist durch eine Kapazität gekennzeichnet, die durch die Geometrie der Elektroden bestimmt wird. In einem Geigerzähler ist das Füllgas der Kammer ein Inertgas, das durch einfallende Strahlung ionisiert wird, und ein Löschgas von 5–10% eines organischen Dampfes oder eines Halogengases, um ein störendes Pulsieren durch Löschen der Elektronenlawinen zu verhindern.

Wenn ionisierende Strahlung zwischen den Elektroden in das Gas eintritt, wird eine endliche Anzahl von Ionenpaaren gebildet. In Luft beträgt die durchschnittliche Energie, die zur Erzeugung eines Ions benötigt wird, ungefähr 34 eV, daher erzeugt eine 1 MeV-Strahlung, die vollständig im Detektor absorbiert ist, ungefähr 3 × 10 ⁴Ionenpaar. Das Verhalten der resultierenden Ionenpaare wird durch den Potentialgradienten des elektrischen Feldes innerhalb des Gases und die Art und den Druck des Füllgases beeinflusst. Unter dem Einfluss des elektrischen Feldes bewegen sich die positiven Ionen zur negativ geladenen Elektrode (äußerer Zylinder) und die negativen Ionen (Elektronen) zur positiven Elektrode (zentraler Draht). Das elektrische Feld in diesem Bereich verhindert, dass sich die Ionen mit den Elektronen rekombinieren. In unmittelbarer Nähe des Anodendrahtes wird die Feldstärke groß genug, um Townsend-Lawinen zu erzeugen. 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 von diesen Lawinen mit Form und Höhe unabhängig von der primären Ionisation und der Energie des detektierten Photons erzeugt. 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.

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 den Einsatz von „Lösch“ -Techniken verbessert .

Die Sammlung all dieser Elektronen erzeugt eine Ladung an den Elektroden und einen elektrischen Impuls über die Detektionsschaltung. Jeder Impuls entspricht einer Gammastrahlen- oder Neutronenwechselwirkung. Die Impulshöhe ist nicht proportional zur Anzahl der ursprünglich erzeugten Elektronen. Geigerzähler sind daher nicht in der Lage, Partikel zu identifizieren und Energie zu messen (Spektroskopie). Da der Prozess der Ladungsverstärkung das Signal-Rausch-Verhältnis des Detektors erheblich verbessert, ist die anschließende elektronische Verstärkung normalerweise nicht erforderlich.

Quenching – Dead Time – Geigerzähler

In einem Geigerzähler ist das Füllgas der Kammer ein Inertgas, das durch einfallende Strahlung ionisiert wird, und ein Löschgas von 5–10% eines organischen Dampfes oder eines Halogengases, um ein störendes Pulsieren durch Löschen der Elektronenlawinen zu verhindern. Der Geigerzähler sollte keine Störimpulse abgeben und sich schnell in den passiven Zustand zurückversetzen, bereit für das nächste Strahlungsereignis. Argon und Helium sind die am häufigsten verwendeten Füllgase und ermöglichen den Nachweis von Alpha-, Beta- und Gammastrahlung. Für die Neutronendetektion sind He-3 und BF ₃ (Bortrifluorid) die am häufigsten verwendeten Gase.

Für jedes in der Kammer gesammelte Elektron bleibt jedoch ein positiv geladenes Gasion übrig. Diese Gasionen sind im Vergleich zu einem Elektron schwer und bewegen sich viel langsamer. Freie Elektronen sind viel leichter als die positiven Ionen, daher werden sie viel schneller zur positiven Zentralelektrode gezogen als die positiven Ionen zur Kammerwand. Die resultierende Wolke positiver Ionen in der Nähe der Elektrode führt zu Verzerrungen bei der Gasvermehrung. Schließlich bewegen sich die positiven Ionen vom positiv geladenen zentralen Draht zur negativ geladenen Wand und werden durch Gewinnung eines Elektrons neutralisiert. Diese Atome kehren dann in ihren Grundzustand zurück, indem sie Photonen emittieren, die wiederum eine weitere Ionisierung und damit störende Sekundärentladungen erzeugen. Die durch diese Ionisation erzeugten Elektronen bewegen sich in Richtung des zentralen Drahtes und werden unterwegs multipliziert. Dieser Ladungsimpuls steht in keinem Zusammenhang mit der zu erfassenden Strahlung und kann eine Reihe von Impulsen auslösen. In der Praxis wird die Beendigung der Lawine durch den Einsatz von verbessert „Lösch“ -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.

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

Arten von Geiger-Müller-Röhren

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.

Es gibt zwei Haupttypen der Geigerrohrkonstruktion :

• 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 üblicherweise aus Glimmer mit einer Dichte von ca. 1,5 – 2,0 mg / cm ²damit energiearme 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.
• 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.

Manchmal wird ein „Pfannkuchen“ -Design der Geiger-Müller-Röhre bevorzugt. Dieser Detektor ist eine flache Geigerröhre mit einem dünnen Glimmerfenster mit größerer Fläche. Flache Geiger-Röhren wie diese werden als „Pfannkuchen“ -Röhren bezeichnet. Solche Rohre sind zum Schutz mit einem Drahtgitter versehen. Diese Konstruktion bietet einen größeren Erfassungsbereich und damit eine höhere Effizienz, um die Überprüfung zu beschleunigen. Der Druck der Atmosphäre gegen den niedrigen Druck des Füllgases begrenzt jedoch die Fenstergröße aufgrund der begrenzten Festigkeit der Fenstermembran.

Detektion von Neutronen mit Geigerzähler

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

Es ist nicht üblich, aber Geigerzähler können auch zur Neutronendetektion verwendet werden. In diesem Fall muss das Geiger-Müller-Rohr die Innenseite des Rohrs mit Bor beschichtet haben, oder das Rohr muss Bortrifluorid (BF ₃ ) oder Helium-3 als Füllgas enthalten.

Der Geigerzähler , auch als Geiger-Müller-Zähler bekannt , ist ein elektrisches Gerät, das verschiedene Arten von ionisierender Strahlung erfasst . Dieses Gerät ist nach den beiden Physikern benannt, die 1928 den Zähler erfanden. Müller war Schüler von Hans Geiger.  Der Geigerzähler wird häufig in Anwendungen wie der Strahlendosimetrie, dem Strahlenschutz , der Experimentalphysik und der Nuklearindustrie eingesetzt. Ein Geigerzähler besteht aus einer Geiger-Müller-Röhre (dem Sensorelement, das die Strahlung erfasst) und der Verarbeitungselektronik, die das Ergebnis anzeigt.

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

In diesem Bereich ist die Spannung hoch genug, um die Primärelektronen mit ausreichender Beschleunigung und Energie zu versorgen, damit sie zusätzliche Atome des Mediums ionisieren können. Diese gebildeten Sekundärionen (Gasverstärkung) werden ebenfalls beschleunigt und verursachen einen als Townsend-Lawinen bekannten Effekt . Diese Lawinen können durch Photonen ausgelöst und verbreitet werden, die von Atomen emittiert werden, die in der ursprünglichen Lawine angeregt wurden. Da diese Photonen nicht durch das elektrische Feld beeinflusst werden, können sie weit (z. B. seitlich zur Achse) von der Primärlawine wechselwirken, wobei die gesamte Geiger-Röhre am Prozess beteiligt ist.

Durch diese Lawinen wird unabhängig von der Primärionisation und der Energie des detektierten Photons ein starkes Signal (der Verstärkungsfaktor kann etwa 10 ^{10 erreichen} ) mit Form und Höhe erzeugt. Der Spannungsimpuls wäre in diesem Fall groß und leicht erfassbar ≈ 1,6 V. Der technische Vorteil eines Geigerzählers ist seine einfache Konstruktion und seine Unempfindlichkeit gegen kleine Spannungsschwankungen. Es ist sehr nützlich für die allgemeine Messung von Kernstrahlung, hat aber zwei wichtige Nachteile.

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  Da die Impulshöhe unabhängig von Art und Energie der Strahlung ist, ist eine Unterscheidung nicht möglich. Es gibt keinerlei Informationen über die Art der Ionisation, die den Puls verursacht hat.

• 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 .

Es gibt einen subtilen, aber wichtigen Unterschied zwischen Ionisationskammern und Geigerzählern . Eine Ionisationskammer erzeugt einen Strom, der proportional zur Anzahl der pro Sekunde gesammelten Elektronen ist (es findet keine Verstärkung statt). Dieser Strom wird gemittelt und verwendet, um einen Anzeigewert in Bq oder μSv / h zu steuern. Proportional- und Geigerzähler funktionieren auf diese Weise nicht. Stattdessen verstärken sie jeden der einzelnen Ionisationsstöße, sodass jedes Ionisationsereignis separat erfasst wird. Sie messen daher die Anzahl der ionisierenden Ereignisse (weshalb sie als Zähler bezeichnet werden). Während Ionisationskammern im Strom- oder Impulsbetrieb betrieben werden können, werden in fast immer Proportionalzähler oder Geigerzähler eingesetzt Pulsmodus . Im Gegensatz zu Proportionalzählern werden GM-Zähler aufgrund ihrer Empfindlichkeit, der einfachen Zählschaltung und der Fähigkeit, Strahlung mit niedrigem Strahlungspegel zu erfassen, hauptsächlich für tragbare Instrumente verwendet .