Kapitel 7.4: Nachweismethoden für ionisierende Strahlung - PTB

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430 7.4 Nachweismethoden für ionisierende Strahlung Für die Verwendung in der Dosimetrie ist eine geringe Energieabhängigkeit des Ansprechvermögens wesentUch. Bei Photonenstrahlung hängt der Bruchteil der Quanten, die das Zählrohr treffen und Impulse im Zählrohr auslösen, vor allem vom Wandmaterial (Auslösung von Sekundärelektronen) und von der Wanddicke (Schwächung) ab. Er ist für Strahlung von der Strahlungsqualität am größten, bei der die Wanddicke gleich der Reichweite der Sekundärelektronen ist. Für eine Wand aus Aluminium von 1,6 mm Dicke nimmt z. B. der Impulse auslösende Anteil der Photonen von2%bei 10 keV auf ca. 0,05% bei 100 keV ab und steigt dann wieder auf rund l,5%bei 2,6 MeV an. Die Energieabhängigkeit des Ansprechvermögens eines Auslösezählrohres wird durch das Material und die Dicke der Wand bestimmt. Fig. 7.40 gibt ein Beispiel für das Ansprechvermögen eines handelsüblichen Auslösezählrohres für die Meßgröße Photonen-Äquivalentdosis H^. Das Zählrohr besitzt eine dünne Wand aus Eisen und Chrom (flächenbezogene Masse 80 bis 100 mg/ cm^). Die Kurve 1 wurde ohne, die Kurve 2 mit einer mehrere mm dicken, über das Rohr geschobenen Hülse aus einer Metallegierung mit Ordnungszahlen zwischen 50 und 64 aufgenommen. Die Hülse läßt einen Teil des Zählrohres unbedeckt. Durch diese Kombination gelingt es, den flachen Verlauf der Kurve 2 zu erreichen. Für Photonenenergien unter 40 keV ist eine ausreichende Kompensation in der Regel nicht möglich. Besondere Vorsicht ist bei Dosisleistungsmessungen in pulsierenden oder gepulsten Strahlungsfeldern oder bei hohen Dosisleistungen geboten. Auslösezählrohre haben eine Totzeit zwischen 10 "^s und 10"^ s. Infolge der Totzeit nimmt die Anzeige unter Umständen nicht mehr zu, wenn die Dosisleistung ansteigt, wie aus Fig. 7.41 hervorgeht. Bei gepulsten Strahlungen zeigen Zählrohr-Dosisleistungsmesser mitunter unabhängig von der Dosisleistung einen konstanten, der Impulsfolgefrequenz proportionalen Wert an. gemessen mit'°Co ——— / 10"® 10'^ 10"' 10"' 10"^ 10"'Sv/h10° Photonen - Aquiuolentdosisleistung - Fig. 7.40 Relatives Ansprechvermögen (bezogen auf das Ansprechvermögen von '"Cs- Gammastrahlung) des Zählrohres Valvo Type ZP1310 in Abhängigkeit von der mittleren Photonenenergie E für die Meßgröße Photonen-Äquivalentdosis Die Zählrohrwand besteht aus Eisen und Chrom mit einer flächenbezogenen Masse von etwa !00mg/cm^. Kurve I ohne, Kurve 2 mit Filterhülse aus Sn, Ce und Gd, die einen Teil des Zählrohres unbedeckt läßt. Kurve 3: mittlerer Massenschwächungskoeffizient ßlg des Hülsenmaterials (nach Selbach, Hohlfeld u. Kramer (1984)) Fig. 7.41 Zusammenhang zwischen Zählrate und Photonen-Äquivalendosisleistung bei einem Auslösezählrohr (Type: Valvo ZP 1401), gemessen mit "Co-y-Strahlung Bedingt durch die Totzeit geht die Proportionalität zwischen Zählrate und Dosisleistungen verloren. Die Totzeit des ca. 40 mm langen Zählrohres mit 15 mm Innendurchmesser beträgt bei 500 V Betriebsspannung 90 (is
7.4.3 Nachweis mittels Szintillation, Lumineszenz und Exoelelctronen 431 Hinweis: Die vom Hersteller angegebenen Grenzdaten für Betriebsspannungen und Ableitwiderstände dürfen nicht über- bzw. unterschritten werden, da sonst Schädigungen oder Zerstörung des Zählrohres eintreten können. Emery (1966), Valvo Handbuch (1989). 7.4.3 Nachweis mittels Szintillation, Lumineszenz und Exoelektronen (K. Hohlfeld) 7.4.3.1 Szintillation Allgemeines Die von ionisierender Strahlung in einem Szintillator ausgelösten Lichtblitze (Szintillationen) liegen im sichtbaren und UV-Spektralbereich. Leuchtschirme ergeben schon bei geringen Flußdichten der Strahlung visuell auswertbare Informationen. Leuchtschirme dienen z. B. zur Justierung von Strahlenbündeln und werden in der Röntgenschirmbild-Photographie eingesetzt. Die Umwandlung der Lichtblitze in Stromimpulse mit Hilfe von Photovervielfachern führt zum Szintillationszähler, einem sehr empfindlichen Nachweisgerät für ionisierende Strahlung. Besondere Vorteile der Szintillationszähler gegenüber Zählrohren und Ionisationskammern sind: Hohes Ansprechvermögen für y- und harte Röntgenstrahlung, hohes zeitliches Auflösungsvermögen, das Koinzidenzauflösungszeiten bis herab zu 5 • 10 '"s ermöglicht, hohe Zählraten und gute Proportionalität zwischen Teilchen- bzw. Quantenenergie und Amplitude der abgegebenen Stromimpulse. Röntgen- und y-Strahlung wird im Szintillator durch Photo-, Compton- oder Paarbildungswechselwirkung absorbiert. Bei allen Effekten entstehen Sekundärelektronen, deren Energie kleiner ist als die des absorbierten Quants. Nur wenn die nach einem Photoeffekt emittierte charakteristische Röntgenstrahlung (meist K-Strahlung) bzw. beide bei der Vernichtung eines Positrons entstehenden Quanten von je 0,511 MeV, bzw. das gestreute C o m p t o nquant ebenfalls im Szintillator absorbiert werden, entspricht die erzeugte Lichtmenge der gesamten Energie des einfallenden Quants. Beim quantitativen Nachweis von Elektronen und bei der Messung von Elektronenspektren ist die Rückstreuung zu beachten. Szintillationsmaterialien Dazu eignen sich eine Reihe von anorganischen Stoffen, z. B. ZnS(Ag), ZnO(Ga), Nal(Tl) und CsI(Tl), sowie verschiedene organische Substanzen, z. B. Anthrazen, Stilben und Lösungen von fluoreszierenden Verbindungen in flüssigen oder festen organischen Lösungsmitteln. Die wichtigsten Eigenschaften von oft verwendeten Stoffen sind in Tab. 7.5 zusammengestellt. Die Auswahl des Szintillationsmaterials richtet sich nach dem Anwendungszweck. I.allg. steht die Forderung nach hoher Lichtausbeute an erster Stelle, doch ist für die Messung schneller Koinzidenzen oft eine kurze Abklingzeit von größerer Bedeutung. Das Ansprechvermögen eines Szintillators für Photonenstrahlung hängt ab von seinen Dimensionen und von der Dichte des Szintillatormaterials sowie vom Energieumwandlungskoeffizienten der Strahlung und damit von deren Energie. Bei höheren Quantenenergien sind daher große Kristalle aus einem Material mit hoher mittlerer Ordnungszahl erforderlich. Die höchste Lichtausbeute ergibt ZnS(Ag), das wegen seiner geringen Tranparenz jedoch nicht anwendbar ist, wenn ein gutes energetisches Auflösungsvermögen gefordert wird. Man verwendet dann besser Nal(Tl) oder CsI(Tl). Letzteres wird trotz seiner geringeren Lichtausbeute häufig dem stark hygroskopischen
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