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:
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.
