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Die
Erfindung betrifft einen Detektor zur Messung von radioaktiver Teilchenstrahlung
mit einem szintillierenden Detektormaterial und einem optoelektrischen
Zähler
zur Zählung
von Lichtblitzen aus dem Detektormaterial.
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Szintillationszähler zum
Einsatz in der Radioaktivitätsmessung
sind bekannt. Sie können
zur Messung von Alpha (α),
Beta (β)
und Gammastrahlung (γ)
eingesetzt werden. Wenn ein energiereiches Teilchen in ein szintillierendes
Detektormaterial eintritt, so wird die kinetische Energie des Teilchens schrittweise
fast vollständig
auf die Kristallatome des Detektormaterials übertragen. Die Kristallatome strahlen
Licht ab, das aus dem Detektormaterial austritt und mit Hilfe von
optoelektrischen Zählern,
wie beispielsweise einem Photomultiplier verstärkt und gezählt wird. Beim Einsatz solcher
Szintillationsdetektoren wird durch die kosmische Strahlung ein Grundrauschen
erzeugt, das das Verhältnis
von Rausch- zu Nutzsignal verschlechtert.
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Es
ist bekannt für
die Messung von Teilchenstrahlung, z.B. α- oder β-Strahlung zur Verminderung des
Detektorgrundrauschens sehr dünnes
Szintillationsmaterial zu verwenden. Dadurch wird die Empfindlichkeit
für die
Gamma-Hintergrundstrahlung aufgrund des geringen Detektorvolumens
drastisch vermindert, die Teilchenstrahlung aber trotzdem bei geeigneter
Materialdicke (0,05–2
mm) vollständig
absorbiert. Die Lichtleitung derart dünner Szintillatoren ist allerdings
sehr schlecht, weshalb keine großflächigen Detektoren, z.B. für die Personenmessung
realisiert werden können.
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Bei
herkömmlichen
Szintillationsdetektoren wird ein scheibenförmiger Szintillator eingesetzt,
der an seiner flächigen
Seite mit einem optoelektrischen Zähler versehen ist. Um bei einem
solchen Szintillationszähler
eine gute Ausbeute zu erreichen, ist der optoelektrische Zähler an
der flächigen
Seite direkt mit den Szintillator verbunden. Bei der bekannten Anordnung
erreicht ein erheblicher Teil des Szintillationslichtes den optoelektrischen
Zähler
nicht, so daß ein
niedriges Nutzsignal vorliegt, das zu einem schlechten Verhältnis von
Rausch- zu Nutzsignal führt.
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Aus
OS 25 42 303 ist ein Hochenergiestrahlungsdetektor bekannt geworden,
der eine reflektierende Unterlage und einen Reflektor besitzt. Der
Reflektor besitzt dreieckige Zähne
an seiner Oberfläche,
die auf den Reflektor treffende Lichtblitze parallel versetzt in
den Reflektor zurückwerfen.
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Aus
DE 25 44 356 ist ein Szintillator
bekannt, der an seiner Rückseite
unregelmäßige Flächen aufweist,
die austretende Strahlung reflektieren. Das Szintillatormaterial
besitzt hierbei eine Würfel-
oder Zylinderform, in die eine Fotokatode eingebettet ist.
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Aus
DE 1 174 914 ist ein Szintillationzähler zum
Ausmessen von flächigen
Strahlerpräparaten bekannt.
Der Szintillationzähler
besitzt einen senkrecht zur Längsachse
der Photokathode stehenden Schlitz, in den eine radioaktive Substanz
auf einem flachen Träger
eingeschoben wird. Beidseitig von dem Träger sind Szintillationskristalle
angeordnet, deren Lichtblitze über
einen Lichtleiter zu einer Photokathode geleitet werden. Die Begrenzungswand des
Gehäuses
ist innenseitig mit hochglänzender
Folie verspiegelt, um die Strahlung in den Lichtleiter zurückzureflektieren.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Detektor bereitzustellen,
der ein gutes Verhältnis von
Rausch- zu Nutzsignal aufweist und zugleich einen einfachen und
kompakten Aufbau bei entsprechend großer Meßfläche besitzt.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch einen Detektor mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Detektor
ist der optoelektrische Zähler über eine
Lichtsammeleinrichtung mit dem optoelektrischen Zähler optisch
leitend verbunden. Die Lichtsammeleinrichtung empfängt das
in einem Bereich aus dem Detektormaterial austretende Licht und
leitet dieses an den optoelektrischen Zähler weiter. Der Vorteil zwischen
optoelektrischen Zähler
und Detektormaterial eine Lichtsammeleinrichtung zu schalten besteht
darin, daß die
Lichtsammeleinrichtung aus dem Detektormaterial austretendes Licht
besser erfaßt,
als der optoelektrische Zähler.
Durch das zusätzlich
aufgefangene Licht aus dem Detektormaterial wird das Signal- zu
Rauschverhältnis
für den
Detektor verbessert. Um die Verluste von Licht in der Lichtsammeleinrichtung
zu vermeiden, ist erfindungsgemäß diese
mit mindestens einem Reflektor versehen, der zur Lichtsammeleinrichtung
derart angeordnet ist, daß ausgetretenes
Licht in die Lichtsammeleinrichtung zurückreflektiert wird. Die Reflektoren
sind an den freien großflächigen Seiten
der Lichtsammeleinrichtung, d. h. den Flächen ohne optoelektrischen
Zähler
und ohne Lichtkopplungseinrichtung bzw. Detektormaterial, angeordnet. Der
Reflektor besitzt einzelne Untereinheiten mit pyramiden-, kegel-
oder sägezahnförmige Absätzen. Alternativ
kann auch eine diffuse Rücksteuerung
erfolgen. Bei dem erfindungsgemäßen Detektor
besitzt das Detektormaterial eine Dicke von 0,05 mm bis 2 mm und
der Lichtleiter eine Dicke von 5 mm bis 50 mm. Die Lichtkopplung
besitzt vorzugsweise eine Dicke von 0 mm bis 10 mm.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Detektormaterial über eine
Lichtkopplungseinrichtung mit der Lichtsammeleinrichtung optisch
leitend verbunden. Die Lichtkopplungseinrichtung ist derart, daß Reflexionen
des Lichtes zurück
in das Detektormaterial bei dem Übergang
in die Lichtsammeleinrichtung vermieden werden. Hierzu ist bevorzugt
der Brechungsindex der Lichtkopplungseinrichtung kleiner als der
Brechungsindex der Lichtsammeleinrichtung. Die Lichtkopplungseinrichtung
ist so gewählt, daß nach Möglichkeit
keine Absorption des aus dem Detektormaterial austretenden Szintillationslichts
erfolgt.
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In
einer Weiterführung
des erfindungsgemäßen Detektors
ist das scheibenförmig
ausgebildete Detektormaterial entlang einer flächigen Seite über die
Lichtkopplungseinrichtung mit dem optoelektrischen Zähler verbunden.
Insbesondere bei dieser Ausgestaltung des Detektormaterials kann
ein besonders günstiges
Signal- zu Rauschverhältnis
erzielt werden, da besonders dünne
Scheiben aus Detektormaterial eingesetzt werden können.
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Ein
weiterer Vorteil bei der Verwendung von scheibenförmigem Detektormaterial
und einer Kopplung mit dem optoelektrischen Zähler über die flächige Seite besteht darin,
daß der
Zähler
seitlich neben dem Detektormaterial angeordnet werden kann. Auf diese
Weise kann ein besonders flacher und großflächiger Detektor gebaut werden.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Lichtsammeleinrichtung
einen Lichtleiter auf, vorzugsweise aus Plexiglas.
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In
einer Ausgestaltung der Lichtsammeleinrichtung enthält die Lichtsammeleinrichtung
szintillierendes Material. Das szintillierende Material kann zum
zusätzlichen
Nachweis von Gammastrahlung benutzt werden.
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In
einer bevorzugten Weiterführung
besitzt der Reflektor eine Oberfläche mit sägezahnförmigen Absätzen, deren Neigung so gewählt ist,
daß ein
in die Lichtsammeleinrichtung zurückreflektierter Lichtstrahl
nicht auf der gegenüberliegenden
Seite aus der Lichtsammeleinrichtung austritt. Die Neigung weist
zu dem optoelektrischen Zähler.
Die Verwendung eines Reflektors mit sägezahnförmigen Absätzen erhöhte die Ausbeute des Szintillationslichtes,
da im Ergebnis mehr Szintillationslicht in den optoelektrischen
Zähler
gelangt.
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Zwei
bevorzugte Ausführungsbeispiele
des erfindungsgemäßen Detektors
werden anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
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1: einen erfindungsgemäßen Szintillationszähler im
Querschnitt,
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2: den Strahlengang in dem
Szintillationszähler
aus 1,
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3: einen Szintillationszähler mit
einem sägezahnförmigen Reflektor
und
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4a) und 4a): einen Szintillationszähler aus
dem Stand der Technik.
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1 zeigt einen Szintillationszähler 10 mit einem
Szintillator 12 als Detektormaterial. Der Szintillator 12 ist
als Scheibe ausgebildet. Auf einer flächigen Seite ist der Szintillator 12 über eine
Lichtkopplung 14 mit dem Lichtleiter 16 gekoppelt.
An der dem Szintillator gegenüberliegenden
Seite ist ein Reflektor 18 vorgesehen.
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Seitlich
von dem Szintillator 12 ist ein Photomultiplier 20 angeordnet,
der die Lichtblitze aus dem Lichtleiter 16 verstärkt und
zählt.
Dem Photomultiplier 20 gegenüberliegend ist ein zweiter
Reflektor 22 angeordnet.
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Die
auf den Szintillator einfallende Strahlung erzeugt Lichtblitze,
die über
die Lichtkopplung 14 in den Lichtleiter 16 eintreten.
In dem Lichtleiter 16 werden diese unter Reflexion an die
Reflektoren 18 und 22 weitergeleitet. Die in 1 dargestellte Anordnung
besitzt den Vorteil, daß der
Szintillator dünn ausgebildet
werden kann.
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Bevorzugt
werden bei den Übergängen von Detektormaterial,
Lichtkopplung und Lichtleiter die Berechnungsindizes wie folgt gewählt:
n
Szintillatoren < n
Lichtkopplung < n
Lichtleiter.
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Die
Abmessungen des Detektors werden im wesentlichen durch die Dicke
des Detektormaterials bestimmt. Die Ausdehnung in der Länge und
Breite sind nahezu unbeschränkt,
so sind beispielsweise Szintillationsflächen von 1 m × 1 m bei
einem guten Signal- zu Rauschenverhältnis möglich. Die Dicke des szintillierenden
Detektormaterials 12 reicht von 0,05 mm bis 2 mm. Die Dicke
der Lichtkopplung kann von 0 mm bis 10 mm reichen. Die Dicke des
Lichtleiters, als aktiver oder inaktiver Lichtleiter, kann 5 mm bis
50 mm betragen. Die Dicke der Reflektoren ist unerheblich, da es
lediglich auf die Reflexion an deren Oberfläche ankommt.
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Die
Reflektoren des Detektors sind aus einem spiegelndem Material wie
beispielsweise poliertem Metall, metallisiertem Kunststoff oder
anderen Stoffen hergestellt, die einen großen Brechungsindex (n > 3) besitzen. Die Reflektoren
der seitlichen Kanten des Detektors stehen parallel zu den Seitenflächen. Der
dem Szintillatormaterial 12 gegen überliegend angeordnete Reflektor 18 ist
parallel zu der Fläche
des Lichtleiters angeordnet.
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Wie
in 2 dargestellt werden
Lichtstrahlen, deren Auftreffwinkel α gegenüber dem Einfallslot größer als
einem Grenzwinkel αG der beteiligten Materialien sind, in dem
Lichtleiter gefangen und tragen somit zum Meßeffekt bei. Dies beruht auf
der Totalreflexion innerhalb des Lichtleiters. Ein Lichtstrahl 24, dessen
Winkel α bezüglich des
Einfallslots kleiner als αG ist, tritt aus dem Lichtleiter 16 aus
und wird – unter günstigen
Bedingungen – von
dem Reflektor zurück in
den Lichtleiter reflektiert. Die Verwendung des Reflektors erhöht somit
die Ausbeute an Szintillationslicht in dem optoelektrischen Zähler.
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Der
unterseitige Reflektor 18 kann in einzelne Untereinheiten,
beispielsweise pyramiden-, kegel- oder sägezahnförmiger Absätze, unterteilt sein. Auch ist
es möglich
eine völlig
unregelmäßige Struktur
einzusetzen, in der die Rückstreuung
diffus erfolgt.
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Der
in 3 dargestellte Reflektor 26 erhöht die Lichtausbeute
zusätzlich,
indem die Absätze
des Reflektors mit einem Winkel β bezüglich der
Wand des Lichtleiters angeordnet sind. Hierdurch erfolgt eine Reflexion
eines Lichtstrahls 28 zurück in den Lichtleiter 16 unter
einem anderen Winkel als dem Austrittswinkel. Der zurückreflektierte
Lichtstrahl 28 tritt aus dem Lichtleiter 16 wieder
aus. Der Lichtstrahl 28 tritt also auf der Oberseite des
Lichtleiters, die nicht mit einem Reflektor versehen werden kann, nicht
wieder aus.
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Der
Winkel des in 3 dargestellten
Reflektors hängt
von den Grenzwinkel zwischen Lichtleiter und Luft, sowie dem Grenzwinkel
von Lichtleiter und Lichtkopplung und der Dicke des Lichtleiters
ab.
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4a) zeigt einen herkömmlichen
Szintillationszähler 30 in
der Draufsicht. Der optoelektrische Zähler 32 ist unmittelbar
mit dem Szintillator 34 verbunden, wie aus der Seitenansicht
in 4b) hervorgeht. Der
so angeordnete optoelektrische Zähler 32 erfaßt nur einen
Teil der in dem Szintillator erzeugten Lichtblitze.