DE3880959T2 - Diamant-strahlungsdetektor. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen von Kernstrahlung mit einem Detektor mit einem synthetischen Diamanten.
• Es hat sich herausgestellt, daß Diamanten bei Verwendung als Detektoren von Kernstrahlung mehrere Vorteile aufweisen. Unter diesen Vorteilen sind ihre geringe physikalische Größe und ihre Fähigkeit, in einem weiten Temperaturbereich arbeiten zu können. Diamanten sind außerdem gewebeverträglich, wodurch ihre Verwendung im medizinischen Bereich interessant ist. Diamanten können in einem Leitmodus für hohe Strahlungswerte oder in einem Impulszählmodus für sowohl hohe als auch niedrige Strahlungswerte verwendet werden.
• Die EP-A-0239 offenbart die Verwendung eines synthetischen Diamanten einer Stickstoffverunreinigungskonzentration zwischen 20 und 150 ppm als Detektorelement für Kernstrahlung. Eine Vorspannung wird an den Diamanten gelegt und die Kernstrahlung verändert den Strom oder die Spannung in der Schaltung.
• UK-A-1 102 582 zeigt ein Strahlungsflußmeßgerät mit einer Schaltung zum Filtern eines Ausgangssignals einer Ionisierungskammer mit hohen Impulsraten zur Erzeugung eines Sinussignals, das dann zur Erzeugung eines seiner Amplitude entsprechenden Gleichspannungssignals als Maß der Impulsrate verarbeitet wird.
• Aufgrund der extrem hohen Impedanz von Diamanten ist ein Verstärker mit extrem hoher Eingangsimpedanz erforderlich, um die Impulse oder ein Leitsignal von dem Diamanten zu verstärken. Dies erfordert generell die Verwendung von Feldeffektransistoren (FETS). Bei der Verwendung im Leitmodus muß der Verstärker eine sehr niedrige Gleichstromdrift aufweisen. Der Verstärker sollte bei hohen Gleichstromeingangssignalen nicht in die Sättigung gelangen, wenn der Diamant im Leitmodus hohen Dosisraten ausgesetzt ist. Außerdem sollte der Verstärker Impulsen mit einer schnellen Anstiegszeit in dem Impulszählmodus gewachsen sein.
• Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zum Messen von Kernstrahlung mit einem Detektor mit einem Zähldiamanten geschaffen, an dem ein Paar elektrischer Kontakte angebracht ist, und mit einer Einrichtung zum Anlegen einer Gleichstromvorspannung an den verwendeten Diamanten, einem Vorverstärker mit wenigstens einem Feldeffekttransistor, wobei die Kontakte an dem Diamanten mit dem Eingang des Vorverstärkers verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorverstärker eine Filtereinrichtung zum Erzeugen eines ersten Signals mit nur einer Wechselstromkomponente und eines zweiten Signals mit sowohl einer Gleichstrom- als auch einer Wechselstromkomponente als separate Ausgangssignale des Vorverstärkers zur Weiterverarbeitung als Meßsignale aufweist, und daß zur Weiterverarbeitung des ersten und zweiten Signals eine Signalverarbeitungsschaltung vorhanden ist, die eine zweite Signalverstärkerstufe zur Verstärkung des zweiten Signals aufweist, die derart ausgebildet ist, daß sie die Gleichtaktkomponenten des zweiten Signals zurückweist und es einer Einrichtung zum Messen seiner Amplitude zuführt, wobei das zweite Signal ein Leitmodus-Signal des Diamanten darstellt, und zur Zuführung eines Gleichstromrückkopplungssignals zu dem Eingang des Vorverstärkers.
• Vorzugsweise weist der Vorverstärker ein Paar Feldeffekttransistoren in Differentialanordnung auf.
• Der Detektor kann auch mit einer Signalverarbeitungsschaltung verbunden sein, die eine erste Signalverstärkerstufe zur Verstärkung des ersten Signals und dessen Zuführung zu einem Impulshöhenanalysator oder einem Impulszähler aufweist, wobei das erste Signal ein Impulsmodus-Signal des Diamanten darstellt.
• Der Diamant weist vorzugsweise an seiner Oberfläche ionenimplantierte Bereiche auf, an denen Kontakte angebracht sind, um eine im wesentlichen lineare Spannungs/Stromkontaktcharakteristik zu schaffen.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
• Die Zeichnung ist ein schematisches Schaltdiagramm eines Detektors und einer Signalverarbeitungsschaltung zum Messen von Kernstrahlung gemäß der Erfindung.
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
• Gemäß der Zeichnung weist ein Detektor 10 zum Messen von Kernstrahlung einen Zähldiamanten 12 und einen Vorverstärker mit zwei Feldeffekttransistoren (FETS) TR1 und TR2 in Differentialanordnung auf. Der Diamant 12 kann ein ausgewählter natürlicher Diamant sein, doch ist es vorzugsweise ein synthetischer Diamant mit geringem Stickstoffgehalt. Die Konzentration der Stickstoffverunreinigung des Diamanten beträgt vorzugsweise 60ppm oder weniger, gemessen mit der Elektronenspinresonanz-(ESR-) Technik. Auf jeweils einer Fläche eines Flächenpaares weist der Diamant einen ionenimplantierten Bereich auf, an dem elektrische Kontakte 14 und 16 angebracht sind. Durch die Verwendung von ionenimplantierten Bereichen können Kontakte erreicht werden, die im wesentlichen lineare Spannungs/Stromcharakteristik haben. Die Kontakte 14 und 16 können metallisch sein, oder durch Verwendung von mit Silber versetztem Epoxidkleber geformt werden, um die Leiter an den ionenimplantierten Bereichen anzubringen. Der Kontakt 16 ist mit dem Gate des FET TR1 verbunden, während der Kontakt 14 über eine Anschlußleitung 18 mit einer Gleichstromvorspannungsquelle mit einer Spannung zwischen 50 und 1000 Volt verbunden ist. Ein dritter FET TR3 ist in einer konstanten Stromquellen-Schaltung zur Regelung des Ruhestroms der Transistoren TR1 und TR2 vorgesehen.
• Über zwei Leitungen 20 und 22, die auch als Ausgangsleitungen dienen, wird der Vorverstärker mit Gleichstrom versorgt. Eine vierte Leitung 24 führt dem Vorverstärker in nachfolgend beschriebener Weise ein Gleichstromrückkopplungssignal zu. Die Zahl der Bauteile in dem Detektor 10 wird durch das Anbringen der Drainwiderstände R4 und R5 und eines einstellbaren Widerstandes RV1 für die Gleichstromabstimmung außerhalb des Detektors reduziert, der geeigneterweise bleistiftförmig und kompakt sein kann.
• Das Ausgangssignal des Vorverstärkers an den Leitungen 20 und 22 hat eine Wechselstrom- und eine Gleichstromkomponente. Ein Paar Kondensatoren C1 und C2 wirkt als Hochpaßfilter an dem Eingang eines Breitbandverstärkers 26, der auf einer integrierten Schaltung NE592 basiert. Der Verstärker 26 verstärkt die Wechselstromkomponente des Vorverstärkerausgangssignals (d.h. das Impulsausgangssignal des Vorverstärkers) und führt es einem einfachen RC-Tiefpaßfilter 28 zu. Das Ausgangssignal des Filters 28 wird durch einen Ausgangssignalverstärker 30 gepuffert, der ein Ausgangssignal einem Impulshöhenanalysator oder einer anderen Signalverarbeitungseinrichtung und einem Impulshöhenkomparator 32 zuführt, der einem Impulszähler 34 Signale zuführt. Die Impulse entsprechen den Impulsmodus-Signalen des Diamanten.
• Das ungefilterte Ausgangssignal des Vorverstärkers wird einer verstärkerstufe zugeführt, die eine Gleichtaktunterdrückungsstufe 36 und einen Gleichstrompufferverstärker 38 aufweist, dessen Ausgangssignal einem analogen Meßgerät oder einer anderen Anzeigevorrichtung, wie z.B. einem Diagrammschreiber, zugeführt werden kann, um eine Darstellung des Leitmodus-Signals von dem Diamanten zu schaffen. Die Gleichtaktunterdrückungsstufe wirkt als Gleichstromrückkopplungsstufe, wobei die Rückkopplung über den Widerstand R1 erfolgt, und sie weist eine sehr hohe Gleichstromverstärkung auf. Diese Stufe weist einen Tiefpaßfilter aus zwei Widerständen R6 und R7 sowie entsprechenden Kondensatoren C3 und C4 auf. Bei dieser Konfiguration wirkt der zusammengesetzte Verstärker (mit dem auf den Transistoren TR1 und TR2 basierenden Vorverstärker und der Gleichstromrückkopplungsstufe) als Strom/Spannungs-Wandler bei niedrigen Frequenzen. Der geringe Diamantenstrom wird wirksam in eine leicht meßbare Spannung umgewandelt.
• Das Ausgangssignal der Gleichtaktunterdrückungsstufe 36 wird über die Leitung 24 und einen Widerstand R1 zu dem Gate des FET TR1 des Vorverstärkers rückgekoppelt. Dadurch wird die Gleichstromverstärkung des Vorverstärkers eingestellt und gewährleistet, daß die Eingangssignalstufe nicht in die Sättigung gelangt, wenn hohe Strahlenwerte gemessen werden. Das Gleichstromrückkopplungssignal ist von der Gleichstromkomponente des Vorverstärkerausgangssignals abgeleitet.
• Die Gleichstromeingangssignalspannung am Gate des Transistors wird in der Nähe des Erdpotentials gehalten, wodurch gewährleistet ist, daß der Vorverstärker einen breiten Dynamikbereich hat. Somit ist der Vorverstärker sowohl Impuls- als auch Leitmodus-Signalen gewachsen. Dadurch können hohe oder niedrige Strahlungsintensitäten gemessen werden. Es ist außerdem gewährleistet, daß die Ausgangsspannung der Gleichtaktunterdrückungsstufe proportional zu dem Strom in dem Diamanten ist, so daß der exakte Strom durch den Diamanten relativ leicht meßbar ist. Die gemessene Ausgangsspannung entspricht dem Leitmodus-Signal des Diamanten.

Claims (9)

1. Vorrichtung zum Messen von Kernstrahlung mit einem Detektor (10) mit einem Zähldiamanten (12), an dem ein Paar elektrischer Kontakte (14,16) angebracht sind, und einer Einrichtung zum Anlegen einer Gleichstromvorspannung an den verwendeten Diamanten,

gekennzeichnet durch

einen Vorverstärker mit wenigstens einem Feldeffekttransistor (TR1,TR2), wobei die Kontakte an dem Diamanten mit dem Eingang des Vorverstärkers verbunden sind und der Vorverstärker eine Filtereinrichtung (C1,C2,R6,R7) zum Erzeugen eines ersten Signals mit nur einer Wechselstromkomponente und eines zweiten Signals mit sowohl einer Gleichstrom- als auch einer Wechselstromkomponente als separate Ausgangssignale des Vorverstärkers zur Weiterverarbeitung als Meßsignale aufweist, und durch eine Signalverarbeitungsschaltung zur Weiterverarbeitung des ersten und zweiten Signals, die eine Signalverstärkerstufe (36) zur Verstärkung des zweiten Signals aufweist, die derart ausgebildet ist, daß sie die Gleichtaktkomponenten des zweiten Signals zurückweist und es einer Einrichtung zum Messen seiner Amplitude zuführt, wobei das zweite Signal ein Leitmodus-Signal des Diamanten darstellt, und zur Zuführung eines Gleichstromrückkopplungssignals zu dem Eingang des Vorverstärkers.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleichstromrückkopplungssignal von der Gleichstromkomponente des Ausgangs des Vorverstärkers abgeleitet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorverstärker und die Signalverstärkerstufe (36) kombiniert einen Strom/Spannungs-Wandler bilden, der einen Strom in dem Diamanten effizient in eine meßbare Spannung umwandelt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die meßbare Spannung einem Leitmodus- Signal des Diamanten entspricht.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungsschaltung eine weitere Signalverstärkerstufe (26) zur Verstärkung des ersten Signals und zu dessen Zuführung zu einem Impulshöhenanalysator oder einem Impulszähler aufweist, wobei das erste Signal ein Impulsmodus-Signal des Diamanten darstellt.

6. Vorrrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorverstärker ein Paar Feldeffekttransistoren (TR1,TR2) in Differentialanordnung aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Diamant (12) ein synthetischer Diamant ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Diamant (12) eine Stickstoffverunreinigungskonzentration von 60ppm oder weniger aufweist, wie mit Elektronenspinresonanz-(ESR-) Technik gemessen.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Diamant (12) an seiner Oberfläche ionenimplantierte Bereiche aufweist, an denen Kontakte (14,16) angebracht sind, um eine im wesentlichen lineare Spannungs/Stromkontaktcharakteristik zu schaffen.