Detectie Frits Pleiter 14/04/2017 detectie niveau 3.

Presentatie over: "Detectie Frits Pleiter 14/04/2017 detectie niveau 3."— Transcript van de presentatie:

1 Detectie Frits Pleiter 14/04/2017 detectie niveau 3

2 Detectie wisselwerking van straling met materie vormt de basis voor een vijftal onderwerpen die van belang zijn in de dagelijkse praktijk van de stralingsdeskundige: dosimetrie stralingsgrootheden en -eenheden radiobiologie hoe beïnvloedt straling ons lichaam detectie hoe meten we straling afscherming hoe reduceren we straling toestellen hoe produceren we straling 14/04/2017 detectie niveau 3

3 Detectie indeling beschrijving van detectoren type detector
elektronische meetapparatuur -spectroscopie en energie oplossend vermogen praktijk van detectie keuze van detector calibratie van detector tel-statistiek detectie en dosimetrie omgevings- en persoonsdosisequivalent 14/04/2017 detectie niveau 3

4 Detectie ionisatiedetector - bouw
gasgevulde detector metalen behuizing = kathode centrale draad = anode lucht, aardgas, edelgas, ... buisspanning = volt ionisatiekamer proportionele telbuis Geiger-Müllerbuis anodedraad kathodewand telgas 14/04/2017 detectie niveau 3

5 Detectie ionisatiedetector - anodespanning
II III IV V VI -deeltje -deeltje recombinatiegebied ionisatiekamergebied proportioneel gebied overgangsgebied Geiger-Müllergebied gasontladingsgebied 14/04/2017 detectie niveau 3

6 Detectie ionisatiedetector - ionisatie
gasatoom positief ion negatief elektron ioniserende straling kathodewand anodedraad 14/04/2017 detectie niveau 3

7 Detectie ionisatiedetector - gasversterking
primair elektron wordt versneld, botst met atoom en veroorzaakt secundair ion elektrisch signaal op anodedraad ionisatie-energie = 34 eV secundaire lading positief ion negatief elektron 1 primaire lading 2 kathodewand anodedraad ioniserende straling 14/04/2017 detectie niveau 3

8 Detectie ionisatiedetector - ionisatiekamer
lading Q in coulomb (C) stroom I = Q / t in ampère (A) spanning V = Q / C in volt (V) C = capaciteit in farad (F) van kamer + kabel + meetapparatuur stel ionisatielading is Q = 1 nC  aantal ionen N = 1×10-9 C / 1,6×10-19 C = 6×109  gedeponeerde energie E = 6×109 × 34 eV × 1,6×10-19 J eV-1 = 34×10-9 J stel capaciteit is C = 100 pF  spanning V = 1×10-9 C / 100×10-12 F = 10 V 14/04/2017 detectie niveau 3

9 Detectie ionisatiedetector - Geiger-Müllerbuis
eenvoudige constructie en goedkoop primaire ionen schermen veld van anode af en daardoor wordt gasversterking begrensd constante signaalgrootte > 10 V dode tijd  > 100 s ware teltempo Tw > gemeten teltempo T secundaire elektronen uit kathodewand worden versneld en veroorzaken opnieuw een signaal, enzovoorts om dit te voorkomen wordt een (meeratomig) doofgas toegevoegd eindvenster 14/04/2017 detectie niveau 3

10 Detectie ionisatiedetector - dode tijd
T = gemeten teltempo  = dode tijd dode tijd per seconde = T   effectieve meettijd = 1 - T    werkelijke teltempo Tw = T / (1 – T  ) 14/04/2017 detectie niveau 3

11 Detectie ionisatiedetector - plateau
E  E  5 MeV groot signaal gasversterking niet nodig  lage anodespanning -plateau E  Sel x  0,02 MeV klein signaal gasversterking nodig  hoge anodespanning -plateau +-plateau 14/04/2017 detectie niveau 3

12 Detectie ionisatiedetector - voorbeelden
14/04/2017 detectie niveau 3

13 Detectie nieuwe ontwikkeling
pancake-monitor -, - en -straling dosistempomonitor besmettingsmonitor groot telrendement mica venster anode omhulling isolator signaal 14/04/2017 detectie niveau 3

14 Detectie ionisatiedetector - halfgeleider
Ge, Si voordelen hoog rendement grote energieresolutie nadelen geen gasversterking koelen tot 80 K duur ionisatie-energie  3,6 eV (Si)  2,9 eV (Ge) valentieband geleidingsband ioniserende straling 14/04/2017 detectie niveau 3

15 Detectie ionisatiedetector - halfgeleider
14/04/2017 detectie niveau 3

16 Detectie scintillatiedetector
anorganische scintillator NaI, CsI, BaF2, ZnS, BGO bevatten meestal een fluorescerende toevoeging, bijv. NaI(Tl) organische scintillator anthraceen, stilbeen, plastic vloeistof bevatten meestal een fluorescerende toevoeging thermoluminescentiedetector (TLD) CaF2, CaSO4, LiF, Li2B4O7 14/04/2017 detectie niveau 3

17 Detectie scintillatiedetector - fotomultiplicatorbuis
door wisselwerking van -foton met scintillator ontstaat licht lichtfoton maakt foto-elektron vrij uit de fotokathode foto-elektron botst op dynodes bij elke botsing ontstaan secundaire elektronen in NaI is ongeveer 500 eV per foto-elektron nodig ioniserende straling licht fotokathode dynode fotomultiplicatorbuis elektronen anode contactpinnen scintillatiekristal 14/04/2017 detectie niveau 3

18 Detectie scintillatiedetector - voorbeelden
14/04/2017 detectie niveau 3

19 Detectie scintillatiedetector - thermoluminescentie
wisselwerking → elektron in een metastabiele toestand verwarming van TLD → elektron naar de grondtoestand hierbij wordt infrarood licht uitgezonden B A valentieband geleidingsband ioniserende straling 14/04/2017 detectie niveau 3

20 Detectie fotografische emulsie
filmbadge als persoonsdosismeter volledig verdrongen door de TLD röntgenfoto detector waarmee röntgenstraling is ontdekt vooral medische toepassingen meer en meer verdrongen door halfgeleidertechnieken autoradiogram detector waarmee radioactiviteit is ontdekt analytisch hulpmiddel in de chemie en biochemie kernemulsie detector waarmee elementaire deeltjes zijn ontdekt vervangen door apparatuur met een volume > 1000 m3 14/04/2017 detectie niveau 3

21 Detectie fotografische emulsie
hand met ring van autoradiogram van uraniumzout -deeltje (rechtsboven) mevrouw Röntgen zie schaduw van Maltezer Kruis vervalt in punt P in drie tussen uraniumzout en emulsie -mesonen (a, b en c) 14/04/2017 detectie niveau 3

22 Detectie nieuwe ontwikkeling
elektrodes SiO2 Si + CCD = charge coupled device lading wordt direct (ioniserende straling) of indirect (licht van een fluorescentiescherm) gevormd door de spanning op de elektrodes slim te manipuleren kan ionisatie-lading onder elke elektrode naar buiten worden getransporteerd en door een computer uitgelezen heet ook wel “emmertjesgeheugen” vervanger van fotomultiplicatorbuis 14/04/2017 detectie niveau 3

23 Detectie nieuwe ontwikkeling
detector voor hoge energiefysica bij het CERN in Genève 14/04/2017 detectie niveau 3

24 Detectie meetapparatuur - pulshoogteanalyse
stel geheugen bevat 2048 cellen definieer 2048 pulshoogtes Ei nummer deze i = tel signalen met Ei < hoogte < Ei+1 verhoog inhoud van geheugencel i telkens met 1 zo ontstaat een histogram  energieverdeling pulshoogteanalysator (veelkanaalsanalysator) is tegenwoordig beschikbaar als insteekkaart voor computer en laptop 14/04/2017 detectie niveau 3

25 Detectie meetapparatuur - pulshoogteanalyse
14/04/2017 detectie niveau 3

26 Detectie meetapparatuur - tijdanalyse
na resetpuls is de spanning V = 0 na startpuls begint V lineair met de tijd t te stijgen na stoppuls blijft V verder contant de signaalgrootte is evenredig met het tijdsverschil t tussen start- en stoppuls hiermee is tijdanalyse teruggebracht tot pulshoogteanalyse er zijn nog vele andere methodes toepassing onder meer in ziekenhuizen bij PET-TOF (30 ps per cm) 14/04/2017 detectie niveau 3

27 Detectie gamma-spectroscopie
foto-piek bij E ontsnappingspiek bij E - EX Compton-rug verbreding door statistiek bij elektronvangst en interne conversie röntgenpiek bij paarvorming annihilatiepiek bij 511 keV “single escape peak” bij E keV “double escape peak” bij E keV 14/04/2017 detectie niveau 3

28 Detectie gamma-spectroscopie
ontsnappingspiek bij proportionele telbuis argon-gas krypton-gas 14/04/2017 detectie niveau 3

29 Detectie energie oplossend vermogen - proportionele telbuis
het energie oplossend vermogen 2E / E wordt bepaald door de statistiek in het aantal gevormde elektron-ionparen energie E (keV) aantal ionen N = E / 0,034 standaarddeviatie N = N energie oplossend vermogen 2E / E = 2N / N = 2 / N = 0,37 / E voorbeeld: 55Fe E = 5,9 keV → 2E / E = 15% 14/04/2017 detectie niveau 3

30 Detectie energie oplossend vermogen - proportionele telbuis
resolutie bij 6,4 keV is 17% 14/04/2017 detectie niveau 3

31 Detectie energie oplossend vermogen - Ge-detector
het energie oplossend vermogen 2E / E wordt bepaald door de statistiek in het aantal gevormde elektron-gatparen energie E (keV) aantal ionen N = E / 0,0029 standaarddeviatie N = N energie oplossend vermogen 2E / E = 2N / N = 2 / N = 0,11 / E voorbeeld: 137Cs E = 662 keV → 2E / E = 0,4% 14/04/2017 detectie niveau 3

32 Detectie energie oplossend vermogen - Ge-detector
resolutie bij 661 keV is 0,4% 14/04/2017 detectie niveau 3

33 Detectie energie oplossend vermogen - NaI-detector
het energie oplossend vermogen 2E / E wordt bepaald door de statistiek in het aantal foto-elektronen energie E (keV) aantal ionen N = E / 0,500 standaarddeviatie N = N energie oplossend vermogen 2E / E = 2N / N = 2 / N = 1,4 / E voorbeeld: 55Fe E = 5,9 keV → 2E / E = 57% 137Cs E = 662 keV → 2E / E = 5% 14/04/2017 detectie niveau 3

34 Detectie energie oplossend vermogen - NaI-detector
resolutie bij 5,9 keV is 43,5% resolutie bij 662 keV is 7% 14/04/2017 detectie niveau 3

35 Detectie indeling beschrijving van detectoren type detector
elektronische meetapparatuur -spectroscopie en energie oplossend vermogen praktijk van detectie keuze detector calibratie tel-statistiek detectie en dosimetrie omgevings- en persoonsdosisequivalent 14/04/2017 detectie niveau 3

36 Detectie keuze detector
de keuze van de detector wordt bepaald door wat men wil meten activiteit A (in Bq) omgevingsdosisequivalent H* (in Sv) persoonsdosisequivalent Hp (in Sv) -, - of -straling neutronen energie van de uitgezonden straling (in MeV) identificatie van nuclide in het laatste geval moet men de energie van de uitgezonden straling bepalen (spectrometrie) met behulp van een veelkanaals-analysator 14/04/2017 detectie niveau 3

37 Detectie keuze detector
dosismonitor aanwijzing in sievert of sievert per tijdseenheid volstrekt ongeschikt als besmettingsmonitor er zijn speciale neutronen-monitoren besmettingsmonitor aanwijzing in telpulsen per tijdseenheid helaas geen aanwijzing in bequerel vaak in combinatie met een veegproef volstrekt ongeschikt als dosis- of dosistempometer 14/04/2017 detectie niveau 3

38 Detectie keuze detector - neutronenmonitor
meestal gebaseerd op een kernreactie 3He(n,p)3H 6Li(n,)3H 10B(n,)7Li proton of -deeltje wordt gemeten voorbeeld: 10BF3-teller het telgas is omgeven met een schil van polyetheen om de neutronenergie te verlagen 10BF3 14/04/2017 detectie niveau 3

39 Detectie keuze detector - besmetting
-besmetting ZnS met zeer dun venster gasgevulde detector met zeer dun venster vloeistofscintillatieteller + veegproef -besmetting gasgevulde detector met dun venster Si-detector met dun venster (Ge is te gevoelig voor -achtergrond) -besmetting NaI-detector gasgevulde detector met groot oppervlak Ge-detector Si-detector (voor röntgenstraling) vloeistofscintillatieteller + veegproef (E < 50 keV) 14/04/2017 detectie niveau 3

40 Detectie keuze detector - besmetting
besmettingsmonitor wijst aan in telpulsen per tijdseenheid soms (maar niet altijd) geeft fabrikant calibratie voor een aantal nucliden meestal in Bq cm-2 soms ook in Bq calibratiefactor gaat uit van een homogene besmetting over het hele oppervlak van de besmettingsmonitor, ook als dat niet zo is stel: oppervlak van monitor = 100 cm2 aanwijzing van monitor = 4 Bq cm-2  totale activiteit = 100 cm2  4 Bq cm-2 = 400 Bq stel: oppervlak van besmetting = 10 cm2  besmetting = 400 Bq / 10 cm2 = 40 Bq cm-2 14/04/2017 detectie niveau 3

41 Detectie calibratie van detector - energie
14/04/2017 detectie niveau 3

42 Detectie calibratie van detector - rendement
14/04/2017 detectie niveau 3

43 Detectie tel-statistiek - rendement
N =   A  t  = fem  fgeo  fabs  fdet  fdtijd fem = emissierendement fgeo = geometriefactor fabs = absorptiefactor fdet = intrinsiek rendement van de detector fdtijd = correctie voor dode tijd van de detector A = (N / t) /  = T /  T = N / t = teltempo 14/04/2017 detectie niveau 3

44 Detectie tel-statistiek - geometriefactor
R2 = h2 + r2 fgeo = 0,5  (1 - cos ) = 0,5  [ 1 - (h / R) ] = 0,5  [ 1 - h / (h2 + r2) ] als R >> r  fgeo  r2 / 4R2 vloeistofscintillatie fgeo  1 (4-geometrie) putkristal fgeo  1 (4 -geometrie) besmettingsmonitor fgeo  0,5 (2 -geometrie) bron h R  r 14/04/2017 detectie niveau 3

45 Detectie tel-statistiek
bruto-aantal  10 teltijd = s nuleffect  70 teltijd = 1000 s bij statistiek gaat het om wat is of zou kunnen zijn gemeten omrekenen naar 1000 s: bruto-aantal  1000 achtergrond  70 netto-aantal  ( ) in 1000 s 50  ( ,72) in 10 s omrekenen naar 10 s: bruto-aantal 100  10 achtergrond  0,7 netto-aantal  ( ,72) in 10 s bruto-aantal (50  50) + (50  50) 100  ( ) = 100  10 in 10 s 14/04/2017 detectie niveau 3

46 Detectie tel-statistiek - standaarddeviatie
bruto-aantal telpulsen Nbruto gemeten in tijd tbruto achtergrondtelpulsen Nnul gemeten in tijd tnul bruto-teltempo Tbruto = Nbruto / tbruto achtergrondteltempo Tnul = Nnul / tnul netto-teltempo Tnetto = Tbruto - Tnul standaarddeviatie N = N T = (N) / t = (N / t2) = (T / t) Tnetto2 = Tbruto2 + Tnul2 = (Tbruto / tbruto) + (Tnul / tnul) 14/04/2017 detectie niveau 3

47 Detectie tel-statistiek - minimaal detecteerbare activiteit
minimaal detecteerbare activiteit Amin geeft aanleiding tot een significante verhoging van achtergrondteltempo stel: significante verhoging is T = kTnul stel dat achtergrond is bepaald in teltijd tnul stel dat actuele meting is uitgevoerd in teltijd t << tnul er zijn nu twee bijdragen tot Tnul standaarddeviatie van actuele achtergrond = (Tnul / t) standaarddeviatie van gemiddelde achtergrond = (Tnul / tnul) significante verhoging is T = k(Tnul / t + Tnul / tnul)  k(Tnul / t)  minimaal detecteerbare activiteit is Amin = T /  14/04/2017 detectie niveau 3

48 Detectie tel-statistiek - optimale verdeling meettijd
totale beschikbare meettijd is t tnul = t - tbruto Tnetto2 = (Tbruto / tbruto) + (Tnul / tnul) = (Tbruto / tbruto) + [ Tnul / (t - tbruto) ] streef naar een minimale fout in netto teltempo dus afgeleide naar tbruto moet nul zijn dTnetto2/dtbruto = - (Tbruto / tbruto2) + [ Tnul / (t - tbruto)2 ] = - (Tbruto / tbruto2) + (Tnul / tnul2) = 0 voor optimale verdeling meettijd moet tnul2 / tbruto2 = Tnul / Tbruto tnul / tbruto = (Tnul / Tbruto) 14/04/2017 detectie niveau 3

49 Detectie indeling beschrijving van detectoren type detector
elektronische meetapparatuur -spectroscopie en energie oplossend vermogen praktijk van detectie keuze detector calibratie tel-statistiek detectie en dosimetrie omgevings- en persoonsdosisequivalent 14/04/2017 detectie niveau 3

50 Detectie dosimetrie - omgevingsdosisequivalent
kwadratenwet H* = h A t / r2 vuistregels voor H* op 1 m afstand van 1 MBq α-bron µSv h-1 -bron 10 µSv h-1 -bron 0,14 E µSv h-1 14/04/2017 detectie niveau 3

51 Detectie dosimetrie - Geiger-Müllerbuis
H* vaak gemeten met Geiger-Müllerbuis het signaal geeft geen energieïnformatie -foton creëert foto- of Compton-elektron in de wand van de buis elektron dat telgas bereiken geeft aanleiding tot telpuls hoe groter -energie, hoe groter het gebied waaruit elektron kan ontsnappen Ntelpuls  N  E  H* gas 14/04/2017 detectie niveau 3

52 Detectie dosimetrie - persoonsdosisequivalent
door slimme constructie geeft uitlezing informatie met betrekking tot Hp(10)  diepe dosis  effectieve dosis Hp(0,07)  ondiepe dosis  huiddosis soort straling (, , n) energie van straling de meetdrempel is ongeveer 0,01 mSv voor Hp > 1 mSv j-1 is de wettelijke nauwkeurigheidseis: 2/3 Hp(werkelijk) < Hp(gemeten) < 3/2 Hp(werkelijk) 14/04/2017 detectie niveau 3

53 Detectie dosimetrie - TLD-badge
gevoelig, niet weefselequivalent (vereist energiefilter) CaF2 CaSO4 minder gevoelig, wel weefselequivalent LiF Li2B4O7 dragen van TLD-badge is verplicht voor blootgesteld werknemers filmbadge is inmiddels geheel verdrongen door TLD-badge pendosismeter of EPD is nuttige aanvulling 14/04/2017 detectie niveau 3