DE10020582C2

DE10020582C2 - Verfahren zur Ermittlung der absoluten Intensität hochenergetischer Ionenstrahlung

Info

Publication number: DE10020582C2
Application number: DE2000120582
Authority: DE
Inventors: Herwig Labus
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2000-04-28
Filing date: 2000-04-28
Publication date: 2002-02-28
Anticipated expiration: 2020-04-29
Also published as: DE10020582A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der absoluten Intensität einer hochenergetischen Ionen strahlung, insbesondere von Ionen, die aus einem Ring beschleuniger extrahiert werden.

Ionenstrahlung besteht aus bewegten Ionen. Beim Durch gang durch Materie verlieren sie durch Ionisierung der mit ihnen zusammenstoßenden Atome oder Moleküle Energie und werden in ihrer Richtung gestreut. Durch magneti sche oder elektrische Felder erfahren sie eine Ablen kung, durch deren Messung sich ihre spezifische Ladung und die Geschwindigkeit bestimmen lassen. Je nach Her kunft unterscheidet man zwischen der von natürlich oder künstlich radioaktiven Stoffen stammenden Ionenstrahlung (Energiebeträge von einigen MeV), z. B. Protonenstrah len, Alphastrahlen, den aus Kanalstrahlen künstlich er zeugten Ionenstrahlen, (Energiebeträge von 10 bis 100 MeV) und den aus Teilchenbeschleunigern stammenden, auf sehr hohe Energien gebrachten Ionenstrahlen (Höchst energien von 30 GeV).

Zur Messung von absoluten Intensitäten energiereicher Ionen sind bislang zwei Detektortypen bekannt, zum einen Ionisationskammern und zum anderen Photomulti plier mit Szintillatoren.

In einer Ionisationskammer können Intensitäten sinnvoll oberhalb von 10⁷/s gemessen werden. Bei geringeren Intensitäten kann das Ergebnis durch Rauschen verfälscht werden. Zusätzlich wird bei sehr kleinen Intensitäten ein hoher Verstärkungsgrad erforderlich, der zu hohen Anstiegszeiten führt und somit das Ergebnis ebenfalls beeinträchtigt. Bei sehr hohen Intensitäten oberhalb von 10¹²/s kommt es in einer Ionisationskammer durch nicht quantifizierbare Rekombinationen der Ionenpaare ebenfalls zu einer Verfälschung des Meßergebnisses.

Als weitere geeignete Detektoren stehen Photomulti plier, vorteilhaft mit Szintillatoren, zur Verfügung. Sie sind geeignet, Intensitäten bis zu 10⁶/s absolut zu zählen, solange die Totzeit vernachlässigbar ist.

Aus A. Galindo-Urirri et al., "A thin plastic scintil lator time-zero detector and flux monitor", Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A301 (1991) 457-464 ist ein Verfahren zur Ermittlung von Strahlungsintensitäten im Bereich von 10-300 MeV/u bekannt, bei dem ein an einen Szintillator angeschlossener Photomultiplier die Strahlung mit guter Auflösung detektiert und die im Photomultieplier entstehenden Impulse ausgewertet werden.

In W. W. Heidbrink, "Neutron fluctuation measurements on TFTR", Rev. Sci. Instrum,. 57 (8), Aug. 1986, p. 1769-1770 werden zwei Szintillatoren verglichen, mit deren Hilfe die Neutronenstrahlung des Tokamak Fusionstest reaktors (TFTR) ermittelt werden. Dabei wird jeweils Licht von den verschiedenen Szintillatoren über Glas faserkanäle zu Photomultipliern geleitet und dort der Anodenstrom ausgewertet.

P. Finocchario et al, berichten in "Scintillating detectors for low intensity ion beam monitoring", IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. 45, No. 3, June 1998, p. 508-511 über verschiedenen Geräte zur Ermitt lung einer Strahlungsintensität mit Hilfe von Szintil lationsdetektoren oder Photosensoren, insbesondere im Bereich geringer Intensität. Dabei unterscheiden sie die das Licht eines Szintillators auslesenden Vorrichtungen danach, ob sie besser zum Stromauslesen geeignet sind, wie z. B. eine Photodiode, oder ob sie besser zum Aus zählen einzelner Impulse geeignet sind, wie beispiels weise ein Photomultiplier.

Von vielen Detektoren ist zudem bekannt, (G. F. Knoll, "Radiation detection and measurement", John Wiley and Sons, New York et al. 1979, p. 78-84), daß sie einer seits im Impulsmodus und andererseits im Gleichstrom modus betrieben werden können.

Um die Effizienz der Extraktion von energiereichen Ionenstrahlen aus Ringbeschleunigem beurteilen zu können, muß die Gesamtzahl der während eines Zyklus extrahierten Teilchen absolut gemessen werden können. Dabei kann es sich beispielsweise um Protonen aus dem COSY-Synchrotron mit einer Energie < 300 MeV handeln.

Außerdem ist es wünschenswert, die Extraktionsrate mit einer Zeitauflösung < 1 ms darstellen zu können. Bei den Optimierungsarbeiten an einer Extraktionseinrich tung treten regelmäßig Intensitätsschwankungen über mehr als zwei Dekaden im Kilohertzbereich auf, die es zu minimieren gilt. Es hat sich zudem als nachteilig herausgestellt, daß sich die Extraktionsintensitäten bei stochastischer Extraktion über mehrere Größenord nungen, bei COSY je nach Zykluszeit und Füllgrad von 10⁴/s bis 10¹⁰/s, erstrecken können. Bei einer sogenannten Kickerextraktion wird der Ring innerhalb einer Mikrosekunde geleert, wobei dann in einem kurzen Impuls (< 1 Mikrosekunde) Intensitäten bis 10¹⁶/s entstehen können. Es existiert bislang kein Detektor, der über diesen weiten Intensitätsbereich absolute Intensitäten messen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches Verfahren zur Ermittlung der absoluten Intensität einer hochenergetischen Ionenstrahlung über einen weiten Intensitätsbereich zu schaffen.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Verfahren mit dem Merkmalen gemäß Hauptanspruch. Vorteilhafte Ausführungsformen sind den darauf rückbezogenen. Ansprüchen zu entnehmen.

Das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 1, mit welchem die absolute Intensität einer Ionenstrahlung ermittelt werden kann, umfaßt die folgenden Schritte.

- ein Szintillator wird in den Ionenstrahl eingebracht,
- die Ionenstrahlung wird mit einem an den Szintillator angeschlossenen Photomultiplier detektiert,
- der dazugehörige Anodenstrom des Photomultiplieres wird gemittelt gemessen,
- über eine Korrelation zwischen der absoluten Intensität einer Ionenstrahlung und dem entsprechenden gemittelten Anodenstrom eines Photomultipliers wird die Intensität der Ionenstrahlung absolut ermittelt.

Im Rahmen der Erfindung wurde gefunden, daß der Anoden strom eines Photomultipliers unter geeigneten Bedingun gen regelmäßig über wenigstens weitere vier Dekaden mit der Intensität der Ionenstrahlung linear ansteigt. Geeignete Bedingungen sind beispielsweise ein korrekt dimensionierter Spannungteiler. Die entsprechenden Ein stellungen sind für einen Fachmann regelmäßig leicht zu ermitteln.

Dadurch sind aber Ermittlungen der absoluten Intensität auch weit oberhalb der absolut zählbaren Intensitäten möglich. Obwohl der absolut zählbare Bereich einer Ionenstrahlung mit einem Photomultiplier nur bis 10⁶/s reicht, ist über das erfindungsgemäße Verfahren die Be stimmung der absoluten Intensität auch noch bis zu 10¹⁰/s mit Fehlerraten von wenigen Prozenten möglich.

Die dazu benötigte Korrelation kann dabei vorteilhaft wie folgt ermittelt werden. Die absolute Intensität einer Ionenstrahlung wird in dem Arbeitsbereich einer Ionisationskammer (vorteilhaft für Intensitäten zwischen 10⁷ und 10¹²/s) oder eines Photomultipliers (vorteilhaft für Intensitäten bis 10⁶/s) über einen bestimmten festgelegten Zeitbereich absolut gemessen. Gleichzeitig wird für den selben festgelegten Zeitbe reich über einen Photomultiplier der entsprechende Anodenstrom gemittelt gemessen. Vorteilhaft werden diese parallelen Messungen bei unterschiedlichen Intensitäten wiederholt. Mit Hilfe dieser Meßergebnisse wird dann die geeignete Korrelation ermittelt.

Unter Berücksichtigung der so erfolgten Korrelation zwischen der absoluten Intensität und dem gemittelten Anodenstrom wird die Intensität einer Ionenstrahlung, die außerhalb des Arbeitsbereiches eines Photomulti pliers liegt, über den gemittelten Anodenstrom eines Photomultipliers ermittelt.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Die Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die Vorrichtung umfaßt zwei Photomultiplier mit Szin tillatoren zur Detektion der Ionenstrahlung. Zwischen Photomultiplier und Szintillator ist jeweils ein beweg licher Graufilter angeordnet. Damit kann die Intensität der Strahlung, die vom Photomultiplier erfaßt wird, noch zusätzlich variiert werden. Die Ausgänge des Anodenstroms der beiden Photomultiplier sind verbunden mit jeweils einem Hochpaßfilter, diese mit einem schnellen I/U-Wandler und diese mit einem schnellen Diskriminator. Es folgt eine schnelle Koizidenzschal tung zur Ermittlung der absoluten Zählrate.

Zusätzlich ist einem Photomultiplier ein DC-Kanal nach geschaltet, welcher einen langsamen I/U-Wandler sowie einen schaltbaren Integrator umfaßt. Damit kann zeit gleich mit der absoluten Zählrate (Intensität) der Anodenstrom gemittelt gemessen werden.

Bei der Extraktion von energiereichen Ionenstrahlen aus Ringbeschleunigern (z. B. Protonen aus dem COSY-Synchro tron mit einer Energie < 300 MeV) muß die Gesamtzahl der während eines Zyklus extrahierten Teilchen absolut gemessen werden, um die Effizienz der Extraktion bewer ten zu können. Außerdem wird gefordert, daß die Extrak tionsrate mit einer Zeitauflösung < 1 ms darstellbar ist, weil bei Optimierungsarbeiten an den Extraktions einrichtungen Intensitätsschwankungen über mehr als zwei Dekaden im Kilohertzbereich auftreten können, die es zu minimieren gilt. Als besonders erschwerend wirkt sich aus, daß sich die Extraktionsraten bei stochasti scher Extraktion über mehrere Größenordnungen, bei COSY je nach Zykluszeit und Füllgrad von 10⁴/s bis 10¹⁰/s, erstrecken können. Bei sog. Kickerextraktion wird der Ring innerhalb einer Mikrosekunde geleert, wobei dann in einem kurzen Impuls (< 1 Mikrosekunde) Raten bis 10¹⁶/s entstehen können. Es existiert kein Detektor, der über diesen weiten Intensitätsbereich absolute Raten direkt messen kann. Die wichtigsten Detektorty pen, mit denen überhaupt absolute Raten gemessen werden können, sind:

a) Ionisationskammern: Diese können mittlere Raten ab solut messen, versagen jedoch bei den kleinen In tensitäten unterhalb von 10⁷/s infolge von Rausch- und Anstiegszeitproblemen, und auch bei den extrem hohen Pulsströmen bei der Kickerextraktion infolge nicht quantifizierbarer Rekombination.
b) Photomultiplier mit diversen Szintillatoren: Diese können ebenfalls absolut extrem genau die Extrakti onsrate messen, solange Einzelteilchen mit vernach lässigbarer Totzeit gezählt werden können. Die obere Grenze liegt hier, auch bei Impulsverarbei tungszeiten von < 20 Nanosekunden, bei nur ca. 10⁶/s, weil eine mathematisch definierte Totzeitkor rektur, wie bei statistischen Pulsfolgen, nicht möglich ist, da die zeitliche Verteilung der extra hierten Protonen von einer Exponentialverteilung weit abweicht und auch nicht quantifizierbar ist.

Es stellt sich daher im Rahmen der Erfindung die Auf gabe, für einen der o. g. Detektoren eine Methode zu finden, mit welcher sein natürlicher absoluter Intensi tätsmeßbereich um viele Größenordnungen erweitert wer den kann.

Als eine erste Lösung wurde ein Verfahren gefunden, welches eine Kombination aus Photomultiplier und Szin tillator einsetzt. Bei kleinen Zählraten, < 10⁶/s, wird während eines ganzen Zyklus die Zahl der extrahierten Protonen durch Zählung absolut bestimmt und gleichzei tig die Ladung, das Stromintegral über die Extraktions zeit, mit einem präzisen DC-Verstärker gemessen. Damit ist der Anodenstrom des Photomultipliers verknüpft mit einer bekannten Zählrate von Protonen einer bekannten Energie. Bei anderen Energien kann die Kalibriermessung wiederholt oder mit Hilfe der Bethe-Bloch-Formel korri giert werden. Der Vorteil besteht darin, daß der Anodenstrom eines Photomultipliers über mindestens weitere vier Dekaden linear mit der Impulsrate zunimmt, sofern der Spannungsteiler richtig dimensioniert ist. Einmal kalibriert, sind danach absolute Extraktionsra ten bis 10¹⁰/s mit einer Genauigkeit von einigen Pro zent ermittelbar. Die Kalibration wird besonders zuver lässig und unabhängig von Untergrundstrahlung, wenn die Einzelteilchenzählung durch zwei, in Strahlrichtung hintereinanderliegende Photomultiplier erfolgt, die in Koinzidenz arbeiten.

Eine Alternative besteht darin, daß sich zwischen dem Szintillator und dem Photomultiplier ein ca. 2 mm brei ter Luftspalt befindet, in den ein Graufilter mit einer extrem geringen Transmission von ca. 10^-5 ferngesteuert eingeschoben werden kann. Dies erweitert den Intensitätsmeßbereich um weitere fünf Größenordnungen, so daß auch bei Kickerextraktion die Gesamtladung absolut und auch mit hoher Zeitauflösung (nur begrenzt durch die Anstiegszeit des DC-Verstärkers) gemessen werden kann. Ein großer Vorteil besteht darin, daß die Lichtschwä chung des Graufilters "on-line" gemessen werden kann. Hierzu benötigt man eine hohe Rate von ca. 10⁸/s bei stochastischer Extraktion, die ohne Graufilter bereits absolut kalibriert ist und für einige Sekunden stabil sein muß. Bei Einfahren des Filters sinkt diese Rate entsprechend der tatsächlichen Transmission, wonach die absolute Kalibrierung auch mit Filter zuverlässig gege ben ist.

Im Rahmen der Erfindung wurde ein Verfahren zur Signal verarbeitung des Anodenstroms von Photomultipliern ge funden, wobei der Anodenstrom über einen Hochpaß einem schnellen HF-Kanal, bestehend aus I/U-Wandler (An stiegszeit < 10 ns), Schwellendiskriminator und Zähler zugeführt wird und gleichzeitig über einen Tiefpaß einem langsamen DC-Kanal, bestehend aus einem präzisen I/U-Wandler mit fernsteuerbarer Empfindlichkeit und Integrationszeit derart zugeführt wird, daß bis zur maximalen Zählrate des HF-Kanals jedem über die vor wählbare Integrationszeit gemittelten Anodenstrom im DC-Kanal die absolute Zählrate des HF-Kanals zugeordnet werden kann.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung liegen in Strahl richtung zwei Photomultiplier mit Szintillatoren mit je einem HF-Kanal hintereinander, und die absolute Zähl rate für die Stromeichung wird durch eine Koinzidenz schaltung zwischen beiden HF-Kanälen erzeugt.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht eine Signalverarbeitung vor, bei der sich zwi schen den Kathoden der Photomultiplier und dem Ende der Szintillatoren bzw. Lichtleiter ein Spalt befindet, in den ferngesteuert Graufilter ein- und ausgefahren wer den können.

Claims

1. Verfahren zur Ermittlung der absoluten Intensität einer Ionenstrahlung mit den Schritten:

- ein Szintillator wird in den Ionenstrahl eingebracht,
- die Ionenstrahlung wird mit einem an den Szintillator angeschlossenen Photomultiplier detektiert,
- der entsprechende Anodenstrom des Photomulti pliers wird gemittelt gemessen,
- über eine Korrelation zwischen der absoluten Intensität einer Ionenstrahlung und dem dazuge hörigen gemittelten Anodenstrom eines Photomul tipliers wird dann die absolute Intensität der Ionenstrahlung ermittelt.

2. Verfahren nach vorhergehendem Anspruch, wobei die Ermittlung der Korrelation folgende Schritte um faßt:

- die Intensität einer Ionenstrahlung wird über einen festgelegten Zeitbereich absolut gemessen,
- im gleichen Zeitbereich wird der dazugehörige Anodenstrom des Photomultipliers gemittelt ge messen.

3. Verfahren nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der absoluten Intensität der Ionen strahlung für die Korrelation mit einem Photomulti plier erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der absoluten Intensität der Ionen strahlung für die Korrelation mit Hilfe einer Ionisationskammer erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anodenstrom über einen Hochpaß einem HF-Ka nal zugeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der HF-Kanal einen I/U-Wandler, einen Schwellendiskriminator sowie einen Zähler umfaßt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anodenstrom über einen Tiefpaß einem DC- Kanal zugeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der DC-Kanal einen I/U-Wandler mit fernsteuerbarer Empfindlichkeit und Integrationszeit umfaßt.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Strahlrichtung ein zweiter Photomultiplier die Ionenstrahlung detektiert.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Anodenströme der zwei Photomultiplier jeweils einem HF-Kanal zugeleitet werden und anschließend eine Koinzidenzschaltung durchlaufen.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Graufilter zur Abschwächung der Strahlung vorgesehen ist.

12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
einen Szintillator,
einen Photomultiplier,
einen HF-Kanal zur Messung der absoluten Intensität einer Ionenstrahlung,
einen DC-Kanal zur gleichzeitigen Messung eines gemittelten Anodenstroms des Photomultipliers.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei der HF-Kanal einen I/U-Wandler, einen Diskriminator sowie eine Koinzidenzschaltung umfaßt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, wobei der DC- Kanal einen I/U-Wandler und einen Integrator umfaßt.

15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 14 mit einem Graufilter.

16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 15 mit einem weiteren Szintillator und Photomultiplier zur Verbesserung der Störempfindlichkeit.