Lichtdetektoren: Geräte zur Erkennung von Szintillationslicht

Das von einem Szintillationsmaterial emittierte Licht muss mit einem empfindlichen Lichtdetektionsgerät erfasst werden. Folgende Möglichkeiten:

Photovervielfacherröhre // Photomultiplier (PMT)
Photodioden
Silizium Photovervielfacher (SiPM)

(alternativ können Szintillationsdetektoren auch durch CCD Kameras ausgelesen werden)

Photovervielfacherröhre / Photomultiplier (PMT)

Ein Photomultiplier oder auch Photovervielfacher, ist eine spezielle Elektronenröhre, um schwache Lichtsignale durch das Erzeugen und Verstärken eines elektrischen Signals zu erkennen.

Licht (Photonen) wird in Photoelektronen umgewandelt, indem sie in einer dünnen Fotokathodenschicht in einer (Glas-) Vakuumröhre absorbiert werden. Meistens ist eine Fotokathode halbtransparent und besteht normalerweise aus einer dünnen Schicht verdampfter Cs -, Sb – und K – Atome oder einer Mischung davon. Jedes Photoelektron wird durch ein elektrisches Feld in Richtung einer Dynode gezogen und anschließend verstärkt. Bei einem 10-stufigen PMT liegt die Nettoverstärkung in der Größenordnung von 5.  10 (5).
Jeder Szintillationsimpuls erzeugt einen Ladungsimpuls an der Anode des PMT.

Neben dem oben beschriebenen Impulsmodus können PMTs auch im Strommodus betrieben werden. In diesem Fall ist der Anodenstrom ein Maß für die im Szintillator absorbierte Strahlungsintensität. Dies ist nur möglich, wenn sich die Fotokathode auf einem negativen Potential befindet. Dies ermöglicht den Betrieb eines Szintillationsdetektors bei hohen Strahlungsfeldern. Der Nachteil ist, dass alle spektroskopischen Informationen verloren gehen.

Die Energieauflösung, die koinzidente Auflösungszeit und die Stabilität eines Szintillationsdetektors hängen in hohem Maße vom Typ der Photovervielfacherröhre ab.
Es ist zu beachten, dass PMTs gegenüber Magnetfeldern empfindlich sind, dafür bietet eine
μ – Metallabschirmung ausreichenden Schutz vor dem Erdmagnetfeld. Für den Betrieb in hohen Magnetfeldern stehen spezielle PMTS zur Verfügung. Die Auswahl eines geeigneten PMT Typs ist für ein gutes Detektordesign von grundlegender Bedeutung.

Wichtige PMT-Parameter sind:
Verstärkungsfaktor / Dunkelstrom / Impulsanstiegszeit / Physische Größe /
stabile Verstärkung / Hintergrundstrahlung

Verstärkung, Stabilität und Dunkelstrom hängen von den verwendeten Dynodenmaterialien ab. Die Impulsanstiegszeit hängt von der Dynodenstruktur ab.  Ein sehr wichtiger Faktor ist die Empfindlichkeit.

Die Verstärkung eines PMT ist temperaturempfindlich. Unterschiedliche Verstärkungen hängen vom Photokathoden – und Dynodenmaterial ab.

Gemäß den Szintillationseigenschaften weist jeder Szintillatortyp ein anderes Emissionsspektrum auf. Für eine gute Leistung ist es wichtig, dass das Emissionsspektrum eines Szintillators gut an die Quanteneffizienzkurve des PMTs angepasst ist. Um beispielsweise die schnelle Szintillationskomponente von BaF2 nachzuweisen, muss ein PMT mit Quarzfenster verwendet werden, da Glas das gesamte Licht unter 280 nm absorbiert.

PMTs sind aufgrund ihrer Dynodenstufen normalerweise recht sperrige Geräte, aber es gibt auch einige Kurzversionen und Miniaturtypen.

Viele PMT-Durchmesser sind möglich. Standard-PMT-Durchmesser sind: 10, 13, 19, 25, 28, 38, 51, 76, 90 und 127 mm.

Obwohl es PMT-Typen gibt, die eine hohe Magnetfeldimmunität aufweisen, ist bei der Verwendung von PMTs in Magnetfeldern Vorsicht geboten.

Das Material eines PMT ist normalerweise Glas. Glas hat eine intrinsische Menge von 40 K, die sowohl 1460 keV Gammastrahlen als auch β-Partikel emittieren. Die Frontplatte des PMT kann auch aus speziellem Low-K-Glas hergestellt werden. Darüber hinaus können Lichtleiter verwendet werden, die die β-Partikel absorbieren und einen Abstand zwischen dem Kristall und dem PMT herstellen.
Die obigen Techniken werden in sogenannten „low background“ Szintillationsdetektoren verwendet.

Weitere Informationen zu PMTs finden Sie in der Literatur der PMT-Hersteller.

Photodioden

Photodioden sind eine weitere Alternative zum Photomultiplier. Sie werden unter anderem verwendet, um Licht in eine elektrische Spannung oder einen elektrischen Strom umzusetzen oder um mit Licht übertragene Informationen zu empfangen.
In einer Photodiode erzeugen die Szintillationsphotonen Elektron-Loch-Paare, die jeweils an der Anode und der Kathode der Diode gesammelt werden. Am häufigsten werden in Sperrrichtung vorgespannte PIN-Photodioden mit geringer Kapazität und niedrigem Ableitstrom verwendet.

Wenn Photodioden optisch an einen Szintillationskristall gekoppelt sind, erzeugt jeder Szintillationslichtimpuls einen kleinen Ladungsimpuls in der Diode, der mit einem ladungsempfindlichen Vorverstärker gemessen werden kann.
Alternativ kann der in der Diode erzeugte Strom gemessen werden.

Die höchsten Signale können von Szintillationskristallen erwartet werden, die eine intensive Emission über 500 nm aufweisen. Daher eignet sich CsJ​​(tl) besonders gut zum Koppeln an Photodioden, da es sich durch eine große Szintillationsintensität auszeichnet.

Im Gegensatz zu Photomultipliern benötigen Photodioden keine Hochspannungsversorgung (HV), sondern nur eine Vorspannung von etwa 30 V. Ein Vorteil von Photodioden ist, dass sie dünn sind (mehrere mm). Ausserdem sind sie robust und unempfindlich gegenüber Magnetfeldern. Darüber hinaus ist das Ausgangssignal eines Kristall – / Photodiodendetektors aufgrund der fehlenden Drift der Diodenverstärkung sehr stabil, da im Gerät selbst keine Ladungsverstärkung stattfindet.

Aufgrund des von der Photodiode erzeugten kleinen Signals ist es erforderlich, einen hochwertigen Vorverstärker zu verwenden, um den Rauschpegel so niedrig wie möglich zu halten. Rauschen ist ein wesentliches Problem für Standard – Photodioden. In Silizium-PIN-Photodioden wird die erzeugte Anzahl von primären Elektronenlochpaaren (eh-Paaren) durch Verstärkung nicht erhöht.

Solange genügend Licht zur Verfügung steht, kann jedes Szintillationsereignis mit Photodioden erfasst werden. Aufgrund des Eigenrauschens gibt es jedoch eine Untergrenze für die Energie der Strahlung, die erfasst werden kann.

Bei steigenden Temperaturen steigt der Dunkelstrom der Photodiode an. Dies begrenzt die Verwendung von Szintillationsphotodiodendetektoren auf Temperaturen unter 50 ° C.

Photodioden können auch im Gleichstrommodus zum Auslesen eines Szintillationskristalls verwendet werden. Diese Betriebsart wird für Anwendungen verwendet, bei denen die Strahlungsintensität hoch ist, beispielsweise bei medizinischen CT-Scannern.

Die Niedrigpegel-Rauschgrenze kann durch die Verwendung von sogenannten „ Avalanche Photodioden “ (APDs) überwunden werden.  In diesen Geräten ermöglicht eine interne Verstärkung auch Röntgenstrahlen mit niedrigerer Energie zu erfassen. Dafür ist jedoch eine externe Spannung von mindestens mehreren hundert Volt erforderlich. APDs sind derzeit mit einem Maximaldurchmesser von ca. 1 cm erhältlich.

APD-Signale sind viel schneller als Signale von PIN-Dioden (ns-Bereich) und werden meistens für schnelle Anwendungen mit kleinen Szintillationskristallen verwendet oder wenn der Betrieb in einem Magnetfeld obligatorisch ist.
Alle Dioden sind anfällig für Strahlenschäden durch Partikel oder Gammastrahlen, die normalerweise zu einem Anstieg des Dunkelstroms führen.

Silizium Photovervielfacher (SiPM)

Eine Alternative zum Auslesen von Szintillationskristallen mit Photomultipliern ist die Verwendung von sogenannten Silizium-Photovervielfachern, üblicherweise als „SiPM“ bezeichnet.

Silizium-Photovervielfacher sind Anordnungen von kleinen empfindlichen Elementen, sogenannte Mikrozellen oder Pixeln, die im Geiger-Modus arbeiten. Jede Mikrozelle ist eine Geiger-Mode-Avalanche-Photodiode, die direkt über der Durchbruchspannung betrieben wird, mit integriertem Widerstand für das passive Löschen der Lawine (quenching).
Wenn ein Photon in einem Pixel absorbiert wird, löst es eine definierte Ladung aus. Mehrere Pixel, die gleichzeitig ausgelöst werden, implizieren einen größeren Gesamtladungsimpuls.

Typische Eigenschaften von SiPMs sind:

Hohe Empfindlichkeit
Niederspannungsbetrieb (25-30 V)
Unempfindlich gegen Magnetfelder
Hervorragende Effizienz
Mechanisch kompakt
Mikrozellengröße zwischen 25 und 50 μm

SiPM – Elemente können zu Matrizen kombiniert werden und sie können bis zu 60 ° C betrieben werden. Für Anwendungen, bei denen kleine Größen und Niederspannung erforderlich sind, können mit SiPMs ausgelesene Szintillatoren eine gute Wahl sein.

SiPMs verhalten sich sowohl in Bezug auf die Signalverarbeitung als auch in Bezug auf das spektroskopische Verhalten völlig anders als klassische Photomultiplier.
Die Anzahl der für einen Szintillationskristall benötigten SiPMs hängt von den Anforderungen ab.

Es gibt eine Reihe von Sensoren, die mit SiPMs für eine Vielzahl von Anwendungen ausgestattet sind.

Bias-Generator / Vorverstärkermodule für SiPM-Szintillationsdetektoren wurden auch entwickelt. Solche Module arbeiten mit einer Spannung von 5,2 bis 16 V und verbrauchen weniger als 30 mW.