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.
Anwendungen von Szintillationszählern
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 . Für diese Zwecke werden verschiedene Szintillatoren verwendet:
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CsI (Tl) -Szintillationskristall. Quelle: wikipedia.de Lizenz: CC BY-SA 3.0 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.
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