Strahlungsdetektoren Nulleffekt Wechselwirkung ionisierender Strahlung mit Atomen Übersicht

(1)

"Detektoren ionisierender Strahlung" von Martin Wüsthoff

Übersicht

●

Wechselwirkung ionisierender Strahlung mit Atomen

●

Nulleffekt

●

Strahlungsdetektoren

●

Übersicht

●

Gasionisationsdetektoren

●

Szintillationszähler

●

Halbleiterdetektor

●

Strahlungsmessgeräte

(2)

WW ion. Strahlung mit Atomen

● 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

● bei geladenen Teilchen: primär Ionisation und Anregung von Atomen

– Gasen, Halbleitern: elektr. Ladungen

– Kristalle, Lösungen, Gase: emittieren von Licht (Lumineszenz)

(3)

WW ion. Strahlung mit Atomen

● Bei ungeladenen Teilchen: Nachweis über im WW-Material gebildeten Sekundärteilchen

– Bei Photonen: Photo-, Compton-, Paarbildungselektonen

Quelle: Werner Stolz „Radioaktivität Grundlagen Messung Anwendung“ Carl Hanser Verlag

(4)

Nulleffekt

● Messen eines Ionisationsstroms ohne Strahlungsquelle

● Entsteht durch: ständige Anwesenheit natürliche und künstliche Radioaktivität

→ lässt sich mit geeigneter Schaltung kompensieren

(5)

Strahlungsdetektoren

Ionisationsdetektoren Filmschwärzungsdetektoren

Anregungsdetektoren

Lumineszenzdetektoren Szintillationsdetektoren

Gasionisationsdetektoren Festkörperionisationsdetektoren

Halbleiterdetektoren Ionisationskammer Zählrohre

Proportionalzählrohr

Auslösezählrohr (Geiger-Müller Zählrohr)

(6)

Gasionisationsdetektoren

● Prinzipieller Aufbau bei Ionisationskammer,

Proportionalzählrohr und Geiger- Müller-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

● Am Widerstand R entsteht ein Impuls welcher am Nachweisgerät registriert wird

● Impulsgröße U_R ist abhängig von:

● Art und Energie der Strahlung

● angelegten Spannung U_K

● Füllgas, Bauform

Quelle: L.Herforth und Koch „Praktikum der Radioaktivität und Radiochemie“ Johann

Ambrosius Barth

(7)

Ionisationskammer

● Nur primär von der ion. Strahlung erzeugten Ladungsträger werden gesammelt

Bereich I:

Ladungsträgerverluste durch

● Rekombination von Ionen & Elektronen

● Diffusion der Ladungsträger

Quelle: http://positron.physik.uni-halle.de/VVB/Dias/SdM/Dia_S3.jpg (25.04.2011)

Bereich II:

Sättigungsbereich

● Alle erzeugten Ionen-Elektronen Paare erreichen die Elektroden

● Signalladung entspricht Primärladung Q_s=Q_p

(8)

Ionisationskammer

● 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

● Messung von Gamma-Strahlung über Sekundärelektronen die durch WW mit Kammerwandmaterial entstehen

● Vorteil: Energiemessungen sind möglich, keine Totzeit

● 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

(9)

Proportionalzählrohr

● 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

● Signaladung Q_s ist Primärladung Q_p streng proportional:

Q_S=A*Q_p (Bereich III)

● Gasverstärkung A hängt ab von:

● Gasart

● Gasdruck

● Zählrohrspannung

(10)

Proportionalzählrohr

● 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):

– 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:

Proportionalität zwischen Ladung und Primärladung nicht mehr gewährleistet (Bereich IV) da Raumladungen die Bildung weiterer Ladungsträgerlawinen behindert

● Impuls- und Energiemessung möglich

● geringe Totzeit (~10µs), hohes zeitliches Auflösungsvermögen

(11)

Auslösezählrohr

● 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

● 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)

(12)

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)

Quelle: Werner Stolz „Radioaktivität“ Carl Hanser Verlag

(13)

Auslösezählrohr

● Intermittierende Dauerentladung muss gelöscht werden:

● Nichtselbstlöschende Zählrohre

– Gefüllt mit ein/zweiatomigen Gasen

– Äußere elektronische Schaltung bewirkt Löschung

● Selbstlöschende Zählrohre (überwiegende Verwendung)

– Zählgas (Argon) wird Löschgas (Ethanol, Methanol, Brom Chlor) beigemengt

(14)

Auslösezählrohr

● weitere Spannungserhöhung führt zur selbständig Gasentladung ohne das einfallende Teilchen Entladung auslösen (Bereich VI)

● Nachteile:

● keine Aussage über Energie der Strahlung, kann nur zählen

● Hohe Totzeit 100-400µs

● Nachweisempfindlichkeit:

● Bei Teilchenstrahlung 100%

● bei Gammastrahlung 1% (Sekundärionisation in Zählrohrwand)

(15)

Szintillationszähler

● 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)

(16)

Szintillationszähler

● Szintillatoren

● Auswahl richtet sich nach Strahlungsart und Messzweck

● Materialen:

anorgansiche Kristallen, organische Feststoffe, Gläser, Flüssigkeiten

● Vorteile:

● Elektrischer Impuls ist Energie der Strahlung proportional → Energiemessung möglich

(Energieauflösung geringer als bei Halbleiterdetektoren)

● Geringe Totzeit ~0,1µs

● Nachweisempfindlichkeit hoch:

● Teilchenstrahlung. 100%

● Gammastrahlung 50%

(17)

Halbleiterdetektor

Besteht im wesentlichen aus in Sperrichtung betriebene p-n-Halbleiterdiode

Dotierung:

● 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:

● 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

Quelle: Demtröder „Experimentalphysik 4“ Springer Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Dotierung (25.04.2011)

n-Dotierung

(18)

Halbleiterdetektor

p-n-Übergang in Sperrrichtung:

● E-Feld wird verstärkt → Raumladungszone wird vergrößert

Quelle: Demtröder „Experimentalphysik 4“ Springer

● Fällt ionisierende Strahlung in die

Raumladungszone werden Elektron-Loch- Paare gebildet (Ionisationsspur)

● Freie Elektronen und Löcher werden durch die angelegte Spannung abgeführt

→ elektr. Strom

● Anzahl erzeugten Elektron- Loch-Paare ist direkt

proportional zur Energie der absorbierten Strahlung

(19)

Halbleiterdetektor

● 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 Wirkungsweise ähnlich dem Ionisationsdetektor, jedoch

entscheidende Vorteile:

(20)

Strahlungsmessgeräte

● Impulshöhe ist ein Maß für die Energie der registrierten Strahlung

● Einkanalanalysator

lässt nur Impulse eines bestimmten Bereichs durch Verschieben der Kanallage → Impulshöhenspektrum

● Vielkanalanalysator

sortiert Impulse nach ihrer Höhe zeitgleich in

verschiedene Kanäle Anzahl von Kanälen bestimmt energetische Auflösung

Quelle: Werner Stolz „Radioaktivität Grundlagen Messung Anwendung“ Carl Hanser Verlag

(21)

Quellen

● 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