Szintillationszähler Prinzip Aufbau und Funktionsweise

Was ist Szintillation

Der Szintillationszähler ist ein Gerät zum Erfassen und Messen der Strahlungsenergie.

Der Szintillationszähler in seiner einfachsten Form wurde zuerst von Rutherford und seinem Mitarbeiter eingeführt, als er die Luminanz untersuchte, die in ZnS durch Alphateilchen angeregt wird. Ein Bildschirm, der mit Zinksulfid oder Bariumplatinocyanid oder Calciumwolframat beschichtet ist, wenn er Alphateilchen ausgesetzt wird, erzeugt Szintillationen, die von einem Mikroskop mit geringer Leistung gezählt wurden.

Das so entwickelte Instrument hieß Spintheriscope. Das Zählen von Szintillationen ist ein langwieriger Prozess. Das Auge beschränkt die Zählung auf etwa 100 pro Minute.

Die Erfindung der Photomultiplier-Röhren und ein besseres Verständnis der Lumineszenzeigenschaften organischer und anorganischer Substanzen haben diesen Nachteil beseitigt, und der Szintillationszähler wird heute häufig zur Untersuchung von Kernstrahlung verwendet.

Prinzip des Szintillationszählers

Ein einfacher Szintillationszähler wurde erstmals 1994 von Karan und Barca eingeführt. Die erzeugten Impulse werden in herkömmlichen elektronischen Schaltungen nach geeigneter Verstärkung detektiert. Von Alphateilchen erzeugte Impulse wurden von ZnS, Phosphor, mit einer Effizienz von 100% nachgewiesen.

Später erweiterte Kallman (1947) seine Anwendung β- und γ-Strahlendetektion durch Verwendung von Anthracen- und Naphthalin-transparenten Kristallen als fluoreszierende Medien. Hofstadter entdeckte, dass Nal eine bessere Effizienz und größere Intensität für γ-Strahlenzählarbeiten hatte.

Aufbau des Szintillationszählers

Der komplette Szintillationszähler besteht aus drei Grundteilen:

1. Das Szintillationsmaterial oder der Leuchtstoff erzeugt einen winzigen Lichtblitz, wenn ein geladenes Teilchen darauf auftrifft.
2. Die Photomultiplier-Röhre erkennt den Lichtblitz und erzeugt einen elektrischen Impuls.
3. Verstärker und elektronische Schaltungen erfassen und zählen die elektrischen Impulse der Photomultiplier-Röhre.

Die Arbeit des Mikroskops in einem einfachen Szintillator wird durch eine Photomultiplier-Röhre ersetzt. Diese Röhre hat viele Elektronen in Dynoden, an die progressiv höhere Potentiale angelegt werden, wie in der Abbildung gezeigt.

Die Photoelektronen werden im elektrostatischen Feld zwischen der Kathode und der ersten Dynode beschleunigt, die gegenüber der Kathode auf positivem Potential liegt. Die beschleunigten Elektronen verleihen den Elektronen in der Dynode genug Energie, um einige von ihnen auszustoßen.

Für jedes Elektron, das auf die Dynode trifft, können bis zu 10 Sekundärelektronen vorhanden sein. Dieser Prozess der Multiplikation geht weiter, bis die letzte Dynode eine Lawine von Elektronen bekommt, die schließlich von der Anode gesammelt werden.

Der Ausgangsstrom oder Impuls an der Anode kann mehr als eine Million Mal größer sein als der ursprünglich von der Kathode abgegebene Strom.

Funktionsweise des Szintillationszählers

Das Blockschaltbild des Szintillationszählers ist in der Abbildung dargestellt. S ist eine Quelle, die ionisierende Strahlung emittiert, um kurzzeitige Lichtblitze in dem Leuchtstoff zu erzeugen, der vor der Photokathode einer Photomultiplier-Röhre angeordnet ist.

Der Prozess der Multiplikation findet statt, um eine Lawine von Elektronen zu erzeugen, die schließlich von der Anode gesammelt werden. Am Ausgang wird ein großer Impuls von mehreren zehn Millivolt erzeugt.

Vorverstärker verstärkt diese Signale und dann werden sie dem Diskriminator zugeführt, dessen Funktion es ist, niederenergetische Impulse zu entfernen, und dann werden sie im Skalar gezählt. Die Stromversorgung der verschiedenen Stufen erfolgt über das stabilisierte Netzteil.

Die Erzeugung eines Szintillationsblitzes durch die eintreffenden ionisierenden Partikel und die anschließende Erzeugung eines elektrischen Impulses in einem Photomultiplier sind in fünf verschiedene Ereignisse unterteilt.

1. Die einfallende Strahlung wird zunächst im Leuchtstoffmaterial absorbiert und dessen Atome oder Moleküle angeregt.
2. Die angeregten Atome oder Moleküle des fluoreszierenden Materials des Leuchtstoffs zerfallen und erzeugen einen Lichtblitz von kurzer Dauer.
3. Die emittierten Photonen werden zur Photokathode des Photomultipliers übertragen.
4. Photoelektronen werden durch Absorption von Lichtphotonen erzeugt.
5. Die Elektronenmultiplikation findet sehr schnell statt und alle diese Operationen finden in etwa 10-8 Sekunden statt.

Die von der Photomultiplier-Röhre erzeugten elektrischen Impulse sind proportional zur Energie der einfallenden Photonen. So erkennt der Szintillationszähler Strahlung und misst die Energie der Strahlung.

Ein typisches γ-Strahlenspektrum, das mit der Cs137-Quelle erhalten wurde, ist in Abbildung gezeigt.

Wir wissen, dass γ-Photonen von Strahlen hauptsächlich auf drei Arten mit Materie interagieren:

1. Photoelektrischer Effekt.
2. Compton-Effekt.
3. Paarproduktion ( Herstellung eines Positron-Elektronen-Paares).

Der photoelektrische Effekt und der Compton-Effekt sind am wichtigsten für γ-Strahlen mit einer Energie von bis zu 2 MeV. Der photoelektrische Effekt wird jedoch tatsächlich ausgenutzt, da beim Auftreffen von γ-Strahl auf ein Material Photoelektron emittiert wird.

Die Energie des Photoelektrons ist gleich der Energie des absorbierten γ-Strahls. Beim photoelektrischen Effekt verliert γ-Strahl seine gesamte Energie an das Elektron. Daher erzeugten γ-Strahlen der gleichen Energie Photoelektronen der gleichen Energie in einem Szintillationskristall. Der in einer Photomultiplier-Röhre erzeugte elektrische Impuls ist proportional zur Energie der einfallenden γ-Strahlen.

Ein mit einem Multikanalanalysator gekoppelter Szintillationszähler ist als γ-Strahlenspektrometer bekannt. Dieses Spektrometer wird mit γ-Strahlen bekannter Energie kalibriert. Die Breite des vollen Energiepeaks in halber Höhe wird als volle Breite bei halbem Maximum (FWHM) bezeichnet.

Die Energieauflösung des Spektrometers ist definiert als das Verhältnis von FWHM zur Energie der γ-Strahlen, das dem vollen Energiepeak entspricht.

Dass es, Energieauflösung des Spektrometers = Δ E / Ey

Typischerweise Δ E / Ey =20% bei Ey = 100 k eV.

Wenn γ-Strahlenenergien sehr nahe beieinander liegen, kann der Szintillationszähler sie nicht trennen. in solchen Fällen wird ein Halbleiterzähler verwendet.

Typen des verwendeten Szintillationszählers

1. Natriumiodid.
2. Zinksulfid.
3. Csl.
4. Anthracen und Stilben.
5. Plastische und flüssige Szintillatoren.
6. Gase.

Natriumiodid (Thallium aktiviert)

Dies ist der am häufigsten verwendete Szintillator bei der Untersuchung von γ-Strahlen. In einem Vergleich des GM-Zählers ist die Effizienz der γ-Strahlendetektion sehr groß. Es hat einen Nachteil, es ist hygroskopisch und muss daher in einer Aluminiumdose mit reflektierenden oder diffundierenden Wänden versiegelt werden.

Zinksulfid

Es wird weitgehend zum Nachweis von Partikeln mit kurzen Reichweiten verwendet. Es kann nicht in dicken Schichten verwendet werden, da es für seine eigene Strahlung schnell undurchsichtig wird.

Csl

Dies ist nicht hygroskopisch und wird daher gegenüber Natriumiodid bevorzugt.

Anthracen und Stilben

Dies sind organische Leuchtstoffe, die eine schnellere Zerfallszeit als die anorganischen Leuchtstoffe haben. Für schwere Partikel haben diese einen sehr schlechten Wirkungsgrad. Diese sind nützlich für den Nachweis von β-Partikeln. Anthracen gibt höchste Ausbeute an Photonen etwa 15 für jede 1000 eV.

Kunststoff- und Flüssigszintillatoren

In diesen Szintillatoren wird die Anregungsenergie vom Lösungsmittel auf den gelösten Stoff übertragen. Diese emittiert dann wieder Strahlung in einem Wellenlängenbereich, für den das Lösungsmittel transparent ist. Diese werden in Gegenteleskopen verwendet, die im Allgemeinen in der Hochenergiephysik verwendet werden.

Zur Zählung schwer geladener Teilchen in Gegenwart von γ-Strahlung wird Xenon verwendet, das Strahlung im ultravioletten Bereich emittiert.

Die hohe Effizienz der Detektion, kurze Auflösungszeit, Linearität in Reaktion in einem weiten Bereich der Energie der einfallenden Strahlung sind einige der Vorteile des Szintillationszählers, die dieses Instrument dem herkömmlichen G.M. Zähler.

Das herausragendste Merkmal des Szintillationszählers gegenüber dem Proportionalzähler ist seine extrem kurze Impulsdauer und höhere Auflösung.

Anwendungen des Szintillationszählers

• Es ist am effizientesten für die γ-Strahlenzählung.
• Mit seiner großen Größe und seinem hochtransparenten Leuchtstoff zeigt es eine sehr hohe Effizienz.
• Da die Pulshöhe proportional zur Energie der einfallenden Strahlung ist, wird sie zur Untersuchung der Energieverteilung von Kernstrahlungen verwendet.
• Es ist zu einer schnellen Zählrate fähig, da die Totzeit und die Auflösungszeit in der Größenordnung von 10-19 Sek. gegenüber 10-5 Sek. im G.M.-Zähler liegen.