DE1249410B - Spektrometer für Gamma- und Röntgenstrahlung. - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND Int. Cl.:

GOlt

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.: 21 g -18/02

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

1 i. <r H L·

A 45881 VIIIc/21g

25. April 1964

7. September 1967.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Spektrometer für Gamma- und Röntgenstrahlung mit zwei Detektoren, deren strahlungsempfindliche Elemente aus Stoffen verschiedener Ordnungszahl bestehen und dadurch verschiedene Photoabsorptions-Ansprechwahrscheinüchkeiten aufweisen, und mit einer den Detektoren zur Beseitigung des Comptonanteils des Spektrums nachgeschalteten Subtraktionsauswerteschaltung.

In der kernphysikalischen Meßtechnik werden in immer größerem Umfang Halbleiterstrahlungsdetektoren verwendet, vorzugsweise solche, die aus Germanium, Silicium oder einer Art_ra-B_v-Verbindung aufgebaut sind und einen pn- oder einen puu-Übergang aufweisen. Welcher von diesen bekannten Strahlungsdetektoren verwendet wird, richtet sich nach der speziellen Meßaufgabe, die gelöst werden soll.

Die Möglichkeit, einen Halbleiterstrahlungsdetektor zum Nachweis von geladenen Teilchen zu verwenden, beruhi darauf, daß sich im Bereich eines b1 Sperrichtung vorgespannten pn- oder pin-Übergangs eine Verarmungszone ausbildet. Dringt nun ein geladenes Teilchen in die Verarmungszone ein, so ruft es in ihr Ionisationen hervor. Die dabei entstehenden Ladungsträger werden durch die Feldstärke in der Verarmungszone abgesaugt und können als Impulse (sofern es sich um Ionisationen durch Einzelteilchen handelt) oder als Strom (sofern der Strahlungsdetektor einem Teilchenstrom ausgesetzt ist) gemessen werden. Wenn eine Strahlung nachgewiesen werden soll, die keine geladenen Teilchen enthält, also beispielsweise Gamma-, Röntgen- oder Neutronenstrahlung, so muß man dafür sorgen, daß durch Wechselwirkungen aus diesen Strahlen geladene Teilchen entstehen.

Für den Nachweis und die Spektroskopie einzelner schwerer geladener Teilchen, z. B. Alphateilchen, Deuteronen oder Protonen, sind Halbleiterstrahlungsdetektoren vorzüglich geeignet, da die Reichweite solcher Teilchen im Halbleitermaterial nur kurz und damit die Ionisierungsschicht sehr hoch ist, so daß das schwer geladene Teilchen innerhalb der Verarmungszone vollständig abgebremst werden kann und dabei innerhalb der Verarmungszone eine Ladungsmenge durch Ionisation freisetzt, die proportional zur Energie des schweren geladenen Teilchens ist.

Die Spektroskopie einzelner Gammaquanten mit Halbleiterstrahlungsdetektoren ist bisher noch nicht befriedigend gelungen. Hierfür gibt es im wesentlichen zwei Gründe. Der eine Grund ist die Tatsache, daß die Reichweite der Sekundärelektronen in Fest

Spektrometer für Gamma- und Röntgenstrahlung

Anmelder:

Associated Electrical Industries Limited, London Vertreter:

Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,
Frankfurt/M. 1, Parkstr. 13

Als Erfinder benannt:

James Wakefield, Woolhampton, Berkshire;

Derek George Waters,

Rex Anthony Pope,

Reading, Berkshire (Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 2. Mai 1963 (18 386)

körpern verhältnismäßig groß ist, so daß sie im allgemeinen die Dicke der Verarmungszone im pn-übergang von Halbleiterdetektoren übersteigt. Dieses gilt um so mehr, je niedriger die Ordnungszahl der Atome ist, aus denen der Halbleiterdetektor besteht. Der zweite Grund liegt in der Natur der Wechselwirkung zwischen Gammaquanten und Materie, , da nur dann eine quantitative Spektroskopie einzelner Gammaquanten möglich ist, wenn die gesamte Energie des Gammaquants auf ein geladenes Teilchen übertragen wird.

Es sind drei Arten von Wechselwirkungen zwischen Gammaquanten und Materie bekannt. Das sind:
I. der Compton-Effekt,
Π. der Photoeffekt,

III. die Paarbildung.

Die Paarbildung kann bei der augenblicklichen Betrachtung außer acht gelassen werden, da der Paarbildungsquerschnitt erst bei solchen Gammaenergien einen merklichen Wert annimmt, bei denen die Elektronen, die durch die Paarbildung erzeugt werden, eine Reichweite von einem Zentimeter und mehr in Materie haben, so daß die Wahrscheinlichkeit, durch Paarbildung erzeugte Elektronen in der Verarmungsschicht eines Halbleiterstrahlungsdetektors total zu absorbieren, außerordentlich gering ist. Von den anderen beiden Wechselwirkungsarten führt zu Elektronen, deren Energie im wesentlichen

709 640/426

i 249 410

gleich der Gammaenergie ist, nur der Photoeffekt, während der Comptoneffekt, da er ein reiner Streuprozeß ist, auf eine zwar bekannte, aber sehr breite Energieverteilung der ausgelösten Elektronen führt. Das bedeutet, daß es zwar möglich ist, durch die Beobachtung eines durch Photoeffekt freigesetzten Elektrons die Energie des auslösenden Gammaquantes zu bestimmen, daß es aber nicht möglich ist, durch Beobachtung der Energie eines durch Comptoneffekt freigesetzten Elektrons auf die Energie des primären Gammaquantes zu schließen, da nicht bekannt ist, weiche Energie das Gammaquant nach dem Comptonstreuprozeß besitzt.

Nun ist es bekannt, daß die relativen Wirkungsquerschnitte für Photo- und für Comptoneffekt Funktionen der Kernladungszahl der Atome sind, an denen diese Effekte hervorgerufen werden. Bei einem Material mit niedriger Kernladungszahl herrscht der Comptoneffekt vor, während bei einem Material mit hoher Kernladungszahl der Photoeffekt die vorherrschende Größe ist.

Es ist daher bereits ein Halbleiterstrahlungsdetektor zur Spektroskopie einzelner Gammaquanten aus einer A₁₁₁-B_v-Verbindung vorgeschlagen worden, der einen pn-übergang mit einer durch Lithiumdiffusion und Ionendrift hergestellten tiefen Verarmungszone aufweist und bei dem die Ordnungszahl der einen Komponente der A_m-B_v-Verbindung größer als 32 ist. Solche Halbleiterdetektoren sind zwar zur Spektroskopie einzelner Gammaquanten besonders geeignet, doch kann der Comptonanteil niemals vollständig eliminiert werden.

Es ist weiterhin bereits ein Gammastrahlungsspektrometer bekannt, bei dem zwei Szintillationszähler aus Stoffen verschiedener Ordnungszahl, nämlich einem Anthrazen-Szintillator, der nur durch Comptoneffekt und einem Nal-Szintillator, der durch Compton- und Photoeffekt wirkt, vorgesehen sind. Diese Szintillationszähler sind mit einer Auswerteschaltung verbunden, die den Comptonanteil eliminiert. Ein besonderer Nachteil dieses Spektrometers ist sein geringes Energieauflösungsvermögen. Außerdem müssen hier die Comptonanteile stets durch geeignete Wahl der Abstände der beiden Szintillationszähler von der Strahlungsquelle angeglichen werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Spektrometer für Gamma- und Röntgenstrahlung zu schaffen, durch das der Comptonanteil nahezu vollständig eliminiert wird bei gleichzeitigem hohem Energieauflösungsvermögen und ohne besondere Abstandsanpassung.

Erfindungsgemäß bestehen dazu die beiden Detektoren des eingangs beschriebenen Spektrometers für Gamma- und Röntgenstrahlung aus pin-Halbleiterdioden, wobei die Dicken der strahlungsempfindlichen Sperrschichten beider Dioden im umgekehrten Verhältnis zu den Comptonabsorptionskoeffizienten des Halbleitermaterials der Dioden gewählt sind, so daß sich nahezu gleiche Comptonanteile in den von beiden Detektoren gelieferten Impulshöhenspektren ergeben.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist den Detektordioden eine Verteilertorschaltung nachgeschaltet, die die von jedem der Detektoren herrührenden Impulse während abwechselnd aufeinanderfolgender Zeitabschnitte getrennten Speichern eines Impulshöhenanalysators zuführen, die mit einer Subträktionsschaltung verbunden sind, die die Differenz der gespeicherten Spektren bildet.

Auf Grund der besonderen Ausgestaltung der beiden Detektordioden erscheinen im aufgezeichneten Spektrum im wesentlichen diskrete Linien, da das kontinuierliche Comptonspektrum unterdrückt ist. Man kann daher gleichzeitig Gamma- oder Röntgenstrahlen innerhalb eines breiten Energiebereiches spektroskopieren.

Beim Erfmdungsgegenstand ist es von Vorteil, daß die Comptonanteile nicht durch besondere Wahl der

ίο Abstände der beiden Detektoren von der Strahlungsquelle, sondern durch entsprechende Bemessung der Dicke der empfindlichen Sperrschichten der Detektordioden angeglichen werden, wobei das Material mit dem niedrigeren Comptonabsorptionskoeffizienten eine dickere Sperrschicht erhält.

Besonders gut eignen sich die MateriaUen Silicium mit der Ordnungszahl 14 und Germanium mit der Ordnungszahl 32. Damit die Comptonanteile in beiden Detektoren gleich sind, müssen die Nachweis-Wahrscheinlichkeiten Φ für den Comptonprozeß in beiden Detektoren gleich sein, wenn man voraussetzt, daß die Flächen beider Detektoren und die Strahlungsdichten der einfallenden Gamma- oder Röntgenstrahlen in beiden Fällen gleich sind. Die Nach-Weiswahrscheinlichkeit Φ ist durch den Ausdruck

Φ = 1 - exp - (jjl_c ■ x)

definiert, wobei μ,, der Comptonabsorptionskoeffizient und χ die Dicke der empfindlichen Sperrschicht im Detektor ist. Die Comptonabsorptionskoeffizien-

ten wiederum sind der Größe ρ ■ -j proportional, worin q die Dichte, A das Atomgewicht und Z die Ordnungszahl des Detektormaterials bedeuten. Sollen die Comptonanteile gleich sein, dann müssen infolgedessen die Dicken der empfindlichen Sperrschichten in beiden Detektoren umgekehrt proportional zu den Comptonabsorptionskoeffizienten sein. Bei der Verwendung von Germanium und Silicium ergibt sich für das Verhältnis der Comptonabsorptionskoeffizienten

ßc (Ge) ₌
Hc (Si)

2:1,

so daß das erforderliche Dickenverhältnis

χ (Ge) _
x(Si) ~

1:2

ist. Dieses Verhältnis ist für Gammastrahlungsenergien von 300 keV aufwärts nahezu konstant.

Um die Impulshöhen in den beiden Detektoren

gleichzumachen, wird der Verstärkungsfaktor der nachgeschalteten Verstärker entsprechend eingestellt.

Handelt es sich um ladungsempfindliche Verstärker, dann ist die Impulshöhe proportional dem Ausdruck e E

—^- , worin E die Energie des einfallenden Gammaquants, e die Elektronenladung und ε die zur Erzeugung eines Elektronenlochpaares notwendige Energie ist. Da ε für Silicium 3,4 eV und für Germanium 2,9 eV ist, muß der Verstärkungsfaktor für den Verstärker des Siliciumdetektors um das l,17fache (3,4/2,9fache) größer als der Verstärkungsfaktor des Verstärkers für den Germaniumdetektor sein.

Unter Voraussetzung der beschriebenen Anordnung werden die Comptonanteile nur dann gleich, wenn in den Detektoren jeweils nur ein einziges Comptonereignis eintrifft. Werden jedoch Compton-

Claims (3)

photonen im Detektor total absorbiert, dann erzeugen diese ein volles Energiesignal, das im Spektrum der Photoelektronen erscheint. Diese Erscheinung nimmt mit anwachsender Dicke des Detektors zu, so daß das obenerwähnte Verhältnis der Dicken der empfindlichen Sperrschichten bei Verwendung von Silicium und Germanium tatsächlich etwas kleiner als 2:1 gewählt werden muß. Die pin-Ubergänge der verwendeten Detektordioden können durch Lithiumdiffusion und Ionendrift hergestellt werden, wie es bereits an anderer Stelle beschrieben wurde. Die Erfindung wird nun im folgenden in Verbindung mit den Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel im einzelnen beschrieben: Fig. 1 zeigt ein Impulshöhenspektrum für die 660-keV-Gammalinie von Cs187; F i g. 2 zeigt eine Schaltungsanordnung zum Subtrahieren des Spektrums des Siliciumdetektors vom Spektrum des Germaniumdetektors; ao F i g. 3 zeigt das Blockschaltbild der F i g. 2 mit weiteren Einzelheiten. Beim dargestellten Spektrometer führen ein Germaniumdetektor 1 über einen Verstärker 3 und ein Siliciumdetektor 2 über einen Verstärker 4 ihre Impulse einer Verteilertorschaltung 5 zu. Die Verteilertorschaltung 5 weist zwei Ausgänge auf, die zu einem Impulshöhenanalysator 6 führen. Der dargestellte Impulshöhenanalysator 6 besitzt zwei Speicher 13 und 14. Die Verteilertorschaltung 5 ist ein Schaltkreis, der abwechselnd für gleiche Zeitspannen die vom Germaniumdetektor 1 herrührenden Impulse in den Speicher 13 und die vom Siliciumdetektor herrührenden Impulse in den anderen Speicher 14 gibt. Die Speicher sind mit einer Subtraktionsschaltung 15 verbunden, die die Differenz der gespeicherten Spektren bildet, so daß nur das Differenzspektrum von dem Anzeigeteil 16 des Analysators dargestellt wird. Wie in der F i g. 3 gezeigt ist, besteht die Verteilertorschaltung aus Transistoren 7 und 8, die als frei laufender Multivibrator mit einem Impulstastverhältnis von 1 geschaltet sind. Gegenphasige, positive Rechteckimpulse werden an die Dioden 9 und 10 zweier UND-Torschaltungen gelegt. Die Dioden 9 und 10 leiten abwechselnd. Wenn die Kathode der Diode 9 gegenüber Erde auf einem positiven Potential liegt, dann können Impulse aus dem Verstärker 3 durch die Diodell zum Eingang des Analysators gelangen. Zur gleichen Zeit ist der Ausgang des Verstärkers 4 über die Diode 10 gegenüber Erde kurzgeschlossen, so daß die Diode 12 gegenüber positiven Signalen gesperrt ist. Wenn dagegen die Kathode der Diode 10 auf einem positiven Potential Hierzu 1 Blatt: und die Kathode der Diode 9 auf\Erdpotential liegt, dann ist die Rolle der beiden Verstärker vertauscht. Die Verstärkungsfaktoren in den beiden Verstärkern für den Silicium- und den Germaniumdetektor sind so eingestellt, daß am Eingang des Impulshöhenanalysators die Comptonkanten der Spektren dieser beiden Detektoren auf der Spannungsskala zusammenfallen.. Impulshöhenanalysatoren sind bekannt. Es eignet sich z. B. das Gerät CN 1024 der Technical Measurement Corp., 441 Washington Avenue, North Haven, Connecticut, USA. Patentansprüche:

1. Spektrometer für Gamma- und Röntgenstrahlung mit zwei Detektoren, deren strahlungsempfindliche Elemente aus Stoffen verschiedener Ordnungszahl bestehen und dadurch verschiedene Photoabsorptions - Ansprechwahrscheinlichkeiten aufweisen, und mit einer den Detektoren zur Beseitigung des ComptonanteiIs des Spektrums nachgeschalteten Subtraktionsauswerteschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren aus pin-Halbleiterdioden (1, 2) bestehen, wobei die Dicken der strahlungsempfindlichen Sperrschichten beider Dioden im umgekehrten Verhältnis zu den Comptonabsorptionskoeffizienten des Halbleitermaterials der Dioden gewählt sind, so daß sich nahezu gleiche Comptonanteile in den von beiden Detektoren gelieferten Impulshöhenspektren ergeben.

2. Spektrometer für Gamma- und Röntgenstrahlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den Detektordioden (1,2) eine Verteilertorschaltung (S) nachgeschaltet ist, die die von jedem der Detektoren (1, 2) herrührenden Impulse während abwechselnd aufeinanderfolgender Zeitabschnitte getrennten Speichern (13, 14) eines Impulshöhenanalysators (6) zuführen, die mit einer Subtraktionsschaltung (15) verbunden sind, die die Differenz der gespeicherten Spektren bildet.

In Betracht gezogene Druckschriften:
»Nuclear Instruments and Methods«, Bd. 7, 1960,

S. 56 und 57;

»British Journal of Applied Physics«, Bd. 6, 1955,

S. 444 bis 449;

»IRE-Transactions on Nuclear Science«, Bd.NS-9,

1962, N. 4, S. 51 und 52; Bd. NS-9, Nr.

3, S. 181 bis 188;

»Nucleonics«, Bd. 20, 1962, Nr. 5, S. 65;
»Nature«, Bd. 193, 1962, Nr. 4816, S. 669.

709 640/426 8.67 @ BundesdruckereiBerlin