Strahlungsdetektoren Teilchenstrahlungen α, β -, β + n

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1 Strahlungsdetektoren Teilchenstrahlungen α, β -, β + n EMS γ, X Ausschliesslich für den Unterrichtsgebrauch 1 2 Wechselwirkung ionisierender Strahlungen mit der Materie Strahlungsdetektoren DIREKTE IONISATION (durch Teilchen mit Ladung) p 1 en He α (Alphastrahlen) (Elektron), β (Betastrahlen) p (Protonenstrahlen) IONISIERENDE STRAHLUNGEN (Heliumkern) (Elektron, Positron) INDIREKTE IONISATION (durch Photoeffekt, Compton-Streuung, Paarbildung) γ (Gammastrahlen) Röntgenstrahlen n (Neutronenstrahlen) E= h f (100 kev-10 MeV) E= h f (10 ev-1 MeV) Ionisationsvermögen ionisierende Strahlung << >> Materie elektromagnetische Wechselwirkung Wechselwirkung nicht elektromagnetische Wechselwirkung γ Reichweite β α 3 Die Basis aller Messungen (auch Beobachtungen) ist die Wechselwirkung mit dem zu messenden System. Ohne Wechselwirkung ist es NICHT möglich, Information zu gewinnen. 4

2 Strahlungsdetektoren Strahlungsdetektoren Nachweis über elektromagnetische Wechselwirkung mit Materie Nachweis über nicht elektromagnetische Wechselwirkung mit Materie 1.) en: Szintillationszähler NaI(Tl) 2.) Gasionisationsdetektoren Ionisationskammer, Proportionalzählrohr, Geiger-Müller Zählrohr... 1.) Neutronendetektor 2.) Neutrinodetektor 3.) Halbleiterdetektoren: Halbleiter-Sperrschicht Detektor 4.) Spurdetektoren: Nebelkammer, Blasenkammer, Funkenkammer... 5.)... usw.... usw. 5 6 Feste Szintillatoren: Cu- und Mg-haltiges ZnS Tl-haltiges NaI Flüssige Szintillatoren: Anthracen, Stilben, Naphtalen... Die Größe des Lichtimpulses ~ Energie, welche die Ionisation auslöst Die Zahl der Impulse ~ Aktivität des Präparates 7 8

3 Szintillationdetektor 9 10 Elementarprozesse der Schwächung 11 12

4 Elementarprozesse der Schwächung Physikalische Größ ößen, die den µ beeinflussen ρ Dichte des Mediums/Absorbents Q Qualität des Absorbents Strahlungsart: EMW, Teilchenstrahlung. (α, β, p,n, ) µ = µ (ρ, Q, Strahlungsart, Energie, ) Massenschwächungskoeffizient: µ µ m = ρ µ m ist von der Dichte unabhängig geworden! τ σ κ µ = τ + σ +κ +ι ι Einheit: 1 cm g cm 3 = cm g den Exponenten µ x, kann man mit dem µ m umschreiben : µ µ x = ρ x = µ m x m = x ρ ρ x m g g Maßeinheit: cm = 3 2 cm cm Massenbedeckung x m gibt die Masse des Stoffes in einem Prisma mit der Länge x und Querschnitt von 1 cm 2 an Vorteil: Szintillationszähler besitzen eine hohe Nachweiseffektivität für γ- Strahlung; Nachteil: Ihr Nachteil besteht in der relativ geringen Energieauflösung E/E von ca. 10%. D m =D ρ D m : Halbwertsmasse Benützung von µ m ist vorgezogen im Vergleich zum µ

5 Messprinzip: die Gasionisation liefert elektrisches Signal Teilchen/Photon Gasionisationsdetektoren Kondensatorplatte Gasatom - I R + - U U Ionisationskammer Dosimetrie Ionisierende Strahlung + + Ionen U = Q C U = QR t Hochspannung + + R C U Dosismessung Dosisleistungsmessung Ionisationskammer elektrische Verstärker el. Ladung ~ Teilchenenergie Zahl der el.signal ~Teilchenzahl Vorteile: seit mehr als 100 Jahren sind die Ionisationsvorgänge nge untersucht ausführliche theoretische und praktische Kenntnisse; Messvolumen von mm 3 Liter; ermöglicht absolute Messung Kalibrationsmessungen der anderen Detektoren/Dosimeter Dosimeter; Messung der sehr großen Dosiswerten; Schließen en zur Energiedosis in Geweben. Echzeitmessung bei der Strahlentherapie!! X 19 20

6 Halbleiter (Si, Ge) Halbleiter-Detektor Halbleiter-Detektor Dotierte Halbleiter L.B. Leitungsband V.B. Defektelektron Elektron Valenzband Donorniveaus Akzeptorniveaus n-dotiert p-dotiert el. Signal ~ Teilchenenergie Halbleiter-Sperrschicht Detektor Halbleiter-Sperrschicht Detektor p-n Übergang depotan/apet101.htm vor Kontakt Kontakt DieKreisesymbolisieren bewegliche Majoritätsladungsträger (Elektronen (-) und Löcher (+)), die eckigen Figuren stellen Atomrümpfe dar. nach Kontakt RLZ Raumladungszone bzw. Sperrschicht 23 Wird der n-bereich mit dem + Pol und der p-bereich mit dem Pol einer Spannungsquelle verbunden, so verbreitet sich die Sperrschicht. Ein el. Ladung tragendes Teichen erzeugt in dieser Sperrschicht Elektronen und Defektelektronen. Es kommt zu einem kurzzeitigem Strom. 24

7 Halbleiter-Sperrschicht Detektor Vorteile: Im Halbleiter können auch Teilchen höherer Energie vollständig abgebremst werden. (wegen der höheren Dichte) Sie besitzen eine gute Energieauflösung E/E von weniger als 1%. Germanium-Detektor Szintillationszähler Nachteil: Sie sind sehr temperaturempfindlich. 25