Studybot answer

Question asked by: annicklysen - 5 months ago

Maak een oefenexamen van de volgende tekst: 7. LEERDOEL 5: DETECTIEMETHODEN IONISERENDE STRALING
7.1. INLEIDING
7.1.1. Algemene kenmerken van detectoren voor radioactiviteit
Straling in het algemeen en radioactieve straling in het bijzonder kan niet zonder meer rechtstreeks
gedetecteerd of gemeten worden, zoals dit bijvoorbeeld wel kan met fysische grootheden zoals een volume,
een lengte of een gewicht. Detectie van (radioactieve) straling gebeurt noodgedwongen altijd aan de hand
van de gevolgen van de interactie tussen de straling met het materiaal waaruit de detector is opgebouwd.
Afhankelijk van het type detector kan dit zowel een gas, een vloeistof als een vaste stof zijn. Het is dus per
definitie onmogelijk om een radioactief deeltje te karakteriseren (detecteren en meten) zonder de
eigenschappen van dat deeltje te veranderen. Dit impliceert tevens dat het onmogelijk is om eenzelfde deeltje
twee keer te meten, aangezien na de eerste meting het deeltje niet meer bestaat of zodanig veranderd is, dat
het niet meer te beschouwen valt als hetzelfde deeltje.
De verschillende manieren van interactie tussen radioactieve straling en materie zijn beschreven in hoofdstuk
2. De gevolgen van een dergelijke interactie kunnen geklasseerd worden in twee categorien: excitatie en
ionisatie (vandaar ook de alternatieve benaming "ioniserende straling"). De werkingsprincipes van de diverse
detectiemethoden en toegepaste detectoren voor radioactieve straling zijn dan ook opgebouwd rond deze
twee interactiefenomenen.
Het algemene principe achter zowat alle detectiemethoden van radioactieve straling is de gehele of
gedeeltelijke vrijgave van de energie van de deeltjes of fotonen aan het detectormateriaal, hetzij door het
rechtstreeks veroorzaken van ionisaties of door het genereren van een toestand die op zijn beurt ionisatie in
het detectormedium zal veroorzaken. Het is de resulterende ionisatie die uiteindelijk door het
detectormateriaal wordt waargenomen en omgezet in een meetbaar signaal. Afhankelijk van de gekozen
detectietechniek kan dit signaal verschillende vormen aannemen:
Het kan de emissie veroorzaken van lichtquanta of fotonen (scintillatiedetectoren)
De door de ionisaties gevormde lading kan gecollecteerd worden (gasionisatie en half-
geleiderdetectoren)
Het kan een spoor van geoniseerde atomen veroorzaken op zijn weg die de kiem vormen van
condensatiebelletjes (bellenkamer)
De geoniseerde atomen kunnen chemische veranderingen in een medium teweegbrengen.
De ionisatie kan een permanente schade aanbrengen in het detectormateriaal die zichtbaar gemaakt
kan worden (track etch detectoren)
7.1.2. Identificatie straling
Voor de volledige identificatie van radioactieve straling moet een antwoord gegeven worden op drie vragen:
A. Wat is de soort van de straling? (alfa, bta, gamma, X, neutron, )
B. Wat is de energie van de individuele stralingsdeeltjes of quanta?
C. Wat is de intensiteit van de straling? (aantal desintegraties per eenheid van tijd)
Karel de Grote Hogeschool, Katholieke Hogeschool Antwerpen vzw - Brusselstraat 45, 2018 ANTWERPEN - BTW BE-0458.402.105
De werking en constructie van een detector wordt dus enerzijds bepaald door het resulterend fenomeen van
de ioniserende straling dat men wenst te gebruiken als fysische meetgrootheid en anderzijds door het vereiste
niveau van identificatie van de straling.
7.2. DE VEREENVOUDIGDE DETECTOR
Vooraleer in te gaan op de verschillende eigenschappen, werkingsprincipes en de voor- of nadelen van de
diverse stralingsdetectoren, worden de basisbegrippen uitgelegd aan de hand van een hypothetisch,
vereenvoudigd model.
Veronderstel een afgesloten volume, homogeen gevuld met een stof (bv. een gas) die door interactie met
een radioactief deeltje (bv. een alfadeeltje) geoniseerd wordt. Indien de weg die het radioactief deeltje in
het afgesloten volume kan afleggen voldoende groot is, zal de volledige energie van het deeltje afgestaan
worden aan het gas binnen in het volume. Een gedeelte van het gas is, ten gevolge van de interactie met het
alfadeeltje, veranderd in positief geladen gasmoleculen en een equivalente hoeveelheid vrije elektronen.
Binnen in het volume is er dus een opbouw van lading. De hoeveelheid lading (Q) die gevormd wordt, is
afhankelijk van de totale energie (E) van het alfadeeltje en de hoeveelheid energie nodig om n elektron/ion-
paar in het gas te vormen (W). Zonder verdere actie zullen de gevormde elektron/ion-paren spontaan terug
recombineren en zal de hoeveelheid lading Q terug verdwijnen. De gedissipeerde (verloren) energie zal zich
uiteindelijk manifesteren als vrijgezette warmte.
Wanneer echter over het volume een elektrisch veld wordt aangelegd, zullen de positieve ionen naar de
kathode bewegen en de elektronen naar de anode. Deze migratie van ladingsdragers veroorzaakt in het
gasvolume een elektrische stroom, die door middel van een gevoelige ampremeter geregistreerd kan
worden. De combinatie van het medium (gas) in het afgesloten volume met het elektronisch circuit
(spanningsveld en ampremeter) is bijgevolg een gesimplificeerde detector voor radioactieve straling.
Karel de Grote Hogeschool, Katholieke Hogeschool Antwerpen vzw - Brusselstraat 45, 2018 ANTWERPEN - BTW BE-0458.402.105
7.3. GASGEVULDE DETECTOR OF IONISATIEDETECTOREN
Dit hoofdstuk spitst zich toe op de beschrijving van de belangrijkste detectoren die steunen op ionisatie-
effecten veroorzaakt in het detectormidden. Niet elke stof is geschikt om te worden gebruikt als
detectormidden. De eisen die aan een detectormidden gesteld worden om te kunnen fungeren als
meetsysteem voor de ionisatie-effecten van radioactieve straling kunnen daarom samengevat worden als:
Het materiaal mag niet van nature geleidend zijn.
Door ionisatie gevormde ladingsdragers moeten een voldoende hoge mobiliteit hebben in het
detectormidden om signaalverwerking binnen aanvaardbare tijden mogelijk te maken.
In een gasmidden komen in normale omstandigheden geen vrije elektronen voor. Alle valentie-elektronen
zijn gebonden aan de kernen van de gasatomen. Elk atoom of molecule is dus elektrisch neutraal en om die
reden niet benvloedbaar (binnen bepaalde grenzen) door een toegepast elektrisch veld. Een gasmidden is
dus per definitie een isolator. Bovendien is de mobiliteit van moleculen of ionen in gassen zeer hoog in
vergelijking met vloeistoffen of vaste stoffen. Gassen zijn bijgevolg uitermate geschikt als detectormidden.
De drie detectoren die in de volgende paragrafen worden besproken (ionisatiekamer, proportionele teller en
Geiger-Mueller detector), maken allen gebruik van de ladingscollectie veroorzaakt door ionisatie in gassen.
De ionisatiekamer (paragraaf 7.4.1) wordt over het algemeen gebruikt in stroommode, terwijl de
proportionele teller (paragraaf 7.4.2) en de Geiger-Mueller buis (paragraaf 7.4.3) bijna uitsluitend in
pulsmode toegepast worden.
7.3.1. Ionisatiekamer
7.3.1.1. Werkingsprincipe
De ionisatiekamer is de meest eenvoudige opstelling van gasgevulde detectoren en komt sterk overeen met
de in het vorige hoofdstuk besproken vereenvoudigde detector. Een radioactief deeltje zal op zijn weg
doorheen de detector interageren met de moleculen waaruit het detectormidden is opgebouwd. Bij elke
interactie zal het een deel van zijn energie afstaan. Om ionisatie van het detectorgas te kunnen veroorzaken,
zal de hoeveelheid overgedragen energie minimaal gelijk moeten zijn aan de energie nodig om een elektron
van het neutrale detectorgas uit zijn normale orbitaal te schieten (ionisatie-energie). Typische waarden voor
de ionisatie-energie van de minst sterk gebonden elektronen in detectorgassen situeren zich in het gebied
tussen 10 en 25 eV.
Karel de Grote Hogeschool, Katholieke Hogeschool Antwerpen vzw - Brusselstraat 45, 2018 ANTWERPEN - BTW BE-0458.402.105
Omdat niet alle interacties aanleiding geven tot ionisatie, maar energieoverdracht ook kan gebeuren door
excitatie is het gemiddelde energieverlies per gevormd ionpaar (W) iets hoger. De waarde van W hangt
voornamelijk af van de aard van het gas en het type van de ioniserende straling (zie Tabel 4 - 1). Als typisch
gemiddelde kan meestal een waarde van 30 eV/ionpaar gehanteerd worden.
7.3.1.2. Ladingsdiffusie en recombinatie
Ionen en vrije elektronen, veroorzaakt door ioniserende straling, nemen deel aan deze thermische agitatie.
De ladingsdragers zullen dus beginnen te diffunderen in het gasvolume en daarbij in botsing komen met
andere moleculen. Het effect van deze botsingen kan in vier categorien worden opgedeeld.
Ladingsoverdracht: hierbij botst bv. een positief ion op een neutraal gasmolecule, waarbij de
bewegingsenergie van het positief ion wordt overgedragen aan de gasmolecule, tegelijk wordt een
elektron van het neutrale molecule overgedragen aan het positieve ion, waardoor de rollen worden
omgekeerd. De ionisatiepotentiaal van het neutrale gasmolecule moet kleiner zijn dan die van het
positieve ion, wil ladingsoverdracht mogelijk zijn. Bij ideale, zuivere gassen komt ladingsoverdracht
dan ook niet voor. Enkel bij gasmengsels is dit proces mogelijk. De werking van sommige detectoren
steunt sterk op deze eigenschap van gasmengsels.
Elektron attachment: hierbij wordt een elektron gevangen door een neutraal maar elektronegatief
gasmolecule (zoals zuurstof) ter vorming van een negatief geladen gasion.
Recombinatie: een elektron of een negatief geladen gasion kan botsen met een positief geladen
gasion ter vorming van neutrale species.
Elektrondiffusie: aangezien de massa van een elektron vele duizenden malen kleiner is dan de massa
van de gasmoleculen, zal bij botsing van een elektron met een gasmolecule slechts een klein deel van
de kinetische energie van het elektron worden overgedragen. Tenzij er elektron attachment of
recombinatie optreedt, zal het elektron in het gas een zigzag beweging blijven uitvoeren.
Van al deze processen heeft enkel het recombinatieproces als gevolg dat er in het detectorvolume lading
'verloren' gaat. Zonder externe krachten zal bijgevolg de gevormde lading uiteindelijk door recombinatie
terug verdwijnen.
Karel de Grote Hogeschool, Katholieke Hogeschool Antwerpen vzw - Brusselstraat 45, 2018 ANTWERPEN - BTW BE-0458.402.105
7.3.1.3. Saturatiestroom
Wanneer de veldsterkte (spanning) een bepaalde waarde heeft bereikt, is het effect van recombinatie vrijwel
uitgeschakeld ten voordele van ladingscollectie. Alle gevormde lading wordt gecollecteerd. De
ionisatiestroom bereikt een maximale waarde (de saturatiestroom) en verder verhogen van de veldsterkte
zal niet meer resulteren in een verdere toename van de gemeten stroom. De spanning die nodig is om de
saturatiestroom te bereiken hangt af van de mobiliteit van de ladingsdragers (en dus het type gas, de druk,
) en de intensiteit van de gemeten straling. Typische waarden voor de gebruikte spanning bij ionisatiekamers
situeren zich in het gebied tussen 102 en 103 Volt.
Het gebied waarin de ionisatiestroom zijn saturatiewaarde heeft bereikt, is het gebied waarin ionisatiekamers
gewoonlijk worden gebruikt. De gemeten stroom is in die omstandigheden een rechtstreekse maat voor het
ionisatie-effect van de gemeten radioactiviteit (de snelheid van ladingsvorming in het detectormidden). Voor
eenzelfde soort straling zal een verdubbeling van intensiteit een verdubbeling van de gemeten stroom
veroorzaken. Bij gelijke intensiteit zal een verdubbeling van de energie van de radioactieve deeltjes eveneens
de uitgangsstroom doen verdubbelen.
7.3.1.4. Toepassingsgebied
En van de belangrijkste toepassingen van ionisatiekamers is het meten van de blootstelling aan -straling en
X-straling). Lucht gevulde ionisatiekamers zijn bijzonder geschikt voor dergelijke metingen aangezien
blootstelling gedefinieerd is als de ionisatie veroorzaakt in lucht. Het uitgangssignaal van een lucht gevulde
ionisatiekamer is daarom een rechtstreekse maat voor de blootstelling aan - en X-straling.
Daarnaast wordt het in de praktijk ook gebruikt voor de kalibratie van radioactieve bronnen als het meten
van radioactieve gassen. Omwille van de bouw zijn ionisatiekamers uiterst geschikt voor het meten van
radioactieve gassen in het bijzonder laag-energetische btadeeltjes zoals tritium. Precies omwille van hun
lage energie slagen dergelijke btadeeltjes er niet in om doorheen de detectorwand tot in het actieve volume
van de detector te geraken. Door het te meten radioactieve gas te mengen met het tellergas en het
rechtstreeks in de detectorkamer aan te brengen, kan ook de ionisatie veroorzaakt door deze laag
energetische straling gemeten worden.
Karel de Grote Hogeschool, Katholieke Hogeschool Antwerpen vzw - Brusselstraat 45, 2018 ANTWERPEN - BTW BE-0458.402.105
7.3.2. Proportionele teller
7.3.2.1 Werkingsprincipe
De proportionele teller is een type van de gasgevulde detectoren, een variant van de ionisatiekamer, gebruikt
in pulsmode. Dit type teller werd op het einde van de jaren '40 in de vorige eeuw gentroduceerd. Het concept
van de proportionele teller is zodanig opgezet, dat de uitgangsstroom enorm versterkt wordt door een effect
dat gasvermenigvuldiging genoemd wordt.
7.3.2.2 Gasvermenigvuldiging
Vrije elektronen zullen in tegenstelling tot geladen gasionen veel lichter en veel mobieler zijn en zullen door
het potentiaalveld gemakkelijker versneld worden. Wanneer de vrije elektronen zodanig veel kinetische
energie kunnen opbouwen dat de waarde hoger komt te liggen dan de ionisatie-energie van het detectorgas,
kunnen ze bij een botsing met een neutrale gasmolecule in staat zijn dit molecule te ioniseren. De kinetische
energie van het primaire elektron vermindert hierbij met een waarde gelijk aan de bindingsenergie van het
vrijgezette elektron en diens eventuele kinetische energie, maar er ontstaat een extra, secundair en vrij
elektron (secundaire ionisatie). Beide elektronen zullen door het potentiaalveld versneld worden en kunnen
terug aanleiding geven tot verdere ionisaties. Gezien het directe verband tussen snelheid/versnelling van de
vrije elektronen en het aangelegde potentiaalveld en de minimale energie nodig voor de vorming van
secundaire ionisaties, bestaat er een drempelspanning vanaf waar secundaire ionisatie kan plaatsgrijpen. In
typische detectorgassen bij atmosferische druk ligt deze waarde op ongeveer 106 V/m.
Elk vrij elektron kan dus in een potentiaalveld hoger dan de drempelwaarde, secundaire ionisatie en dus
bijkomende vrije elektronen creren. Elk van de bijkomende elektronen kan dat op zijn beurt ook weer. Het
totaal aantal elektronen (en gasionen) dat zo ontstaat ten gevolge van een radioactief deeltje is vele malen
hoger dan in het geval besproken voor de ionisatiekamer. Dit fenomeen noemt men gasvermenigvuldiging.
De verhouding tussen het aantal primaire elektronen en het totaal aantal elektronen is de
gasvermenigvuldigingsfactor. Deze vermenigvuldiging van ladingsdragers is bovendien een exponentieel
proces, gekend als de Townsend lawine (Townsend avalanche).
7.3.2.3 Vulgas
Zoals in het voorgaande beschreven hangt het principe van gasvermenigvuldiging in sterke mate af van de
mobiliteit van vrije elektronen in het detectorgas. Daarom wordt aan het vulgas van proportionele tellers een
aantal bijkomende eisen gesteld in vergelijking met ionisatiekamers. Vooreerst mag het gebruikte gas geen
grote affiniteit voor elektronen hebben. Lucht voldoet hier dus niet aan. Bijgevolg moeten proportionele
tellers zodanig geconstrueerd worden dat het tellergas niet gecontamineerd kan worden met lucht of
vochtigheid.
Als telgas wordt meestal gebruik gemaakt van zuivere, mono-atomaire edelgassen zoals argon en helium of
gewone mono-atomaire gassen zoals waterstof. Voor de meting van gammastraling wordt gebruik gemaakt
van de zwaardere gassen zoals xenon en krypton die door een hogere stopping power gekenmerkt worden.
In edelgassen zal, vanaf een gasvermenigvuldiging van 100, naast de vorming van secundaire ionisatie ook
excitatie optreden. Gexciteerde moleculen dragen niet direct bij tot de vorming van de uitgangsstroom maar
kunnen wel ionisaties teweeg brengen van de minst sterk gebonden elektronen in de buitenste schillen van
gasmoleculen of door interactie met de detectorwand.
Karel de Grote Hogeschool, Katholieke Hogeschool Antwerpen vzw - Brusselstraat 45, 2018 ANTWERPEN - BTW BE-0458.402.105
Deze elektronen kunnen eventueel terug aanleiding geven tot secundaire ionisaties en daarmee de
proportionaliteit van de detector ongunstig benvloeden. Om die reden wordt vaak aan het zuivere mono-
atomaire telgas een poly-atomair gas toegevoegd dat bijzonder geschikt is om de excitatiefotonen te
absorberen. Een dergelijk gas wordt quenchgas genoemd. Methaan (CH4) is hiervan een typisch voorbeeld.
Dit noemt men ook excitatie-quenching.
7.3.2.4 Toepassingsgebied
Het werkingsprincipe van proportionele tellers laat veel minder flexibiliteit toe naar detectorvorm als bij
ionisatiekamers. Ze worden voornamelijk gebruikt voor het meten van - en - oppervlaktebesmetting.
Daarnaast kan het ook gebruikt worden voor de meting van trage neutronen.
7.3.3. Geiger-Mller detector
7.3.3.1. Werkingsprincipe
In een proportionele teller ontstaat voor elk primair gevormd elektron op het pad van een radioactief deeltje
in de buurt van de anode precies n typische Townsend lawine. De gasvermenigvuldigingsfactor wordt met
behulp van het potentiaalveld relatief klein gehouden (102 -104). Hierdoor blijft het aantal excitaties (en
bijgevolg eventuele stoorpulsen) verwaarloosbaar klein. Bij een Geiger-Mueller teller wordt echter een
hogere polarisatiespanning over de elektroden aangebracht en is de gasvermenigvuldigingsfactor een stuk
hoger (106 -108). Hierdoor neemt het effect van excitatie in belangrijke mate toe en zullen bijkomende
ionisaties veroorzaakt worden door de uitgezonden fotonen (foto-elektrisch effect).
De uitgangspuls van een GM-teller is zeer groot, typisch worden per puls ongeveer 109 1010 ionenparen
gevormd (overeenkomend met een uitgangsspanning van enkele Volt). De elektronica voor de verwerking
van de pulsen kan bijgevolg betrekkelijk eenvoudig gehouden worden. Vaak is er geen nood aan verdere
versterking.
7.3.3.2. Vulgas
De telgassen gebruikt in GM-buizen zijn onderworpen aan dezelfde criteria als de gassen gebruikt voor
proportionele tellers. Aangezien de gasvermenigvuldiging het belangrijkste effect is bij de pulsvorming,
moeten de tellergassen vrij zijn van zelfs de kleinste hoeveelheden gasonzuiverheden die aanleiding kunnen
geven tot negatief geladen ionen (zoals zuurstof). Edelgassen (voornamelijk argon en helium) zijn daarom veel
gebruikte tellergassen in GM-buizen.
Doordat de kans op excitatie gaat toenemen en kan leiden tot bijkomend ionisatie. Dit elektron zal aanleiding
geven tot een nieuwe Townsend lawine en een tweede ontlading van de GM-buis veroorzaken. Dit is uiteraard
een ongewenst effect, om dit te vermijden wordt er ook hier vaak quenchgassen toegevoegd aan het telgas.
Voorbeelden van organische quenchgassen in de praktijk zijn ethylalcohol, propaan en isobutaan. Nadeel van
de toevoeging van deze organische quenchgassen is dat ze na dissociatie niet meer hun taak als quencher
kunnen vervullen en dus gaandeweg verloren gaan. Dit betekent dat de GM-buizen met quenchgas maar
beperkte levensduur hebben. Hierdoor wordt er soms in de praktijk geopteerd voor toevoeging van
halogenen zoals chloor in plaats van organische quenchgassen. Deze halogenen zijn wel minder efficint maar
gaan zich na dissociatie terug spontaan recombineren en zijn hierdoor terug bruikbaar voor het
quenchproces. Dit proces noemt men ook recombinatie-quenching.
Karel de Grote Hogeschool, Katholieke Hogeschool Antwerpen vzw - Brusselstraat 45, 2018 ANTWERPEN - BTW BE-0458.402.105
7.3.3.3. Toepassingsgebied
Deze detectoren worden voornamelijk gebruikt voor de detectie van -besmetting. GM-buizen worden bijna
nooit gebruikt voor de detectie van neutronen. Ook voor de detectie van gammastralen wordt weinig gebruik
gemaakt van GM-buizen.
7.3.4. Overzicht gasgevulde detectoren
7.3.4.1. Overzicht werkingsprincipes
Een eerste vergelijkingspunt in de werking van gasgevulde detectoren is de signaalvorming en de grootte van
de uitgangspuls bij detectie van eenzelfde ingangssignaal.
Karel de Grote Hogeschool, Katholieke Hogeschool Antwerpen vzw - Brusselstraat 45, 2018 ANTWERPEN - BTW BE-0458.402.105
7.3.4.2. Schematisch overzicht eigenschappen van gasgevulde detectoren
7.3.4.3. Ladingscollectie in een gasteller in functie van de polarisatiespanning
I. Recombinatiezone
II. Saturatiezone (werkgebied
ionisatiekamer)
III. Proportionele zone
(werkgebied proportionele
teller, gasvermenigvuldiging 100
- 500)
IV. Beperkte proportionele zone
(gasversterking 103 104)
V. Geiger-Mueller zone
(werkgebied GM teller)
VI. Doorslagzone
Karel de Grote Hogeschool, Katholieke Hogeschool Antwerpen vzw - Brusselstraat 45, 2018 ANTWERPEN - BTW BE-0458.402.105
7.4. VASTE STOF DETECTOREN
Waar bij gasdetectoren de ladingscollectie gebeurt via diffusie van geoniseerde gasmoleculen, berust het
overeenkomstige werkingsprincipe bij vaste stoffen op de collectie van elektron/gatparen in
halfgeleidermateriaal. Er bestaan twee grote groepen van vaste stof detectoren namelijk halfgeleider
detectoren en scintillatiedetectoren of luminescentiedetectoren.
7.4.1 Halfgeleider detectoren
Het gedrag van een dergelijk elektron/gat-paar in halfgeleidermateriaal kan vergeleken worden met het
gedrag van elektronen en ionen in een gasmengsel. De beweging van elektron/gat-paren in een elektrisch
veld genereert op analoge wijze het basissignaal van de detector. De voordelen van halfgeleiderdetectoren
zijn de hoge energieresolutie, de relatief snelle pulsopbouw en verwerking, de compacte afmeting (door de
hoge dichtheid van het detectormateriaal) en een effectieve detectorzone waarvan de dikte aangepast kan
worden aan de toepassing. Halfgeleidermaterialen zijn onder andere Silicium (Si) en Germanium (Ge).
7.4.1.1 Voorwaarden detectormateriaal
Onder normale omstandigheden komen in het detectormateriaal geen vrije ladingsdragers (elektronen)
voor.
De door ionisatie gevormde ladingen moeten gemakkelijk doorheen het detectormateriaal kunnen
bewegen om te worden gecollecteerd.
7.4.1.2 Werkingsprincipe
Bij vaste stoffen bevinden de atomen zich onder normale omstandigheden in een kristalrooster. De afstand
tussen de diverse kernen is vele malen kleiner dan bij gassen. Hierdoor ondervindt een elektron dat bij een
bepaalde kern hoort ook in belangrijke mate de invloed van het potentiaalveld van naburige kernen. Het
gevolg hiervan is dat gemiddeld gezien een elektron niet meer bij n enkele kern hoort, maar in feite tot
heel de poel van positieve kernen. De discrete energieniveaus zoals die bij gassen worden waargenomen
verbreden zich bij kristalroosters van vaste stoffen tot bredere valentiebanden. Elk discreet energieniveau
wordt als het ware opgedeeld in evenveel subniveaus als er naburige kernen zijn op voldoend kleine afstand
om hun invloed te laten gelden.
De energie van de elektronen in het kristalrooster moet overeenkomen met de energie van n van deze
banden, precies zoals bij gassen. Tussen de diverse banden zitten eveneens zones die overeenkomen met
energieniveaus die niet door elektronen ingenomen kunnen worden. Elektronen die deel uitmaken van de
bindingen tussen de atomen bevinden zich in de onderste band, de zogenaamde valentieband. Normaal
gezien bevinden alle bindingselektronen in een kristal zich in deze band. De energieband net boven de
valentieband is de conductieband. Deze band is normaal gezien leeg. De afstand (in energie gezien) tussen de
valentie- en de conductieband (de bandgap of bandvenster) is echter relatief klein en elektronen kunnen,
mits het verkrijgen van een surplus aan energie groter dan de bandgap, overgaan van de valentieband naar
de conductieband. Elektronen die zich in de conductieband bevinden, maken geen deel meer uit van de
bindingselektronen en zijn bijgevolg niet langer geassocieerd met n bepaalde kern. Ze kunnen zich vrij
doorheen het kristalrooster bewegen en dragen hierdoor bij aan de elektrische geleiding van het kristal.
Samen met het elektron in de conductieband ontstaat ook een vacante plek (gat) in de valentieband: het
elektron/gat-paar. Ook het positieve 'gat' kan zich doorheen de kristalstructuur bewegen, niet door diffusie
Karel de Grote Hogeschool, Katholieke Hogeschool Antwerpen vzw - Brusselstraat 45, 2018 ANTWERPEN - BTW BE-0458.402.105
van de positief geladen kern, maar wel door het aantrekken van een valentie-elektron van een naburige
binding waardoor de positieve lading als het ware opschuift.
Aangezien hierdoor de drift van de positieve ladingen doorheen het kristal eveneens bepaald wordt door de
mobiliteit van elektronen in het detectormateriaal, wordt de snelheid van ladingscollectie bij
halfgeleiderdetectoren volledig bepaald door de mobiliteit van elektronen. Dit in tegenstelling tot de
ladingscollectie bij gasgevulde detectoren, die voornamelijk functie is van de veel lagere mobiliteit van
gasionen.
De ladingscollectie over een typische afstand van 0.1 cm voltrekt zich bijgevolg in minder dan 10 ns. Hierdoor
behoren de halfgeleiderdetectoren tot de snelste detectoren. De energie nodig om een elektron te
promoveren van de valentieband naar de conductieband is kleiner dan de ionisatie-energie bij gassen. Voor
typische halfgeleidermaterialen zoals Si en Ge bedraagt de gemiddelde ionisatie-energie respectievelijk 3 eV
(Ge) en 3.8 eV (Si). Vergeleken met de circa 30 eV nodig voor ionisatie van gassen betekent dit dat eenzelfde
energiedepositie ten gevolge van radioactieve straling in halfgeleiderdetectoren bijna tien keer zoveel
ladingsdragers veroorzaakt dan bij gassen.
7.4.1.3 Toepassingsgebied
Siliciumdetectoren op kamertemperatuur zijn bij uitstek geschikt voor de detectie van alfastraling, vooral
met het oog op alfaspectrometrie. Ook voor de detectie van btastraling zijn halfgeleiderdetectoren
geschikt. Gezien de relatief lage waarde van de bandgap zijn halfgeleiderdetectoren ook bijzonder
geschikt voor de detectie van laag-energetische straling. Dit maakt voornamelijk Si-detectoren
interessant voor de detectie en spectroscopie van X-stralen en (laag-energetische) gammastralen.
Siliciumdetectoren worden ook toegepast als personendosismeter, voornamelijk voor de dosis
opgelopen ten gevolge van blootstelling aan X- en -stralen.
Germaniumdetectoren worden bij voorkeur gebruikt voor -spectroscopie.
7.4.2 Luminescentiedetectoren of scintillatiedetectoren
Dit hoofdstuk beschrijft de detectie van radioactiviteit aan de hand van de excitatie-effecten en de
resulterende lichtpulsen.
7.4.2.1 Voorwaarden detectiematerie
Aangezien de detectie gebeurt aan de hand van lichtpulsen, veroorzaakt door interactie van radioactieve
straling met de detectormaterie, worden aan het detectiemateriaal specifieke eisen gesteld:
Het materiaal moet zo efficint mogelijk de energie van de invallende straling omzetten in excitaties en
bij dexcitatie aanleiding geven tot het uitzenden van meetbare lichtquanta (hoge scintillatie-efficintie).
De tijd nodig om vanuit de gexciteerde toestand, door uitzenden van licht, terug te keren naar de
grondtoestand moet zo klein mogelijk zijn.
Het materiaal waaruit de detector is opgebouwd moet doorlatend zijn voor de frequentie van het
uitgezonden licht zodat de lichtpulsjes buiten de detector kunnen worden gecollecteerd.
Karel de Grote Hogeschool, Katholieke Hogeschool Antwerpen vzw - Brusselstraat 45, 2018 ANTWERPEN - BTW BE-0458.402.105
7.4.2.2 Werkingsprincipe
Een scintillatiekristal is, op n zijde na omgeven door een lichtdichte omhulling. Aan de binnenzijde van deze
omhulling is een reflecterende laag aangebracht. Aan de open zijde van de omhulling wordt een
fotoversterkerbuis geplaatst. Licht dat ontstaat in de scintillator wordt in de fotokathode van de buis omgezet
in elektronen, die in de richting van de anode van de buis worden vermenigvuldigd op zogenaamde dynodes.
Het resultaat is een elektrisch puls, die verder moet worden verwerkt.
Twee belangrijke categorien van scintillatoren moeten worden beschouwd: de organische en de
anorganische scintillatoren.
Bij organische scintillatoren is het scintillatieproces onafhankelijk van de fysische toestand van de stof.
Het scintillatieproces kan beschreven worden op basis van de karakteristieken van n enkel molecule.
Slechts twee materialen hebben hun toepassing gevonden als pure organische kristallen als detector:
antraceen en stilbeen.
Bij anorganische scintillatoren is een regelmatige kristalstructuur vereist voor het scintillatieproces. Het
verschil met halfgeleiderdetectoren is dat bij anorganische scintillatoren het materiaal niet uit n enkel
element bestaat maar uit meerdere (meestal twee) elementen.
7.4.2.3 Fotovermenigvuldiging
Welk ook de aard en de samenstelling van de scintillatiedetector is, het gevolg van blootstelling aan
radioactieve straling van het detectormateriaal is de productie van lichtpulsen die op korte tijd na het
ontstaan de detector verlaten. De lichtintensiteit die door de detector wordt uitgezonden is een rechtstreekse
functie van de energie die in het detectorkristal is vrijgegeven. Helaas is deze intensiteit te klein om praktisch
bruikbaar. Er is dus een tussenschakel nodig tussen detector en elektronica die het lichtsignaal van de
detector omzet in een bruikbaar en bij voorkeur versterkt elektrisch signaal. Momenteel bestaan er twee
dergelijke tussenschakels: halfgeleider fotodiodes en fotovermenigvuldigers, waarbij deze laatste categorie
verreweg het meest toegepast wordt.
In een vereenvoudigde benadering kan een fotovermenigvuldiger beschouwd worden als een lichtgevoelige
laag (de fotokathode) gekoppeld aan een elektronenversterker. Het geheel is ingebed in een glazen omhulsel
dat onder vacum staat. De fotokathode is opgebouwd uit een materiaal dat de eigenschap heeft om de
energie van een invallend lichtquantum om te zetten in ionisatie-energie, waarbij een elektron uit het
fotokathodemateriaal wordt vrijgezet. Dit elektron wordt onder invloed van een potentiaalveld versneld naar
de elektrode van de versterker. Deze elektrode (dynode) is opgebouwd uit een materiaal dat de eigenschap
heeft om de kinetische energie van het invallend elektron om te zetten in ionisatie-energie, waarbij meerdere
elektronen uit het dynodemateriaal worden vrijgezet. Door het in cascade schakelen van een aantal dergelijke
dynodes is een totale elektronenvermenigvuldiging mogelijk die kan oplopen tot 106 of meer.
Karel de Grote Hogeschool, Katholieke Hogeschool Antwerpen vzw - Brusselstraat 45, 2018 ANTWERPEN - BTW BE-0458.402.105
7.4.2.3.1 Fotokathode
De eerste stap in de signaalconversie van een fotovermenigvuldiger (PM) is de omzetting van lichtenergie
naar vrije elektronen. Deze stap kan ingedeeld worden in drie opeenvolgende tussenstappen:
1) De absorptie van een invallend lichtquantum en de overdracht van de energie van dit foton aan het
kathodemateriaal en het vrijmaken van een elektron.
2) De migratie van het vrijgezette elektron naar het (tegenoverliggende) kathodeoppervlak.
3) Het loskomen van het elektron uit de oppervlakte van het kathodemateriaal.
De energie die door een lichtquantum kan overgebracht worden in de eerste stap wordt volledig bepaald
door de energie van dat foton (E = h). Voor het blauwachtige licht dat typisch door de meeste scintillatoren
wordt uitgezonden is deze energie ongeveer gelijk aan 3 eV. Dit is tevens de maximale waarde voor de
kinetische energie die het vrijgezette elektron kan meekrijgen op zijn migratie doorheen het
fotokathodemateriaal.
Door botsingen binnen het kathodemateriaal in stap (2) zal een deel van deze energie verloren gaan. Bij het
loskomen van het kathodeoppervlak moet het elektron een potentiaalbarrire overwinnen die voor de
fotokathode typisch tussen 1.5 en 2 eV ligt. Deze barrire wordt ook wel de werkfunctie van de fotokathode
genoemd en legt de minimumenergie vast die een elektron moet hebben om aan het kathodemateriaal te
kunnen ontsnappen.
Karel de Grote Hogeschool, Katholieke Hogeschool Antwerpen vzw - Brusselstraat 45, 2018 ANTWERPEN - BTW BE-0458.402.105
De verhouding tussen het aantal invallende fotonen en het aantal vrijgezette elektronen karakteriseert de
performantie van de fotovermenigvuldiger. Deze verhouding wordt de quantumefficintie (QE) genoemd. De
typische quantumefficintie van PM-buizen ligt rond de 20 30 %.
=

7.4.2.3.2 Secundaire elektronen emissie
De tweede stap in het proces van de signaalconversie is de vermenigvuldiging van het aantal uit de
fotokathode vrijgezette elektronen. Het werkingsprincipe berust op het fenomeen van de secundaire
elektronen emissie. Hierbij wordt een elektron door een potentiaalveld versneld en op het oppervlak van een
tweede elektrode (de dynode) ingeschoten. De kinetische energie van het ingeschoten elektron wordt in het
dynodemateriaal omgezet in ionisatie-energie. Indien de kinetische energie voldoende hoog is, kunnen
meerdere secundaire elektronen vrijgezet worden. Hierdoor is dus het oorspronkelijke aantal elektronen
vermenigvuldigd.
De kinetische energie van het initile elektron (vrijgezet uit de fotokathode) is ongeveer 1 eV. De energie
nodig om een elektron vrij te maken uit het dynodemateriaal is ongeveer 2 - 3 eV. Voor een dynodepotentiaal
van 100 V krijgt een initieel elektron bijgevolg theoretisch voldoende kinetische energie om zo'n 30
secundaire elektronen vrij te zetten. Een groot deel van deze elektronen zal echter gevormd worden op een
serieuze diepte in het dynodemateriaal vrijgezet en gaan het oppervlak niet bereiken of onvoldoende energie
overhouden om de barrire te overwinnen. De elektronenvermenigvuldiging wordt gegeven door de
verhouding tussen het aantal primaire en het aantal secundaire elektronen. De waarde voor voor typische
dynodematerialen bij een normale interdynodespanning van honderd tot tweehonderd volt bedraagt 4 - 6.
=

Vermits een versterking van het signaal met een factor 5 nog altijd verre van voldoende is, wordt het principe
van de secundaire elektronen emissie herhaald toegepast binnen de PM-buis. Hiervoor worden een aantal op
elkaar volgende dynoden in de constructie van de buis voorzien, waarbij tussen elk paar opeenvolgende
dynodes hetzelfde potentiaalverschil bestaat. Hierdoor zullen de elektronen die op de eerste dynode
vrijgemaakt werden, terug versneld worden naar de tweede dynode en daar terug secundaire elektronen
emissie veroorzaken.
7.4.2.4 Toepassingsgebied
Scintillatiedetectoren worden evenals proportionele tellers en GM-telbuizen vrijwel uitsluitend gebruikt om
interactie (pulsen) te tellen.
Organische scintillatoren:
o Voorbeeld: Geladen organische scintillatoren zijn bij uitstek geschikt voor het detecteren van
stralingsdeeltjes (alfa, bta en neutronen).
Anorganische scintillatoren:
o Voorbeeld: NaI (TI), dit type scintillator bestaat uit een natriumjodide (NaI) kristal dat verontreinigd
is met thallium (Tl). Omwille van zijn eigenschappen wordt dit materiaal vandaag nog steeds het
meest gebruikt voor de detectie van X-stralen en -stralen in het domein van de spectrometrie.
. De oefenexamen moet geschreven zijn in de Nederlandse taal. Onderin staan de antwoorden. Het aantal vragen dat het oefenexamen moet bevatten is onbeperkt.

Report answer