Hardware

Moderne digitale Gamma-Spektrometer

Es gibt zwei grundlegend unterschiedliche Gamma-Spektrometer für die quantitative
Gamma-Spektrometrie:

  • Zur quantitativen Messung und Analyse von einfachen Spektren in denen man nur wenige Nuklide erwartet benutzt man Szintillations-Spektrometer mit NaI(Tl), LaBr3, CeBr3 oder ähnlichen Detektoren. Man kann heute in vielen Anwendungen mit diesen ungekühlten Detektoren die gleichen zuverlässigen Ergebnisse erhalten, für die man früher unbedingt mit gekühlten HPGe Detektoren arbeiten musste.
  • Zur quantitativen Messung von Proben mit niedriger Aktivität (wie z.B. mBq/kg) oder zur Messung von komplexen Spektren mit sehr vielen Peaks oder von Spektren von Nuklidgemischen benutzt man hochauflösende, gekühlte HPGe Detektoren. Die typischen Nachweisgrenzen von HPGe Systemen sind bei identischer Probengröße und Messzeit etwa 15-Mal niedriger als für Szintillator-Systeme.
  • In beiden Spektrometrie-Systemen werden moderne Detektoren, Bleiabschirmungen mit niedriger Eigenaktivität und digitale Vielkanalanalysatoren verwendet, die vom PC (Notebook oder Desktop) gesteuert werden; spezielle Software zur Präzisionsanalyse der Spektren komplettiert jeweils das Spektrometer.
    Der Schlüssel zum Erfolg unserer modernen Software-Pakete zur Präzisionsanalyse der Spektren sind neuartige Algorithmen zur quantitativen Trennung der Peak-Counts von der Baseline sowie zur Entfaltung von Singlet- oder überlagerten Multiplett-Peaks. Mit der Einführung der „Physik, keine Nummerologie“ Strategien konnten neue Algorithmen entwickelt werden, die eine wesentlich verbesserte Analyse der Spektren möglich machen.

Diese Gamma-Spektrometer werden vorwiegend eingesetzt für:

  • Präzisions-Messungen in Forschung und Entwicklung
  • Messung der Produktausbeuten von (Neutronen-) Aktivierungsprodukten
  • Überwachung der Freigabe in Abklinganlagen der Radiologie und Nuklearmedizin
  • Überwachung von niedrig- und hoch-aktivem Abfall
  • Quantifizierung von Wischtests
  • Umweltüberwachung und Kontaminations-Kontrollen
  • Messungen an geologischen Proben
  • Zertifizierung für die Qualitätskontrolle und Export-Dokumentation
  • Wiederkehrende Kontroll-Messungen an radioaktiven Substanzen und Einrichtungen
  • Aufbildung, Weiterbildung und Training

Zu Details über Systeme zur Überwachung von radioaktivem Abfall aus Diagnose und Therapie in der Nuklearmedizin, die eine lückenlose, vollautomatische Überwachung bis zum Erreichen der Freigabe-Grenzwerte übernehmen, siehe unseren Beitrag:

Online Monitoring Systems

HPGe-Spektrometer

Wenn man viele Nuklide in derselben Probe bestimmen will (zum Beispiel Mischungen von Tc-99m, I-123, I-125, I-131, Sr-89, Re-186, Co-57, Ga-67, In-111, Tl-201, K-40, Ra-226, ….) oder wenn die Aktivität von gesuchten Nukliden sehr niedrig ist, dann wird der Einsatz eines hochauflösenden Halbleiterdetektors  (High-Purity Germanium, HPGe) empfohlen.  Wegen der wesentlich besseren Energieauflösung und der hohen Efficiency erreicht man mit einem HPGe Detektor typischerweise eine um den Faktor 15 niedrigere Nachweisgrenze als mit einem Szintillations-Messsystem.

Detektor:
Man verwendet meist Detektoren, die eine Efficiency zwischen 25% und 45% relativ zum Standard 3″*3″ NaI(Tl) Detektor aufweisen, mit einer Energieauflösung  (FWHM der 1332.5 keV Linie vom Co-60) von weniger als 0.2%. Es gibt Detektoren mit wesentlich höherer Efficiency, allerdings bringt diese hohe Nachweiswahrscheinlichkeit für fast keine Anwendung einen Vorteil.  Je höher die Efficiency, also je größer der Detektorkristall ist, desto ausgeprägter sind die Fehler in der Peakform und desto schlechter ist die Auflösung. Einige Fehler wie z.B,. das „ballistic deficit“ kann man mit digitalen Spektrometern teilweise korrigieren, aber im Großen und Ganzen haben sehr große Detektoren eine schlechtere Auflösung. Da die besonders hohe Auflösung der wichtigste Vorteil von HPGe Detektoren ist, können wir den Einsatz von besonders großen Detektoren nicht empfehlen. Der beste Kompromiß zwischen Efficiency, Preis und Nutzbarkeit liegt bei Detektoren mit 40% bis 50% relativer Efficiency.

Während der Messung muss der HPGe Detektor auf sehr niedrige Temperaturen <-160°C mit flüssigem Stickstoff (LN2) gekühlt werden. Diese Kühlung aus einem DEWAR Gefäß verbraucht ca. 25 Liter LN2 pro Woche. Es gibt inzwischen auch unterschiedliche Systeme zur elektrischen Kühlung von Detektoren oder zur Kühlung mit Hybridsystemen, in denen LN2 intern zyklisch verwendet wird.

Vielkanalanalysator (VKA):
Nachdem die Vielkanalanalysatoren als Einsteckkarten in den PC fast völlig vom Markt verschwunden sind, ist die VKA-Technologie teilweise wieder zur NIM-basierten Analogelektronik zurückgekehrt, insbesondere da diese analogen Systeme meist eine bessere Auflösung als die vollständig digitalen Systeme liefern. Man findet in modernen stationären Systemen oft NIM-Einschübe für die Hochspannung, den Spektroskopieverstärker, ADC und VKA. Hybridlösungen mit teilweise analoger NIM Elektronik und digitalem ADC und VKA sind ebenso erhältlich wie komplett digitale Systeme.
Die meisten modernen Systeme sind über USB oder Netzwerk (RJ45) an einen PC angeschlossen, der zur Konfigurierung der Hardware, der Definition der Messparameter, der Überwachung und Darstellung der Messdaten sowie der Speicherung des Spektrums dient. Viele Funktionen und Abläufe können mit Batch-Files definiert und somit fehlerfrei reproduzierbar ausgeführt werden.

Eine völlig neue Entwicklung ist der PX5-HPGe Vielkanalanalysator vom AMPTEK der alle digital kontrollierten Komponenten (Hochspannung, Vorverstärker, Verstärker, ADC, VKA und PC-Interface) in einem kleinen Gehäuse enthält. Das Gerät ist zur hochauflösenden Spektrometrie sehr gut geeignet.

Abschirmung:

Für die quantitative sowie die low-level Anwendung der HPGe Spektrometrie muss der Detektor gegen äußere Strahlung aus terrestrischen und kosmischen Quellen geschützt werden. Als effektive Abschirmung dient eine 10 cm dicke Schicht aus Blei, das eine besonders niedrige Eigenaktivität hat, möglichst <50Bq/kg an Pb-210. Diese Bleidicke schwächt die Intensität von 1 MeV Gammas etwa um den Faktor 1000 ab. Die sehr schwere Abschirmung (ca. 1300 kg) steht auf einem soliden Stahltisch und sie schirmt den Detektor allseitig ab. Leichtgängige Deckel ermöglichen eine einfache und sichere Einbringung der Proben auf den Detektor. Spezielle „Bleiburgen“ mit 15 cm Wanddicke oder solche mit besonders niedriger Eigenaktivität (<25 Bq/kg) sind ebenfalls erhältlich.
Die Bleiburg kann auf der Innenseite mit einer Schichtung von Materialien mit niedriger Kernladungszahl Z ausgekleidet sein, um die Messung der Röntgenlinien vom Blei zu unterdrücken (diese Auskleidung wird ausdrücklich NICHT empfohlen).

Software zur Spektrenanalyse:

Gamma-Spektren von HPGe Detektoren werden mit dem Programm GAMMA-W zur Präzisionsanalyse von Gamma-Spektren ausgewertet. GAMMA-W ist für seine sehr gute Auflösung komplexer Multipletts sowie die korrekte Analyse von kleinen Peaks auf hohem Untergrund bekannt.