Spurätzdetektoren
Wenn ein geladenes Teilchen langsamer wird und in einem Feststoff stehen bleibt, kann die Energie, die es entlang seiner Spur ablagert, das Material dauerhaft beschädigen. Selbst bei sorgfältiger mikroskopischer Untersuchung ist es schwierig, direkte Hinweise auf diesen lokalen Schaden zu beobachten. Bei bestimmten dielektrischen Materialien kann das Vorhandensein der beschädigten Spur jedoch durch chemisches Ätzen (Erosion) der Materialoberfläche unter Verwendung einer Säure- oder Basenlösung nachgewiesen werden. Wenn geladene Teilchen in der Vergangenheit die Oberfläche bestrahlt haben, hinterlässt jedes eine Spur von beschädigtem Material, das an der Oberfläche beginnt und sich bis zu einer Tiefe erstreckt, die dem Bereich des Teilchens entspricht. Bei den Materialien der Wahl ist die chemische Ätzrate entlang dieser Spur höher als die Ätzrate der unbeschädigten Oberfläche. Daher wird mit fortschreitendem Ätzen an der Position jeder Spur eine Vertiefung gebildet. Innerhalb weniger Stunden können diese Gruben groß genug werden, so dass sie direkt unter einem Mikroskop mit geringer Leistung gesehen werden können. Eine Messung der Anzahl dieser Pits pro Flächeneinheit ist dann ein Maß für den Partikelfluss, dem die Oberfläche ausgesetzt war.
Es gibt eine minimale Schadensdichte entlang der Spur, die erforderlich ist, bevor die Ätzrate ausreicht, um eine Grube zu erzeugen. Da die Schadensdichte mit dem dE / dx des Partikels korreliert, ist sie für die am schwersten geladenen Partikel am höchsten. In jedem Material ist ein bestimmter Mindestwert für dE / dx erforderlich, bevor sich Gruben entwickeln. Beispielsweise werden im Mineralglimmer Gruben nur von energetischen Schwerionen beobachtet, deren Masse 10 oder 20 Atommasseneinheiten oder mehr beträgt. Viele gängige Kunststoffe sind empfindlicher und entwickeln Ätzgruben für massearme Ionen wie Helium (Alpha-Partikel). Einige besonders empfindliche Kunststoffe wie Cellulosenitrat entwickeln selbst für Protonen Gruben, die die schwer geladenen Teilchen am wenigsten schädigen. Es wurden keine Materialien gefunden, die Pits für die niedrigen dE / dx-Spuren schneller Elektronen erzeugen. Dieses Schwellenverhalten macht solche Detektoren gegenüber Beta-Partikeln und Gammastrahlen völlig unempfindlich. Diese Immunität kann in einigen Anwendungen ausgenutzt werden, in denen schwache Flüsse stark geladener Teilchen in Gegenwart eines intensiveren Hintergrunds von Gammastrahlen registriert werden sollen. Beispielsweise werden viele Umweltmessungen der Alpha-Partikel, die durch den Zerfall von Radongas und seinen Tochterprodukten erzeugt werden, unter Verwendung einer Kunststoff-Spurätzfolie durchgeführt. Der Hintergrund allgegenwärtiger Gammastrahlen würde unter diesen Umständen die Reaktion vieler anderer Detektortypen dominieren. Bei einigen Materialien hat sich gezeigt, dass die Schadensspur auf unbestimmte Zeit im Material verbleibt, und Gruben können viele Jahre nach der Exposition geätzt werden. Die Ätzeigenschaften werden jedoch möglicherweise durch Lichteinwirkung und hohe Temperaturen beeinträchtigt. Daher ist bei längerer Lagerung freiliegender Proben Vorsicht geboten, um ein Ausbleichen der Schadensspuren zu verhindern.
Es wurden automatisierte Methoden entwickelt, um die Ätzgrubendichte unter Verwendung von Mikroskoptischen zu messen, die mit einer geeigneten optischen Analysesoftware an Computer gekoppelt sind. Diese Systeme sind in der Lage, „Artefakte“ wie Kratzer auf der Probenoberfläche in gewissem Maße zu unterscheiden, und können eine einigermaßen genaue Messung der Anzahl von Spuren pro Flächeneinheit liefern. Eine andere Technik umfasst relativ dünne Kunststofffolien, bei denen die Spuren vollständig durch die Folie geätzt werden, um kleine Löcher zu bilden. Diese Löcher können dann automatisch gezählt werden, indem der Film langsam zwischen einem Satz Hochspannungselektroden geführt und Funken elektronisch gezählt werden, die beim Durchgang eines Lochs auftreten.
Neutronenaktivierungsfolien
Bei Strahlungsenergien von mehreren MeV und weniger induzieren geladene Teilchen und schnelle Elektronen keine Kernreaktionen in Absorbermaterialien. Gammastrahlen mit einer Energie unter einigen MeV induzieren ebenfalls nicht leicht Reaktionen mit Kernen. Wenn daher nahezu jedes Material von diesen Strahlungsformen beschossen wird, bleiben die Kerne unberührt und es wird keine Radioaktivität in dem bestrahlten Material induziert.
Unter den üblichen Strahlungsformen bilden Neutronen eine Ausnahme von diesem allgemeinen Verhalten. Da sie keine Ladung tragen, können Neutronen mit selbst niedriger Energie leicht mit Kernen interagieren und eine große Auswahl an Kernreaktionen auslösen. Viele dieser Reaktionen führen zu radioaktiven Produkten, deren Vorhandensein später mit herkömmlichen Detektoren gemessen werden kann, um die bei ihrem Zerfall emittierten Strahlungen zu erfassen. Beispielsweise absorbieren viele Arten von Kernen ein Neutron, um einen radioaktiven Kern zu erzeugen. Während der Zeit, in der eine Probe dieses Materials Neutronen ausgesetzt ist, sammelt sich eine Population radioaktiver Kerne an. Wenn die Probe aus der Neutronenexposition entfernt wird, zerfällt die Population mit einer bestimmten Halbwertszeit. Bei diesem Zerfall wird fast immer eine Art von Strahlung emittiert, häufig Betateilchen oder Gammastrahlen oder beides, die dann mit einer der nachstehend beschriebenen aktiven Nachweismethoden gezählt werden können. Da dies mit dem Grad der induzierten Radioaktivität in Beziehung gesetzt werden kann, kann aus dieser Radioaktivitätsmessung die Intensität des Neutronenflusses abgeleitet werden, dem die Probe ausgesetzt war. Um eine ausreichende Radioaktivität zu induzieren, um eine einigermaßen genaue Messung zu ermöglichen, sind relativ intensive Neutronenflüsse erforderlich. Daher werden Aktivierungsfolien häufig als Technik zur Messung von Neutronenfeldern um Reaktoren, Beschleuniger oder andere intensive Neutronenquellen verwendet.
Materialien wie Silber, Indium und Gold werden üblicherweise zur Messung langsamer Neutronen verwendet, während Eisen, Magnesium und Aluminium für schnelle Neutronenmessungen möglich sind. In diesen Fällen liegt die Halbwertszeit der induzierten Aktivität im Bereich von einigen Minuten bis zu einigen Tagen. Um eine Population radioaktiver Kerne aufzubauen, die sich dem maximal möglichen Wert nähert, sollte die Halbwertszeit der induzierten Radioaktivität kürzer sein als die Zeit der Exposition gegenüber dem Neutronenfluss. Gleichzeitig muss die Halbwertszeit lang genug sein, um die Radioaktivität bequem zählen zu können, sobald die Probe aus dem Neutronenfeld entfernt wurde.
