Was ist der Nachweis von Alpha-, Beta- und Gammastrahlung mittels Szintillationszähler – Definition?

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.

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.

Nachweis von Alpha-, Beta- und Gammastrahlung 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 eingesetzt werden . Für diese Zwecke werden verschiedene Szintillatoren verwendet:

• Alpha-Teilchen und schwere Ionen . Szintillationszähler eignen sich aufgrund der sehr hohen Ionisationskraft von Schwerionen in der Regel nicht zum Nachweis von Schwerionen. Bei gleichen Energien erzeugt ein Proton 1/4 bis 1/2 des Lichts eines Elektrons, während Alphateilchen 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. Pure CsI ist ein schnelles und dichtes szintillierendes Material mit relativ geringer Lichtausbeute, das mit dem Abkühlen erheblich ansteigt. Die Nachteile von CsI sind ein hoher Temperaturgradient und eine leichte Hygroskopizität.
• Beta-Partikel . Zum Nachweis von Beta-Partikeln können organische Szintillatoren eingesetzt werden. Reine organische Kristalle schließen Kristalle von Anthracen, Stilben und Naphthalin ein. 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 zum Nachweis von Gammastrahlen. Das am häufigsten verwendete Szintillationsmaterial ist NaI (Tl) (mit Thallium dotiertes Natriumiodid). Das Jod liefert den größten Teil der Bremskraft in Natriumjodid (da es ein hohes Z = 53 hat). Diese kristallinen Szintillatoren zeichnen sich durch eine hohe Dichte, eine hohe Atomzahl und Pulsabklingzeiten von etwa 1 Mikrosekunde (~ 10 ^{-6) aus}sec). Die Szintillation in anorganischen Kristallen ist typischerweise langsamer als in organischen. Sie weisen eine hohe Effizienz für die Detektion von Gammastrahlen auf und können mit hohen Zählraten umgehen. Anorganische Kristalle können in kleine Größen geschnitten und in einer Array-Konfiguration angeordnet werden, um eine Positionsempfindlichkeit bereitzustellen. Diese Funktion wird in der medizinischen Bildgebung häufig zur Erkennung von Röntgen- oder Gammastrahlen eingesetzt. Anorganische Szintillatoren können Gammastrahlen und Röntgenstrahlen besser nachweisen. Dies ist auf ihre hohe Dichte und Ordnungszahl zurückzuführen, die eine hohe Elektronendichte ergeben.
• Neutronen . Da die Neutronen elektrisch neutrale Teilchen sind, sind sie hauptsächlich starken Kernkräften ausgesetzt, jedoch keinen elektrischen Kräften. Daher ionisieren Neutronen nicht direkt und müssen in der Regelin 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.  Schnelle Neutronen (> 0,5 MeV) beruhen in erster Linie auf dem Rückstoßproton in (n, p) -Reaktionen. Materialien, die reich an Wasserstoff sind, beispielsweise Kunststoff-Szintillatoreneignen sich daher am besten für ihre Detektion. Thermische Neutronen stützen sich auf Kernreaktionen wie die (n, γ) – oder (n, α) -Reaktionen, um Ionisation zu erzeugen. Materialien wie LiI (Eu) oder Glassilikate eignen sich daher besonders zum Nachweis von thermischen Neutronen.