Neutronenregistriergerät
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Neutronenregistriergerät mit einer aktivierbaren Erzeugerplatte, die ionisierende Strahlung emittiert, mit zumindest einem Detektor für ionisierende Strahlung, mit einem Verstärker am Detektorausgang und mit einem Registriergerät sowie mit einer Stromquelle zur Stromversorgung des genannten Detektors.
Für die Registrierung von Neutronen haben sich in der Strahlungsmesstechnik Anordnungen weitgehend durchgesetzt, bei denen Neutronen in einem auf Neutronen empfindlichen Vorsatz, Erzeugerplatte genannt, eine ionisierende Strahlung emittieren, die von einem Detektor, der aus Silizium, Germanium oder Siliziumkarbid besteht, erfasst wird. Der Detektor befindet sich im Strahlengang hinter der Erzeugerplatte und hat die Aufgabe, die geladenen Teilchen, welche bei Kernwechselwirkungen zwischen Neutronen und dem Material der Erzeugerplatte entstehen, zu registrieren.
Ein Neutronenregistriergerät mit einem Siliziumdetektor eignet sich jedoch nicht gut zur Registrierung von energiereichen Neutronen, da diese in Wechselwirkung mit Siliziumatomkernen treten, was eine beträchtliche Untergrundstrahlung zufolge hat. Diese Detektoren versagen auch bei höheren Temperaturen. Bei Kernstrahlungsdetektoren aus Germanium ist die Untergrundstrahlung zwar wesentlich geringer als bei Siliziumdetektoren, diese Germaniumdetektoren müssen jedoch gekühlt werden, wenn sie einwandfrei funktionieren sollen. Siliziumkarbiddetektoren arbeiten zwar bei höheren Temperaturen einwandfrei, ihr Energieauflösungsvermögen ist jedoch gering und zudem ist bei ihnen das Signal-Rausch-Verhältnis klein.
Darüber hinaus sind alle bekannten Detektoren sehr empfindlich auf die in der Regel zusammen mit der Neutronenstrahlung auftretende Gammastrahlung, den sogenannten Gamma-Untergrund. Auch die Registrierung von energiearmen Neutronen für die Zwecke der Spektrometrie ist mit den erwännten detektoren nicht immer möglich, da ihr Rauscnpegel bei Zimmertemperatur recht hoch liegt. Es sei hier schliesslich auch auf die durch Bestrahlung hervorgerufene Schädigung hingewiesen, die in diesen Geräten unter der Einwirkung der Neutronen entsteht und ihre Lebensdauer beeinträchtigt.
Zweck der Erfindung ist ein Gerät zur Registrierung von Neutronen zu schaffen, bei dem die genannte Wechselwirkung keine beträchtliche Untergrundstrahlung hervorruft, und das weitgehend unempfindlich auf den Gamma-Untergrund ist. Dieses Gerät soll weiterhin imstande sein, Neutronen sowohl bei Zimmertemperatur als auch bei erhöhten Temperaturen mit hoher Empfindlichkeit zu erfassen.
Das erfindungsgemässe Neutronenregistriergerät ist dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor für ionisierende Strahlung eine Diamantkristallplatte mit zwei an ihren gegenüberliegenden Plattenseiten angeordneten und zum Anlegen eines elektrischen Feldes bestimmten Kontaktelektroden enthält, wobei die Dicke der Diamantkristallplatte in dem zwischen den Kontaktelektroden des liegenden Arbeitsbereichs nicht grösser ist als die maximale Drift der Ladungsträger im Diamantkristall während ihrer Lebensdauer unter der Wirkung einer elektrischen Feldstärke, welche maximale Driftgeschwindigkeit hervorruft, dass die Kontaktelektrode an der Plattenseite, die während der Registrie rung der ionisierenden, sich infolge der Kernreaktionen zwischen Neutronen und dem Material der Erzeugerplatte ergebenden Strahlung ausgesetzt ist,
gegenüber den genannten Ladungsträgern als Sperrschicht wirkt und an den Eingang des Verstärkers mit nachgeschaltetem Registriergerät angeschlossen ist, während die an der gegenüberliegenden Seite der Diamantkristallplatte liegende Kontaktelektrode aus einem Material besteht, das in die Diamantplatte unter der Einwirkung des angelegten elektrischen Feldes Ladungsträger injizieren kann und über einen Widerstand an die Stromquelle angeschlossen ist.
Die Erzeugerplatte kann im Strahlengang vor der Sperrelektrode angeordnet sein und aus einem durch Neutronen aktivierbaren Material bestehen.
Um eine grössere Auffangsausbeute zu erhalten, können Sperrelektrode und Erzeugerplatte als ein Ganzes angefertigt werden. In diesem Falle kann die Sperrelektrode des Diamantdetektors durch eine Oberflächenschicht aus einem Karbid eines Materials gebildet sein, das durch Neutronen aktiviert wird oder durch eine Oberflächenschicht der Diamantkristallplatte gebildet sein, die mit einem durch Neutronen aktivierbaren Material dotiert ist. Bei solchen Sperrelektroden entsteht ionisierende Strahlung unmittelbar in der Sperrschicht.
Bei Geräten für die Neutronenspektrometrie ist es vorteilhaft, zwei Diamantdetektoren zu verwenden, die so angeordnet werden, dass ihre Sperrelektroden zueinander weisen und die Erzeugerplatte dazwischen liegt, wobei die beiden Sperrelektroden an die gleichen Verstärkungs- und Registriermittel angeschlossen werden, um die Ausgangssignale der beiden Detektoren zu addieren.
Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel mit Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 ein Gerät zur Erfassung von Neutronen, mit einer Diamantkristallplatte als Detektor für ionisierende Strahlung, wobei die Diamantplatte mit einer Sperr- und einer Ladungsträger injizierenden Kontaktelektrode versehen ist und
Fig. 2 ein Gerät mit zwei je eine Diamantkristallplatte enthaltenden Detektoren für ionisierende Strahlung, wobei die beiden Platten je mit einer Sperr- und einer Ladungsträger injizierenden Kontaktelektrode versehen sind.
Der Detektor 1 für ionisierende Strahlung (Fig. 1) befindet sich in einem Metallgehäuse 2, das aus einem Neutronen nur schwach absorbierenden Material, beispielsweise aus Aluminium besteht. Als Gehäusewerkstoffe eigenen sich weiter auch Nichtmetall, beispielsweise Glas. Der Detektor 1 enthält eine Diamantkristallplatte 3, die an ihren gegenüberliegenden Plattenseiten mit Kontaktelektroden 4, 5 versehen ist. Die Kontaktelektrode 4 wirkt als Sperrschicht für Ladungsträger und wird beispielsweise durch einen Platinfilm gebildet. Die Kontaktelektrode 5 besteht dagegen aus einem Material, das fähig ist, Ladungsträger in die Diamantplatte unter der Einwirkung eines angelegten elektrischen Feldes zu injizieren. Sie kann beispielsweise durch einen Silberfilm gebildet werden.
Die Dicke d der Diamantkristallplatte im zwischen den beiden Kontaktelektroden 4, 5 liegenden Arbeitsbereich ist nicht grösser als die maximale Drift der Ladungsträger im Diamantkristall während ihrer Lebensdauer unter der Einwirkung einer elektrischen Feldstärke, welche maximale Driftgeschwindigkeit hervorruft. Für diese Dicke gilt die Beziehung.
d/ 8 = ,t tEm
Darin bezeichnen die Ladungsträgerbeweglichkeit (Elektronenund Defektelektronenbeweglichkeit) zdie - die Lebensdauer dieser Ladungsträger Em - die elektrische Feldstärke, von welcher an die Ladungsträger im Diamant die maximale Driftgeschwindigkeit erreichen und a - die maximale Drift der Ladungsträger im Diamant.
Vor der Sperrelektrode 4 des Detektors 1 befindet sich eine Erzeugerplatte aus einem durch Neutronen aktivierbaren Material. Die Auswahl des Materials für die Erzeugerplatte richtet sich nach der Energie der zu erfassenden Neutronen. Für die Registrierung von thermischen Neutronen verwendet man beispielsweise Er zeugerpiatten, die B10 oder Lie enthalten und nutzt die Reaktionen B10 (n, a) Li7 oder Li6 (n, a) H3 aus. Will man die von Neutronen bewirkten Spaltprozesse ausnutzen, so wählt man eine Erzeugerplatte, die beispielsweise U233, U235 Po239 für Erfassung von langsamen Neutronen und U238, - Np237, Pa232, Th232 für Erfassung von schnellen Neutronen enthält.
Schnelle Neutronen lassen sich auch unter Ausnutzung ihrer Streuung in einer Erzeugerplatte aus wasserstoffhaltigen Materialien, beispielsweise aus Polyäthylen, Paraffin oder aus Methylhydriden registrieren. Um hierbei den Einfluss von Untergrundstrahlung bewirkenden thermischen Neutronen zu schwächen, versieht man das Detektorgehäuse mit einer Abschirmung (nicht gezeigt), beispielsweise aus Cd, B10 oder Li6. Die schnellen Neutronen lassen sich durch eine Abschirmung beispielsweise aus B10, Li6 oder aus einem wasserstoffhaltigen Werkstoff, wie Paraffin bremsen. Man umgibt das Gehäuse des Detektors mit einer solchen Abschirmung und sieht für diese Abschirmung manchmal als einen weiteren Neutronenschutz eine Ummantelung, beispielsweise aus Cd oder B10 vor, der die thermischen Neutronen beseitigt.
Die Erzeugerplatte kann aus durch Neutronen aktivierbarem Material am Diamantdetektor, an der Seite seiner Sperrelektrode auf verschiedene Weise befestigt werden. Ein Polyäthylenfilm lässt sich einfach auf die Sperrelektrode aufkleben. Eine Erzeugerplatte aus Li5 wird durch Aufdampfung eines Films aus Li6F auf die Sperrelektrode im Vakuum gebildet. Spaltbare Materialien werden zunächst auf eine, beispielsweise aus Aluminium bestehende Platte aufgetragen, die dann am Diamantdetektor auf der belegten Seite durch die Sperrelektrode angebracht wird. Ausser durch diese üblichen Verfahren können die spaltbaren Materialien auch durch Galvanisierung unmittelbar auf die Sperrelektrode aufgetragen werden. In einigen Fällen kann die Sperrelektrode selbst als Erzeugerplatte herangezogen werden.
Zu diesem Zweck wird diese Sperrelektrode als eine Oberflächenschicht aus dem Karbid eines Materials ausgeführt, das durch Neutronen aktivierbar ist, z. B. aus mit B10 angereichtem Borkarbid. Ferner kann die Sperrelektrode des Diamantdetektors durch Dotierung der Oberfläche der Diamantkristallplatte mit einem durch Neutronen aktivierbaren Element, z.B. mit B10 angereichtem Bor oder mit Li6 angereichtem Lithium, gebildet werden. Eine solche Oberflächenschicht ist nach entsprechender Behandlung imstande, die Aufgabe sowohl der Sperrelektrode als auch der Erzeugerplatte zu erfüllen.
Man kann auch eine gasförmige Erzeugerplatte vorsehen, die durch Füllung des Detektorgehäuses mit unter Druck stehendem Gas, beispielsweise mit Wasserstoff mit Zusatz von schweren Gasen oder mit B10 angereichertem Borfluorid oder mit Helium gebildet wird. In dem letzteren Falle wird die Reaktion He3 (n, p) H3 ausgenutzt. Wird eine feste Erzeugerplatte verwendet, so evakuiert man mitunter das Detektorgehäuse.
Der beschriebene Detektor 1 mit Erzeugerplatte 6 und injizierender Kontaktelektrode 5 wird beispielsweise mittels einer Silberpaste auf einer Unterlage 7 aus einem elektrisch leitenden Material befestigt. Die Silberpaste ist vorher entsprechend thermisch zu behandeln. Eine in die Gehäusewand eingeschweisste Metalldurchführung 8 ermöglicht seine Erdung. Der Detektor besitzt zwei gegen das Gehäuse durch entsprechende Dichtungen isolierte metallene Durchführungen 9, 10. Die erste Durchführung 9 ist an der Unterlage 7 angeschweisst und dient zur Anlegung der Speisespannung an den Detektor. Die andere isolierte Durchführung 10 ist durch einen angeschweissten Draht 11 mit der Sperrelektrode 4 des Diamantdetektors verbunden und wird zur Abnahme des Detektorausgangs benutzt.
Dementsprechend sind eine Stromquelle 13 über Widerstand 12 an der ersten Durchführung und ein Verstärker 14 mit nachgeschaltetem Registriergerät 15 an der zweiten Durchführung 10 angeschlossen.
Das in Fig. 2 wiedergegebene Gerät ist mit zwei Detektoren ausgestattet und dient zur Neutronenspektrometrie und Neutronenflussmessung. Es eignet sich ferner zur Registrierung von Neutronen in einem Raumwinkel von 4. Die beiden Detektoren 1 und 1' befinden sich in einem gemeinsamen Gehäuse 2. Beide Detektoren enthalten je eine Diamantkristallplatte 3 und 3', die je mit einer Sperrelektrode 4 und 4' sowie je einer injizierenden Kontaktelektrode 5 und 5' versehen sind.
An der Sperrelektrode eines der beiden Detektoren ist eine gemeinsame Erzeugerplatte 6 angebracht, die aus einem durch Neutronen aktivierbaren Material hergestellt ist. Die Sperrelektroden 4 und 4' der Detektoren sind einander zugekehrt und die Erzeugerplatte befindet sich zwischen ihnen. Das Detektorgehäuse ist mit einer metallenen Grundplatte 7 abgeschlossen, in die die Durchführung 8 eingeschweisst ist. Zwei weitere Durchführungen 9, 10 führen isoliert durch die Platte 7 hindurch. Die Einspannung der Detektoren und die Isolierung ihrer injizierenden Kontaktelektroden erfolgen durch zwei Dichtungen 11 und 11' aus Isolierstoff und einer in das Gehäuse einschraubbaren Spannmutter 12.
In einer der Dichtungen sind Bohrungen zur Durchführung von Verbindungsdrähten zwischen der isolierten Durchführung 10 und den Sperrelektroden 4 und 4' sowie zwischen der Durchführung 9 und den injizierenden Kontaktelektroden 5 und 5' vorhanden.
Die bei Keruwechseiwirkungen zwischen den zu registrierenden Neutronen und dem Material, beispielsweise Li"F der Erzeugerplatte 6 entstehende ionisierende Strahlung (im vorliegenden Falle Tritiumkerne und - Teilchen) gelangen in die beiden Detektoren. Die koinzidenten Ausgangsimpulse der Detektoren werden in den nachgeschalteten Geräten verstärkt und summiert. Aus der Amplitude des Summenimpulses lässt sich dann die Energie der registrierten Neutronen bei bekannter Reaktionsenergieabgabe ohne weiteres errechnen. Man kann auch die Detektoren mit einem voneinander und einander bestimmten Abstand zugekehrten Sperrelektrode im Gehäuse anordnen und eine gasförmige Erzeugerplatte, beispielsweise He3, wählen.
Auch können in der Grundplatte drei isolierte Durchführungen vorgesehen sein, von denen eine mit der injizierenden Kontaktelektrode und die beiden anderen mit den entsprechenden Sperrelektroden verbunden sind. In diesem Falle werden die Ausgangssignale der beiden Detektoren getrennt in den nachgeschalteten Geräten verstärkt und dann einer Koinzidenschaltung zugeführt. Dadurch wird der Einfluss von Untergrundstrahlung geringer.
Das beschriebene Gerät hat folgende Wirkungsweise.
Man legt den Diamantdetektor 1 an die Gleichspannung der Stromquelle 13. Die zu registrierenden Neutronen dringen durch das Detektorgehäuse 2, gelangen in die Erzeugerplatte 6 und lösen hier Kernreaktionen aus. Sich bei diesen Reaktionen bildende ionisierende Strahlen gelangen durch die Sperrelektrode 4 in den Detektor 1 und bewirken in diesem Ionisation.
Die sich bei dieser Ionisation bildenden Ladungsträger (Elektronen und Defektelektronen) bewegen sich unter der Einwirkung des angelegten elektrischen Feldes zu den Kontaktelektroden 4, 5. Dabei zieht die injizierende Kontaktelektrode 5, wenn an ihr ein positives Potential angelegt ist, die Elektronen an, während die Defektelektronen zur Sperrelektrode 4 wandern. Ein kleiner Teil der Elektronen bleibt auf dem Wege zur Kontaktelektrode 5 an Fangstellen, die in einem Diamantkristall immer vorhanden sind, zurück. Dadurch wird die Diamantkristallplatte polarisiert. Die injizierende Kontaktelektrode 5 hat die Aufgabe diese Polarisation zu beseitigen. Da im Diamanten immer tiefliegende Fangstellen existieren, sind die Injektionsströme von der Kontaktelektrode 5 durch die Raumladung, die mit diesen Fangstellen oder Fallen verbunden ist, begrenzt.
Somit entsteht durch die Injektionsströme keine wesentliche Leitfähigkeit und folglich auch kein Rauschen.
Tritt jedoch eine Störung des Feld- und Ladungsgleichgewichtes infolge der durch die einfallenden ionisierenden Strahlen hervorgerufene Polarisation auf, so stellen die von der Kontaktelektrode 5 injizierten Ladungsträger den ursprünglichen stationären Zustand wieder her.
Ebenso wie die Elektronen können auch die Defektelektronen auf dem Wege zur Sperrelektrode 4 zum kleinen Teil an Fangstellen haften bleiben. Diese zurückgebliebenen 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 höher ist, verringern sich bei Erfassung von Kernstrahlen mit hoher ionisierender Wirkung die Verluste im Elektronen-Defektelektronen-Plasma.
Das an der Sperrelektrode 4 des Detektors 1 abeenommene Signal gelangt auf den Einfang des Verstärkers und von diesem zum Registriergerät 15. Das letztere kann beispielsweise ein Impulshöheanalysator sein.
Für die Registrierung von isotrophen Neutronenflüssen weist das Gerät zwei Detektoren auf, die mit ihren injizierenden Kontaktelektroden einander zugekehrt sind und die an der Seite der Sperrelektroden angeordnete Erzeugerplatten haben.
Die Zählausbeute der Anordnung bei Neutronenregistrierung kann durch Zusammenstellung mehrerer Diamantdetektoren zu einem Mosaikfeld oder einem Stapel gesteigert werden.
Bei Registrierung von ionisierenden Strahlen mit geringer Reichweite. beispielsweise den bei Wechselwirkung zwischen den zu registrierenden Neutronen und dem Material der Erzeugerplatte anfallenden Spalt produkten wird die Zählausbeute höher, wenn die Sperrelektrode der Detektoren durchlässig für die erwähnten ionisierenden Strahlen ist.
Die Empfindlichkeit der Anordnung auf den Gamma-Untergrund wird niedriger, wenn die Sperr- und die injizierende Kontakt-Elektrode des Diamantdetektors aus einem Material mit geringer Kernladungszahl hergestellt wird.
Der Diamantdetektor mit einer injizierenden Kontaktelektrode und einer mit Erzeugerplatte versehenen Sperrelektrode kann auch mit Epoxyharz, einer siliziumorganischen oder Kompoundmasse vergossen werden.
Das vorgeschlagene Gerät zur Registrierung von Neutronen hat gegenüber den bekannten Anordnungen dieser Art eine Reihe von Vorteilen. Es eignet sich zunächst zur Neutronenspektrometrie und zur Neutronenflussmessung bei kritischen Anordnungen, innerhalb Kernreaktoren und hinter dem Reaktorschutz sowie in Neutronengeneratoren. Es kann weiter als Neutronenmonitor bei verschiedenen Untersuchungen eingesetzt werden. Die weiteren Vorteile des Gerätes sind die hohe Zählausbeute, günstige spektrometrische Eigenschaften und hohes Signal/Rausch-Verhältnis. Das Gerät hat einen geringen Platzbedarf und bringt dadurch keine Störung der Neutronenflussverteilung mit sich. Es funktioniert einwandfrei sowohl bei Zimmertemperatur als auch bei erhöhten Temperaturen, hat eine geringe Empfindlichkeit auf den Gamma-Hintergrund. Am Gerät sind praktisch keine Kernreaktionen festzustellen.
Da weiter der Diamantdetektor den hohen Temperaturen gut standhält, lassen sich die im Detektor unter der Einwirkung von Neutronen entstehenden Defekte in regelmässigen Zeitabständen durch Glühen beseitigen.
Dadurch steigt die Strahlungsfestigkeit und damit die Lebensdauer des Gerätes.