Anordnung zur Feststellung von bei Kernumwandlungen emittierten Strahlen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Feststellung von bei Kernumwandlungen emittierten Strahlen, welche Anordnung aus einem Strahlungsdetektor, einer Stromquelle für diesen Detektor, einem Verstärker und aus Mitteln zur Registrierung des Ausgangssignals besteht.
Bei der Messung der Energieverluste dE/dx von Kernstrahlung finden meistens Anordnungen Verwendung, bei denen das Kernstrahlungsempfindliche Fühlelement ein Siliziumdetektor ist. Diese Anordnungen enthalten dann noch eine Stromquelle und einen Verstärker mit nachgeschalteten Mitteln zur Registrierung des vom genannten Verstärker abgegebenen Ausgangssignals.
Der grösste Nachteil solcher Anordnungen besteht darin, dass ihr Rauschpegel bei Zimmertemperatur verhältnismässig hoch ist. Ausserdem reicht das Energieauflösungsvermögen der Siliziumdetektoren nicht bei allen Messaufgaben aus, was sich durch die wegen der grossen Kernladungszahl Z des Siliziums auftretende Streuung erklären lässt. Dieser Mangel mach sich besonders bei der Messung der spezifischen Energieverluste der Elektronen bemerkbar. Wegen der grossen Kernladungszahl des Siliziums sind derartige Messanordnungen auch sehr empfindlich auf Gammastrahlung, die bei der zu messenden Kernstrahlung den Strahlungsuntergrund bildet.
Mit der vorliegenden Erfindung soll eine Anordnung angegeben werden, welche nicht nur die Messung von Energieverlusten ermöglicht, und zwar mit einem hohen Energieauflösungsvermögen, sondern auch eine Registrierung der genannten Kernstrahlung bei einem intensiven isotropen Gammastrahlungsuntergrund erlaubt.
In Übereinstimmung mit dem gestellten Ziel wird der Erfindung die Aufgabe zugrunde gelegt, einen Detektor anzugeben, der eine geringe Kapazität, einen niedrigen Rauschpegel und auch eine geringe Empfindlichkeit gegen Gammstrahlung besitzt.
Die gestellte Aufgabe wird bei einer Anordnung zur Feststellung von Kernstrahlen erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Strahlungsdetektor eine Diamantplatte enthält, die an ihren gegenüberliegenden Seiten mit Kontaktelektroden zum Anlegen eines elektrischen Feldes versehen ist, wobei deren Dicke in dem zwischen dem Kontakten liegenden Arbeitsbereich nicht grösser ist als die maximale Drift der Ladungsträger in der Diamantplatte während ihrer Lebensdauer unter der Einwirkung einer elektrischen Feldstärke, welche maximale Driftgeschwindigkeit hervorruft und dass die Kontaktelektroden durchlässig für einfallende Strahlung sind und aus einem Material bestehen, dessen Kernladungszahl kleiner als 15 ist, wobei die erste Kontaktelektrode als Sperrschicht für die Ladungsträger wirkt,
während die gegenüberliegenden Kontaktelektrode zur Injizierung von Ladungsträgern in die Diamantenplatte unter der Einwirkung des angelegten elektrischen Feldes bestimmt ist, und wobei der Verstärker mit dem Registriergerät an die Sperrelektrode und die Stromquelle über einen Widerstand an die injizierende Kontaktelektrode angeschlossen sind.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 schematisch im Schnitt einen in ein Gehäuse eingebauten Detektor mit Kontaktelektroden für die Anordnung nach der Erfindung,
Fig. 2 eine Anordnung zur Feststellung von bei Kernumwandlungen emittierten Strahlen, mit dem Detektor der Fig. 1, der hier teilweise geschnitten in Aufsicht dargestellt ist.
In einem Gehäuse 1 (Fig. 1) mit einer Fensteröffnung 2, befindet sich ein Detektor für Kernstrahlen, welcher Detektor eine Diamantplatte 3 enthält. Die Diamantplatte 3 ist an ihren gegenüberliegenden Seiten mit Kontaktelektroden 4, 5 versehen. Die der Fenster öffnung 2 zugeordnete Kontaktelektrode 4 wirkt als Sperrschicht. Die andere Kontaktelektrode 5 besteht aus einem Material, das unter der Einwirkung eines angelegten elektrischen Feldes Ladungsträger in die Diamantplatte injizieren kann. Die Dicke d des zwischen den Kontaktelektroden 4, 5 liegenden Bereiches der Diamantplatte ist nicht grösser als die maximale Drift der Ladungsträger im Diamantkristall während ihrer Lebensdauer unter der Einwirkung eines elektrischen Feldes das maximale Driftgeschwindigkeit hervorruft.
Es gilt die Beziehung d /a= ,u.TEm
Darin bezeichnen jt - die Ladungsträgerbeweglichkeit (die Beweglichkeit von Elektronen- und von Defektelektronen), t - die Lebensdauer dieser Ladungsträger, E, - die Feldstärke, von der an die maximale Driftgeschwindigkeit auftritt und - - die maximale Drift.
Bei Untersuchungen hat sich gezeigt, dass beim Diamant die Driftgeschwindigkeit der Ladungsträger von einer bestimmten elektrischen Feldstärke an einen maximalen Wert annimmt und dann von der Feldstärke unabhängig ist. Die Drift der Ladungsträger ist bei maximaler Driftgeschwindigkeit nur noch von ihrer Lebensdauer, d. h. von den Eigenschaften des jeweiligen Diamanten abhängig.
Um die Energieverluste der einfallenden Strahlung im Diamantdetektor herabzusetzen, werden sowohl die Sperrelektrode 4 als auch die injizierende Kontaktelektrode 5 des Detektors so dünn wie möglich ausgeführt, und die Dicke des Arbeitsbereiches der Diamantplatte zwischen diesen Kontakten wird zugleich kleiner als die Reichweite der einfallenden Kernstrahlung ge wählt.
Ein solcher Diamantdetektor kann auch zur Messung der Intensität ionisierender Kernstrahlung verwendet werden, wenn bei der Kernstrahlung eine starke isotrope Gammastrahlung einen Strahlungsuntergrund bildet. In diesem Fall werden sowohl die Sperrelektrode 4 als auch die injizierende Kontaktelektrode 5 des Diamantdetektors durchlässig für die einfallende Strahlung ausgeführt, wobei die Diamantplatte 3 im Arbeitsbereich zwischen den Kontaktelektroden sehr dünn sein muss. Die Kernladungszahl des Materials für die Kontaktelektrode darf dabei nicht grösser als 15 sein. Für die Kontaktelektroden ist deshalb beispielsweise Siliziumkarbid oder Graphit gut geeignet.
Bei Einhaltung dieser Bedingung ist die Absorption von Gamma Strahlung in den Kontaktelektroden verhältnismässig gering, und somit wird auch der Anteil an jenen Impulsen geringer, die durch der Gammastrahlen-Absorption aus- gelöste Elektronen bedingt sind. Es wird also die konvertierende Wirkung der Kontaktelektroden 4, 5 gegenüber den Gammastrahlen vermindert. Bei dünnerem Arbeitsbereich der Diamantplatte wird allerdings auch die Amplitude der durch die zu registrierenden Strahlen bedingten Impulse geringer, da diese an den Detektor nur einen entsprechend kleineren Teil ihrer Energie abgeben. Da jedoch die Absorption von Gammastrahlen im Arbeitsbereich des Detektors exponentiell abnimmt, ist der Anteil an den der Oammastrahiung entsprechenden Impulsen in der resultierenden Impulszahl trotzdem geringer.
Wegen des hohen spezifischen Widerstands des Diamanten und der grossen Breite seines verbotenen Energiebandes hat die Verminderung der Dicke der Diamantplatte keine Zunahme der durch Ableitung verursachten Stromverluste zur Folge. Da das Stromverteilungs- und Wärmerauschen des Diamantdetektors vernachlässigbar klein ist, wird die Empfindlichkeit des Diamantdetektors auf Gammastrahlung beträchtlich geringer, wenn die Dicke des Arbeitsbereiches der Diamantplatte kleiner gewählt wird, als die Reichweite der zu registrierenden Strahlung.
Der Diamantdetektor 3 wird im Gehäuse 1 zwischen zwei gleichen dünnen Dichtungen 6 aus Isolierstoff mittels einer Spannmutter 7 eingespannt, die in das Gehäuse 1 eingedreht wird. In den Dichtungen 6 und in der Mutter 7 sind gleiche Fensteröffnungen 8 vorhanden, die der Fensteröffnung 2 im Detektorgehäuse 1 entsprechend. Die Fensteröffnungen sind koaxial ausgerichtet. Aus dem Gehäuse 1 des Detektors sind zwei getrennte metallene Anschlüsse 9, 10 (Fig. 2) herausgeführt und vom Gehäuse durch entsprechende Dichtungen isoliert. Ein weiterer Anschluss 11 dient zur Erdung des Detektorgehäuses 1, das aus Metall, z. B. aus Aluminium, hergestellt ist. Der Anschluss 9 ist durch ein Drahtstück 12 mit der injizierenden Kontaktelektrode 5 des Diamantdetektors und über einen Widerstand 13 mit dem einen Pol der Stromquelle 14 verbunden.
Der Anschluss 10 ist durch ein Drahtstück 15 mit der Sperrelektrode 4 des Detektors verbunden und dient zur Abnahme des resultierenden Signals. An den Anschluss 10 ist ein Verstärker 16 und an diesen ein Registriergerät 17 angeschlossen.
Für die Herstellung der vorgeschlagenen Anordnung, bei welcher der Detektor einen sehr dünnen Arbeitsbereich haben soll, sind Diamantplatten mit einer Ausnehmung am besten geeignet, da sie eine erhöhte mechanische Festigkeit besitzen und bequem in der Handhabung sind. Durch dünne Diamantplatten gebildete Detektoren sind aber auch verwendbar, falls man die Diamantplatte entlang ihres Umfanges mitsamt einem Übergangsstück auf Fensteröffnungen anklebt.
Bei einigen Messaufgaben, beispielsweise bei der Identifizierung einer bestimmten Art von Kernstrahlen, wird im Gehäuse 1 noch ein weiterer Detektor (nicht gezeigt) untergebracht, der alle einfallenden Arten von Kernstrahlen feststellt, so dass man ein System mit einem dE/dx- und E-Detektor erhält.
Wenn grössere wirksame Detektorflächen erforderlich sind, so stellt man mehrere der vorstehend beschriebenen Diamantdetektoren zu einem Mosaik zusammen.
Der Diamantdetektor lässt sich mit Epoxydharz, Klebstoff oder mit Kompoundmasse vergiessen.
Die beschriebene Anordnung hat folgende Wirkungsweise:
Das Gehäuse 1 mit dem Detektor 3 wird in eine Steckvorrichtung (nicht gezeigt) eingebaut, dann in den Strahlengang der zu erfassenden Strahlung gebracht und unter Spannung der Stromquelle 14 gesetzt. Die zu registrierenden Strahlen fallen auf die mit der Sperrelektrode 4 versehene Seite des Detektors 3 ein und rufen im Detektor eine Ionisation hervor. Die dabei entstehenden freien Ladungsträger (Elektronen und Defektelektronen) bewegen sich unter der Einwirkung des angelegten elektrischen Feldes zu den Kontaktelektroden 4, 5. Die Kontaktelektrode 5, an der ein positives Potential angelegt ist, zieht die Elektronen an, während die Defektelektronen zur Sperrelektrode 4 wandern. Ein kleiner Teil der Elektronen bleibt auf dem Wege zur Kontaktelektrode 5 an den im Diamantkristall immer vorhandenen Fangstellen zurück.
Dadurch wird die Diamantplatte polarisiert. Die injizierende Kontaktelektrode 5 hat die Aufgabe, diese Polarisation zu beseitigen. Da im Diamanten tiefliegende Fangstellen vorhanden sind, sind die Injektionsströme von der Kontaktelektrode 5 durch die Raumladung, die mit diesem Fangstellen zusammenhängt, begrenzt. Somit entsteht durch die Injektionsströme keine wesentliche Leitfähigkeit der Diamantplatte und folglich auch kein Rauschen. Tritt eine Störung des Feld- und Ladungsgleichgewichtes auf, welche Störung durch die von den einfallenden Strahlen hervorgerufene Polarisation verursacht wird, so stellen die von der Kontaktelektrode 5 injizierten Ladungsträger den ursprünglichen stationären Zustand des Kristalls wieder her.
Ebenso wie die Elektronen, können auch die Defektelektronen auf dem Wege zur Sperrelektrode 4 zum Teil an Fangstellen haften bleiben. Diese zurückgehaltenen Defektelektronen befinden sich aber in der Ionisierungszone und können von den Ladungsträgern mit entgegengesetztem Vorzeichen, also von Elektronen neutralisiert werden. Da die elektrische Feldstärke im Bereich der Sperrelektrode 4 höher ist, vermindern sich bei Erfassung von Kernstrahlen mit hoher ionisierenden Wirkung auch die Verluste im Elektronen-Defektelektronen-Plas- ma.
Das von der Sperrelektrode 4 des Detektors 3 abgenommene Signal gelangt auf den Eingang des Verstärkers 16 und ferner zum Registriergerät 17.
Die angegebene Anordnung mit Diamantdetektor hat gegenüber den bekannten Einrichtungen dieser Art eine Reihe von Vorteilen. Bei dem angegebenen Anschlussschaltbild des Diamantdetektors, der eine geringe Kapazität und einen niedrigen Rauschpegel hat und dessen Kontakte druchlässig für die einfallende Kern- strahlung sind, ergibt sich eine geringe Gesamteingangs- kapazität der Anordnung und ein hohes Signal/Rausch Verhältnis, wodurch die Zählausbeute gesteigert wird.
Da der Detektor aus Diamant hergestellt ist, der eine kleine Kernladungszahl hat, und seine beiden Kontaktelektroden aus einem Material mit einer niedrigen Kernladungszahl bestehen, ist die Anordnung gegen Gammastrahlung weniger empfindlich als bekannte Anordnungen dieser Art. Diese Anordnung ermöglicht mit hohem Energieauflösungsvermögen Energieverluste zu messen und die ionisierenden Kernstrahlen, beispielsweise a- und ss-Teilchen auf dem starken Gammastrahlungsuntergrund, also bei grossen a,y und ss/y Verhältnissen zu registrieren.