Strahlungsdetektoren

Was ist ein Strahlungsdetektoren?

Ein Strahlungsdetektor ist ein Gerät, das Strahlung indirekt aufspürt und misst, indem es physikalische und chemische Reaktionen nutzt, die durch die Wechselwirkung von Strahlung und Materie verursacht werden.

Der Mensch kann Strahlung nicht direkt mit seinen Sinnen wahrnehmen. Daher wird die durch die Strahlung verursachte Ionisierung und Anregung zum Nachweis und zur Messung genutzt. So werden beispielsweise Ionen und freie Elektronen oder elektromagnetische Wellen wie Fluoreszenz erzeugt, die in Stromsignale umgewandelt werden. Anhand dieses Stromsignals kann die Strahlendosis auf einem Messgerät angezeigt oder hörbar gemacht werden.

Es gibt zahlreiche weitere Anwendungen, darunter solche, die auf der Emission von Elektronen beruhen, solche, bei denen Wärme erzeugt wird, die praktische Nutzung der Aktivierung von Neutronenmaterial und Detektoren, die auf dem Nachweis von Cherenkov-Strahlung basieren.

Verwendungszwecke von Strahlungsdetektoren

Strahlungsdetektoren werden häufig in Strahlendekontaminationsstellen, Werften und Fabriken eingesetzt. Da es verschiedene Arten von Strahlung gibt – Alpha-, Gamma-, Beta- und Röntgenstrahlen – und die von ihnen ausgehenden Dosen von hoch bis niedrig reichen, müssen die Strahlungsdetektoren selbst je nach Situation sorgfältig ausgewählt werden.

Die Messung der Luftdosisleistung gibt einen Überblick darüber, wie viel Strahlung im Raum umherfliegt. Der Nachweis von Strahlung, die von der Oberfläche eines Objekts ausgeht, kann auch einen Überblick darüber geben, ob das Objekt kontaminiert ist, und die Quelle der Kontamination ermitteln. Der Einsatz von Strahlungsdetektoren wird auch zur Messung der Strahlendosis verwendet, der eine Person ausgesetzt war.

Grundsätze der Strahlungsdetektoren

Es gibt zwei Haupttypen von Strahlungsdetektoren: solche, die die ionisierende Wirkung der Strahlung auf Gasmoleküle nutzen, und solche, die die Anregung von Elektronen in Materialien, vor allem in Festkörpern und Flüssigkeiten, nutzen.

Der erste Typ wird als Gasdetektor und der zweite als Szintillationsdetektor bezeichnet.

1. Gasdetektoren

Bei Gasdetektoren ist der Detektor mit einem Gas, z. B. Inertgas oder Luft, so gefüllt, dass die Moleküle beim Durchgang der Strahlung ionisieren und Kationen und Elektronen erzeugen. Die Ionisierung dieser Gasmoleküle wird genutzt, um die Strahlungsmenge zu messen. Es gibt verschiedene Arten von Erwartungsdetektoren, wie Ionisationskammern, GM-Zähler und Proportionalzähler.

Ionisationskammer

In einer Ionisationskammer werden Kationen bzw. Elektronen von Elektroden angezogen und in elektrische Messsignale umgewandelt. Die Anzahl der Kationen und Elektronen, die durch die Energie der Strahlung ionisiert werden, wird in ein elektrisches Signal umgewandelt, so dass die Signalintensität nahezu proportional zur Energie der Strahlung ist. Mit anderen Worten: Es ist möglich, die Energie der Strahlung zu bestimmen. Der Nachteil ist jedoch, dass die Empfindlichkeit gering ist, da die Ionisierung direkt beobachtet wird.

GM-Zähler

In einem GM-Zähler wird ein Gas auf die gleiche Weise wie in einer Ionisationskammer aufgeladen, aber zwischen den Elektroden wird eine hohe Spannung angelegt, so dass sich die durch die Ionisierung erzeugten Elektronen mit hoher Geschwindigkeit bewegen und andere Gasmoleküle weiter ionisieren. Dadurch wird sichergestellt, dass ein starkes Signal erhalten wird.

Daher wird bei jeder Ionisierung ein Impuls zwischen den Elektroden durchgeführt. Man erhält ein starkes Signal, aber der Nachteil ist, dass man keine Informationen über die Energie der Strahlung erhält, da das Signal ein Impuls ist.

Proportionalzähler

Wird in einem mit Gas gefüllten Detektor die zwischen den Elektroden angelegte Spannung mäßig eingestellt, folgt auf die Ionisierung durch die Strahlung die Ionisierung anderer Gasmoleküle, wodurch ein starkes Signal entsteht, das ebenfalls proportional zur Anzahl der ursprünglich ionisierten Moleküle ist. Für Messungen unter diesen Bedingungen werden Proportionalzähler verwendet.

2. Szintillationsdetektor

Szintillationsdetektoren nutzen die Wirkung der Strahlung auf die Elektronen in der Umlaufbahn um den Kern, die dann in eine äußere Umlaufbahn überführt werden, was als “Anregung” bezeichnet wird. Ein Beispiel für ein solches Instrument ist ein Szintillationsmessgerät.

Ein Material, das die Eigenschaft hat, durch Anregung mit Strahlung Licht zu emittieren, wird als Szintillator bezeichnet. Natriumjodid (NaI)-Kristalle werden als Festkristall-Szintillatoren verwendet. Wenn Strahlung von einem Szintillator absorbiert wird, werden die Atome durch elektronische Anregung instabil und kehren dann in ihren ursprünglichen stabilen Zustand zurück. Während dieses Prozesses geben die Atome Energie in Form von Licht ab.

Dieses schwache Licht (Photonen) wird von einer Photomultiplier-Röhre verstärkt und zur Messung in einen elektrischen Strom umgewandelt. Die Anzahl der emittierten Photonen ist proportional zur Energie der Strahlung, so dass Szintillationsdetektoren die Energie der Strahlung bestimmen können.

Da NaI-Kristalle hygroskopisch sind, werden sie versiegelt, um zu verhindern, dass sie der Luft ausgesetzt werden. Andererseits gibt es ein Einfallsfenster, durch das die Strahlung in den Detektor eintritt. Das Einfallsfenster besteht aus einem sehr dünnen Metall mit einer sehr niedrigen Ordnungszahl, z. B. Beryllium oder Aluminium, von etwa 100 µm.

Wie man einen Strahlungsdetektor auswählt

Bei der Auswahl eines Strahlungsdetektors ist es wichtig, folgende Punkte zu beachten

1. Die Art der Strahlung

Es gibt verschiedene Arten von Strahlung: Alpha-, Beta-, Neutronen-, Gamma- und Röntgenstrahlung. Der Aufbau und das Prinzip eines Strahlungsdetektors bestimmen die Art der aufzuspürenden Strahlung und die zu erwartende Empfindlichkeit, daher ist es wichtig, einen Detektor auszuwählen, der diese Faktoren kennt.

2. Der angezeigte Wert

Bei der Auswahl sollte berücksichtigt werden, ob der angezeigte Wert (z. B. eine einfache Zählung oder eine 1-cm-Äquivalentdosis) für den beabsichtigten Einsatz geeignet ist.

3. Strahlungsdurchlässigkeit

Die Kenntnis der Strahlungsdurchlässigkeit ermöglicht einen sicheren Betrieb, da die Strahlung den Ort der Ionisierung (Gas oder fester Szintillator) erreichen muss, um nachgewiesen zu werden. NaI-Szintillationsmessgeräte zum Beispiel sind für die Messung von Gamma- und Röntgenstrahlung geeignet. Das liegt daran, dass sie Strahlung, die das dünne Metallfenster nicht durchdringen kann (Alpha- und Betastrahlung), nicht erfassen können, weil sie um einen Szintillator herum versiegelt werden müssen, der hygroskopisch ist.

Einige GM-Zähler sind in der Lage, Betastrahlung zu messen, andere nicht. Betastrahlung kann mit dem Typ gemessen werden, der ein großes Fenster hat und für das Fenster sehr dünnen Glimmer verwendet. Betastrahlen können dieses Glimmerfenster durchdringen. GM-Zähler, die sowohl Betastrahlung als auch Gammastrahlung messen können, haben eine Metallkappe, die für Betamessungen entfernt werden muss. Der Grund dafür ist, dass Betastrahlen die Metallkappe nicht durchdringen können.

Weitere Informationen über Strahlungsdetektoren

1. Zweck der Strahlungsmessung

Strahlungsmessungen haben zwei Hauptzwecke

1. Messung der Strahlungsdosis, die für ein Strahlungsfeld spezifisch ist, wie z. B. Art und Energie der Strahlung oder die Anzahl der Teilchen, um sie beim Umgang mit Strahlung zu kontrollieren.
2. Messung der Energiedosis, die durch Multiplikation der Strahlendosis im Strahlungsfeld mit einem Koeffizienten ausgedrückt wird, der sich aus der Wechselwirkung zwischen der Strahlung und dem Material ergibt, um die durch die Strahlung hervorgerufenen physikalischen, chemischen und biologischen Wirkungen zu verstehen oder effektiv zu nutzen.

Das Strahlenschutzmanagement ist eine Erweiterung des letzteren. Um die Auswirkungen der Strahlung auf den menschlichen Körper zu bewerten, wird auf der Grundlage der absorbierten Dosis eine effektive Dosis berechnet, zu der eine Bewertung der biologischen Auswirkungen der einzelnen Strahlungsarten und der Empfindlichkeit der der Strahlung ausgesetzten Körperteile hinzukommt.

2. Szintillationsdetektoren für hochenergetische Röntgenstrahlung

Szintillationsdetektoren, die feste Szintillatorkristalle verwenden, werden zur Messung hochenergetischer Röntgenstrahlen und sogar hochenergetischer Gammastrahlen eingesetzt. Die Besonderheit eines Röntgendetektors besteht darin, dass der Szintillator Röntgenstrahlen im Verhältnis zur Energie der Röntgenstrahlen effizient empfängt und detektiert.

Dies unterscheidet ihn von Gasdetektoren, die keine hochenergetischen Röntgenstrahlen auffangen können. Außerdem ist die Zeit vom Eintritt der Röntgenstrahlen in den Detektor bis zur Umwandlung in ein elektrisches Signal und zur Ausgabe sehr kurz, so dass er sich für Messungen eignet, bei denen eine große Anzahl von Röntgenphotonen einfällt. In der Forschung wurden auch positionsdetektierende Hochenergie-Röntgendetektoren entwickelt, die die Vorteile des Szintillationstyps nutzen, um ein zweidimensionales Bild der Röntgenstrahlen zu erhalten.