HPGe-Detektoren
Hochreine Germaniumdetektoren ( HPGe-Detektoren ) sind die beste Lösung für präzise Gamma- und Röntgenspektroskopie . Im Vergleich zu Siliziumdetektoren ist Germanium für die Strahlungsdetektion viel effizienter als Silizium , da seine Ordnungszahl viel höher als die von Silizium ist und aufgrund der geringeren durchschnittlichen Energie, die zur Erzeugung eines Elektron-Loch-Paares erforderlich ist, 3,6 eV für Silizium und 2,9 eV beträgt für Germanium. Aufgrund seiner höheren Ordnungszahl hat Ge einen viel größeren linearen Dämpfungskoeffizienten, was zu einem kürzeren mittleren freien Weg führt. Darüber hinaus können Siliziumdetektoren nicht dicker als einige Millimeter sein, während Germanium eine abgereicherte, empfindliche Dicke von Zentimetern und kann daher als Gesamtabsorptionsdetektor für Gammastrahlen bis zu wenigen MeV verwendet werden.
Vorteile von HPGe-Detektoren
- Höhere Ordnungszahl. Germanium wird bevorzugt, da seine Ordnungszahl viel höher als die von Silizium ist und die Wahrscheinlichkeit einer Gammastrahlenwechselwirkung erhöht.
- Germanium hat 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.
- Sehr gute Energieauflösung . Das FWHM für Germaniumdetektoren ist eine Funktion der Energie. Für ein 1,3-MeV-Photon beträgt die FWHM 2,1 keV, was sehr niedrig ist.
- Große Kristalle . Während Detektoren auf Siliziumbasis nicht dicker als einige Millimeter sein können, kann Germanium eine abgereicherte, empfindliche Dicke von Zentimetern aufweisen und kann daher als Gesamtabsorptionsdetektor für Gammastrahlen bis zu wenigen MeV verwendet werden.
Nachteile von HPGe-Detektoren
- Kühlung . Der Hauptnachteil von HPGe-Detektoren besteht darin, dass sie auf Temperaturen von flüssigem Stickstoff abgekühlt werden müssen. Da Germanium eine relativ geringe Bandlücke aufweist , müssen diese Detektoren gekühlt werden, um die thermische Erzeugung von Ladungsträgern auf ein akzeptables Maß zu reduzieren . Andernfalls zerstört durch Leckstrom induziertes Rauschen die Energieauflösung des Detektors. Es sei daran erinnert, dass die Bandlücke (ein Abstand zwischen Valenz und Leitungsband ) für Germanium sehr gering ist (Egap = 0,67 eV). Das Abkühlen auf die Temperatur von flüssigem Stickstoff (-195,8 ° C; -320 ° F) reduziert die thermischen Anregungen von Valenzelektronen, so dass nur eine Gammastrahlenwechselwirkung einem Elektron die Energie geben kann, die erforderlich ist, um die Bandlücke zu überschreiten und das Leitungsband zu erreichen.
- Preis . Der Nachteil ist, dass Germaniumdetektoren viel teurer sind als Ionisationskammern oder Szintillationszähler .
NaI (Tl) -Szintillatoren
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 Alpha-Teilchens, eines Ions oder eines hochenergetischen Photons) erzeugt wird. Szintillation tritt im Szintillator auf, der ein Schlüsselelement 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 CCD-Kamera (Charge Coupled Device) oder eine Fotodiode), der das Licht in ein elektrisches Signal und eine Elektronik umwandelt, um dieses Signal zu verarbeiten.
Das am häufigsten verwendete Szintillationsmaterial ist NaI (Tl) (Thallium-dotiertes Natriumiodid) . NaI (Tl) als Szintillator wird in Szintillationsdetektoren verwendet, traditionell in der Nuklearmedizin, Geophysik, Kernphysik und Umweltmessungen. Das Jod liefert den größten Teil der Bremskraft in Natriumjodid (da es einen hohen Z = 53 hat). Diese kristallinen Szintillatoren zeichnen sich durch eine hohe Dichte, eine hohe Ordnungszahl und Impulsabklingzeiten von ungefähr 1 Mikrosekunde (~ 10 –6 s) aus. Die Wellenlänge der maximalen Emission beträgt 415 nm .
Vorteile von Szintillationszählern
- Effizienz . Die Vorteile eines Szintillationszählers sind seine Effizienz und die hohen Präzisions- und Zählraten, die möglich sind. Diese letzteren Eigenschaften sind eine Folge der extrem kurzen Dauer der Lichtblitze von etwa 10 bis 6 Sekunden (anorganische Szintillatoren).
- Spektroskopie . 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 umfassen die gebräuchlichsten Detektoren Natriumiodid (NaI) -Szintillationszähler und hochreine Germaniumdetektoren. Der NaI (Tl) -Szintillator hat eine höhere Energieauflösung als ein Proportionalzähler, was genauere Energiebestimmungen ermöglicht. Wenn andererseits eine perfekte Energieauflösung erforderlich ist, müssen wir einen Detektor auf Germaniumbasis wie den HPGe-Detektor verwenden.
Nachteile von Szintillationszählern
- Hygroskopizität . Ein Nachteil einiger anorganischer Kristalle, z. B. NaI, ist ihre Hygroskopizität , eine Eigenschaft, die erfordert, dass sie in einem luftdichten Behälter untergebracht werden, um sie vor Feuchtigkeit zu schützen.
- NaI (Tl) hat keine Beta- oder Alpha-Reaktion und eine schlechte Niedrigenergie-Gamma-Reaktion.
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