DE1947888B2

DE1947888B2 - Kernstrahlungsdetektor

Info

Publication number: DE1947888B2
Application number: DE19691947888
Authority: DE
Inventors: Stanislav Fedorovitsch Moskau Kozlov
Original assignee: Fizitschesky Institut Imeni P.N. Lebedeva, Moskau
Priority date: 1968-09-20
Filing date: 1969-09-22
Publication date: 1977-05-05
Also published as: JPS5029355B1; DE1947888A1; FR2019474B1; US3638022A; BE739202A; GB1238839A; FR2019474A1

Description

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Die Erfindung betrifft einen Kernstrahlungsdetektor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es ist bekannt, zur Erfassung energieermer Kernstrahlung, z. D. der von überschwerem Wasserstoff oder Tritium H³ oder Kohlenstoff C¹⁴ emmitierten Elektronen, Szintillationszähler in Zusammenschaltung mit Sekundärelektronenvervielfachern sowie Durchfluß- und Siliziumdetektoren einzusetzen. Die Szintillationszähler und Durchflußdetektoren liefern aber eine niedrige Zählausbeute und haben ungünstige spektrometrische Eigenschaften. Daneben sind sie kompliziert im Aufbau und in der Handhabung. Auch den Detektoren auf Siliziumbasi:» sind Nachteile eigen, denn sie bedürfen einer Kühlung, da ihre Auffangausbeute bei Zimmertemperatur durch den hohen Rauschpegel des Detektors stark beeinträchtigt wird.

Die Siliziumdetektoren werden neben den Detektoren auf Siliziumkarbidbasis auch in bekannten Kern-Strahlungsdetektoren zur Erfassung der Kernstrahlung in aggressiven Medien, wie Säure- oder Laugenlösungen, eingesetzt. Es hat sich aber erwiesen, daß, da die chemische Beständigkeit der Siliziumdetektoren dafür nicht ausreicht, ein Siliziumdetektnr in alkalischem Go Medium geätzt und in saurem Medium oxydiert wird, wenn er diese unmittelbar berührt, insbesondere bei erhöhten Temperaturen. Die Detektoren auf der Basis von Siliziumkarbid haben zwar eine höhere chemische Beständigkeit, liefern jedoch eine niedrige Zählausbeute und haben ein niedriges Signal/Rausch-Verhältnis. Ein weiterer Mangel der beiden letzterwähnten Detektoren liegt in der Inkonstanz ihrer Kenndaten und ihrer niedrigen Lebensdauer, die durch die beträchtliche Änderung der Eigenschaften dieser Detektoren im Laufe des Betriebs bedingt sind.

Es ist ferner ein gekapselter Kernstrahlungsdetektor zur Erfassung von energiearmen Kernstrahlen bekanntgeworden (vgl. »Nuclear Instruments and Methods«, 40 (1966), S. 277-290), nämlich ein Silizium-Oberflächenspcrrschicht-Detektor, der sich in einem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse mit einer Fensteröffnung befindet, die durch einen Sperrkontakt des Detektors verschlossen ist. Da aber dieser .Sperrkontakt eine aufgedampfte Goldschicht und zur Verminderung von Oberflächenkriechströmen ein sogenannter »Randschutz« vorgesehen ist, indem der Gold-Silizium-Übergang mit einem ersten Epoxyharz und die übrige Siliziumoberfläche mit einem zweiten Epoxyharz abgedeckt ist, kann dieser bekannte Kernstrahlungsdetektor nicht bei unmittelbarer Berührung mit Säure- und Laugelösungen arbeiten. Im übrigen ist es für denselben Kernstrahlungsdetektor noch bekannt, ihn an Geräte zur Verstärkung und Registrierung des Detektorsignals und eine Speisestromquelle anzuschließen.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, einen Kernstrahlungsdetektor mit einem Sperrkontakt aus einem Werkstoff anzugeben, der die Kontaktdickc genügend klein zu wählen gestattet, um energiearme Kernstrahlung ohne Energieverluste durchzulassen, und der dabei beständig gegen unmittelbar angreifende aggressive Medien ist, damit eine hohe Zeitkonstanz auch bei aggressiven radioaktiven Meßmedien gegeben ist.

Ein Kernstrahlungsdetektor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist allerdings bereits Gegenstand eines älteren Vorschlags (DT-PS 17 64 066).

Der Kernstrahlungsdetektor nach dem älteren Vorschlag setzt KernstrahSungsdetektoren als bekannt voraus, die aus einem natürlichen Diamantkristal! mit verringertem Stickstoffgehalt bestehen, der mit elektrischen Kontakten ve-sehen ist, an die eine Potentialdifferenz angelegt wird, so daß bei Beaufschlagen des Diamantkristalls mit Kernstrahlung in diesem Stromimpulse entstehen, die in einem äußeren Stromkreis Spannungsimpulse hervorrufen, die ihrerseits verstärkt und registriert werden. Demgegenüber will der Kernstrahlungsdetektor nach dem älteren Vorschlag mit dem an ^:hm angelegten elektrischen Feld ein vollständiges Sammeln der Ladungsträger gewährleisten, eine gute Zählausbeute und ein hohes Energieauflösungsvermögen erreichen und eine elektrische Polarisation verhindern, die sonst mit der Zeit zu einer Verringerung der Impulsamplitude und der Zählausbeute führen würde.

Vom Gegenstand des älteren Vorschlags unterscheidet sich der Gegenstand der vorliegenden Erfindung durch den kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1.

Erst durch den Erfindungsgegenitand wird die oben angeführte Aufgabe gelöst, nicht bereits durch den Gegenstand des älteren Vorschlags.

Das heißt, erst der erfindunfesgemäße Kernstrahlungsdetektor läßt auch gegenüber dem Gegenstand nach dem älteren Vorschlag energiearme Kernstrahlung ohne Energieverluste durch und ist ds bei beständig gegen unmittelbar angreifende aggressive Medien, damit eine hohe Zeitkonstanz auch bei aggressiven radioaktiven Meßmedien gegeben ist.

Für die Erfassung von energiearmen Kernstrahlen eignet sich nach der Erfindung am besten Tantalkarbid als Sperrkontaktwerkstoff, während für die Kernstrah-

lungsmessung in aggressiven Medien das Platinkarbid günstiger ist.

Schließlich ist der erfindungsgemäße Kernstrahlungsdetektor zur Erfassung von energiearmen Kernstrahlen u.id Kernstrahlen in aggressiven Medien vorzugsweise derart ausgebildet, daß er sich in einem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse mit einer Fensteröffnung befindet, die durch den Sperrkontakt des Kernstrahlungsdetektors verschlossen ist.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kernstrahlungsdetektors wird anhand der aus einer einzigen Figur bestehenden Zeichnung näher erläutert, in der er schematisch dargestellt ist.

Bei dem in der Zeichnung wiedergegebenen Kernstrahlungsdetektor zur Erfassung der Kernstrahlen wird , das Detektorelement 1 durch eine Diamantkristallplatte 2 gebildet, die an den gegenüberliegenden Seiten mit Kontakten 3,4 versehen ist. Der Kontakt 3 ist aus einem Metallkarbid hergestellt und wirkt gegenüber den Ladungsträgern als Sperrkontakt. Der auf der anderen Piatienseite liegende Kontakt 4 besteht dagegen aus einem Werkstoff, der fähig ist, Ladungsträger in Verbindung mit Diamanten unter der Wirkung des angelegten elektrischen Feldes zu injizieren. Er kann beispielsweise durch Dotierung der Oberflächenschicht der Diamantkristallplatte 2 mit Bor gebildet werden. Die Dicke ddes zwischen den Kontakten 3,4 liegenden Arbeitsbereiches der Diamantkristallplatte 2 ist nicht größer als die Weglänge, die die Ladungsträger im Diamantkristall unter der Wirkung des angelegten ,₀ elektrischen Feldes zurücklegen. Sie ergibt sich aui. der Beziehung

Darin bezeichnen μ die Ladungsträgerbeweglichkeit _J5 (Elektronen- und Defektelektronenbeweglichkeit), τ die Lebensdauer dieser Ladungsträger, E die angelegte elektrische Feldstärke und δ die Entfernung, welche die Ladungsträger unter der Einwirkung des elektrischen Feldes zurücklegen.

Um die Energieverkiste in der Kernstrahlung soweit wie möglich zu vermindern, wird der Sperrkontakt, durch welchen die zu erfassenden Kernstrahlen in das Detektorelement t gelangen, so schwach bemessen, daß er praktisch alle Kernstrahlen durchläßt. Die Kontakt- .,-dicke ist besonders wichtig bei Erfassung von energiearmen Kernstrahlen, da die Ausgangssignale des Detektorelements 1 hier 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 energiearmen Kernstrahlen durchlässiger Sperrkontakt durch Metallkarbide, beispielsweise durch Tantalkarbid, gebildet.

Die wichtige Voraussetzung für die. zuverlässige Funktion des Kernstrahlungsdetekto^rs bei Kernstrahlungserfassung in aggressiven Medien ist die ausreichende Beständigkeit des Sperrkontaktes gegenüber den radioaktiven Meßmedien, mit denen er in ^₀ 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 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 aggresiven Medien mit einer hohen Auffangausbeute ohne weiteres möglich.

Das Detektorelemeni 1 wird von einem Gehäuse 5 mit einer Fensteröffnung 6 umgeben. Dichtungen 7, 8 aus Isolierstoff verhindern das Eindringen des radioaktiven Meßmediums in das Gehäuse 5 und vermeiden die damit verbundene Kurzschlußgefahr für den elektrischen Stromkreis des Deiektorelements 1. 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 Detektorelements 1 zur Abschließung des Gehäuses 5 an der Seite seiner Fensteröffnung 6 bei. Die zweite Dichtung 8 hat wie die Dichtung 7 auch die Aufgabe, das Detektorelement 1 im Gehäuse 5 festzuhalten. Das Gehäuse 5 und die Dichtung 7 bestehen aus einem Werkstoff, der beständig gegenüber den radioaktiven Meßmedien ist. Im Gehäuse 5 befindet sich weiter eine Abschlußplatte 10 mit Durchbrüchen für metallische Anschlüsse 11,12, die gegen die Anschlußplatte 10 durch Dichtungen 13, 14 isoliert werden. Der Anschluß 11 ist mit dem Speri kontakt 3 des Detektorelements 1 durch einen Draht 15 verbunden, der durch eine Öffnung 16 in der Dichtung 8 durchgeführt ist. Der Anschluß 12 ist dagegen am injizierenden Kontakt 4 des Detektorelements 1 durch einen Draht 17 angeschlossen, der durch eine 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 Silberpaste, die entsprechender thermischer Behandlung unterworfen wird. Die Anpreßkraft für die Dichtungen 7, 8, die das Detektorelement 1 und das Gehäuse 5 an der Seite der Fensteröffnung 6 nach außen abschließen, wird durch eine Spannmutter 20, die man in das Gehäuse 5 eindreht, erzeugt und über einen Federring einer Feder 19 und die Anschlußplatte 10 übertragen. Sie kann verschieden eingestellt werden.

Die Speisespannung wird am Anschluß 12 des Detektorelements 1 angelegt, und das Meßsignal, das die einfallende Kernstrahlung im Detektorelement 1 erzeugt, wird am Anschluß 11 abgenommen. Dementsprechend sind am Anschluß 11 ein Verstärker 21 mi ι nachgeschaltetem Registriergerät 22 und am Anschluß 12 eine Speise:.tromquelle 24 über einen Widerstand 23 angeschlossen.

Man kann auch den Anschluß U erden und den Anschluß 12 sowohl zur Speisespannungszuführung als auch zur Abnahme des Meßsignals benutzen. In diesem Falle wird an dieser der Verstärker mit dem Registriergerät 22 über einen Trennkondensator angeschlossen.

Der beschriebene Kernstrahlungsdetektor hat folgende Wirkungsweise.

Man baut das Detektorelement 1 mit seinem Gehäuse 5 in eine Steckverbindung ein, womit es an der Anschlußseite vollkommen abgedichtet wird Eine Steckverbindung erleichtert außerdem die Zuführung von elektrischen Verbindungsleitungen zu Detektorelement 1. Sodann wird das Detektorelement 1 in das zu untersuchende radioaktive Medium eingebracht und unter Spannung der Gleichstromquelle 24 gesetzt. Die zu erfassende Strahlung fällt in das Detektorelement 1 an der Seite des Sperrkoniaktes ein und ruft darin eine Ionisation hervor. Die sich bei dieser Ionisation

bildenden Ladungsträger (Elektronen und Defektelektronen) bewegen sich unter der Einwirkung des angelegten elektrischen Feldes zu den Kontakten 3, 4. Wird am injizierenden Kontakt 4 ein positives Potential angelegt, so zieht er die Elektronen an, während die Defektelektronen zum Sperrkontakt 3 wandern. Ein Teil der Elektronen bleibt auf dem Wege zum Kontakt 4 an Haftstellen, die in einem Diamantkristall immer vorhanden sind, zurück. Dadurch wird die Diamantkristallplatte 2 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 i$ Leitfähigkeit und folglich auch kein Rauschen. Tritt jedoch eine Strömung des Feld- und Ladungsgleichgewichtes infolge der durch die einfallende Kernstrahlung hervorgerufenen Polarisation auf, so stellen die vom Kontakt 4 injizierten Ladungsträger den ursprünglichen »o stationären Zustand des Kristalls wieder her.

Ebenso wie die Elektronen können auch die Defektelektronen auf dem Wege zum Kontakt 3 zum kleinen Teil an den Haftstellen haftenbleiben. Diese zurückgebliebenen Defektelektronen befinden sich aber in der Ionisierungszone und können von Ladungsträ gern mit entgegengesetztem 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 ionisierender Wirkung die Verluste im Elektronenloch-Plasma.

Das am Sperrkontakt 3 des Detektorelements 1 abgenommene 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 ein Minimum verringern.

Werden größere wirksame Detektorflächen erfordert, so kann man zwei Detektorelemcnte gleichzeitig einsetzen. Sie werden dabei so angeordnet, daß ihre injizierenden Kontakte miteinander in Berührung kommen, während die Sperrkoni;akte dem Meßmedium ausgesetzt werden. Es läßt sich weiter ein ganzes Mosaikfeld aus Detektorelementen zusammenstellen.

Der erfindungsgemäße Kernstrahlungsdetektor kann auch bei erhöhten Meßmediumdrücken eingesetzt werden. Eine Grenze wird hier nur durch die Festigkeit des Gehäuses und die Dichtheit des Detektorelements gesetzt. Bei einigen Meßaufgaben kann der Kernstrahlungsdetektor dadurch vereinfacht werden, daß das Detektorelement mit einer gegenüber dem jeweiligen Meßmedium beständigen Kompoundmasse vergossen wird.

Der erfindungsgemäße Kemstrahlungsdetektor auf Diamantbasis besitzt eine Reihe von Vorzügen. Er eignet sich zur Erfassung sowohl energiearmer Kernstrahlen als auch der Kernstrahlen mit geringer Reichweite, die von festen, pulverartigen, flüssigen und gasförmigen Medien ausgesendet werden, weil der Sperrkontakt des Detektorelements wegen seiner geringen Dicke für die einfallende Kernstrahlung praktisch durchlässig ist. Er läßt sich weiter auch bei Teilchenbeschleunigern einsetzen. Die extrem hohe chemische Festigkeit des Diamanten, aus dem das Detektorelement hergestellt ist, verleiht in Verbindung mit hoher Beständigkeit des Sperrkontaktes gegenüber den aggressiven Meßmedien dem Kernstrahlungsdetektor eine hohe Zeitkonstanz der Kenndaten auch bei Strahlungsmessung in aggressiven Medien. In einem Diamant-Detektorelement treten infolge seines hohen Widerstandes und der großen Breite des verbotenen Energiebandes des Diamanten nur vernachlässigbar kleines Strom- und Wärmerauschen bei Zimmertemperatur auf. Dadurch arbeitet der Kernstrahlungsdetektor praktisch rauschfrei. Seine weiteren Vorteile sind die hohe Empfindlichkeit, gute Zählausbeute, hohes Energieauflösungsvermögen und ein hohes Signal/Rausch-Verhältnis sowohl bei Zimmertemperatur als auch bei höheren Temperaturen. Der Kernstrahlungsdetektoi hat einen einfachen Aufbau, ist zuverlässig und einfach in der Bedienung. Die gute Reinigungsmöglichkel· erleichtert die Entfernung von radioaktiven Verunreini gungen nach der Messung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kernstrahlungsdetektor, gebildet durch eine Diamantkristallplatte, die an gegenüberliegenden s Seiten mit zwei Kontakten zum Anlegen eines elektrischen Feldes 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 die Diamantkristallplatte 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 Sperrkor.takt (3) aus einem Metallkarbid besteht.

2. Kernstrahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sperrkontakt (3) aus Tantalkarbid besteht.

3. Kernstrahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sperrkontakt (3) aus Platinkarbid besteht.

4. Kernstrahlungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er sich in einem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse (5) mit einer Fensteröffnung (6) befindet, die durch den Sperrkontakt (3) des Kernstrahiungsdetektors verschlossen ist.