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Kernteilchendiskriminator mit einem Szintillationszähler Die Erfindung
bezieht sich auf Kernteilchen-Diskriminatoren mit einem Szintillationszähler, bestehend
aus einem Szintillator, dessen Szintillationsimpuls einen Anteil mit hoher Amplitude
aufweist, der nach steilem Abfall in einen Abklingteil mit niedriger Amplitude übergeht,
und einem Sekundärelektronenvervielfacher, dessen aufeinanderfolgende Elektroden
mittels eines Spannungsteilers an Potentialdifferenzen liegen, sowie einer Vorrichtung,
die einen Ausgangsimpuls von einer Dynode des Vervielfachers abnimmt.
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Beispiele für Schaltungsanordnungen für Kernteilchen-Diskriminatoren,
die zwischen Teilchen unterscheiden können, welche Szintillationsimpulse von unterschiedlichen
Amplituden erzeugen, werden in den britischen Patentschriften 732 353 und 732 893
behandelt, jedoch können diese Schaltungsanordnungen nicht gleichzeitig auftretende
verschiedene Arten - von Teilchen diskriminieren, wenn deren Szintillationen gleiche
Spitzenamplituden aufweisen.
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Bei der Erfindung, welche auf Grund des Unterschieds der Formen und
nicht der Spitzenamplituden der Szintillationsimpulse die Teilchen diskriminiert,
wird der Szintillationsimpuls statt von der Anode von einer Dynode des Sekund ärelektronenvervielfachers
abgenommen. Diese Art der Impulsabnahme ist an sich nicht neu; sie ist beispielsweise
in der Zeitschrift »Nucleonics«, Bd. 16, 1958, Nr. 7, S. 89, Fig. 2, beschrieben.
Bei dieser bekannten Schaltungsanordnung ist das Potential zwischen der letzten
Dynode (von welcher der Szintillationsimpuls abgenommen wird) und der Anode gewöhnlich
hoch, und die Anordnung bewirkt keine Unterscheidung zwischen Impulsen von unterschiedlichen
Formen.
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Bei dem Kernteilchen-Diskriminator nach der Erfindung ist dieser
Nachteil dadurch vermieden, daß erfindungsgemäß zwischen die Dynode und die nächstfolgende
Elektrode eine so kleine Potentialdifferenz gelegt ist, daß im Anteil mit hoher
Amplitude des Szintillationsimpulses eine Raumladungsbegrenzung des von der Dynode
ausgehenden Stromes entsteht, während im Abklingteil des Szintillationsimpulses
keine Raumladungsbegrenzung stattfindet, und daß die Dynode mit einem Amplitudendiskriminator
verbunden ist, der nur auf positive Impulse anspricht, deren Amplitude einen vorbestimmten
Wert übersteigt, wodurch die für verschiedene Teilchen unterschiedliche Amplitude
des Abklingteiles des Szintillationsimpulses zur Teilchendiskrimination ausnutzbar
ist. Vorzugsweise ist die Dynode, von der der Ausgangsimpuls abgenommen wird, die
letzte Dynode, während die nächstfolgende Elektrode die Anode des Sekundärelektronenvervielfachers
ist.
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Die Erfindung soll nunmehr an Hand der sie beispielsweise wiedergebenden
Zeichnung näher erläutert werden, und zwar zeigt Fig. 1 die Schaltungsanordnung
eines Ausführungsbeispiels, Fig. 2 einen typischen Szintillationsimpuls, während
Fig. 3 eine Kathodenstrahlrohrwiedergabe veranschaulicht, die mit dem Ausführungsbeispiel
gemäß Fig. 1 zu erzielen ist.
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In Fig. 1 ist eine Sekundärelektronenvervielfacherröhre 1 mit einem
zugeordneten Szintillator 2 veranschaulicht, wobei die Kathode der Röhre an Erde
und ihre Anode an +1800 Volt angeschlossen ist.
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Die Dynoden sind jeweils an eine Anzapfstelle eines Spannungsteilers
angeschlossen, der aus den Widerständen R 1 bis R 12 besteht, welche zwischen +
1800 Volt und Erde geschaltet sind. Die letzte Dynode ist über einen Widerstand
R13 an die Verbindungsstelle von R1 und R2 gelegt, während die vorletzte Dynode
über einen Widerstand R14 an die Verbindungsstelle von R2 und R3 angeschlossen ist.
Die beiden vorerwähnten Verbindungsstellen sind mittels Kondenstatoren cm bzw. C2
von Erde abgekoppelt. Die übrigen Dynoden sind unmittelbar an Anzapfstellen des
Teilers angeschlossen.
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Der Ausgang der letzten Dynode ist über einen Kondensator C3 mit
dem Eingang eines Linearverstärkers 3 verbunden, dessen Ausgang über einen Amplitudendiskriminator
4 an eine Registriervorrich-
tung 5 angeschlossen ist. In ähnlicher
Weise ist der Ausgang der vorletzten Dynode über einen Kondensator C4 mit dem Eingang
eines Linearverstärkers 6 verbunden, dessen Ausgang an eine Registriervorrichtung
7 angeschlossen ist. Bei den Einheiten 3, 4, 5, 6 und 7 werden dem Fachmann bekannte
herkömmliche Schaltungsanordnungen verwendet; daher sind sie in schematischer Blockform
dargestellt. In der Praxis bilden C3 und der zugeordnete Widerstand R15 einen Teil
der ersten Stufe des Verstärkers 3; in ähnlicher Weise bilden C4 und der Widerstand
R16 einen Teil der ersten Stufe des Verstärkers 6.
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Für das vorbeschriebene Ausführungsbeispiel sind folgende Komponentenwerte
usw. gewählt worden: Fotoverstärker 1: EMI - Bauart 6097 Szintillator 2: Flüssigkeits-Szintillator,
bestehend aus p-Terpheny] (4 g/l) + POPOP (0,4g/l) in Toluol (sauerstofffrei).
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POPOP ist 1,4- bis 2-(5-phenyloxazolyl)-benzol.
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RI: 50 KQ (max) Cl, C2: 0,005 ,aF R2, R3: 1,8MQ C3, C4: 50pF R4: 1
MQ R5 bis Rll: 470 kr R12 : 1 MQ R13, R14: 100KQ R15, R16: 1 MQ Die Werte der Widerstände
R2 bis R12 sind derart bemessen, daß die Zwischendynodenpotentiale in der Größenordnung
von 100 bis 200 Volt liegen, wie dies bei herkömmlichen Fotoverstärkerschaltungsanordnungen
der Fall ist. Der Widerstand R1 ist jedoch auf einen solchen Widerstandswert eingeregelt,
daß die Potentialdifferenz zwischen der letzten Dynode und der Anode nur einige
wenige Volt beträgt. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde als optimaler Wert
2,75 Volt ermittelt. Die Widerstände R13 und R14 liegen in wirksamer Weise parallel
zu den Streukapazitäten der jeweiligen Dynoden, derart, daß die von jeder Dynode
aufgenommene Nutzladung bei den angegebenen Werten weitgehend integriert wird.
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Die allgemeine Form der Szintillationsimpulse, welche in organischen
Szintillatoren, beispielsweise in Terphenyl-POPOP-Toluol, durch Neutronen (oder
Protonen) und Gammastrahlen (oder Elektronen) hervorgerufen werden, ist in Fig.
2 veranschaulicht. Jeder Impuls besteht aus einem kurzem Starkstrom abschnitt a,
der für beide Teilchen etwa die gleiche Form aufweist und im vorerwähnten Falle
eine Abklingzeit auf Ile von etwa 3 Nanosekunden besitzt, dem ein Schwachstromabschnitt
b mit einer erheblich längeren Abklingzeit folgt. Die Impulsabklingzeiten des Abschnitts
b für Neutronen- und Gammaimpulse liegen in der gleichen Größenordnung, sie betragen
mehrere hundert Nanosekunden; wie jedoch Fig. 2 zu entnehmen ist, ist die Amplitude
dieses Abschnitts im Falle von Neutronenimpulsen etwa zweimal so groß wie die bei
Gammaimpulsen.
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Die Wirkung eines derartigen Impulses auf die vorbeschriebene Schaltungsanordnung
ist folgende: Während des Starkstromabschnittes a eines jeden Impulses begrenzt
die Raumladung den nach der Anode fließenden Strom, und der größte Teil der vervielfältigten
Ladung ist nicht in der Lage, von der letzten Dynode abzufließen, mit dem Ergebnis,
daß das
Potential dieser Elektrode sich in negativer Richtung bis zu einem Ausmaß
verlagert, welches von der Potentialdifferenz zwischen der Anode und der letzten
Dynode abhängig ist. Während des langsam abfallenden Schwachstromabschnitts b des
Impulses tritt keine Raumladungsbegrenzung auf, und eine verstärkte Ladung kann
nunmehr zwischen der letzten Dynode und der Anode abfließen, wodurch das Potential
der Dynode in positiver Richtung verlagert wird.
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Ob die Nettoladung an der letzten Dynode als Ergebnis eines jeden
Szintillationsimpulses positiv oder negativ ist, ist von den jeweiligen Ladungsbeiträgen
des Starkstrom- und des nachfolgenden Schwachstromabschnitts des Szintillationsimpulses
abhängig. Der Widerstand R1 kann in seinem Wert so eingeregelt werden, daß bei Szintillationen
im organischen Szintillator 2, welche über eine Mindesthöhe hinausgehen, oberhalb
welcher die Raumladungsbegrenzung wirksam zu werden vermag, die Impulse von der
letzten Dynode im Falle einer Neutronen- oder Protonenerregung positiv sind, wobei
die Amplitude des langsam abfallenden Abschnitts größer ist, während sie im Falle
von Gamma- oder Elektronen erregung negativ sind, wobei die Amplitude des langsam
abfallenden Abschnitts kleiner ist. Gamma- oder Elektronenimpulse mit niedriger
Energie können das Auftreten schwach positiver statt negativer Impulse an der letzten
Dynode zur Folge haben. Es bedarf jedoch nur eines nur auf positive Impulse ansprechenden
Amplitudendiskriminators, um die Neutronen- oder Protonenimpulse von den Gamma-
oder Elektronenimpulsen auszusondern.
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Das vorliegende Ausführungsbeispiel ist verwendet worden zum Aussondern
der auf Grund von Neutronen auftretenden Szintillationsimpulse von denjenigen auf
Grund von Gammastrahlen in der Strahlung einer nicht dargestellten Polonium-Beryllium-Strahlenquelle.
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Es wurden folgende brauchbare Einstellungen für das alleinige Zählen
der Neutronenimpulse ermittelt: Spannung zwischen letzter Dynode und Anode .....
..... 2,75 Volt Verstärkung des Verstärkers 3 1000 Schwellwert des Diskriminators
4.. 20 Volt Bei verschiedenen Ausführungsformen kann der Diskriminator 4 so eingerichtet
sein, daß er bei niedrigen Schwelienspannungen zu arbeiten vermag, wodurch der Verstärker
3 wegfallen kann.
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Der keiner Raumladungsbegrenzung ausgesetzte Ausgang der vorletzten
Dynode zu der Registriervorrichtung 7 ist dazu vorgesehen, die Gesamtzahl der Szintillationsimpulse,
nämlich der Neutronenplus Gammaimpulse, falls erfo-derlich, festzustellen oder für
eine Impulsamplitudenanalyse zu dienen.
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Dieser Ausgang der vorletzten Dynode mit Registriervorrichtung 7 ist
daher wahlweise vorgesehen. Ein Grund für das Vorsehen einer derartigen Einrichtung
ist der, daß durch Subtrahieren der Anzeigen der Registriervorrichtungen 5 und 7
die Anzahl der Gammaimpulse, beispielsweise zu medizinisch-physikalischen Zwecken,
zu ermitteln ist. Bei einigen Anwendungen kann es zweckmäßig sein, Mittelwertmesserschaltungsanordnungen
statt der Registriervorrichtung zu verwenden. Das Subtrahieren kann elektronisch
auf eine dem Fachmann geläufige Weise erfolgen.
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Der Ausgang von der vorletzten Dynode kann außerdem in Verbindung
mit einem Kathodenstrahlrohr
zum Einregeln des Potentials der letzten
Dynode relativ zur Anode verwendet werden. Nach entsprechender Verstärkung werden
die von der vorletzten und letzten Dynode herkommenden Impulse bei ihren Maximalamplitudenhöhen
gedehnt und jeweils den X- und Y-Platten übermittelt, während ein Hellimpuls dem
Gitter des Kathodenstrahlrohrs zugeführt wird.
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Die Potentialdifferenz zwischen der letzten Dynode und der Anode wird
so lange eingeregelt, bis die sich dabei ergebenden Reihen von Neutronen- und Gammalichtpunkten
auf dem Leuchtschirm auf zwei geometrischen Orten gemäß der in Fig. 3 veranschaulichten
Form liegen. (Fig. 3 gilt für einen Fall, bei welchem der Y-Platten-Verstärker und
der Dehnungskreis keine negativen Impulse annehmen; somit befinden sich keine Gammalichtpunkte
unterhalb der X-Achse.
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Die wahre Form des geometrischen Ortes für die Gammastrahlung ist
durch die gestrichelte Weiterführung angedeutet.) Der Schwellenwert des Diskriminators
4 ist dann auf eine der Linie D-D entsprechende Höhe eingestellt.
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Ein weiteres Verwendungsgebiet der Erfindung ist bei Überwachungs-
bzw. Warngeräten zum getrennten, jedoch gleichzeitigen Messen der Alpha- und Beta-/
Gamma-Verseuchung einer Oberfläche gegeben. In diesem Falle wird ein geeigneter
organischer Szintillator 2, beispielsweise aus Stilben oder Anthrazen, verwendet,
welcher Impulsformunterschiede zwischen Alpha- und Beta-/Gamma-Erregung zeigt. Der
einfache organische Szintillator kann auch durch einen Verbundszintillator ersetzt
sein, der aus einer Folie eines plastischen Szintillators, beispielsweise aus p-Terphenyl
+ mit POPOP versetztem Polyvinyl-Toluol von etwa 3,175 mm Stärke, besteht und auf
einer Seite mit etwa 12 mg/cm2 ZnS-Ag-Pulver überzogen ist.
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Ein dünnes undurchsichtiges Fenster aus aluminisierter Terylen- oder
Aluminiumfolie, oder aus beiden kombiniert, ist dem Zn S-Ag-Phosphor zugeordnet,
um Licht fernzuhalten, jedoch Alphateilchen nach dem Szintillator durchzulassen.
Verbundszintillatoren dieser Art zu einer anderen Verwendung wurden von J. R. Brown
im Aufsatz P/294 bei der »Second United Nations International Conference on the
Peaceful Uses of Atomic Energy, Genf, 1958<, beschrieben.
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Die Energie der Alphateilchen wird nahezu vollständig an die Zn S-Ag-Schicht
abgegeben, so daß die Szintillationen von der Alphateilchenerregung her eine für
den ZnS-Ag-Phosphor charakteristische Abklingzeit haben, die in der Größenordnung
von 1 oder 2 Mikrosekunden liegt. Die Betateilchen und Sekundärelektronen von Gammastrahlen
verlieren erheblich mehr Energie im organischen Phosphor als in der ZnS-Ag-Schicht,
und folglich weisen die von Elektronen erregten Szintillationen eine Abfallszeit
auf, welche charakteristisch für den organischen Szintillator ist. Typischerweise
beträgt diese, wie bereits angedeutet, bei organischen Kunststoffen 2 oder 3 Nanosekunden.
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Die Potentialdifferenzen zwischen den Dynoden des Fotoverstärkers
werden etwa auf der üblichen Höhe gehalten (100 bis 200 Volt), jedoch wird, wie
bereits beschrieben, eine entsprechend eingeregelte Potentialdifferenz von etwa
5 Volt zwischen die letzte Dynode und die Anode gelegt. Auf Grund der Raumladungsbegrenzung
haben die eine kurze Abklingzeit aufweisenden, von Szintillationen im organischen
Szintillator stammenden Impulse schwach negative Im-
pulse von etwa konstanter Höhe
an der Dynode zur Folge. Andererseits haben die eine längere Abklingzeit aufweisenden,
von Szintillationen in der Zn S-Ag-Schicht stammenden Impulse stark positive Impulse,
wiederum von etwa gleicher Höhe, an der Dynode zur Folge. Da die eine kurze Abklingzeit
aufweisenden Impulse mit niedriger Energie das Auftreten schwach positiver statt
negativer Impulse an der Dynode zur Folge haben können, ist der Amplitudendiskriminator
in der Schaltungsanordnung beibehalten worden, welcher somit die Alpha-Impulse von
den Beta-/ Gamma-Impulsen trennt. Wie vorhin können Alpha-und Beta-/Gamma-Impulse
von einer früheren Dynode her erhalten werden, ehe durch die Raumladungsbegrenzung
eine Nichtlinearität hervorgerufen wird.
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Die Erfindung kann außerdem in Verbindung mit anorganischen Szintillatoren,
beispielsweise mit Cs 1 (T1) oder NaI (Tl) verwendet werden, wobei die Impulse,
die auf Grund schwerer ionisierenderTeilchen, z. B. Protonen- und Alphateilchen,
auftreten, sich in der Form voneinander und von denjenigen unterscheiden, die auf
Grund von Elektronenerregung auftreten. So steigt z. B. in NaI (Tl) der durch Alphaerregung
erzeugte Impuls scharf auf einen Höchstwert an und fällt exponentiell mit einer
Abklingzeit von etwa 0,25 Mikrosekunden ab, während der durch Elektronenerregung
hervorgerufene Impuls verhältnismäßig langsam auf einen Höchstwert etwa 0,15 Mikrosekunden
nach dem Beginn des Impulses ansteigt und daraufhin mit etwa der gleichen Geschwindigkeit
wie der alphaerregte Impuls abklingt. Bei diesen anorganischen Szintillatoren rufen
die weniger schwer ionisierenden Teilchen den stärkeren positiven Impuls an der
Begrenzungsdynode hervor, d. h., sie haben die entgegengesetzte Wirkung zu der,
welche in organischem Phosphor beobachtet wird.
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Obgleich beim beschriebenen Ausführungsbeispiel in höchstem Ausmaß
integrierte Impulse verwendet werden, ist eine völlige Integration nicht wesentlich.
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Eine gewisse Integration wird bereits durch die Wirkung der Fotoverstärkerraumladung
hervorgerufen, die schon ausreicht, um die Schaltungsanordnung mit verhältnismäßig
niedrigen Widerstandswerten für R 13 zu betreiben.
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Es sei darauf hingewiesen, daß, obgleich beim beschriebenen Ausführungsbeispiel
die Raumladungsbegrenzung an der letzten Dynode erfolgt, der gleiche Effekt an einer
beliebigen vorangehenden Dynode durch entsprechendes Einregeln der Potentialdifferenz
zwischen dieser Dynode und der ihr nächstfolgenden Dynode zu erzielen ist.