DE1221367B - Detektor fuer direkt oder indirekt ionisierende Strahlung - Google Patents

Detektor fuer direkt oder indirekt ionisierende Strahlung

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DE1221367B
DE1221367B DEM45964A DEM0045964A DE1221367B DE 1221367 B DE1221367 B DE 1221367B DE M45964 A DEM45964 A DE M45964A DE M0045964 A DEM0045964 A DE M0045964A DE 1221367 B DE1221367 B DE 1221367B
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electrode
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DEM45964A
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Dr Rolf Hosemann
Dr Harald F H Warrikhoff
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HARALD F H WARRIKHOFF DR
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HARALD F H WARRIKHOFF DR
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J47/00Tubes for determining the presence, intensity, density or energy of radiation or particles

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  • Measurement Of Radiation (AREA)

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • - 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • Die Ausbeute der aus den Schichten selbst ausgelösten Elektronen ist - 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (2)

  1. Patentansprüche: 1. Detektor für direkt oder indirekt ionisierende Strahlung mit einer die zu messende Strahlung absorbierenden Elektrodenanordnung, bestehend aus einer im wesentlichen als Ladungsträgeremitter wirkenden Ernitterelektrode 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, dadurch gekennzeichnet, daß diese Schichten hinsichtlich ihres Materials und ihrer Dicke derart gewählt sind, daß die jeweils der Gegenelektrode näher gelegene Schicht sowohl als Elektronenemitter als auch als Filter für die aus der oder den anderen Schichten austretenden Elektronen dient, welches die energieärineren Elektronen stärker absorbiert, wodurch der Meßbereich mit dosisproportionaler Anzeige in Richtung geringerer Energien der Primärstrahlung erweitert wird.
  2. 2. Detektor nach Anspruch 1 mit zwei konzentrisch zueinander im Hochvakuum angeordneten Elektroden unterschiedlicher Elektronenergiebigkeit, die die Elektroden eines Spannungselementes bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode derart gestaltet ist, daß sie selbst bei einem die Elektronen der Emitterelektrode bremsenden Feld den energiereicheren Anteil des Spek- trums dieser Elektronen aus geometrischen Gründen auffängt und dadurch aufgeladen wird. 3. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Gegenelektrode abgewandte Schicht der Emitterelektrode aus einem Schwermetall, vorzugsweise aus Uran, besteht. 4. Detektor nach Anspruch 1 als Ionisationskammer ausgebildet, dadurch gekennzeichnet, daß beide Elektroden in einer Gasatmosphäre angeordnet sind und daß an den Elektroden eine Saugspannung liegt, die den Transport der aus den Elektroden emittierten und im Gasvolumen durch Ionisation vervielfachten Ladungsträger je nach dem Vorzeichen ihrer Ladung zu der entsprechenden Elektrode erzwingt. 5. Detektor nach Anspruch 1 als Zählrohr ausgebildet, dadurch gekennzeichnet, daß beide Elektroden in einer Gasatmosphäre angeordnet sind und daß die Gegenelektrode als Zähldraht ausgebildet ist und an einer geeignet gewählten Spannung liegt, so daß die in der Emitterelektrode erzeugten Elektronen durch Stoßionisation vervielfacht als Einzelimpulse oder Ströme zur Messung gelangen. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1067 535; USA.-Patentschrift Nr. 2 596 080; »Kernenergie«, Bd. 2, 1959, Nr. 12, S. 1152 und 1153; »Kernenergie«, Bd. 1, 1958, Nr. 5, S. 391 und 392; W. J. P r i c e-. »Nuclear Radiation Detection«, 1958, S. 1.41 und 142.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4112086A1 (de) * 1990-04-17 1991-10-24 Oesterr Forsch Seibersdorf Sekundaerstandard-ionisationskammer zur messung von photonenstrahlung

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2596080A (en) * 1947-02-21 1952-05-06 Atomic Energy Commission Ionization chamber
DE1067535B (de) * 1957-05-24 1959-10-22 Licentia Gmbh Taschendosimeter

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