Was ist die Detektion von Gammastrahlung – Detektor von Gammastrahlen – Definition

Der Nachweis von Gammastrahlung ist sehr spezifisch, da Gammastrahlen unterschiedlich mit Materie interagieren. Detektion von Gammastrahlung – Detektor von Gammastrahlen

Der Nachweis von Gammastrahlung ist sehr spezifisch, da Gammastrahlen unterschiedlich mit Materie interagieren. Gammastrahlen können Tausende von Fuß in der Luft wandern und verschiedene Materialien leicht passieren. Darüber hinaus können Gammastrahlen durch den photoelektrischen Effekt und den Compton-Effekt Atome indirekt und direkt ionisieren (obwohl sie elektrisch neutral sind) . Die sekundäre (indirekte) Ionisation ist jedoch weitaus bedeutender.

Um die Prinzipien der Detektion von Gammastrahlung zu beschreiben, müssen wir die Wechselwirkung von Strahlung mit Materie verstehen . Jeder Partikeltyp wechselwirkt auf unterschiedliche Weise. Daher müssen Wechselwirkungen von Gammastrahlen (Strahlung als Fluss dieser Strahlen) separat beschrieben werden.

Wechselwirkung von Gammastrahlung mit Materie

Gammastrahlen bestehen aus energiereichen Photonen . Diese Photonen sind Teilchen / Wellen (Welle-Teilchen-Dualität) ohne Ruhemasse oder elektrische Ladung. Sie können 10 Meter oder mehr in der Luft zurücklegen. Dies ist eine große Entfernung im Vergleich zu Alpha- oder Betateilchen. Gammastrahlen lagern jedoch weniger Energie auf ihren Wegen ab. Blei, Wasser und Beton stoppen die Gammastrahlung. Photonen (Gammastrahlen und Röntgenstrahlen) können Atome direkt durch den photoelektrischen Effekt und den Compton-Effekt ionisieren, wobei das relativ energetische Elektron erzeugt wird. Das Sekundärelektron wird weiterhin mehrere Ionisationsereignisse erzeugen , daher ist die sekundäre (indirekte) Ionisation viel bedeutender.

Obwohl eine große Anzahl möglicher Wechselwirkungen bekannt ist, gibt es drei wichtige Wechselwirkungsmechanismen mit Materie.

Das Photon wird beim photoelektrischen Effekt und bei der Paarbildung vollständig absorbiert, während bei einer gegebenen Compton-Streuung nur teilweise Energie abgeschieden wird. Die Wahrscheinlichkeit der photoelektrischen Absorption (dominiert bei niedrigeren Gammastrahlungsenergien) pro Masseneinheit ist ungefähr proportional zu:

τ (photoelektrisch) = Konstante x Z N / E 3.5

wobei Z die Ordnungszahl ist, variiert der Exponent n zwischen 4 und 5. E ist die Energie des einfallenden Photons. Die Wahrscheinlichkeit der Compton-Streuung pro Wechselwirkung mit einem Atom steigt linear mit der Ordnungszahl Z an, da sie von der Anzahl der Elektronen abhängt, die für die Streuung im Zielatom zur Verfügung stehen. Die Wahrscheinlichkeit der Paarbildung (dominiert bei höheren Gammastrahlungsenergien), charakterisiert durch den Querschnitt, ist eine sehr komplizierte quantenmechanische Funktion . Im Allgemeinen nimmt der Querschnitt ungefähr mit dem Quadrat der Ordnungszahl (σ ~ Z 2 ) zu und nimmt mit der Photonenenergie zu, aber diese Abhängigkeit ist viel komplexer.

Infolgedessen basiert ein wirksames empfindliches Material für die Detektion von Gammastrahlung in den meisten Fällen auf der Verwendung von Materialien mit zwei folgenden Materialeigenschaften:

  • hohe Materialdichte.
  • hohe Ordnungszahl des Materials  (hohe Z-Materialien)

Detektoren der Gammastrahlung

Detektoren können auch nach empfindlichen Materialien und Methoden kategorisiert werden, die zur Durchführung einer Messung verwendet werden können:

Detektion von Gammastrahlung mit Ionisationskammer

Ionisationskammer - Grundprinzip

Gammastrahlen  haben nur sehr geringe Probleme, die Metallwände der Kammer zu durchdringen. Daher können Ionisationskammern verwendet werden, um Gammastrahlung und Röntgenstrahlen zu erfassen, die zusammen als Photonen bekannt sind, und hierfür wird die fensterlose Röhre verwendet. Ionisationskammern reagieren über einen weiten Energiebereich gleichmäßig gleichmäßig auf Strahlung und sind das bevorzugte Mittel zur Messung hoher Gammastrahlungswerte. Einige Probleme werden durch die Tatsache verursacht, dass Alpha-Partikel stärker ionisieren als Beta-Partikel und als Gammastrahlen, so dass im Bereich der Ionisationskammer durch Alpha mehr Strom erzeugt wird als durch Beta und Gamma. Gammastrahlen lagern deutlich weniger Energie im Detektor ab als andere Partikel.

Der Wirkungsgrad der Kammer kann durch die Verwendung eines Hochdruckgases weiter gesteigert werden. Typischerweise kann ein Druck von 8 bis 10 Atmosphären verwendet werden, und verschiedene Edelgase werden eingesetzt. Beispielsweise sind  Hochdruck-Xenon (HPXe) -Ionisationskammern  ideal für den Einsatz in unkontrollierten Umgebungen, da sich gezeigt hat, dass die Reaktion eines Detektors über große Temperaturbereiche (20–170 ° C) gleichmäßig ist. Der höhere Druck führt zu einer größeren Gasdichte und damit zu einer größeren Wahrscheinlichkeit einer Kollision mit dem Füllgas und der Erzeugung von Ionenpaaren durch einfallende Gammastrahlung. Aufgrund der erhöhten Wandstärke, die erforderlich ist, um diesem hohen Druck standzuhalten, kann nur Gammastrahlung erfasst werden. Diese Detektoren werden in  Vermessungsmessgeräten  und zur Umweltüberwachung eingesetzt.

Detektion von Gammastrahlung mit Geigerzähler

Detektor für ionisierende Strahlung - Geigerrohr
Detektor für ionisierende Strahlung – Geigerrohr

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

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.

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Detektion von Gammastrahlung mit Szintillationszähler

Scintillation_Counter - Fotovervielfacherröhre
Gerät mit einem Szintillationskristall, einem Fotovervielfacher und Datenerfassungskomponenten. Quelle: wikipedia.org Lizenz CC BY-SA 3.0

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 . Zu diesem Zweck werden verschiedene Szintillatoren verwendet.

  • 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 -6 sec). 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.

Detektion von Gammastrahlung mit Halbleitern – HPGe-Detektoren

HPGe Detektor - Germanium
HPGe-Detektor mit LN2-Kryostat Quelle: canberra.com

Hochreine Germaniumdetektoren  ( HPGe-Detektoren ) sind die beste Lösung für präzise  Gamma- und Röntgenspektroskopie .

Wie bereits geschrieben, wird das Studium und die Analyse von Gammastrahlenspektren für wissenschaftliche und technische Zwecke als Gammaspektroskopie bezeichnet, und Gammastrahlenspektrometer sind die Instrumente, die solche Daten beobachten und sammeln. Ein Gammastrahlenspektrometer (GRS) ist ein hoch entwickeltes Gerät zur Messung der Energieverteilung von Gammastrahlung. Für die Messung von Gammastrahlen über mehreren hundert keV gibt es zwei Detektorkategorien von großer Bedeutung,  anorganische Szintillatoren wie NaI (Tl) –  und  Halbleiterdetektoren . Wenn eine  perfekte Energieauflösung  erforderlich ist, müssen wir einen Detektor auf  Germaniumbasis wie den  HPGe-Detektor verwenden. Halbleiterdetektoren auf Germaniumbasis werden am häufigsten dort eingesetzt, wo eine sehr gute Energieauflösung erforderlich ist, insbesondere für die  Gammaspektroskopie sowie für die  Röntgenspektroskopie . In der Gammaspektroskopie wird Germanium bevorzugt, da seine Ordnungszahl viel höher als die von Silizium ist und die Wahrscheinlichkeit einer Gammastrahlenwechselwirkung erhöht. Darüber hinaus hat Germanium 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. Dies bietet letzteren auch eine bessere Energieauflösung. Das FWHM (volle Breite bei halbem Maximum) für Germaniumdetektoren ist eine Funktion der Energie. Für ein 1,3-MeV-Photon beträgt die FWHM 2,1 keV, was sehr niedrig ist.

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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: [email protected] oder füllen Sie das Online-Übersetzungsformular aus. Wir bedanken uns für Ihre Hilfe und werden die Übersetzung so schnell wie möglich aktualisieren. Danke.