constructie en werking van de Scintillatieteller

Wat is Scintillatie

de scintillatieteller is een apparaat dat wordt gebruikt voor het detecteren en meten van de stralingsenergie.

de Scintillatieteller in zijn eenvoudigste vorm werd voor het eerst geïntroduceerd door Rutherford en zijn collega tijdens het bestuderen van de luminantie die in ZNS wordt opgewekt door alfadeeltjes. Een scherm bedekt met zinksulfide of bariumplatinocyanide of calcium tungstate wanneer blootgesteld aan alfadeeltjes produceert scintillaties die werden geteld door een laag vermogen microscoop.

het aldus ontwikkelde instrument werd Spintheriscope genoemd. Het proces van het tellen van sprankelingen is een vervelend proces. Het oog beperkt de telling tot ongeveer 100 per minuut.

de uitvinding van de fotomultiplicatorbuizen en een beter begrip van de lichtgevende eigenschappen van organische en anorganische stoffen hebben dit nadeel weggenomen en de scintillatieteller wordt nu op grote schaal gebruikt bij het bestuderen van nucleaire straling.

principe van Scintillatieteller

een eenvoudige scintillatieteller werd voor het eerst geïntroduceerd door Karan en Barca in 1994. De geproduceerde pulsen worden gedetecteerd in conventionele elektronische circuits na geschikte versterking. Pulsen geproduceerd door alfadeeltjes werden gedetecteerd door ZNS, fosfor met een efficiëntie van 100%.Later breidde Kallman (1947) de toepassing van β-En γ-raydetectie uit door antraceen en naftaleen transparante kristallen als fluorescerende media te gebruiken. Hofstadter ontdekte dat Nal betere efficiëntie en grotere intensiteit voor γ ray tellen werk had.

constructie van Scintillatieteller

de volledige scintillatieteller bestaat uit drie basisdelen:

1. het sprankelende materiaal of fosfor produceert een kleine lichtflits wanneer een geladen deeltje het raakt.
2. de fotomultiplicatorbuis detecteert de lichtflits en produceert een elektrische puls.
3. versterkers en elektronische schakelingen registreren en tellen de elektrische pulsen van de fotomultiplicatorbuis.

het werk van de microscoop in een eenvoudige scintillator wordt vervangen door een fotomultiplicatorbuis. Deze buis heeft vele elektronen kaart dynodes waarop progressief hogere potentialen worden toegepast zoals getoond in de figuur.

de foto-elektronen worden versneld in het elektrostatische veld tussen de kathode en de eerste dynode, die een positieve potentiaal heeft ten opzichte van de kathode. De versnelde elektronen geven genoeg energie aan elektronen in de dynode om een aantal van hen uit te werpen.

er kunnen wel 10 secundaire elektronen zijn voor elk elektron dat de dynode raakt. Dit proces van vermenigvuldiging gaat door tot de laatste dynode een lawine van elektronen krijgt die uiteindelijk door de anode worden verzameld.

de uitgangsstroom of puls bij de anode kan meer dan een miljoen keer groter zijn dan de stroom die oorspronkelijk door de kathode wordt uitgestraald.

werking van de scintillatieteller

het blokschema van de scintillatieteller is weergegeven in de afbeelding. S is een bron die ioniserende straling uitzendt om lichtflitsen van korte duur te produceren in de fosfor die voor de fotokathode van een fotomultiplicatorbuis wordt geplaatst.

het proces van vermenigvuldiging vindt plaats om een lawine van elektronen te produceren die uiteindelijk door de anode worden verzameld. Een grote puls van enkele tientallen millivolts wordt geproduceerd aan de uitgang.

voorversterker versterkt deze signalen en wordt vervolgens toegevoerd aan de discriminator die als functie heeft pulsen met lage energie te verwijderen, waarna ze in de scalair worden geteld. Stroom naar de verschillende fasen wordt geleverd door de gestabiliseerde voeding.

het produceren van een scintillatieflits door de binnenkomende ioniserende deeltjes en de daaropvolgende generatie van een elektrische puls in een fotomultiplicator zijn onderverdeeld in vijf verschillende gebeurtenissen.

1. de invallende straling wordt eerst geabsorbeerd in het fosformateriaal en de atomen of moleculen ervan worden opgewekt.
2. de aangeslagen atomen of moleculen van het fluorescerende materiaal van de fosfor bederven en produceren lichtflitsen van korte duur.
3. de uitgestraalde fotonen worden overgebracht naar de fotokathode van de fotomultiplicator.
4. foto-elektronen worden geproduceerd door absorptie van lichtfotonen.
5. Elektronenvermenigvuldiging vindt zeer snel plaats en al deze bewerkingen vinden plaats in ongeveer 10-8 seconden.

de elektrische pulsen die door fotomultiplicatorbuizen worden geproduceerd, zijn evenredig met de energie van invallende fotonen. Zo detecteert scintillatieteller straling en meet de energie van straling.

een typisch γ-straalspectrum verkregen met Cs137-bron is weergegeven in figuur.

we weten dat γ-fotonen van stralen voornamelijk op drie manieren met materie interageren:

1. foto-elektrisch effect.
2. Compton-effect.
3. Paarproductie (productie van positron-elektronenpaar).

foto-elektrisch effect en Compton-effect zijn het belangrijkst voor γ-stralen met een energie van maximaal 2 MeV. Nochtans, wordt het foto-elektrisch effect eigenlijk gebruikt omdat wanneer γ-straalincident op een materiaal, foto-elektron wordt uitgezonden.De energie van de foto-elektron is gelijk aan de energie van de geabsorbeerde γ-straal. In het foto-elektrisch effect verliest de γ-straal al zijn energie aan het elektron. Daarom produceerden γ-stralen van dezelfde energie foto-elektronen van dezelfde energie in een sprankelend kristal. De elektrische puls die in een fotomultiplicatorbuis wordt geproduceerd is evenredig met de energie van invallende γ-stralen.

een scintillatieteller gekoppeld aan een meerkanaals analysator staat bekend als γ ray spectrometer. Deze spectrometer wordt gekalibreerd met behulp van γ stralen van bekende energie. De breedte van de volle energiepiek op halve hoogte wordt volledige breedte op halve maximum (FWHM) genoemd.

de energieresolutie van de spectrometer wordt gedefinieerd als de verhouding van FWHM tot de energie van γ-stralen die overeenkomt met de volledige energiepiek.

dat de energieresolutie van de spectrometer = Δ E / Ey

typisch Δ E / Ey =20% bij Ey = 100 k eV.

wanneer γ-stralen energieën zeer dicht bij elkaar liggen, is de scintillatieteller niet in staat ze te scheiden. in dergelijke gevallen wordt een halfgeleiderteller gebruikt.

gebruikte Scintillatieteller

1. natriumjodide.
2. Zinksulfide.
3. Csl.
4. antraceen en stilbeen.
5. Scintillatoren van kunststof en vloeistoffen.
6. gassen.

natriumjodide (thallium geactiveerd)

Dit is de meest gebruikte scintillator in de studie van γ-stralen. In een vergelijking van de teller van GM, is de efficiency van γ-straal opsporing zeer groot. Het heeft een nadeel, het is hygroscopisch en moet daarom worden afgedicht in een aluminium kan met reflecterende of diffuserende wanden.

zinksulfide

het wordt uitgebreid gebruikt voor de detectie van deeltjes met een kort bereik. Het kan niet in dikke lagen worden gebruikt omdat het snel ondoorzichtig wordt voor zijn eigen straling.

Csl

Dit is niet hygroscopisch en heeft daarom de voorkeur boven natriumjodide.

antraceen en stilbeen

dit zijn organische fosforen die een snellere vervaltijd hebben dan de anorganische fosforen. Voor zware deeltjes hebben deze een zeer slechte efficiëntie. Deze zijn nuttig voor de opsporing van β-deeltje. Antraceen geeft de hoogste fotonenopbrengst van ongeveer 15 voor elke 1000 eV.

Scintillatoren van kunststof en vloeibaar

In deze scintillatoren wordt de energie van excitatie van het oplosmiddel naar de opgeloste stof overgebracht. Dit zendt dan weer straling uit in een golflengtebereik waarvoor het oplosmiddel transparant is. Deze worden gebruikt in Counter telescopen die over het algemeen worden gebruikt in de hoge-energiefysica.

gassen

voor het tellen van zwaar geladen deeltjes in aanwezigheid van γ-straling wordt Xenon gebruikt dat straling uitzendt in het ultraviolette gebied.

het hoge detectierendement, de korte oplossingstijd, de lineariteit in reactie op een breed scala van de energie van invallende straling zijn enkele van de voordelen van de scintillatieteller, waardoor dit instrument superieur is aan de conventionele G. M. counter.

het meest opvallende kenmerk van de scintillatieteller over de proportionele teller is de extreem korte pulsduur en hogere resolutie.

toepassingen van Scintillatieteller

• het is het meest efficiënt voor het tellen van γ-stralen.
• met zijn grote afmetingen en zeer transparante fosfor vertoont het een zeer hoog rendement.
• aangezien de pulshoogte evenredig is met de energie van de invallende straling, wordt deze gebruikt voor het onderzoek naar de energieverdeling van nucleaire straling.
• het is geschikt voor een snelle telsnelheid omdat de dode tijd en de oplossingstijd in de Orde van 10-19 sec. liggen tegenover 10-5 sec. in de G. M.-teller.