Ein ortsauflösender γ-Detektor ist aus der Druckschrift
EP 0 537 762 B1 sowie
aus der Druckschrift IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE Bd. 33,
Nr. 1, Februar 1986, NEW YORK, US, Seiten 464 – 467, bekannt. Es handelt
sich hierbei um einen ortsauflösenden
Photomultiplier mit vorgeschaltetem Szintillator. Mit dem bekannten γ-Detektor
kann eine γ-Strahlung
mit einer Ortsauflösung
von 1 mm gemessen werden.
Eine ortsauflösende Messung einer harten γ-Strahlung
im Bereich von 0,5 MeV wird beispielsweise bei der aus der Druckschrift
EP 0 537 762 B1 bekannten
Positronenemissionstomographie (PET) vorgenommen.
Aus
EP 0 239 808 B1 ist ein Festkörper-Strahlungsdetektor
bekannt, bei dem die Detektorzellenteile im wesentlichen senkrecht
gestapelt sind, um einfallende Stahlen zu empfangen.
Aus
DE 195 32 415 A1 ist ein Neutronendektor
mit
6LiF zur Konvertierung von Neutronen
in ionisierende Strahlung bekannt.
Aus
US
4,937,453 ist eine Vorrichtung zur Detektion von Röntgenstrahlung
mit einer Quelle für
Röntgenstrahlen und
einem Halbleiterdetektor für
Röntgenstrahlen
bekannt.
Für
eine γ-Strahlung
im Bereich von 0,5 MeV werden Szintillatoren von 1 – 2 cm Durchstrahlungsdicke eingesetzt.
Die Ortsauflösung
solcher Detektoren beträgt
bestenfalls 2 mm. In vielen Fällen
ist es jedoch wünschenswert,
PET-Untersuchungen mit besserer Ortsauflösung von deutlich weniger als
1 mm durchführen
zu können.
Dies ist zum Beispiel bei einer PET-Untersuchung von Kleintieren der Fall.
Ortsauflösende γ-Detektoren werden ferner bei
einer Werkstoffprüfung
verwendet. Hochenergetische γ-Strahlen
mit Quantenenergieen von typischerweise 1 MeV vermögen große Untersuchungsobjekte
zu durchstrahlen. Durch die Detektion der durchdrungenen Strahlung
wird ein Absorptionsdiagramm erzeugt, das Aufschluß über Fehler
im Material gibt. In der Regel sind viele solche Aufnahmen aus unterschiedlichen
Richtungen erforderlich, um einen Materialfehler zu lokalisieren
und seine Größe zu bestimmen.
Bei der Detektion der Strahlung ist die Ortsauflösung des Detektors von entscheidender
Bedeutung. Sie bestimmt die Minimalgröße der noch beobachtbaren Materialfehler.
Des weiteren soll der Detektor bei solchen Untersuchungen hohe Zählraten
verarbeiten können
und einen niedrigen Untergrund aufweisen (großer Dynamikbereich), damit
die lokal recht unterschiedlichen γ-Raten (Teilchen pro Zeit) im
Detektor verarbeitet werden können.
Der Detektor muß zwischen
der direkten γ-Strahlung
und der durch Compton-Streuung abgelenkten weicheren γ-Strahlung
unterscheiden können,
damit die dadurch entstehende Hintergrundstrahlung im Absorptionsdiagramm
unterdrückt
werden kann. Bei der Detektion der harten γ-Strahlung werden auch hier
Szintillatoren verwendet, die mehrere Zentimeter dick sind, um die γ-Strahlung
zu absorbieren. Das durch einfallende γ-Strahlung erzeugte Szintillatorlicht
wird dann mit Photomultipliern oder Halbleiterdioden nachgewiesen.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung
eines γ- Detektors, mit dem
eine harte γ-Strahlung
ortsauflösend
in verbesserter Weise gemessen werden kann. Aufgabe der Erfindung
ist ferner die Schaffung eines Verfahrens zum Betreiben des γ-Detektors.
Die Aufgabe wird durch einen ortsauflösenden γ-Detektor
mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
ergeben sich aus den abhängigen
Ansprüchen.
Die anspruchsgemäße Vorrichtung weist eine Metallfolie
auf, in der einfallende γ-Strahlen
durch den photoelektrischen Effekt absorbiert werden. Es entstehen
dann Elektronen, die Photoelektronen genannt werden. Die metallische
Folie wird im folgenden auch Konverterfolie genannt. An die Metallfolie
grenzt wenigstens eine Streifendiode. Die Seite mit den Streifen
der Streifendiode ist der Metallfolie zugewandt. Die Streifen befinden
sich also in unmittelbarer Nähe
der Metallfolie.
Eine Streifendiode besteht beispielsweise
aus einer Mehrzahl parallel in einer Ebene angeordneter Metallstreifen.
An die Unterseite der Metallstreifen grenzen Streifen, die aus einem
p+-dotierten Halbleiter bestehen. Die aus
einem p+-dotierten Halbleiter bestehenden
Streifen fungieren als Elektrode. Die Metallstreifen und die als
Elektrode fungierenden Streifen befinden sich in oder auf der Oberfläche eines
Substrates, das aus einem n–-dotiertem Halbleiter
besteht. Die Metallstreifen sind offen zugänglich. Die zu den Metallstreifen
entgegengesetzte Oberfläche
des Substrates ist n+-dotiert und fungiert
als Gegenelektrode. Silizium wird als Halbleitermaterial bevorzugt.
Die beschriebene Streifendiode wird auch Halbleiter-Streifendiode
genannt.
Die Streifenbreite begrenzt die mögliche Ortsauflösung. Durch
Wahl der Streifenbreite kann also die maximal erreichbare Ortsauflösung vorgegeben
werden. Je kleiner die Streifenbreiten sind, desto größere Ortsauflösungen sind
grundsätzlich
möglich.
Verfahrensgemäß wird der anspruchsgemäße γ-Detektor
so in eine γ-Strahlung
hineingestellt, daß die γ-Strahlen
parallel zu den Streifen der Streifendiode in den γ-Detektor einfallen.
Ein in die Metallfolie einfallender γ-Strahl wird in der Metallfolie
durch den photoelektrischen Effekt absorbiert. Es entsteht dann
in der metallischen Konverterfolie ein energiereiches Elektron,
das mit einer Restenergie die Konverterfolie verläßt. Der größte Teil
der Elektronenenergie wird abhängig
von der Länge
der Spur in der Konverterfolie deponiert. Wenn die Elektronenreichweite
sehr viel größer als
die Dicke der Folie ist, verlassen praktisch alle Elektronen die Konverterfolie.
Gelangt ein solches Elektron zur Streifendiode, so wird hier ein
elektrisches Signal bei geeignet angelegter Spannung an der Diode
in Sperrichtung ortsabhängig
erzeugt. Das elektrische Signal gibt den gesuchten Meßwert wieder.
In einer vorteilhaften Ausführungsform
des γ-Detektors
besteht die Metallfolie aus Blei oder Gold. Blei und Gold weisen
eine hinreichend hohe Ordnungszahl auf. In Materialien, die eine
hinreichend hohe Ordnungszahl wie Blei oder Gold aufweisen, werden γ-Strahlen
von 0,5 MeV überwiegend
durch einen photoelektrischen Effekt absorbiert. Der Anteil konkurrierender
Absorptionsmechanismen wie Paarbildung oder Compton-Streuung ist dann
vergleichsweise klein. Gleichwirkend zu Gold oder Blei sind daher
Metalle, die eine so große
Ordnungszahl aufweisen, daß der
photoelektrische Effekt bei der Absorption einer solchen γ-Strahlung dominiert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung
der Vorrichtung ist die Metallfolie dünner als 500 μm. Die Metallfolie
ist insbesondere 50 μm – 200 μm dünn. Dann
ist bei harten γ-Strahlen
die Reichweite der Photoelektronen regelmäßig sehr viel größer als
die Dicke der Metallfolie. So ist sichergestellt, daß praktisch
alle Photoelektronen die Konverterfolie verlassen und folglich ein
elektrisches Signal in einer angrenzenden Streifendiode auslösen können.
Die Tiefe der Metallfolie ist vorzugsweise
so zu wählen,
daß die γ-Strahlen
hinreichend gut absorbiert werden. Die Länge der Streifen sowie die
Tiefe der angrenzenden Metallfolie beträgt daher in einer vorteilhaften
Ausführungsform
regelmäßig 1 – 5 cm.
Je nach Material der Metallfolie sowie nach Energie der zu messenden γ-Strahlen
variiert die zu wählende
Streifenlänge
bzw. Tiefe der Metallfolie. Unter Tiefe der Metallfolie wird die
Ausdehnung entlang der Streifen der Streifendiode verstanden.
In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung befinden sich zu beiden Seiten der Metallfolie Streifendioden.
Die Zahl der Photoelektronen, die von einer Streifendiode registriert
werden, wird so verdoppelt.
In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung wird eine Halbleiterdiode als Streifendiode vorgesehen,
bei der über
die Sperrspannung die Tiefe einer Verarmungszone an beweglichen
Ladungsträger
unterhalb der streifenförmigen
Elektroden eingestellt werden kann. Diese Einstellung kann bei niedrig
dotierten Si-Halbleitern über die
Sperrspannung an der Diode in weiten Bereichen von 1 μm bis zur
Dicke des verwendeten Substrates (Wafer) von z. B. 0,5 mm vorgenommen
werden.
Verfahrensgemäß wird dann die Tiefe der Verarmungszone
so eingestellt, daß sie
in etwa der Streifenbreite der Halbleiterdiode entspricht. Dann
wird die Ortsauflösung
des γ-Detektors
kleiner als zwei Streifenbreiten. Ursächlich für diesen Zusammenhang ist folgender
Sachverhalt.
Von einem energiereichen Photoelektron,
das in der dünnen
Konverterfolie durch γ-Absorption
entstanden ist und in den Halbleiter gelangt, werden Elektronen-
und Lochpaare erzeugt. Nur die in der Verarmungszone entstehenden
Ladungspaare tragen zu einem elektrischen Ladungsimpuls an den darüberliegenden
Streifen bei. Bei senkrecht (zum Streifen) einfallendem Photoelektron
ist das nur ein Streifen. Bei schräg einfallendem Photoelektron
können
es mehrere sein. In dem Fall wird das Ereignis dem Streifen zugeordnet, das
den größten Ladungsimpuls
erfährt.
Auf diese Weise wird die Ortsauflösung des linearen Detektors
kleiner als zwei Streifenbreiten.
Mit der eingestellten Tiefe der Verarmungszone
wird gleichzeitig die Größe des Ladungsimpulses
begrenzt. In einer Schicht von 100 μm Dicke deponiert ein hochenergetisches
Elektron bei senkrechtem Einfall eine Energie von etwa 50 keV und
erzeugt damit ca. 15.000 Ladungsträger. Der generierte Ladungspuls
ist dann 50 mal größer als
das vom Sperrstrom erzeugte Rauschsignal. Der Ladungsimpuls ist
dann leicht beobachtbar, wenn jeder Streifen mit einem Verstärker oder
einer Verstärkerkette
(Vor- und Hauptverstärker),
einem Pulshöhendiskriminator
und einem entsprechenden Zähler
verbunden ist.
Die bisher beschriebenen anspruchsgemäßen γ-Detektoren
ermöglichen
Ortsauflösungen,
die bis etwa zweimal der Streifenbreite sein können. Es können Auflösungen bis ca. 100 μm realisiert
werden.
Die Dicke der Metallfolie grenzt
den Bereich des γ-Detektors ein, der
auf γ-Strahlen
reagiert. Diese Beschränkung
wird im folgenden vertikale Auflösung
genannt.
Für
einen γ-Detektor
mit einer Blei- oder Goldfolie und für γ-Energien von 0,5 bis 1 MeV
liegt die bevorzugte Dicke der Metallfolie zwischen 50 und 200 μm. Die Dicke
soll kleiner als die Reichweiten der Photoelektronen in diesen Materialien
sein. Wenn die Reichweite nicht groß gegen die Foliendicke ist,
treten zu viele Photoelektronen auf, die kein Signal in der Streifendiode
auslösen.
Demnach wäre
die vertikale Auflösung
regelmäßig auf
50 und 200 μm
beschränkt.
Zur Lösung dieses Problems ist in
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung die Metallfolie wellen- oder zickzackartig geformt. Die Wellenkämme bzw.
die Zickzackkanten liegen während
der Messung senkrecht zur Einstrahlrichtung der γ-Strahlen. So wird die vertikale
Auflösung
trotz Verwendung dünner
Folien erhöht.
Die vertikale Auflösung
wird durch den Höhenunterschied
zwischen Wellental und Wellenberg festgelegt. Dieser Höhenunterschied
wird im folgenden (effektive) Konverterhöhe genannt.
Es zeigen
1 Gamma-Detektor
mit Konverterfolie und einer Halbleiterstreifendiode auf der Unterseite
der Folie.
1: Konverterfolie, 2: Metallstreifen, 3: p+-Streifenkontakt,
4:
n–-dotierter
Halbleiter, 5: n+-dotierte Gegenelektrode,
t: Tiefe
des Detektors bzw. Länge
der Streifen.
2 Querschnitt
des Gamma-Detektors, bestehend aus Konverterfolie und zwei Halbleiter-Streifendioden auf
der Ober – und
Unterseite der Konverterfolie
dK: Dicke
der Konverterfolie, dH: Dicke des Halbleiterwafers
(-substrates) 4
b: Breite des Detektors, H: Gesamthöhe des Detektors
und 6: Verarmungszone mit einer Tiefe, die etwa gleich der Streifenbreite
ist.
Die Dicken der Metallstreifen, der p+-
und n+-Schichten sind kleiner als 1 μm und deshalb
nicht maßstabsgetreu gezeichnet.
Die dünne
Isolationsschicht zwischen den Metallstreifen und der metallischen
Konverterfolie ist nicht eingezeichnet.
3 Dreidimensionale
Darstellung einer zickzackartig geformten Konverterfolie,
L:
Gesamtlänge
in Einstrahlrichtung
h: (Effektive) Konverterhöhe
δ: Dicke der
Metallfolie
p: Periodenabstand (Abstand zwischen zwei „Wellentälern")
4 Reichweite
R der Photoelektronen in Abhängigkeit
von ihrer Energie
Wenn der Periodenabstand p bei einer
wellenartig oder zickzackartig geformten Konverterfolie groß gegenüber der
Schichtdicke der Konverterfolie ist, so wird die effektive Absorptionstiefe
(Absorptionstiefe Strecke in der Folie, entlang der γ-Strahlen
absorbiert werden) unabhängig
von dem Periodenabstand. Mit den Größen, wie sie in
3 gezeigt sind, ist die
effektive Absorptionstiefe t
abs dann gegeben
durch
Bei dieser Ausgestaltung der Konverterfolie
kann die vertikale Auflösung
der horizontalen angepaßt werden
oder mit dünneren
Folien eine größere Nachweiswahrscheinlichkeit
erzielt werden.
Zur Optimierung der Detektoreigenschaften
können
die folgenden Parameter variiert werden:
- 1.
Die Tiefe t des Streifendetektors:
Mit langen Streifen wird
die Absorptionswahrscheinlichkeit der zu detektierenden Gammas erhöht, während der
vertikale Akzeptanzwinkel (Akzeptanzwinkel: Auftreffwinkel einer
Gammastrahlung auf die Metallfolie, bei dem die Gammastrahlen die
Folie so durchlaufen, daß sie
dabei absorbiert werden) verringert wird.
- 2. Das Material der Metallfolie:
Favorisierte Materialien
sind Pb und Au, die, auf das Atom bezogen, vergleichbar stark mit
den Gammas von 0.5 bzw. 1 MeV wechselwirken. Die Dichte ist bei
Au etwa doppelt so groß,
was kürzere
Absorptionslängen,
aber auch kürzere
Elektronenreichweiten zur Folge hat.
- 3. Die Wellblech- oder Zickzackstruktur der Metallfolie:
Mit
dünnen
Folien kann die Nachweiswahrscheinlichkeit erhöht werden. Bei Vorsehen einer
großen
Detektortiefe t kann die vertikale Auflösung von ihrem Minimalwert
von 100 μm
bis zu 1mm geändert
werden.
- 4. Streifenbreite:
Mit breiter werdenden Streifen wird
die horizontale Auflösung
größer. Optimal
ist eine Konverterhöhe,
die gleich der Streifenbreite ist.
- 5. Verarmungszone im Halbleiter-Streifendetektor:
Zu bevorzugen
sind Verarmungszonen, deren Ausdehnungen mindesten 50 μm und der
Streifenbreite angepaßt
sind.
Beispielhaft seien folgenden Detektordaten
genannt:
Tabelle
1: Bevorzugte Detektorparameter
