Straling meettechnologie

Track-etch detectoren

Wanneer een geladen deeltje langzamer gaat en stopt in een vaste stof, kan de energie die het langs het spoor afzet, permanente schade aan het materiaal veroorzaken. Directe aanwijzingen voor deze lokale schade zijn moeilijk waar te nemen, zelfs niet onder zorgvuldig microscopisch onderzoek. In bepaalde diëlektrische materialen kan de aanwezigheid van de beschadigde baan echter worden onthuld door chemisch etsen (erosie) van het materiaaloppervlak met behulp van een zuur- of base-oplossing. Als geladen deeltjes het oppervlak ergens in het verleden hebben bestraald, laat elk een spoor van beschadigd materiaal achter dat begint aan het oppervlak en zich uitstrekt tot een diepte die gelijk is aan het bereik van het deeltje. In de gekozen materialen is de chemische etssnelheid langs dit spoor hoger dan de etssnelheid van het onbeschadigde oppervlak. Daarom wordt, naarmate het etsen vordert, een put gevormd op de positie van elk spoor. Binnen een paar uur kunnen deze kuilen groot genoeg worden zodat ze direct onder een microscoop met laag vermogen kunnen worden gezien. Een meting van het aantal van deze putjes per oppervlakte-eenheid is dan een maat voor de deeltjesflux waaraan het oppervlak is blootgesteld.

Er is een minimale dichtheid van schade langs de baan die nodig is voordat de etssnelheid voldoende is om een ​​put te creëren. Omdat de dichtheid van schade correleert met de dE / dx van het deeltje, is deze het hoogst voor de zwaarste geladen deeltjes. In elk gegeven materiaal is een bepaalde minimumwaarde voor dE / dx vereist voordat putten zich zullen ontwikkelen. In de minerale mica worden bijvoorbeeld putjes alleen waargenomen van energetische zware ionen met een massa van 10 of 20 atomaire massa-eenheden of meer. Veel gewone plastic materialen zijn gevoeliger en zullen etskuilen ontwikkelen voor ionen met een lage massa, zoals helium (alfadeeltjes). Sommige bijzonder gevoelige kunststoffen zoals cellulosenitraat zullen zelfs voor protonen putjes ontwikkelen, die de minst beschadigde deeltjes zwaar beschadigen. Er zijn geen materialen gevonden die putjes zullen produceren voor de lage dE / dx-sporen van snelle elektronen. Door dit drempelgedrag zijn dergelijke detectoren volledig ongevoelig voor bètadeeltjes en gammastraling. Deze immuniteit kan worden benut in sommige toepassingen waar zwakke fluxen van zwaar geladen deeltjes moeten worden geregistreerd in aanwezigheid van een intensere achtergrond van gammastraling. Zo worden veel omgevingsmetingen van de alfadeeltjes geproduceerd door het verval van radongas en zijn dochterproducten gemaakt met behulp van plastic track-etch film. De achtergrond van alomtegenwoordige gammastralen zou onder deze omstandigheden de respons van veel andere typen detectoren domineren. Bij sommige materialen is aangetoond dat het schadepad voor onbepaalde tijd in het materiaal blijft en kunnen putten vele jaren na de blootstelling worden geëtst. Etseigenschappen worden echter mogelijk beïnvloed door blootstelling aan licht en hoge temperaturen, dus enige voorzichtigheid is geboden bij het langdurig bewaren van blootgestelde monsters om vervaging van de beschadigingen te voorkomen.

Er zijn geautomatiseerde methoden ontwikkeld om de dichtheid van de etsput te meten met behulp van microscoopstadia die zijn gekoppeld aan computers met geschikte software voor optische analyse. Deze systemen zijn in staat tot enige mate van discriminatie van "artefacten" zoals krassen op het monsteroppervlak en kunnen een redelijk nauwkeurige meting van het aantal sporen per oppervlakte-eenheid verschaffen. Een andere techniek omvat relatief dunne plastic films, waarbij de sporen volledig door de film worden geëtst om kleine gaatjes te vormen. Deze gaten kunnen vervolgens automatisch worden geteld door de film langzaam tussen een set hoogspanningselektroden te laten gaan en vonken die optreden bij het passeren van een gat elektronisch te tellen.

Neutron-activeringsfolies

Voor stralingsenergieën van verschillende MeV en lager veroorzaken geladen deeltjes en snelle elektronen geen atoomreacties in absorberende materialen. Gammastralen met energie onder een paar MeV veroorzaken ook niet gemakkelijk reacties met kernen. Daarom, wanneer bijna elk materiaal wordt beschoten door deze vormen van straling, blijven de kernen onaangetast en wordt er geen radioactiviteit in het bestraalde materiaal geïnduceerd.

Onder de veel voorkomende vormen van straling vormen neutronen een uitzondering op dit algemene gedrag. Omdat ze geen lading dragen, kunnen neutronen van zelfs lage energie gemakkelijk interageren met kernen en een brede selectie van nucleaire reacties veroorzaken. Veel van deze reacties leiden tot radioactieve producten waarvan de aanwezigheid later kan worden gemeten met conventionele detectoren om de straling te detecteren die in hun verval wordt uitgezonden. Veel soorten kernen absorberen bijvoorbeeld een neutron om een ​​radioactieve kern te produceren. Gedurende de tijd dat een monster van dit materiaal wordt blootgesteld aan neutronen, hoopt zich een populatie van radioactieve kernen op. Wanneer het monster wordt verwijderd uit de blootstelling aan neutronen, vervalt de populatie met een gegeven halfwaardetijd. In dit verval wordt bijna altijd een soort straling uitgezonden, vaak bètadeeltjes of gammastralen of beide, die vervolgens kunnen worden geteld met een van de hieronder beschreven actieve detectiemethoden. Omdat het verband kan houden met het niveau van de geïnduceerde radioactiviteit, kan de intensiteit van de neutronenflux waaraan het monster is blootgesteld, worden afgeleid uit deze radioactiviteitsmeting. Om voldoende radioactiviteit te induceren om een ​​redelijk nauwkeurige meting mogelijk te maken, zijn relatief intense neutronenfluxen vereist. Daarom worden activeringsfolies vaak gebruikt als een techniek om neutronenvelden rond reactoren, versnellers of andere intense bronnen van neutronen te meten.

Materialen zoals zilver, indium en goud worden vaak gebruikt voor het meten van langzame neutronen, terwijl ijzer, magnesium en aluminium mogelijke keuzes zijn voor snelle neutronenmetingen. In deze gevallen ligt de halfwaardetijd van de geïnduceerde activiteit tussen enkele minuten en enkele dagen. Om een ​​populatie van radioactieve kernen op te bouwen die het maximaal mogelijke benadert, moet de halfwaardetijd van de geïnduceerde radioactiviteit korter zijn dan de tijd van blootstelling aan de neutronenflux. Tegelijkertijd moet de halfwaardetijd lang genoeg zijn om de radioactiviteit gemakkelijk te kunnen tellen zodra het monster uit het neutronenveld is verwijderd.