DE1949138A1 - Anordnung zur Messung spezifischer Energieverluste und zur Registrierung ionisierender Kernstrahlung auf gamma-Strahlungsuntergrund - Google Patents

Description

I.-Ing. R. Beetz u.
ß'.p'l.-lng. Lamprecht

München 22, Steinidorfitr. 10

530-14.965p 29.9.1969

Fizichesky institut im. Lebedeva, Moskau (UdSSR)

Anordnung zur Messung spezifischer Energieverluste und zur Registrierung ionisierender Kernstrahlung auf Jf-Strahlungsuntergrund

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung der Energieverluste pro Längeneinheit und zur Registrierung von ionisierender Kernstrahlung auf y"-Strahlungsuntergrund, mit einem Kernstrahlungsdetektor, einer Speisestromquelle für den Kernstrahlungsdetektor, einem Verstärker und einem Registriergerät zur Registrierung des Ausgangssignals.

Bei der Messung von spezifischen Energieverlusten dE/dx von Kernstrahlung haben sich Anordnungen weitgehend durohgesetzt, bei denen das kernstrahlungsempfindliohe Fühlelement ein Siliziumdetektor ist. Sie enthalten weiter eine Speieestromquelle und einen Verstärker mit nachgesohaltetem Registriergerät zur Registrierung des Ausgangssignals.

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Der größte Nachteil derartiger Anordnungen ist ihr hoher Rauschpegel bei Zimmertemperatur. Außerdem reicht das Energieauflösungsvermögen der Siliziumdetektoren nicht bei allen Meßaufgaben aus, was beispielsweise durch die wegen der großen Kernladungszahl Z des Siliziums auftretende Streuung zu erklären ist. Dieser Mangel macht sich besonders bei der Messung der spezifischen Energieverluste der Elektronen bemerkbar. Die große Kernladungszahl des Siliziums bedingt auch die hohe Empfindlichkeit der Anordnungen mit Siliziumdetektoren gegenüber dem ^T-Strahlungsuntergrund.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die die Messung der spezifischen Energieverluste mit hohem Energieauflösungsvermögen und die Registrierung ionisierender Kernstrahlung auf starkem isotropen ^-Strahlungsuntergrund ermöglicht, indem ein solcher Kernstrahlungsdetektor verwendet wird, daß die Anordnung eine geringe Kapazität, einen niedrigen Rauschpegel und auch eine geringe Empfindlichkeit gegenüber ^-Strahlung besitzt.

Eine derartige Anordnung ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Kernstrahlungsdetektor eine Diamantkristallplatte ist, die mit Kontakten zum Anlegen des elektrisohen Feldes an den gegenüberliegenden Seiten versehen ist, daß die Dioke des zwischen den Kontakten liegenden Arbeitsbereiches nioht größer als die WeglÄnge, die die Ladungsträger in der Diwnantkristallplmtte unter der Einwirkung des angelegten elektrieahen Feldes zurücklegen-, und kleiner als die Hei oh« weite der einfallenden Kernstrahlung ist, daß der Kontakt an der der Strahlung ausgesetzten Diamantkristallplattenseite duroh eine für die einfallende Strahlung durchlässige Sohioht

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aus einem Werkstoff mit einer Kernladungszahl nicht größer als 15.» gebildet ist und als Sperrkontakt gegenüber den Ladungsträgern wirkt, während der gegenüberliegende Kontakt an der der Strahlung nicht ausgesetzten Seite ebenfalls durch eine für die einfallende Strahlung durchlässige Schicht aus einem Werkstoff gebildet ist, dessen Kernladungszahl nicht größer als 15 ist und der in Verbindung mit Diamanten unter der Einwirkung des angelegten elektrischen Feldes Ladungsträger injiziert, und daß der Sperrkontakt an den Eingang des Verstärkers mit dem nachgeschalteten Registriergerät und der injizierende Kontakt an die Speisestromquelle über einen Widerstand angeschlossen ist.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Es zeigen;

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Anordnung zur Messung der spezifischen Energieverluste und zur Registrierung ionisierender Kernstrahlung auf Tf -Strahlungsuntergrund in schematischer Schnittansicht (der Verstärker, das Registriergerät und die Detektorspeisequelle sind nicht abgebildet); und

Fig. 2 die Anordnung von Fig. 1 in Aufsicht, teilweise im Schnitt.

Ein Kernstrahlungsdetektor J5 (Fig. 1) befindet sioh bei der erfindungsgemäßen Anordnung in einem Gehäuse 1 mit einer Fensteröffnung 2 und wird durch eine Diamantkristallplatt· gebildet, die mit Kontakten 4, 5 an den gegenüberliegenden Seiten versehen ist. Der Kontakt k wirkt als Sperrkontakt gegenüber den Ladungsträgern. Der gegenüberliegende Kontakt 5 be-

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steht aus einem Werkstoff, der in Verbindung mit Diamanten unter der Einwirkung des angelegten elektrischen Feldes Ladungsträger injiziert. Die Dicke d des zwischen den Kontakten 4, 5 liegenden Arbeitsbereiches der Diamantkristallplatte ist nicht größer als die Weglänge, die die Ladungsträger im Diamantkristall unter der Einwirkung des angelegten elektrischen Feldes zurücklegen. Sie ergibt sich aus der Formel

/u = Ladungsträgerbeweglichkeit (Elektronen- und Defektelektronenbeweglichkeit),

"C = Lebensdauer dieser Ladungsträger, E = Feldstärke des angelegten Feldes und

<f = Entfernung, die die Ladungsträger unter der Einwirkung des angelegten elektrischen Feldes zurücklegen.

Um die Energieverluste der einfallenden Strahlung im Kernstrahlungedetektor J5 während der Messung der spezifischen Energieverluste herabzusetzen, werden der Sperr- und der injizierende Kontakt des Detektors so dünn wie müglioh bemessen, und die Dioke des Arbeitsbereiches der Diamantkristallplatte awleohen diesen Kontakten 4, 5 wird, kleiner als die Reichweite der einfallenden Kernstrahlung gewühlt.

Auoh bei Inteneitätsmeaeung der ionisierenden Kernstrah-

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lung auf einem starken isotropen /'-Strahlungsuntergrund wird ein Detektor in Form einer Diamaritkristallplatte verwendet, deren Sperr- und injizierender Kontakt durchlässig für die einfallende Strahlung sind und bei der der Arbeitsbereich zwischen den Kontakten sehr dünn ist. Eine weitere Anforderung besteht darin, daß die Kernladungszahl des Werkstoffs der Kontakte nicht größer als 15 sein darf. Geeignet sind beispielsweise Siliziumkarbid oder Graphit. Bei Einhaltung dieser Bedingung wird die Absorption der T'-Strahlung in den Kontakten und damit der Anteil der durch diese Absorption bedingten Elektronen in der Gesamtimpulszahl gering. Es wird also die Konversionswirkung der Kontakte 4, 5 gegenüber ^-Strahlung vermindert. Bei dünnerem Arbeitsbereich wird allerdings auch die Amplitude der durch die zu registrierende Strahlung hervorgerufenen Impulse geringer, da diese im Detektor nur einen geringen Teil ihrer Energie verlieren. Die Absorption von Gammastrahlung im Arbeitsbereich des Detektors fällt jedoch exponentiell ab, so daß der Anteil der Gammastrahlung in der Gesamtimpulszahl trotzdem geringer wird.

Wegen des hohen spezifischen Widerstandes und der großen Breite des verbotenen Energiebandes des Diamanten hat die Verringerung der DiamantkrlstallpLattendicke keine Zunahme der Stromverluste durch Ableitung zufolge. Da das Strom- und Wärmerauschen des Detektors in Porm einer Diamantkristallplatte vernachlässigbar klein ist, ist die Empfindlichkeit eines derartigen Detektors gegenüber /^-Strahlung beträchtlich geringer, wenn die Dicke des Arbeitsbereiches der Diamantkristallplatte kleiner als die Reichweite der zu registrierenden Strahlung gewählt wird.

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Der Kernstrahlungsdetektor 5 ist im Gehäuse 1 zwischen zwei gleichen dünnen Dichtungen 6 aus Isolierstoff mittels einer Spannschraube 7 eingespannt, die in das Gehäuse 1 eingeschraubt ist. In den Dichtungen 6 und in der Schraube 7 sind Fensteröffnungen 8 gleich der Fensteröffnung 2 im Gehäuse 1 vorhanden. Alle Fensteröffnungen liegen auf der gleichen Achse. Aus dem Gehäuse 3 sind zwei getrennte Anschlußdrähte 9 und 10 (Fig. 2) herausgeführt und vom Gehäuse durch entsprechende Durchführungen isoliert. Ein weiterer Ansehlußdraht 11 dient zur Erdung des Gehäuses 1, das aus Metall, z.B. Aluminium, hergestellt ist. Der Anschlußdraht 9 ist durch ein Draht stück 12 mit dem injizierenden Kontakt 5 verbunden und über einen Widerstand Ij5 an einer Speisestromquelle 14 angeschlossen. Der zur Abnahme des Meßsignals dienende Anschlußdraht 10 ist über ein Drahtstück 3 5 mit dem Sperrkontakt 4 verbunden und an einem Verstärker l6 mit einem Registriergerät 17 angeschlossen.

Für die Herstellung der erfindungsgemäßen Anordnung, bei der der Kcrnstrahlungsdetektor einen sehr dünnen Arbeitsbereich haben soll, sind Diarnantkristallplatten mit einer Ausnehmung am besten geeignet, da sie erhöhte mechanische Festigkeit besitzen und bequem in der Handhabung sind. Geeignet sind aber auch von dünnen Diamantplatten gebildete Kernstrahlungsdetektoren, wenn man die Diamantplatten am Umfang an einem Ubergi-iigsstück mit Fensteröffnungen anklebt.

Bei einigen Meßaufgaben, beispielsweise zur Identifizierung von Kernstrahlung wird im Gehäuse noch ein weiterer total absorbierender BsWktor .(nicht ge.eigt) angeordnet, so daß man ein System aus einem dE/dx- und einem Ε-Detektor erhält.

Sind grcf.^J<~re v/irksame Detektor/lachen erforderlich, so stellt man mehrere Diamantdotektovon zu einem Mosaik zusammen.

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Der Diamantdetektor läßt sich weiter mit Epoxydharz, Klebstoff oder Verbundmasse vergießen.

Die beschriebene Anordnung arbeitet folgendermaßen:

Der Kernstrahlungsdetektor 5 wird mit dem Gehäuse 1 ineine Steckvorrichtung (nicht gezeigt) eingebaut, in den Strahlengang der zu erfassenden Strahlung gebracht und unter Spannung der Speisestromquelle l4 gesetzt. Die zu registirierende Strahlung fällt in den Kernstrahlungsdetektor 3 an der Seite seines Sperrkontaktes 4 ein und ruft in ihm eine Ionisation hervor. Die sich bei dieser Ionisation bildenden Ladungsträger (Elektronen und Defektelektronen) bewegen sich unter der Wirkung des angelegten elektrischen Feldes zu den Kontakten 4 und 5· Dabei saugt der Kontakt 5* wenn an ihm ein positives Potential angelegt wird, die Elektronen ab, während die Defektelektronen zum Sperrkontakt 4 wandern. Ein kleiner Teil der Elektronen bleibt auf dem Wege zum Kontakt 5 an den Haftstellen, die in einem Diamantkristall immer vorhanden sind, zurück. Dadurch wird die Diamantkristallplatte polarisiert. Der injizierende Kontakt 5 dient dazu, diese Polarisation zu beseitigen. Da im Diamanten tiefliegende Haftstellen existieren, sind die Injektionsströme vom Kontakt 5 durch die Raumladung, die mit diesen Haftstellen verbunden ist, begrenzt. Somit entsteht durch die Injektionsströme keine wesentliche Leitfähigkeit und folglich auch kein Rauschen. Tritt jedoch eine Störung des Feld- und Ladungsgleichgewichtes infolge der durch die einfallende Strahlung hervorgerufenen Polarisation auf, so stellen die vom Kontakt 5 injizierten Ladungsträger den ursprünglichen stationären Zustand des Kristalls wieder her.

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Ebenso wie die Elektronen können auch die Defektelektronen auf dem Wege zum Kontakt 4 zu einem kleinen Teil an den Haftstellen haften bleiben. Diese zurückgehaltenen Defektelektronen befinden sich aber in der Ionisierungszone und können von den Ladungsträgern mit entgegengesetztem Vorzeichen, also Elektronen, neutralisiert werden. Da die elektrische Feldstärke im Bereich des Sperrkontaktes 4 höher ist, verringern sich außerdem bei Erfassung der Kernstrahlung mit hoher ionisierender Wirkung die Verluste im Elektronenlochplasraa.

Das am Sperrkontakt 4 abgenommene Signal des Kernstrahlungsdetektors J5 gelangt zum Eingang des Verstärkers Ιβ und von diesem zum Registriergerät 17.

Die angegebene Anordnung rn.it einem Kernstrahlungsdetektor in Form einer Diamantkristallplatte hat gegenüber den bekannten derartigen Anordnungen eine Reihe von Vorzügen. PUr die angegebene Anschlußschaltung des Kernstrahlungsdetektors, der eine geringe Kapazität und einen niedrigen Rauschpegel hat und dessen Kontakte durchlässig für die einfallende Kernstrahlung sind, ergibt sich eine geringe Gesamt ein^riii^akapa^i tat der Anordnung und ein hohes Signal/Raus oh-Veitoaltriis, wodurch die Zählausbeute gesteigert wird. Da weiter der Detektor aus Diamant hergestellt wird, der eine klaino Koi-nladungszahl hat, und seino beiden Kon takt ο aus eln-va 1/'.^k=; hoff mi U niedriger Kernladungszahl bestehen, lot die Aiior-daun^ nan Ig enipCindlieh gegenüber Gammastrahlung; und veruraaout iu^h aiu¹ iU^ ^iringe Streuung« Dadurch laseJau nlch mit dingen- AtiOr-'i ^u-r .--ι, ί<ι · fische Energie vor Kiefer mit; huhoiii Κί]θί'^1οη«ίΓ.!.ϋυΐϋΐΑ-·ϊί·πϊΠ|·:;α! messen und lon Ln irrende Kari^t'-thlimi^ moJ r;*ri.;V! .moies« ο-',- ι·ιά ii, am' a barken ΐ^ι'"*κ. !'luilun^v-ui^^^ri-aiid L-«j. !_;£'ofl---vii

Claims (1)

1. Patentanspruch

   Anordnung zur Messung der Energieverluste pro Längeneinheit und zur Registrierung von ionisierender Kernstrahlung auf ^-Strahlungsuntergrund, mit einem Kernstrahlungsdetektor, einer Speisestromquelle für den Kernstrahlungsdetektor, einem Verstärker und einem Registriergerät zur Registrierung des Aus gangssignals, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernstrahlungsdetektor eine Diamantkristallplatte ist, die mit Kontakten (4, 5) zum Anlegen des elektrischen Feldes an den gegenüberliegenden Seiten versehen ist, daß die Dicke des zwischen den Kontakten liegenden Arbeitsbereiches nicht größer als die V7eg länge, die die Ladungsträger in der Diamantkristallplatte unter der Einwirkung des angelegten elektrischen Felder zurücklegen, und kleiner als die Reich weite der einfallender; Koi-ristrahlung ist, daß der Kontakt (4) an der der Strahlung ausgesetzten Diamantkristallplattenseite durch eine für die einfallende Strahlung durchlässige Schicht aus einem Werkstoff mit einer Kernladungszahl nicht größer als 15 gebildet ist und als Sperrkontakt gegenüber den Ladungsträgern wirkt, während der gegenüberliegende Kontakt (5) an der der Strahlung nicht ausgesetzten Seite ebenfalls durch eine für die einfallende Strahlung durchlässige Schicht aus einem Werkstoff gebildeb lot-, dessen Kernladungszahl nicht größer als 15 ist und der In ^/erbindung mit Diamanten unter der Ein» ;/lrkurig dec angelegten elektrischen Feldes Ladungsträger In,]!- «lerb, und daß der* Sp^i'i'konfcakt (H) an den Eingang dos Verstärkern (iö) mit dem naohresehaiieten Registriergerät (1.7) '-'t-ä ^^Q'^ injiiuarwudö Kontakt O]) an die SpväisesttOinquelli:; (i-tj übsr e.Uiua l-/Lder-Ji".üiid (Ij?.) ^u^johlossan leh»

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