Detektormaterial för gammaspektrometri: NaI, LaBr₃, CZT och HPGe

Vad energiupplösning betyder

En gammadetektor återger inte en gammalinje som ett skarpt streck utan som en klockformad topp. Toppens bredd anges som FWHM – full bredd vid halva maxhöjden – i keV eller i procent av energin. För scintillatorer och CZT anges värdet oftast vid 662 keV (Cs-137), för HPGe-detektorer vid 122 keV (Co-57) och 1 332 keV (Co-60).

Ju smalare topp, desto lättare är det att skilja närliggande linjer åt och att se svaga toppar ovanpå bakgrunden. I grafen ovan har samma Eu-152-källa räknats fram med fyra detektormaterial. Titta på linjerna vid 1 085,8 och 1 112,1 keV: med NaI(Tl) och LaBr₃(Ce) flyter de ihop, medan CZT och HPGe visar två tydligt åtskilda toppar.

Materialen i korthet

NaI(Tl) – natriumjodid

En scintillator som kan tillverkas i stora volymer till rimlig kostnad och som arbetar vid rumstemperatur. Kristallen är hygroskopisk och därför alltid hermetiskt inkapslad. Upplösningen är den lägsta av de fyra materialen – ORTEC anger ≤ 7,2 % FWHM vid 662 keV för RADEAGLET-R med NaI(Tl)-kristall – men en stor kristall ger hög känslighet. NaI(Tl) är vanlig i handhållna nuklididentifierare och i fasta övervakningssystem.

LaBr₃(Ce) – lantanbromid

En scintillator med betydligt bättre upplösning än NaI(Tl) vid rumstemperatur: ORTEC anger ≤ 3,2 % FWHM vid 662 keV för RADEAGLET-R med LaBr₃(Ce)-kristall. Materialet innehåller naturligt radioaktivt lantan-138, vilket ger en liten egenbakgrund i spektrumet som kan märkas vid mycket låga aktiviteter.

CZT – kadmiumzinktellurid

En halvledare som, till skillnad från germanium, fungerar vid rumstemperatur. Strålningen omvandlas direkt till en elektrisk signal, utan att gå via ljus, vilket ger hög upplösning i ett kompakt instrument. H3D anger < 1,1 % FWHM vid 662 keV för H100, H400 och H420 i H Series och < 0,8 % för plusversionerna. Detektorvolymen varierar mellan modellerna – från 6 cm³ i H100 till över 77 cm³ i H1600 – och H-serien visar dessutom varifrån strålningen kommer.

HPGe – högrent germanium

Ger den klart bästa upplösningen och är standard för laboratoriemätningar och nuklidanalys med höga krav. ORTEC garanterar till exempel ≤ 0,87 keV vid 122 keV och ≤ 1,8 keV vid 1,33 MeV för GEM40. Germaniumkristallen måste kylas till kryogen temperatur under drift, med flytande kväve eller en elektromekanisk kylare, vilket gör systemen större och dyrare.

Upplösning är inte allt

Rätt material beror på mätuppgiften. En större kristall fångar fler fotoner och ger kortare mättider, så en stor NaI(Tl)-detektor kan vara ett bättre val än en liten detektor med högre upplösning när en källa snabbt ska hittas. När flera nuklider ska identifieras i ett komplext spektrum, eller när aktiviteten i ett prov ska bestämmas noggrant, är HPGe normalt förstahandsvalet. LaBr₃(Ce) och CZT används ofta i handhållna nuklididentifierare, där både upplösning och vikt spelar roll.

Så läser du upplösningen i ett datablad

• Energi: kontrollera vid vilken energi värdet gäller – 662 keV är vanligast för scintillatorer och CZT, 122 keV och 1 332 keV för HPGe.
• Typiskt eller garanterat: ett maxvärde (≤) är en garanti, ett typiskt värde är det normala utfallet.
• Procent och keV: värdena går att räkna om. 7 % vid 662 keV motsvarar ungefär 46 keV FWHM.
• Villkor: upplösningen gäller under bestämda förhållanden. RADEAGLET-R:s värden gäller till exempel vid rumstemperatur, och ORTEC:s HPGe-värden är uppmätta enligt ANSI/IEEE Std 325-1996 med en angiven signalprocessor.

Vill du se vilka instrument som har en viss detektortyp? Använd filtret Detektortyp i produktkatalogen eller utgå från mätuppgiften i instrumentguiden.