NL8202546A - Stralingsdetector. - Google Patents

Description

*-* η * -½ EHN 10.391 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eirdhoven.

Stralingsdetector.

De uitvinding heeft betrekking op een stralingsdetector net een stralingr-electronen converterend ingangsscberm, in een omhulling opgenomen, een electronen-qptisch systeem en een electronen detecterend uitgangsscherm.

5 Dergelijke detectoren zijn, bijvoorbeeld in de vorm van balder- heidsversterkerbuizen bekend, Met helderheidsversterkerbuizen, en meer in het algemeen met beeldversterkerbuizen beoogt men beeldinformatie te versterken, waarbij een lichtzwak ingangsbeeld wordt omgezet in een optisch getrouw lichtsterk uitgangsbeeld. De detector heeft daarbij een 10 converterende functie indien niet een lichtbeeld maar een door, buiten het zichtbare spectrale gebied gelegen electrcmagnetische straling of door corpusculaire straling, gedragen beeld in een visueel waarneembaar beeld moet worden omgezet. De lichtversterking van dit type buizen berust hoofdzakelijk op een versnelling tot bijvoorbeeld 10 a 30 kV van 15 foto-electronen, welke in het ingangsscberm door invallende straling worden vrij gemaakt. Daarnaast wordt veelal nog een helderheidsverster-king verkregen door beeldverkleining, bijvoorbeeld in oppervlak gemeten met een factor 10 tot 50 tussen het ingangsscherm en het uitgangsscherm.

De optische getrouwe afbeelding in dergelijke buizen stelt zware speci-20 fieke eisen aan het afbeeldende electronen-optiscbe systeem en legt beperkingen op aan de geometrie van het ingangsscherm.

Voor het detecteren van afzonderlijke foto-electronen zou gebruik gemaakt kunnen worden van een fotovermenigvuldigerbuis met een uiterst efficiënte fotocatbode en althans een eerste dynode net een 25 hoge secundaire emissie. Het kleine ingangsvenster van deze buizen verhindert evemel het bereiken van een grote gevoeligheid voor deze detectoren.

De. uitvinding beoogt, onder toepassing van een eenvoudig electronen-optisch systeem met een korte looptijd voor de foto-electronen 30 en een hoog oplossend vermogen voor het detecteren van afzonderlijke foto-electronen, een niet afbeeldende detector met een grote stralingsgevoeligheid te realiseren. Een in de aanhef genoemde detector heeft daartoe volgens de uitvinding tot kenmerk, dat een fotocatbode van het 8202545 PHN 10.391 2 t Ψ ingangsscherm zich in de annulling over een cirkelboog van ten minste 180° uitstrekt· en het uitgangsscherm zodanig in de anhulling is geplaatst en is bemeten dat. het electronen-optisch. systeem foto-electronen vanuit de gehele fotocathode op het uitgangsscherm verzamelt. Omdat in een de-5 tector volgens de uitvinding de afbeeldende functie van het electronen-optische systeem is verlaten, laat dit systeem, bij een aangepaste positie, vorm en afmeting van het uitgangsscherm toe, dat de fotocathode van het ingangsscberm een groot deel van het binnenoppervlak van de omhulling beslaat. Ook is voor de foto-electronen een uiterst korte looptijd van 10 de foto-electronen te realiseren met gebruikelijke potentiaalverschillen tussen ingangsscherm en uitgangsscherm..

In een voorkeursuitvoering beslaat het ingangsscherm, gezien vanuit het middelpunt van een substantieel bolvormige omhulling een ruimteboek van ongeveer 3 7T . Het uitgangsscherm is daarbij symmetrisch cm een 15 straal van de bol gerangschikt op 1/4 a 13 van de straal vanaf hst middelpunt gerekend. Hierbij fungeert een fotocathode als ingangsscherm en is het uitgangsscherm opgebouwd uit scintillatie materiaal. Het uitgangsscherm is bijvoorbeeld gemonteerd op een instulping in de omhulling, in welke instulping een gebruikelijke fotovermenigvuldigerbuis voor het detec-2o teren van in het uitgangsscherm vrij gemaakte fotonen is opgenomen.

In een verdere voorkeursuitvoering bevat het uitgangsscherm een, bijvoorbeeld direct op een voorver sterker aangesloten halfgeleider elec-tronendetector.

Voor een goede efficiënte optische koppeling tussen een uit 25 scintillatie materiaal bestaand uitgangsscherm en een daaraan gekoppelde fotovermenigvuldigerbuis kan gebruik gemaakt worden van een glasvezelplaat. Ook kan daarvoor gebruik gemaakt worden van een conische licht-geleider waarvan een relatief klein eindvlak naar het uitgangsscherm is gericht en een relatief groot eindvlak naar de fotovermenigvuldigerbuis 30 is gericht. Het is gunstig overgangen tussen onderscheiden onderdelen van de optische koppeling op te vullen met een aan de brekingsindices aangepaste immersie olie of deze onderdelen met aangepaste middelen zoals canadabalsum aan elkaar te kitten.

Voor het verhogen van de selectiviteit in de detectie is het 35 gunstig, dat het uitgangsscherm is opgetouwd met een scintillatie materiaal met een korte decay tijd. Uitleeselectronica kan daarbij aan de exitatie respons kromme van de fosfor worden aangepast waardoor een meest kenmerkende eigenschap van het scintillatie materiaal het meest 82 0 2 5 4 6 « EHN 10.391 3 relevant voor de detectie is.

Aan de hand van de tekening zullen in het navolgende enkele voorkeursuitvceringen volgens de uitvinding nader worden beschreven.

Door de combinatie van een. fotocathode ingangsscherm, een 5 scintillatie uitgangsscherm en een daaraan goed gekoppelde en aangepaste fotovermenigvuldigerbuis kan een enkel foto-electron uit het ingangs-scherm van de detector worden omgezet in bijvoorbeeld 50 tot 100 foto-electronen in de fotovermenigvuldigerbuis.

De enkele figuur in de tekening toont van een detector volgens 10 de uitvinding een omhulling 1. De omhulling is hier substantieel, bol-vormig en vormt als zodanig een bol met een middelpunt M. Op een binnen-oppervlak 3 van de bol, dat zich over een ruimteboek tot bijvoorbeeld 3 77 uitstrekt bevindt zich een straling-electronen converterend in-gangsscherm 5. Het ingangsscberm is hier een fotocathode waaraan via een 15 electronische doorvoer 7 en een electrisch geleidende strip 9 aan de binnenkant van de bol, een potentiaalhron kan worden aangesloten. In een uitvoering met een fotocathode als ingangsscberm zal de omhulling uiteraard voor de te detecteren fotonen transparant zijn. Daartoe is de bol samengesteld uit glas. Het ingangsscherm kan ook zijn samengesteld uit 20 een fosfor en een fotocathode zoals bijvoorbeeld in röntgenbeeldver-sterkerbuizen wordt toegepast. De fosforlaag is dan gevoelig voor de te detecteren straling zoals bijvoorbeeld ultraviolette straling, corpuscu-laire straling of röntgenstraling en converteert die straling in fotonen waarvoor de fotocathode gevoleig is. In die uitvoering kan, net. weer een 25 glazen bol, het fosforscherm ook qp een buitenoppervlak van de omhulling zijn aangebracht. Dit laatste is toelaatbaar omdat geen afbeeldende eisen behoeven te worden gesteld. Eten ingangsscherm kan direct op de binnenwand van de omhulling zijn aangebracht maar kan daar ook in de vorm van een zelfdragend scherm nabij zijn gemonteerd.

30 In een specifieke uitvoering is de detector uitgerust net een fotocathode ingangsscherm dat optimaal gevoelig is voor het detecteren van cerenkov straling dat wil zeggen fotonen in het nabije ultraviolet of kortgolvige blauwe deel van het spectrum met bijvoorbeeld een golflengte van 400 mm maar ook wel van ongeveer 60 mm.

35 Eten electronen detecterend uitgangsscherm 11 bevindt zich symmetrisch om een straal R van de bolvormige omhulling die een ruimtelijke bisectrice vormt van een door het ingangsscherm besloten ruimteboek. In de getekende uitvoering is bet uitgangsscherm 11 aangebracht op een 8202546 H3N 10.391 4

* I

eindwanddeel 13 van een instulping 15 in de bolvormige omhulling. Bij een straal R van de bol van bijvoorbeeld 170 mm bevindt bet uitgangs-scherm zich. bijvoorbeeld tussen 40 en 60 mm van het middelpunt M af. Voor een goede optische koppeling tussen een in de instulping geplaatste foto-5 vermenigvuldiger buis 17 en het uitgangsscherm is tussen het wanddeel 13 en een ingangsvenster 19 van de fotovermenigvuldigerbuis een conusvormige lichtgeleider 21 opgenomen. Zowel een kleinste eindvlak. 23 als een grootste eindvlak 25 daarvan kunnen met behulp van een aangepaste immarsie olie of kit net de tegenoverliggende glazen vensters zijn gekoppeld.

10 Een mateloppervlak 27 van de. conus kan bijvoorbeeld door hoog polijsten inwendig lichtreflecterend zijn gemaakt. De instulping vertoont een verwijdering waardoor ruimte ontstaat voor het monteren, van een voedingsbron 29 zoals een hoogspanningsgenerator voor de onderscheiden dynoden van de fotovermenigvuldiger en bijvoorbeeld ook voor een hoog-15 spanning van bijvoorbeeld 25 kV voor het uitgangsscherm. De uitgangs-sctermspanning is via een doorvoer 31 in een verjonging van de instulping en een inwendige geleider 33 aan het uitgangsscherm toegevoerd. Overblijvende ruimte in de instulping 15 is opgevuld met een electriscbe isolator 35 zoals bijvoorbeeld rubber. Om het ontstaan van de bol eventueel 20 binnentredend licht door de hoogspanning te voorkomen, is althans een gedeelte van de buitenwand van de bol waartegenover zich geen ingangs-scherm bevindt bedekt met een electrisch geleidende laag,37. Als de detector zal worden toegepast voor detectie van fotonen uit alle richtingen is de laag 37 voor die fotonen transparant uitgevoerd. Van de achterzijde 25 binnenkomende fotonen kunnen dan, na het doorlopen van de omhulling, alsnog in de fotocathode foto-electronen vrij maken. Cm te voorkomen dat in het uitgangsscherm opgewekte fotonen de fotocathode van het ingangs-scherm zouden kunnen bereiken is in de wand van de instulping een optische onderbreking 39 aangebracht en is het uitgangsscherm aan de binnenzijde 30 voorzien van een voor de 25 kV electronen transparante maar optisch dichte afscherming 41.

De voedingsbron is met electrische geleiders 43 met de fotovermenigvuldigerbuis verbonden terwijl voor signaalafvoer een electrische geleider 45 dient.

35 Als electronen-optisch systeem fungeert nu in feite enkel de fotocathode, die op ongeveer nulpotentiaal wordt gehouden en het uitgangsscherm, dat op bijvoorbeeld 25 kV wordt gehouden. In de tekening zijn voor twee plaatsen van de fotocathode berekende electronenbanen 51 voor 8202546 EHN 10.391 5 loodrecht uit de fotocathode vertrekkende foto-electronen en banen 53 voor bijvoorbeeld onder 45° vertrekkende foto-electronen aangegeven.

Een detector volgens de uitvinding is in het bijzonder geschikt cm te worden toegepast in een detectiesysteem voor neutrinos en muonen 5 welke men voor astronomische onderzoekingen wenst te detecteren. De interactie van neutrinos met materie is uiterst gering en om storende straling in het detectorsysteem te vermijden is het gewenst bijvoorbeeld diep onder water te meten. Aldaar kan dan met een driedimensionale, detector-matrix, door de neutrinos en muonen opgewekte cerenkov straling worden ge-10 meten. Meer informatie over die detectiemethode is gegeven in een artikel van Learned en Eichler in Scientific American febr. 81, pp 104-113.

De detector volgens de tekening kan daartoe zijn opgenomen in een, bij voorkeur eveneens bolvormig drukvat 57. Dit drukvat behoeft bij gebruikmaking van deze detector niet veel groter te zijn dan de bolvormige 15 omhulling 1 van de detector. Het drukvat is bijvoorbeeld samengesteld uit twee halve bollen die met een verbinding 59 tot een geheel zijn samengesteld. Ruimte 61 tussen het drukvat en het ingangsscherm kan gevuld zijn met een immersie olie voor optische koppeling.

20 25 30 35 8202546

Claims (10)

1. Stralingsdetector met een straling-electronen converterend ingangsscherm en, in een omhulling opgenamen, een electronen-optisch systeem en een electronen detecterend uitgangsscherm met het kenmerk, dat het ingangsscherm een fotocathode (5) omvat die zich in de onhulling 5 over substantieel een cirkelboog van ten minste 180° uitstrekt en het uitgangsscherm (11) zodanig in de onhulling (1) is geplaatst en is bemeten, dat het electronen-optisch systeem foto-electronen vanuit de gehele fotocathode op het uitgangsscherm verzamelt.

2. Stralingsdetector volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat 10 de onhulling substantieel bolvormig is, uit glas bestaat en een instul-ping (15) toont, op een eindvlak (13) waarvan een scintillatie materiaal bevattende uitgangsscherm is aangebracht, waarmede een in de instulping gemonteerde fotovermenigvuldigerbuis (17) optisch is gekoppeld.

3. Stralingsdetector volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat daar-15 in, voor onderling gescheiden detectie van in het ingangsscherm vrijgemaakte foto-electronen, een ingangsfoto-electron binnen een tijd van ten hoogste 100 n sec. wordt omgezet in 10 tot 100 foto-electronen in de fotovermenigvuldigerbuis .

4. Stralingsdetector volgens conclusie 2 of 3, net het kenrrerk, dat 20 de optische koppeling tussen het uitgangsscherm en de fotovermenigvuldigerbuis een vezeloptisch venster bevat.

5. Stralingsdetector volgens een der conclusies 2, 3 of 4, met het kenmerk, dat de optische koppeling tussen het uitgangsscherm en de fotovermenigvuldigerbuis een conische lichtgeleider (21) bevat.

6. Stralingsdetector volgens conclusie 1, net het kenmerk, dat het uitgangsscherm een, van een p-n over gang voorziene schijf halfgeleider materiaal bevat.

7. Stralingsdetector volgens een der voorgaarde conclusies, met bet kenmerk, dat het ingangsscherm een tegenover de fotocathode op de 30 buitenzijde van de onhulling aangebrachte laag luminescerend materiaal bevat.

8. Stralingsdetector volgens een der conclusies 2 tot en net 7, met het kenmerk, dat het uitgangsscherm symmetrisch om een straal van de bolvormige omhulling gerangschikt is op ongeveer 1/4 i 1/3 straallengte 35 van het middelpunt van de omhulling.

9. Stralingsdetector volgens conclusie 3, met bet kenmerk, dat bet uitgangsscherm een scintillatie materiaal met een kleine decay tijd, in het bij zonder een yttrium oxide bevattend scintillatie materiaal bevat. 82 0 2 5 4 6 < x Λ ^ ΡΗΝ 10.391 7

10. Stralingsdetector volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat die in het bijzonder voor diepzee meting van cererikov straling in een weinig groter holvormig drukvat monteerbaar is. 5 10 15 20 25 30 8202546 35