SBD 9692 Technische Universiteit Eindhoven 98-11-05, niv. 5 A/B Centrum Stralingsbescherming en Dosimetrie Stralingsbeschermingsdienst DETECTIE EN MEETMETHODEN De werking van een groot deel van de stralingsmeetapparatuur berust op de vorming van ionen in gassen. Daarnaast zijn er detectoren waarbij gebruik gemaakt wordt van stoffen die onder invloed van ioniserende straling fysische verschijnselen vertonen zoals veranderingen in elektrische geleidbaarheid en het uitzenden van licht. Ook zijn er detectiemethoden die berusten op de inductie van chemische veranderingen zoals het fotografisch effect. Specifiek voor de neutronendetectie wordt de activeringsmethode gehanteerd. Gasgevulde detectoren De absorptie van ioniserende straling in gas leidt tot de vorming van ion-elektron paren. Onder invloed van een elektrisch veld tussen twee op korte afstand van elkaar geplaatste elektroden, zullen de positieve ionen door de kathode en de elektronen door de anode worden aangetrokken. De stroom van geladen deeltjes resulteert in een elektrische stroom in de uitwendige keten of een ladingsverlies op een condensator. In het verband tussen de stroom en de spanning is een aantal kenmerkende spanningstrajecten te onderscheiden (figuur 1). Figuur 1 Karakteristiek van gasgevulde detector. Aantal op de kathode verzamelde ionen (pulshoogte) als functie van de buisspanning, voor alfa- en bètadeeltjes. (a) ionenverlies door recombinatie (b) verzadigde ionenstroom: ionisatiekamer (c) proportionele telbuis (d) begrensde proportionaliteit (niet buikbaar) (e) Geiger-Müller gebied (f) continue ontlading (niet buikbaar) Bij lage spanningen (traject a) is de snelheid van de positieve ionen vaak zo klein dat recombinatie met vrije elektronen optreedt voordat de kathode wordt bereikt. Door de recombinatie van elektronen en ionen is dit spanningstraject ongeschikt voor detectiedoeleinden. Bij spanningen in de orde van 100 tot 250 V (traject b) bereiken alle elektronen de anode. De ionenstroom is dan afhankelijk van de intensiteit van de straling en niet van spanningsvariaties. Op deze wijze werkt de ionisatiekamer. De ordegrootte van de stroomsterkte in de uitwendige keten is 10-12 Ampère zodat versterking nodig is. Boven ongeveer 250 V blijken de bij ionisatie gevormde elektronen zodanig te worden versneld dat ze op hun beurt en
SBD 9692 Detectie en meetmethoden - 2 in cascade, ionisaties veroorzaken. Het optreden van deze secundaire ionisatie wordt gasversterking genoemd. De versterking bedraagt een factor 10 3 à 10 5. Op een groter spanningstraject (traject c) is de pulshoogte proportioneel voor de door het deeltje of foton overgedragen energie, deze eigenschappen worden toegepast in de proportionaalteller. De pulsen worden geteld en kunnen desgewenst naar hoogte worden onderscheiden, zodat discriminatie tussen alfa- en bètastraling mogelijk is. In traject d is de pulshoogte niet meer evenredig met het aantal primaire ionisaties. Dit gebied wordt niet gebruikt in de stralingsdetectie. Wanneer de spanning verder wordt opgevoerd (traject e) wordt de gasversterking zeer groot (orde 10 9 ) waardoor een enkel ioniserend deeltje aanleiding is tot een lawine van elektronen in de kamer of buis. Dit resulteert in een sterke stroompuls. De hoogte en lengte van de puls zijn onafhankelijk van de stralingsenergie; ze worden bepaald door de dimensionering van het uitwendige elektrische circuit. Volgens dit principe werkt de Geiger-Müller teller. Bij nog grotere spanningen tussen de elektroden (traject f) treedt spontane gasontlading op. Het systeem is dan niet meer bruikbaar als detector. Ionisatiekamer De ionisatiekamer is vooral geschikt voor het meten van het geabsorbeerde dosis(-tempo) en het exposie(-tempo) ten gevolge van gamma- en röntgenstraling. In een uniform stralingsveld is de gevoeligheid evenredig met het gasvolume en de gasdruk (mits de recombinatie verwaarloosbaar is). De constructie zowel als het gebruikte gastype hangt samen met het toepassingsgebied van het instrument. Voor stralingsbeschermingsdoeleinden worden veelal luchtgevulde kamers toegepast. De wanden van de detector bestaan uit lichte elementen, hetgeen verband houdt met de invloed van de wisselwerking tussen de straling en het wandmateriaal op de ionisatie in het gasvolume. De ionisatiekamer is niet geschikt voor het detecteren van afzonderlijke alfa- en bètadeeltjes, immers de elektrische stroom is dan te gering. Daarbij komt dat vanwege de beperkte dracht van deze deeltjes straling de wand als afscherming fungeert en slechts een gering deel van de kamer als telvolume effectief kan zijn. Ionisatiekamers die volgens het elektrometerprincipe werken - daarbij wordt een condensator vóór de meting opgeladen - zijn geschikt voor het registreren van de totale exposie. Een bekend voorbeeld hiervan is de pendosimeter. Proportionaalteller Het voordeel van een proportionaalteller is dat gediscrimineerd kan worden tussen alfa- en bètadeeltjes. De specifieke ionisatie door alfadeeltjes is aanzienlijk groter dan van elektronen. De proportionaalteller wordt vooral toegepast ter bepaling van bronsterkten van alfa- en bètapreparaten. Het teltempo van de teller is immers direct gerelateerd aan het aantal desintegraties per tijdseenheid in het radioactieve preparaat. Een veel gebruikte methode is om het preparaat binnen het gasvolume te plaatsen (internal counter). Er treden dan geen wandeffecten op. Een nadeel van de proportionaalteller is het feit dat kleine spanningsvariaties sterk doorspreken in de ionenstroom naar de kathode en dus ook in de pulshoogte. Geiger-Müller teller Indien geen energiediscriminatie noodzakelijk is en geen hoge teltempi bereikt worden, kan men voor activiteitsbepalingen en niet al te nauwkeurige exposiemetingen gebruik maken van een GM-detector. Doordat de benodigde elektronica relatief eenvoudig is en aan de hoogspanning geen hoge eisen worden gesteld, is deze detector t.o.v. de andere stralingsdetectoren relatief goedkoop. De GM-buis is een gasgevulde stralingsdetector die bij hoge spanningen (ca. 600 V) werkt, waardoor elke interactie in het meetvolume waarbij een elektron-ion paar gevormd wordt, een elektronenlawine veroorzaakt.
SBD 9692 Detectie en meetmethoden - 3 Figuur 2 De GM-buis De anodespanning waarbij de telbuis als GM-telbuis begint te werken wordt startspanning genoemd. Bij een iets hogere spanning begint een plateau, d.i. een gebied waarin het aantal ontladingen bij constante stralingsintensiteit nagenoeg niet verandert als de anodespanning wordt verhoogd. Bij verdere verhoging van de spanning zal de vorming van een ionenpaar aanleiding geven tot een reeks van pulsen ("continue ontlading") waardoor de buis blijvend beschadigd kan worden. (Pas op: Als deze toestand zich voordoet dient de anodespanning terstond weer tot in of beneden het plateau te worden verlaagd!) Bij de GM-telbuis is het ladingtransport in de tijd tussen de primaire ionisatie door de straling en het doven niet evenredig met de energie van het radioactieve deeltje door de werking van het toegevoegde gas. Deze stroomstoten of ladingspulsen zijn echter groter dan bij de proportionele telbuis. Ze zijn daarom makkelijker te tellen. Figuur 3 Om de fotonenergie afhankelijkheid van de GM-buis te verminderen wordt de buis vaak omgeven met een filter. Voor de detectie van alfa- en bètadeeltjes en laagenergetische gamma- en röntgenstraling wordt gebruik gemaakt van een GM-buis die voorzien is van een zeer dunwandig mica of glasvenster (1,5 mg/cm 2 ). Vaste stof detectoren Bij sommige klassen van kristallijne stoffen treden onder invloed van ioniserende straling direct uitwendig waarneembare effecten op. Bij dergelijke stoffen bevinden de elektronen zich in bepaalde energiebanden, welke onderling gescheiden zijn door zgn. "verboden banden". De hoogste energieband in de normale toestand is de valentieband (figuur 4). Door energie-overdracht van straling aan valentie-elektronen kunnen deze in de geleidingsband of excitatieband terecht komen. Bij deze overgang van het elektron ontstaan een zgn. "gat" in de valentieband: het analogon van een positief ion in een gassysteem.
SBD 9692 Detectie en meetmethoden - 4 Figuur 4 Ionisatie, excitatie en trapping. Bij overgang van elektronen naar de geleidingsband worden de elektronen en gaten onafhankelijk beweeglijk in hun resp. energiebanden, hetgeen onder invloed van een elektrisch veld tot uitdrukking komt in een verhoogde elektrische geleidbaarheid van het materiaal. Elektronen in de excitatieband, een aangeslagen toestand, zullen onder uitzending van fluorescentielicht kunnen terugvallen naar de oorspronkelijke energietoestand. Het derde proces dat kan optreden is "electron trapping" waarbij elektronen terecht komen in een meestal niet stabiele energietoestand in de verboden band boven de valentieband, welke daar mogelijk worden als gevolg van onzuiverheden of onvolkomenheden in de kristalstructuur. Ook in dit geval kan het elektron onder uitzending van fluorescentiestraling terugvallen naar de valentieband, echter pas nadat voldoende extra energie is toegevoerd om het elektron eerst in de excitatieband te brengen. Wanneer deze extra energie wordt toegevoerd in de vorm van warmte wordt het proces thermoluminescentie genoemd. Thermoluminescentie Het verhitten van de kristallijne stof tot enkele honderden graden Celsius, gebeurt in een lichtdichte ruimte onder een fotomultiplicatorbuis. De totale lichtopbrengst bij het uitstoken is een maat voor de door de detector geabsorbeerde stralingsdosis. De materialen worden zodanig gekozen dat de onder invloed van ioniserende straling ontstane energietoestanden bij normale omgevingstemperaturen stabiel zijn. Mits goed gekalibreerd voor verschillende energieën en stralingstypen, is de thermoluminescentie methode zeer geschikt voor de persoons- en omgevingsdosimetrie. Het meest gangbare materiaal is LiF. Een met thermoluminescentiedosimetrie (TLD) vergelijkbare methode is de radiofotoluminescentie (RPL). In dit geval wordt de lichtemissie gestimuleerd door UV-straling. Een fundamenteel verschil is dat bij radiofotoluminescentiedetectoren, die meestal bestaan uit fosfaat houdend glas, de informatie over de stralingsdosis niet verloren gaat bij het uitlezen; dit in tegenstelling tot hetgeen bij TLD gebeurt. Scintillatiedetector Om het spectrum van een gammastraler te kunnen bepalen is het noodzakelijk dat de fotonen naar energie van elkaar onderscheiden kunnen worden. Detectoren die gebruikt worden bij gammaspectrometrische toepassingen moeten daarom aan die volg-elektronica niet alleen informatie leveren over het aantal primaire interacties maar ook over de energie-inhoud van de invallende fotonen. Ten gevolge van het grote doordringingsvermogen van gammastraling (kleine kans op interactie per doorlopen weglengte) zijn detectoren met een hoge Z-waarde vereist. Het meest toegepaste scintillatiemateriaal is NaI. Door absorptie van fotonenenergie worden ionisaties veroorzaakt. De hierbij vrijkomende elektronen veroorzaken een groot aantal nieuwe ionisaties. Tijdens recombinatie van de gevormde ionen en elektronen worden laag-energetische fotonen (zichtbaar licht) uitgezonden. De lichtflitsjes worden m.b.v. een fotoversterkingsbuis omgezet in elektrische pulsjes (versterking ca. 10 8 ). Deze worden vervolgens weer elektronisch versterkt tot een zodanig spanningsniveau dat de aldus gevormde pulsen in registrerende apparatuur verwerkt kunnen worden.
SBD 9692 Detectie en meetmethoden - 5 De in het NaI opgewekte lichtflitsjes zijn naar intensiteit proportioneel met de energie-afgifte van de fotonen; het aantal lichtpulsen per tijdseenheid is een maat voor het aantal fotonen. Halfgeleiders Omdat de veranderingen in de geleidbaarheid in halfgeleiders het gevolg zijn van ionisatie, is er een overeenkomst met gasgevulde detectoren. Zo is de cadmiumtelluride-detector het analogon van de ionisatiekamer. Deze detector is geschikt voor meting van het gamma-dosistempo en heeft daarbij het voordeel van een grotere gevoeligheid bij een toch zeer beperkt volume. Straling veroorzaakt in germanium- en silicium-detectoren stroompulsen. De pulshoogte is in beide gevallen proportioneel met de energie-afgifte door straling in de detector. GeLi-kristallen worden vooral toegepast in de gammaspectrometrie, de Si-detectoren voor röntgenspectrometrie. Voor alfa- en bètaspectrometrie worden zgn. surface barrier detectoren gebruikt. Germanium en silicium hebben het nadeel dat ze bij lage temperaturen moeten worden gebruikt. In het spraakgebruik worden halfgeleider detectoren vaak de vaste stof detectoren genoemd. Fotografische werking Ioniserende straling heeft in principe eenzelfde inwerking op fotografische filmmaterialen als zichtbaar licht. De zwarting van de film na het ontwikkelen is een maat voor de geabsorbeerde stralingsenergie. Door de energie-absorptie wordt een latent beeld gevormd dat via een ontwikkelingsproces tot zichtbare zwarting kan worden gebracht. De zwarting wordt uitgedrukt als verhouding tussen de opvallende intensiteit en de doorgelaten intensiteit op de positie van het filmbeeld. De eigenschappen van een film worden bepaald met behulp van een zwartingscurve waarin de fotografische zwarting gegeven is als functie van de logaritme van de op de film vallende hoeveelheid licht. De zwarting vertoont vanaf de laagste waarde (bij geen belichting) eerst een geleidelijke toename die niet evenredig is met opvallende stralingsintensiteit (de achtergrond of sluier) en vervolgens een toename die evenredig is met de toenemende belichting. Bij zeer grote stralingsintensiteit (overbelichting) treedt een verzadiging van de zwarting op. In dat gebied is de fotometrische methode niet bruikbaar. Door vergelijking van de gemeten zwartingsgraad van de film met vooraf bepaalde ijkwaarden is het mogelijk de geabsorbeerde stralingsenergie te meten. Door keuze van het filmmateriaal kan een gevoeligheid worden bereikt van enkele microgray. De fotografische film is bruikbaar over een groot dosistraject: in de orde van een paar microgray tot enkele gray. Wanneer geschikte materialen in verschillende dikten worden toegepast ter filtering van de opvallende straling, kan uit de onderlinge verhouding van de zwartingen kennis worden verkregen over de stralingssoort en de energie. De fotografische methode wordt nog op grote schaal toegepast in de persoonsdosimetrie. Tegenover het voordeel van deze methode dat de meetresultaten kunnen worden bewaard en heruitgelezen, staat het nadeel dat een snelle dosismeting niet mogelijk is, gelet op de tijd die nodig is voor het ontwikkelen van de film. Behalve voor de persoonsdosimetrie wordt de fotografische methode vooral toegepast in de röntgendiagnostiek. Het verschil in stralingsabsorptie in verschillende weefselsoorten van het menselijk lichaam komt tot uitdrukking in een verschil in "belichtingssterkte" op de overeenkomstige plaats op de film, waardoor een afbeelding van onderling verschillende weefselstructuren wordt verkregen. Gammaspectrometrie De gammaspectrometrie neemt een belangrijke plaats in in de radiometrische methoden omdat de meeste radionucliden gammastraling uitzenden, al dan niet in combinatie met andere stralingssoorten. De gammakwanten worden bovendien uitgezonden in discrete energieën, waardoor een zgn. lijnenspectrum ontstaat. Omdat de intensiteitsverhoudingen van de geëmitteerde energieën karakteristiek zijn voor de nucliden, kan een dergelijk spectrum gebruikt worden voor identificatie en in vele gevallen zelfs voor
SBD 9692 Detectie en meetmethoden - 6 een concentratiebepaling van een bepaald nuclide in een radioactief preparaat. Toepassingen zijn o.a. materiaalonderzoek, radiologische zuiverheidsbepaling, hulpmiddel bij medisch onderzoek. Het gammaspectrum wordt naar uiterlijke vorm bepaald door de interactieprocessen tussen de invallende fotonen en het detectormateriaal. De hierbij optredende processen leveren alle een eigen bijdrage aan dit spectrum door hun verschil in energie-overdracht. Figuur 5 γ-spectrometrie-opstelling met scintillatiedetector Dode tijd In iedere meetopstelling neemt de detectie van een ioniserend deeltje en de verdere verwerking van de informatie een bepaalde tijd in beslag. Gedurende deze tijd kan de apparatuur geen volgende detectie verwerken; het apparaat is dan in feite "dood". Hierdoor kan de reële meettijd aanzienlijk verschillen van de kloktijd, waardoor in feite een telsnelheid-afhankelijke verlaging van het meetrendement optreedt. In gammaspectrometers wordt de meettijd meestal automatisch gecorrigeerd voor dode tijd, maar bij gebruik van eenvoudige meetapparatuur moet het meetresultaat apart gecorrigeerd worden. De waarde van de dode tijd (τ) is kenmerkend voor de gebruikte meetapparatuur, bijvoorbeeld: GM-opstelling: 10-500 µs, NaI-kristal : 1-10 µs. Stel dat het aantal gemeten pulsen per seconde N bedraagt. Dat betekent dat de dode tijd τ N maal per seconde is opgetreden. Iedere seconde meettijd wordt dus eigenlijk verkort met N.τ seconde. Per seconde is dan (1-Nτ ) seconde beschikbaar voor de meting. In deze tijd zijn N pulsen gemeten. De gecorrigeerde telsnelheid bedraagt dus: In een hoog stralingsveld kan de dode tijd zo groot zijn dat de meetapparatuur als het ware "dicht" slaat: het instrument wijst dan niets aan. Men dient hierop goed bedacht te zijn! Het uitvoeren van een meting Om een goede meting uit te voeren, is het belangrijk het juiste meetinstrument te kiezen en daarmee op de juiste wijze te meten. Meetsystemen worden onderverdeeld in: pulserende systemen, waarbij iedere interactie wordt vertaald in een elektrische ladingspuls ofwel een aantal pulsen over een bepaalde tijd wordt gemeten (dit zijn de direct afleesbare dosistempometers, rate-meters of surveymonitors) tijdsintegrerende systemen, hierbij wordt de som van de elektrische ladingspulsen gemeten (meting van dosis).
SBD 9692 Detectie en meetmethoden - 7 De keuze van het stralingsmeetinstrument wordt door een aantal factoren bepaald: Wat wil men precies gaan meten, bijvoorbeeld dosis of dosistempo? In welke eenheid wordt het meetresultaat uitgedrukt (µsv, msv, µsv/uur, enz.)? Wil men een activiteitsbepaling doen? Het meetresultaat wordt dan meestal uitgedrukt in het aantal geregistreerde tellen per tijdseenheid, bijvoorbeeld in cps = counts per second of cpm = counts per minute. Van belang is om het instrument te ijken, dat wil zeggen te bepalen met hoeveel becquerel bijvoorbeeld 1 cps overeenkomt. Wat is het meetbereik van het instrument? Hoe gevoelig is het instrument voor de stralingssoort die men wil gaan meten? Hoe gevoelig is het instrument voor de stralingssoorten die men niet wil meten? Hoe is de energie-afhankelijkheid? De meeste meetinstrumenten wijzen niet bij alle stralingsenergieën de juiste waarde van de dosis of dosistempo aan. Men moet een instrument kiezen waarbij het verschil tussen de werkelijke waarde en de geregistreerde waarde zo klein mogelijk is. Bij sommige meetinstrumenten duurt het enige tijd voordat het instrument de juiste waarde aanwijst. Houd hier dan ook rekening mee! Bij het verrichten van een stralingscontrole wil men een aantal zaken te weten komen, zoals: inzicht in het stralingsniveau, waarin personen moeten werken het stralingsniveau rondom een meetopstelling of afgeschermde bron controle van afscherming, eventuele spleetstraling en verstrooiing het verloop van het stralingsniveau in de tijd bij vaste opstellingen. Bedenk van te voren welke metingen gedaan moeten worden om alle gewenste gegevens aan de weet te komen. Voor een juiste meetmethodiek moet men aandacht besteden aan de volgende punten: kies vaste meetpunten binnen de ruimte (rastervorm), indien nodig driedimensionaal. meet ook buiten de werkruimte het stralingsniveau. let op de vorm van de afscherming; straling kan door verstrooiing de hoek om gaan verricht metingen periodiek noteer altijd de meetresultaten. Tenslotte nog drie praktische tips: Controleer bij instrumenten die op batterijen werken vòòr het uitvoeren van de meting de batterijspanning. Een meetinstrument is in het algemeen gekalibreerd voor een isotroop stralingsveld, dat wil zeggen dat de meter zich geheel in het veld bevindt. Wanneer de detector niet volledig wordt bestraald geeft dit een onderschatting van de werkelijke waarde. Dit is bijvoorbeeld het geval bij smalle bundels. Meet altijd eerst het dosistempo of teltempo ten gevolge van de achtergrondstraling. Dit moet van de uiteindelijke meting worden afgetrokken!
SBD 9692 Detectie en meetmethoden - 8 Meetrendement Bij meting van activiteit is het van belang het meetrendement van het gebruikte instrument te kennen. Niet alle desintegraties die plaatsvinden in een preparaat worden ook door het instrument gemeten. Dit komt in de eerste plaats omdat de straling alle richtingen opgaat. Door het meetinstrument kan nooit meer gemeten worden dan wat in de richting van het instrument wordt uitgezonden. In de praktijk is dit meestal nog minder ten gevolge van allerlei technische oorzaken. Het meetrendement hangt onder andere af van: de soort straling: niet ieder meetinstrument is geschikt voor alle soorten straling de energie van de straling: de respons van het instrument is ook afhankelijk van de energie van de straling de zelfabsorptie in het preparaat; in een dik preparaat dat een α- of een β-emitter bevat, wordt een gedeelte van de straling geabsorbeerd de soort detector: de ene soort is gevoeliger dan de andere. We moeten dus zorgen dat een meetinstrument geijkt is voor de straling die we willen meten. Dit kan worden gedaan door met het instrument een bekende hoeveelheid activiteit te meten en vast te stellen wat de uitlezing is in tellen per tijdseenheid (bijvoorbeeld cpm of cms). We kunnen dan uitrekenen met hoeveel becquerel 1 tel per tijdseenheid overeenkomt. Op deze manier kunnen we terugrekenen hoeveel activiteit de onbekende bron bevat. N.B. Het is dus van groot belang dat de eigenlijke meting op dezelfde manier wordt uitgevoerd als de ijkmeting.