DE2262073C3

DE2262073C3 - Anorganisches energieauflösendes Detektormaterial auf der Basis eines Pj O5 -Al2 O3 -ZnO-Glases und seine Verwendung

Info

Publication number: DE2262073C3
Application number: DE2262073A
Authority: DE
Inventors: Hans-Herbert Dipl.-Phys. Dr. 6301 Wetzlar 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: 1978-04-06
Also published as: FR2210580A1; DE2262073B2; FR2210580B1; GB1424255A; US3947282A; BE806939A; DE2262073A1

Description

Energiereiche Partikeln — insbesondere schwere Ionen und Spaltprodukte — erzeugen beim Auflreffen ^j 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 regisfierten Partikel von Bedeutung.

So ist es zum Beispiel bekannt, daß die Spureneigenschaften in Festkörpern Rückschlüsse auf die Energie von senkrecht auftreffenden Teilchen gestatten. Vergleiche hierzu: H. Ait-Salem t al. in: »Nuclear Instruments and Methods« 60 (1968) 45; E. V. B e η t ο η et al. in: »Nuclear Instruments and Methods« 67 (1969) 87 und G. Somogyi et al. in: »Nuclear Instruments and Methods« 63 (1968) 189. Als geeignete Meßgröße erweist sich hierbei der Ätz-Lochdurchmesser. Während man bei kleinen Ätzzeiten 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« 74 [1969] 285).

Im allgemeinen sind die Ätzzeiten der mit Partikeln beaufschlagten Glas-Materialien jedoch beschränkt. Das 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 andererseits daran, daß die Spuren bei längeren Ätzzeiten so flach werden, daß sie wegen zu geringen oder sogar fehlenden Kontrastes im Mikroskop nicht mehr f>o eindeutig ausgemessen werden können.

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

Diese Aufgabe wird durch ein Glas auf der Basis von P₂O₅-AI₂O₃-ZnO zur Verwendung als anorganisches energieauflösendes Detektormaterial erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß es aus einem Gemenge erschmolzen ist, das aus Metaphosphorsäure, Aluminiummetaphosphat und Zinkoxid besteht und zusätzlich Silizium- und Boroxid enthält, wobei folgende Konzentrationsgrenzen eingehalten sind:

20-60 Gew.-% HPO₃
30-78 Gew.-% AI(PO₃J₃

2-30 Gew.-% ZnO
sowie zusätzlich

bis 10Gew.-% B₂O₃ und/oder SiO₂.

Mit Vorteil kann das erfindungsgemäße Detektormaterial für die Energiebestimmung hochenergetischer Partikeln verwendet werden.

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. 200⁰C vorgewärmte Metallplatte ausgegossen und anschließend spannungsfrei getempert.

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

Fig. 1 Diagrammatische Darstellung des ternären Grundsystems ZnO-Al(PO₃J₃-HPO₃ mit eingezeichnetem Glasigkeitsbereich,

F i g. 2 Lochdurchmesser nach verschiedenen Ätzzeiten in Abhängigkeit von der Energie,

F i g. 3 Lochdurchmesser in Abhängigkeit von der Energie für verschiedene Materialien,

F i g. 4 Energiever/eilungskurve von Spaltfragmenten für die spontane Kernspaltung von ²⁵²CF,

F i g. 5 Energieverteilungskurve von Spaltfragmenten für die elektroneninduzierte Kernspaltung von ²³²Th nach dem Ätzverfahren.

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

	Gew.-%	Mol-%
ZnO	9,0	13,6
AI(IO₁),	34,2	32,9
11PO,	51,3	44,5
B₂O₁	4,5	7,9
SiO₂	1,0	2,1
Betrachtet man	lediglich die	drei Grundkomponen-
ten, die in obigem	Beispiel 91,0	Mol-% ausmachen und

normiert sie auf 100%, so ergeben sich die folgenden Werte:

Mül-%

Gew.-%

13,6ZnO
32,9 AI(PO₁),
44,5 HPO,

(X= 91%)

14,9 ZnO

a 36,1 AI(PO₁),

49,0 HPO₁

(Σ = 100%)

6,8 ZnO
53,9 AI(PO₃),
39,3 HPO₁

[Σ = 100%)

Dreistoff-Grundsystem hörm eines ternären Diain der Fig. 1 ist das
ZnO-AI(PO₃)J-HPO₃ in F,
gramms dargestellt.

Die ausgezogene Linie a stellt die Grenze des Glasigkeitsbereiches einer 20-g-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.

Im schraffierten Bereich liegen die optimalen Gläser, welche sich also besonders gut für die Verwendung als Detektormaterial eignen. Der eingezeichnete Punkt c innerhalb des Bereichs b stellt das obengenannte 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 (1On-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 ± 0,6 μπι. Zur Ermittlung des mittleren Durchmessers der Löcher bei einer bestimmten Teilchenenergie wurden jeweils bis zur 100 Löcher ausgemessen.

In Fi g. 2 sind die erhaltenen Ergebnisse für schwere Spaltprodukte der Masse 135 AME — wobei AME für »Allgemeine Massen-Einheit« Steht jnd 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. Pie ausgefüllten Kreise stehen für die Spaltprodukte mit schwerer Masse (135 AME); die nicht ausgefüllten Kreise für die Spaltprodukte mit den leichteren Massen (96 bzw. 102 AME). Die jeweiligen Ätzzeiten (1On-NaOH, 55°C) nehmen von Beispiel 8 bis Beispiel 1 gemäß nachfolgender Aufstellung zu:

ßcispicl

Ätzzeit
(min)

20

60

150

270

510

1020

2500

5000

Man erkennt, daß noch Lochdurchmesser von bis zu 150u.m problemlos auszuwerten sind, vührenddessen bei bisher bekannten Detüktormaierialien die Maximaigrenze bei ca 50 μιη lag.

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

Aus F i g. 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:

Be-	Material	Ätzbedingungen
ZUgS-
/ilTer
9	Collodium	50 C; 30 min; 6n-NaOM
10	Objekttriigerglas	22 C; 100min;48%ige Hf-"
11	Optisches Glas	20 C; 70 min; '/iun-HNO,
	»PSK 53«
12	Erfindungsge	55 C; 210C min; 1On-NaOH
	mäßes Glas

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

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

Fs 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 n~ben schweren Ionen noch ein zusätzlicher hoher Untergrund beispielsweise von Elektronen bzw. y-Quanten vorhanden ist, sofern die schweren Ionen gegenüber den Elektronenbzw. 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 Abstand von etwa 3 cm in den Nahbereich eines Elektronenstrahls mit einer intensität von 1 μΑ und einer Energie von 10MeV gebracht. Während andere Glassorten bei dieser Langzeiteinwirkung nach dem Ätzen völlig zerstört waren, trat bei dem erfindungsgemäße" Glas lediglich eine geringfügige Tosa-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.4 bzw. 5 j'e En^rgieverteilungskurven der Spaltfragmente für die spontane Kernspaltung von ²⁵²Cf und für die elektioneninduzierte Kernspaltung von ²¹²Th dargestellt.

In Fi g. 4 isl eine gestrichelte Kurve ι/eingezeichnet, die auf Messungen von Schmm et al. (vgl. »Physical Review« 137 B [l%5] 837) mit Si-Fcstkörpersperrschicht/ahlern beruht. Man erkennt eine recht gute Übereinstimmung mit der aus einzelnen »Mel3balken« c bestehenden Meßwerte-Kurve, die nach Auswertung des angeätzten erfindiingsgemäßen Detektornmtorials erhalten werden konnten. Für die beiden jeweils vergleichbaren Peaks Λ bzw. B ergeben sich etwa die gleichen H a Ib wertsbreit en.

Auch die Kurve in F i g. 5 zeigt eine sehr Hnergieauflösiing mit I lalbwertsbreiten der I: Peaks von 15 McV und 16 MeV.

Hs hat sich auch gezeigt, daß es mit Detektonnatcrial gemäß vorliegender Frlindun) spielsweise möglich ist. Unterschiede in der "Fiel Tals zwischen den bnden Peaks für verschi Flektronen-Energien festzustellen und daraui symmetrische oder asymmetrische Massenverteili bei der Kernspaltung zu schließen.

HNiü /.cicliiiiiiiiien

Claims

Patentansprüche:

1. Glas auf der Basis von P₂O₅-AL₂O₃-ZnO zur Verwendung als anorganisches energieauflösendes Detektormaterial, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einem Gemenge erschmolzen ist, das aus Metaphosphorsäure, Aluminiummetaphosphat und Zinkoxid besteht und zusätzlich Bor und/oder Siliziumoxid enthält, wobei folgende Konzentrationsgrenzen eingehalten sind:

20-60 Gew.-% HPO₃
30-78 Gew.-% AI(PO₃J₃
2-30 Gew.-% ZnO

sowie zusätzlich bis 10 Gew.-% B₂O₃ und/oder SiO₂.

2. Verwendung eines Detektormaterials nach Anspruch 1 für die Energiebestimmung hochenergetischer Partikeln.