DE3542306A1 - Doppeldetektor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Doppeldetektor zur getrenn­ ten und gleichzeitigen Messung von Alphastrahlung und Betastrahlung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zur Messung von Alphastrahlung und Betastrahlung eignen sich Gasionisationszähler. Gasionisationszähler bestehen allgemein aus einer gasgefüllten Ionisationskammer mit einem Folienfenster für den Strahlungseintritt. In der Kammer ist ein als Anode dienender Zähldraht angeordnet. Als Kathode dient das Gehäuse der Kammer oder das Folien­ fenster, gegebenenfalls auch um die Anode angeordnete Gitter, vorzugsweise hinter dem Folienfenster angeordnet. An die Anode und die Kathode wird eine Spannungsquelle angeschlossen. Beim Durchgang geladener Teilchen durch das Gas werden die Gasmoleküle ionisiert. Aufgrund des elektrischen Feldes wandern die Elektronen zur Anode und die positiv geladenen Ionen zur Kathode. Mit Hilfe einer Auswerteschaltung kann der durch die Ionisation bewirkte Spannungsimpuls an den Elektroden oder der durch die er­ zeugten Ionen und Elektronen bewirkte mittlere Strom zwi­ schen den Elektroden gemessen werden. Die Impulszählrate bzw. der Strom ist ein Maß für die Intensität der in die Ionisationskammer eindringenden ionisierenden Teilchen.

Bei Alphateilchen handelt es sich um zweifach positiv geladene Heliumkerne, welchen diskrete Energiewerte zu­ geordnet sind. Bei Betateilchen kann es sich um Posi­ tronen oder Elektronen handeln. Den Betateilchen sind keine diskreten Energiewerte, sondern ein Energiespektrum mit einem bestimmten Energiemaximum zugeordnet, abgesehen von Konversionselektronen, die mit diskreten Energien emittiert werden. Diese unterschiedlichen Eigenschaften können zur spezifischen Messung mittels der Gasionisa­ tionskammer ausgenutzt werden. Abhängig von der an die Elektroden angelegte Spannung wird die Gasionisations­ kammer entweder im Ionisationsbereich oder im Proportio­ nalbereich betrieben. Im Ionisationsbereich ist die Span­ nung und der Gasdruck gerade so groß gewählt, daß die durch Ionisation entstehenden und in Richtung der Anode beschleunigten Elektronen auf ihrem Weg keine weiteren Gasmoleküle ionisieren. Die Auswerteschaltung spricht lediglich auf die Primärionisation an und ermöglicht den Nachweis stark ionisierender Teilchen, wie zum Beispiel Alphateilchen.

Im Proportionalbereich wird die Spannung so groß ge­ wählt, daß die Primärelektronen auf dem Weg zur Anode weitere Gasmoleküle ionisieren. Es entsteht eine Elek­ tronenlawine, die sich vom Ionisationsort aus zur Anode ausbreitet. Der aufgrund dieses auch mit Gasverstärkung bezeichneten Effekts an den Elektroden entstehende Impuls ist ein Maß für die Teilchenzahl und erlaubt damit die Messung von Betastrahlung.

Radioaktive Strahlungsquellen emittieren vielfach sowohl Alpha- als auch Betastrahlung. Beide Strahlungsarten können im Prinzip mit derselben Gasionisationskammer be­ stimmt werden, wenn diese durch geeignete Anpassung der Spannung nacheinander im Ionisationsbereich und im Pro­ portionalbereich betrieben wird. Nachdem im Ionisations­ bereich die Alphastrahlung gemessen wurde, wird die Spannung für die Messung der Betastrahlung bis in den Proportionalbereich erhöht. Da das Meßergebnis im Pro­ portionalbereich aber auch von Alphateilchen beeinflußt wird, muß die Zählrate der ersten Messung mit einem Korrekturfaktor versehen und von der Zählrate der zwei­ ten Messung abgezogen werden, um die tatsächliche Beta­ aktivität zu erhalten. Die Meßfehler dieser Meßmethode sind vergleichsweise groß.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Doppeldetektor zur getrennten Messung von Alphastrahlung und Betastrahlung einer beide Strahlungen emittierenden Quelle anzugeben, die eine vergleichsweise genaue Bestimmung der beiden Strahlungen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Im Rahmen der Erfindung werden zwei Gasionisationskam­ mern benutzt, die in Strahlungsrichtung hintereinander angeordnet sind. Die der Strahlungsquelle zugewandte Gasionisationskammer wird im Ionisationsbereich betrie­ ben und mißt die Alphaaktivität. Der Boden dieser Kammer bildet das Eintrittsfenster der zweiten Gasionisations­ kammer, die im Proportionalbereich betrieben wird und die Bestimmung der Betaaktivität ermöglicht. Es wird ausgenutzt, daß Betastrahlung eine größere Reichweite hat als Alphastrahlung, so daß die Alphastrahlung zwar in die Alphakammer, nicht aber in die Betakammer ein­ dringen kann. Der Anteil der Alphastrahlung am Meßer­ gebnis der Betakammer kann auf diese Weise erheblich verringert und die Genauigkeit des Meßergebnisses der Betakammer verbessert werden.

Die Alphakammer einschließlich des Folienfensters der Betakammer ist vorzugsweise so bemessen, daß die Alpha­ strahlung im wesentlichen vollständig innerhalb der Alphakammer absorbiert wird. Die Strahlungsabsorption der Alphakammer hängt in erster Linie von der Gesamt­ flächendichte der beiden von der Strahlung zu durch­ dringenden Folienfenster und der Gasschicht zwischen den Folienfenstern ab. Die Gesamtflächendichte liegt zweck­ mäßigerweise über 6 mg/cm² und vorzugsweise bei etwa 7 mg/cm². Die Flächendichte bezeichnet hierbei das auf die Fläche bezogene Gewicht des von der Strahlung zu durchdringenden Materials.

Um die Alphastrahlung einerseits beim Eintritt in die Alphakammer möglichst wenig zu schwächen, andererseits aber sicherzustellen, daß keine Alphastrahlung in die Betakammer gelangt, haben sich mehrere Maßnahmen als zweckmäßig erwiesen. Zum einen ist das die Alphakammer nach außen hin abdeckende Eintrittsfolienfenster mög­ lichst dünn, wobei es zweckmäßigerweise dünner ist, als das die beiden Kammern trennende Trennfolienfenster. Das Trennfolienfenster ist bevorzugt mehr als doppelt so dick als das Eintrittsfolienfenster. Eine weitere be­ vorzugte Maßnahme besteht darin, das Trennfolienfenster aus einem Folienmaterial herzustellen, welches eine höhere, vorzugsweise eine mehr als dreifach höhere Flächendichte hat als das Material des Eintrittsfolien­ fensters. Die Dicke des Eintrittsfolienfensters ist zweckmäßigerweise kleiner als 0,01 mm und insbesondere kleiner als 0,006 mm. Die Flächendichte des Eintritts­ folienfensters ist bevorzugt kleiner als etwa 1,5 mg/cm² und insbesondere kleiner als etwa 1,0 mg/cm².

Die beiden Kammern können an gesonderte, unabhängig von­ einander druckregelbare Zählgasquellen angeschlossen sein. Um den Konstruktionsaufwand gering zu halten, sind die beiden Kammern jedoch vorzugsweise für den Durchfluß des Zählgases in Serie geschaltet. Das Zählgas wird zweckmäßigerweise der Betakammer zuerst zugeführt.

Im folgenden soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt schematisch einen Doppeldetektor zur getrennten Messung von Alphastrahlung und Betastrahlung einer beide Strahlungen gemeinsam emittierenden Quelle.

Der Doppeldetektor umfaßt zwei in Strahlungsrichtung 1 hintereinander angeordnete Gasionisationskammern 3, 5, die in einem gemeinsamen elektrisch leitenden, als Kathode wirkenden Gehäuse 7 durch ein Trennfolienfenster 9 voneinander getrennt sind. Das Trennfolienfenster 9 bildet zugleich den Boden der zur Strahlungsquelle hin gelegenen, durch ein Eintrittsfolienfenster 11 abge­ schlossenen Gasionisationskammer 3. Die Folienfenster 9, 11 bestehen aus elektrisch leitendem Material oder einer mit elektrisch leitendem Material beschichteten Kunst­ stoffolie, oder aber sie bestehen aus einer Kunststoff­ folie, hinter welcher ein mit dem Gehäuse 7 verbundenes Nullgitter angeordnet ist. Von Isolatoren 13, 15 gehal­ ten, ist, wie bei Großflächenproportionaldetektoren üb­ lich, in den Gasionisationskammern 3, 5 jeweils ein ge­ gebenenfalls meanderförmig oder in einer sonstigen Flä­ chenkonfiguration angeordneter Zähldraht 17 bzw. 19 auf­ gespannt. Der Zähldraht 17 der Ionisationskammer 3 ist über einen Schutzwiderstand 21 an eine erste positive Spannungsquelle 23 und über einen Gleichspannungs- Entkopplungskondensator 25 an einen ladungsempfindlichen Vorverstärker 27 angeschlossen. Der Ausgang des Vorver­ stärkers 27 ist mit einer Auswerteschaltung 29 verbunden. Der Zähldraht 19 der Gasionisationskammer 5 ist über einen Widerstand 31 mit einer zweiten positiven Spannungsquelle 33 und über einen Gleichspannungstrenn­ kondensator 35 mit einem spannungsempfindlichen Vorver­ stärker 37 verbunden. An den Vorverstärker 37 ist eine Auswerteschaltung 39 angeschlossen. Über ein Regelventil 41 wird der Gasionisationskammer 5 das von der zu mes­ senden Strahlung zu ionisierende Zählgas zugeführt. Die Kammer 5 ist über eine Leitung 43 mit der Kammer 3 ver­ bunden, die ihrerseits einen mittels eines Drosselven­ tils 45 justierbaren Drosselauslaß für das Zählgas hat.

Der Zählgasdruck in der Gasionisationskammer 3 und die Spannung der Spannungsquelle 23 sind so gewählt, daß die Kammer 3 im Ionisationsbetrieb arbeitet. Die Kammer 3 liefert damit der Alphastrahlung entsprechende, durch die Primärionisation bestimmte Zählimpulse an die Aus­ werteschaltung 29. Der Gasdruck in der Kammer 5 und die Spannung der Spannungsquelle 33 sind ferner so gewählt, daß die Kammer 5 im Proportionalbetriebsbereich arbei­ tet. Die an den Zähldraht 19 der Kammer 5 angeschlossene Auswerteschaltung 39 liefert damit der Betaaktivität entsprechende Ergebnisse. Die Auswerteschaltungen 29, 39 weisen hierzu herkömmliche Impulsdiskriminatoren, bei­ spielsweise Einkanaldiskriminatoren, zur Auswahl und Um­ wandlung der Impulse in Digitalsignale auf.

Die der Strahlungsquelle zugewandte, der Alpha-Messung dienende Kammer ist so bemessen, daß lediglich die Beta­ strahlung die Kammer 5 erreicht, nicht jedoch die Alpha­ strahlung. Hierzu ist das Eintrittsfolienfenster 11, das Trennfolienfenster 9 und die zwischen diesen beiden Fen­ stern eingeschlossene Zählgasschicht so bemessen, daß die gesamte Flächendichte mehr als 6 mg/cm², vorzugs­ weise etwa 7 mg/cm², beträgt. Das Eintrittsfolienfenster ist moglichst dünn, beispielsweise dünner als 0,01 mm, vorzugsweise dünner als 0,006 mm, und hat eine Flächen­ dichte, die kleiner ist als etwa 1,5 mg/cm², vorzugs­ weise kleiner als etwa 1,0 mg/cm². Der Eintritt der Alphastrahlung und der Betastrahlung in die Kammer 3 wird deshalb nur geringfügig behindert. Das Trennfolien­ fenster 9 ist wenigstens doppelt so dick wie das Ein­ trittsfolienfenster 11 und hat eine Flächendichte, die wenigstens dreimal so groß ist wie die Flächendichte des Eintrittsfolienfensters 11. Das Eintrittsfolienfenster 11 muß gasdicht sein und kann, da Fotoeffekte in der Alphakammer 3 keine Bedeutung haben, lichtdurchlässig sein, sofern das Trennfolienfenster 9 lichtundurchlässig ist. Allgemein gilt für das Material des Trennfolienfen­ sters 9, daß es Alphateilchen um ein Mehrfaches stärker absorbieren soll als Betateilchen. Es sollte deshalb eine möglichst hohe Flächendichte haben.

Der Doppeldetektor arbeitet mit herkömmlichem Zählgas, beispielsweise P 10, d.h. einer Mischung von 90% Argon und 10% Methan. Der Gasdruck in den Kammern 3, 5 kann beispielsweise bei 105 KPa (50 mbar Überdruck) liegen. Die Spannung der Spannungsquelle 23 liegt zweckmäßiger­ weise zwischen 50 und 100 V, die Spannung der Spannungs­ quelle 33 zwischen 1 und 2 kV. Als Material für das Eintrittsfolienfenster 11 eignet sich zum Beispiel mit Gold aber auch Aluminium beschichtete Kunststoffolie, beispielsweise aus Hostaflon mit einer Flächendichte von 0,44 mg/cm² und einer Dicke von 0,005 mm. Für das Trenn­ folienfenster 9 eignen sich ebenfalls gold- oder alu­ miniumbeschichtete Kunststoffolien, insbesondere aus Hostaflon, mit einer Flächendichte von wenigstens 1,9 mg/cm² und einer Dicke von wenigstens 0,015 mm. Die Dicke kann umso geringer sein, je höher das Atomgewicht des Folienmaterials oder seiner Beschichtung ist.

Claims (10)

1. Doppeldetektor zur getrennten Messung von Alphastrah­ lung und Betastrahlung, mit zwei Gasionisationskammern, von denen jede ein Folienfenster (9, 11) für den Strah­ lungseintritt und wenigstens einen isoliert in der Kammer (3, 5) angeordneten, mit einer Spannungsquelle (23, 33) und einer Auswerteschaltung (29, 39) verbundenen Zähl­ draht (17, 19) aufweist, wobei die Spannungen der Span­ nungsquellen (23, 33) so bemessen sind, daß eine der Kammern (3) zur Messung von Alphastrahlung im Ionisa­ tionsbetriebsbereich und die andere Kammer (5) zur Messung von Betastrahlung im Proportionalbetriebsbereich arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß das Folienfenster (9) der Betakammer (5) den in Einstrah­ lungsrichtung dem Eintrittsfolienfenster (11) der Alphakammer gegenüberliegenden Boden der Alphakammer (3) bildet und die beiden Kammern (3, 5) voneinander trennt.

2. Doppeldetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Alphakammer (3) einschließlich des Folienfen­ sters (9) der Betakammer (5) so bemessen sind, daß Alphastrahlung innerhalb der Alphakammer (3) im we­ sentlichen vollständig absorbiert wird.

3. Doppeldetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtflächendichte der beiden Folienfenster (9, 11) und der Gasschicht zwischen den Folienfenstern (9, 11) wenigstens 6 mg/cm², vorzugsweise etwa 7 mg/cm² beträgt.

4. Doppeldetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß das Trennfolienfenster (9) dicker, vorzugsweise mehr als doppelt so dick, als das Eintrittsfolienfenster (11) ist.

5. Doppeldetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Dicke des Eintrittsfo­ lienfensters (11) kleiner als 0,01 mm, vorzugsweise kleiner als 0,006 mm, ist.

6. Doppeldetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß das Trennfolienfenster (9) eine höhere, vorzugsweise eine mehr als dreifach höhere Flächendichte hat als das Eintrittsfolienfenster (11).

7. Doppeldetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Flächendichte des Ein­ trittsfolienfensters (11) kleiner als etwa 1,5 mg/cm², vorzugsweise kleiner als etwa 1,0 mg/cm² ist.

8. Doppeldetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Gasionisationskammern (3, 5) für den Durchfluß des Zählgases in Serie geschaltet sind.

9. Doppeldetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Alpha-Auswerteschaltung (29) über einen ladungsempfindlichen Vorverstärker (27) an den Zähldraht (17) der Alphakammer (3) angeschlossen ist.

10. Doppeldetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die Beta-Auswerteschaltung (39) über einen spannungsempfindlichen Vorverstärker (37) an den Zähldraht (19) der Betakammer (5) ange­ schlossen ist.