DETEKTORÜBERSICHT Die am häufigsten verwendeten Detektoren können wie folgt eingeteilt werden:
Gasgefüllte Detektoren
Szintillationsdetektoren
Halbleiterdetektoren
Die Wahl eines bestimmten Detektortyps für eine Anwendung hängt von dem interessierenden Röntgen- oder Gamma-Energiebereich und den Anforderungen an die Auflösung und Effizienz der Anwendung ab. Weitere Überlegungen betreffen die Zählratenleistung, die Eignung des Detektors für Timing-Experimente und natürlich den Preis.
Die Effizienz eines Detektors gibt an, wie viele Impulse für eine bestimmte Anzahl von Gammastrahlen erzeugt werden. Für Gammastrahlendetektoren sind verschiedene Arten von Effizienzdefinitionen gebräuchlich:
Absolute Effizienz: Das Verhältnis zwischen der Anzahl der vom Detektor erzeugten Zählungen und der Anzahl der von der Quelle (in alle Richtungen) abgegebenen Gammastrahlen.
Intrinsischer Wirkungsgrad: Das Verhältnis zwischen der Anzahl der vom Detektor erzeugten Impulse und der Anzahl der auf den Detektor treffenden Gammastrahlen.
Relative Effizienz: Wirkungsgrad eines Detektors im Verhältnis zu einem anderen; üblicherweise der eines Germaniumdetektors im Verhältnis zu einem NaI-Kristall mit einem Durchmesser von 3 Zoll und einer Länge von 3 Zoll, jeweils 25 cm von einer Punktquelle entfernt und nur für 1,33 MeV angegeben.
Full-Energy Peak (oder Photopeak) Effizienz: Der Wirkungsgrad für die Erzeugung von Impulsen mit voller Energie und nicht von Impulsen beliebiger Größe für die Gammastrahlung.
Um nützlich zu sein, muss der Detektor einen großen Teil der Gammastrahlungsenergie absorbieren können. Dies wird durch den Einsatz eines Detektors geeigneter Größe oder durch die Wahl eines Detektormaterials mit geeignetem hohen Z-Wert erreicht. Ein Beispiel für eine Full Energy Peak-Effizienzkurve für einen Germanium-Detektor zeigt Abbildung 1.1.
Abbildung 1.1 – Effizienzkalibrierung
DETEKTORAUFLÖSUNG Auflösung ist ein Maß für die Breite (volle Breite der halben Maximalbreite) eines einzelnen Energiepeaks bei einer bestimmten Energie, entweder ausgedrückt in absoluten keV (wie bei Germaniumdetektoren) oder als Prozentsatz der Energie an diesem Punkt (Natriumiodiddetektoren). Mit besserer Auflösung (mit niedrigeren FWHM-Wert) kann das System die Peaks innerhalb eines Spektrums deutlicher trennen. Abbildung 1.2 zeigt zwei Spektren, die von derselben Quelle erfasst wurden, eines mit einem Natriumjodid-(NaI(TI))-Detektor und eines mit Germaniumdetektor (HPGe). Obwohl es sich um ein recht einfaches Spektrum handelt, überschneiden sich die Peaks des Natriumjodiddetektors bis zu einem gewissen Grad, während die des Germaniumdetektors deutlich voneinander getrennt sind. Bei einem komplexen Spektrum mit Hunderten von Peaks ist die Verwendung eines Germaniumdetektors für die Analyse zwingend erforderlich.
Abbildung 1.2
GASGEFÜLLTE DETEKTOREN Ein gasgefüllter Detektor ist im Wesentlichen eine mit Gas gefüll te Metallkammer mit einem positiv vorgespannten Anodendraht. Ein das Gas durchquerendes Photon erzeugt freie Elektronen und positive Ionen. Die Elektronen werden von der Anode angezogen und erzeugen einen elektrischen Impuls.
Bei niedrigen Anodenspannungen können die Elektronen mit den Ionen rekombinieren. Bei einer hohen Ionendichte kann es ebenfalls zu einer Rekombination kommen. Bei einer ausreichend hohen Spannung werden fast alle Elektronen erfasst, wobei der Detektor als Ionisierungskammer fungiert. Bei höheren Spannungen werden die Elektronen in Richtung Anode beschleunigt, und zwar mit so hohen Energien, dass andere Atome ionisiert werden und somit eine größere Anzahl von Elektronen entsteht. Dieser Detektor ist als Proportionalzähler bekannt. Bei höheren Spannungen ist die Elektronenvervielfachung noch größer, und die Anzahl der erfassten Elektronen hängt nicht von der anfänglichen Ionisierung ab. Bei diesem Detektor handelt es sich um den Geiger-Müller-Zähler, bei dem der große Ausgangsimpuls für alle Photonen gleich ist. Bei noch höheren Spannungen erfolgt eine kontinuierliche Entladung.
Die verschiedenen Spannungsbereiche sind in Abbildung 1.3 schematisch dargestellt. Die tatsächlichen Spannungen können je nach Detektorgeometrie, Gas-Art und Druck von Detektor zu Detektor stark variieren.
Abbildung 1.3 – Gasdetektorleistung gegenüber Anodenspannung
IONISIERUNGSKAMMER Die sehr niedrige Signalausgabe für die Ionisierungskammer erschwert es, diesen Detektor für die Detektion einzelner Gammastrahlen zu verwenden. Sie wird bei hohen Strahlungsflüssen eingesetzt, bei denen der erzeugte Gesamtstrom sehr groß sein kann. Viele Strahlungsüberwachungsinstrumente arbeiten mit Ionisierungskammern. Mit einem Elektrometer zur Aufzeichnung der Leistung können absolute Ionisationsmessungen durchgeführt werden.1
PROPORTIONALZÄHLER Proportionalzähler sind bei Röntgenmessungen häufig im Einsatz, wenn eine moderate Energieauflösung erforderlich ist. Abbildung 1.5 zeigt ein Spektrum von 57Co, in dem die 14,4 keV-Gammastrahlen gut von den 6,4 keV-Röntgenstrahlen des Eisens getrennt sind.
Proportionalzähler können in verschiedenen Größen und Formen erworben werden, von zylindrischen mit End- oder Seitenfenstern bis zu „Pancake“-Flachzylindern. Es kann sich um versiegelte Detektoren handeln oder um solche, die mit einem Gasfluss arbeiten, und sie können mit dünnen Berylliumfenstern ausgestattet oder fensterlos sein. Ein Detektor wird normalerweise in Bezug auf seine physische Größe, die effektive Fenstergröße und Gaspfadlänge, den Betriebsspannungsbereich und die Auflösung für die 5,9 keV-Röntgenstrahlung einer 55Fe-Quelle (Mn-Röntgenstrahlung) angegeben. Typische Auflösungen liegen bei etwa 16 bis 20 % Halbwertsbreite (FWHM).
Die Betriebsspannungen hängen sowohl vom Füllgas als auch von der Geometrie ab. Für Röntgenstrahlen werden häufig Edelgase verwendet, wobei Xenon, Krypton, Neon und Argon die gängigsten sind. Xenon und Krypton werden für Röntgenstrahlen höherer Energie oder für höhere Wirkungsgrade gewählt, während Neon zum Einsatz kommt, wenn niederenergetische Röntgenstrahlen in Gegenwart unerwünschter höherenergetischer Röntgenstrahlen nachgewiesen werden sollen. Manchmal werden Gasgemische verwendet, wie z. B. P-10-Gas, das eine Mischung aus 90 % Argon und 10 % Methan ist. Der Gasdruck beträgt in der Regel eine Atmosphäre. Die für Proportionalzähler verfügbare 2006-Vorstufe sehen Sie in Abbildung 1.4.
Abbildung 1.4 – Proportionalzähler und Vorstufe
GEIGER-MÜLLER-ZÄHLER Der Geiger-Müller-Zähler erzeugt einen großen Spannungsimpuls, der ohne weitere Verstärkung leicht gezählt werden kann. Energiemessungen sind nicht möglich, da die Ausgangsimpulshöhe unabhängig von der anfänglichen Ionisierung ist. Geiger-Müller-Zähler sind in einer Vielzahl von Größen erhältlich, in der Regel mit einem dünnen Glimmerfenster. Die Betriebsspannung liegt im Plateaubereich (siehe Abbildung 1.3), der über eine Reihe von Vorspannungen relativ flach sein kann. Das Plateau wird durch Messung der Zählrate in Abhängigkeit von der Anodenspannung bestimmt.
Die durch eine Ionisierung erzeugte Entladung muss gelöscht werden, damit der Detektor für den nächsten Impuls wieder in einen neutralen Ionisierungszustand versetzt wird. Dies wird durch den Einsatz eines Füllgases erreicht, das neben einem Edelgas eine kleine Menge Halogen enthält. Der Spannungsabfall zwischen Anode und Bias-Versorgung über einen großen Widerstand bewirkt ebenfalls ein Abklingen der Entladung, da die Betriebsspannung unter das Plateau sinkt.
Der Geiger-Müller-Zähler ist nach jedem Impuls inaktiv oder „tot“, bis die Löschung vollständig ist. Diese Totzeit kann Hunderte von Mikrosekunden lang sein, was den Zähler auf den Einsatz bei niedrigen Zählraten beschränkt.
SZINTILLATIONSDETEKTOREN Eine Gammastrahlung, die mit einem Szintillator zusammenwirkt, erzeugt einen Lichtimpuls, der von einem Photomultiplier in einen elektrischen Impuls umgewandelt wird. Der Photomultiplier besteht aus einer Photokathode, einer Fokussierelektrode und 10 oder mehr Dynoden, die jeweils die Anzahl der auf sie treffenden Elektronen vervielfachen. Die Anode und die Dynoden werden durch eine Widerstandskette vorgespannt, die sich typischerweise in einer aufsteckbaren Röhrenbaugruppe befindet. Komplette Baugruppen, einschließlich Szintillator und Photomultiplier-Röhre, sind bei Mirion erhältlich.
Die für einen guten Detektor erforderlichen Eigenschaften des Szintillationsmaterials sind Transparenz, Verfügbarkeit in großen Abmessungen und große Lichtleistung proportional zur Gammastrahlenenergie. Relativ wenige Materialien haben gute Eigenschaften für Detektoren. Thalliumaktivierte NaI- und CsI-Kristalle werden häufig verwendet, ebenso wie eine Vielzahl von Kunststoffen. LaBr3 (Ce)-Kristalle sind eine neuere Art von Szintillationsdetektormaterial mit einer besseren Auflösung, haben aber ansonsten ähnliche Eigenschaften wie NaI-Detektorkristalle. NaI ist nach wie vor das vorherrschende Material für die Gammadetektion, da es eine gute Gammaauflösung bietet und kostengünstig ist. Kunststoffe haben jedoch einen viel schnelleren Impulslichtabfall und werden in Timing-Anwendungen eingesetzt, obwohl sie oft eine geringe oder keine Energieauflösung bieten.
Abbildung 1.5 – 57Co Spektrum des Zählers
NaI(Tl) SZINTILLATIONSDETEKTOREN Der hohe Z-Gehalt des Jod in NaI sorgt für eine gute Effizienz bei der Erkennung von Gammastrahlen. Eine kleine Menge Tl wird hinzugefügt, um den Kristall zu aktivieren, so dass er normalerweise als NaI(Tl) bezeichnet wird. Die beste erreichbare Auflösung liegt zwischen 7,5 % und 8,5 % für die 662 keV-Gammastrahlung von 137Cs bei einem Kristall mit einem Durchmesser von 3 Zoll und einer Länge von 3 Zoll und ist bei kleineren und größeren Abmessungen etwas schlechter. Abbildung 1.7 zeigt die Absorptionseffizienz verschiedener Dicken von NaI-Kristallen bzw. den Transmissionskoeffizienten durch die am häufigsten verwendeten Eingangsfenster. Im Handel sind viele Varianten von NaI-Detektoren erhältlich. Sie reichen von Kristallen für Röntgenmessungen, bei denen der Detektor relativ dünn ist (um die Auflösung auf Kosten der Effizienz bei höheren Energien zu optimieren), bis hin zu großen Kristallen mit mehreren Photoröhren. Kristalle mit einer Vertiefung, die eine nahezu sphärische 4π-Geometrie für die Zählung schwacher Proben ermöglicht, sind ebenfalls eine weit verbreitete Variante. Eine typische Vorstufe und Verstärkerkombination sehen Sie in Abbildung 1.6.
Abbildung 1.6 – NaI(Tl)-Detektorelektronik
Die Lichtzerfallzeitkonstante in NaI beträgt etwa 0,25 Mikrosekunden und typische ladungsempfindliche Vorsrufen setzen dies in eine Ausgangsimpulsanstiegszeit von etwa 0,5 Mikrosekunden um. Daher sind NaI-Detektoren für schnelle Koinzidenzmessungen, bei denen sehr kurze Auflösungszeiten erforderlich sind, nicht so gut geeignet wie Kunststoffdetektoren. LaBr3 (Ce)-Detektoren haben eine Lichtabfallzeitkonstante von 0,03 Mikrosekunden, womit sie eine weitere mögliche Lösung für Koinzidenzmessungen darstellen.
HALBLEITERDETEKTOREN Halbleiter ist ein Material, das als Isolator oder als Leiter fungieren kann. In der Elektronik wird der Begriff „Festkörper“ oft mit Halbleitern verwendet, aber im Detektorbereich kann der Begriff natürlich auf Festkörperszintillatoren angewendet werden. Daher ist „Halbleiter“ der bevorzugte Begriff für Detektoren, die entweder aus elementaren oder zusammengesetzten Einkristallmaterialien mit einer Bandlücke im Bereich von etwa 1 bis 5 eV hergestellt werden. Die Elemente der Gruppe IV, Silizium und Germanium, sind die bei weitem am häufigsten verwendeten Halbleiter, obwohl einige Verbundhalbleiter mit fortschreitender Entwicklung auch für spezielle Anwendungen eingesetzt werden.
Tabelle 1.1 zeigt einige der wichtigsten Eigenschaften verschiedener Halbleiter als Detektormaterialien:
Halbleiterdetektoren haben eine p-i-n-Diodenstruktur, bei der der intrinsische (i) Bereich durch Verarmung von Ladungsträgern entsteht, wenn eine Sperrvorspannung an die Diode angelegt wird. Wenn Photonen innerhalb des Verarmungsbereichs zusammenwirken, werden Ladungsträger (Löcher und Elektronen) freigesetzt und durch das elektrische Feld zu ihrer jeweiligen Sammelelektrode getrieben. Die resultierende Ladung wird von einer ladungsempfindlichen Vorstufe aufgenommen und in einen Spannungsimpuls umgewandelt, dessen Umfang proportional zur ursprünglichen Photonenenergie ist.
Da die Erschöpfungstiefe umgekehrt proportional zur Konzentration der elektrischen Störstellen ist und die Zählleistung auch von der Materialreinheit abhängt, werden große Mengen an sehr reinem Material benötigt, damit eine hohe Zählleistung für hochenergetische Photonen gewährleistet ist.
Abbildung 1.7
Vor Mitte der 1970er Jahre konnten die benötigten Reinheitsgrade von Si und Ge nur durch Gegendotierung von p-Typ-Kristallen mit der n-Typ-Verunreinigung Lithium in einem als Lithium-Ionen-Drifting bekannten Prozess erreicht werden. Obwohl dieses Verfahren bei der Herstellung von Si(Li)-Röntgendetektoren noch weit verbreitet ist, ist es für Germaniumdetektoren nicht mehr erforderlich, da seit 1976 ausreichend reine Kristalle verfügbar sind.
Die Bandlückenzahlen in Tabelle 1.1 zeigen die Temperaturempfindlichkeit der Materialien und die praktische Verwendung dieser Materialien als Detektoren. Genauso wie Ge-Transistoren eine viel niedrigere maximale Betriebstemperatur haben als Si-Bauteile, gilt dies auch für Ge-Detektoren. In der Praxis müssen sowohl Ge- als auch Si-Photonendetektoren gekühlt werden, um die thermische Ladungsträgererzeugung (Rauschen) auf ein annehmbares Niveau zu reduzieren. Neben dem Problem der Lithiumabscheidung, das die alten Ge(Li)- und bis zu einem gewissen Grad auch die Si(Li)-Detektoren bei Raumtemperatur unbrauchbar machte, gibt es noch eine andere Anforderung.
Das gebräuchlichste Medium für die Detektorkühlung ist Flüssigstickstoff, aber die jüngsten Fortschritte bei elektrischen Kühlsystemen haben elektrisch gekühlte Kryostaten zu einer praktikablen Alternative für viele Detektoranwendungen gemacht.
Bei mit Flüssigstickstoff (LN2) gekühlten Detektoren befinden sich das Detektorelement (und in einigen Fällen die Vorstufenkomponenten) in einer sauberen Vakuumkammer, die an einen LN2-Dewar angeschlossen oder in diesen eingesetzt wird. Der Detektor steht in thermischem Kontakt mit dem Flüssigstickstoff, der ihn auf etwa 77 °K oder –200 °C abkühlt. Bei diesen Temperaturen liegen die Leckströmein umgekehrter Richtung im Bereich von 10 bis -9 bis 10 bis -12 Ampere.
Für elektrisch gekühlte Detektoren wurden sowohl Mischkältesysteme mit geschlossenem Kreislauf als auch Helium-Kältesysteme entwickelt, die den Einsatz von flüssigem Stickstoff überflüssig machen. Neben dem offensichtlichen Vorteil, dass sie auch dort eingesetzt werden können, wo kein Flüssigstickstoff zur Verfügung steht oder die Versorgung unsicher ist, sind gekühlte Detektoren ideal für Einsatzbereiche, die einen langfristigen unbeaufsichtigten Betrieb verlangen, oder für den Einsatz unter Wasser, wo es unpraktisch ist, LN2-Gas aus einem herkömmlichen Kryostaten in die Umgebung abzuleiten.
Eine Querschnittsansicht eines typischen Flüssigstickstoff-Kryostaten ist in Abbildung 1.8 gezeigt.
Abbildung 1.8 – Vertikaler Dipstick-Kryostat Modell 7500SL
DETEKTORSTRUKTUR Die ersten Halbleiter-Photonendetektoren hatten eine einfache planare Struktur, ähnlich wie ihr Vorgänger, der Silizium-Oberflächenbarrieredetektor (SSB). Aus den Versuchen, Leckströme zu verringern und damit die Auflösung zu verbessern, entwickelte sich bald der gerillte planare Si(Li)-Detektor.
Der koaxiale Ge(Li)-Detektor wurde entwickelt, um das Gesamtvolumen des Detektors und damit die Detektionseffizienz zu erhöhen und gleichzeitig die Verarmungstiefe (Drift) angemessen zu halten und die Kapazität zu minimieren. Es sind weitere Varianten dieser Systeme hinzugekommen und einige sind wieder von der Bildfläche verschwunden, aber es gibt mehrere, die derzeit in Gebrauch sind. Diese sind in Abbildung 1.9 mit ihren wichtigsten Merkmalen und ungefähren Energiebereichen dargestellt.
Abbildung 1.9 – Detektorstrukturen und Energiebereiche
DETEKTORLEISTUNG Halbleiterdetektoren ermöglichen aus vielen Gründen eine wesentlich bessere Energieauflösung als andere Strahlungsdetektoren. Grundsätzlich ist der Auflösungsvorteil darauf zurückzuführen, dass für die Erzeugung eines Ladungsträgers nur eine geringe Energiemenge erforderlich ist und das "Ausgangssignal" im Vergleich zu anderen Detektortypen bei gleicher einfallender Photonenenergie entsprechend groß ist. Bei 3 eV/e-h-Paar (siehe Tabelle 1.1) ist die Anzahl der in Ge erzeugten Ladungsträger etwa eine bzw. zwei Größenordnungen höher als in Gas- bzw. Szintillationsdetektoren. Die Ladungsvervielfachung, die in Proportionalzählern und in den Elektronenvervielfachern von Szintillationsdetektoren stattfindet und zu großen Ausgangssignalen führt, trägt nicht zur Verbesserung der grundlegenden Statistik der Ladungserzeugung bei.
Die resultierende Energiereduzierung in keV (FWHM) gegenüber der Energie für verschiedene Detektortypen ist in Tabelle 1.2 dargestellt.
Bei niedrigen Energien ist die Detektoreffizienz eine Funktion der Querschnittsfläche und der Fensterdicke, während bei hohen Energien das gesamte aktive Detektorvolumen mehr oder weniger die Zählleistung bestimmt. Detektoren mit dünnen Kontakten, z. B. Si(Li)-, Niedrigenergie-Ge- und Umkehrelektroden-Ge-Detektoren, sind in der Regel mit einem Be- oder Verbundkohlenstoff-Kryostat-Fenster ausgestattet, um die Vorteile ihres intrinsischen Energieverhaltens voll auszuschöpfen.
Koaxiale Ge-Detektoren werden in Bezug auf ihre relative Peakeffizienz bei voller Energie im Vergleich zu einem 3 Zoll x 3 Zoll großen Detektor angegeben. NaI(Tl)-Szintillationsdetektor mit einem Detektor-Quellenabstand von 25 cm. Detektoren mit mehr als 100 % relativer Effizienz wurden aus Germaniumkristallen mit einem Durchmesser von etwa 75 mm hergestellt. Für einen solchen Detektor werden etwa zwei kg Germanium benötigt.
Die Kurven der Detektoreffizienz in Abhängigkeit von der Energie für verschiedene Typen von Ge-Detektoren finden Sie im Abschnitt Detektorprodukte in diesem Katalog.
1. A.C. Melissinos, Experiments in Modern Physics, Academic Press, New York (1966), S. 178.
