Scintillasjonsteller - Scintillation counter
En scintillasjonsteller er et instrument for å oppdage og måle ioniserende stråling ved å bruke eksiteringseffekten av innfallende stråling på et scintillerende materiale, og detektere de resulterende lyspulser.
Den består av en scintillator som genererer fotoner som svar på innfallende stråling, en følsom fotodetektor (vanligvis et fotomultiplikatorrør (PMT), et ladekoblet kamera (CCD) eller en fotodiode ) som konverterer lyset til et elektrisk signal og elektronikk for å behandle dette signalet.
Scintillasjonsteller er mye brukt i strålebeskyttelse, analyse av radioaktive materialer og fysikkforskning fordi de kan fremstilles billig, men med god kvanteeffektivitet , og kan måle både intensiteten og energien til innfallende stråling.
Historie
Den moderne elektroniske scintillasjonstelleren ble oppfunnet i 1944 av Sir Samuel Curran mens han jobbet med Manhattan-prosjektet ved University of California i Berkeley . Det var et krav å måle strålingen fra små mengder uran, og hans innovasjon var å bruke et av de nylig tilgjengelige, veldig følsomme fotomultiplikatorrørene laget av Radio Corporation of America for å nøyaktig telle lysglimtene fra en scintillator utsatt for stråling. Dette bygger på arbeidet til tidligere forskere som Henri Becquerel , som oppdaget radioaktivitet mens du arbeider på phosphorescence av uran salter i 1896. Tidligere scintillasjonsmetoder hendelser måtte møysommelig oppdaget av øyet med en spinthariscope som var en enkel mikroskop for å observere lyset blinker i scintillatoren.
Operasjon
Når en ioniserende partikkel passerer inn i scintillatormaterialet, blir atomer spent langs et spor. For ladede partikler er sporet selve partikkelen. For gammastråler (uladet) konverteres energien til en energisk elektron via enten den fotoelektriske effekten , Compton-spredning eller parproduksjon .
Kjemien til atomavvikling i scintillatoren produserer et mangfold av lavenergifotoner, vanligvis nær den blå enden av det synlige spekteret. Mengden er proporsjonal med energien som er avsatt av den ioniserende partikkelen. Disse kan rettes mot fotokatoden til et fotomultiplikatorrør som maksimalt avgir ett elektron for hver ankommende foton på grunn av den fotoelektriske effekten . Denne gruppen av primære elektroner akselereres elektrostatisk og fokuseres av et elektrisk potensial slik at de treffer rørets første dynode. Virkningen av et enkelt elektron på dynoden frigjør et antall sekundære elektroner som igjen akselereres for å slå den andre dynoden. Hver påfølgende dynodeinnvirkning frigjør ytterligere elektroner, og det er derfor en strømforsterkende effekt på hvert dynodetrinn. Hvert trinn har et høyere potensial enn det forrige for å gi det akselererende feltet.
Det resulterende utgangssignalet ved anoden er en målbar puls for hver gruppe fotoner fra en original ioniserende hendelse i scintillatoren som ankom fotokatoden og bærer informasjon om energien til den opprinnelige innfallende strålingen. Når den blir matet til en ladningsforsterker som integrerer energiinformasjonen, oppnås en utgangspuls som er proporsjonal med energien til partikkelen som stimulerer scintillatoren.
Antall slike pulser per tidsenhet gir også informasjon om intensiteten av strålingen. I noen applikasjoner telles ikke individuelle pulser, men heller bare gjennomsnittsstrømmen ved anoden brukes som et mål på strålingsintensiteten.
Scintillatoren må beskyttes mot alt lys fra omgivelsene, slik at eksterne fotoner ikke oversvømmer ioniseringshendelsene forårsaket av innfallende stråling. For å oppnå dette brukes ofte en tynn, ugjennomsiktig folie, som aluminisert mylar, selv om den må ha lav nok masse til å minimere unødig demping av den innfallende strålingen som måles.
Artikkelen på fotomultiplikatorrøret inneholder en detaljert beskrivelse av rørets drift.
Deteksjonsmaterialer
Scintillatoren består av en gjennomsiktig krystall , vanligvis en fosfor, plast (vanligvis inneholder antracen ) eller organisk væske (se væskescintillasjonstelling ) som fluorescerer når den blir rammet av ioniserende stråling .
Cesiumjodid (Csl) i krystallinsk form anvendes som scintillatoren for påvisning av protoner og alfa-partikler. Natriumjodid (NaI) som inneholder en liten mengde tallium brukes som en scintillator for påvisning av gammabølger og sinksulfid (ZnS) er mye brukt som detektor av alfapartikler. Sinksulfid er materialet Rutherford brukte til å utføre sitt spredningseksperiment. Litiumjodid (LiI) brukes i nøytrondetektorer.
Detektoreffektivitet
Gamma
Kvanteffektiviteten til en gammastråledetektor (per volumsenhet) avhenger av tettheten til elektroner i detektoren, og visse scintillerende materialer, slik som natriumjodid og vismutgermanat , oppnår høye elektrontettheter som et resultat av det høye atomnummeret på noen av elementene de består av. Imidlertid detektorer basert på halvledere , særlig hyperpure germanium , har bedre iboende energi oppløsning enn scintillatorer, og er foretrukket der det er mulig for gammastråle- spektrometri .
Neutron
Når det gjelder nøytrondetektorer , oppnås høy effektivitet ved bruk av glitrende materialer som er rike på hydrogen som sprer nøytroner effektivt. Flytende scintillasjonsteller er et effektivt og praktisk middel for å kvantifisere beta-stråling .
applikasjoner
Scintillasjonsteller brukes til å måle stråling i en rekke bruksområder, inkludert håndholdte strålingsmåler , personell og miljøovervåking for radioaktiv forurensning , medisinsk bildebehandling, radiometrisk analyse, kjernefysisk sikkerhet og kjernefysisk anlegg.
Flere produkter har blitt introdusert i markedet ved bruk av scintillasjonsteller for påvisning av potensielt farlige gammagivende materialer under transport. Disse inkluderer scintillasjonsteller designet for godsterminaler, grensesikkerhet, havner, veibroapplikasjoner, skrapverft og forurensningsovervåking av atomavfall. Det er varianter av scintillasjonsteller montert på lastebiler og helikoptre for rask respons i tilfelle en sikkerhetssituasjon på grunn av skitne bomber eller radioaktivt avfall . Håndholdte enheter brukes også ofte.
Veiledning om bruken av applikasjonen
I Storbritannia har Health and Safety Executive , eller HMS, utstedt en brukerveiledning om valg av riktig strålingsmåleinstrument for den aktuelle applikasjonen. [1] Dette dekker all teknologi for strålingsinstrumenter, og er en nyttig komparativ guide til bruk av scintillasjonsdetektorer.
Strålevern
Alfa og beta forurensning
Radioaktive forurensningsmonitorer for arealundersøkelser eller personlige undersøkelser krever et stort deteksjonsområde for å sikre effektiv og rask dekning av overvåkede overflater. For dette er en tynn scintillator med et stort vindu og et integrert fotomultiplikatorrør ideell. De finner bred anvendelse innen radioaktiv forurensningsovervåking av personell og miljø. Detektorer er designet for å ha ett eller to scintillasjonsmaterialer, avhengig av applikasjonen. "Enkel fosfor" detektorer brukes til enten alfa eller beta, og "Dual fosfor" detektorer brukes til å oppdage begge.
En scintillator som sinksulfid brukes til deteksjon av alfapartikler, mens plastscintillatorer brukes til beta-deteksjon. De resulterende scintillasjonsenergiene kan diskrimineres slik at alfa- og beta-tellinger kan måles separat med samme detektor. Denne teknikken brukes i både håndholdt og fast overvåkingsutstyr, og slike instrumenter er relativt billige sammenlignet med den gass proporsjonale detektoren.
Gamma
Scintillasjonsmaterialer brukes til måling av gammadosis, selv om en annen konstruksjon brukes til å oppdage forurensning, da det ikke er nødvendig med et tynt vindu.
Som et spektrometer
Scintillatorer ofte konvertere en enkelt foton av høyenergi- stråling inn i høyt antall lavere energi fotoner, hvor antallet av fotoner pr megaelectronvolt av tilført energi er tilnærmet konstant. Ved å måle intensiteten på blitsen (antall fotoner produsert av røntgen- eller gammafotonen) er det derfor mulig å skille den opprinnelige fotonens energi.
Spektrometeret består av en passende scintillatorkrystall , et fotomultiplikatorrør og en krets for å måle høyden på pulser produsert av fotomultiplikatoren. Pulser telles og sorteres etter høyden, og produserer et xy-plot av lysstyrken på scintillatorblitsen mot antall blink, som tilnærmer seg energispektret til innfallende stråling, med noen ekstra gjenstander. En monokromatisk gammastråling produserer en fototopp ved sin energi. Detektoren viser også respons ved de lavere energiene, forårsaket av Compton-spredning , to mindre rømningstopper ved energiene 0.511 og 1.022 MeV under fototoppen for å skape elektron-positronpar når en eller begge tilintetgjørelsesfotoner rømmer, og en tilbakespredningstopp . Høyere energier kan måles når to eller flere fotoner treffer detektoren nesten samtidig ( pile-up , innen tidsoppløsningen til datainnsamlingskjeden ), og ser ut som sumstopper med energier opp til verdien av to eller flere fotopeaks lagt til
Se også
- Gamma-spektroskopi
- Geiger-teller
- Telling av flytende scintillasjon
- Lucas celle
- Pandemonium-effekt
- Fotontelling
- Scintigrafi
- Total absorpsjonsspektroskopi