Alpha Spektrometrie

In den unten bereitgestellten PDF-Dateien finden Sie umfassende technische Informationen zur modernen Alpha-Spektrometrie mit Halbleiterdetektoren, wie z.B. PIPS oder ULTRA, oder mit Gitterionisationskammern. Die Informationen basieren auf fast 40 Jahren Erfahrung in der Messung von Alphastrahlung, die wir gern für alle Anwender in Forschung, Überwachung der Umwelt und Industrie bereitstellen.

Die Alpha-Spektrometrie mit Oberflächensperrschichtdetektoren, ionenimplantierten Halbleiterdetektoren und Gitterionisationskammern ist seit vielen Jahren eine gute Methode zur Identifizierung von schweren Nukliden in der Forschung, in der Prospektion und bei der Überwachung der Umweltradioaktivität. Wegen der großen Masse von Alpha-Teilchen ist deren Energieverlust bei jeglicher Wechselwirkung mit Materie sehr hoch und die Reichweite entsprechend niedrig (wenige Zentimeter in Luft). Aus diesem Grund müssen sich sowohl der Detektor als auch die Probe in einer Vakuumkammer befinden, wenn man Messungen mit hoher Energieauflösung erreichen will. In der Gitterionisationskammer (GIC) wird die geringe Reichweite der Alphastrahlung ausgenutzt, um eine völlige Absorption der Energie im Messgas zu erreichen und das Alphaspektrum zu messen. Da die GIC als Proportionalzähler arbeitet und die Ionisationsenergie pro Elektron recht hoch ist, lässt sich nicht die hohe energetische Auflösung erreichen wie sie mit einem Halbleiterzähler möglich wäre. Mit kleinen ionenimplantierten Halbleiterdetektoren (25 mm² aktive Fläche) und auch Oberflächensperrschichtdetektoren wurden Halbwertsbreiten unter 10 keV gemessen. Die typische Auflösung mit einer GIC liegt bei etwa 50 keV oder etwas darunter.

Die wesentliche Einschränkung bei der erreichbaren Auflösung in der Alpha-Spektrometrie ergibt sich meist nicht aus der Qualität des Detektors, sondern aus der Dicke der Probe und dem Abstand zwischen Probe und Detektor. Die ideale Dicke eines Messpräparates wird mit „masselos“ gekennzeichnet, eine reale Probe für hoch aufgelöste Alpha-Spektrometrie sollte eine Dicke von weniger als 1 µg/cm² haben. Mit einer guten Probe kann die Bestimmung von wenigen mBq Aktivität in der Probe in relativ kurzer Messzeit erreicht werden.

Die sehr hohe Empfindlichkeit sowie sehr niedrige Nachweisgrenzen gelten insbesondere für Messungen mit einer GIC, in der man Proben mit über 300 cm² Fläche mit einer Nachweiswahrscheinlichkeit von fast 50 Prozent messen kann. Die Nachweiswahrscheinlichkeit einer GIC ist mehr als das Hundertfache eines Halbleiterzählers.

Zur Verbesserung der Separation in nuklidspezifischen Messungen von Umweltproben wird oft eine chemische Trennung der Elemente Radium, Uran, Thorium, Plutonium, Americium, und Curium in Einzelproben oder in Elementmischungen durchgeführt. Die Proben werden dann als sehr dünne Schichten durch Elektrodeposition erzeugt – mit Spray-Methoden oder durch Adsorption. Dies ergibt zwar sehr „saubere” Spektren, deren Separationsausbeute sich mit Tracer-Nukliden gut bestimmen lassen, aber der Aufwand im Labor für die Probenherstellung und die damit verbundenen Kosten sind beträchtlich. Proben von Polonium können sehr einfach und quantitativ durch elektrochemische Deposition auf Silber hergestellt werden.

Alphaspektrometrie ohne Chemie
Dr. Westmeier GmbH entwickelt seit Jahren neue Algorithmen und Strategien zur Verbesserung der Analyse von Gamma- und Alphaspektren. Ein wesentlicher Aspekt dieser Verbesserungen ist der Ansatz, dass die Form von Linien (Peaks) im Spektrum aus der Physik der Wechselwirkung der Strahlung mit dem Detektor berechnet wird. Bei Alpha-Teilchen müssen zusätzlich die Wechselwirkungen zwischen der Emission und der Registrierung berücksichtigt werden. Diese finden im Wesentlichen in der Probe, am Probenträger, in der Restluft der Messkammer und in der Totschicht auf dem Halbleiterdetektor statt. In GIC-Detektoren kommen dazu noch Wand-Effekte und andere Einflüsse.

Mit Hilfe unserer neuen Software-Entwicklungen und der Berücksichtigung der Wechselwirkungen von Alpha-Teilchen mit Materie sowie mit speziellen Fit-Prozeduren ist es jetzt möglich, auch diejenigen Spektren quantitativ auszuwerten, die von dicken Proben gemessen wurden. Ebenso lassen sich nun Spektren auswerten, die ohne den Einsatz einer Vakuumkammer gemessen wurden. Die direkte Messung von Pulverproben ohne chemische Vorbereitung oder von beaufschlagtem Filterpapier (Luftfilter oder filtrierte Niederschläge) bietet völlig neue Möglichkeiten für Anwendungen der Alpha-Spektrometrie. Man kann jetzt vor Ort Messung und Spektren-Auswertung vornehmen, um Informationen zu den Nukliden und der vorhandenen Belastung zu erhalten (siehe PDF-Datei „In-situ alpha spectrometry“). Diese neue Möglichkeit ist insbesondere für die Umweltüberwachung sowie beim Rückbau von nuklearen Einrichtungen interessant.

Downloads

Alpha Spectrometry
Fitting of solid state detector spectra
In-situ alpha Spectrometry