Ionisationskammer - Ionization chamber
Die Ionisationskammer ist der einfachste aller gasgefüllten Strahlungsdetektoren und wird häufig zum Nachweis und zur Messung bestimmter Arten ionisierender Strahlung verwendet ; Röntgenstrahlen , Gammastrahlen und Betateilchen . Herkömmlicherweise wird der Begriff "Ionisationskammer" ausschließlich verwendet, um solche Detektoren zu beschreiben, die alle Ladungen sammeln, die durch direkte Ionisation innerhalb des Gases durch Anlegen eines elektrischen Feldes erzeugt werden. Es verwendet nur die diskreten Ladungen, die durch jede Wechselwirkung zwischen der einfallenden Strahlung und dem Gas erzeugt werden, und beinhaltet nicht die Gasmultiplikationsmechanismen, die von anderen Strahlungsinstrumenten wie dem Geigerzähler oder dem Proportionalzähler verwendet werden .
Ionenkammern haben ein gutes, gleichförmiges Ansprechen auf Strahlung über einen weiten Energiebereich und sind das bevorzugte Mittel zur Messung hoher Gammastrahlung. Sie werden häufig in der Kernkraftindustrie, in Forschungslabors, in der Radiographie, in der Radiobiologie und in der Umweltüberwachung eingesetzt.
Funktionsprinzip
Eine Ionisationskammer misst die Ladung aus der Anzahl der Ionenpaare, die in einem Gas durch einfallende Strahlung erzeugt werden. Es besteht aus einer gasgefüllten Kammer mit zwei Elektroden ; als Anode und Kathode bekannt . Die Elektroden können als parallele Platten (Parallel Plate Ionization Chambers: PPIC) oder als Zylinderanordnung mit einem koaxial angeordneten inneren Anodendraht vorliegen.
Zwischen den Elektroden wird ein Spannungspotential angelegt, um im Füllgas ein elektrisches Feld zu erzeugen. Wenn Gas zwischen den Elektroden durch einfallende ionisierende Strahlung ionisiert wird , werden Ionenpaare erzeugt und die resultierenden positiven Ionen und dissoziierten Elektronen bewegen sich unter dem Einfluss des elektrischen Feldes zu den Elektroden der entgegengesetzten Polarität . Dadurch wird ein Ionisationsstrom erzeugt, der von einer Elektrometerschaltung gemessen wird . Das Elektrometer muss in der Lage sein, den sehr kleinen Ausgangsstrom zu messen , der je nach Kammerdesign, Strahlendosis und angelegter Spannung im Bereich von Femtoampere bis Pikoampere liegt.
Jedes erzeugte Ionenpaar lagert eine kleine elektrische Ladung an oder von einer Elektrode ab oder entfernt sie, so dass die akkumulierte Ladung proportional zur Anzahl der erzeugten Ionenpaare und damit der Strahlungsdosis ist. Diese kontinuierliche Ladungserzeugung erzeugt einen Ionisationsstrom, der ein Maß für die Gesamtionisationsdosis ist, die in die Kammer eindringt.
Das elektrische Feld ist ausreichend stark, damit die Vorrichtung kontinuierlich arbeiten kann, indem alle Ionenpaare aufgewischt werden, wodurch die Rekombination von Ionenpaaren verhindert wird, die den Ionenstrom verringern würde. Diese Betriebsart wird als "Strom"-Modus bezeichnet, dh das Ausgangssignal ist ein Dauerstrom und kein Impulsausgang wie bei der Geiger-Müller-Röhre oder dem Proportionalzähler. Da die Anzahl der erzeugten Ionenpaare proportional zur Energie der einfallenden Strahlung ist, ist dieser kontinuierlich gemessene Strom proportional zur Dosisleistung (pro Zeiteinheit deponierte Energie) in der Ionisationskammer.
Unter Bezugnahme auf das begleitende Ionenpaar-Sammeldiagramm ist ersichtlich, dass im Ionenkammer-Betriebsbereich die Ladung eines gesammelten Ionenpaars über einen Bereich der angelegten Spannung effektiv konstant ist, da die Ionenkammer aufgrund ihrer relativ geringen elektrischen Feldstärke keinen Multiplikationseffekt haben. Dies unterscheidet sich von der Geiger-Müller-Röhre oder dem Proportionalzähler, bei der Sekundärelektronen und letztendlich mehrere Lawinen die ursprüngliche Ionenstromladung stark verstärken.
Kammertypen und Konstruktion
Die folgenden Kammertypen werden häufig verwendet.
Freiluftkammer
Dies ist eine Kammer, die frei zur Atmosphäre geöffnet ist, wobei das Füllgas Umgebungsluft ist. Der inländische Rauchmelder ist ein gutes Beispiel dafür, wo ein natürlicher Luftstrom durch die Kammer erforderlich ist , so dass Rauchpartikel kann durch die Änderung des Ionenstroms detektiert werden. Andere Beispiele sind Anwendungen, bei denen die Ionen außerhalb der Kammer erzeugt werden, aber durch einen erzwungenen Luft- oder Gasstrom hineingetragen werden.
Kammerdruck
Belüftete Kammer
Diese Kammern sind normalerweise zylindrisch und arbeiten bei Atmosphärendruck, aber um das Eindringen von Feuchtigkeit zu verhindern, wird ein Filter mit Trockenmittel in die Entlüftungsleitung eingebaut. Dies soll verhindern, dass sich im Inneren der Kammer Feuchtigkeit ansammelt, die sonst durch den "Pump"-Effekt des sich ändernden atmosphärischen Luftdrucks eingebracht würde. Diese Kammern haben einen zylindrischen Körper aus Aluminium oder Kunststoff von wenigen Millimetern Dicke. Das Material wird so ausgewählt, dass es eine der Luft ähnliche Ordnungszahl hat, so dass die Wand über einen Bereich von Strahlungsenergien als "Luftäquivalent" bezeichnet wird. Dadurch wird sichergestellt, dass das Gas in der Kammer wie ein Teil eines unendlich großen Gasvolumens wirkt, und die Genauigkeit erhöht, indem Wechselwirkungen von Gamma mit dem Wandmaterial reduziert werden. Je höher die Ordnungszahl des Wandmaterials ist, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung. Die Wandstärke ist ein Kompromiss zwischen der Aufrechterhaltung des Lufteffekts bei einer dickeren Wand und der Erhöhung der Empfindlichkeit durch die Verwendung einer dünneren Wand. Diese Kammern haben oft ein Endfenster aus einem Material, das dünn genug ist, wie beispielsweise Mylar, damit Beta-Partikel in das Gasvolumen eindringen können. Gammastrahlung tritt sowohl durch das Endfenster als auch durch die Seitenwände ein. Bei handgehaltenen Instrumenten wird die Wanddicke so gleichmäßig wie möglich gemacht, um die Richtung der Photonen zu reduzieren, obwohl jede Beta-Fenster-Antwort offensichtlich stark gerichtet ist. Belüftete Kammern sind anfällig für kleine Effizienzänderungen mit dem Luftdruck und Korrekturfaktoren können für sehr genaue Messanwendungen verwendet werden.
Abgedichtete Niederdruckkammer
Diese sind ähnlich aufgebaut wie die belüftete Kammer, sind jedoch abgedichtet und arbeiten bei oder um Atmosphärendruck herum. Sie enthalten ein spezielles Füllgas, um die Detektionseffizienz zu verbessern, da freie Elektronen in luftgefüllten belüfteten Kammern durch neutralen Sauerstoff, der elektronegativ ist , leicht eingefangen werden , um negative Ionen zu bilden. Diese Kammern haben auch den Vorteil, dass keine Entlüftung und kein Trockenmittel erforderlich sind. Das Beta-Endfenster begrenzt den tolerierbaren Differenzdruck zum Atmosphärendruck, und übliche Materialien sind Edelstahl oder Titan mit einer typischen Dicke von 25 µm.
Hochdruckkammer
Die Effizienz der Kammer kann durch die Verwendung eines Hochdruckgases weiter gesteigert werden. Typischerweise kann ein Druck von 8-10 Atmosphären verwendet werden, und es werden verschiedene Edelgase verwendet. Der höhere Druck führt zu einer größeren Gasdichte und damit zu einer größeren Wahrscheinlichkeit der Kollision mit dem Füllgas und der Bildung von Ionenpaaren durch einfallende Strahlung. Aufgrund der erhöhten Wandstärke, die erforderlich ist, um diesem hohen Druck standzuhalten, kann nur Gammastrahlung nachgewiesen werden. Diese Detektoren werden in Vermessungszählern und zur Umgebungsüberwachung verwendet.
Kammerform
Fingerhutkammer
Am häufigsten wird für Strahlentherapiemessungen eine zylindrische oder "Fingerhut"-Kammer verwendet. Das aktive Volumen ist in einem fingerhutförmigen Hohlraum mit einer inneren leitenden Oberfläche (Kathode) und einer zentralen Anode untergebracht. Eine über den Hohlraum angelegte Vorspannung sammelt Ionen und erzeugt einen Strom, der mit einem Elektrometer gemessen werden kann.
Parallelplattenkammern
Kammern mit parallelen Platten haben die Form einer kleinen Scheibe mit kreisförmigen Sammelelektroden, die durch einen kleinen Spalt von typischerweise 2 mm oder weniger getrennt sind. Die obere Scheibe ist extrem dünn, was viel genauere oberflächennahe Dosismessungen ermöglicht, als dies mit einer zylindrischen Kammer möglich ist.
Monitorkammern
Überwachungskammern sind typischerweise Ionenkammern mit parallelen Platten, die in Bestrahlungsstrahlen platziert werden, um die Intensität des Strahls kontinuierlich zu messen. Beispielsweise können im Kopf von Linearbeschleunigern, die für die Strahlentherapie verwendet werden , Ionisationskammern mit mehreren Kavitäten die Intensität des Strahlenbündels in mehreren unterschiedlichen Bereichen messen und Informationen über die Strahlensymmetrie und Ebenheit liefern.
Forschungs- und Kalibrierkammern
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Frühe Versionen der Ionenkammer wurden von Marie und Pierre Curie in ihrer ursprünglichen Arbeit zur Isolierung radioaktiver Materialien verwendet. Seitdem ist die Ionenkammer ein weit verbreitetes Werkzeug im Labor für Forschungs- und Kalibrierzwecke. Für diese Anwendungen wurde eine Vielzahl von maßgeschneiderten Kammern verwendet, von denen einige Flüssigkeiten als ionisiertes Medium verwenden. Ionenkammern werden von nationalen Labors verwendet, um Primärnormale zu kalibrieren und diese Standards auch an andere Kalibriereinrichtungen zu übertragen.
Historische Kammern
Kondensatorkammer
Die Kondensatorkammer hat einen sekundären Hohlraum innerhalb des Schafts, der als Kondensator wirkt . Wenn dieser Kondensator vollständig geladen ist, wirkt jede Ionisation innerhalb des Fingerhuts dieser Ladung entgegen und die Ladungsänderung kann gemessen werden. Sie sind nur für Strahlen mit einer Energie von 2 MeV oder weniger geeignet, und eine hohe Schaftleckage macht sie für eine präzise Dosimetrie ungeeignet.
Extrapolationskammer
Ähnlich wie bei einer Parallelplattenkammer kann die obere Platte einer Extrapolationskammer mit Mikrometerschrauben unten abgesenkt werden. Es können Messungen mit unterschiedlichen Plattenabständen durchgeführt und auf einen Plattenabstand von Null, dh die Dosis ohne Kammer, extrapoliert werden.
Instrumententypen
Handheld
Ionenkammern werden häufig in tragbaren Strahlungsmessgeräten verwendet , um Beta- und Gammastrahlung zu messen. Sie werden besonders bevorzugt für Messungen mit hoher Dosisleistung und für Gammastrahlung liefern sie eine gute Genauigkeit für Energien über 50-100 keV.
Es gibt zwei grundlegende Konfigurationen; die "integrierte" Einheit mit Kammer und Elektronik im selben Gehäuse und das "zweiteilige" Instrument, bei dem eine separate Ionenkammersonde über ein flexibles Kabel am Elektronikmodul befestigt ist.
Die Kammer des integrierten Instruments befindet sich in der Regel an der Vorderseite des Gehäuses nach unten, bei Beta-/Gamma-Instrumenten befindet sich im Boden des Gehäuses ein Sichtfenster. Dieser verfügt in der Regel über einen Gleitschirm, der eine Unterscheidung zwischen Gamma- und Betastrahlung ermöglicht. Der Bediener schließt die Abschirmung, um Beta auszuschließen, und kann so die Rate jeder Strahlungsart berechnen.
Einige tragbare Instrumente erzeugen hörbare Klicks, die denen eines GM-Zählers ähnlich sind, um Bediener zu unterstützen, die das Audio-Feedback bei Strahlungsuntersuchungen und Kontaminationsprüfungen verwenden. Da die Ionenkammer im Strommodus und nicht im Pulsmodus arbeitet, wird dieser aus der Strahlungsrate synthetisiert.
Eingerichtet
Für industrielle Prozessmessungen und Interlocks mit anhaltend hohen Strahlungswerten ist die Ionenkammer der bevorzugte Detektor. Bei diesen Anwendungen befindet sich nur die Kammer im Messbereich, die Elektronik ist strahlungsgeschützt abgesetzt und mit einem Kabel verbunden. Installierte Instrumente können zur Messung des Umgebungs-Gammas zum Personenschutz verwendet werden und geben normalerweise oberhalb einer voreingestellten Frequenz einen Alarm aus, obwohl das Geiger-Müller-Rohrinstrument im Allgemeinen bevorzugt wird, wenn keine hohe Genauigkeit erforderlich ist.
Allgemeine Vorsichtsmaßnahmen bei der Verwendung
Feuchtigkeit ist das Hauptproblem, das die Genauigkeit von Ionenkammern beeinflusst. Das Innenvolumen der Kammer muss vollständig trocken gehalten werden, und der belüftete Typ verwendet ein Trockenmittel, um dies zu unterstützen. Wegen der sehr geringen erzeugten Ströme muss jeder Streuleckstrom auf ein Minimum beschränkt werden, um die Genauigkeit zu erhalten. Unsichtbare hygroskopische Feuchtigkeit auf der Oberfläche von Kabeldielektrika und Steckern kann ausreichen, um einen Leckstrom zu verursachen, der jeden strahlungsinduzierten Ionenstrom überschwemmt. Dies erfordert eine sorgfältige Reinigung der Kammer, ihrer Anschlüsse und Kabel und anschließendes Trocknen in einem Ofen. „Schutzringe“ werden im Allgemeinen als Konstruktionsmerkmal bei Hochspannungsröhren verwendet, um Leckagen durch oder entlang der Oberfläche von Röhrenanschlussisolatoren zu reduzieren, die einen Widerstand in der Größenordnung von 10 13 Ω erfordern können .
Für industrielle Anwendungen mit abgesetzter Elektronik befindet sich die Ionenkammer in einem separaten Gehäuse, das mechanischen Schutz bietet und ein Trockenmittel enthält, um Feuchtigkeit zu entfernen, die den Abschlusswiderstand beeinträchtigen könnte.
Bei Installationen, bei denen die Kammer weit von der Messelektronik entfernt ist, können die Messwerte durch externe elektromagnetische Strahlung beeinflusst werden, die auf das Kabel einwirkt. Um dies zu überwinden, wird häufig ein lokales Wandlermodul verwendet, um die sehr niedrigen Ionenkammerströme in eine Impulsfolge oder ein Datensignal in Bezug auf die einfallende Strahlung umzuwandeln. Diese sind immun gegen elektromagnetische Effekte.
Anwendungen
Nuklearindustrie
Ionisationskammern sind in der Nuklearindustrie weit verbreitet, da sie eine zur Strahlendosis proportionale Leistung liefern Sie finden breite Anwendung in Situationen, in denen eine konstant hohe Dosisleistung gemessen wird, da sie eine längere Lebensdauer als Standard-Geiger-Müller-Röhren haben leiden an einem Gasabbau und sind im Allgemeinen auf eine Lebensdauer von etwa 10 11 Zählereignissen beschränkt. Darüber hinaus kann die Geiger-Müller-Röhre aufgrund von Totzeiteffekten nicht über etwa 10 4 Zählimpulse pro Sekunde arbeiten, während es keine ähnliche Einschränkung für die Ionenkammer gibt.
Rauchmelder
Die Ionisationskammer hat in Rauchmeldern breite und vorteilhafte Anwendung gefunden . Bei einem Rauchmelder vom Ionisationstyp kann Umgebungsluft ungehindert in die Ionisationskammer eintreten. Die Kammer enthält eine kleine Menge Americium-241 , ein Emitter von Alphateilchen, die einen konstanten Ionenstrom erzeugen. Tritt Rauch in den Melder ein, unterbricht er diesen Strom, da Ionen auf Rauchpartikel treffen und neutralisiert werden. Dieser Stromabfall löst den Alarm aus. Der Detektor hat auch eine Referenzkammer, die versiegelt, aber auf die gleiche Weise ionisiert wird. Der Vergleich der Ionenströme in den beiden Kammern ermöglicht die Kompensation von Änderungen aufgrund von Luftdruck, Temperatur oder Alterung der Quelle.
Medizinische Strahlenmessung
In der Medizinphysik und Strahlentherapie werden Ionisationskammern verwendet, um sicherzustellen, dass die von einem Therapiegerät oder einem Radiopharmazeutikum abgegebene Dosis der beabsichtigten Dosis entspricht . Die für die Strahlentherapie verwendeten Geräte werden als "Referenzdosimeter" bezeichnet, während die für Radiopharmaka verwendeten Geräte als Radioisotop-Dosiskalibratoren bezeichnet werden - eine ungenaue Bezeichnung für Radionuklid-Radioaktivitätskalibratoren , die zur Messung der Radioaktivität, aber nicht der Energiedosis verwendet werden. Eine Kammer hat einen Kalibrierungsfaktor, der von einem nationalen Standardlabor wie ARPANSA in Australien oder dem NPL in Großbritannien festgelegt wurde, oder ein Faktor, der durch Vergleich mit einer Transferstandardkammer bestimmt wird, die auf nationale Standards am Standort des Benutzers rückführbar ist.
Anleitung zur Anwendungsnutzung
Im Vereinigten Königreich hat die HSE einen Leitfaden zur Auswahl des richtigen Strahlungsmessgeräts für die jeweilige Anwendung herausgegeben. Dies deckt alle Strahlungsinstrumententechnologien ab und ist ein nützlicher vergleichender Leitfaden für die Verwendung von Ionenkammerinstrumenten.
Siehe auch
- Aufgenommene Dosis
- Bragg-Gray-Hohlraumtheorie
- Dosimetrie
- Sievertkammer
- Bremskraft (Partikelstrahlung)