DE10130285C2

DE10130285C2 - Verfahren zum Detektieren von Neutronen und Neutronendetektor zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE10130285C2
Application number: DE10130285A
Authority: DE
Inventors: Jakob Schelten; Michael Siegel
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2001-06-26
Filing date: 2001-06-26
Publication date: 2003-07-24
Anticipated expiration: 2021-06-27
Also published as: DE10130285A1; WO2003003050A1; EP1399763A1

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zum Detektieren von Neutronen, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß wenigstens ein Detektorelement in Form eines supraleitenden Tunnelkontakts mit zwei Elektrodenschichten (1, 2) aus Magnesiumdiborid (Mg·10·B¶2¶) und einer zwischen den beiden Elektrodenschichten (1, 2) angeordneten dünnen Tunnel-Isolationsschicht (3) verwendet wird und die durch die Absorption eines Neutrons auftretenden Tunnelströme ausgewertet werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum De tektieren von Neutronen. Des weiteren betrifft die Erfin dung einen Neutronendetektor zur Durchführung des Verfah rens.

Die Detektierung von Neutronen spielt im Rahmen von Beu gungs- und Streuexperimenten an Forschungsreaktoren und Spallationsquellen eine erhebliche Rolle. Obwohl Neutro nendetektoren kontinuierlich weiterentwickelt werden, be steht ein hohes Interesse daran, die Zeit- und Ortsauflö sung weiter zu verbessern. Es sind die Anforderungen ei ner hohen Nachweiswahrscheinlichkeit für thermische Neu tronen bei extrem geringer Gammaempfindlichkeit und einer hohen Ortsauflösung bei großen Detektionsflächen nicht einfach zu realisieren. Aus dem Artikel "Novel large-area thermal neutron imaging detectors comprising ¹⁵⁷Gd/CsI- convertors and micro-strip gas detectors with low- pressure, two-stage amplification and delay line read- out", erschienen in Nuclear Instruments and Methods in Physics research A 392, Seiten 68-72 (1997) sind groß flächige ortsauflösende Neutronendetektoren als Viel drahtkammern oder Mikrostrip-Gasdetektoren bekannt. Die notwendige Neutronenabsorption wird bei diesen Detektoren mit ¹⁵⁷Gd-haltigen dünnen Konverterfolien erreicht, wo bei der Absorption ein 80 keV Elektron entsteht.

In anderen Ansätzen, die beispielsweise in dem Artikel "High Performance, Imaging, Thermal Neutron Detectors", erschienen in Nuclear Instruments and Methods in Physics A 419 (1998), Seiten 642 bis 647 beschrieben sind, wurden Vieldrahtkammern mit ³He-Gasfüllungen unter Überdruck verwendet, um thermische Neutronen in ausreichendem Maß zu absorbieren.

Bei einem ganz anderen Detektorkonzept, das in dem Arti kel "A two-dimensional scintillation detector for small angle neutron scattering" erschienen in Nuclear Instru ments and Methods in Physics A 305, (1991), Seiten 423- 432 beschrieben ist, wurden großflächige ortsauflösende Neutronendetektoren als Szintillationsdetektoren mit ⁶Li- haltigen Szintillatorgläsern zur Neutronenabsorption ent wickelt. Andere speziellere Detektoren basieren auf Halb leiterdioden mit Neutronenkonverterfolien aus ¹⁰B- oder ⁶Li-haltigem Material. Mit diesen Detektoren erreicht man zwar extrem gute Ortsauflösungen, aber dies bei nur ge ringen Nachweiswahrscheinlichkeiten.

Des weiteren sind aus der US-A 5,940,460 der EP 0 479 625 A2, der US-A 5,399,863, JP-Abstract 01 25 36 83 A und der WO 00/33106 A1 weitere Neutronendetektoren bekannt, die als sensitives Material für die thermischen Neutronen unter anderem ¹⁰B verwenden.

Die Anforderungen, die an Neutronendetektoren derzeit ge stellt werden, sind etwa die folgenden:

- eine Nachweiswahrscheinlichkeit von 70% für thermische Neutronen,
- eine Nachweiswahrscheinlichkeit für Gammas mit Energien von 0,1 bis 10 MeV von < 1 × 10^-8,
- Detektorflächen von 100 bis 1000 cm²,
- eine Ortsauflösung von 0,1 bis 10 mm,
- eine Zeitauflösung von 1 µs und
- zu verarbeitende Zählraten von 1 × 10⁶ s^-1.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Detektion von Neutronen sowie einen Neutronendetektor anzugeben, die den vorstehenden Anforderungen an die Nachweiswahr scheinlichkeit für thermische Neutronen genügen und keine oder nur eine geringe Gammaempfindlichkeit besitzen.

Diese Aufgabe ist bei einem Neutronendetektionsverfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß wenigstens ein Detektorelement in Form eines supraleitenden Tunnel kontakts mit zwei Elektrodenschichten aus Magnesiumdibo rid (Mg¹⁰B₂) und einer zwischen den beiden Elektroden schichten angeordneten dünnen Tunnel-Isolationsschicht verwendet wird und die durch die Absorption eines Neu trons auftretenden Tunnelströme ausgewertet werden.

Der Erfindung liegt damit der Gedanke zugrunde, Neutronen mit supraleitenden Tunnelkontakten nachzuweisen. Dies ist mit Elektroden aus Magnesiumdiborid (Mg¹⁰B₂) sehr gut mög lich, welches eine Sprungtemperatur von Tc = 39 K hat.

Das Isotop ¹⁰B absorbiert nämlich thermische Neutronen mit dem großen Wirkungsquerschnitt von 3990 barn, d. h. die 1/e-Absorptionslänge ist in Mg¹⁰B₂ nur 50 µm. Bei der Absorption eines Neutrons finden dabei folgende nukleare Reaktionen statt:
Zu 94%

¹ ₁n + ¹⁰ ₅B → ⁴ ₂He + ⁷ ₄Li* + 2.31 MeV (1)

und zu 6%

¹ ₁n + ¹⁰ ₅B → ⁴ ₂He + ⁷ ₄Li + 2,79 MeV (1).

Das angeregte Li* fällt dabei in den Grundzustand der Emission eines Gammaquands mit der Energie von 0,48 MeV. Von der freigesetzten Energie E = 2,31 MeV erhalten das Alpha- und das Li-Teilchen die Anteile 1,47 MeV und 0,84 MeV als kinetische Energie, die in zwei diametralen Ioni sationsspuren der Länge 4,8 µm und 2,2 µm vorwiegend an das Elektronensystem weitergegeben werden. Im Magnesium diborid führen die Anregungen großenteils zur Brechung von Cooper-Paaren in Quasiteilchen, die durch die Tunnel- Isolationsschicht (Barriere) des Tunnelkontakts tunneln, bevor sie durch Emission von Phononen wieder Cooper-Paare bilden.

Es hat sich gezeigt, daß mit den erfindungsgemäßen supra leitenden Tunnelkontakten mit Mg¹⁰B₂-Elektroden Neutronen effizient nachgewiesen werden können, da der Detektorim puls je absorbiertem Neutron mit ca. 3 × 10⁶ sehr groß ist und so die Nachweiswahrscheinlichkeit für termische Neutronen etwa 70% beträgt. Des weiteren besitzen die er findungsgemäß eingesetzten Tunnelkontakt-Detektoren prak tisch keine Gamma-Empfindlichkeit und ist die zeitliche Auflösung der Absorptionsereignisse kürzer als eine Microsekunde. Vorausgesetzt wird dabei eine Pulshöhendis kriminierung, die alle Pulse verwirft, die deutlich klei ner als ein Neutronenimpuls ist. Im übrigen beträgt die verarbeitbare Zählrate ca. 1 × 10⁶ s^-1.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß das erfindungsgemäße Detektionsverfahren bei einer Betriebstemperatur von 4-6 K, insbesondere 4-5 K, d. h. bei Temperaturen im Bereich von 1/10 der Sprungtemperatur Tc des Mg¹⁰B₂ durchgeführt wird. Es hat sich gezeigt, daß bei niedrigeren Temperaturen, die weni ger als 1/10 der Sprungtemperatur des Magnesiumdiborids liegen, die Tunnelströme sehr viel kleiner als im normal leitenden Zustand sind, so daß hohe Energieauflösungen erreicht werden können. Ein solcher Betrieb bei niedrig sten Temperaturen mit höchster Energieauflösung wird für den Neutronennachweis nicht angestrebt, da keine extrem hohe Auflösung im Impulshöhenspektrum erforderlich ist. Eine Auflösung von 10% ist hier ausreichend, um gegen Rauschsignale und eventuell auftretende Gamma-Signale diskriminieren zu können. Bei den erfindungsgemäßen Be triebstemperaturen wird diese Auflösung erzielt.

Zum Nachweis von thermischen Neutronen wird eine Magnesi umdiborid-Elektrode mit einer Schichtdicke von etwa 50 µm eingesetzt. Dies entspricht der 1/e-Absorptionslänge in dem Magnesiumdiborid-Material. Zum Nachweis subtermischer Neutronen werden dagegen Magnesiumdiborid-Elektroden mit einer Schichtdicke von weniger als 50 µm eingesetzt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Er findung ist vorgesehen, daß mehrere Detektorelemente in der Form von supraleitenden Tunnelkontakten mit Mg¹⁰B₂- Elektroden in Reihe geschaltet werden und die Tunnelströ me der Detektorelemente über Widerstände gewichtet auf die Eingänge von zwei ladungsempfindlichen Verstärkern verteilt werden und durch eine Pulsdivision der Ausgangs signale der Verstärker der Ort eines Neutronenereignisses bestimmt wird, wobei zweckmäßigerweise bei der Verwendung von N Detektorelementen der Strom durch einen k-ten Tun nelkontakt über Widerstände mit den Leitwerten G (1 - ak) und G (1ak) auf die beiden Eingänge der ladungsempfindli chen Verstärker verteilt werden. Der Term ak ist in die sem Zusammenhang (k - 1)/(N - 1). Bei einem solchen linearen Array von N supraleitenden Tunnelkontakten werden die Tunnelströme auf einen rechten und linken ladungsempfind lichen Verstärker mit bestimmten Gewichten verteilt. Die Gewichte werden dabei so festgelegt, daß das Signalver hältnis Sr/(Sr + Sl) der beiden Verstärker eine lineare Funktion der Kontaktnummer des Arrays wird und der Quoti ent den Wert (k - 1)/(N - 1) einnimmt, falls der Ladungsim puls durch Absorption eines Neutrons im Tunnelkontakt der Nummer k generiert wurde. Auf diese Weise entsteht mit einer analogen Impulsverarbeitung eine Ortsbestimmung entlang eines linearen Arrays von Einzeldetektorelemen ten.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, daß erfindungsgemäße Detektorelemente in der Form von su praleitenden Tunnelkontakten mit Mg¹⁰B₂-Elektroden in ei nem zweidimensionalen Array aus mehreren X-Zeilen und Y- Spalten angeordnet werden, wobei alle Tunnelkontakte ein heitlich mit einer Spannung U versorgt werden und die Tunnelströme in den Tunnelkontakten jeweils gleichmäßig auf je eine X-Zeile und eine Y-Spalte über Widerstände verteilt und zwei ladungsempfindlichen Verstärkern zuge führt werden und dann eine Ortsbestimmung eines Neutrone nereignisses durch Koinzidenzbildung von Signalen auf den X- und Y-Leitungen, die einen vorgegebenen unteren Schwellwert überschreiten, erfolgt. Bei dieser Ausfüh rungsform entsteht ein Feld aus Tunnelkontakten mit X- Zeilen und Y-Spalten, so daß die Position jedes Tunnel kontakts nach Art eines Koordinatensystems durch die Zei le und Spalte, auf der er liegt, definiert ist. Die bei der Absorption eines Neutrons auftretenden Tunnelströme werden dabei gleichmäßig auf je eine X-Zeile und Y-Spalte verteilt, wobei die gleichmäßige Verteilung durch die beiden Leitwerte G = 1/R der Vorwiderstände sichergestellt wird. Mit den Trimmleitwerten G_ik werden Ladungsimpulse, die durch die Absorption eines Neutrons in einem Tunnel kontakt erzeugt werden, auf eine einheitliche Signalhöhe für alle Tunnelkontakte eingestellt. Ladungsimpulse, die eine untere Signalschwelle übersteigen, werden als Neu tronensignale interpretiert. Der Ort des Neutrons wird dann durch Koinzidenzbildung zwischen den Signalen auf den X-Leitungen mit einem auf den Y-Leitungen bestimmt.

Bei Mehrfachkoinzidenz werden alle Signale verworfen. Die Integrationszeitkonstante rC in einer Rückkopplungs schleife wird mit anderen Zeitkonstanten eines nachfol genden Filterverstärkers hinsichtlich einer optimalen Im pulsverarbeitung gewählt.

Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung wird auf die Unteransprüche sowie die nachfol gende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Be zugnahme auf die beiliegende Zeichnung verwiesen. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen Tunnelkontakt für die Detektion von Neutronen gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 die Ionisationsspuren der Reaktionspartner ⁷Li und ⁴He bei der Absorption eines Neutrons in einer Elektrode aus Magnesiumdiborid;

Fig. 3 eine Illustration des Quasiteilchen-Modells ei nes supraleitenden Tunnelkontakts mit Cooper- Paaren und Quasiteilchen;

Fig. 4 ein Diagramm, das den Tunnelstrom zeigt;

Fig. 5 ein Diagramm, das den Tunnelstrom logarith misch gegen die Temperatur bei 4 Tunnelspannun gen zeigt;

Fig. 6 ein Diagramm, das die Strom/Spannungs- Charakteristik eines Tunnelkontakts darstellt;

Fig. 7 schematisch die elektrische Versorgung eines als Neutronendetektor verwendeten supraleiten den Tunnelkontakts gemäß der vorliegenden Er findung;

Fig. 8 einen linearen Detektor aus mehreren Tunnelkon takten und dessen Stromversorgung;

Fig. 9 eine schematische Darstellung eines zweidimen sionalen Arrays von Tunnelkontakten und

Fig. 10 die Stromversorgung des zweidimensionalen Ar rays aus Fig. 9.

In Fig. 1 ist ein supraleitender Tunnelkontakt darge stellt, wie er erfindungsgemäß für die Detektion von Neu tronen eingesetzt wird. Dieser Tunnelkontakt besteht aus zwei supraleitenden Magnesiumdiborid-Elektroden 1, 2 und einer extrem dünnen oxidischen Isolationsschicht, die zwischen den beiden Elektroden 1, 2 angeordnet ist. Eine Elektrode 1, hier die Deckelelektrode, hat eine Dicke von D = 50 µm, in welcher 70% von auftreffenden thermi schen Neutronen absorbiert werden. Die Dicke D = 50 µm entspricht der 1/e-Absorptionslänge des Isotops ¹⁰B in dem Magnesiumdiborid-Material.

Die Dicke d₁ der anderen Elektrode und das Material eines nicht näher dargestellten Substrats sind von untergeord neter Bedeutung. Wesentlich ist, daß eine Transparenz für thermische Neutronen gewährleistet ist.

Wenn ein Neutron auf die Deckelelektrode 1 auftritt, fin den folgende nukleare Reaktionen statt:

¹ ₁n + ¹⁰ ₅B → ⁴ ₂He + ⁷ ₄Li* + 2.31 MeV (zu 94%) (1)

¹ ₁n + ¹⁰ ₅B → ⁴ ₂He + ⁷ ₄Li + 2.7 MeV (zu 6%) (2).

Hierbei fällt der angeregte Li*-Kern in den Grundzustand der Emission eines Gammaquants mit der Energie von 0,48 MeV zurück.

Von der freigesetzten Energie E = 2,31 MeV erhalten das Alpha- und das Li-Teilchen die Anteile von 1,47 MeV und 0,84 MeV als kinetische Energie, die in zwei diametralen Ionisationsspuren 4, 5 der Längen 4,8 µm und 2,2 µm vor wiegend an das Elektrodensystem weitergegeben werden, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. In dem Supraleitermate rial führen die Anregungen großen Teils zu einer Brechung von Cooper-Paaren 6, die je Elektron erforderliche Ener gie beträgt hierbei ε = 1,7Δ. Damit ist die Zahl der entstehenden ungepaarten Elektronen (Quasiteilchen 7) Ne = E/ε. Hierbei ist Δ die Cooper-Paar-Bindungsenergie und E die gesamte deponierte Energie pro Neutronenabsorption. Im Rahmen der BCS-Theorie (Bardeen-Cooper-Schrieffer) gilt dann

2Δ = 3,5k_BTc

Für den Supraleiter aus Magnesiumdiborid erhält man damit die folgenden Werte:
Sprungtemperatur
Tc = 39 K
Δ = 5,87 meV
ε = 10 meV
Ne = 2,3 × 10⁸

Versorgt wird der Tunnelkontakt elektrisch über einen Strombegrenzungswiderstand 8 mit der Versorgungsspannung U, wie dies in Fig. 7 dargestellt ist, und mit einem Verstärker 9 verbunden. Zusätzlich ist eine Rückkopp lungsschleife 10 mit der Integrationszeitkonstante rC, die in Abstimmung mit anderen Zeitkonstanten hinsichtlich einer optimalen Impulsverarbeitung gewählt ist, vorgese hen.

Bei der Berechnung von Tunnelströmen wurde der einfache Ansatz verwendet, wonach der Tunnelstrom I_L _→ _R proportio nal zur Dichte besetzter Elektrodenzustände auf der lin ken und unbesetzter Elektrodenzustände auf der rechten Seite einer Tunnelbarriere ist. Die Fig. 4 zeigt Tunnel ströme in Abhängigkeit von der Tunnelspannung für den Su praleiter Magnesiumdiborid bei den Temperaturen 40 K, 30 K, 25 K, 20 K, 15 K, 10 K und 5 K mit einer Sprungtempe ratur Tc = 39 K. Des weiteren zeigt die Fig. 5 den Tunnelstrom logarithmisch in Abhängigkeit von der Temperatur bei den Tunnelspannungen 2, 4, 6 und 8 mV ebenfalls berech net für das Magnesiumdiborid-Material mit einer Sprung temperatur Tc = 39 K.

Wie die Diagramme ohne weiteres erkennen lassen, werden die Tunnelströme bei tiefen Temperaturen von weniger als 0,1 Tc sehr viel kleiner als im normalleitenden Zustand. Ein solcher Betrieb bei niedrigsten Temperaturen und höchster Energieauflösung wird für den Neutronennachweis jedoch nicht angestrebt, da keine extrem hohe Auflösung im Impulshöhenspektrum erforderlich ist. Eine Auflösung von etwa 10% ist schon ausreichend, um gegen Rauschsi gnale und eventuell auftretende Gamma-Signale diskrimi nieren zu können. Im folgenden werden daher Detektorei genschaften für die Betriebstemperatur von T = 4,2 K be schrieben. Bei einem Arbeitspunkt U* = Δ/e ≈ 6 mV und bei der angenommenen Betriebstemperatur nach Fig. 5: R(T)/ Rn = 1 × 10⁷, wobei R(T) der Tunnelwiderstand bei Betriebs temperatur und Rn der Widerstand bei Tc ist. Mit der Fig. 6, welche die Strom/Spannungs-Charakteristik mit dem Arbeitspunkt U*, I* und R* = U*/I* darstellt, wird die Versorgungsspannung U₀ und der Vorwiderstand R festge legt. Bei einer Versorgungsspannung U₀ = 5U* = 30 mV hat der Vorwiderstand 8 einen Wert von 4R(T). Die Integrati onszeitkonstante Rc in der Rückkopplungsschleife 10 be trägt 1 Microsekunde. Wie in Fig. 6 erkennbar ist, wird bei der Absorption eines Neutrons in dem Tunnelkontakt die Charakteristik um ΔI verschoben, und um etwa den gleichen Betrag ändert sich der Strom in der Versorgungsleitung. Mit dem ladungsempfindlichen Verstärker 9 wird schließlich bei Absorption eines Neutrons ein Ladungsim puls der Größe N_sige am Verstärkerausgang ausgekoppelt, der von den generierten Quasiteilchen 7, die durch die Tunnelisolationsschicht 2 tunneln, hervorgerufen wird. Dieser Ladungspuls besteht aus N_sig ≈ (1/10)Ne ≈ 2 × 10⁷ Elektronen und hat die charakteristische Anstiegszeit τ_t, d. h. ungefähr 1 Microsekunde.

Das Signalrauschen wird durch die statistische Fluktuati on der Signale sowie das Schrotrauschen des Tunnelstroms bestimmt und führt zu einer endlichen Breite des Neutro nenpulses im Pulshöhenspektrum. Die relative Pulsbreite sollte zwecks einer Pulshöhendiskriminierung gegen Gam ma < 10% sein.

Ein einzelnes Detektorelement zum Nachweis thermischer Neutronen wurde vorstehend beschrieben. Wenn im Betrieb dieses Detektorelements in der 50 µm dünnen MgB₂-Schicht dieses Detektorelements ein hochenergetisches Gamma ab sorbiert wird, wird die Gamma-Energie per Fotoeffekt, Compton-Effekt oder Paarbildung ganz oder teilweise an ein Elektron übertragen. Das energetische Elektron kann in einem Detektorelement, dessen Lineardimensionen < 1 mm sind, maximal 1 MeV deponieren. Dies ist weniger als der Schwellwert und wird deshalb verworfen. Es ist mithin kaum noch ein Fall vorstellbar, bei dem die Absorption eines Gammas zu einem Signal mit mehr Ladung führt als bei der Absorption eines Neutrons. Die Gamma- Empfindlichkeit ist daher vernachlässigbar.

In der nachstehenden Tabelle 1 werden Zahlen zu zwei Ein zeldetektoren zusammengestellt:

Tabelle 1

In Fig. 8 ist ein lineares Array von insgesamt N Detek torelementen in der Form von den vorbeschriebenen Tunnel kontakten mit MgB₂-Elektroden dargestellt. Dieses lineare Array aus N Detektorelementen ist über 2 Leiterbahnen 11, 12 mit einem linken und einem rechten ladungsempfindli chen Verstärker 16, 17 verbunden, wobei die Tunnelströme in den Detektorelementen jeweils über Widerstände 13, 14 gewichtet auf die Eingänge der Verstärker 16, 17 verteilt werden. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß der Tunnelstrom durch den k-ten Tunnelkontakt über die den Verstärkern 16, 17 vorgeschalteten Widerstände 13, 14 mit den Leitwerten G (1 - ak) und G (ak) verteilt werden und mit dem einstellbaren Leitwert G_k des Vorwiderstands 15 die Signalgrößen der N Detektorelemente aufeinander abge stimmt werden. Der Term ak ist in diesem Zusammenhang (k - 1)/(N - 1). Bei einem solchen linearen Array von N supra leitenden Tunnelkontakten werden die Tunnelströme auf die ladungsempfindlichen Verstärker 16, 17 so verteilt, daß das Signalverhältnis Sr/(Sr + Sl) der beiden Verstärker 16, 17 eine lineare Funktion der Kontaktnummer des Arrays wird und der Quotient den Wert (k - 1)/(N - 1) einnimmt, falls der Ladungsimpuls durch Absorption eines Neutrons im Tunnelkontakt der Nummer k generiert wurde. Auf diese Weise entsteht mit einer analogen Impulsverarbeitung eine Ortsbestimmung entlang des linearen Arrays von Einzelde tektorelementen. In der nachfolgenden Tabelle 2 sind An gaben zu zwei linearen Detektoren der vorbeschriebenen Art gemacht:

Tabelle 2

In den Fig. 9 und 10 ist ein 2-dimensionales Detektor array gezeigt, das in diesem Fall aus N × N supraleitenden Tunnelkontakten der Größe Ax × Ay, wie in Fig. 1 darge stellt, besteht. Das so gebildete 2-dimensionale Array besteht aus X-Zeilen und Y-Spalten, wobei alle Tunnelkon takte einheitlich mit einer Spannung U versorgt werden und die Tunnelströme in den Tunnelkontakten ik jeweils gleichmäßig auf eine X-Zeile Xi und eine Y-Spalte Yk über Widerstände 13, 14 verteilt und zwei ladungsempfindlichen Verstärkern 16, 17 zugeteilt werden. Die gleichmäßige Verteilung der bei der Absorption eines Neutrons auftre tenden Tunnelströme erfolgt dabei durch Einstellung der beiden Leitwerte G = 1/R der Vorwiderstände 13, 14. Dabei werden mit den Trimmleitwerten G_ik der Trimmwiderstände 15 Ladungsimpulse S_x + S_y, die durch die Absorption eines Neutrons in einem Tunnelkontakt erzeugt werden, auf eine einheitliche Signalhöhe für alle Tunnelkontakte einge stellt. Ladungsimpulse, die eine untere Signalschwelle übersteigen, werden als Neutronensignale interpretiert. Der Ort eines Neutronenereignisses wird dann durch Koin zidenzbildung zwischen den Signalen auf den X-Leitungen mit denen auf den Y-Leitungen bestimmt. Bei Mehrfachko inzidenz werden alle Signale verworfen. Die Integrati ons-Zeitkonstante Rc in den Rückkopplungsschleifen 10 wird mit den anderen Zeitkonstanten hinsichtlich einer optimalen Impulsverarbeitung gewählt.

Die Tabelle 3 enthält detaillierte Angaben zu 2- dimensionalen Neutronendetektoren der vorbeschriebenen Art:

Tabelle 3

Claims

1. Verfahren zum Detektieren von Neutronen, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Detektorelement in Form eines supraleitenden Tunnelkontakts mit zwei Elektrodenschichten (1, 2) aus Magnesiumdiborid (Mg¹⁰B₂) und einer zwischen den beiden Elektroden schichten (1, 2) angeordneten dünnen Tunnel- Isolationsschicht (3) verwendet wird und die durch die Absorption eines Neutrons auftretenden Tunnel ströme ausgewertet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß es bei einer Betriebstemperatur von etwa 1/10 Tc, insbesondere 4 bis 6 K und speziell 4 bis 5 K durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß zum Nachweis thermischer Neutronen eine Mg¹⁰B₂-Elektrode (1) mit einer Schichtdicke von etwa 50 µm eingesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß zum Nachweis subthermischer Neutronen eine Mg¹⁰B₂-Elektrode (1) mit einer Schichtdicke von weniger als 50 µm eingesetzt wird.

5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß mehrere Detektorelemen te in der Form von supraleitenden Tunnelkontakten mit Mg¹⁰B₂-Elektroden (1, 2) in Reihe geschaltet wer den und die Tunnelströme der Detektorelemente über Widerstände (13, 14) gewichtet auf die Eingänge von zwei ladungsempfindlichen Verstärkern (16, 17) ver teilt werden und durch eine Pulsdivision der Aus gangssignale der Verstärker (16, 17) der Ort eines Neutronenereignisses bestimmt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich net, daß insgesamt N-Detektorelemente verwendet werden und der Strom durch einen k-ten Tunnelkontakt über Widerstände (13, 14) mit den Leitwerten G (1 - ak) und G (ak) auf die beiden Eingänge der ladungsemp findlichen Verstärker (16, 17) verteilt werden, wo bei ak = (k - 1)/(N - 1) ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß N × N Detektorelemente in der Form von supraleitenden Tunnelkontakten mit Mg¹⁰B₂- Elektroden (1, 2) in einem zweidimensionalen Array aus mehreren X-Zeilen und Y-Spalten angeordnet werden, daß alle Tunnelkontakte einheitlich mit einer Spannung U versorgt werden und die Tunnelströme in den Tunnelkontakten jeweils gleichmäßig auf je eine X-Zeile und eine Y-Spalte über Widerstände (13, 14) verteilt und zwei ladungsempfindlichen Verstärkern (16, 17) zugeführt werden, und daß eine Ortsbestim mung eines Neutronenereignisses durch Koinzidenzbil dung von Signalen auf den X- und Y-Leitungen (Xi, Yi), die einen unteren Schwellwert überschreiten, erfolgt.

8. Neutronendetektor, dadurch gekennzeichnet, daß er wenigstens ein Detektorelement in der Form eines su praleitenden Tunnelkontakts mit zwei supraleitenden Elektrodenschichten (1, 2) aus Magnesiumdiborid Mg¹⁰B₂ und einer zwischen den beiden Elektrodenschichten (1, 2) vorgesehenen Tunnel-Isolationsschicht (3) aufweist.

9. Neutronendetektor nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß eine Mg¹⁰B₂ Elektrodenschicht (1) zur Detektierung thermischer Neutronen eine Dicke D von etwa 50 µm besitzt.

10. Neutronendetektor nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß eine der Mg¹⁰B₂-Elektroden (1) zur Er fassung subthermischer Neutronen eine Dicke von we niger als 50 µm besitzt.

11. Neutronendetektor nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektorelement eine Fläche von 100 µm × 100 µm besitzt.

12. Neutronendetektor nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Detektorele mente ein lineares Array bilden und jeweils über Wi derstände (13, 14) mit zwei ladungsempfindlichen Verstärkern (16, 17) verbunden sind.

13. Neutronendetektor nach Anspruch 12, dadurch ge kennzeichnet, daß ein k-ter Tunnelkontakt über ei nen Widerstand (13) mit dem Leitwert G (1 - ak) mit dem einen Verstärker (16) und über einen Widerstand (14) mit dem Leitwert G (ak) mit dem Eingang des an deren Verstärkers (17) verbunden ist, wobei ak = (k - 1)/(N - 1) ist.

14. Neutronendetektor nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Detektorele mente ein zweidimensionales Array mit X-Zeilen und Y-Spalten bilden und die Tunnelkontakte jeweils über Widerstände (13, 14) mit zwei ladungsempfindlichen Verstärkern (16, 17) verbunden sind, wobei die Leit werte der Widerstände (13, 14) so dimensioniert sind, daß die in einem Detektorelement auftretenden Tunnelströme gleichmäßig auf eine X- und eine Y- Leitung (Xi, Yk) für einen Tunnelkontakt verteilt werden.