Die Aufgabe eines Gamma-Detektors ist es, die auf ihn treffende Gamma-Strahlung, die elektrisch neutral ist, in ein messbares elektrisches Signal umzuwandeln. Hierfür nutzt man aus, dass es sich bei Gamma-Strahlung um eine ionisierende Strahlung handelt: Sie löst aus den Atomen des Detektormaterials Elektronen durch Ionisation heraus. Die hierbei erzeugte Ladungsmenge, d. h. die Anzahl an Elektronen – zur Wiederholung: es handelt sich hierbei um negativ geladene Teilchen – ist äquivalent der Energie der Gamma-Strahlung.
Die im Detektor erzeugte Ladungsmenge wird in einem Vorverstärker gesammelt und dort in einen Spannungsimpuls umgeformt. Die Höhe des Spannungsimpulses entspricht der jeweiligen Ladungsmenge. Die weitere Verarbeitung dieses Spannungsimpulses erfolgt in verschiedenen analogen - oder in neuerer Zeit vorwiegend digitalen - Komponenten. Diese betrachten wir zunächst als Black-Box, in die der Spannungsimpuls auf der einen Seite hineingeht und „irgendwie“ verarbeitet auf der anderen Seite wieder herauskommt. Letztendlich „landet“ der verarbeitete Spannungsimpuls in einem Vielkanalanalysator.
Anschaulich gesagt, besteht ein Vielkanalanalysator aus einer großen Anzahl an „Fächern“, den sogenannten Kanälen. Jedem Kanal entspricht dabei eine Höhe eines Spannungsimpulses. Wird ein Spannungsimpuls einer bestimmten Höhe an den Vielkanalanalysator übertragen, dann wird die Anzahl der in dem zugehörigen Kanal bereits registrierten Spannungsimpulse um den Wert eins erhöht.
Schematische Darstellung der Detektion von Gamma-Strahlung. Die Gamma-Strahlung trifft auf einen Detektor und erzeugt durch Ionisation eine Ladungsmenge, die äquivalent zur Energie der Gamma-Strahlung ist. Die Ladungsmenge wird im Vorverstärker in einen Spannungsimpuls umgewandelt, dessen Höhe der Ladungsmenge entspricht. Der Spannungsimpuls wird in einer „Black-Box“ weiterverarbeitet und anschließend in einem Vielkanalanalysator auf die entsprechenden Kanäle verteilt.
Auf diese Art erhält man im Vielkanalanalysator (VKA) eine Verteilung die aussagt wie viele Spannungsimpulse in den einzelnen Kanälen registriert wurden.
Beispiel für eine VKA Verteilung (Kanäle), gemessen für das radioaktive Isotop 137Cs. Deutlich zu erkennen ist die charakteristische Linie, die beim Zerfall des Isotops mit einer Gamma-Energie von 661 keV ausgesandt wird (die ebenfalls sichtbaren kleineren Linien haben ihren Ursprung im Untergrund, der am Messplatz zum Zeitpunkt der Messung vorhanden war).
Wie wir bereits wissen, hat die beim Zerfall eines Isotops ausgesandte Gamma-Strahlung nur ganz bestimmte (diskrete) Energien, die für jedes Isotop charakteristisch sind, d. h. eine Art Fingerabdruck liefern. Dies bedeutet, dass im Detektor vorwiegend Ladungsmengen erzeugt werden, die den Energien dieser charakteristischen Linien entsprechen. Diese werden im Vorverstärker in Spannungsimpulse mit entsprechenden Höhen umgewandelt, in der Black-Box weiterverarbeitet und das Ergebnis dieser Weiterverarbeitung an den Vielkanalanalysator weitergegeben. Dort wird der Inhalt des entsprechenden Kanals, ein Zahlenwert, der angibt, wie oft Spannungsimpulse in der aktuellen Messung bereits diesem Kanal zugeordnet wurden, um den Wert eins erhöht. Hierdurch entsteht mit der Zeit eine Verteilung im Vielkanalanalysator, ein sogenanntes Spektrum. Die Zeitdauer, bis ein derartiges Spektrum mit den charakteristischen Linien sich aufbaut, hängt von verschiedenen Faktoren abhängen. Hierzu zählen beispielsweise
- die Menge der radioaktiven Zerfälle, die durch die Aktivität des Isotops beschrieben wird,
- die Wahrscheinlichkeit, mit der bei einem radioaktiven Zerfall Gamma-Strahlung einer charakteristischen Linie entsteht (diese entsteht im Allgemeinen nicht bei jedem Zerfallsereignis),
- der Abstand des Detektors von der Probe, die das Isotop enthält (je weiter die Probe entfernt ist, desto weniger Gamma-Strahlung trifft auf den Detektor, da die Gamma-Strahlung in alle Richtungen ausgesandt wird),
- die Effektivität des Detektors (der Anteil an Gamma-Strahlung, die auf den Detektor trifft und in diesem nachgewiesen (gemessen) wird, hängt von Form, Größe und Material des Detektors ab),
- die Energie der Gamma-Strahlung (ist die Energie zu gering, kann die Gamma-Strahlung gar nicht erst in den Detektor eindringen, mit zunehmender Energie nimmt die Wahrscheinlichkeit zu, dass die Gamma-Strahlung durch den Detektor einfach hindurchgeht, ohne detektiert zu werden, d. h. ohne ihre Energie in eine entsprechende Ladungsmenge umgewandelt zu haben),
- etc.
Aus dieser unvollständigen Auflistung sieht man bereits, dass die Messung von Gamma-Strahlung eine nicht triviale Aufgabe ist und die Durchführung einer echten Messung eine gute Planung erfordert. Hierzu gehört auch die Auswahl eines geeigneten Gamma-Detektors, von denen es eine Vielzahl unterschiedlicher Typen gibt.
Alle in diesem Abschnitt nur kurz angesprochenen Punkte, wie beispielsweise die Black-Box, die verschiedenen Detektortypen, die Ionisation etc. werden wir im Abschnitt Fortgeschrittene vertieft behandeln.
Wir wollen uns aber jetzt weiter mit der (gemessenen) Verteilung im Vielkanalanalysator, dem Gamma-Spektrum, beschäftigen.
