Detektoren

Detektoren in der Nuklearmesstechnik gibt es für Alpha-, Beta- und Gammastrahlung sowie für den Nachweis von Neutronen. Weiterhin kann unterschieden werden zwischen Detektoren, die Ereignisse zählen und Detektoren, die spektrometrische Messungen erlauben. Zu den Zähldetektoren gehören z.B. Geigerzählrohre und He-3-Neutronendetektoren.

Spektrometrische Detektoren gibt es zwar auch für Alpha- und Betastrahlung, aber für die Nuklidcharakterisierung und für die Benutzung zusammen mit Vielkanalanalysatoren sind spektrometrische Gammadetektoren wie Halbleiterdetektoren, Szintillationsdetektoren und spektrometrische Zählrohre am attraktivsten. Charakterisieren kann man diese Detektoren durch ihre Energieauflösung und Ihre Empfindlichkeit.

Wir beziehen Detektoren von Herstellern mit langjähriger Erfahrung auf diesem Gebiet, wie zum Beispiel die Firmen Ritec, Amcrys-H, YaFi, BSI und VacuTec.

Halbleiterdetektoren

Das Prinzip der Halbleiterdetektoren beruht auf in Sperrrichtung betriebene Dioden mit einer großvolumigen Sperrschicht, die mit einem ladungsempfindlichen Vorverstärker ausgelesen werden.

Germanium-Detektoren (HPGe) haben die bestmögliche Energieauflösung, sind aber durch die Kühlung mit flüssigem Stickstoff eher aufwendig in Betrieb zu nehmen und doch recht teuer. Germanium-Detektoren sind typischerweise mit Empfindlichkeiten erhältlich, die zwischen mittelgroßen NaI-Detektoren und großen CdZnTe-Detektoren liegen.

Kadmium-Zink-Tellurid-Detektoren (CdZnTe- oder CZT-Detektoren) gehören auch zu den Halbleiterdetektoren, arbeiten aber bei Raumtemperatur. Die Auflösung der CZT-Detektoren liegt kennzeichnend unter den stickstoffgekühlten Germanium- Detektoren.

Typisch für CZT ist, dass nur relativ kleine Detektorgrößen verfügbar und dementsprechend die Empfindlichkeiten sehr gering sind. Dies kann aber durchaus ein Vorteil sein wenn hochradioaktive Gegenstände gemessen werden müssen bzw. eine hohe Ortsauflösung gefordert ist.

CZT-Detektoren gibt es in den Versionen planar und hemisphärisch. Planare Detektoren sind gut für Energien <100 keV, semisphärische Detektoren haben gut auswertbare Spektren hinauf bis 2 MeV.

Szintillationsdetektoren

Die Szintillationsdetektoren bestehen aus Salzkristallen in denen bei der Absorption von Gammaquanten Lichtblitze ausgelöst werden. Diese Lichtblitze werden mit einem Photoelektronenvervielfacher, manchmal auch mit einer empfindlichen Photodiode, ausgelesen. Szintillationsdetektoren haben generell eine geringere Energieauflösung als Halbleiterdetektoren.

Eine weitere Eigenschaft ist, dass die Energiekalibrierung relativ anfällig gegenüber Temperaturschwankungen ist. Sie lassen sich aber zu akzeptablen Preisen mit sehr hoher Empfindlichkeit herstellen. Am weitesten verbreitet sind Szintillationsdetektoren aus NaI (Natriumiodid). Sie weisen auch mit die beste Auflösung unter den Szintillatoren auf.

Eine neuere Entwicklung sind Detektoren aus LaCl3 (Lanthanchlorid) oder LaBr3 (Lanthanbromid), die eine bis zu einem Faktor 2 bessere Auflösung als NaI-Detektoren aufweisen und zudem noch temperaturstabiler sind.
Allerdings sind sie noch relativ teuer und weisen bedingt, durch das Element Lanthan, eine gewisse Eigenradioaktivität auf, so dass sie für Messungen bei minimalen Strahlenpegeln eher ungeeignet sind.

Weit verbreitet sind auch Detektoren aus CsI (Cäsiumiodid) und BGO (Bismutgermanat), die eine noch höhere volumenspezifische Empfindlichkeit als NaI besitzen. CsI-Detektoren werden auch oft mit Photodiode angeboten und sind dadurch angenehm kompakt.

Plastedetektoren gehören ebenfalls zu den Szintillationsdetektoren. Sie besitzen eine spektroskopisch kaum noch verwertbare Energieauflösung, sind dafür bei hoher Empfindlichkeit mit am preiswertesten.


Lieferbare Detektoren

NaI-Detektoren

NaI-Detektoren

Gerätegruppe: Szintillationsdetektoren

NaI-Detektoren sind die wohl am weitesten verbreiteten Detektoren für die Gammaspektroskopie. Sie haben eine ausreichende Auflösung, sie sind in relativ großen Kristallgrößen verfügbar um eine ausgezeichnete Empfindlichkeit zu ermöglichen bei moderaten Preisen. Die Auflösung der Detektoren liegt typisch bei 5.8% - 7 % (relative Halbwertsbreite bei 662 keV), wobei tendenziell die kleineren Detektoren die bessere Auflösung haben.


CdZnTe-Detektoren zur Gammaspektroskopie

CdZnTe-Detektoren zur Gammaspektroskopie

Gerätegruppe: Halbleiterdektoren

CdZnTe-Detektoren werden dort eingesetzt, wo mit guter spektraler und räumlicher Auflösung und ohne großen Aufwand Isotopenidentifikation betrieben werden soll und ausreichend starke Strahlungsquellen vorhanden sind. Semisphärische Detektoren von Ritec lassen sich noch bis in den MeV-Bereich hinein gut für spektroskopische Zwecke verwenden. Planare CdZnTe-Detektoren können zwar unter 100 keV eine bessere Auflösung ergeben, oberhalb von 100 keV sind allerdings kaum noch auswertbare Spektren verfügbar.


Neutronendetektor ASRKB1U.08

Neutronendetektor ASRKB1U.08

Gerätegruppe: Neutronendetektor

Die Messung von Neutronen erfolgt indirekt. Man benötigt ein Detektormaterial, das einen möglichst hohen Einfangquerschnitt für Neutronen und gleichzeitig einen möglichst niedrigen Wirkungsquerschnitt für Gammastrahlung hat. Gemessen wird dann nicht das Neutron selbst, sondern die Energie der durch das Neutron ausgelösten Kernreaktion. Neben Bortrifluorid (BF3) ist Helium-3 (He-3) das am besten geeignetste Detektionsmaterial. Zur Messung ist ein blankes He-3-Zählrohr noch von recht wenig Nutzen. Man benötigt noch eine Hochspannungsversorgung, einen empfindlichen und vor allem störfesten Vorverstärker und einen Diskriminator, der die Zählpulse erzeugt. Weiterhin macht es Sinn, das Zählrohr noch mit einigen Zentimetern Polyäthylen als Moderator zu umgeben, damit schnelle Neutronen abgebremst werden und damit mit höherer Empfindlichkeit gemessen werden können.


Plastik-Szintillationsdetektor

Plastik-Szintillationsdetektor

Gerätegruppe: Szintillationsdetektoren

Plastik-Detektoren gehören zu den Szintillationsdetektoren. Gammastrahlung erzeugt Lichtblitze, die mit Photovervielfachern detektiert werden können. Sie können zwar prinzipiell spektroskopisch ausgelesen werden; die Energieauflösung reicht aber nicht aus, so dass sie praktisch nur als Photonenzähler genutzt werden. Plastikdetektoren können aber recht preiswert in großen Volumina gefertigt werden. Ihr Haupteinsatzgebiet ist deshalb da, wo höchste Empfindlichkeit benötigt wird bzw. auf kleine Änderungen der Hintergrundstrahlung schnell reagiert werden muss, wie z.B. bei der Personenüberwachung am Ausgang einer bestimmten Kontrollzone.


Referenzen der GBS Elektronik GmbH

Forschungszentrum Dresden-Rossendorf | TU Berlin | Universität Frankfurt | Gesellschaft für Schwerionenforschung, Darmstadt | Universität Augsburg | Institut für Oberflächenmodifizierung, Leipzig | Forschungszentrum Jülich | Europäische Kommission, Luxemburg | Institute for Reference Materials and Measurements, Geel, Belgien | Joint Research Centre Ispra, Italien | Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, Brasilien | CNEA, Argentinien | National Accelerator Center, Kapstadt, Südafrika | Samsung, Süd Korea | University Sydney, Australien