DE2262073A1

DE2262073A1 - Anorganisches, glasiges detektormaterial

Info

Publication number: DE2262073A1
Application number: DE19722262073
Authority: DE
Inventors: Hans-Herbert Dipl-Phys Dr Kaes
Original assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Current assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Priority date: 1972-12-19
Filing date: 1972-12-19
Publication date: 1974-06-27
Also published as: FR2210580B1; DE2262073B2; FR2210580A1; GB1424255A; US3947282A; BE806939A; DE2262073C3

Description

UnMrZmdwn: A 1899 633 Wetzlar,den,1 3. Dez. 1972

Pat Bl/Pe

Anorganisches, glasiges Detektormaterial

Energiereiche Partikel - insbesondere schwere Ionen und Spaltprodukte - erzeugen beim Auftreffen bzw. Eindringen auf bzw. in Isolator-Materialien Spuren, die nach einem Behandeln mit"geeigneten Lösungs- oder Ätzmitteln beispielsweise unter einem Mikroskop sichtbar gemacht werden können. Neben der Anzahl der auftreffenden Teilchen ist vor allem die Energie der registrierten Partikel von Bedeutung.

So ist es zum Beispiel bekannt, daß die Spureneigenschaften in Festkörpern Rückschlüsse auf die Energie von senkrecht auftreffenden Teilchen gestatten. VgI₀ hierzu: H. Ait-Salem et al ins "Nuclear Instruments and Methods¹¹ 6£ (I968) 45; E. V. Benton et al in: »Nuclear Instruments and Methods" §J. 0969) 87 und G. Somogyi et al in: »Nuclear Instruments arid Methods" 6_2 (I968) I89. Als geeignete Meßgröße erweist sich hierbei der Ätz-Lochdurchmesser. Während man bei kleinen Atzzeiten nur eine geringe Änderung des Durchmessers in Abhängigkeit von der Spaltprodukten-Energie erhält, beobachtet man bei längeren Ätzzeiten ein deutliches Ansteigen des Ätz-Lochdurchmessers mit der Energie. Für eine derartige Anwendung sind Gläser den Kunststoffen, die eine -zu geringe Energieabhängigkeit aufweisen, bzw. Kristallen, die aufgrund ihrer Anisotropieeigenschaften unsymmetrische Löcher ergeben, überlegen (vgl. dazu: U. Höppner et al in: "Nuclear Instruments and Methods" Jh. 0969) 285).

Jjn allgemeinen sind die Ätzzeiten der mit Partikeln beaufschlagten Glas-Materialien jedoch beschränkt. Das

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liegt einerseits daran, daß durch das "Ausfransen" der Löcher, d.h. durch das Unregelmäßigwerden der angeätzten Einschlagstellen, eine exakte LochdurchmesserbeStimmung nicht mehr möglich ist, und φ. andererseits daran, daß die Spuren bei längeren Ätzzeiten so flach werden, daß sie wegen zu geringen oder sogar fehlenden Kontrastes im Mikroskop nicht mehr eindeutig ausgemessen werden können.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Material zu entwickeln, das eine hohe Energieauflösung dadurch gewährleistet, daß die auf das Material auftreffenden Partikel Schädigungsstellen in der Glasstruktur erzeugen, die sich deutlich von der unbetroffenen Umgebung unterscheiden. Außerdem soll der Ätzmechanismus derart verlaufen, daß tiefer eindringende - also energiereichere - Partikel breitere Löcher liefern und darüber hinaus sollen die Schädigungsstellen auch nach einem längeren Ätzvorgang angenähert kreisrunde Formen an der Oberfläche aufweisen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Detektormaterial aus einem Dreistoff-Grundsystem aufgebaut ist, das aus Metaphosphorsäure, Aluminiummetaphosphat und Zinkoxid in den folgenden Konzentrations-Grenzen in Gewichts-Prozenten besteht! 20 bis 6O HPO„, 30 bis 80 Al(PO₃)„ und 2 bis 30 ZnO.

Nach einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung kann das Material noch zusätzlich bis zu 10 Gew.-^ Si0„ und/ oder Bp^q enthalten. Darüber hinaus ist es aber auch aus glastechnologischen Gründen möglich, bis zu 5 Gew.-^o der üblichen Glaskomponenten - beispielsweise Oxide und/oder Metaphosphate - dem Dreistoff-Grundsystem zuzugeben.

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Es wurde gefunden, daß in Fluorgläsern und hochsilikathaltigen Gläsern, aber auch in hochlanthanhaltigen Gläsern die Spuren der auftreffenden Partikel nach dem Anätzen mit verschiedenen Ätzmitteln - wie Säuren oder
Basen - nur unbrauchbare Spuren hinterlassen. Deutlichere Spuren konnten dagegen schon bei Verwendung von geeigneten Ätzmitteln in Borat-Gläsern erhalten werden. Die
besten Resultate jedoch zeigten die erfindungsgemäßen
Materialien auf Phosphorsäure-Basis. Letztere zeigten
die weitaus höchste Energieabhängigkeit.

Die Gläser werden beispielsweise in einem Elektroofen im Platintiegel aus einer homogenen Einwaage bei 1200 bis
1400 C innerhalb von 30 bis 60 Minuten erschmolzen und
sodann in eine auf ca. 200 C vorgewärmte Metallplatte ausgegossen und anschließend spannungsfrei getemepert.

Aus den beigefügten Zeichnungen ergeben sich weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung; wobei die Figuren
folgendes veranschaulichen:

Fig. 1: Diagrammatische Darstellung des ternären Grundsystems ZnQ - Al(P0„)„ - HPOr. mit eingezeichnetem Glasigkeitsbereich;

Fig. 2: Lochdurchmesser nach verschiedenen Ätzzeiten in Abhängigkeit von der Energie;

Fig. 3ί Lochdurchmesser in Abhängigkeit von der Energie für verschiedene Materialien;

Fig. 4: EnergieVerteilungskurve von Spaltfragmenten für

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die spontane Kernspaltung von Cf;

Fig· 5: Energieverteilungskurve von Spaltfragmenten für die elektroneninduzierte Kernspaltung von ^ Th nach dem Ätzverfahren.

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Als Beispiel seien die Detektoreigenschaften an einem Glas demonstriert, das sich aus dem Dreistoff-Grundsysteni sowie zwei zusätzlichen Komponenten aufbaut:

ZnO	9,0	13,6
Al(PO₃J₃	3^,2	32,9
HPO₃	51,3	kk,5
^B2°3	h,5	7,9
SiO₀	1,0	2.1

Betrachtet man lediglich die drei Grundkomponenten, die in obigem Beispiel 91,0 Mol-% ausmachen, und normiert sie auf 100 ήα, so ergeben sich die folgenden Werte:

Mol-#	M0I-9&	Gew.-#
13,6 ZnO 32,9 Al(PO₃J₃ i kk,5 HPO₃ (Σ = 91$)	14,9 ZnO . 36,1 Al(PO₃J₃ „ 49,0 HPO (Σ = 100$)	6,8 ZnO _r 53,9 Al(PO₃J₃ 39,3 HPO₃ (Σ = 100$)

In der Fig. 1 ist das Dreistoff-Grundsystem ZnO - Al(PO_)_ HP0„ in Form eines ternären Diagramms dargestellt.

Die ausgezogene Linie a stellt die Grenze des Glasigkeitsbereiches einer 20g-Schmelze dar, wobei die ausgefüllten Punkte solche Gläser angeben, die außerhalb des Glasigkeitsbereiches liegen, die also mehr oder weniger ausgeprägte Kristallisationstendenzen aufweisen, während die nicht ausgefüllten Punkte für solche Gläser stehen, die keinerlei Auskristallisation aufweisen.

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Im schraffierten Bereich liegen die optimalen Gläser, Vielehe sich also besonders gut für die Verwendung als Detektormaterial eignen. Der eingezeichnete Punkt c innerhalb des Bereichs b stellt das oben genannte Einzelbeispiel dar, das nach Normierung der drei Hauptbestandteile auf 100$ in diese graphische Darstellung eingetragen wurde.

Dieses Glas wurde mit Spaltprodukten genau bekannter Masse und definierter Energie bestrahlt und anschließend mit zehn-normaler Natronlauge (10 η NaOH) 5000 Minuten lang bei einer Temperatur von 55 C geätzt. Bei niedrigeren Temperaturen verlängerte sich die Ätzzeit sehr stark; bei höheren Temperaturen wurden die Löcher jedoch nicht mehr kreisrund.

Die Genauigkeit, mit der Lochdurchmesser-Unterschiede mit lichtmikroskopischen Methoden noch aufgelöst werden können, ist im wesentlichen durch die mikroskopspezifischen Parameter gegeben und beträgt etwa ίθ,6|μη. Zur Ermittlung des mittleren Durchmessers der Löcher bei einer bestimmten Teilchenenergie wurden jeweils bis zu 100 Löcher ausgemessen.

In Figur 2 sind die erhaltenen Ergebnisse für schwere Spaltprodukte der Masse 135 AME - wobei AME für "Allgemeine Massen-Einheit" steht und die Protonenmasse angibt - und für leichtere Spaltprodukte der Massen 96 bzw. 102 AME angegeben. Der Lochdurchmesser ist nach verschiedenen Ätzzeiten als Funktion der Energie angegeben. Die. ausgefüllten Kreise stehen für die Spaltpro^dukte mit schwerer Masse (135 AME); die nicht ausgefüllten Kreise für die Spaltprodukte mit den leichteren Massen (96 bzw. 102 AME). Die jeweiligen Ätzzeiten (10 η NaOH, 55°C) nehmen von Beispiel 8 bis Beispiel 1 gemäß nachfolgender Aufstellung zu:

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Beispiel	Ätzzeit	inin
8	20
7	60
6	150
5	270
k	510
3	1020
2	25OO
1	5OOO

Man erkennt, daß noch Lochdurchmesser von bis zu I50 um problemlos auszuwerten sind, währenddessen bei bisher bekannten Detektormaterialien die Maximalgrenze bei ca lag.

Es konnte eine sehr gute Energieauflösung von 1,5 bis 2 MeV erhalten werden, die derjenigen von Festkörpersperrschichtzählern für Spaltprodukte entspricht. Weiterhin erkennt man aus Abb. 2, daß leichtere Massen bei gleicher Ätzzeit etwas größere Durchmesser liefern. Dieser unerwünschte Massen-"Effekt" ist jedoch im Vergleich zu demjenigen bei bekannten Detektormaterialien sehr klein.

Aus Fig. 3 wird die Überlegenheit der Energieauflösung des erfindungsgemäßen Glases gegenüber bekannten Materialien ersichtlich. Die nachfolgende Aufstellung gibt die einzelnen Materialien sowie die dazugehörenden Ätzbedingungen an:

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Bezugs- ziffer	Material	Ätzbedingungen
9 10 11 12	Collodium Objektträger glas Optisches Glas "PSK 53" erfindungsge mäßes Glas	5O°C; 30 min; 6 η NaOH 22°C; 100 min; 48#-ige HF 20°C; 70 min; 1/10 η HN0„ 55°C; 2100 min; 10 η NaOH

Man erkennt, daß die Größe des Lochdurchmessers bei den bekannten Detektor-Materialien Collodium, Objektträgerglas und ¹¹PSK 53" gar nicht bzw. nur unwesentlich ansteigt, wenn die Energie innerhalb eines Intervalls von 10 bis 90 MeV variierte

Demgegenüber zeigt das erfindungsgemäße Detektormatexrial eine eindeutig steilere Kurve und damit eine weitaus größere Abhängigkeit des jeweiligen Lochdurchmessers von der Partikel-Energie.

Es konnte überraschenderweise festgestellt werden, daß das Detektormaterial gemäß vorliegender Erfindung besonders dann den anderen bereits bekannten Detektor-Materialien - wie z.B. den Festkörpersperrschichtzählern — überlegen ist, wenn neben schweren Ionen noch ein zusätzlicher hoher Untergrund beispielsweise von Elektronen bzw. y-Q.uanten vorhanden ist, sofern die schweren Ionen gegenüber den Elektronen- bzw. y-Strahlen weitestgehend unempfindlich sind. Diese festgestellte Eigenschaft des erfindungsgemäßen Materials macht seine Anwendung für einen energieauflösenden Detektor für Partikel hoher Energie besonders vorteilhaft. So wurde das neue-Material etwa 20 Stunden lang im

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Abstand von etwa 3 ^cm i-ⁿ den Nahbereich eines Elektronenstrahls mit einer Intensität von 1 μΑ und einer Energie von IO MeV gebracht. Während andere Glassorten bei dieser Langzeiteinwirkung nach dem Ätzen völlig zerstört waren, trat bei dem erfindungagemäßen Glas lediglich eine geringfügige Rosa-Färbung auf. Spaltproduktspuren konnten nach einer derartigen Bestrahlung noch einwandfrei vermessen werden.

Als Beispiel für eine Anwendungsmöglichkeit des neuen Materials als energieauflösender Detektor sind in den Fig. k bzw. 5 die Energieverteilungskurven der Spaltfragmente für

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die spontane Kernspaltung von Cf und für die elektronen-

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induzierte Kernspaltung von Th dargestellt.

In Fig. k ist eine gestrichelte Kurve d eingezeichnet, die auf Messungen von Schmitt et al (vgl. "Physical Review" 137 B (I965) 837) mit Si-Festkörpersperrschichtzählem beruht. Man erkennt eine recht gute Übereinstimmung mit der aus einzelnen "Meßbalken¹¹ e bestehenden Meßwerte-Kurvee, die nach Ausweisung des angeätzten erfindungsgemäßen Detektormaterials erhalten werden konnte. Für die beiden jeweils vergleichbaren Peaks A bzw. B ergeben sich etwa die gleichen Halbwertsbreiten.

Auch die Kurve in Fig. 5 zeigt eine sehr gute Energieauflösung mit Halbwertsbreiten der beiden Peaks von 15 MeV und 16 MeV.

Bs hat sich auch gezeigt, daß es mit dem Detektormaterial gemäß vorliegender Erfindung beispielsweise möglich ist, Unterschiede in der Tiefe des Tals zwischen den beiden Peaks für verschiedene Elektronen-Energien festzustellen und daraus auf symmetrische oder asymmetrische Massenverteilungen bei der Kernspaltung zu schließen.

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Claims

9"■ A T 899 13.12.72 An Sprüche

1. Anorganisches glasiges Detektormaterial, dadurch gekennzeichnet, daß es sich auf ein Dreietoff-Grund&yetem aufbaut, das aus Metaphosphersäure, Aluminiumnietaphosphat und Zinkoxid in folgenden Konzentrationsgrenzen besteht:

20 bis 60 Gew.-^ HPO₃,
30 bis 80 Gew.-% Al(PO₃J₃,
2 bis 30 Gew.-i» ZnO.

2. Detektormaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es zusätzlich bis zu 10 Gew„-$ SiO₂ und/oder B„0„ enthält.

3« Verwendung eines Detektormateriale nach Anspruch 1 oder für die Energiebestimmung hooSienergetieeher Partikel.

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