Detektoren ionisierender Strahlung

Übersicht
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Wechselwirkung ionisierender Strahlung mit
Atomen
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Nulleffekt
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Strahlungsdetektoren
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Übersicht
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Gasionisationsdetektoren
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Szintillationszähler
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Halbleiterdetektor
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Strahlungsmessgeräte
"Detektoren ionisierender Strahlung" von Martin Wüsthoff
WW ion. Strahlung mit Atomen
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Messung ion. Strahlung beruht auf WW (un)geladener Teilchen mit
Atomen
→ grundsätzlich kann jeder Stoff benutzt werden, der unter der
Einwirkung ion. Strahlung eine messbare Änderung seines phys. bzw.
chem. Zustandes erfährt
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bei geladenen Teilchen: primär Ionisation und Anregung von Atomen
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Gasen, Halbleitern: elektr. Ladungen
Kristalle, Lösungen, Gase: emittieren von Licht
(Lumineszenz)
"Detektoren ionisierender Strahlung" von Martin Wüsthoff
WW ion. Strahlung mit Atomen
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Bei ungeladenen Teilchen: Nachweis über im WW-Material gebildeten
Sekundärteilchen
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Bei Photonen: Photo-, Compton-, Paarbildungselektonen
Quelle: Werner Stolz „Radioaktivität Grundlagen Messung Anwendung“ Carl Hanser Verlag
"Detektoren ionisierender Strahlung" von Martin Wüsthoff
Nulleffekt
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Messen eines Ionisationsstroms ohne Strahlungsquelle
Entsteht durch: ständige Anwesenheit natürliche und künstliche
Radioaktivität
→ lässt sich mit geeigneter Schaltung kompensieren
"Detektoren ionisierender Strahlung" von Martin Wüsthoff
Strahlungsdetektoren
Filmschwärzungsdetektoren
Anregungsdetektoren
Ionisationsdetektoren
Lumineszenzdetektoren
Gasionisationsdetektoren
Ionisationskammer
Szintillationsdetektoren
Festkörperionisationsdetektoren
Zählrohre
Halbleiterdetektoren
Auslösezählrohr (Geiger-Müller Zählrohr)
Proportionalzählrohr
"Detektoren ionisierender Strahlung" von Martin Wüsthoff
Gasionisationsdetektoren
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Prinzipieller Aufbau bei
Ionisationskammer,
Proportionalzählrohr und GeigerMüller-Zählrohr gleich
Zwischen Kathode und Anode wird
durch die ionisierende Strahlung
Elektronen und positive Ionen gebildet
Ionen/Elektronen wandern aufgrund
des angelegten E-Feldes zur
Kathode/Anode
Quelle: L.Herforth und Koch „Praktikum der
Radioaktivität und Radiochemie“ Johann
Ambrosius Barth
Am Widerstand R entsteht ein Impuls welcher am Nachweisgerät
registriert wird
Impulsgröße U_R ist abhängig von:
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Art und Energie der Strahlung
angelegten Spannung U_K
Füllgas, Bauform
"Detektoren ionisierender Strahlung" von Martin Wüsthoff
Ionisationskammer
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Nur primär von der ion. Strahlung erzeugten Ladungsträger werden
gesammelt
Bereich I:
Ladungsträgerverluste durch
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Rekombination von Ionen & Elektronen
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Diffusion der Ladungsträger
Bereich II:
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Sättigungsbereich
Alle erzeugten Ionen-Elektronen Paare
erreichen die Elektroden
Signalladung entspricht Primärladung
Q_s=Q_p
"Detektoren ionisierender Strahlung" von Martin Wüsthoff
Quelle: http://positron.physik.uni-halle.de/VVB/Dias/SdM/Dia_S3.jpg (25.04.2011)
Ionisationskammer
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Pro Ionisation wird 30 – 40 eV der ion. Strahlung absorbiert
(abhängig vom Füllgas), Energie ion. Strahlung im MeV-Bereich
→ ~30.000 Ionisationen bis zur vollständigen Absorption
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Messung von Gamma-Strahlung über Sekundärelektronen die durch
WW mit Kammerwandmaterial entstehen
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Vorteil: Energiemessungen sind möglich, keine Totzeit
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Nachteil:
–
–
–
Messen von sehr kleinen Strömen
Nachweißempfindlichkeit gering, d.h. Geringe Änderung der
Energie hat nur geringe Änderung des gemessenen Impuls
zur folge
Messen energiearme Strahlung ist schlecht
"Detektoren ionisierender Strahlung" von Martin Wüsthoff
Proportionalzählrohr
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Vervielfachung der Primärladung durch Stoßionisation
(Gasentladung) und Anregung
Primärelektronen werden durch das E-Feld weiter beschleunigt,
so dass sie selbst Atome ionisieren (Sekundärelektronen)
Prozess kann sich mehrmals
wiederholen → Elektron löst
Elektronenlawine aus
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Signaladung Q_s ist Primärladung
Q_p streng proportional:
Q_S=A*Q_p (Bereich III)
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Gasverstärkung A hängt ab von:
● Gasart
● Gasdruck
● Zählrohrspannung
"Detektoren ionisierender Strahlung" von Martin Wüsthoff
Quelle: http://positron.physik.uni-halle.de/VVB/Dias/SdM/Dia_S3.jpg (25.04.2011)
Proportionalzählrohr
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Gasverstärkung bei
ein/zweiatomigen Gasen (Ar, H2, N2): Faktor 10^2
– (Mit Mischung) mehratomigen org. Gasen (Methan, Propan): bis
Faktor 10^6
Spannungsabhängigkeit von A=A(U):
–
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bei ein/zweiatomigen Gasen wächst A mit U sehr steil an
– Org. Gaszusätze bewirken Verringerung der
Spannungsabhängigkeit
Bei zu hoher Spannung zwischen Kathode und Annode:
–
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Proportionalität zwischen Ladung und Primärladung nicht mehr
gewährleistet (Bereich IV) da Raumladungen die Bildung weiterer
Ladungsträgerlawinen behindert
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Impuls- und Energiemessung möglich
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geringe Totzeit (~10µs), hohes zeitliches Auflösungsvermögen
"Detektoren ionisierender Strahlung" von Martin Wüsthoff
Auslösezählrohr
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Betriebsspannung im Auslösebereich V ist so hoch, dass nun
außerdem Atome angeregt werden, die Photonen emittieren, welche
im Gas und an der Katodenwand Photoelektronen „rausschlagen“
→ Sekundärelektronen bilden sich im gesamten Zählrohr
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Jedes Teilchen erzeugt unabhängig seiner
eigenen Energie den gleichen Strom im
Zählrohr
Leichte Elektronen werden schneller
„abgesaugt“ als schwere Ionen (um Faktor 10.000)
→ Ionen bauen schlauchförmige
Raumladungswolke um den Zähldraht auf, die
wie eine Anode wirkt (virtuelle Anode)
"Detektoren ionisierender Strahlung" von Martin Wüsthoff
Quelle: http://positron.physik.uni-halle.de/VVB/Dias/SdM/Dia_S3.jpg (25.04.2011)
Auslösezählrohr
→ virt. Anode setzt Feldstärke in der Nähe des Zähldrahtes so
stark herab, so dass Lawinenbildung abbricht und einfallende
Teilchen keinen Impuls auslösen können (Totzeit)
Mit größerer Entfernung des
Ionenschlauchs von der Anode nimmt
Feldstärke zu
→ Lawinenbildung setzt erneut ein
(Impuls jedoch zunächst klein)
"Detektoren ionisierender Strahlung" von Martin Wüsthoff
Quelle: Werner Stolz „Radioaktivität“ Carl Hanser Verlag
Auslösezählrohr
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Intermittierende Dauerentladung muss gelöscht werden:
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Nichtselbstlöschende Zählrohre
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–
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Gefüllt mit ein/zweiatomigen Gasen
Äußere elektronische Schaltung bewirkt Löschung
Selbstlöschende Zählrohre (überwiegende Verwendung)
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Zählgas (Argon) wird Löschgas (Ethanol, Methanol, Brom
Chlor) beigemengt
"Detektoren ionisierender Strahlung" von Martin Wüsthoff
Auslösezählrohr
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weitere Spannungserhöhung führt zur selbständig Gasentladung
ohne das einfallende Teilchen Entladung auslösen (Bereich VI)
Nachteile:
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keine Aussage über Energie der Strahlung, kann nur zählen
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Hohe Totzeit 100-400µs
Nachweisempfindlichkeit:
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Bei Teilchenstrahlung 100%
bei Gammastrahlung 1% (Sekundärionisation in Zählrohrwand)
"Detektoren ionisierender Strahlung" von Martin Wüsthoff
Szintillationszähler
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Ion. Strahlung regt Atome/Moleküle
an, welche Fluoreszenzlichtblitze
emittieren (Szintillationen)
Lichtblitze treffen auf Photoplatte
und schlagen Elektron raus
Elektron wird durchs E-Feld
beschleunigt und schlägt auf
Dynode weitere Elektronen raus
→ lawinenartige Vervielfachung
Quelle: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/de/2/23/Photomultiplier.jpg (25.04.2011)
"Detektoren ionisierender Strahlung" von Martin Wüsthoff
Szintillationszähler
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Szintillatoren
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Auswahl richtet sich nach Strahlungsart und Messzweck
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Materialen:
anorgansiche Kristallen, organische Feststoffe, Gläser,
Flüssigkeiten
Vorteile:
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Elektrischer Impuls ist Energie der Strahlung proportional
→ Energiemessung möglich
(Energieauflösung geringer als bei Halbleiterdetektoren)
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Geringe Totzeit ~0,1µs
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Nachweisempfindlichkeit hoch:
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Teilchenstrahlung. 100%
Gammastrahlung 50%
"Detektoren ionisierender Strahlung" von Martin Wüsthoff
Halbleiterdetektor
n-Dotierung
Besteht im wesentlichen aus in Sperrichtung
betriebene p-n-Halbleiterdiode
Dotierung:
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Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Dotierung
(25.04.2011)
geziehlten einbringen von Fremdatomen ins
Trägermaterial um Leitfähigkeit zu verändern
Bei n(p)-Dotierung wird fünf(drei)wertiges
Element in den vierwertigen Kristall eingebracht
→ freies Elektron(„Loch“)
p-n-Übergang:
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An Grenzschicht herrscht Konzentrationsgefälle
Durch Diffusion werden freie Ladungen in die
jeweils andere Schicht gezogen
Dadurch entsteht ein E-Feld welches Driftbew.
entgegengerichtet ist → Gleichgewicht stellt
sich ein
"Detektoren ionisierender Strahlung" von Martin Wüsthoff
Quelle: Demtröder „Experimentalphysik 4“ Springer
Halbleiterdetektor
p-n-Übergang in Sperrrichtung:
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E-Feld wird verstärkt → Raumladungszone wird vergrößert
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Fällt ionisierende Strahlung in die
Raumladungszone werden Elektron-LochPaare gebildet (Ionisationsspur)
Freie Elektronen und Löcher werden durch die
angelegte Spannung abgeführt
→ elektr. Strom
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Anzahl erzeugten ElektronLoch-Paare ist direkt
proportional zur Energie der
absorbierten Strahlung
"Detektoren ionisierender Strahlung" von Martin Wüsthoff
Quelle: Demtröder „Experimentalphysik 4“ Springer
Halbleiterdetektor
Wirkungsweise ähnlich dem Ionisationsdetektor, jedoch
entscheidende Vorteile:
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Aufgrund der hohen Dichte des Festkörpermaterials
sind kleine Volumina erforderlich um Teilchen hoher
Energie vollständig abzubremsen
Wegen geringerer nötigen Energie von ca. 1 eV
Elektron-Loch-Paare zu erzeugen ist hohe
Energieauflösung möglich (bei Ionisationsdet. ~30 eV)
Da der Weg zu den Elektroden kürzer ist als bei
Ionisationsdetektoren ist die Sammelzeit um mehrere
Größenordnungen geringer als bei Ionisationsdetektoren
→ höhere Zeitauflösung, geringe Totzeit
"Detektoren ionisierender Strahlung" von Martin Wüsthoff
Strahlungsmessgeräte
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Impulshöhe ist ein Maß für die Energie der registrierten Strahlung
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Einkanalanalysator
lässt nur Impulse eines bestimmten Bereichs durch
Verschieben der Kanallage → Impulshöhenspektrum
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Vielkanalanalysator
sortiert Impulse nach ihrer
Höhe zeitgleich in
verschiedene Kanäle
Anzahl von Kanälen
bestimmt energetische
Auflösung
"Detektoren ionisierender Strahlung" von Martin Wüsthoff
Quelle: Werner Stolz „Radioaktivität Grundlagen Messung Anwendung“ Carl Hanser Verlag
Quellen
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Werner Stolz „Radioaktivität Grundlagen Messung Anwendung“ Carl
Hanser Verlag
L. Herforth und H. Koch „Praktikum der Radioaktivität und
Radiochemie“ Johann Ambrosius Barth Verlag
Demtröder „Experimentalphysik 4 Kern-, Teilchen- und Astrophysik“
Springer Versag
"Detektoren ionisierender Strahlung" von Martin Wüsthoff