EP1202322B1 - Detektor zum Nachweis elektrisch neutraler Teilchen, insbesondere Neutronen, unter Benutzung eines mit einem Zählgas gefüllten Gehäuses - Google Patents

Detektor zum Nachweis elektrisch neutraler Teilchen, insbesondere Neutronen, unter Benutzung eines mit einem Zählgas gefüllten Gehäuses Download PDF

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EP1202322B1
EP1202322B1 EP00122360A EP00122360A EP1202322B1 EP 1202322 B1 EP1202322 B1 EP 1202322B1 EP 00122360 A EP00122360 A EP 00122360A EP 00122360 A EP00122360 A EP 00122360A EP 1202322 B1 EP1202322 B1 EP 1202322B1
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EP
European Patent Office
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converter
detector
layer
drift
conductive layer
Prior art date
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EP00122360A
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English (en)
French (fr)
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EP1202322A1 (de
Inventor
Martin Dr. Klein
Christian Dr. Schmidt
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Universitaet Heidelberg
Original Assignee
Universitaet Heidelberg
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Publication date
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Priority to DE50009131T priority patent/DE50009131D1/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J47/00—Tubes for determining the presence, intensity, density or energy of radiation or particles
    • 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 the detection of electrically neutral particles according to claim 1, and a detection method for the detection of electrically neutral particles according to claim 10.
  • thermal and cold neutrons are 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 proof, ie the detection of such neutrons, as a result of which detectors and detection methods for neutrons have become of great economic importance in recent decades.
  • the detection of neutrons can only be achieved via a nuclear reaction using a so-called neutron converter.
  • the neutrons are captured or absorbed by the atomic nuclei of the converter, whereupon these nuclei spontaneously decay.
  • conversion products can then be detected on the basis of their ionizing effect.
  • 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 according to the nuclear reaction 3 He + 1 n ⁇ 3 H + 1 p + 764 keV, the tritium nucleus a quarter and the proton receives 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 help 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 approximately 2 mm x 2 mm and one million neutrons per second and cm 2 (cf. Vellettaz et al., "Twodimensional 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.
  • a solid neutron converter is admixed with a solid or liquid scintillator, for example in the form of a fine powder (cf. GB Spector et al., "Advances in terbium-doped, lithium-loaded scintillator glass development", Nuclear Instruments and Methods A 326 (1993), pages 526 to 530).
  • the conversion products that result from a neutron detection reaction deposit their energy in the scintillator.
  • the light then emitted by the scintillator is then detected in a location-sensitive manner using a suitable light detection system.
  • Such detectors have typical detection efficiencies of 20% to 40%.
  • the detector according to the invention is designed for the detection of electrically neutral particles, in particular neutrons, and other neutral particles, in particular photons.
  • the principle of detection is based on the fact that the neutral particles interact with a converter device which generates conversion products on the basis of this interaction (for example a nuclear reaction).
  • 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.
  • they are fed to a reading device under the influence of an electrical drift field.
  • the detector has a drift field generation device, which can in particular be provided separately from the converter device and the readout device.
  • the drift field generating device can also be included to generate the drift field, so that the drift field generation device can be implemented in particular by a special configuration of the converter and readout device.
  • the at least one converter device is designed to be charge-transparent, ie it has a high transmission coefficient for the electrically charged particles. The electrically charged particles can preferably pass through the converter device while maintaining their location information.
  • the converter device has a plurality of passages, preferably arranged in a matrix, for the electrically charged particles.
  • the passages can be designed, for example, as geometrically designed openings or holes in the converter device.
  • a passage can also be formed by a charge-transparent zone which has a small interaction cross-section for the electrically charged particles in comparison with the adjacent material, so as to have a high transmission coefficient for the charged particles.
  • the converter device particularly preferably has a regular matrix of circular openings.
  • the passages have a minimum diameter between 10 ⁇ m to 1000 ⁇ m, preferably 25 ⁇ m to 500 ⁇ m and a minimum distance from one another of 10 ⁇ m to 500 ⁇ m, preferably 15 ⁇ m to 300 ⁇ m.
  • the detector has a multiplicity, preferably 2 to 20, most preferably 10, of converter devices arranged cascaded (one behind the other).
  • the converter devices can in each case be spaced apart from one another in a stack-like manner in the detector housing, so that the counting gas is located between the converter devices.
  • Due to the charge transparency of the converter devices the charged particles generated by the conversion products, the detection of which enables the detection of the neutral particles, can be moved through the cascade of the converter devices to the readout device by means of the drift field.
  • the use of cascaded converter devices in the detector according to the invention accordingly enables an enormous increase in the available interaction area for the electrically neutral particles and thus a considerable increase in the detection sensitivity.
  • a region of the converter device which is active for the conversion of the electrically neutral particles is preferably designed in a planar manner, in particular in a planar manner, and is preferably arranged essentially perpendicularly in the drift field.
  • This surface or layer-like structure of the converter device enables a further improvement of the surface to volume ratio of the converter device. This is because, although the (solid) converter material is typically sensitive to the neutral particles to be detected in the entire volume, the conversion products often only have a relatively short range in the converter material and can therefore only escape from it if they are sufficiently close to its surface , to achieve a high detection sensitivity, it is advantageous to have the largest possible converter area available for detection for a given converter volume or mass.
  • the converter device is arranged substantially vertically in the drift field. Accordingly, the average field direction of the drift field is advantageously essentially parallel to the surface normal of the flat converter device. An inclined arrangement of the converter device is also possible as long as the plane of the flat converter device does not run parallel to the drift field.
  • the drift field generating device has a flat, optionally structured drift electrode in order to generate the drift field between the drift electrode and the readout device.
  • the drift electrode is negatively biased with respect to the readout device.
  • the drift electrode can be dispensed with if its function is taken over by an electrode layer of the converter device.
  • the converter device comprises a first and second conductive layer, which are electrically insulated from one another by an insulator layer arranged between them, and at least one converter layer preferably arranged on the first and / or second conductive layer.
  • the converter device thus has a layer structure.
  • a plastic film in particular polyimide film, is used as the insulator layer.
  • Kapton films have proven particularly effective (Kapton is a trademark of DUPONT).
  • the two conductive layers are electrically insulated from one another by this insulating layer.
  • the conductive layers are preferably metal layers which have been applied directly to the insulating layer by a coating process. Copper layers are particularly suitable for the conductive layers.
  • the layer-like converter device further comprises a converter layer, which is preferably arranged on the surface of the first and / or second conductive layer facing away from the insulator layer. Equally, however, the converter layer can also be arranged between one of the, in particular, thin and structured conductive layers and the insulator layer his. If the converter layer can be designed as a conductive layer, an additional conductive layer of the converter device can be dispensed with.
  • Such a particularly preferred layer-like converter device can be produced by means of so-called GEM (gas electron multiplier) films, as described, for example, in US Pat. No. 6,011,265 and in the publication by F. Sauli in Nucl. Inst. And Methods A 386 (1997) pages 531 to 543.
  • GEM gas electron multiplier
  • These GEM foils described in the specified publications are Kapton foils coated on both sides with copper, which were developed by F. Sauli at CERN in 1997.
  • a regular hole structure is etched into these GEM foils by means of a photolithographic process, the top and bottom surfaces of the foils not being electrically connected to one another.
  • the layered converter device described differs from the GEM foils proposed by F. Sauli in particular in the converter layer additionally present.
  • the GEM films in the applications discussed in the cited documents are operated exclusively in a gas amplification mode. Field strengths of this type are built up between the two conductive layers by means of suitable electrical circuitry, so that the primary electrons increase in avalanches, so that the foils represent a "gas electron multiplier" (GEM).
  • GEM gas electron multiplier
  • the converter devices according to the present invention are preferably not operated in such a gas amplification mode, but rather only the charge-transparent property of the GEM films exploited.
  • the converter device is designed such that a potential difference that supports the drift process can be applied between the first and the second conductive layer.
  • the first and second conductive layers of the converter device are electrically connected to one another via a converter field generating device.
  • the converter field generation device enables the generation of an electrical drift field, which can act in addition to the drift field generated by the drift field generation device. This ensures that the electrically charged particles can be passed efficiently 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 containing in particular lithium-6, boron-10, gadolinium-155, gadotinium-157 and / or uranium-235. If UV and / or X-ray photons are to be detected as neutral particles, Csl in particular can be considered as the material for the photon converter layer.
  • the converter layer has a layer thickness of 0.1 ⁇ m to 10 ⁇ m, preferably for a neutron converter layer consisting essentially of boron-10 between 0.5 ⁇ m to 3 ⁇ m, most preferably approximately 1 ⁇ m
  • the first and second conductive layer has a layer thickness of 0.1 ⁇ m to 20 ⁇ m, preferably 0.2 ⁇ m to 10 ⁇ m
  • the insulator layer has a layer thickness of 10 ⁇ m to 500 ⁇ m, preferably 25 ⁇ m to 100 ⁇ m.
  • the converter device for a detector for the detection of electrically neutral particles, in particular neutrons comprises a first and second conductive layer which are electrically insulated from one another by an insulator layer arranged between them, and at least one (fixed) converter layer preferably arranged on the first and / or second conductive layer , wherein the converter device has a plurality of passages, preferably arranged in a matrix, for electrically charged particles.
  • a converter layer can be used in conjunction with a conventional gas detector simple and highly sensitive detection of neutral particles, especially neutrons, can be used.
  • the converter device is introduced into the drift field of the gas detector. It is particularly preferred not to use a single converter device, but rather a “stack” of cascaded converter devices, as a result of which the detection sensitivity can be increased enormously.
  • the converter device preferably contains a neutron converter material, so that the converter device is designed for a detector for the detection of neutrons, the neutron converter material in particular containing lithium-6, boron-10, gadolinium-155, gadoliniuim-157 and / or uranium-235.
  • the neutron converter layer preferably contains at least one neutron converter material mentioned above.
  • the converter device according to the invention can in particular be produced from a so-called GEM film, to which an additional converter layer is applied.
  • a boron-10 layer can be evaporated onto a GEM film by means of electron beam evaporation of a boron-10 powder or granulate.
  • Claim 10 describes a detection method for the detection of electrically neutral particles, in particular neutrons, according to the present invention.
  • the charge-transparent design of the converter device allows the charged particles to be passed through the converter device (s) without losing their location information. It follows from the charge transparency that the place of production of the charged particles in the counting gas is mapped or directed undistorted by the converter device (s) to the preferably location-sensitive reading device.
  • FIG. 1 shows a highly schematic sectional view
  • FIG. 2 shows schematic perspective views of a detector for the detection of neutrons according to one embodiment of the invention. The construction of the detector is first described with reference to FIGS. 1 and 2.
  • a gas (not shown) 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 that the counting gas 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 operated with an increased counting gas pressure, the entrance window 16 can be made very thin, so that it has only a small cross section for the absorption of the incident neutrons. In addition, the incident neutrons are deflected only very slightly through the thin entrance window.
  • a drift electrode 18 Arranged in or near the entry window 16 in the detector housing 10 is a drift electrode 18, which is part of a drift field generating device. An electrical drift field for electrically charged particles can be applied between the drift electrode 18 and a read-out device 19 to be described later, a negative voltage being applied to the drift electrode 19 with respect to the read-out device 19.
  • a layer 20 of a solid neutron converter for example a boron-10 layer, can optionally be attached to the drift electrode 18.
  • the drift field generating device comprises the drift electrode 18 as the first electrode and the readout device as the (structured) second electrode.
  • the drift electrode 18 can also be taken over by a conductive layer of the converter device 22 adjacent thereto, so that the drift electrode 18 can be dispensed with.
  • the converter devices 22 are essentially located in the drift field generated between the drift electrode 18 and the readout device 19.
  • the converter devices 22 are preferably constructed in layers and consist, for example, of a so-called GEM film (see above), which is coated on one or both sides with a fixed converter layer 24 - here a neutron converter layer made of boron-10.
  • the converter layer 24 is preferably applied essentially homogeneously, but the converter layer 24 is also only in regions 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).
  • the insulator layer 26 is coated on both sides with a conductive material, for example copper, so that it is arranged between a first conductive layer 28 and a second conductive layer 30.
  • the two electrically conductive layers 28 and 30 are electrically insulated from one another by the insulator layer 26.
  • the converter device 22 has a multiplicity of passages 32 arranged in a matrix, through which electrically charged particles can drift in a manner to be described. The arrangement pattern of these passages 32, which the converter devices 22 pass through in the normal direction of the layer plane, is shown schematically in FIG.
  • the GEM foils gas electron multiplier foils described in the cited documents are concerned essentially around Kapton foils coated with copper on both sides, which were developed by F. Sauli at CERN in 1997. A regular hole structure is etched into these GEM foils using a photolithographic process, the top and bottom sides of the foils not being electrically connected to one another.
  • the readout device 19 is arranged opposite the entry window 16 and the drift electrode 18 in the detector housing 10 such that the cascaded converter devices 22 are arranged in a stack-like manner therebetween.
  • the surface normals of the entry window 16, the drift electrode 18, the converter devices 22 and the readout device 19 preferably coincide essentially.
  • the mean field direction of the electrical drift field between adjacent converter devices 22 is essentially perpendicular to the layer planes of the converter devices 22, so that it follows the longitudinal axis of the hole-like passages 32.
  • the drift electrode 18 and the readout device 19 are spaced apart from the converter devices 22, the space being filled by the counting gas.
  • reading device 19 All conventional detector systems with which charged particles, in particular electrons, can be detected can be used as reading device 19.
  • comb-like or interdigital intermeshing electrode structures can be used as readout device 19, which are shown schematically in FIG. 2a and FIG. 2b.
  • multi-wire gas chambers or similar detectors can also be used.
  • detection electronics not shown.
  • FIG. 2c In addition to comb-like and interdigital readout structures (cf. FIGS. 2a and 2b), which only provide the location information in one dimension, readout structures which are crossed to one another and which provide a spatial resolution in two spatial dimensions are equally interesting.
  • a modified read-out device 19 is shown schematically in FIG. 2c.
  • two read-out structures crossed to one another are arranged on the top and bottom of a carrier plate.
  • ring-shaped read-out structures are interesting, since they integrate over the entire azimuth angle and the entire one
  • FIG. 2d Such an reading device 19 ′′ with an annular read-out structure is shown in FIG. 2d.
  • FIG. 4 (a) is a schematic sectional view of a preferred support device 36, with which a large number of converter devices 22 arranged in cascade fashion can be attached in the detector housing 10.
  • the carrying device 36 has four fastening supports 38, for example made of a ceramic material, which are fixed to a base plate 40.
  • a corner section of a substantially rectangular clamping frame 42 is attached to each of the fastening supports 38.
  • the tenter frame 42 has an upper 44 and a lower 46 frame member.
  • the frame elements 44 and 46 consist of a conductive material, for example stainless steel. Between the frame elements 44, 46, one of the converter devices 22 is held under such a mechanical tensile stress that it is fixed essentially smoothly and without folds. Between the respective layer sides of the converter device 22 and the frame elements 44 and 46, U-shaped insulating elements 48, for example Kapton foils, are introduced, which only allow direct contact between the frame elements 44, 46 and the respective layer sides of the converter device 22. As a result, the converter device can be held in the clamping frame 42 such that its upper frame element 44 is electrically connected to the first conductive layer 24 and its lower frame element 46 to the second conductive layer, while the frame elements 44 and 46 are insulated from one another.
  • the neutrons to be detected are at least partially absorbed by the converter layers 24 of the converter devices 22. If the converter layer 24 consists essentially of isotopically pure boron-10, which has been found to be particularly suitable, the boron-10 nucleus spontaneously breaks down into an ⁇ -particle and a lithium-7 nucleus after absorption of the neutron. Because the momentum of the absorbed neutron is comparatively is small and therefore negligible, the ⁇ -particle and the lithium-7 core will fly apart in opposite directions due to the conservation of momentum. At least one of these conversion products will therefore move away from the layer level of the converter device 22 or from the converter layer 24 and ionize the counting gas. As a result, free electrons in particular are generated in the counting gas.
  • Such ionization traces of the conversion products are shown schematically in FIG.
  • the primary electrons generated by this process represent the signal actually to be detected.
  • the charge cloud of the primary electrons is subtracted from the electrical drift field, which is applied between the drift electrode 18 and the readout device 19, in the direction of the readout device 19.
  • the generated electrons have to pass one or more of the conversion devices 22 in order to reach the readout device 19. This is made possible by the charge transparency of the converter devices 22, which allows the primary electrons to reach the readout device 19 without losing their location information, so that by means of a spatially resolved detection of these electrons by the readout device 19, the ionization site of the counting gas - and thus the Absorption site of the neutron to be detected - can be closed.
  • GEM films have charge-transparent properties when suitably connected electrically.
  • the electric field lines of the drift field constrict in the area of the passages 32 of the converter devices 22 when a potential difference supporting the drift process is applied between the first conductive layer 28 and the second conductive layer 30.
  • the electrical field lines expand symmetrically again.
  • a primary electron which was generated by the ionizing effect of a conversion product in the counting gas, follows the course of one of the field lines shown in FIG. 3 and can thus pass through the passage 32 upon receipt of its location information by one or more converter devices 22 are "smuggled".
  • the described construction of the embodiments of the detector for neutrons according to the invention advantageously allows the use of a fixed neutron converter.
  • Such solid neutron converters for example converter layers made of boron-10, are much more suitable for efficient detection of neutrons for fundamental reasons, since the density of the converter atoms in a solid neutron converter is about 1000 times greater than in gaseous converters and thus a considerably higher cross section for neutrons.
  • the use of solid converter materials leads to detection problems of the loaded conversion products. To a large extent, these already get stuck in the converter material itself and can only release their energy to a surrounding detection medium (for example a counting gas) to a limited extent. Only conversion products originating from surface layers can be proven effectively.
  • the advantage of a tightly packed neutron absorber in the form of a solid body is therefore due to the lack of conventional neutron detectors The probability of the charged fragments escaping into the surrounding detection medium is nullified.
  • the counting gas can be used under normal pressure, so that no pressure vessel is necessary. Operation at normal pressure in turn enables the construction of detectors of any size and with various shapes.
  • neutron detectors which comprise converter devices 22 arranged in cascade, has proven to be particularly advantageous. This makes it possible to provide a particularly favorable ratio of the surface of a converter layer to its converter volume.
  • the use of fixed neutron converters regularly leads to problems with the detection of the loaded conversion products. A large part of these conversion products already get stuck in the fixed converter itself and can only transfer their energy to a surrounding detection medium, such as e.g. deliver a counting gas. Only conversion products originating from surface layers can be proven effectively. Under certain circumstances, the advantage of a densely packed neutron absorber in the form of a solid body can thus be negated by the low probability of the conversion products escaping into the surrounding detection medium.
  • the charge-transparent design of the converter devices 22 according to the invention makes it possible to use a plurality of converter devices 22 in a cascade fashion in order to duplicate or improve the detection efficiency.
  • the actual ionization signal, ie the primary electrons formed can penetrate the converter devices 22 due to the transparency of the charge, while maintaining their location information, so that the entire electron signal can be used to detect the absorbed neutrons.
  • boron-10 is used as the converter material in the converter layers 24 of a detector according to the invention, which comprises 10 cascaded converter devices 22 coated on both sides, one obtains For example, a detection efficiency of 75% for 2 meV neutrons, 50% for 25 meV neutrons, 35% for 100 meV neutrons and about 25% for 200 meV neutrons.
  • the primary charge which is generated in the cascade of the charge-transparent converter devices 22, can - as described - be detected by any electrode array as an embodiment of the read-out device 19. Due to the type and shape of the read-out device 19, the spatial resolution capacity is obtained in a simple manner. The shape and duration of typical charge pulses result in a typical acceptance rate of around 10 million neutrons per second and pixel. The size of a pixel and thus the spatial resolution is limited to about 2 mm x 2 mm by the range of the loaded conversion products at normal count rates under normal pressure. Thus, the detector concept according to the invention presented here has an approximately 1000 times greater rate acceptance per pixel and a 10 times better linear spatial resolution than previous helium-3 gas detectors for neutrons.
  • the detector according to the invention makes it possible to dispense with the use of materials with a high atomic number. This results in an inherent insensitivity to gamma and X-rays. If, for example, boron-10 is used as an active converter material, the signals can also be discriminated against the remaining X-ray and gamma background due to the shape of the pulse height spectrum.
  • the detector according to the invention in its embodiment as a neutron detector is consequently insensitive to gamma and X-radiation.
  • the converter devices 22 can in particular be produced in a simple manner from conventional GEM films in which one or preferably both surfaces of the GEM film are provided with converter layers 24.
  • a layer thickness of approx. 3 ⁇ m of the boron-10 layer represents an optimum for the ratio of the neutron absorption probability and the probability of escape of the loaded conversion products from the fixed converter into the counting gas, since the maximum range of the loaded conversion products in boron-10 only is about 3.5 ⁇ m.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Detektor zum Nachweis elektrisch neutraler Teilchen gemäß Anspruch 1, sowie ein Detektionsverfahren zum Nachweis elektrisch neutraler Teilchen gemäß Anspruch 10.
  • 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.
  • 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-Kem 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.
  • 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 Nächweiseffizienz 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.
  • 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., "Twodimensional 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.
  • 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. lnsbesondere 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.
  • Die wissenschaftliche Veröffentlichung "Evaluation of a GEM and CAT-based detector for radiation therapy beam monitoring" von A. Brahme et al in Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 454 (2000) S. 136-141 zeigt einen Detektor für Photonen unterschiedlicher Energie, wobei Photonen in Elektronen konvertiert werden und diese nachgewiesen werden. Als Teilchenkonverter von Photonen in Elektronen werden eine GEM-Folie, welche mit einem Sekundärelektronenemitter bedeckt sein kann, und zumindest ein dahinter angeordneter Festkörperkonverter, z.B. eine Edelstahlfolie benutzt. Aufgrund der hohen Verluste in der Edelstahlfolie, die verursacht, daß lediglich 4% der Elektronen durch die Edelstahlfolie hindurch treten, ist es notwendig, die Anzahl der erzeugten Elektronen durch eine nachgeschaltete GEM-Folie zu verstärken, so daß eine Messung möglich ist.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Detektion von elektrisch neutralen Teilchen, insbesondere Neutronen zu ermöglichen, welche eine hohe Nachweisempfindlichkeit mit einem konstruktiv einfachen und damit kostengünstigen Aufbau verbindet, und welche insbesondere auch bei Teilchen mit geringer Wechselwirkung noch eine hohe Nachweisempfindlichkeit ermöglicht.
  • Diese Aufgaben wird durch einen Detektor gemäß Anspruch 1 sowie ein Detektionsverfahren gemäß Anspruch 10 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • 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.
  • Die Konvertereinrichtung weist 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.
  • Gemäß einer 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.
  • Erfindungsgemäß 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.
  • 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.
  • 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 übemommen wird.
  • Erfindungsgemäß 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.
  • 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.
  • 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. Erfindungsgemäß ist die Konvertereinrichtung ausgelegt, daß eine den Driftvorgang unterstützende Potentialdifferenz zwischen der ersten und der zweitenleitfähigen Schicht anlegbar ist.
  • Gemäß einer 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.
  • 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, Gadotinium-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.
  • 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.
  • Die Konvertereinrichtung für einen Detektor zum Nachweis elektrisch neutraler Teilchen, insbesondere Neutronen, umfaßt 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.
  • 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.
  • 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.
  • Anspruch 10 beschreibt ein Detektionsverfahren zum Nachweis elektrisch neutraler Teilchen, insbesondere Neutronen, gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 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.
  • 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 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 Vieldrahtgaskammem 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 Kem 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der beschriebene Aufbau der Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Detektors für Neutronen gestattet vorteilhafterweise die Nutzung eines festen Neutronenkonverters. Derartige feste Neutronenkonverter, beispielsweise Konverter schichten 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die ladungstransparente Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Konvertereinrichtungen 22 ermöglicht es jedoch, 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
    • Bezugszeichenliste
    • 10
    Detektorgehäuse
    12
    Zählgaszufuhr
    14
    Zählgasabfuhr
    16
    Eintrittsfenster
    18
    Driftelektrode
    19
    Ausleseeinrichtung
    19'
    Ausleseeinrichtung
    19"
    Ausleseeinrichtung
    19"'
    Ausleseeinrichtung
    20
    Schicht eines Neutronenkonverters auf der Driftelektrode
    22
    Konvertereinrichtungen
    24
    Konverterschicht
    26
    Isolatorschicht
    28
    erste leitfähige Schicht
    30
    zweite leitfähige Schicht
    32
    Durchgänge
    34
    Feldlinien
    36
    Trageinrichtung
    38
    Befestigungsstützen
    40
    Grundplatte
    42
    Spannrahmen
    44
    oberes Rahmenelement
    46
    unteres Rahmenelement
    48
    Isolierelemente

Claims (10)

  1. Detektor zum Nachweis elektrisch neutraler Teilchen, insbesondere Neutronen, mit
    - einem zumindest bereichsweise mit einem Zählgas gefüllten Detektorgehäuse (10),
    - zumindest einer in dem Detektorgehäuse (10) angeordneten Konvertereinrichtung (22), welche Konvertierungsprodukte aufgrund einer Absorption der zu detektierenden neutralen Teilchen erzeugt, wobei die Konvertierungsprodukte elektrisch geladene Teilchen in dem Zählgas erzeugen,
    - zumindest einer Ausleseeinrichtung (19) zum Nachweis der elektrisch geladenen Teilchen,
    - zumindest einer Driftfelderzeugungseinrichtung (18) zum Erzeugen eines derartigen elektrischen Driftfeldes für die elektrisch geladenen Teilchen in zumindest einem Volumenbereich des Zählgases, daß die elektrisch geladenen Teilchen zumindest teilweise zu der Ausleseeinrichtung (19) driften,
    wobei die Konvertereinrichtung (22) derartig in dem Detektorgehäuse (10) angeordnet ist, daß sie von dem Driftfeld zumindest teilweise durchsetzt ist, und
    die Konvertereinrichtung (22) eine erste (28) und zweite (30) leitfähige Schicht, welche durch eine dazwischen angeordnete Isolatorschicht (26) gegeneinander elektrisch isoliert sind, sowie zumindest eine vorzugsweise an der ersten (28) und/oder zweiten (30) leitfähigen Schicht angeordnete Konverterschicht (24) umfaßt und die Konvertereinrichtung (22) ausgelegt ist, daß eine den Driftvorgang unterstützende Potentialdifferenz zwischen der ersten (28) und der zweiten (30) leitfähigen Schicht anlegbar ist, dadurch charakterisiert, daß die Konvertereinrichtung eine Vielzahl von vorzugsweise matrixartig angeordneten Durchgängen (32) für die elektrisch geladenen Teilchen umfaßt und der Detektor ein Vielzahl von kaskadierten Konvertereinrichtungen (22) umfaßt.
  2. Detektor nach Anspruch 1, wobei die zwischen der ersten (28) und der zweiten (30) leitfähigen Schicht anglegbare den Driftvorgang unterstützende Potentialdifferenz so ausgelegt ist, daß die Konvertierungsprodukte mit Verstärkung im wesentlichen gleich 1 die ieweiligen Konvertereinrichtungen (22) passiert.
  3. Detektor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Durchgänge (32) einen Mindestdurchmesser zwischen 10 µm bis 1000 µm, vorzugsweise 25 µm bis 500 µm und einen Mindestabstand von 10 µm bis 500 µm, vorzugsweise 50 µm bis 300 µm aufweisen.
  4. Detektor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Detektor vorzugsweise 2 bis 20, am meisten bevorzugt 10, der kaskadiert angeordneten Konvertereinrichtungen (22) umfaßt.
  5. Detektor nach einem der vorangegangenen Absprüche, wobei ein für die Konvertierung aktiver Bereich der Konvertereinrichtung (22) flächenartig ausgelegt und bevorzugt im wesentlichen senkrecht in dem Driftfeld angeordnet ist.
  6. Detektor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Driftfelderzeugungseinrichtung (18) eine flächenartige, gegebenenfalls strukturierte Driftelektrode (18) aufweist, um das Driftfeld zwischen der Driftelektrode (18) und der Ausleseeinrichtung (19) zu erzeugen.
  7. Detektor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die erste (28) und zweite (30) leitfähige Schicht mit einer Konverterfelderzeugungseinrichtung elektrisch verbunden sind.
  8. Detektor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Konverterschicht (24) eine Neutronenkonverterschicht ist, welche insbesondere Lithium-6, Bor-10, Gadolinium-155, Gadolinium-157 und/oder Uran-235 enthält.
  9. Detektor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Konverterschicht (24) eine Schichtdicke von 0,1 µm bis 10 µm, vorzugsweise für eine im wesentlichen aus Bor-10 bestehende 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 aufweist.
  10. Detektionsverfahren zum Nachweis elektrisch neutraler Teilchen, insbesondere Neutronen, mit den Schritten:
    - Auffangen der zu detektierenden elektrisch neutralen Teilchen mit einer Vielzahl von kaskadiert angeordneten Konvertereinrichtungen (22), welche bei Absorption der neutralen Teilchen Konvertierungsprodukte erzeugen;
    - Erzeugen von elektrisch geladenen Teilchen in einem Zählgas durch die Konvertierungsprodukte;
    - Ableiten der elektrisch geladenen Teilchen in einem elektrischen Driftfeld zu einer Ausleseeinrichtung (19), wobei das Driftfeld durch ein zwischen einer ersten (28) und einer zweiten (30) leitfähigen Schicht der Konvertereinrichtung (22) angelegtes elektrisches Potential unterstützt wird, wobei die elektrisch geladenen Teilchen zumindest teilweise durch eine Vielzahl vor zugsweise matrixartig angeordneter Durchgänge (32) in der Konvertereinrichtung (22) hindurchgeleitet werden, insbesondere durch eine Vielzahl vorzugsweise matrixartig; und
    - Nachweisen der elektrisch geladenen Teilchen in der Ausleseeinrichtung (19).
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