Detectie hoofdstuk 4

office of the university
health, safety & environmental
services
18-10-2012 | 1
Detectie
hoofdstuk 4
Mieke Blaauw
Stralingsdeskundige Centrum voor Levenswetenschappen, RUG
office of the university
health, safety & environmental
services
18-10-2012 | 2
Detectie van ioniserende straling
Detectie van radioactief schroot met
poortdetectorsystemen
… twee van de vele toepassingen !
office of the university
health, safety & environmental
services
18-10-2012 |
3
Excitatie en ionisatie
Exitatie: elektron neemt energie op, ‘aangeslagen’
staat energie weer af in de vorm van licht (scintillatie)
7
3Li
excitatie
M
L
K
ionisatie
Ionisatie: elektron verlaat atoom
elektron
proton
neutron
office of the university
health, safety & environmental
services
18-10-2012 |
Detectie in de stralingshygiëne
drie soorten detectoren:
 ionisatiedetector (vaste stof of gas)
 scintillatiedetector (vaste stof of vloeibaar)
 fotografische emulsie
office of the university
health, safety & environmental
services
18-10-2012 | 5
Detectie in de stralingshygiëne
drie soorten detectoren:
 ionisatiedetector (vaste stof of gas)
 scintillatiedetector (vaste stof of vloeibaar)
 fotografische emulsie
office of the university
health, safety & environmental
services
18-10-2012 |
keuze detectormateriaal:
Soort straling
Doordringend
vermogen
detectiemateriaal
α- en -straling
(deeltjes)
laag - gemiddeld
Lage soortelijke
massa, lage Z
γ- en rontgenstraling
(fotonen)
hoog
hoge soortelijke
massa, hoge Z
office of the university
health, safety & environmental
services
18-10-2012 |
Ionisatiedetector
Kathode: negatief
gasgevulde detectoren:
venster
Anodedraad:
positief
telgas
- ionisatiekamer
- proportionele telbuis
- Geiger-Müllerbuis
straling → ionisatie van telgas:
elektron-ion paren
Telgas:
lucht, aardgas (lage Z),
edelgas (hoge Z), ...
Anodespanning:
100 - 1500 V
(hangt af van soort
gasgevulde detector)
7
office of the university
health, safety & environmental
services
18-10-2012 |
Ionisatiedetector
15
gasgevulde detectoren:
(I - recombinatiegebied)
II - ionisatiekamergebied
III - proportioneel gebied
10
Anodespanning
log(Nion )
V
VI
IV
10
III
I
5
II
-deeltje
-deeltje
(IV - onvolledig proportioneel)
0
0
V - Geiger-Müllergebied
500
1000
anodespanning (V)
(VI - gasontladingsgebied)
8
1500
office of the university
health, safety & environmental
services
18-10-2012 | 9
15
Ionisatiedetector
V
10
II – ionisatiekamer,
lage anodespanning
log(Nion )
gasgevulde detectoren:
VI
IV
10
III
I
5
II
-deeltje
-deeltje
0
Straling veroorzaakt ionisaties in telgas:
Er ontstaan elektron- ion paren
De elektronen (-) gaan naar de anode,
de gasionen (+) gaan naar de kathode
van de detector: stroompuls
Grootte van stroompuls evenredig met
energie van gemeten deeltje
0
500
1000
anodespanning (V)
1500
office of the university
health, safety & environmental
services
18-10-2012 |
Gasgevulde detectoren,
hogere anodespanning:
Gasversterking
De elektronen die door
ionisaties van telgas
ontstaan, de primaire
elektronen (1),
worden versneld,
botsen met atomen van
telgas
en veroorzaken
secundaire ionisaties (2)
kathodewand
ioniserende
straling
1
2
2
2
anodedraad
1 primaire lading
2 secundaire lading
positief ion
negatief elektron
kathodewand
(ionisatie-energie = 34 eV)
10
office of the university
health, safety & environmental
services
18-10-2012 |
11
15
Ionisatiedetector
log(Nion )
10
gasgevulde detectoren, hogere anodespanning:
V
III - proportionele telbuis,
gasversterking
Pulsgrootte evenredig met energie
van gemeten deeltje
VI
IV
10
III
I
5
II
deeltje
0
0
deeltje
500
1000
anodespanning (V)
1500
office of the university
health, safety & environmental
services
18-10-2012 | 12
15
Ionisatiedetector
hoge spanning:
V - Geiger-Müller telbuis,
verzadiging
log(Nion )
10
gasgevulde detectoren,
V
IV
10
III
I
5
II
deeltje
0
0
deeltje
500
1000
anodespanning (V)
Het primaire elektron wordt sterk versneld,
botst met atomen van telgas en veroorzaakt vele
lawines van secundaire ionisaties*
Door dit verzadigingseffect is elke gemeten puls even sterk:
Geen informatie over energie van gemeten deeltje
*Om te voorkomen dat elektronen uit kathodewand vrijkomen
wordt een doofgas toegevoegd
VI
1500
office of the university
health, safety & environmental
services
18-10-2012 |
Geiger-Müllerbuis
Voordeel: eenvoudige constructie en goedkoop
Nadeel:
-Geen informatie over energie en soort straling
-Dode tijd: na een puls schermen positieve ionen
de kathode af: elektrisch veld tijdelijk verstoord
Daardoor kan tijdelijk geen nieuwe puls ontstaan
Dode tijd:  > 100 s
Correctie nodig: ware teltempo Rw > gemeten teltempo R
Berekening: Rw = R / (1 – R·)
-Buis kan ‘dichtslaan’ bij extreem hoog teltempo:
telgas bijna voortdurend geioniseerd zodat
geen nieuwe puls gemeten wordt
office of the university
health, safety & environmental
services
18-10-2012 |
Ionisatiedetectoren,
Detectormateriaal: vaste stof
Halfgeleiderdetector
silicium (voor β-straling) of
germanium (γ- en röntgenstraling)
ionisatie-energie: circa 3 eV
elektronen die ontstaan door straling
bewegen naar elektrode
Voordelen: hoog rendement,
grote energieresolutie
Nadelen: geen gasversterking,
koelen tot 80 K (ca.-190 °C),
duur
office of the university
health, safety & environmental
services
18-10-2012 | 08/06/2015
Ionisatiedetectoren, detectormateriaal: vaste stof
Spectrum gemeten met Ge-detector (halfgeleider) resolutie bij 661 keV is 0,4%
office of the university
health, safety & environmental
services
18-10-2012 | 16
Gasgevulde detectoren
office of the university
health, safety & environmental
services
18-10-2012 | 17
Detectie van straling
soorten detectoren:
( ionisatiedetectoren (vaste stof of gas))
• scintillatiedetectoren:
• - vaste stof
• - vloeibaar
( fotografische emulsie)
office of the university
health, safety & environmental
services
18-10-2012 | 18
Scintillatiedetectoren
18
Exitatie: elektron van detectiemateriaal neemt energie op,
‘aangeslagen’ elektron valt terug naar de grondtoestand en staat energie
weer af in de vorm van licht : scintillatie
7
3Li
excitatie
M
L
K
ionisatie
(elektron verlaat atoom)
elektron
proton
neutron
office of the university
health, safety & environmental
services
18-10-2012 |
 Vaste-stofscintillatoren
 Anorganische scintillator
o NaI, BaF2, bismuth germanium oxide (BGO);
o bevatten meestal een fluorescerende toevoeging,
o bijvoorbeeld natriumiodide met een spoor telluur: NaI(Tl)
o Hoge dichtheid: geschikt voor fotonen- straling
o ZnS voor α-straling
 Organische scintillator
o anthraceen, stilbeen, plastic;
o bevatten meestal een fluorescerende toevoeging
o Lagere dichtheid: geschikt voor β- straling
office of the university
health, safety & environmental
services
18-10-2012 |
Vaste stof scintillatie: scintillatiekristal met fotomultiplicatiebuis (PMT)
• Door wisselwerking van γ-foton met scintillator ontstaan
lichtfotonen
• Lichtfoton maakt foto-elektron vrij uit fotokathode
• Foto-elektron botst op dynodes: ‘fotomultiplicatie’
• γ-foton met hogere energie: meer lichtfotonen per γ-foton
Pulsgrootte evenredig met energie van γ-foton
ioniserende
straling
fotokathode
licht
scintillatiekristal
elektronen
dynode
anode
contactpinnen
fotomultiplicatorbuis
20
office of the university
health, safety & environmental
services
18-10-2012 | 21
Veelkanaalsanalysator of multi channel analyzer (MCA):
sorteert pulsen op grootte
• De pulsen worden geteld en gesorteerd op grootte,
• Spectrum: plot van grootte (lichtopbrengst) vs aantal pulsen,
• Resultaat: ​energiespectrum van de invallende straling
office of the university
health, safety & environmental
services
18-10-2012 | 08/06/2015
NaI-detector (vaste-stofscintillator)
Spectra van Fe-55 (links) en Sc-137 (rechts)
Resolutie bij 662 keV: 7%,
Resolutie bij 5.9 keV: 43,5%
office of the university
health, safety & environmental
services
18-10-2012 |
Vaste-stofscintillatoren :
Thermoluminescentiedetector (TLD)
CaF2, LiF, Li2B4O7
• bij wisselwerking komen elektronen in een metastabiele toestand
• tijdens verwarming van TLD gaat elektron terug naar de grondtoestand
• hierbij wordt licht uitgezonden: thermoluminescentie
Persoonsdosimeter
(TLD-badge)
23
office of the university
health, safety & environmental
services
18-10-2012 |
Vloeibare scintillatoren
liquid scintillation counting (LSC)
 Radioactief monster is opgelost in een telvloeistof (cocktail) in een flesje
 De scintillatie-cocktail bevat o.a. scintillatormoleculen
 Optimale energieoverdracht: hoog telrendement voor α- en β-stralers
office of the university
health, safety & environmental
services
18-10-2012 | 25
Radioactief monster gemengd met liquid scintillation cocktail:
Liquid scintillation cocktail
- absorbeert energie die door de radioisotopen wordt geproduceerd
- na excitatie zenden scintillatormoleculen lichtflitsjes uit ( blauw licht)
- Intensiteit
van een lichtflitsje (aantal fotonen) is evenredig met energie
van α- of β-deeltje
office of the university
health, safety & environmental
services
18-10-2012 |
o -straling  scintillatie:
o ΔE + L  L*
o L*1 + L2  L1 + L*2
o L* + S  L + S*
o S*  S + lichtfoton
o lichtfoton  multiplier  elektrisch signaal  telling  MCA: spectrum
office of the university
health, safety & environmental
services
18-10-2012 | 27
Doving (quenching)
 Deel van β- energie wordt geabsorbeerd door andere
stoffen in de cocktail: chemische doving
 Deel van lichtfotonen wordt geabsorbeerd door
gekleurde moleculen: kleurdoving
office of the university
health, safety & environmental
services
18-10-2012 | 28
Scintillatiedetectoren
office of the university
health, safety & environmental
services
18-10-2012 | 29
soorten detectoren:
( ionisatiedetector (vaste stof of gas))
( scintillatiedetector (vaste stof of vloeibaar))
fotografische emulsie :
 Filmbadge als persoonsdosismeter
 Autoradiogram analytisch hulpmiddel in de chemie en
biochemie
 Röntgenfoto oudste detector, waarmee radioactiviteit en
röntgenstraling zijn ontdekt
 (Kernemulsie voor detectie van elementaire deeltjes in kosmische
straling, vervangen door detectoren met een volume > 1000 m3)
office of the university
health, safety & environmental
services
18-10-2012 | 08/06/2015
Detector - zeer groot volume - voor elementaire deeltjes
(niet besproken)
office of the university
health, safety & environmental
services
18-10-2012 |
Fotografische emulsie : alternatieven
Filmbadge
als persoonsdosismeter verdrongen door de TLD
Autoradiogram en Röntgenfoto
meer en meer verdrongen door fosforescerende plaat
Fosforescerende plaat: scintillatietechniek
• Straling → excitatie: elektronen in een metastabiele
aangeslagen toestand
• Door belichting met laserstraal gaan elektronen terug naar
de grondtoestand → licht uitgezonden: fosforescentie
• Digitale uitlezing van beeld
office of the university
health, safety & environmental
services
18-10-2012 | 32
Ca. 1987 (nog niet eens zo heel lang geleden):
office of the university
health, safety & environmental
services
18-10-2012 | 33
Nog vroeger: begin van 20e eeuw
office of the university
health, safety & environmental
services
18-10-2012 |
Toepassingen van detectie van ioniserende straling
-
Identificatie van de bron (spectrumanalyse)
Kwantitatieve telling (activiteit)
Bepaling stralingsniveau (dosistempometing)
Registratie radioactieve besmetting (besmettingsmeting)
Controle aan de poort
34
office of the university
health, safety & environmental
services
18-10-2012 |
Toepassingen van detectie van ioniserende straling:
- Identificatie van de bron (spectrumanalyse)
Energie bepalen (spectroscopie)
met een veelkanaalsanalysator (MCA)
insteekkaart voor computer
Grootte v/d puls maat voor energie
ADC- hoog getal, hoge energie
 energiespectrum
office of the university
health, safety & environmental
services
18-10-2012 |
Toepassingen van detectie van ioniserende straling:
- Identificatie van de bron (spectrumanalyse)
 -spectroscopie
o foto-piek bij E
o ontsnappingspiek bij E - EX
o Compton-rug
bij elektronvangst en interne conversie:
o röntgenpiek
bij paarvorming buiten de detector:
o annihilatiepiek bij 511 keV
lijnverbreding als gevolg van statistiek
office of the university
health, safety & environmental
services
18-10-2012 |
Toepassingen van detectie van ioniserende straling:
- Identificatie van de bron (spectrumanalyse)
 calibratie van kanaalnummer (MCA) en γ-energie
500
kanaalnummer
400
300
200
100
0
0
200
400
600
800
1000
gamma-energie (keV)
37
office of the university
health, safety & environmental
services
18-10-2012 |
Toepassingen van detectie van ioniserende straling:
- Identificatie van de bron (γ-spectrumanalyse)
calibratie van rendement vs. γ-energie
# pulsen / # fotonen
0.1
0.01
0.001
10
100
1000
gamma-energie (keV)
10000
38
office of the university
health, safety & environmental
services
18-10-2012 |
Toepassingen van detectie van ioniserende straling
-
Kwantitatieve telling : activiteitsbepaling
Aantal interacties per tijdseenheid
totale telrendement : ε (efficiency)
moet bekend zijn,
is afhankelijk van:




Soort detector
Soort straling
Afstand detector – bron
Emissierendement
ε = R/A
Waarin:
R = teltempo
A = activiteit
39
office of the university
health, safety & environmental
services
18-10-2012 |
Toepassingen van detectie van ioniserende straling:
Dosistempometer
- aanwijzing in sievert per tijdseenheid
- volstrekt ongeschikt als besmettingsmonitor
- kleine GM buis: stroommeter meet gemiddelde
stroom t.g.v pulsen
- lage efficiency voor γ-straling (~ 1%)
Besmettingsmeting
Besmettingsmonitor
- aanwijzing in aantal telpulsen per tijdseenheid
- volstrekt ongeschikt als dosistempometer
Zeer gevoelige meting:
veegmonster in scintillatieteller
40
office of the university
health, safety & environmental
services
18-10-2012 |
Besmettingsmeting: keuze van detectoren
 -besmetting
o ZnS met zeer dun venster
o gasgevulde detector met zeer dun venster
o vloeistofscintillatieteller
 -besmetting
o gasgevulde detector met dun venster
o Si-detector met dun venster (geen Ge vanwege gevoeligheid
voor -achtergrond)
o vloeistofscintillatieteller
41
office of the university
health, safety & environmental
services
18-10-2012 |
Besmettingsmeting: keuze van detectoren
 -besmetting
o NaI-detector
o gasgevulde detector met groot oppervlak en lage achtergrond
o Ge-detector
o Si-detector met dun venster (voor röntgenstraling)
o vloeistofscintillatieteller (als E < 50 keV)
42
office of the university
health, safety & environmental
services
18-10-2012 | 43
Detectie
hoofdstuk 4
Overzicht van detectoren en hun toepassingsgebieden:
Paragraaf 4.7 (blz. 68)