DE2544356A1

DE2544356A1 - Szintillator-photokathoden-einheit

Info

Publication number: DE2544356A1
Application number: DE19752544356
Authority: DE
Inventors: Jacques Bourdel
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1974-10-04
Filing date: 1975-10-03
Publication date: 1976-04-15
Also published as: FR2287048A1; GB1529215A; JPS5162083A; FR2287048B1; NL7510983A

Description

COMMISSARIAT A L¹ENERGIE ATOMIQUE, Paris (Frankreich)

Szintillator-Photokathoden-Einheit

Die Erfindung betrifft eine Einheit aus im wesentlichen einem Szintillator und einer Photokathode, wie bei einem
Szintillationszähler, einem Szintillationsspektrometer, einem Szintilloskop u. dgl.

Bei herkömmlichen Vorrichtungen zur Erfassung oder zur Lokalisierung von Strahlungen, die einen Szintillator, beispielsweise einen Mineral- oder einen Kunststoff-Szintillator, einen festen oder flüssigen Szintillator, verwenden,
der mit einer Photokathode gekoppelt ist, geht ein erheblicher Prozentsatz der in der Masse des Szintillators erzeugten Photonen verloren; andererseits wird im allgemeinen eine Vergrößerung des Lichtflecks in Höhe der Photokathode erzeugt, was für bestimmte Vorrichtungen zur Lokalisierung
störend ist.

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Diese Nachteile ergeben sich aus der Art der hinteren Fläche oder Rückseite des Szintillators gegenüber der Photokathode, die die Photonen lediglich mehr oder weniger gut zur Photokathode zurücksendet oder reflektiert.

Ein Szintillator erfaßt Teilchen mittels Licht- oder Strahlungsemission, die in gewissen Werkstoffen durch den Durchtritt der die zu erfassende Strahlung bildenden ionisierenden Teilchen erzeugt wird bzw. die durch die Strahlung selbst erzeugt wird. Die Lichtblitze werden von den Atomen des Werkstoffs im Durchtrittsweg der ionisierenden Teilchen in der Zeit emittiert, die die Atome benötigen, um in ihren Grundzustand nach der Ionisation oder Erregung zurückzukehren.

Wenn auch die Lichtblitze mitunter für das bloße Auge im Dunklen in Form von Werkstoff-Szintillationen sichtbar sind, werden vorzugsweise Photo(elektronen)vervielfacher mit einer Photokathode oder Leuchtdichteverstärker verwendet, um die Lichtblitze zu erfassen und zu verstärken.

Wie das aus der weiter unten näher erläuterten Fig. 1 ersichtlich ist, bewegt sich etwa die Hälfte der in einem Szintillator erzeugten Photonen zur Photokathode und die andere Hälfte zur gegenüberliegenden Fläche, der hinteren oder Rückseite des Szintillators.

Bei herkömmlichen Szintillatoren ist die Rückseite mit einem Pulver oder mit einem streuenden weißen Anstrich versehen. Diese streuende Fläche vergrößert die Abmessungen des Lichtflecks, und außerdem wird in bestimmten Fällen ein großer Teil des Lichts durch diese Rückseite absorbiert.

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Es ist Aufgabe der Erfindung, die optischen Eigenschaften der Szintillator-Photokathoden-Einheit so auszugestalten, daß möglichst viele Photonen mit möglichst geringer Streuung zur Photokathode zurückgesendet oder reflektiert werden.

Die Aufgabe wird erfxndungsgemäß dadurch gelöst, daß die Rückseite des Szintillators gegenüber der Photokathode durch viele nebeneinander angeordnete Rückstrahler gebildet ist.

Dabei kann die Vorderseite des Szintillators ebenso ausgebildet sein.

Die Erfindung ist anwendbar insbesondere auf Szintillatoren für Röntgen-, Gamma- und Neutronen-Strahlen.

Die Erfindung verbessert also die optischen Eigenschaften einer Szintillator-Photokathoden-Einheit dadurch, daß der größte Teil der durch die punktförmigen Lichtquellen in der Masse des Szintillators erzeugten Photonen zur Photokathode gesendet bzw. zurückgesendet wird, wobei gleichzeitig die Abmessungen des Lichtflecks auf der Photokathode verringert wird.

Ein Rückstrahler ist dabei ein optisches System, durch das die Lichtstrahlen im wesentlichen in ihrer Einfallsrichtung zurückgesendet oder zurückgestrahlt werden.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Rückseite ein regelmäßiges Raster aus Elementar-Rückstrahlern auf, ist jeder Rückstrahler durch die Innenflächen eines rechtwinkligen Dreiflachs gebildet, liegen alle Spitzen der Dreiflachs des Rasters in der gleichen

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Ebene und ist jede Fläche des Dreiflachs begrenzt durch den Schnitt bzw. die Schnittlinie dieser Fläche mit den Flächen der umgebenden Dreiflachs in dem regelmäßigen Raster.

Die Rückseite kann ebenso durch eine unregelmäßige Anordnung von Elementar-Rückstrahlern mit drei (zueinander) rechtwinkligen Flächen mit verschiedenen Richtungen und ungleichen Abmessungen gebildet sein.

Die reflektierenden Flächen der Rückstrahler können durch Metallreflexion und/oder durch Totalreflexion wirken. Bei Metallreflexion ist der zur Bildung der Flächen verwen-^ dete Werkstoff abhängig von der Wellenlänge der im Szintillator erzeugten Photonen bestimmt. Beispielsweise sind Metallabdeckungen oder -beschichtungen aus Silber oder Aluminium möglich. Bei Totalreflexion werden Abdeckungen gewählt, die möglichst geringe Brechzahlen und guten Durchlässigkeitsgrad gegenüber der Wellenlänge der im Szintillator erzeugten Photonen besitzen.

Die reflektierenden Flächen der Rückstrahler können direkt in der Rückseite des Szintillators ausgebildet sein. In diesem Fall muß dieser Träger aus einem für die einfallende Strahlung durchlässigen Werkstoff bestehen, z. B. Kunststoff.

Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel sind die reflektierenden Flächen der Rückstrahler, die mittels Metallreflexion wirken, mit einer Schicht eines Körpers niedriger Brechzahl versehen, damit bei bestimmten Einfallswinkeln Totalreflexion auftritt, wodurch lediglich außerordentlich geringe Lichtmengen verlorengehen.

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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Rückseite durch eine Nebeneinanderanordnung von reflektierenden Flächen gebildet, die eine den Elementar-Rückstrahlern ähnliche oder
gleichwirkende Anordnung besitzen.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Einheit aus einem Szintillator und einem Photovervielfacher gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 den Strahlengang von optischen oder Lichtstrahlen, die von einer Punktquelle in der Masse des Szintillators erzeugt sind,

Fig. 3 den Strahlengang von optischen oder Lichtstrahlen abhängig von ihrem Einfallswinkel auf einer rückstrahlenden Fläche, die mit einer Schicht
niedriger Brechzahl bedeckt ist,

Fig. 4 eine rückstrahlende Fläche gemäß der Erfindung, die aus einem regelmäßigen Raster gebildet ist,

Fig. 5 perspektivisch das regelmäßige Raster gemäß
Fig. 4,

Fig. 6 eine rückstrahlende Fläche, die aus unregelmäßig bemessenen und gerichteten Rückstrahlern
besteht,

Fig. 7 eine rückstrahlende Fläche gemäß der Erfindung, die ein anderes regelmäßiges Raster aufweist.

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In Fig. 1 ist schematisch eine Vorrichtung gemäß der Erfindung dargestellt, mit einem Photovervielfacher 2, der durch eine Photokathode 4 abgedeckt ist, die in einen Szintillator 6 aus z. B. Natriumjodid eingebettet ist, das in einem Gehäuse 8 enthalten ist. Die Rückseite 10 des Szintillators 8 ist gemäß der Erfindung eine rückstrahlende Fläche, die das durch eine Punktquelle 12 erzeugte Licht zur Photokathode 4 gemäß dem Strahl 14 zurücksendet oder reflektiert.

In Fig. 2 sind Lichtstrahlen bzw. Strahlenverläufe verschiedener von einer Punktquelle 12 abgegebener Strahlen dargestellt. Die Strahlen treffen auf eine Glasschicht 16 der Photokathode 4 auf, die eine Abdeckung oder Beschichtung 18 aus einem Photoemissions-Werkstoff aufweist.

Die Fig. 2 ist eine Schnittansicht, wobei die rückstrahlende Fläche hier von einem regelmäßigen Raster aus Elementar-Rückstrahlern aus Innenflächen eines rechtwinkligen Dreiflachs mit Dreiecksbasis gebildet sind, wie das beispielsweise in Fig. 4 näher erläutert wird.

Ein Strahl 20 fällt unter dem Einfallswinkel i.. gegenüber der Senkrechten zur Ebene der Fläche 22, der kleiner als 45 ° ist, ein und wird in einer Richtung parallel zur Einfallsrichtung reflektiert oder zurückgestrahlt entsprechend dem dem einfallenden Strahl 20 zugeordneten Strahl

Im Gegensatz dazu unterliegt ein Strahl 26, dessen Einfallswinkel i₂ gegenüber der Senkrechten zur Ebene der Fläche 22 größer als 45 ° ist, einer einzigen Reflexion an der rückstrahlenden Fläche und wird gemäß dem Strahl 28 zur Photokathode 4 reflektiert. Diese Reflexionserscheinung für große Einfallswinkel hat zwei Vorteile, nämlich

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1) eine Konzentration des Lichtflecks; die durch die Ebene der Fläche 22 reflektierten Photonen bilden auf der Photokathode 4 eine gegenüber dem Bild durch die direkt eintreffenden Photonen (z. B. Strahl 27) im Durchschnitt kleineres Bild;

2) die reflektierten Strahlen wie der Strahl 28 nähern sich der Senkrechten 30 zur Ebene der Photokathode 4, wodurch sie auf die emittierende Schicht der Photokathode 4 auftreffen; bei vielen Einheiten kann, da dieser Einfallswinkel i_ nicht größer als der Einfallswinkel i. des direkten Einfalls ist, Totalreflexion an der Schnittstelle des Szintillators 6 mit der Glasschicht 16 auftreten, da große Brechzahl-Unterschiede zwischen dem szintillierenden Bereich und dem Glas bestehen (beispielsweise beträgt bei Natriumjodid die Brechzahl η = 1,85, bei Glas ist jedoch η = 1,5, wobei Totalreflexion ab 55° auftritt).

In Fig. 3 ist vergrößert im Ausschnitt der Verlauf von Lichtstrahlen dargestellt, die an einer rückstrahlenden Fläche reflektieren, die mit einer Schicht 32 niedriger Brechzahl bedeckt ist. Strahlen wie der Strahl 34 haben einen Einfallswinkel θ gegenüber der Senkrechten zur Rückseite 10, so daß Totalreflexion auftritt; Totalreflexion tritt auf, wenn der Einfallswinkel θ größer als der Totalreflexionswinkel Qq ist gemäß der Gleichung sin ©_Q = N₂ZN₁, mit N₂ = Brechzahl der Schicht 32, N- = Brechzahl des Szintillator-Werkstoffs. Die Totalreflexion ist vorteilhaft, da dabei kein Lichtverlust auftritt. Die Dicke der Schicht 32 kann sehr gering sein; sie muß jedoch ein Mehrfaches der Wellenlänge des einfallenden Lichtbündels bzw. -Strahls 34 sein, um den Tunneleffekt schwindender übertragung zu vermeiden.

Die Schicht 32 kann aus einem Gas, einer Flüssigkeit

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oder einem Festkörper niedriger Brechzahl bestehen. Der Szintillatorwerkstoff soll hohe Brechzahl besitzen. Für Natriumjodid und Luft beträgt der Totalreflexionswinkel θ_ ca. 32°. Strahlen, wie der Strahl 36, die stärker geneigt sind, unterliegen nicht dem Phänomen der Totalreflexion und werden wie der Strahl 38 gemäß den Gesetzen der Spiegelreflexion an der Metallfläche der Rückseite reflektiert.

In Fig. 4 ist eine rückstrahlende Fläche gemäß der Erfindung dargestellt, dJLe aus Rückstrahlern 40 mit dreieckiger Grundfläche zusammengesetzt ist, wobei die reflektierenden Flächen der Rückstrahler 40 die Flächen eines rechtwinkligen Dreiflachs sind.

In Fig. 5 ist die gleiche reflektierende Fläche perspektivisch dargestellt.

Das von der rückstrahlenden Fläche zurückgestrahlte oder reflektierte Licht bildet keinen homogenen Fleck auf der Photokathode 4, sondern eine sehr große Zahl kleiner Flecken, die an Symmetrieachsen 60° und 120° verteilt sind, wobei mehrere Hundert solcher kleiner Flecke vorhanden sind. Bei vielen Anwendungsbeispielen zur Erfassung oder Lokalisation ist diese Erscheinung nicht störend; im gegenteiligen Fall kann die rückstrahlende Fläche durch Teile von Elementarwürfeln mit verschiedenen Abmessungen und Ausrichtungen gebildet sein, wie das in Fig. 6 dargestellt ist.

In Fig. 7 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei dem die rechtwinkligen Elementar-Dreiflachs gemäß einem regelmäßigen Raster angeordnet sind, das anders ist als das gemäß der Fig. 5. In der Aufsicht der Fläche des rüekstrahlenden Rasters ist ein rechtwinkli-

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ges Elementar-Dreiflach 44 dargestellt, wobei die Schnittstelle bzw. Schnittlinie jedes rechtwinkligen Dreiflachs 44 mit den angrenzenden Dreiflachs 44 ein Polygon mit sechs Seiten 46 begrenzt. Wie sich aus Fig. 7 ergibt, ist bei dem regelmäßigen Raster jedes Dreiflach 44 gegenüber dem Nachbarn durch Translation (rück-)versetzt, während gemäß Fig. 5 jedes Dreiflach gegenüber dem Nachbarn durch Translation und durch Rotation um 120° um die Achse des Dreiflachs (rück-)versetzt ist.

Diese verschiedenen Hohlwürfel-Teile können durch beispielsweise mechanisches (Ein-)Drücken auf bzw. in eine Blei-Zinn-Legierung erhalten werden. Dazu kann ein Dorn oder Stempel mit Hin- und Herbewegung und mit Drehbewegung verwendet werden, der sich über die gesamte Fläche der Blei-Zinn-Legierung bewegt. Das Ende oder die Spitze des Stempels ist ein Würfelteil oder Würfeleck aus geschliffenem oder Kristallglas, und der Betrieb kann unter einem inerten Gas oder einer inerten Flüssigkeit erfolgen, um jede chemische Veränderung der Oberfläche zu vermeiden. Da die Oberfläche der Legierung ebenfalls blankpoliert oder geschliffen ist, bildet der durch Drücken des Stempels gebildete Eindruck oder die Vertiefung einen optisch sehr reinen oder sauberen Elementar-Rückstränier. Es kann ein regelmäßiges Raster gemäß Fig. 4 erhalten werden oder auch ein unregelmäßiges Raster gemäß Fig. 6, durch zufälliges Eindrücken in die gesamte Fläche der Blei-Zinn-Legierung. Dieses Raster bzw. diese Matrix kann danach nachgebildet werden durch Gießformen oder durch Elektroformung.

Neben dem-Stempeln oder Drücken kann die rückstrahlende Fläche auch auf andere, unterschiedliche Weise erhalten werden, nämlich

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durch Kunststoff-Gießformen mit Vakuummetalllisierung, wobei das aufgetragene Metall Silber oder Aluminium entsprechend der durch den Szintillator emittierten Wellenlänge ist,

durch eine Nickelfläche, die entweder durch Elektroformung ausgehend von einer Matrix aus rostfreiem Stahl, die mechanisch hergestellt und elektrolytisch geglättet ist, oder ausgehend von einer Matrix aus Glas mit Vakuumniederschlag von Chrom erhalten wird,

durch direkte Fertigung auf dem Szintillator und durch anschließende Vakuummetallisierung des Szintillators auf dem gefertigten Teil,

durch direkte Gießformung des Szintillators und durch anschließende Vakuummetallisierung.

Die Rückseite des Szintillators kann auch durch eine AneinanderOrdnung von unregelmäßigen Flächen gebildet sein, die eine Form ähnlich der von Elementarrückstrahlern besitzen und folglich ähnliche Reflexionseigenschaften, insbesondere bei großen Winkeln, aufweisen. Diese Flächen können beispielsweise durch Drücken mittels geeignet geformter Stempel oder durch Sandstrahlen mittels Körner geeigneter Form erreicht werden.

Schließlich können die optischen Eigenschaften der Szintillator-Photokathoden-Einheit noch dadurch verbessert werden, daß der Austrittsfläche des Szintillators 6 eine der Eintrittsfläche identische Form gegeben wird. Die Kombination der Reflexionen an den beiden Flächen, die so den Szintillator 6 begrenzen, ermöglicht es, Photonen zur photoempfindlichen Schicht zu führen, die sonst durch Totalreflexion an der Schnittstelle oder Schnittfläche zwischen dem Szintillator 6 und der Glasschicht 16 verlorengehen würden.

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Claims

Patentansprüche

/ 1 . ^Szintillator-Photokathoden-Einheit, dadurch gekennzeichnet,

daß die Rückseite (10) des Szintillators (6) gegenüber der Photokathode (4) durch viele nebeneinander angeordnete Rückstrahler (40, 44) gebildet ist.
2. Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorderseite des Szintillators (6) ebenfalls durch viele nebeneinander angeordnete Rückstrahler gebildet ist*
3. Einheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Rückstrahler (40, 4 4) durch die Innenflächen eines rechtwinkligen Dreiflachs gebildet ist.
4. Einheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstrahler in einem regelmäßigen Raster angeordnet sind, daß die Spitzen (42) der rechtwinkligen Dreiflachs in der gleichen Ebene angeordnet sind, daß deren Symmetrieachsen parallel sind, und daß die Flächen jedes Dreiflachs in ihrer Ausdehnung durch den Schnitt der Flächen mit denen der benachbarten Dreiflachs begrenzt sind.
5. Einheit nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch ein regelmäßiges Raster gemäß Fig. 5, bei dem die Dreiflachs dreieckige Grundflächen haben, wobei benachbarte Grundflächen um 120° gedreht sind.
6. Einheit nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch ein

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regelmäßiges Raster der rechtwinkligen Dreiflachs gemäß Fig. 7, bei dem die Dreiflachs dreieckige Grundflächen haben und benachbarte Grundflächen ohne Drehung zueinander versetzt sind.
7. Einheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstrahler in einem unregelmäßigen Raster angeordnet sind, daß die Symmetrieachsen der rechtwinkligen Dreiflachs beliebig ausgerichtet sind, und daß die Flächen jedes Dreiflachs in ihrer Ausdehnung durch den Schnitt der Flächen mit denen benachbarter Dreiflachs begrenzt sind (Fig. 6).
8. Einheit nach einem der Ansprüche 3-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenflächen der rechtwinkligen Dreiflachs Metallflächen sind.
9. Einheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenflächen mit einem Werkstoff niedriger Brechzahl beschichtet sind (Fig. 3).
10. Einheit nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenflächen aus einem Metall, wie Silber oder Aluminium, bestehen.

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