Gammaspektroskopie

Gammastrahlenspektroskopie ist die quantitative Studie der Energiespektren von Gammastrahlenquellen, wie in der Nuklearindustrie, geochemische Untersuchung und Astrophysik.

Die meisten radioaktiven Quellen produzieren Gammastrahlen, die unterschiedliche Energien und Intensitäten haben. Wenn diese Emissionen mit einem Spektroskopiesystem nachgewiesen und analysiert werden, kann ein Gammastrahlenenergiespektrum erzeugt werden.

Eine detaillierte Analyse dieses Spektrums wird typischerweise verwendet, um die Identität und Menge der in einer Gamma -Quelle vorhandenen Gamma -Emitter zu bestimmen, und ist ein wichtiges Werkzeug im radiometrischen Assay. Das Gamma-Spektrum ist charakteristisch für das Gamma-Emitting Nuklides in der Quelle enthalten, genau wie in einem Optisches SpektrometerDas optische Spektrum ist charakteristisch für das in einer Probe enthaltene Material.

Gammastrahleneigenschaften

Das Gammastrahlenspektrum von Natural UranMit einem Dutzend diskreten Linien, die auf einem glatten Kontinuum überlagert sind, können Sie das identifizieren Nuklides 226
Ra
, 214
Pb
, und 214
Bi
des Urans Verfallkette.

Gammastrahlen sind die höchste Formform von elektromagnetische Strahlung, physisch das gleiche wie alle anderen Formen (z. B. X Strahlen, sichtbares Licht, Infrarot, Radio), aber (im Allgemeinen) höher mit Photon Energie aufgrund ihrer kürzeren Wellenlänge. Aus diesem Grund kann die Energie von Gammastrahlenphotonen einzeln aufgelöst werden und a Gammastrahlenspektrometer kann die Energien der nachgewiesenen Gammastrahlenphotonen messen und anzeigen.

Radioaktive Kerne (Radionuklide) Senden Sie üblicherweise Gammastrahlen im Energiebereich von wenigen kev bis ~ 10Mev, entsprechend den typischen Energieniveaus in Kernen mit einigermaßen langen Lebensdauer. Solche Quellen produzieren normalerweise Gammastrahlen "Zeilenspektren" (d. H. Viele Photonen, die bei diskreter emittiert werden Energien), während viel höhere Energien (über 1 1Tev) können in den in Astrophysik und Elementarpartikelnsphysik beobachteten Kontinuumsspektren auftreten. Die Grenze zwischen Gammastrahlen und X -Strahlen ist etwas verschwommen wie X Strahlen Beziehen Sie sich in der Regel auf die hohe Energie elektronisch Emission von Atomen, die sich auf über 100 kev erstrecken können, während die niedrigsten Energieemissionen von Kernen typischerweise Gammastrahlen bezeichnet werden, obwohl ihre Energien möglicherweise unter 20 keV liegen.

Komponenten eines Gamma -Spektrometers

Laborgeräte zur Bestimmung des γ-Strahlungsspektrums mit einem Szintillationszähler. Die Ausgabe aus dem Szintillationszähler geht an einen Mehrkanalanalysator, der die Daten verarbeitet und formatiert.

Die Hauptkomponenten von a Gamma -Spektrometer sind der energieempfindliche Strahlungsdetektor und die elektronischen Geräte, die die Detektorausgangssignale wie ein Impulssortierer analysieren (d. H.,, Mehrkanalanalysator). Zusätzliche Komponenten können Signalverstärker, Geschwindigkeitsmessgeräte, Spitzenpositionsstabilisatoren und Datenhandhabungsgeräte umfassen.

Detektor

Gamma -Spektroskopie -Detektoren sind passive Materialien, die mit eingehenden Gammastrahlen interagieren können. Die wichtigsten Wechselwirkungsmechanismen sind die photoelektrischer Effekt, das Compton -Effekt, und Paarproduktion. Durch diese Prozesse wird die Energie des Gammastrahlen Szintillationsschalter, die emittierten Photonen mit a Fotomultiplier). Die Spannung des erzeugten Signals ist proportional zur Energie des erkannten Gammastrahlens. Gemeinsame Detektormaterialien umfassen Natriumiodid (NAI) Zinserzähler und hohe Püre Germanium Detektoren.

Um die Energie des Gammastrahls genau zu bestimmen, ist es vorteilhaft, wenn der photoelektrische Effekt auftritt, da er die gesamte Energie des einfallenden Strahls absorbiert. Das Absorbieren der gesamten Energie ist auch möglich, wenn eine Reihe dieser Wechselwirkungsmechanismen innerhalb des Detektorvolumens stattfindet. Bei Compton -Wechselwirkung oder Paarproduktion kann ein Teil der Energie aus dem Detektorvolumen entkommen, ohne absorbiert zu werden. Die absorbierte Energie führt somit zu einem Signal, das sich wie ein Signal von einem Strahl mit niedrigerer Energie verhält. Dies führt zu einem spektralen Merkmal, das die Regionen mit niedrigerer Energie überlappt. Die Verwendung größerer Detektorvolumina reduziert diesen Effekt.

Datenerfassung

Die für jeden Gammastrahlen erzeugten Spannungsimpulse, die innerhalb des Detektorvolumens interagieren, werden dann durch a analysiert Mehrkanalanalysator (MCA). Es nimmt das transiente Spannungssignal ein und formuliert es in a Gaußscher oder Trapez Form. Aus dieser Form wird das Signal dann in eine digitale Form umgewandelt. In einigen Systemen die Analog-Digital-Konvertierung wird durchgeführt, bevor der Peak umgestaltet wird. Das Analog-Digital-Wandler (ADC) sortiert auch die Impulse nach ihrer Höhe in bestimmte Behälter oder Kanäle. Jeder Kanal repräsentiert einen spezifischen Energiebereich im Spektrum, die Anzahl der erkannten Signale für jeden Kanal repräsentiert die spektrale Intensität der Strahlung in diesem Energiebereich. Durch Ändern der Anzahl der Kanäle ist es möglich, das Spektral zu optimieren Auflösung und Empfindlichkeit.

Puls-Height-Analysator-Prinzip: Drei Impulse, 1, 2, und 3 werden zu unterschiedlichen Zeiten erkannt t. Zwei Diskriminatoren geben ein Zählsignal aus, wenn ihr eingestellter Spannungsebene durch einen Impuls erreicht wird. Impuls 2 löst die aus Niedrigeres Level EL aber nicht das Höheres Niveau EU. Impul 2 wird somit in die spektrale Region gezählt P. Der Anti-Koincidence-Zähler verhindert, dass ein Impuls in mehr als eine Region sortiert wird

Ein Mehrkanalanalysator verwendet ein schnelles ADC Um eingehende Impulse aufzuzeichnen und Informationen über Impulse auf zwei Arten zu speichern:[1]

Der Multichannel -Analysatorausgang wird an einen Computer gesendet, der die Daten speichert, anzeigt und analysiert. Eine Vielzahl von Softwarepaketen ist bei mehreren Herstellern erhältlich und umfasst im Allgemeinen Spektrumanalysetools wie Energiekalibrierung, Spitzenfläche und Nettoflächenberechnung sowie Berechnung der Auflösung.

Detektorleistung

Gamma -Spektroskopiesysteme werden ausgewählt, um mehrere Leistungsmerkmale zu nutzen. Zwei der wichtigsten sind Detektorauflösung und Detektoreffizienz.

Detektorlösung

Gammastrahlen, die in einem spektroskopischen System nachgewiesen wurden, erzeugen Peaks im Spektrum. Diese Peaks können auch genannt werden Linien Analog zur optischen Spektroskopie. Die Breite der Peaks wird durch die Auflösung des Detektors bestimmt, ein sehr wichtiges Merkmal für Gammastroskopdetektoren, und die hohe Auflösung ermöglicht es dem Spektroskopisten, zwei Gammastlinien zu trennen, die nahe beieinander liegen. Gamma -Spektroskopiesysteme werden ausgelegt und angepasst, um symmetrische Peaks der bestmöglichen Auflösung zu erzeugen. Die Spitzenform ist normalerweise a Gaußsche Verteilung. In den meisten Spektren wird die horizontale Position des Peaks durch die Energie des Gammastrahlens bestimmt, und die Fläche des Peaks wird durch die Intensität des Gammastrahlens und die Effizienz des Detektors bestimmt.

Die häufigste Figur, die zur Expression der Detektorauflösung verwendet wird, ist Volle Weite bei der Hälfte des Maximums (FWHM). Dies ist die Breite des Gammastrahlenpeaks bei der Hälfte des höchsten Punktes bei der Spitzenverteilung. Auflösungszahlen werden unter Bezugnahme auf angegebene Gammastrahlenenergien angegeben. Auflösung kann absolut ausgedrückt werden (d. H., ev oder mev) oder relative Begriffe. Beispielsweise kann ein Natriumiodid (NAI) -Tektor einen FWHM von 9,15 keV bei 122 keV und 82,75 keV bei 662 kev haben. Diese Auflösungswerte werden absolut ausgedrückt. Um die Auflösung relativ auszudrücken, wird der FWHM in EV oder MEV durch die Energie des Gammastrahlens geteilt und normalerweise als Prozentsatz gezeigt. Unter Verwendung des vorhergehenden Beispiels beträgt die Auflösung des Detektors 7,5% bei 122 keV und 12,5% bei 662 keV. Ein Germanium -Detektor kann eine Auflösung von 560 eV bei 122 keV ergeben, was zu einer relativen Auflösung von 0,46%führt.

Detektoreffizienz

Nicht alle Gammastrahlen, die von der Quelle emittiert werden, die den Detektor durchlaufen, werden im System eine Zählung erzeugen. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein emittierter Gammastrahlen mit dem Detektor interagiert und eine Zählung erzeugt, ist die Effizienz des Detektors. Hocheffizienzdetektoren produzieren in kürzerer Zeit Spektren als Detektoren mit niedriger Effizienz. Im Allgemeinen haben größere Detektoren eine höhere Effizienz als kleinere Detektoren, obwohl die Abschirmeigenschaften des Detektormaterials auch wichtige Faktoren sind. Der Detektoreffizienz wird gemessen, indem ein Spektrum von einer Quelle der bekannten Aktivität mit den Zählraten in jedem Peak mit den von den bekannten Intensitäten jedes Gammastrahlen erwarteten Zählraten verglichen wird.

Effizienz kann wie die Lösung absolut oder relativ ausgedrückt werden. Die gleichen Einheiten werden verwendet (d. H. Prozentsätze); Daher muss der Spektroskopiker darauf achten, zu bestimmen, welche Art von Effizienz für den Detektor angegeben wird. Die absoluten Effizienzwerte stellen die Wahrscheinlichkeit dar, dass ein Gammastrahlen einer bestimmten Energie, die durch den Detektor geht, interagiert und erkannt wird. Relative Effizienzwerte werden häufig für Germanium -Detektoren verwendet und vergleichen die Effizienz des Detektors bei 1332 keV mit dem eines 3 in × 3 im NAI -Detektor (d. H. 1,2 × 10 –3CPs/Bq bei 25 cm). Die relativen Effizienzwerte von mehr als hundert Prozent können daher bei der Arbeit mit sehr großen Germaniumdetektoren auftreten.

Die Energie der nachgewiesenen Gammastrahlen ist ein wichtiger Faktor für die Effizienz des Detektors. Eine Effizienzkurve kann erhalten werden, indem die Effizienz bei verschiedenen Energien aufgetragen wird. Diese Kurve kann dann verwendet werden, um die Effizienz des Detektors bei Energien zu bestimmen, die sich von denen unterscheiden, die zur Erlangung der Kurve verwendet werden. Deutschlanddetektoren im hohen Purity-Germanium (HPGE) weisen typischerweise eine höhere Empfindlichkeit auf.

Szintillationsdetektoren

Szintillationsdetektoren Verwenden Sie Kristalle, die Licht emittieren, wenn Gammastrahlen mit den Atomen in den Kristallen interagieren. Die Intensität des produzierten Lichts ist normalerweise proportional zur im Kristall abgelagerten Energie durch den Gammastrahlen; Eine bekannte Situation, in der diese Beziehung fehlschlägt, ist die Absorption von <200 KeV -Strahlung durch intrinsische und dotierte Natriumiodid -Detektoren. Der Mechanismus ähnelt dem von a Thermolumineszenzdosimeter. Die Detektoren sind verbunden Fotomultiplierer; Ein Photokathode wandelt das Licht in Elektronen um; Und dann durch Verwendung von Dynodes, um Elektronenkaskaden durch Delta -Strahlenproduktion zu erzeugen, wird das Signal verstärkt. Zu den gemeinsamen Szintillatoren gehören Thallium-dotiert Natriumiodid (Nai (tl)) - oft vereinfacht zu Natriumiodid (NAI) Detektoren - und Wismut Germanat (BGO). Da Fotomultiplierer auch für Umgebungslicht empfindlich sind, sind die Szintillatoren in lichtdichte Abdeckungen eingeschlossen.

Szintillationsdetektoren können auch zum Erkennen verwendet werden Alpha- und Beta-Strahlung.

Detektoren auf Natriumiodidbasis

Abbildung 1: Natriumiodid-Gamma-Spektrum von Caesium-137 (137
CS
)
Abbildung 2: Natriumiodid-Gamma-Spektrum von Cobalt-60 (60
CO
)

Thallium-dotiertes Natriumiodid (NAI (TL)) hat zwei Hauptvorteile:

  1. Es kann in großen Kristallen produziert werden, was eine gute Effizienz ergibt, und
  2. Es erzeugt intensive Lichtausbrüche im Vergleich zu anderen spektroskopischen Szintillatoren.

NAI (TL) ist ebenfalls bequem zu bedienen und macht es für Feldanträge wie die Identifizierung unbekannter Materialien für Strafverfolgungszwecke beliebt.

Die Rekombination von Elektronenloch wird Licht ausstrahlen, das reine Szintillationskristalle wiedererregen kann. Das Thallium -Dotiermittel in NAI (TL) liefert jedoch Energiezustände innerhalb der Bandlücke zwischen der Leitung und den Valenzbändern. Nach der Anregung in dotierten Szintillationskristallen wandern einige Elektronen im Leitungsband in die Aktivatorzustände. Die Abwärtsübergänge aus den Aktivatorzuständen werden den dotierten Kristall nicht erneut überregen, sodass der Kristall für diese Strahlung transparent ist.

Ein Beispiel für ein NAI -Spektrum ist das Gamma -Spektrum der Cäsium Isotop 137
CS
Siehe Abbildung 1. 137
CS
emittiert eine einzelne Gamma -Linie von 662 kev. Die gezeigte 662 kev -Linie wird tatsächlich von erzeugt von 137m
Ba
, das Verfallprodukt von 137
CS
, welches ist in säkulares Gleichgewicht mit 137
CS
.

Das Spektrum in Abbildung 1 wurde unter Verwendung eines NAI-Kristalls auf einem Fotomultiplikator, einem Verstärker und einem Mehrkanalanalysator gemessen. Die Abbildung zeigt die Anzahl der Zählungen innerhalb der Messzeit und der Kanalnummer. Das Spektrum zeigt die folgenden Peaks an (von links nach rechts):

  1. X -Strahlung mit niedriger Energie (aufgrund interne Konvertierung des Gammastrahls),
  2. Rückstreuung am Ende der niedrigen Energie des Compton Distribution, und
  3. Ein Photopeak (Full Energy Peak) bei einer Energie von 662 kev

Die Compton -Verteilung ist eine kontinuierliche Verteilung, die bis zu Kanal 150 in Abbildung 1 vorhanden ist Compton Streuung Innerhalb des Kristalls: Abhängig vom Streuwinkel haben die Compton -Elektronen unterschiedliche Energien und produzieren daher Impulse in verschiedenen Energiekanälen.

Wenn viele Gammastrahlen in einem Spektrum vorhanden sind, können Compton -Verteilungen Analyseherausforderungen darstellen. Um Gammastrahlen zu reduzieren, kann ein Antikoinzidenzschild verwendet werden -sehen Unterdrückung von Compton. Die Techniken zur Reduzierung von Gammastrahlen sind besonders nützlich für kleine nützlich Lithium-Doped Germanium (GE (li)) Detektoren.

Das in Abbildung 2 gezeigte Gammaspektrum ist von der Kobalt Isotop 60
CO
mit zwei Gammastrahlen mit 1,17 MeV bzw. 1,33 MeV. (Siehe das Verfallschema Artikel für das Zerfallschema von Cobalt-60.) Die beiden Gamma-Linien können gut getrennt gesehen werden; Der Peak links von Kanal 200 zeigt höchstwahrscheinlich eine starke an Hintergrundstrahlung Quelle, die nicht abgezogen wurde. Ein Rückstreupeak ist bei Kanal 150 zu sehen, ähnlich dem zweiten Peak in Abbildung 1.

Natriumiodidsysteme sind wie bei allen Szintillatorsystemen empfindlich gegenüber Temperaturänderungen. Änderungen in der Betriebstemperatur verursacht durch Änderungen der Umgebungstemperatur verändert das Spektrum auf der horizontalen Achse. Peakverschiebungen von Zehnkanälen oder mehr werden allgemein beobachtet. Solche Verschiebungen können durch Verwendung von Spektrumstabilisatoren verhindert werden.

Aufgrund der schlechten Auflösung von NAI-basierten Detektoren sind sie nicht für die Identifizierung komplizierter Gemische von Gammastrahlen-produzierenden Materialien geeignet. Szenarien, die solche Analysen erfordern, erfordern Detektoren mit einer höheren Auflösung.

Halbleiter-basierte Detektoren

Germanium Gamma-Spektrum einer radioaktiven Am-Be-Source.

HalbleiterdetektorenAuch Festkörperdetektoren unterscheiden sich grundlegend von Szintillationsdetektoren: Sie stützen sich auf die Erkennung der Ladungsträger (Elektronen und Löcher), die durch von Gammastrahlenphotonen abgelagerte Energie in Halbleitern erzeugt wurden.

Bei Halbleiterdetektoren wird ein elektrisches Feld auf das Detektorvolumen angewendet. Ein Elektron im Halbleiter ist in seinem festgelegt Valenzband im Kristall, bis eine Gammastrahlenwechselwirkung das Elektron genügend Energie liefert, um sich in die zu bewegen Leitungsband. Elektronen im Leitungsband können auf das elektrische Feld im Detektor reagieren und daher auf den positiven Kontakt wechseln, der das elektrische Feld erzeugt. Die Lücke, die durch das sich bewegende Elektron entsteht, wird als "Loch" bezeichnet und wird von einem angrenzenden Elektron gefüllt. Dieses Mischen von Löchern bewegt sich effektiv eine positive Ladung auf den negativen Kontakt. Die Ankunft des Elektrons am positiven Kontakt und das Loch am negativen Kontakt erzeugt das elektrische Signal, das an den Präamplifikator, den MCA und weiter über das System zur Analyse gesendet wird. Die Bewegung von Elektronen und Löchern in einem Festkörperdetektor ist der Bewegung von Ionen innerhalb des empfindlichen Volumens von gasgefüllten Detektoren wie z. Ionisationskammern.

Zu den häufigen Halbleiterbasis gehören Detektoren Germanium, Cadmium Telluride, und Cadmium Zink Telluride.

Germanium -Detektoren bieten im Vergleich zu Natriumiodid -Detektoren eine signifikant verbesserte Energieauflösung, wie in der vorhergehenden Diskussion der Auflösung erläutert. Germanium -Detektoren erzeugen heute die höchste Auflösung. Ein Nachteil ist jedoch die Anforderung von kryogen Temperaturen für den Betrieb von Germaniumdetektoren, typischerweise durch Abkühlen mit Flüssigstickstoff.

Interpretation von Messungen

Rückstreupeak

In einem echten Detektor -Setup können und werden einige Photonen einem oder möglicherweise mehr unterziehen Compton Streuung Prozesse (z. B. im Wohnmaterial der radioaktiven Quelle, in Abschirmmaterial oder Material, das das Experiment aufweist) vor Eingabe des Detektormaterials. Dies führt zu einer Spitzenstruktur, die im obigen gezeigten Energiespektrum von zu sehen ist 137
CS
(Abbildung 1, der erste Peak links von der Compton-Kante), der sogenannte Rückstreupeak. Die detaillierte Form der Spitzenstruktur der Rückstreuung wird durch viele Faktoren beeinflusst, wie die Geometrie des Experiments (Quellgeometrie, relative Position der Quelle, Abschirmung und Detektor) oder die Art des umgebenden Materials (entstehen unterschiedliche Verhältnisse der Querschnitte von Photo- und Compton-Effekt).

Das Grundprinzip ist jedoch wie folgt:

  • Gammastrahlenquellen emittieren Photonen isotropisch[2]
  • Einige Photonen werden in z. Das Abschirmmaterial oder das Gehäuse der Quelle mit einem Streuwinkel nahe 180 ° und einige dieser Photonen werden anschließend vom Detektor erkannt.
  • Das Ergebnis ist eine Spitzenstruktur mit ungefähr der Energie des einfallenden Photons abzüglich der Energie der Compton -Kante.

Einzelflucht und doppelte Fluchtspitzen

Für einfallende Photonenenergien e größer als das Zweifache der Restmasse des Elektrons (1,022 MeV), Paarproduktion kann auftreten. Das resultierende Positron vernichtet mit einem der umgebenden Elektronen und produziert typischerweise zwei Photonen mit 511 kev. In einem realen Detektor (d. H. Ein Detektor mit endlicher Größe) ist es möglich, dass nach der Vernichtung:

  • Beide Photonen löschen ihre Energie im Detektor.
  • Einer der beiden Photonen entkommt dem Detektor und nur einer der Photonen legt seine Energie im Detektor ein, was zu einem Peak mit führt E - 511 kev, der einzelne Escape Peak.
  • Beide Photonen entkommen dem Detektor, was zu einem Peak mit führt E - 2 × 511 keV, der Doppel -Fluchtspitzen.

Das obige Am-Be-Source-Spektrum zeigt in einer realen Messung ein Beispiel für einzelne und doppelte Escape-Peak.

Kalibrierung und Hintergrundstrahlung

Wenn ein Gamma -Spektrometer verwendet wird, um Proben mit unbekannter Zusammensetzung zu identifizieren, muss seine Energieskala zuerst kalibriert werden. Die Kalibrierung wird unter Verwendung der Peaks einer bekannten Quelle wie Caesium-137 oder Cobalt-60 durchgeführt. Da die Kanalzahl proportional zur Energie ist, kann die Kanalskala dann in eine Energiemala umgewandelt werden. Wenn die Größe des Detektorkristalls bekannt ist, kann man auch eine Intensitätskalibrierung durchführen, so dass nicht nur die Energien, sondern auch die Intensitäten einer unbekannten Quelle - oder die Menge eines bestimmten Isotops in der Quelle - bestimmt werden können.

Weil überall etwas Radioaktivität vorhanden ist (d. H., Hintergrundstrahlung), das Spektrum sollte analysiert werden, wenn keine Quelle vorhanden ist. Die Hintergrundstrahlung muss dann von der tatsächlichen Messung abgezogen werden. Führen Absorber können um den Messapparat platziert werden, um die Hintergrundstrahlung zu verringern.

Siehe auch

Werke zitiert

  • Gilmore G, Hemingway J. Praktische Gammastrahlenspektrometrie. John Wiley & Sons, Chichester: 1995, ISBN0-471-95150-1.
  • Knoll G, Strahlungserkennung und -messung. John Wiley & Sons, Inc. NY: 2000, ISBN0-471-07338-5.
  • Nucleonica Wiki. Gamma -Spektrumgenerator. Zugriff am 8. Oktober 2008.

Verweise

  1. ^ "Der Mehrkanalanalysator" (PDF). Westliche Universität. Abgerufen 27. März 2016.
  2. ^ Shultis, John K.; Faw, Richard E. (2007). Grundlagen der Nuklearwissenschaft und des Ingenieurwesens (2. Aufl.). CRC Press. p. 175. ISBN 978-1-4398-9408-8.

Externe Links