1 Detectie TS VRS-D/MR vj Mieke Blaauw

Transcriptie

1 1 Detectie TS VRS-D/MR vj 2018 Mieke Blaauw

2 2 Detectie TS VRS-D/MR vj Atoombouw en verval 4,5 Wisselwerking van straling met materie en afscherming 6-9 Röntgentoestellen, ingekapselde bronnen 10 Grootheden en eenheden 11 Effecten en risico s van straling 12 Detectie van straling 13 Algemene regelgeving Regelgeving ingekapselde bronnen, toestellen en open bronnen Praktische stralingsbescherming Risico-analyse en dosisberekening in praktijk

3 3 Detectie TS VRS-D/MR vj 2018 Detectie van ioniserende straling Dosistempometer PET scan Medische beeldvorming Detectie van radioactief schroot met poortdetectorsystemen

4 4 Detectie TS VRS-D/MR vj 2018 Wisselwerking met detectiemateriaal energie-afgifte: detectie Ionisatiedetectoren 7 3 Li Excitatie M L K (Licht)foton Scintillatiedetectoren Fotografische emulsie Ionisatie elektron proton neutron

5 5 Detectie TS VRS-D/MR vj 2018 Keuze detectormateriaal Soort straling α- en -straling (deeltjes) Doordringend vermogen laag - gemiddeld Detectiemateriaal Lage soortelijke massa, lage Z γ- en rontgenstraling (fotonen) hoog hoge soortelijke massa, hoge Z

6 6 Detectie TS VRS-D/MR vj 2018 Soorten detectoren Ionisatiedetector, detectiemateriaal: gas vaste stof Scintillatiedetector, detectiemateriaal: vaste stof - anorganisch of organisch vloeistof Fotografische emulsie

7 7 Detectie TS VRS-D/MR vj 2018 Soorten detectoren Ionisatiedetector, detectiemateriaal: gas vaste stof (halfgeleider) Scintillatiedetector, detectiemateriaal: vaste stof - anorganisch of organisch vloeistof Fotografische emulsie

8 8 Detectie TS VRS-D/MR vj 2018 Gasgevulde Ionisatiedetectoren ionisatiekamer proportionele telbuis Geiger-Müllerbuis venster Kathode: negatief telgas Anodedraad: positief Telgas: lucht, aardgas (lage Z), edelgas (hoge Z),... Straling ionisatie van telgas: Vorming elektron- / ion + - paren Anodespanning: V (hangt af van soort gasgevulde detector)

9 8 Detectie TS VRS-D/MR vj 2018 Gasgevulde Ionisatiedetectoren Anodespanning (I - recombinatiegebied) II - ionisatiekamergebied III - proportioneel gebied (IV - onvolledig proportioneel) V - Geiger-Müllergebied (VI - gasontladingsgebied) 10 log(n ion) VI V IV III I II -deeltje -deeltje anodespanning (V)

10 10 Detectie TS VRS-D/MR vj 2018 Gasgevulde Ionisatiedetectoren Ionisatiekamer, II lage anodespanning 15 V VI Straling veroorzaakt ionisaties in telgas: Er ontstaan elektron- ion paren Elektronen (-) gaan naar de anode, Gasionen (+) gaan naar de kathode stroompuls 10 log(n ion) I II II -deeltje IV III -deeltje anodespanning (V) Grootte van stroompuls evenredig met energie van gemeten deeltje: geeft informatie over energie gemeten deeltje

11 11 Detectie TS VRS-D/MR vj 2018 Gasgevulde Ionisatiedetectoren ionisatiekamer, II lage anodespanning kathodewand Elektronen die door ionisaties van telgas ontstaan, de primaire elektronen (1), worden versneld, en botsen met atomen van telgas Veroorzaken secundaire ionisaties (2) ioniserende straling kathodewand anodedraad 1 primaire lading 2 secundaire lading positief ion negatief elektron

12 12 Detectie TS VRS-D/MR vj 2018 Mieke Blaauw Gasgevulde Ionisatiedetectoren Proportionele telbuis III - hogere anodespanning Gasversterking 10 log(nion) I II III III IV V VI Pulsgrootte evenredig met energie van gemeten deeltje: informatie over energie van gemeten deeltje 0 -deeltje -deeltje anodespanning (V)

13 13 Detectie TS VRS-D/MR vj 2018 Gasgevulde Ionisatiedetectoren Geiger - Müller telbuis V - hoge spanning Het primaire elektron wordt sterk versneld, botst met atomen van telgas en veroorzaakt vele lawines van secundaire ionisaties* 10 log(nion) IV III I II -deeltje -deeltje anodespanning (V) V V VI Verzadigingseffect - elke gemeten puls is even sterk: Geen informatie over energie van gemeten deeltjes *Om te voorkomen dat elektronen uit kathodewand vrijkomen wordt een doofgas toegevoegd

14 14 Detectie TS VRS-D/MR vj 2018 Gasgevulde Ionisatiedetectoren Geiger - Müller telbuis V - hoge spanning Voordeel: eenvoudige constructie, goedkoop Nadelen: Geen informatie over energie en soort straling Na een puls is elektrisch veld tijdelijk verstoord Daardoor kan tijdelijk geen nieuwe puls ontstaan Dode tijd: > 100 s Bij hoog teltempo: onderschatting van ware teltempo Buis kan dichtslaan bij extreem hoog teltempo: telgas voortdurend geioniseerd zodat geen nieuwe puls gemeten wordt -

15 15 Detectie TS VRS-D/MR vj 2018 Vaste stof Ionisatiedetectoren Halfgeleiderdetector elektronen die ontstaan door straling bewegen naar elektrode puls Silicium (Z=14: voor β-straling) Germanium (γ- en röntgenstraling) Germanium hoog rendement, grote energieresolutie echter: koelen tot ca.-190 C, duur Germaniumdetector

16 16 Detectie TS VRS-D/MR vj

17 17 Detectie TS VRS-D/MR vj 2018 Soorten detectoren Ionisatiedetector, detectiemateriaal: gas vaste stof Scintillatiedetector, detectiemateriaal: vaste stof - anorganisch of organisch vloeistof Fotografische emulsie

18 18 Detectie TS VRS-D/MR vj 2018 Scintillatiedetectoren 7 3 Li M L K Excitatie Licht (foton) (Engels: scintillation = fonkeling) Ionisatie elektron proton neutron

19 19 Detectie TS VRS-D/MR vj 2018 Vaste-stof Scintillatiedetectoren Anorganische scintillator Hoge dichtheid: geschikt voor fotonen- straling NaI, BaF2 of bismuth germanium oxide (BGO) kristallen bevatten vaak een fluorescerende toevoeging Voorbeeld: natriumiodide met telluur: NaI(Tl) ZnS voor α-straling Organische scintillator Lagere dichtheid: geschikt voor β- straling soorten plastic, bevatten vaak een fluorescerende toevoeging

20 20 Detectie TS VRS-D/MR vj 2018 Vaste-stof Scintillatiedetectoren Scintillation crystal NaI(Tl) 30x70 mm Gamma scintillator Radiation detector $49.99 Buy It Now 12 watching 1 sold Philips 3" Photomultiplier Tube XP2412 Gamma Radiation PMT Nuclear Detection Kit $30.50 Buy It Now Free Shipping Beautiful Philips PMT photo multiplier tube! Great for projects such as building a Gamma Spectrometry...

21 21 Detectie TS VRS-D/MR vj 2018 Vaste-stof NaI- detector Scintillatiedetectoren NaI 1 röntgen- of γ-foton veroorzaakt lichtfotonen Foto-kathode: lichtfoton elektron 2 Photomultiplier tube (PMT) versterkt elektronen 3 4 Pulsgrootte evenredig met energie van foton

22 22 Detectie TS VRS-D/MR vj 2018 Vaste-stof Scintillatiedetectoren Interacties röntgen- en γ-fotonen met detectormateriaal: Fotopiek: Foton staat alle energie af aan detectormateriaal Comptonrug: Detectie van Comptonfotonen met verschillende energieën E van röntgen- of γ-foton

23 Aantal pulsen 23 Detectie TS VRS-D/MR vj 2018 Vaste-stof Scintillatiedetectoren NaI-detector: Spectrum van Cs-137 Grootte (intensiteit) van pulsen - is maat voor energie (kev) van gemeten fotonen Veelkanaalsanalysator (multi channel analyzer: MCA) Telt de pulsen en sorteert pulsen op intensiteit

24 24 Detectie TS VRS-D/MR vj 2018 Vaste-stof Scintillatiedetectoren Thermoluminescentiedetector (TLD) CaF 2, LiF, Li 2 B 4 O 7 bij wisselwerking komen elektronen in een metastabiele toestand tijdens verwarming van TLD gaat elektron terug naar de grondtoestand hierbij wordt licht uitgezonden: thermoluminescentie verwarming Persoonsdosimeter (TLD-badge)

25 25 Detectie TS VRS-D/MR vj 2018 Vloeibare scintillatoren Liquid scintillation counting (LSC) Scintillatormoleculen in telvloeistof (cocktail) Radioactieve stof in telvloeistof Optimale energieoverdracht: hoog telrendement Lage dichtheid/ lage Z: detectie α- en β-straling (ook laag-energetische gamma- en röntgenstraling)

26 26 Detectie TS VRS-D/MR vj 2018 Vloeibare scintillatoren Energie- doorgifte in telvloeistof Lichtfotonen MCA Scintillator moleculen Na excitatie produceren scintillator (fluor)moleculen licht Hoe hoger de energie van α- of β-deeltje, hoe meer lichtfotonen per puls

27 Aantal pulsen 27 Detectie TS VRS-D/MR vj 2018 Vloeibare scintillatoren 14 C 3 H (zeer zwakke β-straler!) Energiespectra ( - straling) Veelkanaalsanalysator (multi channel analyzer: MCA) Telt de pulsen en sorteert pulsen op intensiteit

28 28 Detectie TS VRS-D/MR vj 2018 KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino experiment) Vloeistofscintillatie detector (zeer groot volume) voor elementaire deeltjes

29 29 Detectie TS VRS-D/MR vj 2018 Soorten detectoren Ionisatiedetector, detectiemateriaal: gas vaste stof Scintillatiedetector, detectiemateriaal: vaste stof - anorganisch of organisch vloeistof Fotografische emulsie

30 130 Detectie TS TS VRS-D/MR vj vj 2018 Fotografische detectie Begin van 20 e eeuw

31 31 Detectie TS VRS-D/MR vj 2018 Fotografische detectie Röntgenfoto oudste detector, waarmee röntgenstraling (1895 door Röntgen) en radioactiviteit (1896) zijn ontdekt Autoradiogram analytisch hulpmiddel in de chemie en biochemie (verdrongen door CCD, fosforescerende plaat) Filmbadge als persoonsdosismeter (verdrongen door de TLD)

32 32 Detectie TS VRS-D/MR vj 2018 Medische beeldvorming Met alternatieven voor fotografische emulsie vast röntgentoestel kantelbare C-boog CT-scanner

33 33 Detectie TS VRS-D/MR vj 2018 Detectie van ioniserende straling: toepassingen Identificatie van de bron (spectrumanalyse) Kwantitatieve telling (activiteit) Meting van dosistempo of dosis Meting radioactieve besmetting Controle aan de poort

34 34 Detectie TS VRS-D/MR vj 2018 Identificatie van de bron - spectrumanalyse -spectroscopie Fotoelektrisch effect: piek(en) bij E Comptonfotonen (Comptonverstrooiing in detectormateriaal) Co-60 vervalschema Co-60 fotopieken Comptonrug 2 Energy / NaI- of Ge-detector

35 efficiency 35 Detectie TS VRS-D/MR vj 2018 Spectrumanalyse γ: Detectie- efficiency hangt af van de γ-energie 10.1 % # pulsen / # fotonen 1, % ,1 % gamma-energie (kev)

36 36 Detectie TS VRS-D/MR vj 2018 Kwantitatieve telling Activiteitsbepaling (Bq = dps) = Aantal desintegraties per tijdseenheid Totale telrendement : ε (efficiency) Moet bekend zijn, is afhankelijk van: = T (teltempo) A (activiteit) Soort detector Soort straling Afstand detector bron Emissierendement

37 37 Detectie TS VRS-D/MR vj 2018 Besmettingsmonitor Telling aantal pulsen per tijdseenheid bijv. cps, cpm Zegt niets over dosis: volstrekt ongeschikt als dosistempometer Zeer gevoelige besmettingsmeting: veegmonster in vloeistof scintillatieteller

38 38 Detectie TS VRS-D/MR vj 2018 Keuze van besmettingsmonitor Deeltjesstraling: detectiemateriaal met lage Z -besmetting ZnS met zeer dun venster gasgevulde detector met zeer dun venster vloeistofscintillatieteller -besmetting gasgevulde detector met dun venster Si-detector met dun venster (geen Ge, Ge-detecor detecteert teveel -achtergrondstraling) vloeistofscintillatieteller

39 39 Detectie TS VRS-D/MR vj 2018 Keuze van besmettingsmonitor - Fotonenstraling: bij voorkeur detectiemateriaal met hoge Z -besmetting NaI-detector Gasgevulde detector (laag telrendement voor fotonen) met groot oppervlak en lage achtergrond Ge-detector Si-detector met dun venster (voor röntgenstraling) vloeistofscintillatieteller (als E < 50 kev)

40 40 Detectie TS VRS-D/MR vj 2018 Dosistempometer Aanwijzing: sievert per tijdseenheid Zegt niets over Bq/ cm 2 : volstrekt ongeschikt als besmettingsmonitor bijv. μsv/h kleine GM buis: stroommeter meet gemiddelde stroom t.g.v pulsen lage efficiency voor γ-straling (~ 1%)

41 41 Detectie TS VRS-D/MR vj 2018 Detectoren en hun toepassingen - overzicht Detector- detectoren meten van β-straling meten van fotonenstraling materiaal * ook α- straling lonisatiedetectoren GM-buis (dun venster) besmetting* dosistempo Gas- GM-buis (dik venster) dosistempo dosistempo gevuld Proportionele telbuis besmetting* dosistempo (dun venster, xenon vulling) en besmetting (bij laagenergetische y's zoals 125 I) Half- Ge, Ge(Li) xxx spectrum, identificatie nuclide geleider Si spectrum xxx Scintillatiedetectoren NaI(Tl), LaBr3(Ce), BGO xxx besmetting Vaste spectrum (eenvoudig) stof Antraceen of ZnS besmetting* xxx TLD persoonsdosismeter persoonsdosismeter Vloeistof Scintillatievloeistof besmetting zachte γ-straling Tabel (aangepast) uit PRAKTISCHE STRALINGSHYGIENE, van den Eijnde/ Schouwenburg (7 e druk) p.68

42 42 Detectie TS VRS-D/MR vj 2018 Mieke Blaauw