DE1806498A1

DE1806498A1 - Lageempfindlicher Strahlungsdetektor

Info

Publication number: DE1806498A1
Application number: DE19681806498
Authority: DE
Inventors: Borkowski Casimer John; Kopp Manfred Kurt
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1967-11-03
Filing date: 1968-11-02
Publication date: 1969-06-19
Also published as: CH499874A; NL6815327A; DE1806498B2; FR1590045A; US3483377A; SE352773B; BE723068A; NL163327C; DK129882C; GB1202467A; NL163327B; DK129882B; JPS4818515B1

Description

Anmelder: United States Atomic Energy Commission Washington D. C.

LaKeempfindlicher Strahlungsdetektor

Die Erfindung "betriff t einen lage empfindlichen Strahlungsdetektor mit verbesserter räumlicher Auflösung unter Verwendung eines Kollektor s mit sehr hohem Widerstand in einem sonst bekannten Detektor.

In der Kernphysik ist es oft erwünscht, die Lage einer ionisierenden Strahlung festzustellen· Bei der Beugung von Kernstrahlung, Röntgenstrahlen, Beutronenstrahlen usw. treten gebeugte Strahlen in verschiedenen Lagen auf, die gemessen werden müssen. Dies erfolgt bisher unter Verwendung eines Films, oder, falls direkte Ablesung erwünscht ist, mit einem beweglichen Detektor. Zur Erzielung statistisch verwertbarer Hessdaten muss dabei für jede Lage eine bestimmte Zfhlzeit zur Verfügung stehen, was dies Verfahren sehr verlangsamt. Bei Verwendung mehrerer Detektoren muss andererseits der Wirkungsgrad der verschiedenen Detektoren zueinander in Beziehung gesetzt werden, ähnliche Probleme der räumlichen Messung entstehen auch in magnetischen Spektrographen, Spektrometer^ bei

909825/1086

fe der medizinischen Untersuchung und der Landesvermessung, und dergl· Zur Behebung dieser bekannten Schwierigkeiten ist ein lage empfindlicher Detektor vorgeschlagen worden, vgl. W. B, Kuhlmann u. a. in "Nuclear Instruments and Methods" 40, 118-120, 1966, bei dem der Widerstand des mittleren Kollektordrahts auf etwa 40 Ohm/mm erhöht und spannungsempfindliche Vorverstärker an beide Drahtenden angeschlossen wurden. Ein an einer Stelle der Drahtlänge auftretender Ionisierungsvorgang verursacht einen energie abhängigen Lokalisierungsimpuls, dessen Amplitude der Energie der empfangenen Teilchen und vest deren Lage an der Drahtlänge proportional ist. Diese Impulse werden von den Vorverstärkern abgegriffen und weiter verglichen, so dass ein energieunabhängiges Verhältnis zwischen den an jedem Ende des Kollektr^drahts abgegriffenen Spannungen erhalten wird, mit Hilfe dessen sodann die Lage des Ionisierungsvorgangs bestimmt werden kann. Die Empfindlichkeit dieses Proport ionalz|ählers wird jedoch durch die Belastungswiderstände, über die jedes Drahtende an eine Hochspannungsquelle gelegt ist, begrenzt. Ferner verlieren Proportionalzähler dieser Art mit einer Länge von mehr als 30 cm infolge auftretender Übertragungseffekte ihre Linearität.

Nach einem anderen Vorschlag wird durch kontinuierliche Veränderung des Drahtdurchmessers der Gasverstärkungsfaktor kontinuierlich verändert, vgl. B. Grennberg in "Journal of Scientific Instruments" 44 (1967), 203-206. Da der Eadius des mittleren Drahts von grossem Einfluss auf die Grosse des Gasverstär-

909825/1086 - 3 -

kungsfaktors ist, wird die Impulsgrosse hauptsächlich durch die Lage des eintreffenden Strahlungsquantums und seine Energie bestimmt.

Aufgabe der Erfindung ist ein lageempfindlicher Strahlungsdetektor, der grosser« Empfindlichkeit für ionisierende !feilchen niedriger Energie aufweist, dessen Ausgang von seiner Länge unabhängig ist, und deren verbesserte räumliche Auflösung besitzt.

Gelost wird die Aufgabe durch den erfindungsgemässen lageempfindlichen Strahlungsdetektor mit einem strahlungsempfindlichen Detektorelement und einem an dieses angeschlossenen Spannungsverstärker dadurch, dass der Detektor mit einem Kollektor mit derart hohem Widerstand pro Längeneinheit versehen, ist, dass an seinem Ausgang ein Spannungsimpuls mit einer der Entfernung zwischen dem Ausgang und dem Ionisierungsort entsprechenden Anstiegszeit erzeugt wird, der Kollektor über den Spannungsverstärker mit einem Impulsformer verbunden ist, über dessen beiden Ausgänge phasenverschobene, multipolare Impulse (Y₀, Vq₂) ^aui eine weitere Detektoreinheit zur Feststellung und gegebenenfalls Aufzeichnung des Zeitunterschieds der Impulse und damit des Ionisierungsorts gegeben werden.

Anhand der Zeichnungen sei die Erfindung weiter erläutert. Es zeigen:

909825/1086

- ZJ. -

Die Figur 1 ein Schaltbild des grundsätzlichen Aufbaus der Detektorschaltung}

die Figur 2 perspektivisch und teilweise aufgeschnitten den als gasgefüllte Rohre ausgeführten Detektor;

die Figur 3 den als Halbleitersystem ausgeführten Detektor;

die Figur 4- ein Blockschema des Zählers und der angeschlossenen, impulsverarbeitenden Bauteile;

die Figuren 5 "und 6 zwei Beispiele einer Impulsformerschaltung.

Das Erfindungsprinzip der Verwendung eines Kollektors mit hohem Widerstand zwecks Erzeigung eines Ausgangsimpulses mit lageempfindlicher Anstiegszeit ist auf Detektoren verschiedenster Art anwendbar, wie z. B. Gas- oder Halbleiterdetektο-ren. Im Folgenden sei die Erfindung ohne Beschränkung am Beispiel eines Gasdetektors beschrieben, der sich durch besonders grosse Empfindlichkeit für ionisierende Teilchen niedriger Energie und verbesserte räumliche Auflösung auszeichnet.

In einem Strahlungsdetektor wird der Kollektor mit einer Ladung beaufschlagt, sobald im empfindlichen Bereich eine Ionisierung stattfindet. In einem gasgefüllten lohrendetektor erfolgt die Beaufschlagung des Rentral angeordneten Kollektordrahts bzw. der Kollektorelektrode an einer dem Ionisierungsort nächstgelegenen Stelle. Normalerweise zeigt nun der erzeug te Ausgangsimpuls lediglich die Tatsache des Ionisierungsvor-

909825/1086

— 5 —

gangs, nickt jedoch dessen Lage an· Erfindungsgemäss wird der in der Figur 1 schematisch angedeutete Kollektordraht 5 mit sehr hohem Widerstandwert ρ eingesetzt, der z. B. in an sich bekannter Weise in einem leitenden Zylinder 7 angeordnet ist, der seinerseits mit der negativen Klemme einer Hoehspannungsquelle 9 verbunden ist. Bei dieser Ausgestaltung ergibt sich in Zusammenwirdkungg6.es Drahtwiderstands sowie der verteilten Draht-zu-Wandkapazität Od und der Eingangskapazität Oi eines Vorverstärkers eine wirksame Regelung der Anstiegszeit eines beliebigen Ausgangsimpulses. Bei Aufgabe einer Ladung Q auf ein beliebiges Teilstück einer Länge L des Drahts 5 an einer Stelle χ fliesst ein Strom I durch den Draht 5 bis zur Einstellung des Gleichgewichts, bei dem Q auf die gesamte Kapazität(L . Od + Oi) verteilt ist.

Der Anstieg der Spannungsstufe V(t,x) bis auf Oi ist keineswegs eine !funktion der Ladung Q, hängt vielmehr vom Drahtwiderstand (p · x) und der Kapazität zwischen dem Ort Σ und dem Eingang des Vorverstärkers ab. Es hat sich herausgestellt, dass bei genügend grossem Widerstand des Kollektors 5» etwa im Bereich von 1,5 - 500 Kilo-Ohm/mm ein weiter Bereich von Anstiegszeiten erfasst und damit die starke Lagemempfindlichkeit der Vorrichtung erreicht wird. Entsprechend der iigur 2 besteht der erfindungsgemässe Detektor aus einem Aluminiumzylinder 7 und einem im Handel erhältlichen Kollektordraht 5 aus Quartzfaser, der zentral im Zylinder 7 angeordnet und an dessen beiden Enden z. B. in den Isolatoren 11 und 13 gelagert ist, wobei der Isolator, seinerseits in einer am einen Zylinder-

909825/1088

— O —

ende vorgesehenen öffnung 15 gelagert ist_r durch, die der Draht zur Herstellung eines Anschlusses geführt werden kann. Die Quartzfaser des Kollektordrahts ist mit geschmolzenem Graphit überzogen und sein Widerstand beträgt etwa 20 ± 2 Kilo-Ohm/mm bei einer verteilten Draht-Wandkapazität von ca· 0,0085 Picofarad/mm. Die Zylinderabmessungen betragen beispielsweise 250 mm Länge und 22 mm im Durchmesser.

Je nach der Art der zu messenden Strahlung ist der Zylinder 7 mit einem passenden ionisierbaren Gas gefüllt, so z. B. für Röntgenstrahlen mit einer Krypton-Methanmisdrang, für neutronenstrahlung mit EF, oder %e, für dio Vermessung mit anderen Gasen usf.

Die Figur 4 zeigt eine für die Messung der lageempfindlichen Anstiegszeit einer Detektorausgangsspannungsstufe V-,(t,x) geeignete elektronische Schaltung. In dieser ist z. B. ein bekannter, spannungsabhängiger Vorverstärker 17 mit dem Ausgang eines Detektors 4 verbunden. An den Vorverstärkerausgang ist eine Impulsformerschaltung 19 angeschlossen, die in verschiedener Weise, z. B. entsprechend den beiden weiter unten beschriebenen Beispielen, aufgebaut sein kann. Die beiden Ausgangsimpulse der Schaltung 19 sind nraltipolar und haben einen tJberkreuzungszeitpunkt (Pahasenübergang von der positiven in die negative Phase und umgekehrt) der von der Spannungsanstiegszeit des Kollektordrahts 5 abhängt. Die Ausgange der Schaltung 19 sind mit den Phasenwechseldetektoren 21 und 23 bekannter

- 7 -9 09825/1086

Schaltung verbanden, deren Ausginge zum Zeitpunkt t-^x) bzw. tp(x) dem Zeitpunkt des Pehasenwechsels (Überkreuzungspunkt) Yq-, bzw. Vqp entsprechen. Die Zeitdifferenz fe(x) « t«(x) - t, (x)j wird durch den mit seinen getrennten Eingängen an die Ausgänge der Detektoren 21, 23 gelegten Zeit-Amplitudenwandler in einen Impuls entsprechender Amplitetude V(x) - KT(x) umgewandelt, auf einen bekannten Hehrkanal-Impulshohenanalysa-fcr 27 gegeben und dort aufgezeichnet·

Die Impulsformer schaltung 19 kann ζ. B. ein schnell-langsambipolares System entsprechend der Figur 5 oder ein bi-tripolares System gemäss der Figur 6 sein. In jedem Fall haben die iusgangsimpulse Vq-, und Vq^ voneinander verschiedene Überkreuzungszeitpunkte (t,, t^)* ^vßl· die graphische Darstellung der Figur 5 und 6, deren Zeitdifferenz der Anstiegszeit des Auagangsimpulses des Kollektordrahts 5 proportional ist und damit den lonisierungsort entlang dem Draht 5 anzeigt.

Die Schaltung der Figur 5 besteht aus zwei parallelen Kanälen mit hintereinandergeschalteten Passivfiltern unterschiedlicher ieitkonstanten, die die bipolaren Spannungen Vq₁ bzw. V_Og erzeugen. Der schnelle Kanal besteht aus einem den energivnabhängigen Impuls vom Kollektordraht 5 empfangenden Differentiatorkreis 29, dessen Ausgang mit einem das Signal integrierenden und an einen zweiten Differentiator 33 weiterleitenden Integrator 31 verbunden ist. Die Zeitkonstante des Integrators ist T β 0,7 /us, die der Differentiatoren T « 2 /as, so dass ein

- 8 909826/1086

"bipolarer Impuls V₀-, mit dem Überkreuzungspunkt t-, entsprechend der Figur 5 entsteht. Der entsprechend geschaltete, aus den Differentiatoren 35) 39 und dem Integrator 37 "bestehende langsame Kanal besitzt eine längere Zeitkonstante und liefert einen langsameren Impuls mit dem Überkreuzungszeitpunkt tp > t-j. Die Zeitkonstante des Integrators beträgt hier T = 6,5 /us, die der Differentiatoren T ■ 12,8 /as. Da V_Q1 und V_Q2 von der Impulsanstiegszeit des Kollektordrahts bestimmt werden, entspricht die Zeitdifferenz (tp - t·,) der Lage des ionisierenden Vorgangs (Ionisierungsort) im Detektor 4.

Ein weiteres Beispiel einer Impulsformersähaltung ist in der Figur 6 gezeigt. Es sei als bi-tripolare Schaltung bezeichnet, da ein tripolarer Impuls die Spannung V und ein bipolarer Impuls die Spannung V_Qp erzeugt. Ein erster Differentiator empfängt den Spannungsimpuls V^ und ist mit seinem Ausgang mit dem Integrator 43 verbunden, der seinerseits in Serienschaltung mit den weiteren Differentiatoren 45 und 47 verbunden ist. Die Zeitkonstanten aller Schaltkreise der Figur 6 sind z. B. T = 6,4 /as. Der bipolare Impuls wird hinter dem zweiten Differentiator 45 abgegriffen. Auch hier hängen die ÜberkreuzHngszeiten t^ und tg von der Anstiegszeit des Impulses Vp ab, so dass die Zeitdifferenz der Lage des Ionisierungsvorgangs im Detektor entspricht. Die Schaltung hat den Vorzug der Einfachheit, jedoch ist die Schnell-Langsamschaltung der Figur 5 · empfindlicher nnd erzielt bessere räumliche Auflösung. Bei Verwendung dieses Systems beträgt die volle Breite einer mit

909825/1086 ~ ⁹ "

einem kollimierten ^Gd (20 Kev) Röntgenstrahl an beliebiger Stelle des Kollektordrahts erzeugten Spitze auf halbem Maximalwert, unter Ausschluss von etwa 30 mm an jedem Kollektordrahtende, 0,2% der Detektorlange (0,5 mm bei einem 250 mm langen Zähler), wobei der Kollimator aus einem 0,1 mm breiten Schlitz in einem 50 mm dicken Bleiblock besteht. Abwandlungen insbesondere der impulsverarbeitenden Schaltkreise, sind möglich. So kann z. B. der Zeit-Amplitudenwandler 25 der Figur 4 weggelassen werden, wobei die Ausgänge der Phasenwechseldetektoren 21 und 23 für das Start- und Stopsignal eines Oszillators verwendet werden können, und die bei angeschaltetem Oszillator erzeugten Schwingungszahlen in dem Impulshöhenanalysator 27 unmittelbar als Digitalsignale gespeichert werden. Damit wird die Analog-Digitalwandlerstufe sowie die Amplituden-Zeitwandlerstufe des Impulshöhenanalysator unnötig und der Detektor kann bei geringeren Abmessungen als Kompaktbauelement ausgeführt werden. Bei dieser Anordnung entfällt also die Amplitudenmessung gänzlich.

Weiterhin ist die Erfindung nicht auf Verwendung mit gasgefüllten Höhrendetektoren beschränkt. Möglich ist z. B. eine Ausführungsform entsprechend der Figur 3 unter Verwendung von einem Halbleiterdetektor mit einer Oberflächensperrschichtdiode mit dem N-leitenden Halbleiterkörper 49, z. B, aus Silizium und einem aus einem auf dem Halbleiter niedergeschlagenen oder aufgeätzten dünnen Film aus Palladium oder QoId als P-leitendem Kollektor 5* ait sehr hohem Widerstand. Eine Vorspannungsquelle

- 10 909825/1086

- ίο -

51 ist über die Metall-Silizium-Sperrschicht durch die Anschlüsse 53 und 55 mit dem metallischen Kollektor 5' und der gegenüberliegenden Fläche des Halbleiterkörpers 49 verbunden. Das Bezugsende des Kollektors 5' ist entsprechend der Figur 3 mit dem Vorverstärker verbunden. Bekanntlich können Oberflächensperrschichtdioden dieser Ausgestaltung die auf den Halbleiter auftreffende Strahlung abtasten. Die in den an der Metall-Siliziumsperrschicht anliegenden empfindlichen Bereich gelangenden Strahlungsteilchen erzeugen in dem Halbleiter Defektelektronen-Elektronenpaare, die durch das angelegte elektrische Feld in demselben gedriftet werden, so dass infolge der Ladungsverteilung analog zum Kollektordraht eines Proportionaldetektors im Kollektsor ein äusserer Strom entsteht. Besitzt nun der Kollektor 5' erfindungsgemäss den vorgegebenen sehr hohen Widerstandswert, so ist die Anstiegszeit des Ausgangsimpulses der Entfernung des Ionisierungsvorgangs vom Kollektorausgang proportional, so dass wie in dem zuvor beschriebenen Röhrendetektor ein lageabhängiger Impuls erzeugt wird.

Es hat sich herausgestellt, dass Ionenkammern anderer Art mit oder ohne Gasverstärkung mit dem erfindungsgemässen lageempfindlichen Strahlungsdetektor ausgestattet werden können.

Der lageempfindliche Strahlungsdetektor weist grössere Empfindlichkeit für ionisierende Teilchen geringer Energie auf, als bekannte Vorrichtungen. Er besitzt bessere räumliche Auflösung, gute Linearität auch für längere Geräte und kann kompakt und einfach aufgebaut werden. 9 09825/1086

Claims

Pat ent ansprüehe

1. Lageempfindlicher Strahlungsempfänger für ionisierende Strahlung mit einem strahlungsempfindlichen Detektorelement und einem an dieses angeschlossenen Spannungsverstärker, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (4-) mit einem Kollektor (5»5') mit derart hohem Widerstand pro Längeneinheit versehen ist, dass an seinem Ausgang ein Spannungsimpuls mit einer der Entfernung zwischen dem Ausgang und dem Ionisierungsort entsprechenden Anstiegszeit erzeugt wird, der Kollektor über den Spannungsverstärker (17) mit einem Impulsformer (19) verbunden ist, über dessen beide Ausgänge phasenverschobene, multipolare Impulse ("Vq-, , Vq^) auf eine Detektoreinheit (21,23) zur Feststellung und gegebenenfalls Aufzeichnung des Zeitunterschieds der Impulse und damit des Ionisierungsorts, gegeben werden.

2. Strahlungsempfänger gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (IA-) aus einer mit ionisierbarem Gas gefüllten Röhre besteht.

3. Strahlungsempfänger gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (14) aus einer Oberflächensperrschichtdiode mit einem N-leitenden Halbleiterkörper und einem dünnen, P-leitenden Kollektor besteht.

4-, Strahlungsemfpfanger gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektorwiderstand 1,6 - 500 Kilo-Ohm/mm beträgt.

90 98 2S/1086

5. Strahlungsempfänger gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Impulsformer aus einem Paar paralleIgeschialteten Impulsformkanälen besteht, die mit ihren Eingängen an dem.Verstärkerausgang liegen und mit ihren Ausgängen an unterschied- . liehe Passivfilter angeschlossen sind, so dass die Impulse einen dem Zeitraum des Spannungsanstiegs im Kollektor entsprechenden Phasenunterschied erhalten.

6. Strahlungsempfänger gemäss Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kanal jeweils in Serienschaltung aus einem
ersten Differentiator (29, 35), einem Integrator (31, 37) und einem zweiten Differentiator (33, 39) besteht.

7- Strahlungsempfänger gemäss Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dass der erste, einen bipolaren Impuls liefernde Kanal in Serienschaltung aus einem ersten Differentiator (41),einem Integrator (43) und einem zweiten Differentiator (45) besteht,
und der zweite, einen tripolaren Impuls liefernde Kanal einen weiteren, an den zweiten Differentiator angeschlossenen Differentiator (47) enthält.

8. Strahlungsempfänger gemäss Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Feststellung und gegebenenfalls Aufzeichnung des Impulszeitunterschieds zwei den Phasenüberkreuzungspunkt der Impulse des Impulsformers feststellende und je einen entsprechenden Impuls liefernde Phasenwechseldtektoren (21,23) enthalten·

909825/1086

9. Strahlungsempfänger gemäss Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zeit-Amplitudenwandler (25) an die Ausgänge der Phasenwechseldetektoren angeschlossen und über seinen Ausgang mit einem Impulshohenanalysator (27) verbunden ist·

909826/1086