Verständnis der Leistungsspezifikationen für Alpha-Beta-Zähler mit niedrigem Hintergrund

Vergleiche zwischen den Systemen der Anbieter sind oft eine langwierige Aufgabe und können zu Frustration und Verwirrung führen. Dieser Anwendungshinweis wird Sie durch den Prozess des Vergleichs von Alpha-Beta-Systemen mit niedrigem Hintergrund führen. Er wird auf potenzielle Merit-Vergleichsfehler (FOM) hinweisen, indem er fundamentale, wissenschaftliche Prinzipien für die grundlegende Detektortheorie und Funktionalität demonstriert und die Bedeutung des Detektordesigns erläutert. Also, lassen Sie uns beginnen.

FOM – was ist es und ist es nützlich?

Viele Menschen verwenden die Merit-Berechnung (FOM), um die Leistung des Probendurchsatzes zwischen Alpha-Beta-Systemen mit niedrigem Hintergrund zu vergleichen. Während das FOM ein nützliches Werkzeug sein kann, kann es auch zu fehlerhaften Schlussfolgerungen führen, wenn es nicht richtig verwendet wird. Einfach gesagt ist FOM ein Leistungsmaß für eine Maschine: ein Parameter oder eine Charakteristik einer Maschine, Komponente oder eines Instruments, das als Leistungsmaß verwendet wird.

FOM wird im Allgemeinen als e²/b definiert, wobei „e“ die Effizienz und „b“ der Hintergrund für ein bestimmtes Instrument ist. FOM kann zur Ableitung des Probendurchsatzes für verschiedene Systeme verwendet werden. Die Verwendung der obigen Definition macht FOM jedoch grundsätzlich zu einem nutzlosen Werkzeug beim Vergleich von Systemen zwischen Anbietern. Hier ist der Grund.

Da die zur Berechnung von FOM verwendeten Werte Effizienz und Hintergrund sind, sollten alle Variablen, die sie beeinflussen, kontrolliert und gleich sein. Da Anbieter Hintergrund- und Effizienzspezifikationen auf der Grundlage ihrer eigenen einzigartigen Tests veröffentlichen, können die Variablen, die den Hintergrund und die Effizienz beeinflussen, sehr unterschiedliche Ergebnisse liefern. Dies führt letztendlich zu fehlerhaften Annahmen bezüglich des Probendurchsatzes. Da die meisten der Variablen effizienzbezogen sind, werden wir dort beginnen.

Was sind die Variablen, die die Effizienz beeinflussen?

1. Geometrie
2. Rückstreuung
3. Dämpfung
4. Selbstabsorption

Wir werden die Selbstabsorption oder Dämpfung in diesem Anwendungshinweis nicht diskutieren. Wir werden uns nur mit Geometrie und Rückstreuung befassen

1) Geometrie

2π vs. 4π?
Da viele Anbieter nicht angeben, ob die veröffentlichten Effizienzen 2π oder 4π sind, können Annahmen über FOM-Werte um Größenordnungen falsch sein, wenn diese Variable unbekannt oder bei Vergleichen nicht gut definiert ist.

Lassen Sie uns zunächst diskutieren, wie 2π- und 4π-Kalibrierungen abgeleitet werden. Stellen Sie sich vor, dass eine Punktquelle in der Luft suspendiert wurde. Wir nehmen an, dass die Hälfte der Teilchen in der Ebene über der Quelle und die Hälfte in der Ebene unter der Quelle wandern wird. Wenn Sie einen Detektor auf die Quelle setzen, ist das meiste, das ein Detektor nachweisen kann, die Hälfte der Desintegrationsrate der Quelle. Wenn wir die Kalibrierungsinformationen für den Detektor anpassen, um eine halbe der gegebenen Desintegrationsrate zu erkennen, wird der Detektor in der Theorie 100 % der Teilchen erkennen, die auf die Sonde treffen – definiert als 2π-Kalibrierung. Zum Beispiel: Quellenzertifikate geben in der Regel eine 2π-Emissionsrate an. Dies bedeutet einfach, dass die Quelle nur auf der Grundlage der von einer Oberfläche der Quelle emittierten Partikel kalibriert wurde. Wenn wir die 2π-Emissionsrate in unsere Kalibrierungseinrichtung für das Instrument eingeben, erhalten wir im Wesentlichen eine 2π-Kalibrierung für diesen Detektor. Eine 2π-Effizienzkalibrierung von 74 % für ⁹⁰Sr wäre das gleiche wie eine 4π-Effizienzkalibrierung von 37 % für ⁹⁰Sr. Das FOM zwischen zwei verschiedenen Systemen hat nicht die gleiche Bedeutung, wenn die Art der Kalibrierung, 2π oder 4π, nicht gut definiert ist.

Lösung für FOM als e²/b und unter der Annahme eines 0,7 cpm-Hintergrunds in jedem der Fälle:

FOM = 74² ÷ 0,7 = 7822

im Vergleich zu:

FOM = 37² ÷ 0,7 = 1955

In diesem Beispiel gibt es eine 400 %-Differenz zwischen den berechneten FOM-Werten. In der Zusammenfassung ist die Kenntnis der Art der Effizienzkalibrierung, die von jedem Anbieter veröffentlicht wird, bei Vergleichen zwischen verschiedenen Systemen kritisch.

Ein weiterer Aspekt im Zusammenhang mit der Geometrie, der beim Vergleich von Effizienzen ebenso wichtig ist, ist die Planchettentiefe. Die Tiefe der Planchette definiert den Abstand von der Probe zum Gasflussdetektorfenster. Der Proben-Detektorabstand wird die mit einem System auf zwei Arten gemessene Effizienz beeinflussen:

1. Geladene Teilchen (Alpha- und Betas) haben verschiedene Bereiche. Der Bereich wird als die durchschnittliche Eindringtiefe eines geladenen Teilchens in einen Absorber (Luft, Blei, P-10-Gas usw.) definiert, bevor es seine gesamte Energie verliert und stoppt. Zum Beispiel beträgt der Bereich in der Luft für ein ²¹⁰Po-Alpha-Teilchen nur etwa 2,5 cm oder einen Zoll. Beta-Teilchen haben eine viel größere Reichweite in Luft oder etwa vier Meter pro MeV Beta-Energie.
2. Wenn eine Quelle mit 4 mm Durchmesser in eine Position gebracht wird, dass es keinen Raum zwischen der Quelle und dem Fenster eines Probendetektors mit 2,25 Zoll Durchmesser gibt, wird der Detektor fast 50 % (fast 2 π) der Desintegration der Quelle anzeigen. Teilchen, die den Detektor mit sehr niedrigen Winkeln, fast parallel zum Fenster beeinflussen, werden im Detektor wahrscheinlich nicht genug Ladung Ionisierung erzeugen, um einen zählbaren Impuls zu ergeben. Wenn die Quelle davon wegbewegt wird, wird der Detektor nicht mehr 50 % der Desintegrationen anzeigen, sondern einen Prozentsatz weniger. Je größer der Abstand, desto kleiner ein Prozentsatz von 2 π und desto geringer ist die Effizienz des Detektionssystems.

Aus dem Obigen können wir den Schluss ziehen, dass der Abstand der Quelle zum aktiven Detektorbereich sowohl unsere Alpha- als auch unsere Beta-Effizienz beeinflussen wird. Die Alpha-Effizienz wird durch die beiden oben beschriebenen Phänomene beeinflusst während die Beta-Effizienz, da Betas einen viel größeren Bereich besitzen, vor allem durch Winkelüberlegungen beeinflusst werden.

Mit der folgenden Grafik (Abbildung 1) wird das Zählen einer 90Sr-Quelle, die so nahe wie möglich am Detektor positioniert ist, eine Effizienz von etwa 55 % erreichen (Rückstreuung enthalten, siehe unten). Vergleichen Sie diese Effizienz mit einer durch das Zählen derselben Quelle in einer 1/8 in. Planchette, was zu einer Effizienz von 47 % führt (Rückstreuung enthalten, siehe unten).

Die resultierenden FOM-Werte sind 4321 und 3155 auf der Grundlage eines Hintergrunds von 0,7 cpm – eine 137 %-Differenz, die einfach auf die Planchettentiefe zurückzuführen ist.

In einem ähnlichen Satz von Messungen wurde eine 241Am-Alphaquelle mit 4 mm Durchmesser nacheinander in 1/8 in. und 5/16 in. tiefen Einsätzen platziert und die Effizienz wurde gemessen. Die Effizienz im 1/8 Zoll-Einsatz wurde mit 41,7 % bestimmt, während die Effizienz im 5/16 Zoll-Einsatz mit nur 34,2 % gemessen wurde.

In der Zusammenfassung ist FOM nur ein valides Werkzeug, wenn die geometrischen Faktoren, die die Effizienz beeinflussen, bekannt, gut definiert und für jeden in der FOM-Gleichung verwendeten Effizienzwert gleich sind.

2) Rückstreuung

Der nächste von uns diskutierte Faktor, der die Effizienz beeinflusst, wird Rückstreuung genannt. Die Rückstreuung ist das Phänomen, durch das Teilchen, die sich vom Detektorbereich weg bewegen, in Richtung des Detektorbereichs „gestreut“ werden, wie in der folgenden Abbildung gezeigt.

In der Abbildung 2 werden einige der geladenen Teilchen auf dem Boden der Quelle an der Planchette wieder in Richtung des Detektorbereichs „gestreut“, wo sie als Zählungen erkannt und registriert werden.

In der Abbildung 3 haben die geladenen Teilchen auf dem Boden der Quelle nichts zum „Streuen“ und werden anschließend nicht nachgewiesen.

Die Rückstreuung für geladene Teilchen ist eine Funktion des für die Quellenplatzierung verwendeten Materials wie bei Edelstahlplanchetten. Da eine Art von Planchette immer zum Positionieren und Halten der Quelle oder Probe während des Zählens verwendet wird, tritt während der Erfassung immer ein Rückstreuungseffekt auf. Die folgende Abbildung 4 zeigt den Rückstreuungseffekt als Funktion der Z des verwendeten Planchettenmaterials. Aus dieser Grafik kommen wir zu dem Schluss, dass verschiedene Planchettenmaterialien und Isotope den Rückstreuungseffekt in unterschiedlichem Maße hervorrufen werden.

Die von den Anbietern veröffentlichten Effizienzergebnisse enthalten in der Regel einen Rückstreuungseffekt, insbesondere für Betas. Da einige Anbieter nicht angeben, ob die Rückstreuung in den veröffentlichten Effizienzspezifikationen enthalten ist oder nicht, wird der FOM-Vergleich zu einem nicht validen Werkzeug, es sei denn, der genaue Rückstreuungsfaktor ist bekannt (einschließlich des für die Quellenplatzierung verwendeten Planchettenmaterials sowie des Quellenmontagematerials). Die Effizienzen können sich nur aufgrund der Rückstreuung um bis zu 17 % unterscheiden.

Die FOM-Werte in Abbildung 5 wurden mit den veröffentlichten Garantiespezifikationen eines Anbieters für Beta-Effizienz und Hintergrund mit einem einzigen Instrument ermittelt. Der FOM-Wert 2382 in Blau basiert auf einer Effizienz, die keine Rückstreuung beinhaltete. Das FOM in violett, 3958 basiert auf demselben Instrument, verwendet jedoch einen Effizienzwert, der Rückstreuung enthält. Daher ist es einfach zu sehen, wie das FOM ungültig wird, wenn die zur Berechnung verwendeten Daten nicht gut definiert sind.

„Garantie“ gegenüber „typischen“ Spezifikationen

Eine weitere wichtige Beobachtung ist der Unterschied zwischen den FOM-Werten für ein System mit den Garantiespezifikationen und dem auf der Grundlage typischer Spezifikationen berechneten FOM. Einige Anbieter vergleichen ihre typischen Spezifikationen mit den Garantiespezifikationen des Mitbewerbers. In der Vergangenheit ist eine typische Effizienz ein „Bestfall“-Wert, der nicht immer reproduzierbar, aber in der Regel erreichbar ist. Eine Garantieeffizienz wird als untere Grenze für Testzwecke verwendet. Mit anderen Worten, sollten Anbieter keinen Detektor liefern, der einen Effizienzwert unter der Garantiespezifikation aufweist. Die Garantiespezifikation kann als „schlimmster Fall“ interpretiert werden. Anbieter, die einen typischen Effizienzwert im Vergleich zu einem Garantieeffizienzwert in der FOM-Gleichung verwenden, verursachen Verwirrung und führen zu falschen Annahmen.

In der Zusammenfassung gibt es viele Variablen, die die FOM-Berechnung beeinflussen, was sie nur zu einem nützlichen Werkzeug macht, wenn die zur Berechnung verwendeten Bedingungen bekannt und gut definiert sind. Wenn Sie sich immer noch dazu neigen, das FOM als Vergleichsinstrument zu verwenden, machen Sie die Hausaufgaben und fordern Sie alle notwendigen Daten von jedem Anbieter an, um sicherzustellen, dass Sie die richtige Entscheidung treffen. Die folgende Liste enthält einige der Daten, die für einen gültigen FOM-Vergleich erforderlich sind:

1. Ist der Effizienzwert 2π oder 4π?
2. Welche Planchettentiefe wurde zum Zählen der Quelle verwendet?
3. Welche Art von Planchettenmaterial wurde zum Halten der Quelle verwendet?
4. Ist die Rückstreuung im veröffentlichten Effizienzwert enthalten?
5. Welche Quelle wurde verwendet, d. h. ⁹⁰Sr, ⁹⁹Tc?
6. Sind die Effizienzwerte Garantiespezifikationen oder typische Spezifikationen?

Die Antworten auf diese Fragen sollten für jeden Anbieter genau die gleichen sein, um einen gültigen FOM-Vergleich zu gewährleisten.

Als Alternative ist die beste Maßnahme zum Vergleich zweier ähnlicher Systeme sie gleichzeitig in einer realen Laborumgebung zu testen. Dies ist der einzige valide, wissenschaftliche Vergleich, da die veröffentlichten Spezifikationen oft aus atypischen Situationen generiert werden, um die „besten“ Werte zu erzeugen. Obwohl Spezifikationen erforderlich sind, um eine gewisse Ausgangsleistung des Instruments zu bieten, kann der Vergleich dieser Spezifikationen ohne Kenntnis eines gültigen Vergleichs zu falschen Beobachtungen oder Annahmen führen.

Einzelanode im Vergleich zu Doppelanode – ist es wichtig?

Das Detektordesign, das bei Vergleichen zwischen den Alpha/Beta-Systemen der Anbieter fälschlicherweise weggelassen wird, ist der wichtigste Aspekt beim Vergleich zweier ähnlicher Systeme. Der zweite Teil dieses Anwendungshinweises wird zeigen, warum das Detektordesign für genaue Messungen von vorbereiteten, unbekannten Proben kritisch ist.

Die veröffentlichten Effizienzspezifikationen basieren auf gleichmäßig verteilten Punktquellen, die zentral angeordnet sind und so nahe wie möglich am Detektorbereich gezählt werden. Dies wird die absolut bestmögliche Effizienz für jedes System bieten, ist jedoch unrealistisch, wenn es auf die Effizienzleistung von unbekannten Proben angewendet wird.

Unbekannte Proben werden aufgrund der Probenvorbereitungsmethoden von Natur aus nicht gleichmäßig verteilt. Unbekannte Proben sind entweder verdunstete Flüssigkeiten oder Filterproben, die von Personen mit technikabhängigen Methoden hergestellt wurden. Dies führt in der Regel zu einer Probenaktivität, die nicht zufällig oder gleichmäßig über die Planchette oder den Filter verteilt wird. Die Abbildungen 6 und 7 zeigen eine verdunstete Flüssigkeitsprobe und eine typische Abstrichprobe. Beachten Sie die ungleichmäßige Verteilung der potenziellen Aktivität um die äußeren Kanten beider Proben.

Das Detektordesign ist für genaue Messungen dieser ungleichmäßig verteilten Proben kritisch. Ein Vergleich der Effizienzantwort eines Einzel-Anodendetektors mit einem Dual-Anodendetektor wird die Bedeutung des Detektordesigns für unbekannte Proben demonstrieren.

Lassen Sie uns zunächst eine grundlegende Gasproportionalzählertheorie diskutieren. Alle Gasproportional-Zähler arbeiten nach dem Prinzip der Ionisierung. Der Prozess der Ionisierung erfolgt, wenn geladene Alpha- und Betateilchen mit neutralen Gasatomen interagieren und Ionenpaare bilden. Ionenpaare bestehen aus einem freien Elektron und einem positiven Ion. Wenn ein ausreichendes elektrisches Potenzial an das System angelegt wird, steigt die Coulomb-Kraft, wodurch die freien Elektronen in Richtung des positiven geladenen Anodendrahts wandern und die positiven Ionen in die negativ geladene Kathode wandern, anstatt sie zu rekombinieren. Das angelegte elektrische Potenzial oder die angelegte Spannung muss ausreichend stark genug sein, um eine Gasmultiplikation zu ermöglichen. Die Gasmultiplikation erfordert große Werte des elektrischen Felds und ist die Grundlage für die wahre Proportionalität.

Da die Gasmultiplikation von der elektrischen Feldstärke abhängt, führen schwache Bereiche des elektrischen Feldes in einem Detektor zu einem dramatischen Effizienzverlust.

Betrachten Sie die folgende Gleichung:

Das elektrische Feld in einem Radius r ist:

E(r) = V ÷ (r ln (b/a))

wobei:
V = zwischen Anode und Kathode angelegte Spannung
a = Anodendrahtradius
b = Kathodeninnenradius

Aus dieser Gleichung können wir extrapolieren, dass ein einzelner Anodendetektor ein verringertes elektrisches Potenzial an den äußeren Kanten des Detektors erfahren wird, da sich das elektrische Feld mit b erhöht. Wenn das elektrische Feld abnimmt, tritt die Gasmultiplikation nicht auf und daher nimmt die Effizienzantwort des Detektors ab.

Eine Studie eines Einzelanodendetektors im Vergleich zu einem Dual-Anodendetektor wurde in einer Canberra™ Tennelec™-Anlage durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Studie beweisen, dass Einzelanodendetektoren einen drastischen Effizienzverlust an den äußeren Kanten erfahren.

Ein Einzelanodendetektor wurde mit dem Dual-Anodendetektor von Tennelec getestet. Die Abbildungen 8 zeigen einen 60 mm großen Einzelanodendetektor, ähnlich dem von einigen Anbietern.

Die Tests wurden mit einer kollimierten Punktquelle auf einer Scheibe mit 25 mm Durchmesser durchgeführt. Die Messungen wurden mit der kollimierten Quelle an verschiedenen Stellen durchgeführt, die auf der obigen Gitterplatzierung angegeben sind.

Abbildung 9 zeigt die relativen Effizienzergebnisse für die Positionen A1 bis J1, die mit einem Einzelanodendetektor gemessen wurden, Abbildung 8.

Die Daten in Abbildung 9 zeigen, dass der Detektor für die Positionen J1 und E1 einen Effizienzverlust um 70 % erfährt. J1 und E1 stellen Positionen dar, die etwa 1 mm von der zentralen Anodendrahtposition A1 entfernt sind. Zum Beispiel können wir bei einer Probe, die Aktivität zwischen den Standorten H1 und J1 deponiert hat, mit einer Effizienzreaktion von 20 % bis 70 % rechnen.

Der exakt gleiche kollimierte Quellentest wie zuvor wurde mit einem Standard-Canberra/Tennelec 2,25 Zoll Durchmesser durchgeführt wie in Abbildung 10 dargestellt. Die Ergebnisse dieser Tests sowie die zuvor dargestellten Einzelanodenergebnisse sind in Abbildung 11 dargestellt.

Diese Abbildung zeigt die überlegene Leistung, die mit einem Dual-Anoden-Probendetektor erreicht wird. Während der Dual-Anodendetektor nicht perfekt ist, beträgt der Effizienzverlust an den J1- und E1-Positionen etwa 5 % im Vergleich zu dem 70 %, den ein Einzelanodendetektor aufweist.

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