Szintillations Zähler
|
Allgemeines:
Der Szintillationszähler gehört zu den ältesten radioaktiven
Messtechniken. Schon Rutherford benützte das durch Alpha-Teilchen
verursachte Aufblitzen auf einem Leuchtschirm für seine berühmten
Streuexperimente. Allerdings mußten zu dieser Zeit die Lichtblitze
mühsam mittels eines Mikroskop gezählt werden.
Mit der Erfindung der Zählrohre von Geiger und Müller
wurden später weitaus empfindlichere Messtechniken gefunden
und das Szintillationsprinzip geriet in Vergessenheit.
Das änderte sich mit der Entwicklung von Fotomultipliern, hochempfindliche
Geräte zur Messung kleinster Lichtintensitäten. So konnten
nun die Szintillationsblitze auf elektrischem Weg gemessen werden.
Heutzutage hat wiederum der Szintillationszähler das Geiger-Müller-Zählrohr
in vielen Anwendungen verdrängt.
|
Szintillatoren:
Es gibt sehr viele Materialien die den Szintillationseffrekt zeigen
anorganische und organische. Während anorganische Szitillatoren
meist als Einkristalle vorliegen müssen können organische
als Kristalle, in Lösungen oder in einer Kunststoffmatrix verwendet
werden. Fast alle Szintillatoren zeigen eine, nicht immersichtbare,
Fluoreszenz bei Beleuchtung mit UV-Licht. Allerdings eignen sich nicht
alle fluoreszierende Materialien als Szintillatoren. Stark fluoreszierende
Stoffe wie Fluorescein, Eosin oder die Rhodamine sind nicht brauchbar.
Besser sind die im blauen oder nahem UV Spektralbereich strahlenden
Farbstoffe. Die meisten blauen Laserfarbstoffe (Cumarine,
p-Terphenyl) eignen sich als Szintillatoren.
Das rechte Bild zeigt drei Beispiele. Ganz rechts ein Plastikszintlilator,
hier wird das aktive Material vor der Polymerisation dem Grundstoff,
z.B. Styrol beigemengt.
In der Mitte oben eine Küvette mit einer Lösung von p-Terpheny
in Toulol, ebenfalls ein hervoragender Szintillator. Unten links ein
mit Zinksulfid beschichteter Schirm der sich zur Messung von Röntgenstrahlen
und Alphateilchen eignet.
Im Buch >Experimente
mit Geigerzählern, Funken- und Nebelkammer< ist
ein ganzes Kapitel Experimenten mit verschiedenen Szintillatormaterialien
gewidmet.
|
|
|
Von den anorganischen Szintillatoren
wird vor allem Natriumjodid, das mit Thallium dotiert wurde, verwendet.
Aus diesem Material lassen sich große Einkristalle mit hervorragender
optischer Qualität züchten. Szintillatoren aus NaJ (Tl)
eigen sich auch zur >Spektroskopie<
da die Helligkeit der Lichtemission zur den Energie des absorbierten
Teilchens proportional ist. Eine Möglichkeit zum Bezug von Natriumjodid-Szintillatoren,
die eigentlich nicht ganz billig sind bietet wie so oft Ebay, speziell
die Angebote von >Sovtube<
können empfohlen werden. Das rechte Bild zeigt einen Szintillator
mit
16 mm Durchmesser und 32 mm Länge ( Preis etwa 30 €). Da
Natriumjodid sehr hygroskopisch ist muss es in einer dichten Hülle
eingeschlossen werden, an der Luft würde sich der glasklare Kristall
schnell trüben. Ältere Kristall zeigen manchmal durch Eindrigen
von Wasserspuren partielle Trübungen. Für Zähleranwendungen
kann man diese immer noch verwenden, zur >Spektroskopie<
sind sie aber nicht mehr geeignet. |
|
|
|
|
Meist werden zur Detektion der Lichtblitze des Szintillators
Fotomultiplier verwendet. Bei diesen werden einer Fotokathode durch
auffallendes Licht Elektronen emittiert. Die nachfolgenden Sekundärelektronenstufen
verstärken den schwachen Elektronenstrom der Fotokathode um ein
Vielfaches ( 103 bis 106 fach). Der verstärkte
Elektronenstrom erzeugt am Ausgangwiderstand des Multipliers ein Spannung
die gemessen werden kann. Im Vergleich zu den etwas schwierig zu findenden
Szintillatoren werden Multiplier oft und recht günstig bei Ebay
angeboten. |
|
Der verwendete
Multiplier ist von Hamamatsu und hat die Bezeichnung >R1450<.
Die Röhre hat eine Fotokathode vom Typ Bialkali mit einem Empfindlichkeitsmaximum
bei 420 nm. Das passt gut zur Emission des NaJ-Kristalls bei 460 nm.
Die 10 Stufen des Multpliers ergeben eine Verstärkung von 2000
bei einer Betriebsspannung von 500V bis zu 2 Millionen bei 1500V.
Zum Betrieb ist eine Spannungsquelle mit etwa 1500 V negativer Ausgangsspannung,
am besten regelbar, notwendig. Die Beschaltung es Multipliers besteht
aus einem Spannungsteiler der die Betriebsspannungen für die
einzelnen Stufen zu Verfügung stellt.
Die Verstärkung ist hoch genug dass der Multiplier ohne Vorverstärker
direkt an den >MCA<
angeschlossen werden kann. |
|
|
|
|
|
Wegen der hohen Verstärkung müssen Szintillator
und Multiplier absolut lichtdicht verpackt werden. Das wird
am Besten kontrolliert indem man die Spannung am Multipliers
langsam steigert und den Ausgang zum MCA kontrolliert. Es darf
dort keine Gleichspannung zu messen sein, nur ein mit der Spannung
ansteigendes, niedriges Rauschen. NaJ(Tl)- und Kunststoff Szintillator
werden einfach in ein passendes Rohr eingeklebt. Flüssige
Szintillatoren kann man in ein kleines Fläschchen füllen
und vor dem Multiplier in einem Rohr unterbringen. Die optische
Ankopplung ist dann zwar nicht optimal aber für erste Versuche
reicht das aus. |
|
|
Es wurden drei Zähler gebaut, einer mit dem NaJ(Tl) Szintillator,
der andere mit dem Plastikszintillator ungekannter Herkunft und der
dritte mit einer Lösung von p-Terphenyl in Toluol (0,4g / 100
ml),. Gemessen wurden 5 Quellen und der Nulleffekt, Messzeit 5 Minuten
(300 x 1 Sekunde), in der Tabelle steht der Mittelwert aus den einzelnen
Messungen. Messparameter Multiplier 1500V, VCA Gain 30 |
Quelle |
NaJ (Tl) |
Plastik |
p-Terphenyl in Toluol |
Leuchtziffer (Radium) |
31,2
|
|
14,3
|
|
3.65
|
|
Sr90-Quelle |
823.5
|
|
4870,6
|
|
157,06
|
|
Glühstrumpf (Thorium) |
23,1
|
|
8,9
|
|
4,90
|
|
Rauchmelder (Americium) |
524,2
|
|
0,3
|
|
1,37
|
|
Röntgenröhre 35kV 2µA 50 cm
Abstand |
22436,5
|
1,3
|
3,0
|
Nulleffekt |
0,2
|
|
0,2
|
|
1,27
|
|
|
|
Auffallend sind zwei Messwerte: die extrem hohe Empfindlichkeit
des NaJ(Tl) für Röntgenstrahlung (22436 c/s) und die hohe
Empfindlichkeit des Plastikszintillators für die 800 keV Elektronen
des Sr90 (4870 c/s). |
Mit den NaJ(Tl) Szintillator wurden auch Spektren der
Proben gemessen. Die Energiekalibieren erfolgte anhand der 60 keV
Linie des Americiums, des Kalium und der bekannten Linien des Radiums.Messparameter
Multiplier 1350V, VCA Gain 30 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|