Szintillationszähler
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 Grundprinzip des Betriebs besteht darin, dass die Strahlung mit einem Szintillator reagiert, der eine Reihe von Blitzen unterschiedlicher Intensität erzeugt. Die Intensität der Blitze ist proportional zur Energie der Strahlung. Diese Funktion ist sehr wichtig. Diese Zähler eignen sich zur Messung der Energie von Gammastrahlung ( Gammaspektroskopie ) und können daher zur Identifizierung von Gamma-emittierenden Isotopen verwendet werden.
Szintillationszähler werden häufig im Strahlenschutz , bei der Untersuchung radioaktiver Materialien und in der Physikforschung eingesetzt, da sie kostengünstig und dennoch mit guter Effizienz hergestellt werden können und sowohl die Intensität als auch die Energie einfallender Strahlung messen können. Krankenhäuser auf der ganzen Welt verfügen über Gammakameras, die auf dem Szintillationseffekt basieren, und werden daher auch als Szintillationskameras bezeichnet.
Vor- und Nachteile von Szintillationszählern werden vom Szintillator bestimmt. Die folgenden Funktionen sind nicht für alle Szintillatoren allgemein.
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 9 (organische Szintillatoren) bis 10 bis 6 (anorganische Szintillatoren) Sekunden.
- 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.
- Flüssigszintillatoren sind relativ umständlich.
Halbleiterdetektoren
Ein Halbleiterdetektor ist ein Strahlungsdetektor, der auf einem Halbleiter wie Silizium oder Germanium basiert , um die Wirkung einfallender geladener Teilchen oder Photonen zu messen. Halbleiterdetektoren werden häufig im Strahlenschutz , bei der Untersuchung radioaktiver Materialien und in der Physikforschung eingesetzt.
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 .
Vorteile von Siliziumdetektoren
- Im Vergleich zu gasförmigen Ionisationsdetektoren ist die Dichte eines Halbleiterdetektors sehr hoch, und geladene Teilchen mit hoher Energie können ihre Energie in einem Halbleiter mit relativ kleinen Abmessungen abgeben.
- Silizium hat eine hohe Dichte von 2,329 g / cm 3 und daher ermöglicht der durchschnittliche Energieverlust pro Längeneinheit den Bau dünner Detektoren (z. B. 300 um), die noch messbare Signale erzeugen. Beispielsweise beträgt im Fall eines minimalen ionisierenden Partikels (MIP) der Energieverlust 390 eV / um. Die Siliziumdetektoren sind mechanisch starr und daher sind keine speziellen Stützstrukturen erforderlich.
- Detektoren auf Siliziumbasis eignen sich sehr gut zur Verfolgung geladener Teilchen. Sie sind ein wesentlicher Bestandteil des Detektionssystems am LHC im CERN.
- Siliziumdetektoren können in starken Magnetfeldern eingesetzt werden.
Nachteile von Siliziumdetektoren
- Preis . Der Nachteil ist, dass Siliziumdetektoren viel teurer sind als Wolkenkammern oder Drahtkammern.
- Abbau . Sie werden im Laufe der Zeit auch durch Strahlung abgebaut, dies kann jedoch dank des Lazarus-Effekts stark reduziert werden.
- Hohe FWHM . 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.
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