EP1399763A1 - Verfahren zur detektion von neutronen und neutronendetektor zur durchführung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zur detektion von neutronen und neutronendetektor zur durchführung des verfahrens

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Publication number
EP1399763A1
EP1399763A1 EP02740749A EP02740749A EP1399763A1 EP 1399763 A1 EP1399763 A1 EP 1399763A1 EP 02740749 A EP02740749 A EP 02740749A EP 02740749 A EP02740749 A EP 02740749A EP 1399763 A1 EP1399763 A1 EP 1399763A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
tunnel
neutron
detector
mgb
charge
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP02740749A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jakob Schelten
Michael Siegel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Juelich GmbH filed Critical Forschungszentrum Juelich GmbH
Publication of EP1399763A1 publication Critical patent/EP1399763A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T3/00—Measuring neutron radiation
    • G01T3/08—Measuring neutron radiation with semiconductor detectors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/1606—Measuring radiation intensity with other specified detectors not provided for in the other subgroups of G01T1/16
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N60/00—Superconducting devices
    • H10N60/20—Permanent superconducting devices
    • H10N60/202—Permanent superconducting devices comprising metal borides, e.g. MgB2

Definitions

  • the present invention relates to a method for detecting neutrons.
  • the invention further relates to a neutron detector for carrying out the method.
  • BESTATIGUNGSKOPIE achieved with 157 Gd-containing thin converter foils, where an 80 keV electron is generated during absorption.
  • the object of the invention is to provide a method for the detection of neutrons and a neutron detector which meet the above requirements for the detection probability for thermal neutrons and have no or only a low gamma sensitivity.
  • This object is achieved in a neutron detection method of the type mentioned at the outset in that at least one detector element in the form of a superconducting tunnel contact with two electrode layers made of magnesium diboride (MgB 2 ) and a thin tunnel insulation layer arranged between the two electrode layers is used, and by the Absorption of a neutron occurring tunnel currents can be evaluated.
  • at least one detector element in the form of a superconducting tunnel contact with two electrode layers made of magnesium diboride (MgB 2 ) and a thin tunnel insulation layer arranged between the two electrode layers is used, and by the Absorption of a neutron occurring tunnel currents can be evaluated.
  • MgB 2 magnesium diboride
  • the isotope 10 B absorbs thermal neutrons with a large cross section of 3990 barn, ie the 1 / e absorption length in Mg 10 B 2 is only 50 ⁇ m.
  • the following nuclear reactions take place during the absorption of a neutron:
  • the stimuli largely lead to the refraction of Cooper pairs in quasiparticles, which tunnel through the tunnel insulation layer (barrier) of the tunnel contact before they form Cooper pairs again through the emission of phonons.
  • the tunnel contact detectors used according to the invention have practically no gamma sensitivity and are temporal Resolution of the absorption events shorter than a microsecond. This presupposes pulse height discrimination that rejects all pulses that is significantly smaller than a neutron pulse. Otherwise, the processable count rate is approx. LxlO 6 s "1 .
  • the detection method according to the invention is carried out at an operating temperature of 4-6 K, in particular 4-5 K, ie at temperatures in the range of 1/10 of the transition temperature Tc of the MgB 2 . It has been shown that at lower temperatures, which are less than 1/10 of the transition temperature of the magnesium diboride, the tunnel currents are very much smaller than in the normally conductive state, so that high energy resolutions can be achieved. Such operation at the lowest temperatures with the highest energy resolution is not sought for the neutron detection, since no extremely high resolution in the pulse height spectrum is required. A resolution of 10% is sufficient here to be able to discriminate against noise signals and possibly occurring gamma signals. This resolution is achieved at the operating temperatures according to the invention.
  • a magnesium diboride electrode with a layer thickness of approximately 50 ⁇ m is used to detect thermal neutrons. This corresponds to the 1 / e absorption length in the magnesium diboride material.
  • magnesium diboride electrodes with a layer thickness of less than 50 ⁇ m are used to detect subtermal neutrons.
  • a plurality of detector elements in the form of superconducting tunnel contacts with MgB 2 electrodes are connected in series and the tunnel currents of the detector elements are distributed over resistors, weighted to the inputs of two charge-sensitive amplifiers, and by a pulse division of the Output signals of the amplifier, the location of a neutron event is determined, with the use of N detector elements expediently distributing the current through a kth tunnel contact via resistors with the conductivities G (1-ak) and G (lak) to the two inputs of the charge-sensitive amplifiers become.
  • the term ak is (kl) / (Nl).
  • the tunnel currents are distributed to right and left charge-sensitive amplifiers with specific weights.
  • the weights are determined so that the signal ratio Sr / (Sr + Sl) of the two amplifiers becomes a linear function of the contact number of the array and the quotient assumes the value (kl) / (Nl) if the charge pulse is absorbed by a neutron in the Tunnel contact number k was generated.
  • an analog pulse processing creates a location along a linear array of individual detector elements.
  • detector elements according to the invention in the form of Pre-conducting tunnel contacts with MgB 2 electrodes are arranged in a two-dimensional array of several X rows and Y columns, with all tunnel contacts being supplied uniformly with a voltage U and the tunnel currents in the tunnel contacts each being evenly distributed over an X row and a Y - Columns are distributed across resistors and fed to two charge-sensitive amplifiers and then a location of a neutron event is determined by the coincidence formation of signals on the X and Y lines that exceed a predetermined lower threshold value.
  • a field consists of tunnel contacts with X rows and Y columns, so that the position of each tunnel contact is defined in the manner of a coordinate system by the row and column on which it lies.
  • G ik charge pulses that are generated by the absorption of a neutron in a tunnel contact are set to a uniform signal level for all tunnel contacts. Charge pulses that exceed a lower signal threshold are interpreted as neutron signals.
  • the location of the neutron is then determined by coincidence between the signals on the X lines with one on the Y lines. In the event of multiple coincidence, all signals are discarded.
  • the integration time constant rC in a feedback loop is compared with other time constants of a subsequent Filter amplifier selected with regard to optimal pulse processing.
  • Figure 2 shows the ionization traces of the reactants 7 Li and 4 He when absorbing a neutron in an electrode made of magnesium diboride
  • FIG. 3 shows an illustration of the quasiparticle model of a superconducting tunnel contact with Cooper pairs and quasiparticles
  • Figure 4 is a diagram showing the tunnel current
  • FIG. 5 shows a diagram which shows the tunnel current logarithmically against the temperature at 4 tunnel voltages
  • FIG. 6 is a diagram illustrating the current / voltage characteristic of a tunnel contact
  • FIG. 7 schematically the electrical supply of a superconducting tunnel contact used as a neutron detector according to the present invention
  • FIG. 8 shows a linear detector consisting of several tunnel contacts and its power supply
  • FIG. 9 shows a schematic illustration of a two-dimensional array of tunnel contacts
  • FIG. 10 shows the power supply of the two-dimensional array from FIG. 9.
  • FIG. 1 shows a superconducting tunnel contact as used according to the invention for the detection of neutrons.
  • This tunnel contact consists of two superconducting magnesium diboride electrodes 1, 2 and an extremely thin oxidic insulation layer which is arranged between the two electrodes 1, 2.
  • the thickness d x of the other electrode and the material of a substrate, not shown, are of minor importance. It is essential that transparency for thermal neutrons is guaranteed. If a neutron occurs on the cover electrode 1, the following nuclear reactions take place:
  • the excited Li * core falls back into the ground state of the emission of a gamma quantum with the energy of 0.48 MeV.
  • the tunnel contact is supplied electrically via a current limiting resistor 8 with the supply voltage U, as shown in FIG. 7, and with an amplifier 9.
  • a feedback loop 10 with the integration time constant rC which is selected in coordination with other time constants with regard to optimal pulse processing, is provided.
  • This charge pulse consists of N sig «(l / 10) Ne « 2xl0 7 electrons and has the " characteristic rise time ⁇ t , ie approximately 1 microsecond.
  • the signal noise is determined by the statistical fluctuation of the signals and the shot noise of the tunnel current and leads to a finite width of the neutron pulse in the pulse height spectrum.
  • the relative pulse width should be ⁇ 10% for the purpose of pulse height discrimination against gamma.
  • FIG. 8 shows a linear array of a total of N detector elements in the form of the tunnel contacts described above with MgB 2 electrodes.
  • This linear array of N detector elements is connected via 2 conductor tracks 11, 12 to a left and a right charge-sensitive amplifier 16, 17, the tunnel currents in the detector elements being distributed in a weighted manner via resistors 13, 14 to the inputs of the amplifiers 16, 17.
  • the arrangement is such that the tunnel current is distributed through the kth tunnel contact via the resistors 13, 14 connected upstream of the amplifiers 16, 17 and having the conductivities G (1-ak) and G (ak) the signal values of the N detector elements are coordinated with one another with the adjustable conductance G k of the series resistor 15.
  • the term ak is (k-1) / (N-1).
  • the tunnel currents are distributed to the charge-sensitive amplifiers 16, 17 such that the signal ratio Sr / (Sr + Sl) of the two amplifiers 16, 17 becomes a linear function of the contact number of the array and the quotient is the Value (kl) / (Nl) assumes if the charge pulse was generated by absorption of a neutron in the tunnel contact of number k.
  • Sr / (Sr + Sl) the signal ratio of the two amplifiers 16, 17 becomes a linear function of the contact number of the array and the quotient is the Value (kl) / (Nl) assumes if the charge pulse was generated by absorption of a neutron in the tunnel contact of number k.
  • Table 2 gives information on two linear detectors of the type described above:
  • FIGS. 9 and 10 show a 2-dimensional detector array, which in this case consists of NxN superconducting tunnel contacts of the size Ax x Ay, as shown in FIG. 1.
  • the 2-dimensional array formed in this way consists of X rows and Y columns, with all tunnel contacts being supplied uniformly with a voltage U and the tunnel currents in the tunnel contacts ik in each case evenly on an X row Xi and a Y column Yk via resistors 13, 14 distributed and two charge-sensitive amplifiers 16, 17 are assigned.
  • charge pulses S x + S y are caused by the absorption of a neutron in a tunnel contact are set to a uniform signal level for all tunnel contacts provides.
  • Charge pulses that exceed a lower signal threshold are interpreted as neutron signals.
  • the location of a neutron event is then determined by coincidence between the signals on the X lines with one on the Y lines. In the event of multiple coincidence, all signals are discarded.
  • the integration time constant Rc in the feedback loops 10 is chosen with the other time constants with regard to optimal pulse processing.
  • Table 3 contains detailed information on 2-dimensional neutron detectors of the type described above:

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Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zum Detektieren von Neutronen, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass wenigstens ein Detektorelement in Form eines supraleitenden Tunnelkontakts mit zwei Elektrodenschichten (1, 2) aus Magnesiumdiborid (MgB2) und einer zwischen den beiden Elektrodenschichten (1, 2) angeordneten dünnen Tunnel-Isolationsschicht (3) verwendet wird und die durch die Absorption eines Neutrons auftretenden Tunnelströme ausgewertet werden.

Description

Beschreibung:
Verfahren zum Detektieren von Neutronen und Neutronendetektor zur Durchführung des Verfahrens
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren von Neutronen. Des weiteren betrifft die Erfindung einen Neutronendetektor zur Durchführung des Verfahrens.
Die Detektierung von Neutronen spielt im Rahmen von Beu- gungs- und Streuexperimenten an Forschungsreaktoren und Spallationsquellen eine erhebliche Rolle. Obwohl Neutronendetektoren kontinuierlich weiterentwickelt werden, besteht ein hohes Interesse daran, die Zeit- und Ortsauflösung weiter zu verbessern. Es sind die Anforderungen einer hohen Nachweiswahrscheinlichkeit für thermische Neutronen bei extrem geringer Gammaempfindlichkeit und einer hohen Ortsauflösung bei großen Detektionsflachen nicht einfach zu realisieren. Aus dem Artikel „Novel large-area thermal neutron imaging detectors comprising 157Gd/CsI- convertors and micro-strip gas detectors with low- pressure, two-stage amplification and delay line read- out", erschienen in Nuclear Instruments and Methods in Physics research A 392, Seiten 68 - 72 (1997) sind großflächige ortsauflösende Neutronendetektoren als Viel- drahtkammern oder Mikrostrip-Gasdetektoren bekannt. Die notwendige Neutronenabsorption wird bei diesen Detektoren
BESTATIGUNGSKOPIE mit 157Gd-haltigen dünnen Konverterfolien erreicht, wo bei der Absorption ein 80 keV Elektron entsteht.
In anderen Ansätzen, die beispielsweise in dem Artikel „High Performance, Imaging, Thermal Neutron Detectors", erschienen in Nuclear Instruments and Methods in Physics A 419 (1998), Seiten 642 bis 647 beschrieben sind, wurden Vieldrahtkammern mit 3He-Gasfüllungen unter Überdruck verwendet, um thermische Neutronen in ausreichendem Maß zu absorbieren.
Bei einem ganz anderen Detektorkonzept, das in dem Artikel „A two-dimensional scintillation detector for small angle neutron scattering" erschienen in Nuclear Instruments and Methods in Physics A 305, (1991), Seiten 423- 432 beschrieben ist, wurden großflächige ortsauflösende Neutronendetektoren als Szintillationsdetektoren mit ölhaltigen Szintillatorgläsern zur Neutronenabsorption entwickelt. Andere speziellere Detektoren basieren auf Halbleiterdioden mit Neutronenkonverterfolien aus 10B- oder 6Li-haltigem Material. Mit diesen Detektoren erreicht man zwar extrem gute Ortsauflösungen, aber dies bei nur geringen Nachweiswahrscheinlichkeiten.
Die Anforderungen, die an Neutronendetektoren derzeit gestellt werden, sind etwa die folgenden:
- eine Nachweiswahrscheinlichkeit von 70 % für thermische Neutronen, - eine Nachweiswahrscheinlichkeit für Gammas mit Energien von 0,1 bis 10 MeV von <lxl0"8,
- Detektorflächen von 100 bis 1000 cm2,
- eine Ortsauflösung von 0,1 bis 10 mm,
- eine Zeitauflösung von 1 μs und
- zu verarbeitende Zählraten von lxl06s_1.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Detektion von Neutronen sowie einen Neutronendetektor anzugeben, die den vorstehenden Anforderungen an die Nachweiswahrscheinlichkeit für thermische Neutronen genügen und keine oder nur eine geringe Gammaempfindlichkeit besitzen.
Diese Aufgabe ist bei einem Neutronendetektionsverfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß wenigstens ein Detektorelement in Form eines supraleitenden Tunnelkontakts mit zwei Elektrodenschichten aus Magnesiumdibo- rid (MgB2) und einer zwischen den beiden Elektrodenschichten angeordneten dünnen Tunnel-Isolationsschicht verwendet wird und die durch die Absorption eines Neutrons auftretenden Tunnelströme ausgewertet werden.
Der Erfindung liegt damit der Gedanke zugrunde, Neutronen mit supraleitenden Tunnelkontakten nachzuweisen. Dies ist mit Elektroden aus Magnesiumdiborid (MgB2) sehr gut möglich, welches eine Sprungtemperatur von Tc = 39 K hat. Das Isotop 10B absorbiert nämlich thermische Neutronen mit dem großen Wirkungsquerschnitt von 3990 barn, d.h. die 1/e-Absorptionslänge ist in Mg10B2 nur 50 μm. Bei der Absorption eines Neutrons finden dabei folgende nukleare Reaktionen statt:
Zu 94 %
( 1 ) n + 1C 5B → 2He +7 4Li* + 2 . 31 MeV und zu 6 %
( 1 ) n + 10 SB → 4 2He +7 4Li + 2 , 79 MeV .
Das angeregte Li* fällt dabei in den Grundzustand der Emission eines Gammaquands mit der Energie von 0,48 MeV. Von der freigesetzten Energie E = 2,31 MeV erhalten das Alpha- und das Li-Teilchen die Anteile 1,47 MeV und 0,84 MeV als kinetische Energie, die in zwei diametralen Ionisationsspuren der Länge 4,8 μm und 2,2 μm vorwiegend an das Elektronensystem weitergegeben werden. Im Magnesium- diborid führen die Anregungen großenteils zur Brechung von Cooper-Paaren in Quasiteilchen, die durch die Tunnel- Isolationsschicht (Barriere) des Tunnelkontakts tunneln, bevor sie durch Emission von Phononen wieder Cooper-Paare bilden.
Es hat sich gezeigt, daß mit den erfindungsgemäßen supraleitenden Tunnelkontakten mit MgB2-Elektroden Neutronen effizient nachgewiesen werden können, da der Detektorimpuls je absorbiertem Neutron mit ca. 3xl06 sehr groß ist und so die Nachweiswahrscheinlichkeit für termische Neutronen etwa 70 % beträgt. Des weiteren besitzen die erfindungsgemäß eingesetzten Tunnelkontakt-Detektoren praktisch keine Gamma-Empfindlichkeit und ist die zeitliche Auflösung der Absorptionsereignisse kürzer als eine Microsekunde. Vorausgesetzt wird dabei eine Pulshöhendiskriminierung, die alle Pulse verwirft, die deutlich kleiner als ein Neutronenimpuls ist. Im übrigen beträgt die verarbeitbare Zählrate ca. lxlO6 s"1.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß das erfindungsgemäße Detektionsverfahren bei einer Betriebstemperatur von 4 - 6 K, insbesondere 4 - 5 K, d.h. bei Temperaturen im Bereich von 1/10 der Sprungtemperatur Tc des MgB2 durchgeführt wird. Es hat sich gezeigt, daß bei niedrigeren Temperaturen, die weniger als 1/10 der Sprungtemperatur des Magnesiumdiborids liegen, die Tunnelströme sehr viel kleiner als im normalleitenden Zustand sind, so daß hohe Energieauflösungen erreicht werden können. Ein solcher Betrieb bei niedrigsten Temperaturen mit höchster Energieauflösung wird für den Neutronennachweis nicht angestrebt, da keine extrem hohe Auflösung im Impulshöhenspektrum erforderlich ist. Eine Auflösung von 10 % ist hier ausreichend, um gegen Rauschsignale und eventuell auftretende Gamma-Signale diskriminieren zu können. Bei den erfindungsgemäßen Betriebstemperaturen wird diese Auflösung erzielt.
Zum Nachweis von termischen Neutronen wird eine Magnesi- umdiborid-Elektrode mit einer Schichtdicke von etwa 50 μm eingesetzt. Dies entspricht der 1/e-Absorptionslänge in dem Magnesiumdiborid-Material. Zum Nachweis subtermischer Neutronen werden dagegen Magnesiumdiborid-Elektroden mit einer Schichtdicke von weniger als 50 μm eingesetzt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, daß mehrere Detektorelemente in der Form von supraleitenden Tunnelkontakten mit MgB2- Elektroden in Reihe geschaltet werden und die Tunnelströme der Detektorelemente über Widerstände gewichtet auf die Eingänge von zwei ladungsempfindlichen Verstärkern verteilt werden und durch eine Pulsdivision der Ausgangssignale der Verstärker der Ort eines Neutronenereignisses bestimmt wird, wobei zweckmäßigerweise bei der Verwendung von N Detektorelementen der Strom durch einen k-ten Tunnelkontakt über Widerstände mit den Leitwerten G (1-ak) und G (lak) auf die beiden Eingänge der ladungsempfindlichen Verstärker verteilt werden. Der Term ak ist in diesem Zusammenhang (k-l)/(N-l). Bei einem solchen linearen Array von N supraleitenden Tunnelkontakten werden die Tunnelströme auf einen rechten und linken ladungsempfindlichen Verstärker mit bestimmten Gewichten verteilt. Die Gewichte werden dabei so festgelegt, daß das Signalverhältnis Sr/(Sr+Sl) der beiden Verstärker eine lineare Funktion der Kontaktnummer des Arrays wird und der Quotient den Wert (k-l)/(N-l) einnimmt, falls der Ladungsimpuls durch Absorption eines Neutrons im Tunnelkontakt der Nummer k generiert wurde. Auf diese Weise entsteht mit einer analogen Impulsverarbeitung eine Ortsbestimmung entlang eines linearen Arrays von Einzeldetektorelementen.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, daß erfindungsgemäße Detektorelemente in der Form von su- praleitenden Tunnelkontakten mit MgB2-Elektroden in einem zweidimensionalen Array aus mehreren X-zeilen und Y- Spalten angeordnet werden, wobei alle Tunnelkontakte einheitlich mit einer Spannung U versorgt werden und die Tunnelströme in den Tunnelkontakten jeweils gleichmäßig auf je eine X-Zeile und eine Y-Spalte über Widerstände verteilt und zwei ladungsempfindlichen Verstärkern zugeführt werden und dann eine Ortsbestimmung eines Neutronenereignisses durch Koinzidenzbildung von Signalen auf den X- und Y-Leitungen, die einen vorgegebenen unteren Schwellwert überschreiten, erfolgt. Bei dieser Ausführungsform entsteht ein Feld aus Tunnelkontakten mit X- Zeilen und Y-Spalten, so daß die Position jedes Tunnelkontakts nach Art eines Koordinatensystems durch die Zeile und Spalte, auf der er liegt, definiert ist. Die bei der Absorption eines Neutrons auftretenden Tunnelströme werden dabei gleichmäßig auf je eine X-Zeile und Y-Spalte verteilt, wobei die gleichmäßige Verteilung durch die beiden Leitwerte G=l/R der Vorwiderstände sichergestellt wird. Mit den Trimmleitwerten Gik werden Ladungsimpulse, die durch die Absorption eines Neutrons in einem Tunnelkontakt erzeugt werden, auf eine einheitliche Signalhöhe für alle Tunnelkontakte eingestellt. Ladungsimpulse, die eine untere Signalschwelle übersteigen, werden als Neutronensignale interpretiert. Der Ort des Neutrons wird dann durch Koinzidenzbildung zwischen den Signalen auf den X-Leitungen mit einem auf den Y-Leitungen bestimmt. Bei Mehrfachkoinzidenz werden alle Signale verworfen. Die Integrationszeitkonstante rC in einer Rückkopplungsschleife wird mit anderen Zeitkonstanten eines nachfol- genden Filterverstärkers hinsichtlich einer optimalen Impulsverarbeitung gewählt.
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung wird auf die Unteransprüche sowie die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung verwiesen. In der Zeichnung zeigt
Figur 1 einen Tunnelkontakt für die Dekotektion von Neutronen gemäß der vorliegenden Erfindung;
Figur 2 die Ionisationsspuren der Reaktionspartner 7Li und 4He bei der Absorption eines Neutrons in einer Elektrode aus Magnesiumdiborid;
Figur 3 eine Illustration des Quasiteilchen-Modells eines supraleitenden Tunnelkontakts mit Cooper- Paaren und Quasiteilchen;
Figur 4 ein Diagramm, das den Tunnelstrom zeigt;
Figur 5 ein Diagramm, das den Tunnelstrom logarhyth- misch gegen die Temperatur bei 4 Tunnelspannungen zeigt;
Figur 6 ein Diagramm, das die Strom/Spannungs- Charakteristik eines Tunnelkontakts darstellt; Figur 7 schematisch die elektrische Versorgung eines als Neutronendetektor verwendeten supraleitenden Tunnelkontakts gemäß der vorliegenden Erfindung;
Figur 8 einen linearen Detektor aus mehreren Tunnelkontakten und dessen Stromversorgung;
Figur 9 eine schematische Darstellung eines zweidimen- sionalen Arrays von Tunnelkontakten und
Figur 10 die Stromversorgung des zweidimensionalen Arrays aus Figur 9.
In Figur 1 ist ein supraleitender Tunnelkontakt dargestellt, wie er erfindungsgemäß für die Detektion von Neutronen eingesetzt wird. Dieser Tunnelkontakt besteht aus zwei supraleitenden Magnesiumdiborid-Elektroden 1, 2 und einer extrem dünnen oxidischen Isolationsschicht, die zwischen den beiden Elektroden 1, 2 angeordnet ist. Eine Elektrode 1, hier die Deckelelektrode, hat eine Dicke von D=50μm, in welcher 70 % von Auftreten treffenden thermischen Neutronen absorbiert werden. Die Dicke D = 50 μm entspricht der 1/e-Absorptionslänge des Isotops 10B in dem Magnesiumdiborid-Material.
Die Dicke dx der anderen Elektrode und das Material eines nicht näher dargestellten Substrats sind von untergeordneter Bedeutung. Wesentlich ist, daß eine Transparenz für thermische Neutronen gewährleistet ist. Wenn ein Neutron auf die Deckelelektrode 1 auftritt, finden folgende nukleare Reaktionen statt:
(1) n + 10 5B - 4 2He + 7 4Li* - 2.31 MeV (zu 94 %)
(2) n + 10 5B -» 4 2He + 7 4Li + 2.7 MeV (zu 6 %).
Hierbei fällt der angeregte Li*-Kern in den Grundzustand der Emission eines Gammaquants mit der Energie von 0,48 MeV zurück.
Von der freigesetzten Energie E = 2,32 MeV erhalten das Alpha- und das Li-Teilchen die Anteile von 1,47 MeV und 0,84 MeV als kinetische Energie, die in zwei diametralen Ionisationsspuren 4, 5 der Längen 4,8 μm und 2,2 μm vorwiegend an das Elektrodensystem weitergegeben werden, wie dies in Figur 2 dargestellt ist. In dem Supraleitermaterial führen die Anregungen großen Teils zu einer Brechung von Cooper-Paaren 6, die je Elektron erforderliche Energie beträgt hierbei ε = 1,7 Δ. Damit ist die Zahl der entstehenden ungepaarten Elektronen (Quasiteilchen 7) Ne = E/ε. Hierbei ist Δ die Cooper-Paar-Bindungsenergie und E die gesamte deponierte Energie pro Neutronenabsorption. Im Rahmen der BCS-Theorie (Bardin-Cooper-Schriever) gilt dann
2Δ = 3,5 kBTc Für den Supraleiter aus Magnesiumdiborid erhält man damit die folgenden Werte:
Sprungtemperatur Tc = 39 K Δ = 5,87 meV ε = 10 meV Ne = 2,3xl08
Versorgt wird der Tunnelkontakt elektrisch über einen Strombegrenzungswiderstand 8 mit der Versorgungsspannung U, wie dies in Figur 7 dargestellt ist, und mit einem Verstärker 9 verbunden. Zusätzlich ist eine Rückkopplungsschleife 10 mit der Integrationszeitkonstante rC, die in Abstimmung mit anderen Zeitkonstanten hinsichtlich einer optimalen Impulsverarbeitung gewählt ist, vorgesehen.
Bei der Berechnung von Tunnelströmen wurde der einfache Ansatz verwendet, wonach der Tunnelstrom lL R proportional zur Dichte besetzter Elektrodenzustände auf der linken und unbesetzter Elektrodenzustände auf der rechten Seite einer Tunnelbarriere ist. Die Figur 4 zeigt Tunnelströme in Abhängigkeit von der Tunnelspannung für den Supraleiter Magnesiumdiborid bei den Temperaturen 40 K, 30 K, 25 K, 20 K, 15 K, 10 K und 5 K mit einer Sprungtemperatur Tc = 39 K. Des weiteren zeigt die Figur 5 den Tunnelstrom logarythmisch in Abhängigkeit von der Zeit bei den Tunnelspannungen 2, 4, 6 und 8 meV ebenfalls berech- net für das Magnesiumdiborid-Material mit einer Sprungtemperatur Tc = 39 K.
Wie die Diagramme ohne weiteres erkennen lassen, werden die Tunnelströme bei tiefen Temperaturen von weniger als 0,1 Tc sehr viel kleiner als im normalleitenden Zustand. Ein solcher Betrieb bei niedrigsten Temperaturen und höchster Energieauflösung wird für den Neutronennachweis jedoch nicht angestrebt, da keine extrem hohe Auflösung im Impulshöhenspektrum erforderlich ist. Eine Auflösung von etwa 10 % ist schon ausreichend, um gegen Rauschsignale und eventuell auftretende Gamma-Signale diskriminieren zu können. Im folgenden werden daher Detektoreigenschaften für die Betriebstemperatur von T = 4,2 K beschrieben. Bei einem Arbeitspunkt U* = Δ/e « 6 mV und bei der angenommenen Betriebstemperatur nach Figur 5: R(T)/ Rn = lxlO7, wobei R(T) der Tunnelwiderstand bei Betriestemperatur und Rn der Widerstand bei Tc ist. Mit der Figur 6, welche die Strom/Spannungs-Charakteristik mit dem Arbeitspunkt U*, I* und R* = U*/l* darstellt, wird die Versorgungsspannung U0 und der Vorwiderstand R festgelegt. Bei einer Versorgungsspannung U0 = 5U* = 30 mV hat der Vorwiderstand 8 einen Wert von 4 R(T) . Die Integrationszeitkonstante Rc in der Rückkopplungsschleife 10 beträgt 1 Microsekunde. Wie in Figur 6 erkennbar ist, wird bei der Absorption eines Neutrons in dem Tunnelkontakt die Charakteristik um Δl verschoben, und um etwa den gleichen Betrag ändert sich der Strom in der Versorgungsleitung. Mit dem ladungsempfindlichen Verstärker 9 wird schließlich bei Absorption eines Neutrons ein Ladungsim- puls der Größe Nsige am Verstärkerausgang ausgekoppelt, der von den generierten Quasiteilchen 7, die durch die Tunnelisolationsschicht 2 tunneln, hervorgerufen wird. Dieser Ladungspuls besteht aus Nsig « (l/10)Ne « 2xl07 Elektronen und hat die "charakteristische Anstiegszeit τt, d.h. ungefair 1 Microsekunde.
Das Signalrauschen wird durch die statistische Fluktuation der Signale sowie das Schrotrauschen des Tunnelstroms bestimmt und führt zu einer endlichen Breite des Neutronenpulses im Pulshöhenspektrum. Die relative Pulsbreite sollte zwecks einer Pulshöhendiskriminierung gegen Gam- ma < 10 % sein.
Ein einzelnes Detektorelement zum Nachweis thermischer Neutronen wurde vorstehend beschrieben. Wenn im Betrieb dieses Detektorelements in der 50 μm dünnen MgB2-Schicht dieses Detektorelements ein hochenergetisches Gamma absorbiert wird, wird die Gamma-Energie per Fotoeffekt, Compton-Effekt oder Paarbildung ganz oder teilweise an ein Elektron übertragen. Das energetische Elektron kann in einem Detektorelement, dessen Lineardimensionen < 1 mm sind, maximal 1 MeV deponieren. Dies ist weniger als der Schwellwert und wird deshalb verworfen. Es ist mithin kaum noch ein Fall vorstellbar, bei dem die Absorption eines Gammas zu einem Signal mit mehr Ladung führt als bei der Absorption eines Neutrons. Die Gamma- Empfindlichkeit ist daher vernachläßigbar. In der nachstehenden Tabelle 1 werden Zahlen zu zwei Einzeldetektoren zusammengestellt:
Tabelle 1:
In Figur 8 ist ein lineares Array von insgesamt N Detektorelementen in der Form von den vorbeschriebenen Tunnelkontakten mit MgB2-Elektroden dargestellt. Dieses lineare Array aus N Detektorelementen ist über 2 Leiterbahnen 11, 12 mit einem linken und einem rechten ladungsempfindlichen Verstärker 16, 17 verbunden, wobei die Tunnelströme in den Detektorelementen jeweils über Widerstände 13, 14 gewichtet auf die Eingänge der Verstärker 16, 17 verteilt werden. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß der Tunnelstrom durch den k-ten Tunnelkontakt über die den Verstärkern 16, 17 vorgeschalteten Widerstände 13, 14 mit den Leitwerten G (1-ak) und G (ak) verteilt werden und mit dem einstellbaren Leitwert Gk des Vorwiderstands 15 die Signalgrößen der N Detektorelemente aufeinander abgestimmt werden. Der Term ak ist in diesem Zusammenhang (k- 1)/(N-1). Bei einem solchen linearen Array von N supraleitenden Tunnelkontakten werden die Tunnelströme auf die ladungsempfindlichen Verstärker 16, 17 so verteilt, daß das Signalverhältnis Sr/(Sr+Sl) der beiden Verstärker 16, 17 eine lineare Funktion der Kontaktnummer des Arrays wird und der Quotient den Wert (k-l)/(N-l) einnimmt, falls der Ladungsimpuls durch Absorption eines Neutrons im Tunnelkontakt der Nummer k generiert wurde. Auf diese Weise entsteht mit einer analogen Impulsverarbeitung eine Ortsbestimmung entlang des linearen Arrays von Einzeldetektorelementen. In der nachfolgenden Tabelle 2 sind Angaben zu zwei linearen Detektoren der vorbeschriebenen Art gemacht:
Tabelle 2:
In den Figuren 9 und 10 ist ein 2-dimensionales Detektor- array gezeigt, das in diesem Fall aus NxN supraleitenden Tunnelkontakten der Größe Ax x Ay, wie in Figur 1 dargestellt, besteht. Das so gebildete 2-dimensionale Array besteht aus X-Zeilen und Y-Spalten, wobei alle Tunnelkontakte einheitlich mit einer Spannung U versorgt werden und die Tunnelströme in den Tunnelkontakten ik jeweils gleichmäßig auf eine X-Zeile Xi und eine Y-Spalte Yk über Widerstände 13, 14 verteilt und zwei ladungsempfindlichen Verstärkern 16, 17 zugeteilt werden. Die gleichmäßige Verteilung der bei der Absorption eines Neutrons auftretenden Tunnelströme erfolgt dabei durch Einstellung der beiden Leitwerte G=l/R der Vorwiderstände 13, 14. Dabei werden mit den Trimmleitwerten Gik der Trimmwiderstände 15 Ladungsimpulse Sx + Sy, die durch die Absorption eines Neutrons in einem Tunnelkontakt erzeugt werden, auf eine einheitliche Signalhöhe für alle Tunnelkontakte einge- stellt. Ladungsimpulse, die eine untere Signalschwelle übersteigen, werden als Neutronensignale interpretiert. Der Ort eines Neutronenereignisses wird dann durch Koinzidenzbildung zwischen den Signalen auf den X-Leitungen mit einem auf den Y-Leitungen bestimmt. Bei Mehrfachko- ninzidenz werden alle Signale verworfen. Die Integrati- ons-Zeitkonstante Rc in den Rückkopplungsschleifen 10 wird mit den anderen Zeitkonstanten hinsichtlich einer optimalen Impulsverarbeitung gewählt.
Die Tabelle 3 enthält detaillierte Angaben zu 2- dimensionalen Neutronendetektoren der vorbeschriebenen Art:
Tabelle 3:

Claims

Ansprüche:
1. Verfahren zum Detektieren von Neutronen, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Detektorelement in Form eines supraleitenden Tunnelkontakts mit zwei Elektrodenschichten (1, 2) aus Magnesiumdiborid (MgB2) und einer zwischen den beiden Elektrodenschichten (1, 2) angeordneten dünnen Tunnel- Isolationsschicht (3) verwendet wird und die durch die Absorption eines Neutrons auftretenden Tunnelströme ausgewertet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es bei einer Betriebstemperatur von etwa 1/10 Tc, insbesondere 4 bis 6 K und speziell 4 bis 5 K durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Nachweis thermischer Neutronen eine MgB2-Elektrode (1) mit einer Schichtdicke von etwa 50 μm eingesetzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Nachweis subthermischer Neutronen eine MgB2-Elektrode ( 1 ) mit einer Schichtdicke von weniger als 50 μm eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Detektorelemente in der Form von supraleitenden Tunnelkontakten mit MgB2-Elektroden (1, 2) in Reihe geschaltet werden und die Tunnelströme der Detektorelemente über Widerstände (13, 14) gewichtet auf die Eingänge von zwei ladungsempfindlichen Verstärkern (16, 17) verteilt werden und durch eine Pulsdivision der Ausgangssignale der Verstärker (16, 17) der Ort eines Neutronenereignisses bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß insgesamt N-Detektorelemente verwendet werden und der Strom durch einen k-ten Tunnelkontakt über Widerstände (13, 14) mit den Leitwerten G(l-ak) und G (ak) auf die beiden Eingänge der ladungsempfindlichen Verstärker (16, 17) verteilt werden, wobei ak = (k-l)/(N-l) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß N x N Detektorelemente in der Form von supraleitenden Tunnelkontakten mit MgB2- Elektroden (1, 2) in einem zweidimensionalen Array aus mehreren X-Zeilen und Y-Spalten angeordnet werden, daß alle Tunnelkontakte einheitlich mit einer Spannung U versorgt werden und die Tunnelströme in den Tunnelkontakten jeweils gleichmäßig auf je eine X-Zeile und eine Y-Spalte über Widerstände (13, 14) verteilt und zwei ladungsempfindlichen Verstärkern (16, 17) zugeführt werden, und daß eine Ortsbestimmung eines Neutronenereignisses durch Koinzidenzbildung von Signalen auf den X- und Y-Leitungen (Xi, Yi), die einen unteren Schwellwert überschreiten, erfolgt.
8. Neutronendetektor, dadurch gekennzeichnet, daß er wenigstens ein Detektorelement in der Form eines supraleitenden Tunnelkontakts mit zwei supraleitenden Elektrodenschichten (1, 2) aus Magnesiumdiborid und einer zwischen den beiden Elektrodenschichten (1, 2) vorgesehenen Tunnel-Isolationsschicht (3) aufweist.
9. Neutronendetektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrodenschicht (1) zur Detek- tierung thermischer Neutronen eine Dicke D von etwa 50 μm besitzt.
10. Neutronendetektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine der MgB2-Elektroden (1) zur Erfassung subthermischer Neutronen eine Dicke von weniger als 50 μm besitzt.
11. Neutronendetektor nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektorelement eine Fläche von 100 μm x 100 μm besitzt.
12. Neutronendetektor nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Detektorelemente ein lineares Array bilden und jeweils über Widerstände (13, 14) mit zwei ladungsempfindlichen Verstärkern (16, 17) verbunden sind.
13. Neutronendetektor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein k-ter Tunnelkontakt über einen Widerstand (13) mit dem Leitwert G (1-ak) mit dem einen Verstärker (16) und über einen Widerstand (14) mit dem Leitwert G (ak) mit dem Eingang des anderen Verstärkers (17) verbunden ist, wobei ak = (k- 1)/(N-1) ist.
14. Neutronendetektor nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Detektorelemente ein zweidimensionales Array mit X-Zeilen und Y-Spalten bilden und die Tunnelkontakte jeweils über Widerstände (13, 14) mit zwei ladungsempfindlichen Verstärkern (16, 17) verbunden sind, wobei die Leitwerte der Widerstände (13, 14) so dimensioniert sind, daß die in einem Detektorelement auftretenden Tunnelströme gleichmäßig auf eine X- und eine Y- Leitung (Xi, Yk) für einen Tunnelkontakt verteilt werden.
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