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 ( 10³bis 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