Kapitel 7.4: Nachweismethoden für ionisierende Strahlung - PTB

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434 7.4 Nachweismethoden für ionisierende Strahlung meist genügen 0,2 bis 1 mA. Da an den letzten Dynoden starke Stromspitzen auftreten, werden diese durch Kondensatoren (ca. 1 nF) überbrückt. Die Zeitkonstante des Anodenkreises soll wesentlich größer als die Abklingzeit des Szintillators gewählt werden. Da die Verstärkung stark von der Versorgungsspannung abhängt, muß diese sehr gut stabilisiert sein, i. allg. auf besser als 10 in Szintillationsspektrometern auf etwa 1 bis 2-10 Änderungen der Verstärkung können auch durch Schwankungen der Umgebungstemperatur und hohe Strombelastung, z. B. bei hohen Zählraten, auftreten. Die untere Grenze der Energie von Korpuskeln oder Quanten, die mit einem Szintillationszähler nachgewiesen werden können (Abschneideenergie), wird für einen bestimmten Szintillator durch das Rauschen des Vervielfachers bestimmt. Die Häufigkeitsverteilung der Amplituden von Rauschimpulsen zeigt einen annähernd exponentiellen Abfall zu höheren Amplituden. Auch bei Photovervielfachern tritt noch eine merkliche Zahl von Rauschimpulsen bei Amplituden auf, die 6 Elektronen an der Kathode entsprechen. Zur Auslösung eines Elektrons aus der Photokathode müssen im Mittel Strahlungsenergien von etwa 0,5 keV in Nal(Tl), 1 keV in Anthrazen und 1,5 keV in Plastikund flüssigen Szintillatoren absorbiert werden. Man erhält also für diese Szintillatoren Schwellenenergien von 3, 6 und 9keV, wenn man die Auslösung von 6 primären Elektronen als untere Grenze setzt. Nur durch besondere Maßnahmen wie Koinzidenzanordnungen mit zwei Photovervielfachern lassen sich niedrigere Werte erreichen. Anwendungsbereiche des Szintillationsdetektors Zum Nachweis von Teilchen starkionisierender Strahlung (Protonen, Deuteronen, a-Teilchen u. ä.) eignen sich ZnS(Ag), Nal(Tl) und CsI(Tl). Wenn eine kurze Ansprechzeit gewünscht wird, können auch organische Szintillatoren eingesetzt werden, deren Lichtausbeute für schwere Teilchen, bezogen auf gleiche Energiedeposition, bedeutend kleiner als für Elektronen (für a-Teilchen z. B. 10%) und nicht so gut proportional zur abgegebenen Energie ist wie bei anorganischen Szintillatoren. Wegen des hohen Bremsvermögens genügen meist Schichtdicken in der Größenordnung Millimeter oder Bruchteile davon. Die Dicke des Szintillators sollte nur wenig größer als die Reichweite der nachzuweisenden Teilchen gewählt werden, um den Untergrund durch störende Strahlung möglichst klein zu halten. Das zum Nachweis von y-Strahlung oft benutzte Nal(Tl) verbindet die relativ hohe Ordnungszahl des Jod mit einer hohen Lichtausbeute. In Form gezogener Einkristalle ist es bis zu 20 cm Durchmesser und 30 cm Länge erhältlich. Für weiche y- oder Röntgenstrahlung benutzt man vor allem in Koinzidenzanordnungen auch dünne Kristalle aus nicht-aktiviertem Nal, das bei ca. 78 K etwa die doppelte Lichtausbeute wie Nal(Tl) und eine Abklingzeit von 60 ns besitzt. Eine Vorrichtung zur Tiefkühlung, ein Lichtleiter aus Quarz und ein UV-empfindlicher Photovervielfacher sind erforderlich. Näheres über Teilchenzählung zur Bestimmung von Aktivitäten s. 7.5.4. Zum Nachweis von Neutronenstrahlung verwendet man oft organische Szintillatoren mit hohem Anteil an Wasserstoff, wobei die Rückstoßprotonen nachgewiesen werden (s. 7.6.6.3). Die Bestimmung des Energiespektrums von Korpuskular- und Photonenstrahlung mit Szintillationsdetektoren ist in 7.6.2.2 und 7.6.6.3 beschrieben. Für Messungen im Strahlenschutz haben Szintillationsdetektoren wegen ihres hohen Ansprechvermögens für y-Strahlung bei geringen Abmessungen an Bedeutung gewonnen. Mit NaI(Tl)-Szintillationszählern werden z. B. kleinste Aktivitäten im Urin oder im menschlichen Körper nachgewiesen und durch Energiebestimmung der Radionuklide identifiziert (s. 7.5.5).
7.4.3 Nachweis mittels Szintillation, Lumineszenz und Exoelelctronen 435 Szintillationszähler in batteriebetriebenen tragbaren Dosisleistungsmeßgeräten erfordern im Vergleich zu anderen Geräten einen hohen elektronischen Aufwand zur Erzeugung der Versorgungsspannungen und zur Impulsverarbeitung. Der mittlere Strom des Photovervielfachers ist der Lichtausbeute und damit der Dosis im Szintillator weitgehend proportional. Durch Verwendung von Kunststoffszintillatoren mit großen Volumina ist es möglich, Photonen-Äquivalentdosisleistungen bis herab zu 0,1 nSv/h zu messen. Durch Beschichtung eines Anthrazendetektors an der Außenseite mit ZnS(Ag) erreichten Kolb u. Lauterbach (1974) eine energieunabhängige Anzeige für die Photonen-Äquivalentdosis zwischen 25 keV und 2 MeV (s. 7.8.4.8). Literatur: Birks (1964), Neuert (1966), KnoIl(1992) 7.4.3.2 Thermolumineszenz Meßprinzip Die Thermolumineszenz (TL) beruht auf der strahleninduzierten Besetzung von Haftstellen in bestimmten Kristallen durch Ladungsträger des Kristalls. Bei Erwärmung gehen die Ladungsträger unter Ausstrahlung von Lumineszenzlicht (im sichtbaren oder angrenzenden Spektralbereich) in Energieniveaus über, die durch Zusätze (Aktivatoren) im Kristall erzeugt wurden. Ein Teil dieses Lumineszenzlichtes wird in einer optischen Anordnung mit einem Photovervielfacher gemessen. Das spektrale Ansprechvermögen des Photovervielfachers muß dem Spektralbereich des emittierten Lumineszenzlichtes angepaßt sein. Das Kurvenbild der TL-Strahlungsleistung P in Abhängigkeit von der Temperatur i9, die nach einer bestimmten Zeitfunktion d{t) ansteigt, wird als Glowkurve bezeichnet. Der Aufheizzyklus muß für reproduzierbare Ergebnisse genau eingehalten werden. Meist wird eine lineare Temperaturanstiegsfunktion d{t) gewählt. Die Glowkurve weist in der Regel mehrere Maxima auf, die Endtemperatur liegt je nach TL-Material zwischen 250 und 400°C, ein Beispiel zeigt Fig. 7.43. Für die Ermittlung der mit der TL-Sonde gemessenen Dosis wird entweder die Höhe des Hauptmaximums der Glowkurve oder (für eine höhere Genauigkeit) das Integral zwischen zwei Temperaturen vor und hinter dem Hauptmaximum herangezogen, das der insgesamt emittierten Strahlungsenergie proportional ist. Das Integral wird auch als Lichtsumme bezeichnet. Bei der Erzeugung der Glowkurve kommt es darauf an, daß die Temperaturanstiegsfunktion sehr genau reproduziert wird (Horowitz u. Yossian(1995)). Als Ausgangssubstanz benutzt man überwiegend lonenkristalle wie Lithiumfluorid oder Calciumfluorid, die mit Fremdatomen („Aktivatoren", z. B. Mg, Ti, Mn) dotiert werden („doping"). Die Detektoren können als Pulver, Einkristalle, extrudierte (stranggepreßte), gesinterte oder heißge- Preßte Körper (Stäbchen, Plättchen, Scheiben) sowie als in Polytetrafluorethylen (PTFE, Teflon) eingebettetes TL-Material vorliegen. Flg. 7.43 Glowkurve für LiF (Zeit t, Temperatur i?, TL- Strahlungsleistung P) Kurve a zeigt die Glowkurve bei einem durch die Kurve b gegebenen Temperatur-Zeit-Verlauf der Aufheizung. Der Bereich A (Zeitdauer ca. 15 s) der Glowkurve wird in der Regel nicht ausgewertet. Die Messung der Lichtsuinme ist auf den Bereich B beschränkt
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