KAASUN IONISAATION PERUSTUVAT SÄTEILYN MITTAUSMENETELMÄT

Transkriptio

1 X KAASUN IONISAATION PERUSTUVAT SÄTEILYN MITTAUSMENETELMÄT Säteilykvantit tai -hiukkaset ionisoivat kaasua. Tätä voidaan käyttää hyväksi säteilyn toteamisessa sekä kvanttien ja hiukkasten laskemisessa. Kaasun ionisaatioon perustuvissa ilmaisimissa eli detektoreissa on ionisoituva kaasu lasista tai useimmiten metallista valmistetun suljetun astian sisällä. Astia on useimmiten sylinterin muotoinen ja sitä kutsutaan putkeksi. Sylinteriin kytketään jännite siten, että metallisylinterin seinä (tai lasisylinterin sähköä johtava metallipinnoite) toimii katodina ja sylinterin keskellä on metallilanka, joka toimii anodina (Kuva X.1. alla). Kuva X.1. Kaasun ionisaatioon perustuvan ilmaisimen rakenne. Gammasäteily tunkeutuu detektoriputken läpi ja ionisoi sisällä olevaa kaasua. Sen sijaan alfaja betasäteily eivät läpäise putken seinämää. Niiden toteamiseksi täytyy näyte panna joko putken sisään tai putken päässä on ohut lasista, kiilteestä tai muovikalvosta valmistettu ikkuna, jonka läpäistyään ne aiheuttavat täytekaasussa ionisaatiota. Putkessa oleva ionisoituva kaasu on useimmiten jalokaasua, esim. argonia, jota säteily ionisoi positiivisiksi Ar + -ioneiksi. Elektrodien välillä olevan jännitteen vuoksi nämä kationit kulkevat kohti katodia eli putken seinämää ja syntyneet elektronit kulkevat putken keskellä olevalle anodilangalle. Anodilangalta elektronit kulkevat putken ulkopuolista virtapiiriä pitkin metallisylinterin seinämille, jonka pinnalla ne neutraloivat Ar + -ionit takaisin Ar-atomeiksi. Virtapiirissä 61

2 kulkevat elektronit rekisteröidään sähköisinä pulsseina, joiden määrä on verrannollinen putkeen arbsoituneiden kvanttien tai partikkeleiden määrään, ja joiden korkeus on eräissä tapauksissa (ionisaatiokammio, verrannollisuuslaskuri) verrannollinen kvantin tai partikkelien energiaan. Riippuen elektrodien välille asetetusta jännitteesta (Kuva X.2.) on kaasun ionisaatioon perustuvia ilmaisimia kolmea tyyppiä: ionisaatiokammio verrannollisuuslaskuri Geiger-Műller-laskuri Kuva X.2. Kaasun ionisaatioon perustuvien laskureiden toiminnan jännitealueet. Ionisaatiokammio Aluksi kun jännitettä nostetaan syntyvien elektronien ja Ar + -ionien kulkeutumisnopeus kohti elektrodeja on niin pieni, että suuri osa niistä yhdistyy uudelleen Ar-atomeiksi eli rekombinoituu (alue I kuvassa X.2.). Kun jännite on tarpeeksi suuri, jotta rekombinaatiota ei enää tapahdu, saavutetaan jännitealue, jolla kaikki syntyneet elektronit ja kationit kyetään keräämään elektrodeille. Tämä alue (alue II) näkyy kuvassa X.2. välillä V n. 150 voltin alueena, jolla kerättyjen ionien määrä on lähes riippumaton käytetystä jännitteestä. Tällä alueella toimivaa ilmaisinta kutsutaan ionisaatiokammioksi. Koska kaikki kaasussa syntyvät ionit keräytyvät elektrodeille, on myös laskurista saatavan sähköpulssin korkeus verrannollinen kvantin ja hiukkasen energiaan. Mitä korkeampi alkuperäinen energia on sitä 62

3 enemmän ionisaatiota tapahtuu ja sitä korkeampi pulssi saadaan. Korkeaenergiset alfapartikkelit aiheuttavat betasäteilyä huomattavasti enemmän ionisaatiota, joten niistä saadaan myös korkeampia sähköpulsseja. Verrannollisuuslaskuri Kun jännitettä edelleen nostetaan, on säteilyn irrottamilla elektroneilla niin korkea nopeus että ne saavat aikaan kaasussa lisäionisaatiota. Tällä jännitealueella (alue III), jolla kerättyjen ionien ja elektronien lukumäärä on riippuvainen käytetystä jännitteestä, toimivasta ilmaisimesta käytetään nimeä verrannollisuuslaskuri. Edelleenkin, kuten ionisaatiokammiossa, anodille saapuvien elektronien lukumäärä ja laitteistosta saatavan pulssin korkeus ovat riippuvaisia säteilyn putkeen luovuttamasta energiasta, koska määrätyllä jännitearvolla on ionien monistuminen eli sekundääristen ionien osuus vakio. Näin ollen verrannollisuuslaskuria, kuten myös ionisaatiokammiota, voidaan käyttää betaspektrometriaan eli eri energian omaavien betahiukkasten erotteluun toisistaan. Kuten kuvasta X.2. näkyy on verrannollisuuslaskurin ionien monistuskerroin välillä Verrannollisuuslaskurin käytön edellytyksenä on erittäin stabiili korkeajännitelähde, koska kuten kuvasta X.2. näkyy, jännitteen muutokset aiheuttavat suuria muutoksia vasteena saatavan sähköpulssin korkeudessa. Verrattuna ionisaatiokammioon saadaan verrannollisuuslaskurilla huomattavasti korkeampia eli helpommin mitattavia pulsseja. Geiger-Műller-laskuri Kun edelleen nostetaan elektrodien välistä jännitettä, aiheuttaa kukin yksittäinen hiukkanen tai kvantti kaasutilassa ionisaatiovyöryn, jossa ionien määrä on aina sama riippumatta ionisaation aiheuttaneen hiukkasen tai kvantin energiasta. Näin ollen GM-ilmaisinta ei voida käyttää säteilyn energian määrityksiin eli energiaspektrometriaan vaan ainoastaan kvanttien tai hiukkasten määrän määrittämiseen eli pulssilaskentaan. Ionien monistuskerroin GMputkessa on välillä Näin ollen syntyvät pulssit ovat volttiluokkaa eikä niiden rekisteröimiseen siten tarvita vahvistinta kuten ionisaatiokammiossa ja verrannollisuuslaskurissa. Kuten kuvasta X.2. näkyy, GM-putken toiminta-alueella syntyvien ionien määrä on lähes vakioinen voltin elektrodijännitealueella. Koska tämä alue ei kuitenkaan ole täysin vakioinen, tulee korkeajännitelähteen olla tarkoissa mittauksissa hyvin stabiili. Lisäksi itse putken tulisi olla sellainen, että tasaisen alueen kulmakerroin on mahdollisimman pieni. 63

4 Hyvillä putkilla kulmakerroin on vain 2-3 %. Epätarkoissa mittauksissa voidaan käyttää sellaisiakin putkia, joiden kulmakerroin on 10%. Argonin (tai neonin) lisäksi GM-putkissa on myös noin 10% joko halogeenia tai orgaanista kaasua, esim. etyylialkoholia, jotka toimivat ns. sammutuskaasuina. Lähestyessään katodia tai törmätessään siihen, saattavat argonionit aiheuttaa ylimääräistä ionisaatiota, joka puolestaan aiheuttaa ionisaatiovyöryjä ja lisäävät näin virheellisesti rekisteröityjen pulssien määrää. Koska etyylialkoholin ja halogeenien ionisoitumispotentiaali on alhaisempi kuin argonin, siirtää argonioni niihin törmätessään positiivisen varauksensa niille. Nämä puolestaan eivät aiheuta sekundääristä ionisaatiota, vaan niiden varaus neutraloituu katodin pinnalla. Kun jännitettä edelleen kasvatetaan GM-putken tasanteen yläpuolella, aiheuttaa tämä putkessa jatkuvan sähköpurkauksen, joka voi tuhota putken hyvinkin nopeasti. Hukka-aika Kun mitataan korkeita pulssitaajuksia GM-putkissa samoin kuin verrannollisuuslaskureissa, tulee ottaa huomioon ns. hukka-aika. Argonkaasun ionisaatiossa syntyvät elektronit kulkeutuvat anodilangalle hyvin nopeasti. Sen sijaan suuret positiiviset ionit kulkevat paljon hitaammin kohti katodia. Osan aikaa ilmaisin on täysin kykenemätön rekisteröimään uusia pulsseja, koska positiiviset ionit kulkeutuessaan kohti katodia aiheuttavat erittäin alhaisen sähkökentän anodin läheisyydessä (kuva alla). Tätä aikaa, jona uusia pulsseja ei rekisteröidy, kutsutaan hukka-ajaksi ja sitä merkitään τ:llä. Kuva X.3. Verrannollisuus- ja GM-laskurin pulssin muoto. 64

5 Mikäli mitataan niin korkeita pulssitaajuuksia, että hukka-aika tulee merkittäväksi, täytyy mitatut laskentataajuudet korjata hukka-ajan τ (yksikkö s) suhteen. Rekisteröityä laskentataajuutta merkitään R (imp/s) ja jos hukka-aikaa ei olisi, olisi laskentataajuus R 0 (imp). Hukka-ajan ansiosta jää siis sekunnissa havaitsematta R 0 -R impulssia. Toisaalta putki on kunakin sekuntina toimintakyvytön ajan R τ, jona aikana siihen osuus R 0 R τ impulssia eli R 0 -R = R 0 R τ, josta ratkaistaan R 0 [X.I] R 0 = R/(1-Rτ) [X.II] eli kun tunnetaan hukka-aika, voidaan korjata todettu laskentataajuus. Hukka-aika on GM-putkissa luokkaa ms. Sen sijaan verrannollisuuslaskureissa hukkaaika on hyvin lyhyt, vain muutaman mikrosekunnin. Hukka-aika rajoittaa siis perättäisten pussien rekisteröintiä eli sitä kuinka aktiivista näytettä voidaan mitata. Jos esimerkiksi mitattu laskentataajuus on 1000 pulssia sekunnissa ja hukka-aika on 0.2 ms, on todellinen laskentaajuus 1000/( ) = 1250 imp/s eli 25% havaittua suurempi. Mikäli havaittu pulssitaajuus on 100 imp/s ja hukka-aika 0.2 ms, on todellinen laskentataajuus enää 2% havaittua suurempi. Verrannollisuuslaskureilla, joilla on pienempi hukka-aika, voidaan mitata jopa lähes kaksi kertaluokkaa suurempia laskentataajuuksia ilman että hukka-aikaa täytyisi huomioida. Jos verrannollisuuslaskurilla tehdään energiaspektometrisia mittauksia ei näin suuria taajuuksia voida mitata, koska hukka-ajan lisäksi putki tarvitsee vielä huomattavasti pidemmän kokonaistoipumisajan (ks. kuva X.3.), jotta sen pulssivaste palaisi ennen ionisaatiota vastanneelle tasolla. Kokonaistoipumisaika verrannollisuuslaskureissa onkin 0.1 ms:n luokkaa. GM-laskureiden ja verrannollisuuslaskureiden käyttö Vielä 1950-luvulla olivat GM-laskurit kaikkein yleisimmät säteilyn mittauslaitteet. Sittemmin ovat tuike- ja puolijohdekiteet sekä nestetuikelaskurit käytännöllisesti katsoen syrjäyttäneet niiden käytön. Nykyisin GM-putkia käytetäänkin lähes yksinomaan säteilysuojelutoiminnassa 65

6 annosnopeustasojen ja pintakontaminaatioiden mittaamiseen. Lisäksi GM-putkia käytetään opetuksessa, koska ne ovat halpoja ja niiden avulla voidaan yksinkertaisesti demonstroida tärkeimpiä radioaktiivisuuden mittaamiseen vaikuttavia tekijöitä. GM-putkia voidaan käyttää kaikkien säteilylajien mittaamiseen. Gammasäteily läpäisee tehokkaasti putken seinämän, mutta toisaalta myös putken sisällä olevan kaasun. Gammasäteilystä tuleekin rekisteröityä pulsseina vain 1-2%. Sen sijaan käytännölliseti kaikki beta- ja alfahiukkaset, jotka pääsevät putken sisään, tulevat myös ilmaistuksi, koska ne menettävät energiansa lyhyellä matkalla. Ongelma onkin niiden pääsy putken sisään. Tämän mahdollistamiseksi täytyy putken ikkunan olla erittäin ohut. Betasäteilyn mittaamiseen ikkuna valmistetaan joko ohuesta, n. 0.1 mm:n lasista tai kiilteestä tai berylliumista. Alfasäteilyä mitattaessa täytyy ikkunan olla vielä ohuempi ja tähän tarkoitukseen käytetäänkin ohuita muovikalvoja. Verrannollisuuslaskuria käytettiin aiemmin betaspektrometriaan, mutta nyttemmin sen ovat korvanneet nestetuikelaskenta ja puolijohdedetektorit. Neutronit eivät neutraaleina hiukkasina aiheuta ionisaatiota jalokaasussa. Niiden toteamiseksi GM-putkella se täytetään BF 3 -kaasulla, joka on rikastettu 10 B:n suhteen. Neutronit saavat aikaan seuraavan ydinreaktion täytekaasussa: 10 B + n 7 Li + 4 He [X.III] ja tässä reaktioissa syntyneet alfahiukkaset aiheuttavat ionisaatiovyöryn putkessa. 66