EP1202322A1 - Detector for detecting electrically neutral particles, especially neutrons, using a gas-filled housing - Google Patents
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- H01J47/12—Neutron detector tubes, e.g. BF3 tubes
- H01J47/1205—Neutron detector tubes, e.g. BF3 tubes using nuclear reactions of the type (n, alpha) in solid materials, e.g. Boron-10 (n,alpha) Lithium-7, Lithium-6 (n, alpha)Hydrogen-3
- H01J47/1211—Ionisation chambers
Definitions
- the invention relates to a detector for detecting electrically neutral particles according to claim 1, a converter device for a detector for detection Electrically neutral particles according to claim 11, a manufacturing method for a converter device according to claim 13 and a detection method for Detection of electrically neutral particles according to claim 14.
- thermal and cold neutrons represent an important method in science (e.g. physical, chemical, biological and medical applications) and technology (e.g. non-destructive material testing). It is fundamental for all areas of application in science and technology the evidence, i.e. the detection of such neutrons, whereby detectors or Detection methods for neutrons have been a major economic in recent decades Have gained importance.
- the detection of neutrons can be made physical reasons only through a nuclear reaction of the same with a so-called Neutron converter can be realized.
- the neutrons of captured or absorbed the atomic nuclei of the converter, these nuclei then spontaneously decay.
- the mostly energy-rich resulting from the decay and electrically charged fragments, commonly called conversion products can then be called due to their ionizing effect be detected.
- the gas helium-3 whose atomic nuclei consist of two protons and one neutron, has mainly been used to detect neutrons.
- This helium isotope is added to the actual counting gas of the detector in predetermined amounts in so-called gas detectors.
- Neutrons to be detected are absorbed by the helium-3 nuclei, which subsequently decay spontaneously in accordance with the nuclear reaction 3 He + 1 n ⁇ 3 H + 1 p + 764 keV, the tritium nucleus receiving a quarter and the proton three-quarters of the reaction energy.
- these conversion products have an ionizing effect on the counting gas of such a gas detector.
- Such neutron detectors in the form of conventional gas detectors with helium-3 as a neutron converter have considerable disadvantages.
- a detection of neutrons over large detection areas can only be realized with the aid of large, matrix-like detector arrangements, which consist of a large number of small individual detectors, due to the design restrictions of the pressure vessels.
- the IN5 neutron spectrometer from the Laue-Langevin Institute in Grenoble has 1400 individual helium-3 neutron detectors for angle-resolved neutron detection (cf. "The yellowbook guide to neutron research facilities at ILL", Institut Laue-Langevin, Grenoble, December 1997).
- the spatial resolution of approximately 2 cm ⁇ 10 cm and the typical acceptance of count rates of 10,000 detected neutrons per second and cm 2 of such a neutron detector are very unsatisfactory.
- the poor resolution and the low count rate acceptance can be improved by a combination of helium-3 as a converter with a so-called microstrip detector (MSGC) to approx. 2 mm x 2 mm and one million neutrons per second and cm 2 (see Vellettaz et al., "Two-dimensional gaseous microstrip detector for thermal neutrons", Nuclear Instruments and Methods A 392 (1997), pages 73 to 79).
- MSGC microstrip detector
- Neutron scintillation detectors are also known for the detection of neutrons. With such detectors, a fixed neutron converter becomes a fixed one or liquid scintillator, for example in the form of a fine powder (see G.B. Spector et al., "Advances in terbium-doped, lithium-loaded scintillator glas development ", Nuclear Instruments and Methods A 326 (1993), pages 526 to 530). The conversion products used in a neutron detection reaction arise, deposit their energy in the scintillator. That from The scintillator then emits light that is then location-sensitive with a suitable one Detected light detection system. Such detectors are typical Detection efficiencies from 20% to 40%.
- the detector according to the invention is for the detection of electrically neutral particles, especially neutrons and other neutral particles, in particular Designed photons.
- the principle of detection is based on the fact that the neutral particles interact with a converter device, which due to this Interaction (for example a nuclear reaction) generates conversion products.
- the converter device preferably contains a solid converter material.
- the conversion products subsequently ionize the counting gas or the gas with which the detector housing is at least partially filled and which at least partially surrounds the converter device.
- electrically charged particles, in particular electrons are generated, which in the counting gas are movable under the influence of an electric field. To the To be able to detect electrically charged particles, they are under the influence an electrical drift field fed to a readout device.
- the detector has a drift field generating device which, in particular, is separate be provided by the converter device and the readout device can.
- the drift field generating device can be used as To design part of the converter device.
- the readout facility can be included to generate the drift field, so that the drift field generating device in particular through a special configuration of the converter and readout device can be realized.
- the electrically charged particles can be retained pass or enforce their location information the converter device.
- the converter device has a A large number of passages, preferably arranged in a matrix, for the electrical charged particles.
- the passages can be, for example, as geometric formed openings or holes in the converter device his.
- a passage can also be made through a transparent charge Zone are formed, which is a compared to the adjacent material has only a small interaction cross-section for the electrically charged particles, so as to have a high transmission coefficient for the charged particles.
- the converter device particularly preferably has a regular one Matrix of circular breakthroughs.
- the passages have a Minimum diameter between 10 microns to 1000 microns, preferably 25 microns to 500 microns and a minimum distance from each other from 10 microns to 500 microns, preferably 15 ⁇ m to 300 ⁇ m.
- the detector has a Variety, preferably 2 to 20, most preferably 10, of (in a row) cascaded converter devices.
- the Converter devices are spaced from each other, stack-like in the detector housing be arranged so that between the converter devices the counting gas is. This creates a large effective area for the interaction necessary for the detection of the neutral particles the converter device. Due to the transparency of the charge of the converter devices can load the ones generated by the conversion products Particles whose detection enables the detection of the neutral particles by the cascade of the converter devices by means of the drift field to the readout device be moved.
- the use of cascaded converter devices in the detector according to the invention accordingly enables enormous increase in the available interaction area for the electrical neutral particles and thus a considerable increase in detection sensitivity.
- one is more active for converting the electrically neutral particles Area of the converter device designed in a planar manner - in particular planar and preferably arranged substantially vertically in the drift field.
- This A flat or layer-like structure of the converter device enables a further one Improvement of the surface to volume ratio of the converter device. This is because, typically, the (solid) converter material as a whole Volume is sensitive to the neutral particles to be detected
- conversion products often only have a relatively short range have in the converter material and can therefore only emerge from it, if they are sufficiently close to the surface, it is for achieving a high detection sensitivity advantageous for a given converter volume or the largest possible converter area for detection To have available.
- a particularly efficient and quick derivation of the generated charged electrical particles to the readout device then succeeds when the converter device is arranged substantially vertically in the drift field is. Accordingly, the average field direction of the Drift field essentially parallel to the surface normal of the area trained converter device. Also an inclined arrangement of the converter device is possible as long as the level of the flat converter device is not parallel to the drift field.
- the drift field generating device a flat, optionally structured drift electrode to the To generate drift field between the drift electrode and the readout device.
- the drift electrode with respect to the readout device negatively biased.
- the drift electrode can be omitted if whose function is taken over by an electrode layer of the converter device becomes.
- the converter device comprises a first and a second conductive layer, which is defined by an intermediate one arranged insulator layer are electrically insulated from each other, and at least one preferably arranged on the first and / or second conductive layer Converter layer.
- the converter device thus has a layer structure on.
- a plastic film for example, is used as the insulator layer Polyimide film for use.
- So-called Kapton films have proven particularly useful (Kapton is a trademark of DUPONT).
- Kapton is a trademark of DUPONT.
- the conductive layers are preferably metal layers, which is applied directly to the insulating layer by a coating process were. In particular, copper layers come in for the conductive layers Consideration.
- the layered converter device further comprises one Converter layer, which preferably facing away from the insulator layer Surface of the first and / or second conductive layer is arranged.
- the converter layer can also be between one of the in particular thin and structured conductive layers and the insulator layer arranged his. If the converter layer can be designed as a conductive layer, can dispense with an additional conductive layer of the converter device become.
- Such a particularly preferred layer-like converter device can are produced using so-called GEM foils (gas electron multiplier foils), as for example in US-A-6 011 265 and in the publication of F. Sauli in Nucl. Inst. And Methods A 386 (1997) pages 531 to 543 are.
- GEM foils gas electron multiplier foils
- Kapton foils coated on both sides with copper which 1997 were developed by F. Sauli at CERN.
- Using a photolithographic The process involves etching a regular hole structure into these GEM foils The copper top and bottom of the foils are not electrically connected to one another are.
- the layered converter device described differs however, in particular compared to the GEM foils proposed by F. Sauli due to the additional converter layer.
- the GEM foils in the applications discussed in the cited publications only operated in a gas boost mode.
- GEM gas electron multiplier
- the converter devices according to the present inventions are not operated in such a gas amplification mode, it only becomes the charge-transparent property of the GEM films exploited.
- the first and second conductive layer of the converter device via a converter field generating device electrically connected to each other.
- the converter field generating device enables the generation of an electrical drift field, which in particular in addition to the drift field generated by the drift field generating device can work. This ensures that the electrically charged particles can be efficiently guided through the converter device.
- the (fixed) converter layer preferably contains a neutron converter layer, so that the detector is suitable for the detection of neutrons, the Neutron converter layer in particular lithium-6, boron-10, gadolinium-155, gadolinium-157 and / or uranium-235 contains. Should be UV and / or as neutral particles X-ray photons are detected, especially Csl as a material for the photon converter layer.
- the converter layer a layer thickness of 0.1 microns to 10 microns, preferably for a substantially neutron converter layer consisting of boron-10 between 0.5 ⁇ m to 3 ⁇ m, most preferably about 1 ⁇ m, the first and second conductive layers one Layer thickness of 0.1 microns to 20 microns, preferably 0.2 microns to 10 microns and the insulator layer a layer thickness of 10 ⁇ m to 500 ⁇ m, preferably 25 ⁇ m to 100 ⁇ m.
- a converter device for a detector for Detection of electrically neutral particles, especially neutrons a first and second conductive layer, which is arranged between an insulator layer are electrically insulated from one another, and at least one is preferred the (fixed) converter layer arranged in the first and / or second conductive layer, the converter device being arranged in a plurality of preferably matrix-like Has passages for electrically charged particles.
- Such Converter layer can be used in conjunction with a conventional gas detector simple and highly sensitive detection of neutral particles, in particular Neutrons.
- the converter device in the Drift field of the gas detector introduced. Not one is particularly preferred single converter device, but a "stack" of cascaded converter devices used, which makes the detection sensitivity enormous can increase.
- the converter device preferably contains a neutron converter material, so that the converter device for a detector for the detection of neutrons is designed, the neutron converter material in particular lithium-6, boron-10, Gadolinium-155, Gadoliniuim-157 and / or Uranium-235 contains.
- the neutron converter layer preferably contains at least one above called neutron converter material.
- the invention Converter device in particular from a so-called GEM film are produced, to which an additional converter layer is applied becomes.
- a boron-10 layer is evaporated become.
- the charge-transparent design of the converter device allows the charged particles without losing their location information through the Conversion facility (s) can be directed. Hence it follows from the Charge transparency that the place of production of the charged particles in the Counting gas undistorted by the converter device (s) to the preferably location-sensitive readout device is mapped or directed.
- Figure 1 shows a highly schematic sectional view and Figure 2 schematic perspective views of a detector for the detection of neutrons according an embodiment of the invention.
- Figures 1 and 2 the structure of the detector is described.
- a (not shown) gas or counting gas is introduced via a gas supply 12.
- a gas discharge 14 is also provided for venting the detector housing. All counting gases common for gas detectors can be used. It is only necessary that the conversion products formed in the nuclear reaction to be described later have an ionizing effect on the gas. Mixtures of argon with one or more of the components CO 2 (10-90% content), CF 4 , dimethyl ether, isobutane and CH 4 have proven to be particularly suitable. In contrast to conventional helium-3 neutron detectors, it is not necessary for the counting gas to be kept under high pressure, but can advantageously be introduced into the detector housing 10 under normal pressure.
- An entry window 16 is embedded in the top of the detector housing 10. Since the detector shown is preferably not with an increased counting gas pressure is operated, the entrance window 16 can be made very thin, so that it only a small cross section for the absorption of the incident neutrons having. In addition, the incident neutrons become very insignificant distracted by the thin entrance window.
- a drift electrode 18 arranged, which is part of a drift field generating device. Between the Drift electrode 18 and a readout device 19 to be described later an electrical drift field for electrical via a voltage source (not shown) charged particles are applied, the drift electrode with respect to the Readout device 19 is subjected to a negative voltage.
- the Drift electrode 18 can optionally be a layer 20 of a solid neutron converter, for example, a boron-10 layer.
- the drift field generating device comprises the drift electrode 18 first Electrode and the readout device as a (structured) second electrode. It is however also possible instead of using the readout device 19 as the second electrode to provide a separate second drift electrode. Further The function of the drift electrode 18 can also be determined by a conductive layer adjacent converter device 22 are taken over, so that on the Drift electrode 18 can be dispensed with.
- the converter devices 22 are located essentially in that between the drift electrode 18 and the readout device 19 generated drift field.
- the converter devices 22 are preferably constructed and exist in layers For example, from a so-called GEM film (see above), which on one or both sides with a fixed converter layer 24 - here a neutron converter layer Boron-10 - is coated.
- the converter layer 24 is essentially applied homogeneously, but the converter layer 24 only in some areas or can be applied in different layer thicknesses.
- Each of the converter devices 22 comprises an insulator layer 26, for example a polyimide film.
- Kapton films have proven particularly successful (Kapton is a trademark of DUPONT company).
- the insulator layer 26 is conductive on both sides Material, such as copper, coated, so that they between a first conductive layer 28 and a second conductive layer 30 is arranged.
- the Both electrically conductive layers 28 and 30 are through the insulator layer 26 electrically isolated from each other.
- the converter device 22 has a A plurality of passages 32 arranged in a matrix, through which passages electrically can drift charged particles in a manner to be described. The Arrangement patterns of these passages 32, which the converter devices 22 Enforcing in the normal direction of the layer plane is shown schematically in FIG. 2 shown.
- GEM foils described in the specified publications are essentially double-sided Copper-coated Kapton foils, developed by F. Sauli at CERN in 1997 were. By means of a photolithographic process, these GEM foils are a regular hole structure is etched, with copper top and bottom of the foils are not electrically connected.
- the readout device 19 is arranged such that the cascaded Converter devices 22 are arranged in a stack-like manner therebetween.
- the Surface normals of the entrance window 16, the drift electrode 18, the converter devices 22 and the readout device 19 preferably essentially fall together.
- the mean field direction of the electrical drift field between neighboring ones Converter devices 22 is substantially perpendicular to the Layer planes of the converter devices 22 so that they are the longitudinal axis of the hole-like passages 32 follows.
- the drift electrode 18 and the readout device 19 are spaced from the converter devices 22, with the intermediate space is filled by the counting gas.
- the readout device 19 is comb-like or interdigital interlocking electrode structures can be used, which are schematic are shown in Figure 2a and Figure 2b. However, they are also multi-wire gas chambers or similar detectors can be used.
- a detection electronics a voltage signal between the two interdigital electrodes evaluated.
- FIGS. 2a and 2b which only provide the location information in one dimension are the same read out structures crossed to one another, which have a spatial resolution in deliver two dimensions of space.
- a reading device 19 "modified in this way is shown schematically in Figure 2c. Here are two crossed each other Readout structures arranged on the top and bottom of a carrier plate. As well are interesting - especially for scattering experiments - ring-shaped readout structures, because these integrate over the entire azimuth angle and the entire intensity deliver for a scattering angle. Such a reading device 19 "'with an annular Readout structure is shown in Figure 2d.
- Figure 4 (a) is a schematic sectional view of a preferred support 36, with which a large number of converter devices arranged in cascade 22 can be attached in the detector housing 10.
- the carrying device 36 has four, for example, mounting brackets made of a ceramic material 38 on which are fixed to a base plate 40. At each of the Mounting brackets 38 is a corner portion of a substantially rectangular one designed clamping frame 42 attached.
- the tensioning frame 42 has an upper 44 and a lower 46 frame element.
- the Frame elements 44 and 46 consist of a conductive material, for example Stainless steel.
- One of the converter devices is located between the frame elements 44, 46 22 kept under such a mechanical tensile stress, that it is set essentially smooth and without drapes.
- U-shaped insulating elements 48 for example Kapton foils, are introduced, which have a direct contact between the frame elements 44, 46 and the enable the respective layer sides of the converter device 22 only in regions.
- the converter device can thus be held in the clamping frame 42 be held that the upper frame member 44 with the first conductive Layer 24 and its lower frame element 46 with the second conductive Layer is electrically connected while frame members 44 and 46 are isolated from each other.
- the neutrons to be detected are at least partially from the converter layers 24 of the converter devices 22 absorbed.
- the converter layer 24 consists essentially of isotope-pure Boron-10, which has proven to be particularly suitable, decays after absorption of the neutron the boron-10 nucleus spontaneously split into an ⁇ -particle and an Lithium-7 core. Because the momentum of the absorbed neutron is comparatively is small and therefore negligible, the ⁇ -particle and the lithium-7 Flying core apart in opposite directions due to the conservation of momentum. At least one of these conversion products will therefore differ from the layer level of the converter device 22 or from the converter layer 24 move away and ionize the counting gas. In this way, in particular, free Electrons generated in the counting gas.
- Such ionization traces of the conversion products are shown schematically in FIG shown.
- Make the primary electrons generated by this process the signal actually to be detected.
- the charge cloud of the primary Electrons are released from the electrical drift field, which is between the drift electrode 18 and the reading device 19 is applied, in the direction of the reading device 19 deducted.
- At least some of the electrons generated must one or more of the converters 22 pass to the Readout device 19 to arrive. This is made possible by the transparency of the charge the converter devices 22, which allow the primary electrons, to get to the reading device 19 without losing their location information, so that by means of a spatially resolved detection of these electrons the reading device 19 also on the ionization site of the counting gas - and thus the absorption site of the neutron to be detected - can be closed.
- GEM foils have suitable electrical wiring charge-transparent properties. So lace up, as schematically is shown in Figure 3, the electric field lines of the drift field in the range Passages 32 of converter devices 22 together when one is drifting supporting potential difference between the first conductive layer 28 and the second conductive layer 30 is applied. In the field direction behind the Passages 32 of the converter devices 22 widen the electric field lines symmetrically again.
- a primary electron, which is characterized by the ionizing Effect of a conversion product in which count gas was generated follows this Course of one of the field lines shown in Figure 3 and can thus through the passage 32 upon receipt of its location information by one or more converter devices 22 are "smuggled".
- the described structure of the embodiments of the detector according to the invention for neutrons advantageously allows the use of a fixed neutron converter.
- Solid neutron converters of this type for example converter layers from boron-10, are much better for one for basic reasons efficient detection of neutrons because of the density of the converter atoms in a solid neutron converter about 1000 times larger than in gaseous ones Is a converter and thus a significantly higher cross section for neutrons having.
- the use of fixed leads converter materials lead to detection problems of the loaded conversion products. To a large extent, these remain in the converter material themselves stuck and can only limit their energy to a surrounding one Dispense the detection medium (e.g. a counting gas). Can be demonstrated effectively conversion products originating only from surface layers.
- the advantage of a tightly packed neutron absorber in the form of a solid is therefore due to the lack of conventional neutron detectors again Probability of the loaded fragments to escape into the surrounding detection medium destroyed.
- the counting gas can be used under normal pressure, so that no pressure vessel necessary is. Operation at normal pressure in turn enables construction detectors of any size and with various shapes.
- neutron detectors have proven to be particularly advantageous, which comprise converter devices 22 arranged in cascade. So this makes it possible to have a particularly favorable ratio of the surface area of a To provide converter layer to its converter volume.
- the usage fixed neutron converter regularly draws problems with the Proof of the loaded conversion products themselves. These conversion products to a large extent already remain in the fixed converter themselves stuck and can only transfer their energy to a surrounding area to a small extent Detection medium, e.g. deliver a counting gas. Be detected can effectively only convert products originating from surface layers.
- Detection medium e.g. deliver a counting gas. Be detected can effectively only convert products originating from surface layers.
- the advantage of a densely packed neutron absorber may be possible in the form of a solid due to the low probability of leakage the conversion products in the surrounding detection medium destroyed become.
- the charge-transparent design of the converter devices according to the invention 22 preferably allows multiple converter devices 22 cascaded one after the other for duplication or improvement of the Use detection efficiency.
- the actual ionization signal i.e. the educated primary electrons
- the converter devices can due to the charge transparency 22 penetrate while receiving their location information so that the entire electron signal is used to detect the absorbed neutrons can be.
- boron-10 as converter material in the converter layers 24 of a detector according to the invention, which 10 on both sides comprises coated, cascaded converter devices 22, is obtained
- the primary charge in the cascade of charge-transparent converter devices 22 can be generated - as described - from any electrode array be demonstrated as the execution of the readout device 19.
- the type and shape of the read-out device 19 result in a simple manner the spatial resolution. From the shape and duration of typical charge pulses there is a typical acceptance rate of about 10 million neutrons per second and pixel. The size of a pixel and thus the spatial resolution is due to the range of the loaded conversion products limited to about 2 mm x 2 mm at normal counting rates under normal pressure.
- the inventive detector concept presented here has an approx Rate acceptance 1000 times greater per pixel and 10 times better linear Spatial resolution than previous helium-3 gas detectors for neutrons on.
- Another advantage of the invention lies in the fact that in the invention Detector for the use of materials with a high atomic number can be dispensed with. This results in an inherent insensitivity to Gamma and X-rays.
- the signals can also because of the shape of the pulse height spectrum without problems against the remaining X-ray and Discriminate gamma background.
- the detector according to the invention is in its Embodiment as a neutron detector consequently for gamma and X-rays insensitive.
- the converter devices 22 can in particular be made in a simple manner from conventional ones GEM films are made in one or preferably both Surfaces of the GEM film are provided with converter layers 24.
- the boron-10 layer has a layer thickness of approximately 3 ⁇ m an optimum for the ratio of the neutron absorption probability and the escape probability of the loaded conversion products the fixed convector into the counting gas, since the maximum range of the charged Conversion products in Bor-10 is only about 3.5 ⁇ m.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Detektor zum Nachweis elektrisch neutraler Teilchen
gemäß Anspruch 1, eine Konvertereinrichtung für einen Detektor zum Nachweis
elektrisch neutraler Teilchen gemäß Anspruch 11, ein Herstellungsverfahren für
eine Konvertereinrichtung gemäß Anspruch 13 sowie ein Detektionsverfahren zum
Nachweis elektrisch neutraler Teilchen gemäß Anspruch 14.The invention relates to a detector for detecting electrically neutral particles
according to claim 1, a converter device for a detector for detection
Electrically neutral particles according to claim 11, a manufacturing method for
a converter device according to claim 13 and a detection method for
Detection of electrically neutral particles according to
Die Nutzung von Neutronenstrahlung niedriger Energie, sogenannte thermische und kalte Neutronen, stellt eine wichtige Methode in der Wissenschaft (beispielsweise physikalische, chemische, biologische und medizinische Anwendungen) und Technik (beispielsweise die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung) dar. Grundlegend für sämtliche Anwendungsgebiete in Wissenschaft und Technik ist der Nachweis, d.h. die Detektion, solcher Neutronen, wodurch Detektoren bzw. Detektionsverfahren für Neutronen in den letzten Jahrzehnten eine große wirtschaftliche Bedeutung erlangt haben. Der Nachweis von Neutronen kann aus physikalischen Gründen nur über eine Kernreaktion derselben mit einem sogenannten Neutronenkonverter realisiert werden. Dabei werden die Neutronen von den Atomkernen des Konverters eingefangen bzw. absorbiert, wobei diese Kerne daraufhin spontan zerfallen. Die beim Zerfall entstehenden meist energiereichen und elektrisch geladenen Fragmente, welche gemeinhin als Konvertierungsprodukte bezeichnet werden, können dann aufgrund ihrer ionisierenden Wirkung nachgewiesen werden.The use of low-energy neutron radiation, so-called thermal and cold neutrons, represents an important method in science (e.g. physical, chemical, biological and medical applications) and technology (e.g. non-destructive material testing). It is fundamental for all areas of application in science and technology the evidence, i.e. the detection of such neutrons, whereby detectors or Detection methods for neutrons have been a major economic in recent decades Have gained importance. The detection of neutrons can be made physical reasons only through a nuclear reaction of the same with a so-called Neutron converter can be realized. The neutrons of captured or absorbed the atomic nuclei of the converter, these nuclei then spontaneously decay. The mostly energy-rich resulting from the decay and electrically charged fragments, commonly called conversion products can then be called due to their ionizing effect be detected.
Zum Nachweis von Neutronen kommt bisher überwiegend das Gas Helium-3, dessen Atomkerne aus zwei Protonen und einem Neutron bestehen, zum Einsatz. Dieses Heliumisotop wird in sogenannten Gasdetektoren dem eigentlichen Zählgas des Detektors in vorbestimmten Mengen hinzugefügt. Nachzuweisende Neutronen werden von den Helium-3-Kernen absorbiert, welche nachfolgend gemäß der Kernreaktion 3He + 1n → 3H + 1p + 764 keV spontan zerfallen, wobei der Tritium-Kern ein Viertel und das Proton Dreiviertel der Reaktionsenergie erhält. Diese Konvertierungsprodukte haben als energiereiche, geladene Teilchen eine ionisierende Wirkung auf das Zählgas eines derartigen Gasdetektors. Beim Nachweis von Neutronen mittels Helium-3-Gasdetektoren erzeugen die Konvertierungsprodukte in dem Zählgas somit geladene Teilchen, insbesondere freie Elektronen. Durch Anlegen eines elektrischen Driftfeldes werden diese primären Elektronen zu den Elektroden einer Auslesestruktur geführt. Durch eine entsprechende Formgebung der Auslesestruktur ist das elektrische Feld in der Nähe der Elektroden so hoch, daß die primäre Ladung mit Hilfe von sekundären Gasionisationsprozessen enorm verstärkt werden kann (Gasverstärkung). Die so erzeugte Gesamtladung wird nachfolgend an den Elektroden aufgesammelt und über einen Vorverstärker einer elektronischen Auswerteeinrichtung zugeführt.The gas helium-3, whose atomic nuclei consist of two protons and one neutron, has mainly been used to detect neutrons. This helium isotope is added to the actual counting gas of the detector in predetermined amounts in so-called gas detectors. Neutrons to be detected are absorbed by the helium-3 nuclei, which subsequently decay spontaneously in accordance with the nuclear reaction 3 He + 1 n → 3 H + 1 p + 764 keV, the tritium nucleus receiving a quarter and the proton three-quarters of the reaction energy. As high-energy, charged particles, these conversion products have an ionizing effect on the counting gas of such a gas detector. When neutrons are detected using helium-3 gas detectors, the conversion products in the counting gas thus generate charged particles, in particular free electrons. By applying an electrical drift field, these primary electrons are led to the electrodes of a readout structure. Appropriate shaping of the readout structure means that the electric field in the vicinity of the electrodes is so high that the primary charge can be enormously increased with the help of secondary gas ionization processes (gas amplification). The total charge generated in this way is subsequently collected on the electrodes and fed to an electronic evaluation device via a preamplifier.
Derartige Neutronendetektoren in Form herkömmlicher Gasdetektoren mit Helium-3 als Neutronenkonverter weisen jedoch beachtliche Nachteile auf. Um nämlich bei einem gasförmigen Neutronenkonverter wie Helium-3 eine attraktive Nachweiseffizienz von z.B. etwa 50% für thermische Neutronen zu erlangen und gleichzeitig den Ort des Auftreffens der Neutronen bestimmen zu können, müssen solche Detektoren bei einem Gasdruck von 5 bis 10 bar betrieben werden. Dies erfordert - aufgrund des hohen Betriebsdrucks - aufwendige und teure Druckbehälter. Ein Nachweis von Neutronen über große Detektionsflächen kann aufgrund der konstruktiven Beschränkungen der Druckbehälter nur mit Hilfe von großen, matrixartigen Detektoranordnungen, welche aus einer Vielzahl kleiner Einzeldetektoren bestehen, realisiert werden. Beispielsweise weist der IN5-Neutronenspektrometer des Instituts Laue-Langevin in Grenoble zum winkelaufgelösten Neutronennachweis 1400 einzelne Helium-3-Neutronendetektoren auf (vgl. "The yellowbook guide to neutron research facilities at ILL", Institut Laue-Langevin, Grenoble, Dezember 1997). Das räumliche Auflösungsvermögen von ca. 2 cm x 10 cm und die typische Zählratenakzeptanz von 10 000 nachgewiesenen Neutronen pro Sekunde und cm2 eines derartigen Neutronendetektors sind jedoch sehr unbefriedigend.Such neutron detectors in the form of conventional gas detectors with helium-3 as a neutron converter, however, have considerable disadvantages. In order to achieve an attractive detection efficiency of e.g. about 50% for thermal neutrons with a gaseous neutron converter such as helium-3 and at the same time to be able to determine the location of the impact of the neutrons, such detectors must be operated at a gas pressure of 5 to 10 bar. Due to the high operating pressure, this requires complex and expensive pressure vessels. A detection of neutrons over large detection areas can only be realized with the aid of large, matrix-like detector arrangements, which consist of a large number of small individual detectors, due to the design restrictions of the pressure vessels. For example, the IN5 neutron spectrometer from the Laue-Langevin Institute in Grenoble has 1400 individual helium-3 neutron detectors for angle-resolved neutron detection (cf. "The yellowbook guide to neutron research facilities at ILL", Institut Laue-Langevin, Grenoble, December 1997). However, the spatial resolution of approximately 2 cm × 10 cm and the typical acceptance of count rates of 10,000 detected neutrons per second and cm 2 of such a neutron detector are very unsatisfactory.
Zwar kann das schlechte Auflösungsvermögen und die geringe Zählratenakzeptanz durch eine Kombination von Helium-3 als Konverter mit einem sogenannten Mikrostreifen-Detektor (MSGC) auf ca. 2 mm x 2 mm und eine Millionen Neutronen pro Sekunde und cm2 verbessert werden (vgl. Vellettaz et al., "Two-dimensional gaseous microstrip detector for thermal neutrons", Nuclear Instruments and Methods A 392 (1997), Seite 73 bis 79). Diese Detektoren sind jedoch wegen des hohen Gasdrucks bereits bei einer Detektorfläche von lediglich 100 mm x 100 mm in ihrem Aufbau sehr aufwendig und teuer. Ferner hat sich die MSGC-Technologie als sehr störanfällig erwiesen.The poor resolution and the low count rate acceptance can be improved by a combination of helium-3 as a converter with a so-called microstrip detector (MSGC) to approx. 2 mm x 2 mm and one million neutrons per second and cm 2 (see Vellettaz et al., "Two-dimensional gaseous microstrip detector for thermal neutrons", Nuclear Instruments and Methods A 392 (1997), pages 73 to 79). However, because of the high gas pressure, even with a detector area of only 100 mm × 100 mm, these detectors are very complex and expensive to construct. Furthermore, the MSGC technology has proven to be very susceptible to interference.
Zum Nachweis von Neutronen sind ferner Neutronen-Szintillationsdetektoren bekannt. Bei derartigen Detektoren wird ein fester Neutronenkonverter einem festen oder flüssigen Szintillator, beispielsweise in Form eines feinen Pulvers, beigemischt (vgl. G.B. Spector et al., "Advances in terbium-doped, lithium-loaded scintillator glas development", Nuclear Instruments and Methods A 326 (1993), Seiten 526 bis 530). Die Konvertierungsprodukte, welche bei einer Neutronennachweisreaktion entstehen, deponieren ihre Energie im Szintillator. Das vom Szintillator daraufhin abgestrahlte Licht wird dann ortsempfindlich mit einem geeigneten Lichtdetektionssystem nachgewiesen. Solche Detektoren weisen typische Nachweiseffizienzen von 20% bis 40% auf. Problematisch ist jedoch der Nachweis des Szintillationslichtes. Da solche Detektionskonzepte eine vergleichsweise hohe Empfindlichkeit gegenüber Röntgen- und Gammastrahlung besitzen, welche in einer Reaktor- bzw. Neutronenumgebung nicht vermeidbar ist, sind sie bezüglich ihrer Anwendungsmöglichkeiten stark eingeschränkt. Insbesondere macht dieser auf Röntgen- und Gammastrahlung zurückzuführende Untergrund solche Detektoren für den Einzelnachweis von Neutronen bzw. den Nachweis sehr geringer Neutronenintensitäten untauglich, so daß derartige Detektorsysteme nur Verteilungen intensiver Ereignisraten ortsabhängig detektieren können.Neutron scintillation detectors are also known for the detection of neutrons. With such detectors, a fixed neutron converter becomes a fixed one or liquid scintillator, for example in the form of a fine powder (see G.B. Spector et al., "Advances in terbium-doped, lithium-loaded scintillator glas development ", Nuclear Instruments and Methods A 326 (1993), pages 526 to 530). The conversion products used in a neutron detection reaction arise, deposit their energy in the scintillator. That from The scintillator then emits light that is then location-sensitive with a suitable one Detected light detection system. Such detectors are typical Detection efficiencies from 20% to 40%. However, the problem is Detection of the scintillation light. Because such detection concepts are a comparative one high sensitivity to X-rays and gamma radiation possess which cannot be avoided in a reactor or neutron environment, they are severely limited in their application possibilities. In particular makes this background due to X-ray and gamma radiation such detectors for the individual detection of neutrons or the detection very low neutron intensities unsuitable, so that such detector systems can only detect distributions of intensive event rates depending on location.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Detektor für elektrisch neutrale Teilchen, insbesondere Neutronen, anzugeben, welcher eine hohe Nachweisempfindlichkeit mit einem konstruktiv einfachen und damit kostengünstigen Aufbau verbindet. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine Konvertereinrichtung für einen derartigen Detektor zum Nachweis neutraler Teilchen sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren der Konvertereinrichtung anzugeben. Schließlich ist es Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes Verfahren zum Detektieren elektrisch neutraler Teilchen vorzuschlagen.It is an object of the invention to provide a detector for electrically neutral particles, in particular Neutrons, indicating which has a high detection sensitivity with a structurally simple and therefore inexpensive structure. It is also an object of the invention to provide a converter device for such a device Detector for the detection of neutral particles and a corresponding manufacturing process to specify the converter device. After all, it's a job of the invention, a corresponding method for detecting electrically neutral Propose particles.
Die jeweiligen Aufgaben werden durch einen Detektor gemäß Anspruch 1, eine
Konvertereinrichtung gemäß Anspruch 11, ein Verfahren zur Herstellung einer
Konvertereinrichtung gemäß Anspruch 13 sowie ein Detektionsverfahren gemäß
Anspruch 14 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand
der abhängigen Ansprüche.The respective tasks are performed by a detector according to claim 1
Converter device according to claim 11, a method for producing a
Converter device according to claim 13 and a detection method according to
Gemäß der Erfindung umfaßt ein Detektor zum Nachweis elektrisch neutraler Teilchen, insbesondere Neutronen,
- ein zumindest bereichsweise mit einem Zählgas gefülltes Detektorgehäuse,
- zumindest eine in dem Gehäuse angeordnete Konvertereinrichtung, welche Konvertierungsprodukte aufgrund einer Absorption der zu detektierenden neutralen Teilchen generiert, wobei die Konvertierungsprodukte elektrisch geladene Teilchen in dem Zählgas erzeugen,
- zumindest eine Ausleseeinrichtung zum Nachweis der elektrisch geladenen Teilchen,
- zumindest eine Driftfelderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines derartigen elektrischen Driftfeldes für die elektrisch geladenen Teilchen in zumindest einem Volumenbereich des Zählgases, so daß die elektrisch geladenen Teilchen zumindest teilweise zu der Ausleseeinrichtung driften,
- a detector housing filled at least in some areas with a counting gas,
- at least one converter device arranged in the housing which generates conversion products on the basis of absorption of the neutral particles to be detected, the conversion products generating electrically charged particles in the counting gas,
- at least one reading device for detecting the electrically charged particles,
- at least one drift field generating device for generating such an electrical drift field for the electrically charged particles in at least one volume area of the counting gas, so that the electrically charged particles drift at least partially to the readout device,
Der erfindungsgemäße Detektor ist zum Nachweis von elektrisch neutralen Teilchen, insbesondere Neutronen sowie anderer neutraler Teilchen, insbesondere Photonen ausgelegt. Das Nachweisprinzip beruht darauf, daß die neutralen Teilchen mit einer Konvertereinrichtung wechselwirken, welche aufgrund dieser Wechselwirkung (beispielsweise einer Kernreaktion) Konvertierungsprodukte generiert. Die Konvertereinrichtung enthält hierzu vorzugsweise ein festes Konvertermaterial. Die Konvertierungsprodukte ionisieren nachfolgend das Zählgas bzw. das Gas, mit welchem das Detektorgehäuse zumindest bereichsweise gefüllt ist und welches die Konvertereinrichtung zumindest bereichsweise umgibt. Hierdurch werden elektrisch geladene Teilchen, insbesondere Elektronen, erzeugt, welche in dem Zählgas unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes beweglich sind. Um die elektrisch geladenen Teilchen nachweisen zu können, werden sie unter dem Einfluß eines elektrischen Driftfeldes einer Ausleseeinrichtung zugeführt. Hierzu weist der Detektor eine Driftfelderzeugungseinrichtung auf, welche insbesondere getrennt von der Konvertereinrichtung und der Ausleseeinrichtung bereitgestellt sein kann. Es ist jedoch gleichermaßen möglich, die Driftfelderzeugungseinrichtung als Bestandteil der Konvertereinrichtung zu gestalten. Auch die Ausleseeinrichtung kann zur Erzeugung des Driftfeldes miteinbezogen werden, so daß die Driftfelderzeugungseinrichtung insbesondere durch eine besondere Ausgestaltung der Konverter- und Ausleseeinrichtung verwirklicht werden kann. Erfindungsgemäß ist die zumindest eine Konvertereinrichtung ladungstransparent ausgebildet, d.h. sie besitzt einen hohen Transmissionskoeffizienten für die elektrisch geladenen Teilchen. Vorzugsweise können die elektrisch geladenen Teilchen unter Beibehaltung ihrer Ortsinformation die Konvertereinrichtung passieren bzw. durchsetzen.The detector according to the invention is for the detection of electrically neutral particles, especially neutrons and other neutral particles, in particular Designed photons. The principle of detection is based on the fact that the neutral particles interact with a converter device, which due to this Interaction (for example a nuclear reaction) generates conversion products. For this purpose, the converter device preferably contains a solid converter material. The conversion products subsequently ionize the counting gas or the gas with which the detector housing is at least partially filled and which at least partially surrounds the converter device. hereby electrically charged particles, in particular electrons, are generated, which in the counting gas are movable under the influence of an electric field. To the To be able to detect electrically charged particles, they are under the influence an electrical drift field fed to a readout device. This points the detector has a drift field generating device which, in particular, is separate be provided by the converter device and the readout device can. However, it is equally possible to use the drift field generating device as To design part of the converter device. Also the readout facility can be included to generate the drift field, so that the drift field generating device in particular through a special configuration of the converter and readout device can be realized. According to the invention at least one converter device designed to be charge-transparent, i.e. she owns a high transmission coefficient for the electrically charged particles. Preferably, the electrically charged particles can be retained pass or enforce their location information the converter device.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Konvertereinrichtung eine Vielzahl von vorzugsweise matrixartig angeordneten Durchgängen für die elektrisch geladenen Teilchen auf. Die Durchgänge können beispielsweise als geometrisch ausgebildete Durchbrüche bzw. Löcher in der Konvertereinrichtung ausgebildet sein. Ferner kann ein Durchgang auch durch eine ladungstransparente Zone gebildet werden, welche einen im Vergleich zu dem angrenzenden Material nur kleinen Wechselwirkungsquerschnitt für die elektrisch geladenen Teilchen hat, um so einen hohen Transmissionskoeffizienten für die geladenen Teilchen aufzuweisen. Besonders bevorzugt weist die Konvertereinrichtung eine regelmäßige Matrix von kreisförmigen Durchbrüchen auf.According to a preferred embodiment, the converter device has a A large number of passages, preferably arranged in a matrix, for the electrical charged particles. The passages can be, for example, as geometric formed openings or holes in the converter device his. Furthermore, a passage can also be made through a transparent charge Zone are formed, which is a compared to the adjacent material has only a small interaction cross-section for the electrically charged particles, so as to have a high transmission coefficient for the charged particles. The converter device particularly preferably has a regular one Matrix of circular breakthroughs.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die Durchgänge einen Mindestdurchmesser zwischen 10 µm bis 1000 µm, vorzugsweise 25 µm bis 500 µm und einen Mindestabstand voneinander von 10 µm bis 500 µm, vorzugsweise 15 µm bis 300 µm auf.According to a further preferred embodiment, the passages have a Minimum diameter between 10 microns to 1000 microns, preferably 25 microns to 500 microns and a minimum distance from each other from 10 microns to 500 microns, preferably 15 µm to 300 µm.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Detektor eine Vielzahl, vorzugsweise 2 bis 20, am meisten bevorzugt 10, von (hintereinander) kaskadiert angeordneten Konvertereinrichtungen auf. Insbesondere können die Konvertereinrichtungen jeweils voneinander beabstandet, stapelartig in dem Detektorgehäuse angeordnet werden, so daß sich zwischen den Konvertereinrichtungen das Zählgas befindet. Hierdurch ergibt sich eine große wirksame Fläche für die zum Nachweis der neutralen Teilchen notwendigen Wechselwirkung mit der Konvertereinrichtung. Aufgrund der Ladungstransparenz der Konvertereinrichtungen können die durch die Konvertierungsprodukte erzeugten geladenen Teilchen, deren Detektion den Nachweis der neutralen Teilchen ermöglicht, durch die Kaskade der Konvertereinrichtungen mittels des Driftfeldes zu der Ausleseeinrichtung bewegt werden. Die Verwendung kaskadiert angeordneter Konvertereinrichtungen in dem erfindungsgemäßen Detektor ermöglicht demgemäß eine enorme Steigerung der verfügbaren Wechselwirkungsfläche für die elektrisch neutralen Teilchen und damit eine beachtliche Steigerung der Nachweisempfindlichkeit.According to a particularly preferred embodiment, the detector has a Variety, preferably 2 to 20, most preferably 10, of (in a row) cascaded converter devices. In particular, the Converter devices are spaced from each other, stack-like in the detector housing be arranged so that between the converter devices the counting gas is. This creates a large effective area for the interaction necessary for the detection of the neutral particles the converter device. Due to the transparency of the charge of the converter devices can load the ones generated by the conversion products Particles whose detection enables the detection of the neutral particles by the cascade of the converter devices by means of the drift field to the readout device be moved. The use of cascaded converter devices in the detector according to the invention accordingly enables enormous increase in the available interaction area for the electrical neutral particles and thus a considerable increase in detection sensitivity.
Vorzugsweise ist ein für die Konvertierung der elektrisch neutralen Teilchen aktiver Bereich der Konvertereinrichtung flächenartig - insbesondere planar - ausgelegt und bevorzugt im wesentlichen senkrecht in dem Driftfeld angeordnet. Dieser flächen- bzw. schichtartige Aufbau der Konvertereinrichtung ermöglicht eine weitere Verbesserung des Oberflächen- zu Volumenverhältnisses der Konvertereinrichtung. Da nämlich typischerweise zwar das (feste) Konvertermaterial im gesamten Volumen empfindlich für die zu detektierenden neutralen Teilchen ist, die Konvertierungsprodukte jedoch oftmals nur eine verhältnismäßig geringe Reichweite in dem Konvertermaterial haben und somit aus diesem nur austreten können, wenn sie ausreichend dicht an dessen Oberfläche liegen, ist es für die Erzielung einer hohen Nachweisempfindlichkeit vorteilhaft, bei gegebenem Konvertervolumen bzw. -masse eine möglichst große Konverterfläche zur Detektion zur Verfügung zu haben. Eine besondere effiziente und schnelle Ableitung der erzeugten geladenen elektrischen Teilchen zu der Ausleseeinrichtung gelingt dann, wenn die Konvertereinrichtung im wesentlichen senkrecht in dem Driftfeld angeordnet ist. Demgemäß ist vorteilhafterweise die durchschnittliche Feldrichtung des Driftfelds im wesentlichen parallel zu der Oberflächennormale der flächenartig ausgebildeten Konvertereinrichtung. Auch eine geneigte Anordnung der Konvertereinrichtung ist möglich, solange die Ebene der flächigen Konvertereinrichtung nicht parallel zu dem Driftfeld verläuft.Preferably, one is more active for converting the electrically neutral particles Area of the converter device designed in a planar manner - in particular planar and preferably arranged substantially vertically in the drift field. This A flat or layer-like structure of the converter device enables a further one Improvement of the surface to volume ratio of the converter device. This is because, typically, the (solid) converter material as a whole Volume is sensitive to the neutral particles to be detected However, conversion products often only have a relatively short range have in the converter material and can therefore only emerge from it, if they are sufficiently close to the surface, it is for achieving a high detection sensitivity advantageous for a given converter volume or the largest possible converter area for detection To have available. A particularly efficient and quick derivation of the generated charged electrical particles to the readout device then succeeds when the converter device is arranged substantially vertically in the drift field is. Accordingly, the average field direction of the Drift field essentially parallel to the surface normal of the area trained converter device. Also an inclined arrangement of the converter device is possible as long as the level of the flat converter device is not parallel to the drift field.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Driftfelderzeugungseinrichtung eine flächenartige, gegebenenfalls strukturierte Driftelektrode auf, um das Driftfeld zwischen der Driftelektrode und der Ausleseeinrichtung zu erzeugen. Für den Nachweis von Elektronen, welche in dem Zählgas durch die Konvertierungsprodukte erzeugt wurden, wird die Driftelektrode bezüglich zu der Ausleseeinrichtung negativ vorgespannt. Auf die Driftelektrode kann verzichtet werden, wenn deren Funktion durch eine Elektrodenschicht der Konvertereinrichtung übernommen wird.According to a preferred embodiment, the drift field generating device a flat, optionally structured drift electrode to the To generate drift field between the drift electrode and the readout device. For the detection of electrons in the counting gas by the conversion products generated, the drift electrode with respect to the readout device negatively biased. The drift electrode can be omitted if whose function is taken over by an electrode layer of the converter device becomes.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Konvertereinrichtung eine erste und zweite leitfähige Schicht, welche durch eine dazwischen angeordnete Isolatorschicht elektrisch gegeneinander isoliert sind, und zumindest eine vorzugsweise an der ersten und/oder zweiten leitfähigen Schicht angeordnete Konverterschicht. Die Konvertereinrichtung weist somit einen Schichtaufbau auf. Als Isolatorschicht kommt beispielsweise eine Kunststoffolie, insbesondere Polyimidfolie zum Einsatz. Besonders bewährt haben sich sogenannte Kaptonfolien (Kapton ist eine Marke des Unternehmens DUPONT). Durch diese Isolierschicht werden die beiden leitfähigen Schichten elektrisch gegeneinander isoliert. Vorzugsweise handelt es sich bei den leitfähigen Schichten um Metallschichten, welche durch ein Beschichtungsverfahren direkt auf die Isolierschicht aufgebracht wurden. Insbesondere kommen für die leitfähigen Schichten Kupferschichten in Betracht. Die schichtartig aufgebaute Konvertereinrichtung umfaßt ferner eine Konverterschicht, welche vorzugsweise an der der Isolatorschicht abgewandten Fläche der ersten und/oder zweiten leitfähigen Schicht angeordnet ist. Gleichermaßen kann die Konverterschicht jedoch auch zwischen einer der insbesondere dünnen und strukturierten leitfähigen Schichten und der Isolatorschicht angeordnet sein. Wenn die Konverterschicht als leitfähige Schicht ausgelegt werden kann, kann auf eine zusätzliche leitfähige Schicht der Konvertereinrichtung verzichtet werden.According to a particularly preferred embodiment, the converter device comprises a first and a second conductive layer, which is defined by an intermediate one arranged insulator layer are electrically insulated from each other, and at least one preferably arranged on the first and / or second conductive layer Converter layer. The converter device thus has a layer structure on. A plastic film, for example, is used as the insulator layer Polyimide film for use. So-called Kapton films have proven particularly useful (Kapton is a trademark of DUPONT). Through this insulating layer the two conductive layers are electrically insulated from one another. The conductive layers are preferably metal layers, which is applied directly to the insulating layer by a coating process were. In particular, copper layers come in for the conductive layers Consideration. The layered converter device further comprises one Converter layer, which preferably facing away from the insulator layer Surface of the first and / or second conductive layer is arranged. equally However, the converter layer can also be between one of the in particular thin and structured conductive layers and the insulator layer arranged his. If the converter layer can be designed as a conductive layer, can dispense with an additional conductive layer of the converter device become.
Eine derartige, besonders bevorzugte schichtartige Konvertereinrichtung kann mittels sogenannter GEM-Folien (Gas electron multiplier - Folien) hergestellt werden, wie sie beispielsweise in US-A-6 011 265 sowie in der Veröffentlichung von F. Sauli in Nucl. Inst. and Methods A 386 (1997) Seite 531 bis 543 beschrieben sind. Bei diesen in den angegebenen Druckschriften beschriebenen GEM-Folien handelt es sich um beidseitig mit Kupfer beschichtete Kaptonfolien, welche 1997 am CERN von F. Sauli entwickelt wurden. Mittels eines photolithographischen Verfahrens wird in diese GEM-Folien eine regelmäßige Lochstruktur geätzt, wobei Kupferober- und -unterseite der Folien elektrisch nicht miteinander verbunden sind. Auf die detaillierte Offenbarung hinsichtlich der Herstellung, des Aufbaus sowie der elektrischen Beschaltung und übriger Eigenschaften der GEM-Folien wird in vollem Umfang für die Offenbarung der vorliegenden Erfindung auf die oben angegebenen Druckschriften Bezug genommen, so daß die Offenbarung dieser Druckschriften integraler Bestandteil der Offenbarung der vorliegenden Erfindung sein soll. Auf eine vollständige Wiederholung der in diesen Druckschriften dargelegten detaillierten Beschreibung der GEM-Folien kann somit verzichtet werden.Such a particularly preferred layer-like converter device can are produced using so-called GEM foils (gas electron multiplier foils), as for example in US-A-6 011 265 and in the publication of F. Sauli in Nucl. Inst. And Methods A 386 (1997) pages 531 to 543 are. With these GEM films described in the specified publications are Kapton foils coated on both sides with copper, which 1997 were developed by F. Sauli at CERN. Using a photolithographic The process involves etching a regular hole structure into these GEM foils The copper top and bottom of the foils are not electrically connected to one another are. On the detailed disclosure regarding the manufacture, the construction as well as the electrical wiring and other properties of the GEM films is fully directed to the disclosure of the present invention References cited above, so that the disclosure these publications form an integral part of the disclosure of the present invention should be. For a complete repetition of those in these publications detailed description of the GEM foils can thus be dispensed with.
Die beschriebene schichtartig aufgebaute Konvertereinrichtung unterscheidet sich jedoch gegenüber den von F. Sauli vorgeschlagenen GEM-Folien insbesondere durch die zusätzlich vorhandene Konverterschicht. Ferner werden die GEM-Folien in den Anwendungen, die in den genannten Druckschriften diskutiert werden, ausschließlich in einem Gasverstärkungsmodus betrieben. Dort werden durch eine geeignete elektrische Beschaltung derartige Feldstärken zwischen den beiden leitfähigen Schichten aufgebaut, daß es zu einer lawinenartigen Vermehrung der Primärelektronen kommt, so daß die Folien einen "gas electron multiplier" (GEM) darstellen. Vorzugsweise werden die Konvertereinrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindungen jedoch nicht in einem derartigen Gasverstärkungsmodus betrieben, sondern es wird lediglich die ladungstransparente Eigenschaft der GEM-Folien ausgenützt.The layered converter device described differs however, in particular compared to the GEM foils proposed by F. Sauli due to the additional converter layer. Furthermore, the GEM foils in the applications discussed in the cited publications only operated in a gas boost mode. There are one suitable electrical wiring such field strengths between the two conductive layers built up that there is an avalanche-like multiplication of the Primary electrons comes so that the foils a "gas electron multiplier" (GEM) represent. Preferably, the converter devices according to the present However, inventions are not operated in such a gas amplification mode, it only becomes the charge-transparent property of the GEM films exploited.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die erste und zweite leitfähige Schicht der Konvertereinrichtung über eine Konverterfelderzeugungseinrichtung elektrisch miteinander verbunden. Die Konverterfelderzeugungseinrichtung ermöglicht die Erzeugung eines elektrischen Driftfeldes, welches insbesondere zusätzlich zu dem von der Driftfelderzeugungseinrichtung erzeugten Driftfeld wirken kann. Hierdurch wird sichergestellt, daß die elektrisch geladenen Teilchen effizient durch die Konvertereinrichtung geführt werden können.According to a further preferred embodiment, the first and second conductive layer of the converter device via a converter field generating device electrically connected to each other. The converter field generating device enables the generation of an electrical drift field, which in particular in addition to the drift field generated by the drift field generating device can work. This ensures that the electrically charged particles can be efficiently guided through the converter device.
Vorzugsweise enthält die (feste) Konverterschicht eine Neutronenkonverterschicht, so daß der Detektor zum Nachweis von Neutronen geeignet ist, wobei die Neutronenkonverterschicht insbesondere Lithium-6, Bor-10, Gadolinium-155, Gadolinium-157 und/oder Uran-235 enthält. Sollen als neutrale Teilchen UV-und/oder Röntgenphotonen nachgewiesen werden, so kommt insbesondere Csl als Material für die Photonenkonverterschicht in Betracht.The (fixed) converter layer preferably contains a neutron converter layer, so that the detector is suitable for the detection of neutrons, the Neutron converter layer in particular lithium-6, boron-10, gadolinium-155, gadolinium-157 and / or uranium-235 contains. Should be UV and / or as neutral particles X-ray photons are detected, especially Csl as a material for the photon converter layer.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Konverterschicht eine Schichtdicke von 0,1 µm bis 10 µm, vorzugsweise für eine im wesentlichen aus Bor-10 bestehenden Neutronenkonverterschicht zwischen 0,5 µm bis 3 µm, am meisten bevorzugt etwa 1 µm, die erste und zweite leitfähige Schicht eine Schichtdicke von 0,1 µm bis 20 µm, vorzugsweise 0,2 µm bis 10 µm und die Isolatorschicht eine Schichtdicke von 10 µm bis 500 µm, vorzugsweise 25 µm bis 100 µm auf.According to a further preferred embodiment, the converter layer a layer thickness of 0.1 microns to 10 microns, preferably for a substantially neutron converter layer consisting of boron-10 between 0.5 µm to 3 µm, most preferably about 1 µm, the first and second conductive layers one Layer thickness of 0.1 microns to 20 microns, preferably 0.2 microns to 10 microns and the insulator layer a layer thickness of 10 μm to 500 μm, preferably 25 μm to 100 µm.
Gemäß der Erfindung umfaßt eine Konvertereinrichtung für einen Detektor zum Nachweis elektrisch neutraler Teilchen, insbesondere Neutronen, eine erste und zweite leitfähige Schicht, welche durch eine dazwischen angeordnete Isolatorschicht gegeneinander elektrisch isoliert sind, und zumindest eine bevorzugt an der ersten und/zweiten leitfähigen Schicht angeordnete (feste) Konverterschicht, wobei die Konvertereinrichtung eine Vielzahl von vorzugsweise matrixartig angeordneten Durchgängen für elektrisch geladene Teilchen aufweist. Eine derartige Konverterschicht kann in Verbindung mit einem herkömmlichen Gasdetektor zum einfachen und hochempfindlichen Nachweis von neutralen Teilchen, insbesondere Neutronen, verwendet werden. Hierzu wird die Konvertereinrichtung in das Driftfeld des Gasdetektors eingebracht. Besonders bevorzugt kommt nicht eine einzelne Konvertereinrichtung, sondern ein "Stapel" von kaskadierten Konvertereinrichtungen zum Einsatz, wodurch sich die Nachweisempfindlichkeit enorm steigern läßt.According to the invention comprises a converter device for a detector for Detection of electrically neutral particles, especially neutrons, a first and second conductive layer, which is arranged between an insulator layer are electrically insulated from one another, and at least one is preferred the (fixed) converter layer arranged in the first and / or second conductive layer, the converter device being arranged in a plurality of preferably matrix-like Has passages for electrically charged particles. Such Converter layer can be used in conjunction with a conventional gas detector simple and highly sensitive detection of neutral particles, in particular Neutrons. For this purpose, the converter device in the Drift field of the gas detector introduced. Not one is particularly preferred single converter device, but a "stack" of cascaded converter devices used, which makes the detection sensitivity enormous can increase.
Vorzugsweise enthält die Konvertereinrichtung ein Neutronenkonvertermaterial, so daß die Konvertereinrichtung für einen Detektor zum Nachweis von Neutronen ausgelegt ist, wobei das Neutronenkonvertermaterial insbesondere Lithium-6, Bor-10, Gadolinium-155, Gadoliniuim-157 und/oder Uran-235 enthält.The converter device preferably contains a neutron converter material, so that the converter device for a detector for the detection of neutrons is designed, the neutron converter material in particular lithium-6, boron-10, Gadolinium-155, Gadoliniuim-157 and / or Uranium-235 contains.
Gemäß der Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Herstellung einer Konvertereinrichtung für einen Detektor zum Nachweis elektrisch neutraler Teilchen, insbesondere Neutronen, die Schritte:
- Vorsehen einer zwischen zwei elektrisch leitfähigen Schichten angeordneten Isolatorschicht, so daß die elektrisch leitfähigen Schichten gegeneinander elektrisch isoliert sind; und
- Vorsehen einer Konverterschicht, insbesondere einer Neutronenkonverterschicht.
- Providing an insulator layer arranged between two electrically conductive layers, so that the electrically conductive layers are electrically insulated from one another; and
- Providing a converter layer, in particular a neutron converter layer.
Die Neutronenkonverterschicht enthält hierbei vorzugsweise zumindest ein oben genanntes Neutronenkonvertermaterial. Wie oben beschrieben kann die erfindungsgemäße Konvertereinrichtung insbesondere aus einer sogenannten GEM-Folie hergestellt werden, auf welche eine zusätzliche Konverterschicht aufgebracht wird. So kann beispielsweise auf eine GEM-Folie mittels Elektronenstrahlverdampfen eines Bor-10 Pulvers oder Granulats eine Bor-10 Schicht aufgedampft werden.The neutron converter layer preferably contains at least one above called neutron converter material. As described above, the invention Converter device in particular from a so-called GEM film are produced, to which an additional converter layer is applied becomes. For example, on a GEM film using electron beam evaporation of a boron-10 powder or granulate, a boron-10 layer is evaporated become.
Erfindungsgemäß umfaßt ein Detektionsverfahren zum Nachweis elektrisch neutraler Teilchen, insbesondere Neutronen, die Schritte:
- Auffangen der zu detektierenden elektrisch neutralen Teilchen mit zumindest einer Konvertereinrichtung, welche bei Absorption der neutralen Teilchen Konvertierungsprodukte generiert;
- Erzeugen von elektrisch geladenen Teilchen in einem Zählgas bzw. Gas durch die Konvertierungsprodukte;
- Ableiten bzw. Beschleunigen der elektrisch geladenen Teilchen in einem elektrischen Driftfeld zu einer Ausleseeinrichtung, wobei die elektrisch geladenen Teilchen zumindest teilweise durch die ladungstransparente Konvertereinrichtung hindurchgeleitet werden, insbesondere durch eine Vielzahl vorzugsweise matrixartig angeordneter Durchgänge in der Konvertereinrichtung; und
- Nachweisen der elektrisch geladenen Teilchen in der Ausleseeinrichtung.
- Collecting the electrically neutral particles to be detected with at least one converter device which generates conversion products when the neutral particles are absorbed;
- Generating the electrically charged particles in a counting gas by the conversion products;
- Deriving or accelerating the electrically charged particles in an electrical drift field to a readout device, the electrically charged particles being at least partially passed through the charge-transparent converter device, in particular through a plurality of passages arranged preferably in a matrix in the converter device; and
- Detection of the electrically charged particles in the reading device.
Die ladungstransparente Auslegung der Konvertereinrichtung gestattet es, daß die geladenen Teilchen ohne Verlust ihrer Ortsinformationen durch die Konvertierungseinrichtung(en) geleitet werden können. Somit folgt aus der Ladungstransparenz, daß der Erzeugungsort der geladenen Teilchen in dem Zählgas unverzerrt durch die Konvertereinrichtung(en) auf die vorzugsweise ortsempfindliche Ausleseeinrichtung abgebildet bzw. geleitet wird.The charge-transparent design of the converter device allows the charged particles without losing their location information through the Conversion facility (s) can be directed. Hence it follows from the Charge transparency that the place of production of the charged particles in the Counting gas undistorted by the converter device (s) to the preferably location-sensitive readout device is mapped or directed.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beispielhaft beschrieben. Es zeigt:
- Figur 1
- eine schematische Schnittansicht eines Detektors zum Nachweis von Neutronen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- Figur 2a
- eine schematische, perspektivische Ansicht eines Detektors zum Nachweis von Neutronen gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
- Figur 2b
- eine schematische, perspektivische Ansicht des in Figur 2a gezeigten Detektors, jedoch mit einer unterschiedlichen Ausleseeinrichtung;
- Figur 2c
- eine schematische, perspektivische Ansicht des in Figur 2a gezeigten Detektors, jedoch mit einer weiteren unterschiedlichen Ausleseeinrichtung;
- Figur 2d
- eine schematische, perspektivische Ansicht des in Figur 2a gezeigten Detektors, jedoch mit einer weiteren unterschiedlichen Ausleseeinrichtung;
- Figur 3
- eine schematische Schnittansicht durch eine Konvertereinrichtung, wobei Feldlinien des lokalen elektrischen Feldes schematisch gezeigt sind; und
- Figur 4
- eine schematische Schnittansicht samt perpektivischer Detailansicht einer Ausführungsform einer Trageinrichtung für Konvertereinrichtungen.
- Figure 1
- is a schematic sectional view of a detector for detecting neutrons according to an embodiment of the invention;
- Figure 2a
- is a schematic, perspective view of a detector for detecting neutrons according to another embodiment of the invention;
- Figure 2b
- a schematic, perspective view of the detector shown in Figure 2a, but with a different reading device;
- Figure 2c
- a schematic, perspective view of the detector shown in Figure 2a, but with another different readout device;
- Figure 2d
- a schematic, perspective view of the detector shown in Figure 2a, but with another different readout device;
- Figure 3
- a schematic sectional view through a converter device, field lines of the local electric field are shown schematically; and
- Figure 4
- is a schematic sectional view including perspective detailed view of an embodiment of a support device for converter devices.
Figur 1 zeigt eine stark schematisierte Schnittansicht und Figur 2 schematische perspektivische Ansichten eines Detektors zum Nachweis von Neutronen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Anhand von Figuren 1 und 2 wird zunächst der Aufbau des Detektors beschrieben.Figure 1 shows a highly schematic sectional view and Figure 2 schematic perspective views of a detector for the detection of neutrons according an embodiment of the invention. First, using Figures 1 and 2 the structure of the detector is described.
In einem Detektorgehäuse 10, welches Teil eines herkömmlichen Gasdetektors
sein kann, ist ein (nicht dargestelltes) Gas bzw. Zählgas über eine Gaszufuhr 12
eingebracht. Zum Entlüften des Detektorgehäuses ist ferner eine Gasabfuhr 14
vorgesehen. Sämtliche für Gasdetektoren übliche Zählgase können zum Einsatz
kommen. Es ist lediglich erforderlich, daß die bei der später zu beschreibenden
Kernreaktion entstehenden Konvertierungsprodukte eine ionisierende Wirkung auf
das Gas aufweisen. Als besonders geeignet haben sich Mischungen von Argon
mit einer oder mehreren der Komponenten CO2 (10-90% Anteil), CF4, Dimethylether,
Isobutan und CH4 erwiesen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Helium-3-Neutronendetektoren
ist es nicht notwendig, daß das Zählgas unter hohem Druck
gehalten wird, sondern kann vorteilhafterweise unter Normaldruck in das Detektorgehäuse
10 eingebracht sein. In a
In der Oberseite des Detektorgehäuses 10 ist ein Eintrittsfenster 16 eingelassen.
Da der gezeigte Detektor vorzugsweise nicht mit einem erhöhten Zählgasdruck
betrieben wird, kann das Eintrittsfenster 16 sehr dünn ausgebildet sein, so daß es
nur einen geringen Wirkungsquerschnitt für die Absorption der einfallenden Neutronen
aufweist. Zudem werden die einfallenden Neutronen nur sehr geringfügig
durch das dünne Eintrittsfenster abgelenkt. In dem Detektorgehäuse 10 ist angrenzend
an oder in der Nähe hiervon das Eintrittsfenster 16 eine Driftelektrode
18 angeordnet, welche Teil einer Driftfelderzeugungseinrichtung ist. Zwischen der
Driftelektrode 18 und einer später zu beschreibenden Ausleseeinrichtung 19 kann
über eine (nicht dargestellte) Spannungsquelle ein elektrisches Driftfeld für elektrisch
geladene Teilchen angelegt werden, wobei die Driftelektrode bezüglich der
Ausleseeinrichtung 19 mit einer negativen Spannung beaufschlagt wird. An der
Driftelektrode 18 kann optional eine Schicht 20 eines festen Neutronenkonverters,
beispielsweise eine Bor-10 Schicht, angebracht sein.An
In den in Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Detektors umfaßt die Driftfelderzeugungseinrichtung die Driftelektrode 18 als erste
Elektrode und die Ausleseeinrichtung als (strukturierte) zweite Elektrode. Es ist
jedoch ebenfalls möglich, statt einer Verwendung der Ausleseeinrichtung 19 als
die zweite Elektrode eine davon getrennte zweite Driftelektrode vorzusehen. Ferner
kann die Funktion der Driftelektrode 18 auch von einer leitfähigen Schicht der
dazu benachbarten Konvertereinrichtung 22 übernommen werden, so daß auf die
Driftelektrode 18 verzichtet werden kann.In the embodiments of the invention shown in Figures 1 and 2
Detector, the drift field generating device comprises the
In dem Detektorgehäuse 10 sind ferner drei kaskadiert übereinander angeordnete
Konvertereinrichtungen 22 vorgesehen. Die Konvertereinrichtungen 22 befinden
sich im wesentlichen in dem zwischen der Driftelektrode 18 und der Ausleseeinrichtung
19 erzeugten Driftfeld. Wie insbesondere in Figur 3 dargestellt ist, sind
die Konvertereinrichtungen 22 vorzugsweise schichtartig aufgebaut und bestehen
beispielsweise aus einer sogenannten GEM-Folie (s.o.), welche ein- oder beidseitig
mit einer festen Konverterschicht 24 - hier einer Neutronenkonverterschicht aus
Bor-10 - beschichtet ist. Vorzugsweise ist die Konverterschicht 24 im wesentlichen
homogen aufgetragen, wobei jedoch die Konverterschicht 24 auch nur bereichsweise
oder in verschiedenen Schichtdicken aufgetragen sein kann. Jede der Konvertereinrichtungen
22 umfaßt eine Isolatorschicht 26, beispielsweise eine Polyimidfolie.
Besonders bewährt haben sich Kaptonfolien (Kapton ist eine Marke des
Unternehmens DUPONT). Die Isolatorschicht 26 ist beidseitig mit einem leitfähigen
Material, beispielsweise Kupfer, beschichtet, so daß sie zwischen einer ersten
leitfähigen Schicht 28 und einer zweiten leitfähigen Schicht 30 angeordnet ist. Die
beiden elektrisch leitfähigen Schichten 28 und 30 sind durch die Isolatorschicht 26
elektrisch gegeneinander isoliert. Ferner weist die Konvertereinrichtung 22 eine
Vielzahl von matrixartig angeordneten Durchgängen 32 auf, durch welche elektrisch
geladene Teilchen in noch zu beschreibender Weise driften können. Das
Anordnungsmuster dieser Durchgänge 32, welche die Konvertereinrichtungen 22
in Normalenrichtung der Schichtebene durchsetzen, ist schematisch in Figur 2
dargestellt.In the
Der konstruktive Aufbau, die elektrische Beschaltung sowie die Herstellung der
GEM-Folien, aus welchen in einfacher Weise bevorzugte erfindungsgemäße Konvertereinrichtungen
22 erstellt werden können, ist detailliert in US-A-6 011 265
sowie in der Veröffentlichung von F. Sauli, "GEM: A new concept for electron
amplification in gas detectors", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research
A 386 (1997), Seiten 531-534 beschrieben. Um eine Wiederholung sämtlicher
dort beschriebener Aspekte und Eigenschaften von GEM-Folien zu vermeiden,
wird nachfolgend in vollem Umfang auf die Offenbarung dieser angegebenen
Druckschriften Bezug genommen. Somit stellt die Beschreibung insbesondere des
Aufbaus, der elektrischen Beschaltung und der Herstellung der GEM-Folien in den
genannten Druckschriften ein integraler Bestandteil der Offenbarung dieser Erfindung
dar. Bei den in den angegebenen Druckschriften beschriebenen GEM-Folien
(gas electron multiplier-Folien) handelt es sich im wesentlichen um beidseitig mit
Kupfer beschichtete Kaptonfolien, welche 1997 am CERN von F. Sauli entwickelt
wurden. Mittels eines photolithographischen Verfahrens wird in diese GEM-Folien
eine regelmäßige Lochstruktur geätzt, wobei Kupferober- und Unterseite der Folien
elektrisch nicht miteinander verbunden sind. The construction, the electrical wiring and the manufacture of the
GEM foils, from which preferred converter devices according to the invention are produced in a
Dem Eintrittsfenster 16 und der Driftelektrode 18 in dem Detektorgehäuse 10 gegenüberliegend
ist die Ausleseeinrichtung 19 derartig angeordnet, daß die kaskadierten
Konvertereinrichtungen 22 stapelartig dazwischen angeordnet sind. Die
Flächennormalen des Eintrittsfensters 16, der Driftelektrode 18, der Konvertereinrichtungen
22 sowie der Ausleseeinrichtung 19 fallen bevorzugt im wesentlichen
zusammen. Die mittlere Feldrichtung des elektrischen Driftfeldes zwischen benachbarten
Konvertereinrichtungen 22 ist im wesentlichen senkrecht zu den
Schichtebenen der Konvertereinrichtungen 22, so daß sie der Längsachse der
lochartigen Durchgänge 32 folgt. Die Driftelektrode 18 sowie die Ausleseeinrichtung
19 sind von den Konvertereinrichtungen 22 beabstandet, wobei der Zwischenräum
durch das Zählgas gefüllt ist.Opposite the
Als Ausleseeinrichtung 19 können sämtliche herkömmliche Detektorsysteme verwendet
werden, mit welchen geladene Teilchen, insbesondere Elektronen, nachweisbar
sind. Beispielsweise sind als Ausleseeinrichtung 19 kammartig bzw. interdigital
ineinandergreifende Elektrodenstrukturen einsetzbar, welche schematisch
in Figur 2a und Figur 2b dargestellt sind. Es sind jedoch auch Vieldrahtgaskammern
oder ähnliche Detektoren einsetzbar. Zum Nachweis der eingefangenen
geladenen Teilchen - hier Elektronen - wird in herkömmlicher Weise mit einer
(nicht dargestellten) Nachweiselektronik ein Spannungssignal zwischen den beiden
interdigitalen Elektroden ausgewertet.All conventional detector systems can be used as
Neben kammartigen und interdigitalen Auslesestrukturen (vgl. Figuren 2a und 2b),
welche nur die Ortsinformationen in einer Dimension liefern, sind gleichermaßen
zueinander gekreuzte Auslesestrukturen interessant, die eine Ortsauflösung in
zwei Raumdimensionen liefern. Eine derartig modifizierte Ausleseeinrichtung 19"
ist schematisch in Figur 2c dargestellt. Hierbei sind zwei zueinander gekreutzte
Auslesestrukturen an Ober- und Unterseite einer Trägerplatte angeordnet. Ebenso
sind - vor allem für Streuexperimente - ringförmige Auslesestrukturen interessant,
da diese über den gesamten Azimutwinkel integrieren und die gesamte Intensität
für einen Streuwinkel liefern. Eine derartige Auleseeinrichtung 19"' mit ringförmiger
Auslesestruktur ist in Figur 2d gezeigt. In addition to comb-like and interdigital readout structures (see FIGS. 2a and 2b),
which only provide the location information in one dimension are the same
read out structures crossed to one another, which have a spatial resolution in
deliver two dimensions of space. A
Figur 4(a) ist eine schematische Schnittansicht einer bevorzugten Trageinrichtung
36, mit welcher eine Viezahl kaskadenartig angeordneter Konvertereinrichtungen
22 in dem Detektorgehäuse 10 angebracht werden können. Die Trageinrichtung
36 weist vier beispielswiese aus einem Keramikmaterial bestehende Befestigungsstüzten
38 auf, welche an einer Grundplatte 40 festgelegt sind. An jeder der
Befestigungsstützen 38 ist ein Eckabschnitt eines im wesentlichen rechteckig
ausgelegten Spannrahmens 42 angebracht.Figure 4 (a) is a schematic sectional view of a
Wie in der perspektivischen Explosionsansicht von Figur 4(b) dargestellt ist, weist
der Spännrahmen 42 ein oberes 44 und ein unteres 46 Rahmenelement auf. Die
Rahmenelemente 44 und 46 bestehen aus einem leitfähigen Material, beispielsweise
Edelstahl. Zwischen den Rahmenelementen 44, 46 ist eine der Konvertereinrichtungen
22 unter einer derartigen mechanischen Zugspannung gehalten,
daß sie im wesentlichen glatt und ohne Faltenwurf festgelegt ist. Zwischen jeweiligen
Schichtseiten der Konvetereinrichtung 22 und den Rahmenelementen 44 und
46 sind U-förmige Isolierelemente 48, beispielsweise Kaptonfolien, eingebracht,
welche einen direkten Kontakt zwischen den Rahmenelementen 44, 46 und den
jeweiligen Schichtseiten der Konvertereinrichtung 22 nur bereichsweise ermöglichen.
Hierdurch kann die Konvertereinrichtung derart in dem Spannrahmen 42
gehalten werden, daß dessen oberes Rahmenelement 44 mit der ersten leifähigen
Schicht 24 und dessen unteres Rahmenelement 46 mit der zweiten leitfähigen
Schicht elektrisch verbunden ist, während die Rahmenelemente 44 und 46
gegeneinander isoliert sind.As shown in the exploded perspective view of Figure 4 (b), points
the
Nachfolgend wird die Funktionsweise der dargestellten Ausführungsformen der
erfindungsgemäßen Detektoren beschrieben. Die zu detektierenden Neutronen
werden zumindest teilweise von den Konverterschichten 24 der Konvertereinrichtungen
22 absorbiert. Besteht die Konverterschicht 24 im wesentlichen aus isotopenreinem
Bor-10, welches sich als besonders geeignet erwiesen hat, so zerfällt
nach Absorption des Neutrons der Bor-10 Kern spontan in ein α-Teilchen und einen
Lithium-7 Kern. Da der Impuls des absorbierten Neutrons vergleichsweise
klein und daher vernachlässigbar ist, werden das α-Teilchen und der Lithium-7
Kern aufgrund der Impulserhaltung in entgegengesetzten Richtungen auseinanderfliegen.
Zumindest eines dieser Konvertierungsprodukte wird sich daher von
der Schichtebene der Konvertereinrichtung 22 bzw. von der Konverterschicht 24
wegbewegen und das Zählgas ionisieren. Hierdurch werden insbesondere freie
Elektronen in dem Zählgas erzeugt.The mode of operation of the illustrated embodiments of FIG
described detectors according to the invention. The neutrons to be detected
are at least partially from the converter layers 24 of the
In Figur 1 sind derartige lonisationsspuren der Konvertierungsprodukte schematisch
dargestellt. Die durch diesen Vorgang generierten primären Elektronen stellen
das eigentlich zu detektierende Signal dar. Die Ladungswolke der primären
Elektronen wird von dem elektrischen Driftfeld, welches zwischen der Driftelektrode
18 und der Ausleseeinrichtung 19 angelegt ist, in Richtung der Ausleseeinrichtung
19 abgezogen. Zumindest teilweise müssen die erzeugten Elektronen
eine oder mehrere der Konvertierungseinrichtungen 22 passieren, um zu der
Ausleseeinrichtung 19 zu gelangen. Ermöglicht wird dies durch die Ladungstransparenz
der Konvertereinrichtungen 22, welche es den primären Elektronen gestattet,
ohne Verlust ihrer Ortsinformationen zu der Ausleseeinrichtung 19 zu gelangen,
so daß mittels eines ortsaufgelösten Nachweises dieser Elektronen durch
die Ausleseeinrichtung 19 auch auf den lonisationsort des Zählgases - und damit
den Absorptionsort des zu detektierenden Neutrons - geschlossen werden kann.Such ionization traces of the conversion products are shown schematically in FIG
shown. Make the primary electrons generated by this process
the signal actually to be detected. The charge cloud of the primary
Electrons are released from the electrical drift field, which is between the
Wie detailliert in US-A-6-011 265 sowie der oben genannten Veröffentlichung von
F. Sauli ausgeführt ist, weisen GEM-Folien bei geeigneter elektrischer Beschaltung
ladungstransparente Eigenschaften auf. So schnüren sich, wie schematisch
in Figur 3 dargestellt ist, die elektrischen Feldlinien des Driftfeldes im Bereich der
Durchgänge 32 der Konvertereinrichtungen 22 zusammen, wenn eine den Driftvorgang
unterstützende Potentialdifferenz zwischen der ersten leitfähigen Schicht
28 und der zweiten leitfähigen Schicht 30 angelegt wird. In Feldrichtung hinter den
Durchgängen 32 der Konvertereinrichtungen 22 weiten sich die elektrischen Feldlinien
symmetrisch wieder auf. Ein Primärelektron, welches durch die ionisierende
Wirkung eines Konvertierungsprodukts in dem Zählgas erzeugt wurde, folgt dem
Verlauf einer der in Figur 3 dargestellten Feldlinien und kann so durch den Durchgang
32 bei Erhalt seiner Ortsinformation durch eine oder mehrere Konvertereinrichtungen
22 "geschleust" werden.As detailed in US-A-6-011 265 and the above publication by
F. Sauli, GEM foils have suitable electrical wiring
charge-transparent properties. So lace up, as schematically
is shown in Figure 3, the electric field lines of the drift field in the
Im Gegensatz zu der Betriebsweise der GEM-Folien, wie sie in den genannten
Druckschriften beschrieben ist, wird die Potentialdifferenz zwischen der ersten
leitfähigen Schicht 28 und der zweiten leitfähigen Schicht 30, welche über eine
Konverterfelderzeugungseinrichtung elektrisch miteinander verbunden sind, vorzugsweise
klein gewählt. So ist es nicht erforderlich, im Bereich der Durchgänge
32 in den Konvertereinrichtungen 22 derartige Feldstärken aufzubauen, welche zu
einer Gasverstärkung der Primärelektronen führen würden, da durch die Konvertierungsprodukte
jedes einzelnen Neutrons ausreichend Primärelektronen für einen
direkten Nachweis erzeugt werden. Folglich werden die Konvertereinrichtungen
22 nicht wie GEM-Folien als Gasverstärker mit Verstärkungsfaktoren zwischen
10 und 100 beschaltet, sondern arbeiten ohne Verstärkung (Verstärkung =
1). Wegen der zur Verfügung stehenden Gesamtenergie der Konvertierungsprodukte
ist eine Verstärkung somit nicht oder nur in geringem Maße notwendig, so
daß eine sehr hohe Betriebsstabilität und Lebensdauer des Detektors erreicht
wird.In contrast to the mode of operation of the GEM films, as they are mentioned
Publications is described, the potential difference between the first
Der beschriebene Aufbau der Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Detektors für Neutronen gestattet vorteilhafterweise die Nutzung eines festen Neutronenkonverters. Derartige feste Neutronenkonverter, beispielsweise Konverterschichten aus Bor-10, sind aus prinzipiellen Gründen sehr viel besser für einen effizienten Nachweis von Neutronen geeignet, da die Dichte der Konverteratome in einem festen Neutronenkonverter etwa 1000fach größer als in gasförmigen Konvertern ist und so einen erheblich höheren Wirkungsquerschnitt für Neutronen aufweist. Bei herkömmlichen Neutronendetektoren führt die Verwendung von festen Konvertermaterialien jedoch zu Nachweisproblemen der geladenen Konvertierungsprodukte. Diese bleiben zu einem großen Teil schon in dem Konvertermaterial selbst stecken und können ihre Energie nur beschränkt an ein umgebendes Detektionsmedium (z.B. ein Zählgas) abgeben. Nachgewiesen werden können effektiv nur aus Oberflächenschichten herrührende Konvertierungsprodukte. Der Vorteil eines dichtgepackten Neutronenabsorbers in Form eines Festkörpers wird daher bei herkömmlichen Neutronendetektoren wieder durch die mangelnde Austrittswahrscheinlichkeit der geladenen Fragmente in das umgebende Detektionsmedium zunichte gemacht.The described structure of the embodiments of the detector according to the invention for neutrons advantageously allows the use of a fixed neutron converter. Solid neutron converters of this type, for example converter layers from boron-10, are much better for one for basic reasons efficient detection of neutrons because of the density of the converter atoms in a solid neutron converter about 1000 times larger than in gaseous ones Is a converter and thus a significantly higher cross section for neutrons having. In conventional neutron detectors, the use of fixed leads However, converter materials lead to detection problems of the loaded conversion products. To a large extent, these remain in the converter material themselves stuck and can only limit their energy to a surrounding one Dispense the detection medium (e.g. a counting gas). Can be demonstrated effectively conversion products originating only from surface layers. The advantage of a tightly packed neutron absorber in the form of a solid is therefore due to the lack of conventional neutron detectors again Probability of the loaded fragments to escape into the surrounding detection medium destroyed.
Da der feste Neutronenkonverter und das Zählgas voneinander entkoppelt sind, kann das Zählgas unter Normaldruck eingesetzt werden, so daß kein Druckbehälter notwendig ist. Der Betrieb bei Normaldruck ermöglicht seinerseits den Bau beliebig großflächiger und vielfältig geformter Detektoren.Since the fixed neutron converter and the counting gas are decoupled from each other, the counting gas can be used under normal pressure, so that no pressure vessel necessary is. Operation at normal pressure in turn enables construction detectors of any size and with various shapes.
Besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung von Neutronendetektoren erwiesen,
welche kaskadenartig angeordnete Konvertereinrichtungen 22 umfassen. So
ist es hierdurch möglich, ein besonders günstiges Verhältnis der Oberfläche einer
Konverterschicht zu seinem Konvertervolumen bereitzustellen. Die Verwendung
fester Neutronenkonverter zieht nämlich regelmäßig Probleme hinsichtlich des
Nachweises der geladenen Konvertierungsprodukte nach sich. Diese Konvertierungsprodukte
bleiben zu einem großen Teil bereits in dem festen Konverter
selbst stecken und können ihre Energie nur in geringem Maße an ein umgebendes
Detektionsmedium, wie z.B. ein Zählgas abgeben. Nachgewiesen werden
können effektiv nur aus Oberflächenschichten herrührende Konvertierungsprodukte.
Somit kann unter Umständen der Vorteil eines dichtgepackten Neutronenabsorbers
in Form eines Festkörpers durch die geringe Austrittswahrscheinlichkeit
der Konvertierungsprodukte in das umgebenden Detektionsmedium zunichte gemacht
werden.The use of neutron detectors has proven to be particularly advantageous,
which comprise
Die ladungstransparente Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Konvertereinrichtungen
22 ermöglicht es jedoch vorzugsweise, mehrere Konvertereinrichtungen
22 kaskadenartig hintereinander zur Vervielfältigung bzw. Verbesserung der
Nachweiseffizienz zu verwenden. Das eigentliche lonisationssignal, d.h. die gebildeten
primären Elektronen, können aufgrund der Ladungstransparenz die Konvertereinrichtungen
22 unter Erhalt ihrer Ortsinformationen durchdringen, so daß
das gesamte Elektronensignal zum Nachweis der absorbierten Neutronen herangezogen
werden kann. Bei einer Verwendung von Bor-10 als Konvertermaterial in
den Konverterschichten 24 eines erfindungsgemäßen Detektors, welcher 10 beiseitig
beschichtete, kaskadierte Konvertereinrichtungen 22 umfaßt, erhält man
beispielsweise eine Nachweiseffizienz von 75% für 2 meV-Neutronen, 50% für 25
meV-Neutronen, 35% für 100 meV-Neutronen und etwa 25% für 200 meV-Neutronen.
Diese hohen Nachweiseffizienzen des erfindungsgemäßen Detektorsystems
sind mit denjenigen von Hochdruck-Helium-3-Gasdetektoren vergleichbar.The charge-transparent design of the converter devices according to the
Die Primärladung, die in der Kaskade der ladungstransparenten Konvertereinrichtungen
22 erzeugt wird, kann - wie beschrieben - von einem beliebigen Elektrodenarray
als Ausführung der Ausleseeinrichtung 19 nachgewiesen werden.
Durch die Art und Form der Ausleseeinrichtung 19 ergibt sich in einfacher Weise
das räumliche Auflösungsvermögen. Aus der Form und Dauer typischer Ladungspulse
ergibt sich eine typische Zählratenakzeptanz von etwa 10 Millionen Neutronen
pro Sekunde und Pixel. Die Größe eines Pixel und damit das räumliche Auflösungsvermögen
ist durch die Reichweite der geladenen Konvertierungsprodukte
bei üblichen Zählraten unter Normaldruck auf etwa 2 mm x 2 mm beschränkt.
Somit weist das hier vorgestellte erfindungsgemäße Detektorkonzept eine etwa
1000-mal größere Ratenakzeptanz pro Bildpunkt und eine 10-mal besseres lineares
Ortsauflösungsvermögen als bisherige Helium-3 Gasdetektoren für Neutronen
auf.The primary charge in the cascade of charge-
Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin begründet, daß bei dem erfindungsgemäßen Detektor auf den Einsatz von Materialien mit hoher Kernladungszahl verzichtet werden kann. Dadurch ergibt sich eine inhärente Unempfindlichkeit für Gamma- und Röntgenstrahlung. Beim Einsatz von beispielsweise Bor-10 als aktivem Konvertermaterial lassen sich die Signale darüber hinaus wegen der Form des Pulshöhenspektrums ohne Probleme gegen den verbleibenden Röntgen- und Gammauntergrund diskriminieren. Der erfindungsgemäße Detektor ist in seiner Ausführungsform als Neutronendetektor folglich für Gamma- und Röntgenstrahlung unempfindlich.Another advantage of the invention lies in the fact that in the invention Detector for the use of materials with a high atomic number can be dispensed with. This results in an inherent insensitivity to Gamma and X-rays. When using, for example, Bor-10 as the active one Converter material, the signals can also because of the shape of the pulse height spectrum without problems against the remaining X-ray and Discriminate gamma background. The detector according to the invention is in its Embodiment as a neutron detector consequently for gamma and X-rays insensitive.
Die Konvertereinrichtungen 22 können insbesondere in einfacher Weise aus herkömmlichen
GEM-Folien hergestellt werden, in dem eine oder vorzugsweise beide
Oberflächen der GEM-Folie mit Konverterschichten 24 versehen werden. Als besonders
geeignet für die Herstellung derartiger Konvertereinrichtungen 22 hat sich
ein Elektronenstrahlverdampfen von pulver- oder granulatartigem und isotopenreinem
Bor-10 erwiesen. Eine Schichtdicke von ca. 3 µm der Bor-10 Schicht stellt
ein Optimum für das Verhältnis aus der Neutronen-Absorptionswahrscheinlichkeit
und der Entkommwahrscheinlichkeit der geladenen Konvertierungsprodukte aus
dem festen Konveter in das Zählgas dar, da die maximale Reichweite der geladenen
Konvertierungsprodukte in Bor-10 lediglich etwa 3,5 µm beträgt.The
- 1010
- Detektorgehäusedetector housing
- 1212
- ZählgaszufuhrZählgaszufuhr
- 1414
- ZählgasabfuhrZählgasabfuhr
- 1616
- Eintrittsfensterentrance window
- 1818
- Driftelektrodedrift electrode
- 1919
- Ausleseeinrichtungreading device
- 19'19 '
- Ausleseeinrichtungreading device
- 19"19 "
- Ausleseeinrichtungreading device
- 19"'19 " '
- Ausleseeinrichtungreading device
- 2020
- Schicht eines Neutronenkonverters auf der DriftelektrodeLayer of a neutron converter on the drift electrode
- 2222
- Konvertereinrichtungenconverter devices
- 2424
- Konverterschichtconverter layer
- 2626
- Isolatorschichtinsulator layer
- 2828
- erste leitfähige Schichtfirst conductive layer
- 3030
- zweite leitfähige Schichtsecond conductive layer
- 3232
- Durchgängecrossings
- 3434
- Feldlinienfield lines
- 3636
- Trageinrichtungsupport means
- 3838
- Befestigungsstützenmounting brackets
- 4040
- Grundplattebaseplate
- 4242
- Spannrahmen tenter
- 4444
- oberes Rahmenelementupper frame element
- 4646
- unteres Rahmenelementlower frame element
- 4848
- Isolierelementeinsulating
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