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Detektor für direkt oder indirekt ionisierende Strahlung Die Erfindung
betrifft einen Detektor für direkt oder indirekt ionisierende Strahlung. Meßgeräte
für diese Strahlungen bestehen aus einem Strahlungsdetektor und einer Einrichtung
zur Auswertung des vom Detektor gelieferten Meßeffekts. Im Detektor wird ein mehr
oder minder großer Teil der auffallenden Strahlung absorbiert und die absorbierte
Energie in kinetische Energie von elektrischen Ladungsträgern umgesetzt. Das Ausmaß
der Absorption und damit auch das des Energieumsatzes hängt in starkem Maße von
der Wellenlänge der einfallenden Photonen und dem Absorptionsmaterial ab.
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Strahlungsmeßgeräte dienen dazu, die eine Strahlung kennzeichnenden
-Größen, wie z. B. die Zahl der pro Flächeneinheit einfallenden Photonen (Photonenfluß)
oder die -Intensität (Energiefluß pro Zeiteinheit) zu messen. Von einer speziellen
Art solcher Meßgeräte (Dosimeter) wird eine der, Wechselwirkungen zwischen elektromagnetischer
Strahlung und Materie, nämlich die einem Massenelement durch Strahlung zugeführte
Energie (Dosis), gemessen.
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Betrachtet man einen Detektor, der für Gammastrahlung empfindlich
ist, so *ist dieser nur dann für den jeweiligen Meßzweck verwendbar, wenn sein Meßeffekt
entweder unabhängig oder in bekannter Weise abhängig von der Wellenlänge der Photonen
und proportional dem Wert der obenerwähnten, die Strahlung kennzeichnenden Größe
ist. Detektoren des ersteren Typs zeichnen sich dadurch aus, daß zur Auswertung
des Meßeffekts die Wellenlänge oder die Wellenlängenverteilung der einfallenden
Photonen nicht bekannt sein muß. So mißt z. B. die Luftwändelonisationskammer die
pro Masseneinheit in Luft absorbierte Energie (Dosis) einer Ganunastrahlung unabhängig
von der Wellenlänge ihrer Photonen. Schwierig wird dagegen schon die Messung der
Anzahl der auf ein Zählrohr auffallenden Photonen, da die Ansprechwahrscheinlichkeit
eines Zählrohres von der Wellenlänge der Photonen in starkem Maße abhängig ist.
Auch mit einem Proportionalzählrohr kann z. B. die Intensität der auffallenden Strahlung
nur dann gemessen werden, wenn die Wellenlängenverteilung der auffallenden Photonen
bekannt igt oder mit einem Diskriminator untersucht werden kann.
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Die Vielzahl der bekannten Verfahren zur Beeinflussung der Wellenlängenabhängigkeit
von Detektoren für Röntgen- und Gammastrahlung beweist sowohl die Notwendigkeit
als auch die Unzulänglichkeit aller dieser Methoden.
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- So ist es beispielsweise bekannt, ein vorhandenes Maximum
der Empfindlichkeit mittels eines die Primärstrahlung schwächenden Filters
. auszugleichen. Abgesehen davon, daß bei harter Gammastrahlung beträchtliche
Flächengewichte des Filters in Kauf genommen werden müssen, wird die Wellenlängenunabhängigkeit
nur im Gebiet vom Maximum zu härteren Strahlungen hin verbessert. Weichere Strahlungen
gelangen dagegen erst gar nicht bis zu dem eigentlichen Detektor. Geeignet dimensionierte
Fenster -in der Filterschicht lassen zwar auch die weiche Komponente der Strahlung
zur Messung gelangen, doch wird bei dieser Methode wieder die Richtungsabhängigkeit
in ungünstiger Weise gesteigert.
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Die Auswahl eines einzigen geeigneten Elementes bzw. einer Mischung
verschiedener Elemente als Detektormaterial führte praktisch nur bei Dosimetern,
deren Meßeffekt der absorbierten Energie proportional ist, zum Erfolg. In diesen
Fällen muß das Detektormaterial die gleiche Zusammensetzung haben wie das bestrahlte
Objekt (z. B. bei Luft ein sogenanntes luftäquivalentes Detektormaterial). Wilhelm
wies nach, daß Geiger-Müller-Zählrohre mit luft-,äquivalenter Zählrohrwandung eine
starke Wellenlängenunabhängigkeit der Anzeige, bezogen auf die Röntgeneinheit, aufweisen
müssen. B u 1 a to w konnte durch geeignete Abstimmung von Detektormaterial
(Sn) und Gammastrahlungsfilter (Pb) in einem relativ großen Bereich Wellenlängenunabhängigkeit
erzielen. Die Miterfassung der weichen Komponente ist aber auch auf diese Weise
nicht möglich gewesen.
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Die Mischung verschiedener Elemente zu einem Detektormaterial, das
die wellenlängenunabhängige Dosismessung mit Geiger-Müller-Zählrohre gestattet,
ist von Sinclair und Sacharow vorgeschlagen worden, wird aber, wie auch.die Anwendung
verschiedener
Elemente nebeneinander in der Wand, nur in begrenzten
Wellenlängenbereichen zum Erfolg führen. Ein Ausgleich der Wellenlängenabhängigkeit
ist ja auf diese Weise nur dann möglich, wenn das durch ein Element bedingte Empfindlichkeitsmaximum
mit dem Minimum eines anderen zusammenfällt oder aber sich die Maxima verschiedener
Elemente so nebeneinandersetzen lassen, daß die Summierung einen relativ konstanten
Verlauf mit der Wellenlänge aufweist. Die Maxima aller Elemente liegen aber in der
Nähe ihrer Absorptionskante, so daß mit dieser Methode nur ein relativ kleiner Wellenlängenbereich
»eingeebnet« werden kann.
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H e ß hat dieses Verfahren verfeinert, in dem er mit Hilfe
der geeigneten Wahl der Dicke des Wandmaterials von lonisationskarnmern eine gewisse
»Verschiebung« solcher Maxima ermöglichte und durch Hintereinandersetzen mehrerer
verschiedener lonisationskammern die Gammafilterwirkung der Kammerwände mit ausnutzte.
Auch eine solche Anordnung arbeitet praktisch nur in einem kleinen Bereich wellenlängenunabhängig.
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Die in der Patentschrift 1067535 angeführte »geeignete Materialzusamrnen
etzung der Elektroden« dient nur zur Erzielung der Wellenlängenunabhängigkeit bezüglich
der Dosiseinheit; im übrigen ist dort die Materialzusammensetzung nicht näher präzisiert.
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Zur Lösung der eingangs erläuterten Aufgabe wird ebenfalls ausgegangen
von einem Detektor für direkt oder indirekt ionisierende Strahlung mit einer die
zu messende Strahlung absorbierenden Elektrodenanordnung, bestehend aus einer im
wesentlichen als Ladungsträgeremitter wirkenden Emitterelektrode und einer im wesentlichen
als Ladungsträgerauffänger wirkenden Gegenelektrode, wobei zur Erzielung einer von
der Energie der Quanten bzw. Partikeln der Primärstrahlung unabhängigen, zur Messung
gelangenden Elektronenemission die Emitterelektrode aus mindestens zwei Schichten
verschiedener Ordnungszahl besteht.
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Gemäß der Erfindung sind diese Schichten hinsichtlich ihres Materials
und ihrer Dicke derart gewählt, daß die jeweils der Gegenelektrode näher gelegene
Schicht sowohl als Elektronen-Emitter als auch als Filter für die aus der oder den
anderen Schichten austretenden Elektronen dient, welches die energieärmeren Elektronen
stärker absorbiert, wodurch der Meßbereich mit dosisproportionaler Anzeige in Richtung
geringerer Energien der Primärstrahlung erweitert wird.
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Die Erfindung nutzt also - im Gegensatz zu allen vorgenannten
Ideen - die bei einer Anzahl von Detektoren gegebene Möglichkeit aus, die
aus einer Elektrode von der Strahlung ausgelösten Elektronen auf ihrem Weg zur Gegenelektrode
in Abhängigkeit von der Wellenlänge der einfallenden Strahlung so zu beeinflussen,
daß sich die gewünschte wellenlängenunabhängige Proportionalität des Meßeffektes
ergibt. Es werden dabei die folgenden drei physikalischen Eigenschaften ausgenutzt:
a) die Energie der aus den Schichten ausgelösten Elektronen steigt mit der Energie
der sie auslösenden Photonen (Ausnahmen an den Absorptionskanten).
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Die Ausbeute der aus den Schichten selbst ausgelösten Elektronen ist
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b) von der Ordnungszahl des Schichtmaterials und c) von der Dicke
der Schicht abhängig. Das Wesen der Erfindung soll im folgenden noch an Hand der
Zeichnung erläutert werden.
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In F i g. 1 ist z. B. die Zahl der Zählstöße Z pro Quadratzentimeter
Oberfläche von Geiger-Müller-Zählrohren mit Blei- (Kurve 1) und Kupferkathode
(Kurve, 2) im Verhältnis zur Luftionisation als Funktion der Energie E der
auffallenden Photonen wiedergegeben. Der Strom IR eines Röntgenelementes ist etwa
proportional der Differenz der den beiden verwendeten Elektrodenmaterialien entsprechenden
Kurven und in F i g. 1 als Kurve 3 z. B. für ein Blei-Kupfer-Elektrodenpaar
eingetragen. Im Falle des Röntgenelementes ist es also noch nicht einmal erforderlich,
daß die Zahl der ausgelösten Elektronen jeder einzelnen Elektrode von der Energie
der auffallenden Quanten unabhängig ist; hier spielt nur die Differenz der Effekte
beider Elektroden eine Rolle.
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Betrachtet man z. B. die in F i g. 2 nochmals wiedergegebene
Kurve 1 für Blei, so erkennt man, daß zum oben beschriebenen Zweck die Elektronenemission
im weichen Gebiet gedrückt oder im harten Gebiet erhöht werden muß. Da die zweite
Möglichkeit nicht realisierbar ist, muß also die Bleikathode so konstruiert werden,
daß sie für weiche Strahlungen eine geringere Elektronenemission liefert. Dieses
wird dadurch erreicht, daß man die Bleikathode mit einer dünnen Schicht geringerer
Ergiebigkeit an durch die Primärstrahlung erzeugten Elektronen, z. B. mit Aluminium,
umgibt. Bei geeigneter Dünensionierung der Schichtdicke wird bei weicher Strahlung
die Elektronenemission im wesentlichen aus der Aluminium-und zu einem geringeren
Teil aus der »tiefer« gelegenen Bleischicht stammen, so daß auf diese Weise jeder
Wert zwischen der Ergiebigkeit einer reinen Aluminium- und der einer reinen Bleikathode,
also auch der Wort der Bleikathode im harten Bereich, eingestellt wird. Es ergibt
sich dann ein Kurvenverlauf, wie er in F i g. 2 mit 4 bezeichnet ist.
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Ein nach dieser einfachen Methode konstruiertes Röntgenelement mit
einer Aluminium- und einer mit einer dünnen (10 It) Aluminiumschicht belegten
Bleielektrode zeigte im Bereich von 100 keV bis 1,2 MeV nur eine Wellenlängenabhängigkeit
von ± 15 1/o, während ein Röntgenelement mit einer Aluminium- und
einer reinen Bleielektrode bei 100 keV etwa 20mal empfindlicher war als bei
1,2 MeV. Dadurch, daß man nicht eine einzige Aluminiumausgleichsschicht verwendet,
sondern unterteilte Elektroden (F i g. 3),
die aus mehreren solcher Schichten
5 und 6 mit abwechselnd großer (5) und kleiner (6) Elektronenemission
in geeigneter Reihenfolge, Dicke und Materialbeschaffenheit bestehen, worden die
Wellenlängenabhängigkeitskurven mehr und mehr »eingeebnet« (Kurve 7 in F
i g. 2).
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Mit Anordnungen dieser Art können auch die - in F i
g. 1 nicht enthaltenen - Maxinia und Minima, die unterhalb etwa
0,5 und oberhalb 2,5 MeV noch auftreten, ausgeglichen werden.
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Die Wellenlängenabhängigkeit der Emission von Ladungsträgern kann
auf diese Weise nicht nur proportional der Luftabsorption, d. h. wellenlängenunabhängig
bezüglich der Röntgeneinheit, sondern auch proportional der Absorption eines beliebigen
anderen Materials, z. B. Lebensmittel, Kunststoffe oder Knochen, eingestellt werden.
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Die vorbeschriebene Anordnung kann nun aber auch so konstruiert werden,
daß der durch Elektronenemission bewirkte Meßeffekt unabhängig von
der
Energie der auffallenden Photonen dem Photonen- oder Energiefluß proportional ist.
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Die vorbeschriebene Anordnung wurde an einem Geiger-Müller-Zählrohr
erläutert, das die Zahl der von der Strahlung aus der zylinderförmigen Nullelektrode
ausgelösten Elektronen zählt. Selbstverständlich läßt sich die oben beschriebene
Anordnung auch mit dem Ziel abwandeln, daß nicht die Zahl, sondern die Gesamtenergie
der ausgelösten Elektronen von der Energie der auffallenden Photonen unabhängig
ist, so daß Mehrschichtelektroden der oben beschriebenen Art auch in Proportionalzählem
oder in Ionisationskammem verwendet werden können, wo sie - wenn sie -aus
Materialien höherer Ordnungszahl als Luft bestehen - eine Erhöhung der Empfindlichkeit
bewirken.