DE2130856A1

DE2130856A1 - Strahlungsdosismesser fuer Exoelektronenemission

Info

Publication number: DE2130856A1
Application number: DE19712130856
Authority: DE
Inventors: Gammage Richard Bertram; Becker Klaus Herbert; Robinson Eddie Mack; Cheka Joseph Sandor
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1970-06-26
Filing date: 1971-06-22
Publication date: 1971-12-30
Also published as: FR2096521B1; GB1325298A; BE768847A; SE366595B; CA926039A; FR2096521A1; US3612868A

Description

Anmelderin: United States Atomic Energy Commission Washington D. 0., USA

Strahlungsdosismesser für Exoelektronenemission

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Strahlungsdosismessers mit erhöhter Empfindlichkeit und Wiedergabetreue.

Bestimmte Stoffe zeigen bei Stimulierung durch eine äussere Energiequelle das Phänomen der stimulierten Exoelektronenemission (SEE), z. B. bei optischer oder thermischer Stimulierung·

Das Prinzip der Dosismessung einer thermisch stimulierten Exoelektronenemission (TSEE) ist in dem USA Patent 3,484,610 der Anmelderin beschrieben. Das Patent beschreibt ebenfalls aus mehreren Teilen aufgebaute und in einem Gehäuse eingeschlossene Dosismesser. Zur Herstellung des Dosismesselements werden ein oder mehrere Detektorstoffe mit einem leitenden

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Material, ζ. B. Graphit gemischt. Zur Erleichterung der Handhabung und Verbesserung der Ableseeigenschaften ist es zweckmässig, das Detektorelement in einem Gehäuse einzuschliessen.

Es wurde nun gefunden, dass bestimmte Arten gesinterter oder keramischer Berylliumoxide als Dosismesser zur thermisch stimulierten Exoelektrohenemission geeignet sind und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, sowie sehr hart, wasserundurchlässig und in den meisten Flüssigkeiten unlöslich sind. Im Gegensatz zum BeO Pulver sind diese keramischen Stoffe ungiftig, bedürfen daher nicht notwendigerweise einer Verkapselung.

Obwohl diese Stoffe empfindlicher als die meisten Dosismesser des erwähnten US Patents sind, besteht in vielen Fällen ein Bedürfnis nach noch höherer Empfindlichkeit und verbesserter Wiedergabetreue.

Die sich hieraus ergebende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Oberfläche einer Beryloxidkeramik mit einem trägen, chemisch inaktiven Metall, insbesondere Palladium, Platin, oder Gold in einer Menge von 1-15 mg/qcm überzogen, zur Diffusion des Metalls durch wenigstens einen Teil der Keramik während 10 Stunden bis 3 Tage auf 800 - I5OO⁰ erhitzt und schliesslich die etwa verbleibende, undiffundierte Metallschicht entfernt wird.

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Die folgende Beschreibung erfolgt am Beispiel der thermischen Stimulierung, ist aber sinngemäss auch auf die optische Stimulierung anwendbar.

In den Zeichnungen zeigen in graphischer Darstellung:

die Figur 1 die Empfindlichkeit einer Reihe von Keramikscheiben aus BeO, die auf einer Fläche mit verschiedenen Metallen überzogen wurden;

die Figur 2 erläutert die Wirkung verschiedener Metallüberzüge auf BeO Keramikseheiben;

die Figur 3 die Wirkung der Erhitzungsdauer von mit Palladium überzogenen BeO Scheiben.

Überraschenderweise wurde gefunden, dass die optimale Wiedergabetreue und Empfindlichkeit für ein gegebenes TSEE-Material und eine bestimmte Dicke des Metallüberzugs durch die Erhitzungstemperatur und -dauer gesteuert werden kann. Die für die erhöhte Empfindlichkeit verantwortlichen Phänomene sind nicht genau bekannt, wahrscheinlich findet aber durch Diffusion des Metalls in das Kristallgefüge als feste Lösung oder durch Auffüllen der mikroskopischen Zwischenkristallräume an den Korngrenzflächen eine Änderung der Arbeitsfunktion des TSEE-

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Materials statt. Die verbesserte Detektorwiedergabe "beruht wahrscheinlich auf einer Zunahme der elektrischen Leitfähigkeit des Materials, die einen Aufbau örtlicher, elektrischer Ladung auf der Emissionsfläche verhindert.

Zum Nachweis der erfindungsgemäss erzielten, verbesserten Eigenschaften und Ergebnisse wurden drei Satz Beryloxidkeramikscheiben durch Dampfniederschlag auf einer Fläche mit Metall überzogen, und zwar ein Satz mit 50 /ug/cm Platin'; ein

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Satz mit 50 /ug/cm Gold; und ein Satz mit 50 /ug/cm Palladium. Die überzogenen Scheiben wurden dann verschieden lang auf entweder 550° oder 650° erhitzt, um das Metall von der Oberfläche in das Materialinnere zu diffundieren; sodann wurde die TSEE-Aktivität der Scheiben durch Bestrahlung mit einer geringen G-ammadosis und Bestimmung der Elektronenemission bei allmählicher Erhitzung um 1°/Sek. in einer Vorrichtung entsprechend dem oben erwähnten Patent gemessen. Die Messwerte ) sind in der Fig. 1 abgetragen, und zwar die Empfindlichkeitswerte auf der Senkrechten und die Zeitdauer auf der Waage-. rechten. Wie das Schaubild zeigt, bestand die grösste Empfindlichkeit der mit Palladium diffundierten Scheiben nach Erhitzung während 65 - 80 Minuten und nahm dann ab. Mit Dosismessern grösster Empfindlichkeit können Dosiswerte bis herunter zu einigen /uR entsprechend einer normalen Umgebun%-

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strahlung von weniger als 1 Std. gemessen werden. Die grösste Empfindlichkeit der mit Pt diffundierten Scheiben bestand bei Erhitzung von etwa 160 Min., während die mit Au diffundierten Scheiben in dieser "Versuchsreihe kein Maximum in der Erhitzungskurve zeigten. Auch für Gold wurde aber in anderen Versuchen mit kürzerer oder niedrigerer Erhitzung ein Empfindlichkeitsmaximum erzielt. Mit Platin oder Palladium diffundierte Dosismesser sind in jedem Falle empfindlicher als das mit Gold diffundierte Material.

In einigen, zuvor angelassenen Keramikscheiben aus BeO wurde nach Überzug mit einer dünnen Metallschicht bereits vor der Diffusionswärmebehandlung eine geringe Empfindlichkeit festgestellt. Es ist aber unwahrscheinlich, dass die Exoelektronen hier durch das Metall emittiert wurden. Die ursprüngliche Metallschicht ist nicht frei von Löchern und Perforationen; erst durch die Diffusion wird die Empfindlichekeit erheblich gesteigert.

Die Fig. 2 zeigt die Wirkung verschiedener, zur Beschichtung und Diffusion verwendeter Metalle. Eine BeO Scheibe ohne Überzug zeigte nach Bestrahlung mit 50 mß Gammastrahlen eine schlechte Wiedergabe der TSEE/Temperaturkennlinie, entsprechend der durchgehenden Linie der Fig. 2. Die primäre Spitze der Elektronenemission trat bei den Versuchsbedingungen (die Lage der Spitze hängt etwas von der Art des Zählers und der

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Erhitzungsgeschwindigkeit ab) nahe 300° auf. Eine während 20 Min. auf 550° vorerhitzte, mit Gold diffundierte BeO Scheibe zeigte eine leicht verbesserte TSEE-Ausgabe der Hauptspitze und eine Verringerung der Hochtemperaturspitzen, mit einer dem unbehandelten Material vergleichbaren Gesamtempfindlichkeit (etwa Maximum der Fig. l). Mit Pd und Pt diffundierte Scheiben erreichten die Hochtemperaturempfindlichkeit in 20 Min. zwar nicht, emittierten bei der Hauptspitze aber eine erheblich grössere Zahl von Elektronen.

Der Einfluss der Erhitzungsdauer ist am Beispiel von mit Palladium imprägnierten BeO Scheiben in der Fig. 3 veranschaulicht. Die Scheiben wurden mit unterschiedlicher Dauer und auf 500° vorerhitzt und mit 12,5 mR Gammastrahlen behandelt. Auch hier wurde bei Diffusionszeiten von etwa 50 - 130 Min. die Empfindlichkeit der Dosismesser erheblich verbessert.

Es wurde gefunden, dass die optimale Metallkonzentration an der Oberfläche bei kürzerer Diffusionsdauer oder niedrigerer Temperatur erzielt wird, wenn die anfängliche Metallschicht dünner ist. Für die Diffusionszeiten und -temperaturen des obigen Beispiels besteht eine maximale Empfindlichkeit für anfängliche Metallmengen von 10 - 100 /Ug/qcm.

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Weitere Versuche ergaben eine verbesserte Wärmebeständigkeit, wenn nicht nur die Diffusionstemperatur und/oder -dauer, sondern auch die Dicke erhöht wird. So haben z. B. Detektoren mit einem Platinüberzug von 1-2 mg/qcm bei Erhitzung während 10-20 Std. auf 1000 - 1500° die gleiche optimale Platinkonzentration an der Oberfläche und hohe Empfindlichkeit, wie bei der zuvor beschriebenen Behandlung, zeigen aber eine weit tiefere Durchdringung mit Metall in der Masse. Häufige Erhitzung dieser Detektoren auf die zur Dosisauswertung erforderlichen Temperaturen änderten ihre Eigenschaften nicht weiter. So bleibt z. B. die Spitzenempfindlichkeit dieser Detektoren mit tiefer Metalldurchdringung selbst bei weiterem Erhitzen nach Erreichen der Spitzenempfindlichkeit im wesentlichen konstant; die Spitzenempfindlichkeit nimmt also nicht wie im Falle der in den Fig. 1 dargestellten Beispiele ab.

Die Menge des Ausgangsmetalls ist nicht auf den Bereich von 10 - 100 /ug/qcm beschränkt, sondern kann aus dem Bereich von 10 - 10 /Ug/qcm, vorzugsweise 1-15 mg/qcm gewählt werden.

Nach weiterer Ausgestaltung der Metallbehandlung wird das Detektormaterial mit einer sehr dicken Metallschicht (grosser als 10 mg/qcm) überzogen, die empirisch ermittelte, optimale Diffusionsdauer und -temperatur angewendet und die restliche,

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nicht diffundierte Metallschicht entfernt, z. B. einfach abgepellt. Es verbleibt dann eine ausser dem diffundierten Teil metallfreie Oberfläche» Diese Detektoren zeigen in einigen Fällen besonders gute Empfindlichkeit und Wiedergabetreue. Bei Detektoren aus BeO Keramikschichten, die mit 15 mg/qcm Au überzogen, 3 Tage auf 800° erhitzt und von der restlichen Metallschicht befreit wurden, ergab sich eine mittlere Abweichung der Wiedergabe von 296. Die Ergebnisse sind bei Pd und Pt Überzügen bei höherer Empfindlichkeit ähnlich. Eine Verringerung der Metallmenge an der Oberfläche ist auch wegen der Energiewiedergabetreue (Überempfindlichkeit für Röntgenstrahlen) günstig. Aus diesem Grunde ist auch die Verwendung von Metallen niedrigerer Itomzahl wie Pd (Z » 46) günstiger als Pt (Z - 78) und Au (£ =* 79).

Die Wiedergabe der Strahlungsmesswerte der beschriebenen Detektoren ist der Dosis verhältnisgleich, aber geringer als linear. Bestrahlte Detektoren wurden ohne Schwund stundenlang im Vakuum, in Wasserdampf, Sauerstoff, Stickstoff und OO2 bei 100° übersteigenden Temperaturen gelagert. Ein Schwund kann aber auftreten, wenn die Lagertemperatur sich der Spitzentemperatur nähert.

Ausser der Hauptspitze der TSEE bei 280 - 3OO⁰ sind bei Keramikscheiben aus BeO bei erheblich höheren Temperaturen ein

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oder zwei weitere Spitzen zu beobachten. Experimentell erwiesen ist, dass Anlassen (Ablesen) der unteren Spitze die Dosisakkumulation bei diesen höheren Spitzen nicht beeinflusst. Die Spitze um 300° kann daher für eine Zwischenmessung benutzt werden, während die Hochtemperaturspitzen zur Dosismessung langfristiger Akkumulation oder zur Überprüfung wichtiger Dosismessungen, z. B. bei Strahlungsunfällen vorbehalten bleiben.

Ausser den erläuterten Beschichtungsmetallen sind weitere Metalle, wie z. B. Rhodium oder Osmium zur Steigerung der Empfindlichkeit geeignet. Die geeigneten Metalle sollen mit dem TSEE-Material nicht reagieren, durch die Behandlungstemperaturen bei Herstellung, Verwendung, Ablesung etc. chemisch nicht verändert werden und bei allen Temperaturen nicht flüchtig sein.

Ausser Keramikscheiben aus BeO sind auch Dosismesser aus anderem, entsprechend behandeltem keramischem Material, wie z. B. MgO und AIoO, geeignet. Ausser der Scheibenform sind andere Formen möglich. Das Material muss nur die Eigenschaften besitzen, die sich folgendermassen kennzeichnen lassen: feste, ionische Verbindungen, die bei den Einsatzbedingungen chemisch und gegebenenfalls thermisch beständig sind, Spitzen der SEE in einem bequemen, praktischen Temperaturbereich zei-

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gen (etwa 150 - 600°), entweder strukturbedingt von Haus aus oder nach Vorbehandlung durch Erhitzen, Bestrahlen oder Dotieren. Geeignet ist also jedes anorganische, ionisch-kristalline und möglichst wärmebeständige Material, das eine stimulierte Exoelektronenemission zeigt.

Eine vergleichbare Erhöhung der Empfindlichkeit ist bei Ablesung durch optische Stimulierung zu erwarten, z. B. mit einem Mikr ο strahlenbündel von intensivem Licht. In diesem Fall spielt die Wärmebeständigkeit bei der Auswahl des Emissionsund Sensibilisierungsmetalls keine ausschlaggebende Holle.

Die Dosismesser sind gut wärmebeständig, wenn auch zweckmässig die Vorbehandlungstemperatur bei der Messung nicht überschritten wird, um Empfindlichkeitsänderungen bei längerem, wiederholten Gebrauch zu vermeiden.

Das Metall kann auch auf andere Weise als durch Imprägnieren oder durch Diffusion, z. B. durch chemische Imprägnierung oder Zugabe bei der Herstellung im Dosismessermaterial dispergiert werden, wobei entsprechende Spitzenempfindlichkeiten zu erwarten sind, wie bei der Behandlung durch Aufbringen eines Metallüberzugs durch Diffusion.

Messbar sind die verschiedensten Strahlungen, wie z. B. Elektronenstrahlen aller Energiestufen, Ladungspartikel, Ultra-

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violettstrahlen, u. a. m. Günstige Anwendungsbereiche eröffnen sich z. B. bei der Strahlenschutzüberwachung, der Festkörpermikrodosismessung, dem Umgebungsschutz, der Darstellung der räumlichen Verteilung von Strahlungsfeldern usw. Gedacht werden kann auch an die Verwendung bei der Untersuchung der TSEE z. B. von Mondproben, der Untersuchung des photoelektrischen Effekts und der Oberflächeneigenschaften ionischer Kristalle.

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Claims

Pat ent an spruch

Verfahren zur Herstellung eines Strahlungsdosismessers für Exoelektronenemission mit erhöhter Empfindlichkeit und Wiedergabetreue, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche einer Beryloxidkeramik mit einem trägen, chemisch inaktiven Metall, insbesondere Palladium, Platin, oder Gold in einer Menge von 1-15 mg/qcm überzogen, zur Diffusion des Metalls durch wenigstens einen Teil der Keramik während 10 Stunden bis 3 Tage auf 800 - 1500° erhitzt und schliesslich die etwa verbleibende, undiffundierte Metallschicht entfernt wird.

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