Was ist die Detektion von Röntgenstrahlen – Detektor von Röntgenstrahlen – Definition

Die Detektion von Röntgenstrahlen ist sehr spezifisch, da hochenergetische Photonen unterschiedlich mit Materie interagieren. Detektion von Röntgenstrahlen – Detektor von Röntgenstrahlen

Die Detektion von Röntgenstrahlen  ist sehr spezifisch, da hochenergetische Photonen unterschiedlich mit Materie interagieren. Hochenergetische Photonen können Tausende von Fuß in der Luft wandern und verschiedene Materialien leicht durchdringen. Darüber hinaus können hochenergetische Photonen 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 hochenergetischen Photonen zu beschreiben, müssen wir die Wechselwirkung von Strahlung mit Materie verstehen . Jeder Partikeltyp wechselwirkt auf unterschiedliche Weise. Daher müssen Wechselwirkungen von hochenergetischen Photonen (Strahlung als Fluss dieser Strahlen) separat beschrieben werden.

Siehe auch: Röntgenbilder

Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit Materie

Obwohl eine große Anzahl möglicher Wechselwirkungen bekannt ist, gibt es drei wichtige Wechselwirkungsmechanismen mit Materie. Die Stärke dieser Wechselwirkungen hängt von der  Energie der Röntgenstrahlen  und der Elementzusammensetzung des Materials ab, nicht jedoch von den chemischen Eigenschaften, da die Röntgenphotonenenergie viel höher ist als die chemischen Bindungsenergien. Die photoelektrische Absorption dominiert bei niedrigen Röntgenenergien   während die Compton-Streuung bei höheren Energien dominiert.

Das Photon wird im photoelektrischen Effekt vollständig absorbiert, während bei einer gegebenen Compton-Streuung nur teilweise Energie abgeschieden wird. Die Wahrscheinlichkeit der photoelektrischen Absorption (dominiert bei niedrigeren Röntgenenergien) 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.

Detektoren von Röntgenstrahlen

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

Detektion von Röntgenstrahlen mittels 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 durch Alpha mehr Strom im Alpha-Bereich als durch Beta und Gamma erzeugt wird. Gammastrahlen lagern deutlich weniger Energie im Detektor ab als andere Partikel.

Detektion von Röntgenstrahlen mit dem Geigerzähler

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

Der Geigerzähler  kann ionisierende Strahlung wie  Alpha-  und  Betateilchen ,  Neutronen , Röntgen- 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.

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.

Detektion von Röntgenstrahlen mit dem 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- , Röntgen- und  Gammastrahlung zu erfassen  . Sie können auch zum  Nachweis von Neutronen verwendet werden . Zu diesem Zweck werden verschiedene Szintillatoren verwendet.

  • Röntgenstrahlen .  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 Röntgenstrahlen 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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