DE1947888A1 - Kernstrahlungsdetektor und eine Anordnung zur Erfassung der energiearmen Kernstrahlung sowie der Kernstrahlung in aggressiven Medien - Google Patents

Kernstrahlungsdetektor und eine Anordnung zur Erfassung der energiearmen Kernstrahlung sowie der Kernstrahlung in aggressiven Medien

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Description

194788a
Elnreichungsfertig zur Weiterleitung erhalten Patentanwalt
Dipl.-lng. R. Beetz 53O-14.941P 22.9.I969
Fizichesky Institut imeni P.N. Lebedeva, MOSKAU (UdSSR)
UND BIKB ANORDNUNG ZUR ERFASSUNG DSK MMGIEAttMEN KWNmBJuILUHa SOWIE DBIl KERNS1DiIAHLUNG IN AGGHESSIVBN MEBIBN
Dte vorliegende iärf indung- beaiehtr- sich auf Kera« strahlungsdetektoren und auf Anordnungen zur Erfassung der energiearmen Kernstrahlen, sowie der Kernstrahlen in aggressiven Medien. \
Bs ist bekannt, zur Erfassung von energiearmen Ksmetrsi* len, beiepielswtise dar fon überschwerem Waeaeratoff R- |
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oder Kohlenstoff C emmitierten Elektronen Anordnungen mit. Szintillationszähler!! in Zusammenschaltung mit Sekundärelektronenvervielfachern sowie Durchfluß- und Siliziumdetektoren einzusetzen. Die Szintillationszähler und Durchflußdetektoren liefern aber eine niedrige Zählausbeute und haben ungünstige spektronietrische Eigenschaften. Daneben sind sie kompliziert im Aufbau und in der Handhabung. Auch den Anordnungen mit Detektoren auf Sillziumbasis sind Nachteile eigen. Und zwar sie bedürfen einer Kühlung, da ihre Auffangausbeute bei Zimmertemperatur durch den hohen Rauschpegel des Detektors stark beeinträchtigt wird.
Die Siliziuindetektoren werden neben den Detektoren auf Siliziumkarbidbasis auch in bekannten Anordnungen zur Erfassung der Kernstrahlung in aggressiven Medien, wie Säure- oder Laugenlösungen, eingesetzt. Es hat sich aber erwiesen, daß, da die chemische Beständigkeit der Siliziumdetektoren für diese Aufgabe nicht ausreicht, ein Siliziumdetektor in alkalischem Medium geätzt und in saurem Medium oxydiert wird wenn er sich mit ihnen unmittelbar berührt besonders bei erhöhten Temperaturen. Die Detektoren auf der .Basis des Siliziumkarbides haben zwar eine höhere chemische Beständigkeit, liefern jedoch eine niedrige Zählausbeute und haben ein niedriges Signal/xiausch-Verhältnis. Ein weiterer Mangel der beiden letzterwähnten Detektoren liegt iii der lniconatana ihror Kenndaten und in ihrer niedrigen Lebensdauer, die durcu. die beträchtliche Änderung der üigen-
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schäften dieser Geräte im Laufe des Betriebs bedingt sind, Ss wurden bis jetzt keine Versuche unternommen, einen Kernstrahlungsdetektor auf Diamantbasis zur Erfassung von energiearmen Kernstrahlen oder Kernstrahlen in aggressiven Medien anzuwenden. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Diamantdetektoren mit ihrer niedrigen Zählausbeute und ungünstigen spektrometrischen Eigenschaften sowie wegen der Polarisationserscheinungen bei dauernder Bestrahlung bis jetzt dieser Aufgabe nicht gewachsen waren.
Inzwischen wurde von uns ein neuartiger Kernstrahlungsdetektor auf der Diamantbasis (Patentanmeldung Nr. P 1764-066$) vorgeschlagen. Dieser. Detektor stellt im Grunde eine Dianiantkristallplatte das ,die mit zwei Kontakten versehen ist. Der eine Kontakt befindet sich auf der der Strahlung ausgesetzten Plattenseite und wirkt als Sperrkontakt gegenüber den Ladungsträgern, während der andere auf der nicht bestrahlten Plattenseite angeordnete Kontakt aus einem Werkstoff besteht, fähig ist,,Ladungsträger in Verbindung mit Diamanten unter der Wirkung des angelegten elektrischen "Feldes zu injizieren. Die Dicke des zwischen den Kontakten liegenden Arbeitsbereiches der Diamantkristallplatte ist nicht größer als die Weglänge, die die Ladungsträger im Dianiantkristall unter der Wirkung des angelegten elektrischen Feldes zurücklegen. Derartige Diamantdetekoten eignen sich zwar zur feststellung der ettergis&rm&& KtmBtr&tile» mA »ur
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s^hung von radioaktiven aggressiven Medien. Sie sind aber nicht allen Anforderung der Praxis gewachsen.
Mit der vorliegenden Erfindung soll ein Kernetrahlungadetektor angegeben werden, der eine hohe Zählausbeute bei Erfassung von energiearmen Kernstrahlen liefert und eine hohe Zeitkonstant auoh bei aggressiven radioaktiven Meßmedien besitzt.
In Übereinstimmung mit dem gestellten Ziel wird der Erfindung die Aufgabe zugrunde gelegt, einen Werkstoff für den Sperrkontakt des Diamantdetektors zu finden, der die Kontaktdicke genügend klein wählen läßt, um die energiearmen Kernstrahlen ohne Energieverluste durchzulassen, und dabei beständig gegen unmittelbar angreifende aggressive Medien ist.
Die gestellte Aufgabe wird bei einem S^ahlungsdetektor in Form einer Di amantkr ist allplatte mit zwei Kontakten, die zum Anlegen elektrischen Feldes dienen, von denen einer, auf der der Strahlung ausgesetzten Plattansei te befindliche Kontakt als Sperrkontakt gegenüber den Ladungsträgern wirkt, während der gegenüberliegende Kontakt auf der uabestrahltea Plattenkette mot einen Wirkstoff besteht, der fähig let,
Ladu&getrfcger In Verbindung ait Diamanten unter der Wirkung de« angelegten tlekirUohan felde« Zu in^leleren, wobei die Picke d'e§ «wischen den biidea Kontakten liegenden Arbfit«^ . eetf ieh#e der Digaantkriatallplattβ nicht größer ist ale die
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Msmi*kxp§ dee angeltgten eXiktrUohen Feldes zurücklegen,
(5e4ure4 gtlösir, daß der 'ßperrkonteirt aus e
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Metallkarbid hergestellt ist.
für die Erfassung von energiearmen Kernstrahlen eignet sich nach der Erfindung am besten das ülaffcalkarbid als Sperrkontaktwerkstoff, während £ür die Kernstrahlungsmessung in aggressiven Medien das Platinkarbid günstiger ist.
Auf der Basis dieser Detektoren können Anordnungen zur Erfassung energiearmer lernstrahlen bzw · Kernstrahlen in aggressiven Medien aufgebaut werden sie weisen neben dem Dimantdetektor mit Verstärker und Registriergeräte für das Detektorausgangssignal sowie eine Speisestromquelle für den Detektor auf. Der erwähnte Detektor wird nach der Erfindung von einem hermetisch abgedichteten Gehäuse umschlossen, dessen Fensteröffnung mit dem Sperrkontakt dicht abgeschlossen wird.
Der Erfindungsgedanke wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel mit Bezugnahme auf beigefügte Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt eine Anordnung mit erfindungsgemäßem Detektor in schematisoher Darstellung.
Bei der in der Zeichnung wiedergegebenen Anordnung zur Erfassung der Kernstrahlen wird der Kernstrahlungsdetektor 1 ; durch eine Diamantkriatallplatte ζ gebildet» die an den gegenüberliegenden Seltaa mit Kontakten 3, 4 versehen 1st« Der Kontakt 2 ist warn «inarn Matallkarbid hergestellt
und t£rkt gegenüber dtn Ladungsträgern al· Bperrkontakt.
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Df r &uf der anderen Flattens·!*« Ufgtndt Kontakt 4 >·« iHtht dagegtü au* lines ttrka^©ff» der fähig itt, X,a4unea« träger in Verbindung mit Diamanten unter d*r Wirkun« d·« aneelistan elt^teriatlwfn ftXdtp iu in j liiere. Jfc ke»n beiipieliweiit dusch Dotitrun^ d«r O^effläühenaefeiofet üm<_
Di· Mvfam:.
des zwischen den Kontakten 3, 4 liegenden Arbeitsbereiches der Platte 2r,ist nicht größer als die Weglänge, die die Ladungsträger im Diamantkristall unter der Wirkung des angelegten elektrischen Feldes zurücklegen. Sie ergibt sich aus der Beziehung
Darin bezeichnen M die Ladungsträgerbeweglichkeit (Elektronen- und Defektelektronenbeweglichkeit), 0C die Lebensdauer dieser Ladungsträger, E die angelegte elektrische Feldstärke und £ die Entfernung, welche die Ladungsträger unter der Einwirkung des elektrischen Feldes zurücklegen.
Um die Energieverluste in der Kernstrahlung soweit wie möglich zu vermindern, wird der ßperrkontakt durch welchen die zu erfassenden Kernstrahlen in den Diamantdetektor gel-zigen, so schwach bemessen, daß er praktisch alle Kernstrahlen durchläßt» Die Kontaktdicke ist besonders wichtig bei Erfassung von energiearmen Kernstrahlen da die Ausgangssignale des Detektors hler einen niedrigen Pegel haben. Auch bei Erfassung von Kernstrahlen mit kontinuierlichem Energiespektrum ist die Kontaktdicke von großer Bedeutung, da sie die Zählausbeute beeinflußt. Wie die Untersuchungen zeigten, wird ein solcher für die ernergiearmen Kernstrahlen durchlässiger Sperrkontakt durch die Karbide der Metallen, beispielsweise durch das
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karbid gebildet.
Die wiclitige Voraussetzung für die zuverlässige Funktion der Anordnung bei Kernstrahlungserfassung in aggressiven Medien ist die ausreichende Beständigkeit des Sperrkontaktes gegenüber dem radioaktiven Meßmedium, mit dem er in Berührung kommen soll. Wie die Versuche zeigten, sind unter den Metallkarbiden auch solche zu finden, die einen Sperrkontakt herstellen lassen, der praktisch allen aggressiven Medien gut standhält. Ein solches ist beispielsweise das Platinkarbid. Ein Sperrkontakt aus Platinkarbid kann zudem noch sehr schwach bemessen werden und ist dann wie erwähnt für die einfallende Strahlung praktisch völlig durchlässig. Damit wird die Feststellung auch energiearmer Kernstrahlen in aggressiven Medien mit einer hohen Aui'f angaüsbeu* te ohne weiteres möglich.
Der Detektor 1 wird vom Gehäuse 5 J&it einer Fensteröffnung 6 umgeben. Die Dichtungen 7, 8 aus Isolierstoff verhindern die Durchdringung des radioaktiven Meßmediums in das Gehäuse 5 und lassen die damit verbundene Kurzschlußgefahr für den elektrischen Stromkreis des Detektors vermeiden. In der Dichtung 7 ist ebenfalls eine Fensteröffnung 9 vorhanden, die auf der Achse der Fensteröffnung 6 im Gehäuse 5 liegt und ähnliche Form besitzt. Die Dichtung 7 liegt dicht am Rand der Fensteröffnung und trägt neben dem Sperrkontakt 3 des Diamantdetektors zur Abschließung des
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Gehäuses 5 an der Seite seiner öffnung 6 bei. Die zweite Dichtung 8 hat wie die Dichtung 7 auch die Aufgabe, den Diamantdetektor im Gehäuse 5 festzuhalten. Das Gehäuff 5 und die Dichtung 7 bestehen aus einem Werkstoff, der beständig gegenüber dem radioaktiven Meßmediua ist. Im Gehäuse 5 befindet sich weiter eine Absohlußplatte 10 mit Durchbrüchen für die metallene Ausführungen 11, 12, die gegen Platte 10 durch Dichtungen 13i, 14 isoliert werden. Die Ausführung 11 ist mit dem Sperrkontakt 3 des Diamantdetektors 1 durch einen Draht 15 verbunden, der durch die öffnung 16 in der Dichtung 8 durchgeführt ist. Die Ausführung 12 ist dagegen am injektierenden Kontakt 4 des Diamantdetektors 1 durch einen Draht 17 angeschlossen, der durch die andere öffnung 18 in der Dichtung 8 hindurchgeführt ist. Die Verbindung der Drähte 15, 17 mit dem Sperr- und dem injizierenden Kontakt erfolgt beispielsweise mit einer Silfcorpaate, die entsprechender thermischer Behandlung unterworfen ., | wird. Die Anpreßkraft für die Dichtungen 7, 8, die den Detektor 1 und da* Gehäuse 5 an der Seite der Fensteröffnung 6 naeh außen abschließen, wird durch eine Spannmutter 20, dl· Mn in 4a* Gehäuse 5 eindreht, erseugt und Über ; Federring der Feder 19 und AbeßhluSplatte 10 übertragen. ile kann vereonie4*ll e&nge«tellt werden.
Die ßpeiefspannung wird m der Ausführung 12 des ß*~ tefctors angelegt und da« MeJtlgnftlf da« die einfallend·
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Kernstrahlung im Detektor erzeugt, wird an der Ausführung 11 abgenommen. Dementsprechend sind an der Ausführung 11 ein Verstärker 21 mit nachgesohaltetem Registriergerät 22 und an der Aueführung 12 eine Speise at romquell θ über Wideretand 25 angeschlossen.
Man kann auch die Ausführung 11 erden und die Ausführung 12 sowohl zur Speisespannungszuführung als auch zur Abnahme des Meßsignals benutzen. In diesem Falle wird an dieser der Verstärker mit Regiestriergerät über Trennkondensator angeschlossen.
Die beschriebene Anordnung hat folgende Wirkungsweise.
Man baut den Detektor mit, seinem Gehäuse 5 in eine Steckverbindung ein, womit es an der Anschluß seit e vollkommen abgedichtet wird. Eine Steckverbindung erleichtert außerdem die Zuführung von elektrischen Verbindungsleitungen zu dem Detektor. Sodann wird der Detektor in das zu untersuchende radioaktive Medium eingebracht und unter Spannung der Gleichstromquelle 24 gesetzt. Die zu erfassende Strahlung fällt in den Diamantdetektor an der Seite des Sperrkontaktea ein und ruft darin eine Ionisation auf. Die si oh bei dieser Ionisation bildenden Ladungsträger (ELektronen und Defektelektron!*) bewegen, sich unter der Wirkung der angelegten elektrisches, Itides su. den Kontakten.J}, Wird em laäisiereadeis, lenttsi 4 $*» positive® Potential geXftgt; β® ilt&t er dl«; Haktpo&ea ssaf wä&*$gii alt tltktrosta sum 8perrko$*«&* 3 fft&äem. Sin ftU aer
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nen bleibt auf dem Wege zum Sperrkontakt 4 an Haftstellen, die in einem Diamantkristall immer vorhanden sind, zurück. Dadurch wird die Diamantkristallplatte polarisiert. Der injizierende Kontakt 4 hat die Aufgabe, diese Polarisation zu beseitigen. Da im Diamanten tiefliegende Haftstellen existieren, sind die Injektionsströme vom Kontakt 4 durch die Raumladung, die mit diesen Haftstellen verbunden ist, begrenzt. Somit entsteht durch die Injektionsströme keine wesentliche Leitfähigkeit und folglich auch kein Hauschen. Tritt jedoch eine Störung des PeId- und Ladungsgleichgewiehtes infolge der durch die einfallende Kernstrahlung hervorgerufenen Polarisation auf, so stellen die vom Kontakt 4 injizierten Ladungsträger den ursprünglichen stationären Zustand des Kristalls wieder her.
Ebenso wie die Elektronen, können auch die Defektelektronen auf d n Wege zum Kontakt 3 zum kleinen Teil an den Haftstellen haften bleiben. Diese zurückgebliebenen Defektelektronen befinden sich aber in der Ionisierungszone und können von Ladungsträgern mit entgegensetztem Vorzeichen, also von Elektronen neutralisiert werden. Da die elektrische feldstärke im Bereich des Sperrkontaktes 3 höher ist, verringern sich bei Erfassung von Kernstrahlen mit hoher ionisierenden Wirkung die Verluste im Elektronenlooh-Plasma.
Bas am Sperrkontakt 3 des Diamantdetektors 1 abgenomme-
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iae Signal gelangt auf den Eingang des Verstärkers 21 und von diesem zum Registriergerät 22. Das letztere kann beispielsweise eine Impulsuntersetzungsschaltung sein.
In einigen flüssigen radioaktiven Medien wird die Kernstrahlungsmessung durch Adsorptionserscheinungen erschwert, die die Meßergebnisse erheblich verfälschen. Der störende Einfluß der Adsorption läßt sich aber durch entsprechende Maßnahmen bis auf Minimum schwächen.
Werden größere wirksame Detektorflächen erfordert, so kann man zwei Detektoren gleichzeitig einsetzen. Sie werden dabei so angeordnet, daß ihre injizierenden Kontakte miteinander in Berührung kommen, während die Sperrkontakte dem Meßmedium ausgesetzt werden. Es läßt, sich weiter ein ganzes Mosaikfeld aus Diamantdetektoren zusammenstellen.
Die vorliegende Anordnung kann auch im Bereich der erhöhten Meßmediumdrücke eingesetzt werden. Eine Grenze wird hier nur durch die Festigkeit des Gehäuses und die Dichtheit des Detektors gesetzt. Bei einigen Ließ aufgaben kann die Anordnung dadurch vereinfacht werden, daß der detektor mit einer beständigen gegenüber dem jeweiligen Meßmedium Kompuoundmasse vergossen wird.
Die vorgeschlagene Anordnung mit Kernstrahlungsdetektor auf Diamantbasis besitzt eine Heine von Vorzügen. Sie eignet sich zur Erfassung sowohl energiearmer Kernstrahlen als auch der Kernstrahlen mit geringex^ Reichweite, die von
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festen, pulver art igen, flüssigen und gasförmigen Medien ausgesendet werden, weil der Sperrkontakt des Diaiaantdetektors wegen seiner geringen Dicke für die einfallende Kernstrahlung praktisch durchlässig ist, Sie läßt sich weiter auch bei Teilchenbeschleunigern einsetzen. Die extrem hohe chemische Festigkeit des Diamanten, aus dem der Detektor hergestellt ist, verleiht in Verbindung mit hoher Beständigkeit des Sperrkontaktes gegenüber den aggressiven Üeßmedien der Anordnung eine hohe Zeitkonstanz der Keniidaten auch bei Strahlungsmessung in aggressiven Medien. In einem Diamanbdetektor treten infolge seinen hohen Widerstandes und der großen Breite des verbotenen Energiebandes des Diamanten nur vernachlässigbar kleines Strom- und Wärmeraueishea bei Zimmertemperatur auf. Dadurch arbeitet die Anordnung praktisch rauschfrei. Ihre weitere Vorteile sind die hohe Empfindlichkeit, gute Zählausbeute, hohes Ehergieauflösungsvermögen und ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis sowohl bei Zimmertemperatur als auch bei höheren Temperaturen. Die Anordnung hat einen einfachen Aufbau, ist zuverlässig und einfach in der Bedienung* Die gute Heinigungsjaöglichkeit erleichtert die Entfernung von radioaktiven Verunreinigungen nach der Messung.
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Claims (4)

  1. Patentansprüche
    Kernstrahlungsdetektor, gebildet durch eine Diamantkristallplatte, die mit zwei Kontakten zum Anlegen eines elektrischen Feldes an den gegenüberliegenden Seiten versehen ist, von denen einer sich auf der der Strahlung ausgesetzten Plattenseite befindet und als Sperrkontakt gegenüber den Ladungsträgern wirkt, während der gegenüberliegende Kontakt an der nicht bestrahlten Plattenseite aus einem Werkstoff besteht, der in Verbindung mit Diamanten unter der Einwirkung des angelegten elektrischen Feldes Ladungsträger injizieren kann, wobei die Dicke des zwischen den Kontakten liegenden Arbeitsbereiches der Diamantkristallplatte nicht größer ist als die Weglänge, die die Ladungsträger im Diamantkristall unter der Einwirkung des angelegten elektrischen Feldes zurücklegen, dadurch gekennzeichnet, daß der Sperrkontakt (3) aus einem Metallkarbid besteht.
  2. 2. Kernstrahlungsdetektor nach Anspruch 1 zur Erfassung von energiearmen Kernstahlen, dadurch gekennzeichnet, daß der Sperrkontakt (3) aus Tantalkarbid besteht.
  3. 3. Kernstrahlungsdetektor nach Anspruch 1 zur Erfassung von. Kernstrahlen in aggressiven Medien, dadurch gekennzeichnet, daß der Sperrkontakt (3) aus Platinkarbid besteht.
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    A -ι* -
  4. 4. Anordnung zur Erfassung von energiearmen Kernstrahlen und Kernstrahlen in aggressiven Medien, mit einem Kernstrahlungsdetektor nach Anspruch 1, mit Geräten zur Verstärkung und Registrierung des Detektorsignals und mit einer Speisestromquelle für den Detektor, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernstrahlungsdetektor sich in einem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse (5) mit einer Fensteröffnung (6) befindet, die durch den Sperrkontakt (5) des Detektors verschlossen ist.
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DE19691947888 1968-09-20 1969-09-22 Kernstrahlungsdetektor Expired DE1947888C3 (de)

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DE1947888B2 DE1947888B2 (de) 1977-05-05
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DE1947888B2 (de) 1977-05-05
BE739202A (de) 1970-03-23
JPS5029355B1 (de) 1975-09-22
FR2019474A1 (de) 1970-07-03
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GB1238839A (de) 1971-07-14

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