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.
Neutron recorder
The present invention relates to a neutron registration device with an activatable generator plate which emits ionizing radiation, with at least one detector for ionizing radiation, with an amplifier at the detector output and with a recording device and with a power source for supplying power to the said detector.
For the registration of neutrons, arrangements have largely become established in radiation measurement technology in which neutrons emit ionizing radiation in a neutron-sensitive attachment, called a generator plate, which is detected by a detector made of silicon, germanium or silicon carbide. The detector is located in the beam path behind the generator plate and has the task of registering the charged particles that arise during nuclear interactions between neutrons and the material of the generator plate.
However, a neutron registration device with a silicon detector is not well suited for registering high-energy neutrons, since they interact with silicon atomic nuclei, which results in considerable background radiation. These detectors also fail at higher temperatures. In the case of nuclear radiation detectors made of germanium, the background radiation is much lower than that of silicon detectors, but these germanium detectors have to be cooled if they are to function properly. Silicon carbide detectors work perfectly at higher temperatures, but their energy resolution is low and their signal-to-noise ratio is also small.
In addition, all known detectors are very sensitive to the gamma radiation that usually occurs together with the neutron radiation, the so-called gamma background. Even the registration of low-energy neutrons for the purposes of spectrometry is not always possible with the detectors mentioned, since their noise level is quite high at room temperature. Finally, attention should also be paid to the damage caused by radiation, which occurs in these devices under the influence of neutrons and which affects their service life.
The purpose of the invention is to create a device for registering neutrons in which the above-mentioned interaction does not cause any significant background radiation and which is largely insensitive to the gamma background. This device should also be able to detect neutrons both at room temperature and at elevated temperatures with high sensitivity.
The neutron registration device according to the invention is characterized in that the detector for ionizing radiation contains a diamond crystal plate with two contact electrodes arranged on their opposite plate sides and intended to apply an electric field, the thickness of the diamond crystal plate in the one between the contact electrodes of the working area not being greater than that Maximum drift of the charge carriers in the diamond crystal during its lifetime under the effect of an electric field strength, which causes the maximum drift speed that the contact electrode on the plate side is exposed to, during the registration of the ionizing radiation resulting from the nuclear reactions between neutrons and the material of the generator plate is
acts as a barrier layer against the charge carriers mentioned and is connected to the input of the amplifier with a downstream recording device, while the contact electrode on the opposite side of the diamond crystal plate consists of a material that can inject charge carriers into the diamond plate under the action of the applied electric field and via a resistor is connected to the power source.
The generator plate can be arranged in the beam path in front of the blocking electrode and consist of a material that can be activated by neutrons.
In order to obtain a greater collection yield, the blocking electrode and generator plate can be made as a whole. In this case, the blocking electrode of the diamond detector can be formed by a surface layer of a carbide of a material that is activated by neutrons or by a surface layer of the diamond crystal plate that is doped with a material that can be activated by neutrons. With such barrier electrodes, ionizing radiation is generated directly in the barrier layer.
In devices for neutron spectrometry, it is advantageous to use two diamond detectors, which are arranged so that their blocking electrodes face each other and the generator plate lies between them, the two blocking electrodes being connected to the same amplification and recording means in order to monitor the output signals of the two detectors to add up.
The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment with reference to the accompanying drawing. It shows:
1 shows a device for detecting neutrons, with a diamond crystal plate as a detector for ionizing radiation, the diamond plate being provided with a blocking electrode and a charge carrier injecting contact electrode
2 shows a device with two detectors for ionizing radiation, each containing a diamond crystal plate, the two plates each being provided with a blocking electrode and a charge carrier injecting contact electrode.
The detector 1 for ionizing radiation (FIG. 1) is located in a metal housing 2 which consists of a material that only weakly absorbs neutrons, for example aluminum. Non-metal, for example glass, are also suitable as housing materials. The detector 1 contains a diamond crystal plate 3, which is provided with contact electrodes 4, 5 on its opposite plate sides. The contact electrode 4 acts as a barrier layer for charge carriers and is formed, for example, by a platinum film. The contact electrode 5, on the other hand, consists of a material which is capable of injecting charge carriers into the diamond plate under the action of an applied electric field. It can be formed, for example, by a silver film.
The thickness d of the diamond crystal plate in the working area between the two contact electrodes 4, 5 is not greater than the maximum drift of the charge carriers in the diamond crystal during its lifetime under the action of an electric field strength which causes the maximum drift speed. The relationship applies to this thickness.
d / 8 =, t tEm
In this, the charge carrier mobility (electron and hole electron mobility) denotes zdie - the lifetime of these charge carriers Em - the electric field strength from which the charge carriers in the diamond reach the maximum drift speed and a - the maximum drift of the charge carriers in the diamond.
In front of the blocking electrode 4 of the detector 1 there is a generator plate made of a material that can be activated by neutrons. The selection of the material for the generator plate depends on the energy of the neutrons to be detected. For the registration of thermal neutrons one uses, for example, generator plates that contain B10 or Lie and uses the reactions B10 (n, a) Li7 or Li6 (n, a) H3. If you want to take advantage of the fission processes caused by neutrons, you choose a generator plate that contains, for example, U233, U235 Po239 for detection of slow neutrons and U238, - Np237, Pa232, Th232 for detection of fast neutrons.
Fast neutrons can also be registered by making use of their scattering in a generator plate made of hydrogen-containing materials, for example made of polyethylene, paraffin or methyl hydrides. In order to weaken the influence of thermal neutrons which cause background radiation, the detector housing is provided with a shield (not shown), for example made of Cd, B10 or Li6. The fast neutrons can be slowed down by shielding, for example, made of B10, Li6 or a hydrogen-containing material such as paraffin. The housing of the detector is surrounded with such a shield and a covering, for example made of Cd or B10, which eliminates the thermal neutrons, is sometimes provided for this shield as an additional neutron protection.
The generator plate can be made of material that can be activated by neutrons and can be attached to the diamond detector on the side of its blocking electrode in various ways. A polyethylene film can easily be attached to the barrier electrode. A generator plate made of Li5 is formed by vapor deposition of a film made of Li6F on the barrier electrode in a vacuum. Fissile materials are first applied to a plate, for example made of aluminum, which is then attached to the diamond detector on the occupied side by the blocking electrode. In addition to these conventional methods, the fissile materials can also be applied directly to the barrier electrode by electroplating. In some cases, the barrier electrode itself can be used as a generator plate.
For this purpose, this barrier electrode is designed as a surface layer made of the carbide of a material that can be activated by neutrons, e.g. B. from boron carbide enriched with B10. Furthermore, the blocking electrode of the diamond detector can be made by doping the surface of the diamond crystal plate with an element which can be activated by neutrons, e.g. with B10 enriched boron or with Li6 enriched lithium. Such a surface layer, after appropriate treatment, is able to fulfill the task of both the blocking electrode and the generator plate.
A gaseous generator plate can also be provided, which is formed by filling the detector housing with gas under pressure, for example with hydrogen with the addition of heavy gases or with B10-enriched boron fluoride or with helium. In the latter case the reaction He3 (n, p) H3 is exploited. If a fixed generator plate is used, the detector housing is sometimes evacuated.
The described detector 1 with generator plate 6 and injecting contact electrode 5 is fastened, for example, by means of a silver paste on a base 7 made of an electrically conductive material. The silver paste must be treated thermally beforehand. A metal bushing 8 welded into the housing wall enables it to be grounded. The detector has two metal bushings 9, 10, insulated from the housing by appropriate seals. The first bushing 9 is welded to the base 7 and is used to apply the supply voltage to the detector. The other insulated bushing 10 is connected by a welded-on wire 11 to the blocking electrode 4 of the diamond detector and is used to pick up the detector output.
Accordingly, a current source 13 is connected via resistor 12 to the first bushing and an amplifier 14 with a downstream recording device 15 is connected to the second bushing 10.
The device shown in FIG. 2 is equipped with two detectors and is used for neutron spectrometry and neutron flux measurement. It is also suitable for registering neutrons in a solid angle of 4. The two detectors 1 and 1 'are located in a common housing 2. Both detectors each contain a diamond crystal plate 3 and 3', each with a blocking electrode 4 and 4 'as well an injecting contact electrode 5 and 5 'are provided.
A common generator plate 6, which is made of a material which can be activated by neutrons, is attached to the blocking electrode of one of the two detectors. The blocking electrodes 4 and 4 'of the detectors face each other and the generator plate is located between them. The detector housing is closed with a metal base plate 7 into which the bushing 8 is welded. Two further bushings 9, 10 lead through the plate 7 in an insulated manner. The detectors are clamped and their injecting contact electrodes are insulated by two seals 11 and 11 ′ made of insulating material and a clamping nut 12 that can be screwed into the housing.
In one of the seals there are bores for the passage of connecting wires between the insulated bushing 10 and the blocking electrodes 4 and 4 'and between the bushing 9 and the injecting contact electrodes 5 and 5'.
The ionizing radiation (in the present case tritium nuclei and particles) arising from the interaction between the neutrons to be registered and the material, for example Li "F of the generator plate 6, reach the two detectors. The coincident output pulses of the detectors are amplified and summed in the downstream devices The energy of the registered neutrons can then be easily calculated from the amplitude of the sum pulse if the reaction energy output is known. The detectors can also be arranged in the housing with a certain distance between the facing electrodes and a gaseous generator plate, for example He3.
Three insulated bushings can also be provided in the base plate, one of which is connected to the injecting contact electrode and the other two are connected to the corresponding blocking electrodes. In this case the output signals of the two detectors are amplified separately in the downstream devices and then fed to a coincidence circuit. This reduces the influence of background radiation.
The device described has the following mode of operation.
The diamond detector 1 is connected to the direct voltage of the power source 13. The neutrons to be registered penetrate through the detector housing 2, reach the generator plate 6 and trigger nuclear reactions here. The ionizing rays formed during these reactions pass through the blocking electrode 4 into the detector 1 and cause ionization in this.
The charge carriers formed during this ionization (electrons and holes) move under the action of the applied electric field to the contact electrodes 4, 5. The injecting contact electrode 5, when a positive potential is applied to it, attracts the electrons, while the Defect electrons migrate to the blocking electrode 4. A small part of the electrons remains on the way to the contact electrode 5 at trapping points that are always present in a diamond crystal. This polarizes the diamond crystal plate. The injecting contact electrode 5 has the task of eliminating this polarization. Since there are always deep trapping points in the diamond, the injection currents from the contact electrode 5 are limited by the space charge connected to these trapping points or traps.
The injection currents therefore do not produce any significant conductivity and consequently also no noise.
However, if a disturbance of the field and charge equilibrium occurs as a result of the polarization caused by the incident ionizing radiation, the charge carriers injected by the contact electrode 5 restore the original steady state.
Just like the electrons, a small part of the defect electrons can also stick to trapping points on the way to the blocking electrode 4. However, these remaining defect electrons are located in the ionization zone and can be neutralized by the charge carriers with opposite signs, i.e. by electrons. Since the electric field strength is higher in the area of the barrier electrode, the losses in the electron-hole plasma are reduced when nuclear beams with a high ionizing effect are detected.
The signal picked up at the blocking electrode 4 of the detector 1 reaches the receiver of the amplifier and from there to the recording device 15. The latter can be, for example, a pulse height analyzer.
For the registration of isotropic neutron fluxes, the device has two detectors, which are facing each other with their injecting contact electrodes and which have generator plates arranged on the side of the blocking electrodes.
The counting yield of the arrangement with neutron registration can be increased by combining several diamond detectors to form a mosaic field or a stack.
When registering ionizing radiation with a short range. For example, the gap products resulting from the interaction between the neutrons to be registered and the material of the generator plate, the counting yield is higher if the blocking electrode of the detectors is permeable to the ionizing radiation mentioned.
The sensitivity of the arrangement to the gamma background is lower if the blocking and injecting contact electrodes of the diamond detector are made of a material with a low atomic number.
The diamond detector with an injecting contact electrode and a blocking electrode provided with a generator plate can also be encapsulated with epoxy resin, an organosilicon or compound compound.
The proposed device for registering neutrons has a number of advantages over the known arrangements of this type. It is initially suitable for neutron spectrometry and neutron flux measurement in critical arrangements, inside nuclear reactors and behind the reactor protection as well as in neutron generators. It can also be used as a neutron monitor in various examinations. The other advantages of the device are the high counting efficiency, favorable spectrometric properties and high signal / noise ratio. The device requires little space and therefore does not interfere with the neutron flux distribution. It works perfectly both at room temperature and at elevated temperatures, has a low sensitivity to the gamma background. Practically no nuclear reactions can be found on the device.
Since the diamond detector withstands the high temperatures well, the defects arising in the detector under the influence of neutrons can be removed at regular intervals by annealing.
This increases the radiation resistance and thus the service life of the device.