-
Die Erfindung bezieht sich auf einen Neutronendetektor umfassend einen Neutronendetektor umfassend ein evakuiertes Gehäuse mit von Neutronen durchsetzbarem Eintrittsverschlusselement und einem von Elektronen beaufschlagten Ausgangsverschlusselement sowie zumindest einer zwischen dem Eingangs- und Ausgangsverschlusselement angeordneten Mikrokanalplatte.
-
Bildwandler- bzw. Bildverstärkerröhren dienen zur Verstärkung geringer Strahlungsmengen, die mittels des Bildverstärkers oder -wandlers sodann mit dem Auge oder auf elektronischen Bildaufnehmern, wie z. B. CCD-Bildsensoren, erfasst werden können. Dabei besteht auch die Möglichkeit, außerhalb des für das menschliche Auge empfindlichen Spektralbereichs liegende Strahlung wie infrarote oder ultraviolette Strahlung sichtbar zu machen. In diesem Fall spricht man von einem Bildwandler.
-
-
Bildwandler können auch zur Sichtbarmachung von Neutronen benutzt werden, wie die
US 8 410 442 B2 verdeutlicht. In einem evakuierten Gehäuse sind übereinander eine Neutronen detektierende Platte, eine Elektronen verstärkende Platte und eine Kollektorplatte angeordnet.
-
Der
US 8 507 872 B2 ist eine Mikrokanalplatte zur Detektion von Neutronen zu entnehmen. Es handelt sich um ein offenes System.
-
Sollen Neutronen erfasst werden, ergibt sich der Nachteil, dass genaue Messungen nicht möglich sind, da durch das als Eintrittsfenster zu bezeichnende Eintrittsverschlusselement des evakuierten Gehäuses Neutronen absorbiert bzw. gestreut und somit nicht verstärkt werden. Auch zeigt sich häufig der Nachteil, dass das vakuumdichte Verbinden des Eintrittsfensters mit dem Gehäuse zu Problemen führt.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Neutronendetektor der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass in hinreichendem Umfang Neutronen erfasst werden können. Auch soll erreicht werden, dass mit konstruktiv einfachen Maßnahmen das Eingangsverschlusselement mit dem Gehäuse vakuumdicht verbunden werden kann.
-
Zur Lösung der Aufgabe sieht die Erfindung im Wesentlichen vor, dass das Eintrittsverschlusselement aus einem plattenförmigem Element aus einem neutronentransparenten, die Erzeugung von Radioaktivität vermeidenden und mit Keramikmaterial stoffschlüssig verbindbarem Material aus der Gruppe Al2O3-Keramik, Ni-Fe-Legierung besteht.
-
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Element aus einer Varietät von Korund, insbesondere aus Saphir besteht. Dabei sollte das scheibenförmige Substrat eine Dicke d1 mit 2 mm ≤ d1 ≤ 5 mm, insbesondere d ≈ 3 mm aufweisen.
-
Bei der Verwendung einer Ni-Fe-Legierung ist bevorzugt die Legierung N48 oder N52 zu nennen. Die Dicke d2 des aus Ni-Fe-Legierung bestehenden Blechs als Eintrittsverschlusselement sollte zwischen 0,1 mm und 1 mm liegen. Die stoffschlüssige Verbindung kann durch Löten oder Schweißen wie Laserschweißen erfolgen.
-
Die Legierung N48 besteht aus
| C | < 0,03 Gew.-% |
| Ni | 48 Gew.-% |
| Si | < 0,3 Gew.-% |
| Mn | < 0,5 Gew.-% |
| Rest Fe. | |
-
Die Legierung N52 besteht aus:
| C | < 0,003 Gew.-% |
| Ni | 50,5 Gew.-% |
| Si | < 0,2 Gew.-% |
| Mn | < 1 Gew.-% |
| Rest Fe. | |
-
Aufgrund der erfindungsgemäßen Verwendung eines insbesondere aus Saphir bestehenden scheiben- oder plattenförmigen Elements zum eingangsseitigen Verschließen des Gehäuses wird die Möglichkeit eröffnet, dass Neutronen im hinreichenden Umfang in dem Gehäuse eine Elektronenvervielfältigung auslösen können, so dass ein Detektieren der Neutronen möglich ist.
-
Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Element durch Löten mit dem Gehäuse verbunden ist, d. h., dass nach Abschluss der Prozessierung wie Ausheizen aller Gehäusekomponenten im Vakuum unmittelbar anschließend das Substrat mit dem Gehäuse verlötet wird.
-
Die Verwendung einer Nickel-Eisen-Legierung als plattenförmiges Eintrittsverschlusselement zeigt den Vorteil, dass eine gute Anpassung der Wärmeausdehnungskoeffizienten von Blech und Keramik gegeben ist.
-
Eine im Querschnitt flächenfüllende wie quadratische oder rechteckige Geometrie des Gehäuses hat den Vorteil, dass ein problemloses Aneinanderreihen mehrerer entsprechender Neutronendetektoren möglich ist und die Abstände zwischen den Neutronen erfassenden Bereichen im Vergleich zu üblichen eine Kreisgeometrie aufweisende Röhren minimiert wird.
-
Zu dem Ausgangsverschlusselement ist anzumerken, dass es sich hierbei – je nach Anwendung – um einen Leuchtschirm, eine elektrische Anode, eine strukturierte Anode (position sensitive anode) oder eine Delay Line handeln kann.
-
In dem Gehäuse können z. B. 1 bis 3 Mikrokanalplatten angeordnet sein. Insbesondere ist vorgesehen, dass in dem Gehäuse zwei Mikrokanalplatten elektrisch leitend verbunden übereinander angeordnet sind, deren Kanäle fluchtend zueinander verlaufen. Dabei besteht auch die Möglichkeit, die Mikrokanalplatten über ein randseitig verlaufendes elektrisch leitendes Element wie Ring, insbesondere in Rechteck- wie Quadratform zueinander beabstandet anzuordnen.
-
Um die Neutronen zu detektieren ist insbesondere vorgesehen, dass die Kanäle eine innere Beschichtung aus einem Neutronen absorbierenden Material und eine äußere Beschichtung aus Elektronen emittierenden Materialien aufweisen, wobei insbesondere zwischen diesen Schichten eine halbleitende Schicht verläuft.
-
Die Neutronen absorbierende Schicht soll aus Bor-10 oder Gadolinium oder aus einer Zusammensetzung bestehen, die Bor-10 oder Gadolinium enthält. Beispielhaft sind Bor-10-Oxid oder Bor-10-Nitrid oder Gadolinium-Oxid zu nennen. Die Dicke der Schicht sollte zwischen 0,5 μm und 5 μm liegen.
-
Die die Elektronen emittierende Schicht sollte eine Dicke zwischen 3 nm und 12 nm aufweisen und z. B. Aluminium-Oxid oder Magnesium-Oxid enthalten.
-
Sofern eine halbleitende Schicht zwischen den zuvor genannten Schichten vorhanden ist, sollte diese eine Dicke zwischen 50 nm und 1000 nm aufweisen und aus einer Schichtfolge wie z. B. Al2O3 und ZnO bzw. AlZnxOy bestehen.
-
Befinden sich in dem Gehäuse zwei oder mehrere Mikrokanalplatten, so sieht die Erfindung insbesondere vor, dass ausschließlich die eingangselementseitig verlaufende Mikrokanalplatte die Neutronen absorbierende Beschichtung in den Kanälen aufweist. Die weitere bzw. weiteren Mikrokanalplatten sollten demgegenüber neutronenunempfindlich, damit ihre Nachverstärkung nur die Eingangsimpulse der ersten Mikrokanalplatte verstärkt und nicht deren Amplitude durch schwächere Impulse „verschmiert” wird, die in der zweiten oder in den weiteren Multikanalplatten generiert würden.
-
Selbstverständlich wird die Erfindung nicht verlassen, wenn neben der eingangsseitig verlaufenden Mikrokanalplatte eine oder mehrere oder sämtliche weitere Mikrokanalplatten als Verstärkerplatten wirken.
-
Zu erwähnen ist erneut, dass der erfindungsgemäße Neutronendetektor eine erforderliche Anzahl von Mikrokanalplatten aufweisen kann, wobei 1 bis 3 Mikrokanalplatten als bevorzugt anzugeben sind.
-
Ferner ist es für einen sicheren Betrieb erforderlich, dass die Mikrokanalplatten denselben elektrischen Widerstand aufweisen, um einen konstanten Spannungsabfall zu gewährleisten.
-
Das Ausgangsverschlusselement kann in gewohnter Weise ein Leuchtschirm oder eine keramische Scheibe für eine elektronische Bildauswertung (PSD) sein oder aus CCD-Bildsensoren bestehen. Insoweit wird jedoch auf hinlänglich bekannte Techniken verwiesen, die bei Bildverstärker- bzw. -wandlerröhren zur Anwendung gelangen.
-
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen -für sich und/oder in Kombination-, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen.
-
Es zeigen:
-
1 einen Ausschnitt einer ersten Ausführungsform eines Neutronendetektors im Schnitt,
-
2 einen Ausschnitt einer zweiten Ausführungsform eines Neutronendetektors im Schnitt und
-
3 einen Ausschnitt einer dritten Ausführungsform eines Neutronendetektors im Schnitt.
-
In den Figuren, in denen grundsätzlich gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, sind wesentliche Elemente von Neutronendetektoren 10, 100, 200 dargestellt, die vom prinzipiellen Aufbau und der Wirkungsweise Bildverstärker- bzw. -wandlerröhren entsprechen, so dass auf diesbezügliche bekannte Techniken verwiesen wird, ohne dass diese nachstehend erläutert werden müssen.
-
Abweichend von bekannten Bildwandler- bzw. Bildverstärkerröhren werden mit den erfindungsgemäßen Detektoren 10, 100, 200 Neutronen detektiert. Unabhängig hiervon und von der Detektion von Neutronen ist des Weiteren der Vorteil gegeben, dass die Detektoren in Draufsicht eine Rechteck- oder Quadratform aufweisen können, also sogenannte Kacheln bilden, die problemlos aneinandergereiht werden können und somit im Vergleich zu den eine Kreisgeometrie aufweisenden Röhren die Stegbreiten zwischen den Messfenstern stark reduziert werden können.
-
Der Detektor 10 gemäß 1 weist ein Gehäuse 12 auf, das neutronenstrahleintrittsseitig von einem als Eingangsverschlusselement bezeichneten plattenförmigen Eingangselement 14 verschlossen ist, das erfindungsgemäß aus einer transparenten Keramikscheibe, insbesondere aus einer Varietät von Korund, insbesondere Saphir besteht. Die Dicke des Substrats 14 liegt zwischen 2 und 5 mm, insbesondere im Bereich von 3 mm. Durch die Verwendung von einem entsprechenden Material, insbesondere Saphir, ist sichergestellt, dass die Neutronen ungehindert das Substrat 14 durchdringen können, also nicht oder nur wenig gestreut und dem Grunde nach nicht absorbiert werden.
-
Ausgangsseitig ist das Gehäuse 12 von einer Keramikscheibe 16 verschlossen, um eine elektronische Bildauswertung (PSD) durch kapazitive Kopplung vorzunehmen. Anstelle einer entsprechenden Keramikscheibe 16 könnte auch ein Leuchtschirm benutzt werden, wie dies von Bildwander- und -verstärkerröhren bekannt ist und im Zusammenhang mit dem Detektor 200 verdeutlicht ist.
-
Das Gehäuse 12 weist eine im Ausführungsbeispiel ringförmige Umfangswandung auf, die eine Kreis- oder Rechteck- bzw. Quadratgeometrie besitzen kann.
-
Die Umfangswandung besteht aus einem äußeren im Schnitt L-förmigen Ringelement 13, das ein eine Isolation bildendes gleichfalls eine Ringgeometrie aufweisendes Vergussmaterial 15 aufnimmt, das gehäuseinnenseitig durch ein gleichfalls eine Ringgeometrie aufweisendes Keramikelement 17 begrenzt ist, das sowohl mit dem Element 14 als Eingangsverschlusselement als auch mit der Keramikscheibe 16 als dem Austrittsverschlusselement verbunden wie verlötet ist.
-
Innerhalb des Gehäuses 12 und von den Eintritts- und Ausgangsverschlusselementen 14, 16 umgeben befinden sich im Inneren 18 des Gehäuses 12 im Ausführungsbeispiel zwei Mikrokanalplatten 20, 22, die bzgl. ihrer nicht näher bezeichneten Kanäle fluchtend zueinander ausgerichtet, also die Kanäle einer Platte in Verlängerung der Kanäle oder anderen Patten verlaufen, und elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Die elementseitig verlaufende Mikrokanalplatte 20 besteht aus einer die Kanäle aufweisenden Glasplatte, die weniger als 25 mol-%, insbesondere weniger als 1 mol-% eines Elements der Ordnungszahl > 34 enthält. Die Kanäle in der Glasplatte 20 weisen eine innere Beschichtung aus Neutronen absorbierendem Material und eine äußere Beschichtung aus Elektronen emittierendem Material auf. Zwischen diesen Schichten kann eine halbleitende Schicht verlaufen.
-
Die Neutronen absorbierende Schicht sollte Bor-10, Lithium-6 oder Gadonlinium oder Verbindungen dieser wie Bor-10-Oxid, Bor-10-Nitrid, Lithium-6-Oxid oder Gadonlinium-Oxid enthalten oder aus diesem bestehen. Die Dicke beläuft sich auf zwischen 0,5 μm und 5 μm.
-
Das halbleitende Material sollte AlZNXOY enthalten oder aus diesem bestehen und eine Dicke zwischen 50 nm und 1000 nm aufweisen.
-
Als Elektronen emittierendes Material wird insbesondere Al2O3 oder MgO zu wählen sein, wobei Dicken zwischen 3 nm und 12 nm zu bevorzugen sind.
-
Die substratfernliegende Mikrokanalplatte kann demgegenüber neutronenunempfindlich sein, weist jedoch zumindest eine Elektronen emittierende Beschichtung zuvor genannter Art auf.
-
Eine Neutronenunempfindlichkeit ist zu bevorzugen, damit die weitere Mikrokanalplatte 22 in ihrer Nachverstärkung nur die Eingangsimpulse der substratseitig verlaufenden Mikrokanalplatte 20 verstärkt und nicht deren Amplitude durch schwächere Impulse „verschmiert” wird, die anderenfalls durch ein bei einer Neutronenempfindlichkeit der zweiten Mikrokanalplatte 22 generiert würden.
-
Die Mikrokanalplatten 20, 22 sollten derart elektrisch ausgelegt sein, dass sie in Richtung ihrer Kanäle einen gleichen elektrischen Widerstand aufweisen, um einen konstanten Spannungsabfall zu gewährleisten.
-
Werden Neutronen absorbiert, so entstehen Alphateilchen, die wiederum in der Elektronen emittierenden Schicht Sekundärelektronen auslösen. Diese werden durch Anlegen einer positiven Spannung in Richtung der Keramikscheibe 16 beschleunigt, wobei eine Vervielfältigung durch Auftreffen auf die Elektronen emittierende Beschichtung erfolgt.
-
In der 1 ist ein elektrischer Anschluss eingezeichnet und mit dem Bezugszeichen 24 gekennzeichnet. Der Anschluss 24 ist über einen Metallflansch 26, der den den Innenraum 18 des Gehäuses 12 umfangsseitig umgebenden Keramikring 17 durchsetzt und in diesen eingelötet ist, mit der austrittsseitig verlaufenden Seite der Multikanalplatte 22 elektrisch leitend verbunden, die eine entsprechende elektrisch leitende Beschichtung aufweist, die die Kanäle jedoch nicht abdeckt. Die notwendige weitere Kontaktierung ist über einen Metallflansch 30 mit einem Abstandselement 32 elektrisch leitend verbunden, das mit der äußeren oberen Mikrokanalplatte 20 elektrisch leitend verbunden ist. Das Abstandselement 32 dient zur mechanischen Arretierung der Multikanalplatten 20, 22, die gegenüber dem Keramiksubstrat 16 gleichfalls abgestützt sind, ohne dass dies zeichnerisch dargestellt ist.
-
Die vakuumdichte Verbindung zwischen dem insbesondere aus Saphir bestehenden Eintrittselement 14 und der den Innenraum 18 des Gehäuses 12 umgebenden Keramikwandung 17 erfolgt durch eine stoffschlüssige Verbindung 36. Insbesondere erfolgt die Verbindung durch Löten oder durch Schweißen wie Laserschweißen. Dabei kann der Verbindungs- wie Lötprozess in situ durchgeführt werden, d. h., das Substrat 14 kann mit dem inneren Keramikelement 17 unmittelbar nach Abschluss der Prozessierung der im Innenraum 18 verlaufenden Komponenten des Detektors 12 im Vakuum durchgeführt werden. Die im Schnitt eine Rechteck- oder Quadratform aufweisende Außengeometrie des Gehäuses 12 ist mittels Löt- oder Lasertechnik in einfacher Weise zu realisieren.
-
Der Detektor 100 gemäß 2 weist zwei zueinander beabstandete Mikrokanalplatten 20, 22 auf. Die Beabstandung erfolgt über ein peripher verlaufendes elektrisch leitendes Ringelement 38, über das die Mikrokanalplatten 20, 22 elektrisch leitend verbunden werden.
-
Abweichend von der Konstruktion gemäß 1 wird das insbesondere aus Saphir bestehende Eingangselement 14 mit dem aus Keramikringscheiben 40, 42, 44 bestehenden Gehäuse 112, die als Isolatoren wirken, mit diesem über einen Metall- wie Stahlring 46 durch Kaltverpressen verbunden. Zwischen dem Ring 46, der substratseitigen Oberseite des oberen Keramikrings 44 und dem Substrat 14 wird hierzu als Abdichtmaterial Indium verpresst (Bereich 48).
-
Zwischen den einzelnen Keramikscheiben 40, 42, 44 sind Metallflansche eingelötet, über die auch die erforderliche elektrisch leitende Verbindung ins Innere 18 des Gehäuses 112 erfolgt, ohne dass auf diese näher eingegangen werden muss.
-
Der Detektor 200 gemäß 3 unterscheidet sich von dem der 2 dahingehend, dass anstelle von zwei Mikrokanalplatten eine Mikrokanalplatte 120 entsprechend der Mikrokanalplatte 20 genutzt wird. Ferner wird zur Detektion der Elektronen ein Leuchtschirm 115 eingesetzt. Des Weiteren besteht das Gehäuse 212 abweichend vom Ausführungsbeispiel der 2 aus insgesamt vier aus Keramik bestehenden Ringscheiben 40, 42, 44 und 140. Von der oberen Ringscheibe 40 geht entsprechend 2 der Metallring 46 aus, über den unter Verwendung von Indium das Gehäuse 212 mit dem Saphirsubstrat 14 kalt verpresst wird.
-
Aus der 3 ist ferner erkennbar, dass das Gehäuse 212 über eine Metall-Glas-Verbindung 148 insbesondere durch Laserschweißen mit dem den Leuchtschirm 116 aufweisenden und das Gehäuse 212 ausgangsseitig vakuumdicht verschließenden Ausgangsverschlusselement 116 verbunden wird. Hierzu geht von dem unteren Ring 140 ein entsprechender im Schnitt L-förmig gebogener Stahlring aus. Insoweit wird jedoch gleichfalls auf bekannte Verbindungstechniken verwiesen.
-
Aus der Darstellung erkennt man des Weiteren, dass zwischen den isolierenden Keramikscheiben 140, 40, 42, 44 Metallflansche verlaufen, die eingelötet sind.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 19827094 A1 [0003]
- DE 3150257 A1 [0003]
- US 8410442 B2 [0004]
- US 8507872 B2 [0005]
