WO2016083021A1 - Szintillationsdetektor mit hoher zählrate - Google Patents

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WO2016083021A1
WO2016083021A1 PCT/EP2015/074200 EP2015074200W WO2016083021A1 WO 2016083021 A1 WO2016083021 A1 WO 2016083021A1 EP 2015074200 W EP2015074200 W EP 2015074200W WO 2016083021 A1 WO2016083021 A1 WO 2016083021A1
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scintillation detector
pixels
light
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scintillation
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PCT/EP2015/074200
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Sebastian Jaksch
Henrich Frielinghaus
Ralf Engels
Günter KEMMERLING
Kalliopi KANAKI
Richard HALL-WILTON
Sylvain DÉSERT
Codin GHEORGHE
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Forschungszentrum Jülich GmbH
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    • H01L27/14663—Indirect radiation imagers, e.g. using luminescent members

Definitions

  • the invention relates to a scintillation detector, in particular for neutrons.
  • a scintillation detector is a scintillation-based measuring device for determining the energy, intensity and position of ionizing radiation.
  • light pulses are generated by incident ionizing radiation, the number of which depends on the energy of the incident radiation.
  • These very weak flashes of light release electrons from a photocathode behind a mounted photomultiplier. These electrons are multiplied by collisions at the electrodes in the photomultiplier.
  • a current pulse can be removed, the amplitude of which depends on the energy of the incident radiation.
  • a photomultiplier a photodiode can also be used.
  • a scintillation detector can be used to measure alpha, beta, gamma or neutron radiation, depending on the scintillator.
  • Thallium-doped sodium iodide, lanthanum chloride or cesium iodide are suitable as scintillators, for example.
  • a scintillation detector for neutrons with a scintillator comprising 6 Li is known from document EP 2631676 A1.
  • a neutron scintillation detector with a one square meter scintillator surface is currently limited to a count rate of a few hundred kHz to about 1 MHz.
  • the achievable resolution minimal to about 8 mm in each direction, associated with a high calculation effort during the measurement, since this resolution is possible only by interpolation on the Anger principle.
  • the maintenance and repair of such a scintillation detector are relatively expensive.
  • Achievable geometries are relatively limited. In the area of a primary beam scintillation detectors must be protected by a shield.
  • gas detectors can be used for the detection of neutrons. Counting rates of 1 to 1.5 MHz are reliably achievable. As a gas is usually 3 He used, but is increasingly limited available.
  • a scintillation detector comprises the features of claim 1 for achieving the object.
  • Advantageous embodiments emerge from the subclaims.
  • the scintillator of the scintillation detector according to the invention is formed of a plurality of pixels separated by spaces. Alternatively or additionally, the surface of the scintillator is divided into pixels by grooves. Such a structure not only allows a particularly high resolution. In addition, when using multiple detector modules high count rates in the range of several 20 MHz are possible.
  • the grooves and / or the interspaces between the individual scintillator pixels are preferably filled with reflection material for the light to be detected in order to be able to achieve the object of the invention in a further improved manner by an optical separation of the individual pixels achieved thereby.
  • Crosstalk can be avoided as advantageous.
  • Barium sulfate for example, serve as a reflection material to further achieve the object of the invention to improve.
  • the reflection material may be attached.
  • an absorber material may be used for the light to be detected in order to avoid crosstalk.
  • a reflector however, provides for a higher sensitivity and is therefore to be preferred.
  • the pixels of the scintillator preferably contain 6 Li in order to be able to manufacture and detect neutrons.
  • 10 B or another neutron converter may be provided.
  • Various scintillation materials are possible. It can also be chosen between different established materials.
  • a multi-anode photomultiplier In order to be able to read out in a spatially resolving manner and with a high counting rate, a multi-anode photomultiplier has proven suitable.
  • the multi-anode photomultiplier converts light flashes generated by the scintillator into electrical signals.
  • multi-anode photomultipliers can also be replaced by an adequate light detection unit.
  • the size of a pixel of the scintillator advantageously corresponds to the size of a subsequently arranged anode of the photosensitive surface, here photomultiplier.
  • the pixels of the light extraction unit are therefore in one embodiment up to 8 mm, preferably up to 6 mm, more preferably up to 3 mm, long and / or up to 8 mm, preferably up to 6 mm, more preferably up to 3 mm, wide ,
  • the pixels of the light extraction unit are preferably at least 3 mm long and / or at least 3 mm wide in order not to have to operate an excessively high technical production cost.
  • the scintillation detector consists in one embodiment of a plurality of modules.
  • Each module includes its own scintillator, its own light reading unit and its own readout electronics. An exchange of individual modules is possible and minimizes maintenance and repair costs.
  • a single module advantageously has a footprint of not more than 52 to 52 mm 2 .
  • the scintillation detector comprises amplification and digitization of the signals of the light reading unit via integrated electronic components and a fast programmable logic module for the time-resolved registration of logical pulses corresponding to the neutrons.
  • 6 Li-containing scintillator pixels are transparent.
  • glass which has been doped with 6 Li and which is referred to below as Li glass is used.
  • a multi-anode photomultiplier for example, has in its design relative to the entire surface facing the scintillator an active surface for light detection of approximately 89%, which is separated by individual anode pixels of size 5.8 ⁇ 5.8 mm 2 at a distance of 6.08 / 6.26 mm (inside / outside) or 2.8 x 2.8 mm 2 at a distance of 3.04 / 3.22 mm (inside / outside). The same applies to other light-reading units.
  • Integrated electronic components perform amplification and noise filtering of the individual signals of the light reading unit.
  • the integrated electronic components each comprise a comparator for the individual signals, which generates a logical output signal over an adjustable threshold.
  • the integrated electronic components advantageously comprise an analog-to-digital converter, with which the generated amount of charge of an anode signal can be measured.
  • a programmable logic module is advantageously present, which can make an adjustment of the measurement modes and the comparator thresholds of the integrated electronic modules.
  • the programmable logic device can advantageously register the logic signals of the integrated electronic components and sum them up in internal memories in time.
  • the programmable logic device can advantageously register the data of the analog-to-digital converter and add up in internal memories for each channel of the size accordingly.
  • the programmable logic module advantageously has an external interface for accessing or transporting the data registered in internal memories.
  • the detector has in the downstream electronics so in particular a programmable logic device with internal memory areas, the diverse Tasks takes over. It performs the adjustment of the measurement modes and the comparator thresholds of the integrated electronic components and registers both the logical comparator signals, which are summed up in internal memory locations in time, as well as the data of the analog-to-digital converter, which is also stored in internal memory for each channel Size to be summed up accordingly. In addition, it has an external interface for accessing or transporting the data registered in internal memories so that they can be displayed and analyzed by a computer with a monitor and / or written to a file for later evaluation.
  • a modular and scalable multi-channel thermal neutron detector that distinguishes neutrons and gamma radiation by setting a comparator threshold to the level of the generated signals.
  • Multi-anode photomultipliers commercially available, for example, commercially available under the designation H8500, H9500
  • H8500, H9500 special light reading units
  • H8500, H9500 special light reading units
  • H8500, H9500 special light reading units
  • H8500, H9500 special light reading units
  • H8500, H9500 special light reading units
  • H8500, H9500 special light reading units
  • H8500, H9500 special light reading units, e.g. Multi-anode photomultipliers
  • H8500, H9500 special light reading units, e.g. Multi-anode photomultipliers
  • H8500, H9500 special light reading units
  • H8500, H9500 which, in an extremely dense package, have many single light detection channels with small area and almost borderless transition to adjacent channels.
  • these properties of the multi-anode photomultipliers are exploited in a corresponding embodiment in order to use the individual channels as separate detectors for thermal neutrons.
  • the achieved resolution of, for example, 6 mm or 3 mm is suitable for many applications in neutron scattering.
  • detection material mainly 6 Li-containing scintillator pixels are used, which generate light with neutron capture light with a very low cooldown (eg 6 Li glass).
  • the size of these scintillator pixels is dimensioned such that they cover nearly one channel of the multi-anode photomultipliers in terms of area. It only becomes one small gap between adjacent pixels filled with optical reflector material.
  • the processing of the electrical signals can be made separate and relatively simple with the aim of making a distinction between neutrons and gamma radiation by the height of the signal.
  • amplification and noise filtering of the very small electrical signal are suitable in order to improve the precision in pulse height determination.
  • the signal is fed to a comparator, in which an adjustable threshold is used to distinguish between neutrons and gamma radiation.
  • the comparator generates a logic pulse.
  • an analog-to-digital converter is used, with which the generated pulse heights can be measured.
  • a numerical representation of the pulse heights in a histogram shows the value of the required threshold. Since the analog-to-digital converter is used only for adjustment purposes, a solution can be used for the detector by multiplexing the channels to the converter.
  • the (in accordance erected horizontal and vertical) expansion of the signal processing, ie the base area, the size front surface of the light reading unit eg multi-anode photomultiplier does not. Therefore, a compact solution is used via integrated electronic components.
  • a single module then has, for example, a footprint of 52 ⁇ 52 mm 2 .
  • a scintillation detector may then comprise a plurality of such modules. The maintenance is kept so low. In case of repair, a defective module can be easily replaced.
  • a module becomes a unit understood, which can be used as a scintillation detector, both in combination with other modules as well as independent of other modules.
  • the achievable count rates with this detector are essentially determined by the cooldown of the scintillator, the response time, ie the response time, the light readout unit such. limits the maximum anode current of the multi-anode photomultiplier and the time constant in the amplification and noise filtering of the electrical signals.
  • the maximum anode current is fixed by the special multi-anode photomultipliers, but by suitable choice of the scintillator and the associated time constant in the signal processing and in particular by the high segmentation of the detector described here, based on the area, very high count rates can be achieved .
  • the active area for neutron detection can be determined by the edge of the light reading unit here: multi-anode photomultiplier and the spaces between the scintillator pixels.
  • the modular design of the detector allows use in a scalable array for large areas where the characteristics scale equally with the area.
  • the dimension of the electronics can be limited to the surface of the light-extraction unit.
  • a detector can be composed of modules to create a large-area detector. The advantageous properties are then scaled according to the area.
  • the scintillator may comprise a substrate or support in the form of a glass pane, which is preferably continuous.
  • pixels of the scintillator for example made of Li glass, may be separate from each other and have gaps between the pixels filled with reflector material (e.g., barium sulfate) for optical separation.
  • reflector material e.g., barium sulfate
  • the substrate and the pixels are attached to each other by an adhesive layer.
  • adhesive layer Commercially available optical adhesives or gels are suitable for this purpose.
  • An additional adhesive layer may be present between the pixels and the photomultiplier or the light extraction unit. This should have the highest possible transparency for light.
  • the scintillation detector is to be created in particular for the detection of neutrons. By selecting the material of the scintillator this can also be set up for the detection of another radiation.
  • FIG. 1 shows a scintillation detector in a sectional view
  • FIG. 2 scintillator seen in plan view
  • FIG. 3 Scintillator with a carrier whose refractive index is greater than that
  • FIG. 4 scintillator with a carrier whose refractive index is smaller than that
  • FIG. 1 illustrates a scintillation detector according to the invention in a lateral sectional view.
  • the scintillation detector comprises, as a scintillating material support, a glass sheet 1 on which Li-glass pixels 2 having an area of 6 mm ⁇ 6 mm are attached through an adhesive layer 3.
  • the scintillation material consisting of pixels 2 have a distance or gap of 100 ⁇ .
  • the spaces between the pixels 2 are filled with barium sulfate 4.
  • An adhesive layer 5 attaches a multi-anode photomultiplier 6 to the pixels 2.
  • the carrier material that is to say the glass pane 1
  • FIG. 2 shows the scintillator seen in a view of the pixels 2, which have an area of 6 mm ⁇ 6 mm.
  • FIGS. 3 and 4 each show a scintillator with a pixel 2 in which a flash of light has been produced due to a neutron incidence.
  • the light propagates according to the arrow.
  • the refractive index of the glass substrate 1 is greater than the refractive index of the pixels 2.
  • the refractive index of the glass substrate 1 is smaller than the refractive index of the pixels 2.
  • the refractive index of the Li-glass 2 is lower than that of the carrier glass 1, as shown in FIG. 3, then the adhesive layer 3 has no appreciable influence on the reflection behavior of the light.
  • the adhesive layer 3 again has no appreciable influence on the reflection behavior of the light. In this case, as shown in FIG. 4, a total internal reflection takes place so that no crosstalk between the pixels 2 takes place.
  • the adhesive 3 may alternatively or additionally be selected such that this light, which is scattered towards the rear in the direction of the glass pane 1, absorbs and / or reflects light. This also prevents crosstalk.

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Abstract

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Szintillationsdetektor zu schaffen, mit dem große Zählraten und/oder hohe Auflösungen möglich sind. Der Szintillator des erfindungsgemäßen Szintillationsdetektors ist aus Pixeln (2) gebildet, die durch Zwischenräume (4) voneinander getrennt sind. Alternativ oder ergänzend ist die Oberfläche des Szintillators durch Rillen in Pixel (2) unterteilt. Ein solcher Aufbau ermöglicht nicht nur eine besonders hohe Auflösung. Es sind darüber hinaus bei Verwendung mehrerer Module hohe Zählraten im Bereich von etwa 20 MHz möglich.

Description

Szintillationsdetektor mit hoher Zählrate
Die Erfindung betrifft einen Szintillationsdetektor insbesondere für Neutronen.
Ein Szintillationsdetektor ist ein auf Szintillation basierendes Messgerät zur Bestimmung der Energie, Intensität sowie Position von ionisierender Strahlung. Im Szintillator eines Szintillationsdetektors werden durch einfallende ionisierende Strahlung Lichtblitze erzeugt, deren Anzahl von der Energie der einfallenden Strahlung abhängt. Diese sehr schwachen Lichtblitze setzen aus einer Photokathode eines dahinter angebrachten Photomultipliers Elektronen frei. Diese Elektronen werden durch Stöße an den Elektroden im Photomultiplier vervielfacht. An der Anode kann dann ein Stromimpuls abgenommen werden, dessen Amplitude von der Energie der einfallenden Strahlung abhängt. Anstelle eines Photomultipliers kann auch eine Photodiode eingesetzt sein.
Ein Szintillationsdetektor kann zur Messung von Alpha-, Beta-, Gamma- oder Neutronenstrahlung eingesetzt werden und zwar in Abhängigkeit vom Szintillator. Als Szintillator eigenen sich zum Beispiel mit Thallium dotiertes Natriumiodid, Lanthanchlorid oder Cäsiumiodid. Ein Szintillationsdetektor für Neutronen mit einem Szintillator, der 6Li umfasst, ist aus der Druckschrift EP 2631676 A1 bekannt.
Ein Szintillationsdetektor für Neutronen mit einer ein Quadratmeter großen Szintillatoroberfläche ist derzeit auf eine Zählrate von wenigen 100 kHz bis etwa 1 MHz begrenzt. Darüber hinaus ist die erreichbare Auflösung, minimal bis etwa 8 mm in jeder Richtung, mit einem hohen Berechnungsaufwand während der Messung verbunden, da diese Auflösung nur durch Interpolation nach dem Anger Prinzip möglich ist. Die Wartung und Reparatur eines solchen Szintillationsdetektors sind relativ aufwendig. Erreichbare Geometrien sind relativ begrenzt. Im Bereich eines Primärstrahls müssen Szintillationsdetektoren durch eine Abschirmung geschützt werden.
Alternativ können Gasdetektoren für die Detektion von Neutronen eingesetzt werden. Zählraten von 1 bis 1 ,5 MHz sind zuverlässig erreichbar. Als Gas wird meist 3He eingesetzt, das aber zunehmend begrenzter zur Verfügung steht.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Szintillationsdetektor zu schaffen, mit dem große Zählraten sowie hohe Auflösungen möglich sind. Ein Szintillationsdetektor umfasst zur Lösung der Aufgabe die Merkmale des Anspruchs 1 . Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der Szintillator des erfindungsgemäßen Szintillationsdetektors wird aus mehreren Pixeln gebildet, die durch Zwischenräume voneinander getrennt sind. Alternativ oder ergänzend ist die Oberfläche des Szintillators durch Rillen in Pixel unterteilt. Ein solcher Aufbau ermöglicht nicht nur eine besonders hohe Auflösung. Es sind darüber hinaus bei Verwendung mehrerer Detektormodule hohe Zählraten im Bereich von mehreren 20 MHz möglich.
Die Rillen und/oder die Zwischenräume zwischen den einzelnen Szintillatorpixeln sind vorzugsweise mit Reflektionsmaterial für das zu detektierende Licht gefüllt, um durch eine dadurch erzielte optische Trennung der einzelnen Pixel die Aufgabe der Erfindung weiter verbessert lösen zu können. Ein Übersprechen kann so vorteilhaft vermieden werden. Bariumsulfat kann beispielsweise als Reflektionsmaterial dienen, um die Aufgabe der Erfindung weiter verbessert zu lösen. Beispielsweise mithilfe eines Binders kann das Reflexionsmaterial befestigt sein.
Anstelle eines Reflektionsmaterials kann ein Absorbermaterial für das zu detektierende Licht eingesetzt sein, um ein Übersprechen zu vermeiden. Ein Reflektor sorgt jedoch für eine höhere Empfindlichkeit und ist daher zu bevorzugen.
Es lassen sich Pixelgrößen realisieren, die bis zu 8mm, vorzugsweise bis zu 6 mm, weiter bevorzugt bis zu 3 mm lang, und/oder die bis zu 8 mm, vorzugsweise 6 mm, weiter bevorzugt bis zu 3 mm, breit sind. Entsprechendes gilt für die Pixelierung des Szintillations- oder Konvertermaterials durch Rillen.
Die Pixel des Szintillators enthalten vorzugsweise 6Li, um geeignet herstellen und Neutronen detektieren zu können. Alternativ kann 10B oder ein anderer Neutronenkonverter vorgesehen sein. Es sind verschiedene Szintillationsmaterialien möglich. Es kann ferner zwischen verschiedenen etablierten Materialien ausgewählt werden.
Um ortsauflösend und mit hoher Zählrate auslesen zu können, hat sich ein Multianoden-Photomultiplier als geeignet erwiesen. Der Multianoden-Photomultiplier wandelt durch den Szintillator erzeugte Lichtblitze in elektrische Signale um. Ein Multianoden-Photomultiplier kann aber auch gegen eine adäquate Lichtdetektionseinheit ersetzt werden.
Die Größe eines Pixels des Szintillators entspricht vorteilhaft der Größe einer nachfolgend angeordneten Anode der photosensitiven Fläche, hier Photomultiplier. Entsprechendes gilt auch für andere Lichtausleseinheiten. Hierdurch wird erreicht, dass die Lichtblitze, die in einem Pixel erzeugt werden, nahezu vollständig zu einer gegenüberliegenden Anode des hier beschriebenen Photomultipliers bzw. einer entsprechenden Lichtausleseeinheit gelangen, um so mit hoher Zählrate und hoher Ortsauflösung detektieren zu können. Die Pixel der Lichtausleseeinheit sind daher in einer Ausgestaltung bis zu 8 mm, bevorzugt bis zu 6 mm, weiter bevorzugt bis zu 3 mm, lang und/oder bis zu 8 mm, bevorzugt bis zu 6 mm, weiter bevorzugt bis zu 3 mm, breit.
Die Pixel der Lichtausleseeinheit sind vorzugsweise wenigstens 3 mm lang und/oder wenigstens 3 mm breit, um keinen übermäßig hohen technischen Fertigungsaufwand betreiben zu müssen.
Der Szintillationsdetektor besteht in einer Ausgestaltung aus einer Vielzahl von Modulen. Ein jedes Modul umfasst einen eigenen Szintillator, eine eigene Lichtausleseeinheit und eine eigene Ausleseelektronik. Ein Austausch einzelner Module ist möglich und minimiert den Wartungsaufwand und den Reparaturaufwand. Ein einzelnes Modul weist vorteilhaft eine Grundfläche von nicht mehr als 52 52 mm2 auf.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen, die eine weiter verbesserte Zählrate und/oder hohe Ortsauflösung ermöglichen, ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.
Der Szintillationsdetektor umfasst neben einer Lichtausleseeinheit zur Konvertierung des Lichts in elektrische Signale eine Verstärkung und Digitalisierung der Signale der Lichtausleseeinheit über integrierte Elektronikbausteine und einem schnellen programmierbaren Logikbaustein zur zeitaufgelösten Registrierung logischer Pulse, die den Neutronen entsprechen.
Beispielsweise 6Li-haltige Szintillatorpixel sind transparent. Es wird beispielsweise Glas eingesetzt, welches mit 6Li dotiert ist und welches nachfolgend Li-Glas genannt wird. Bei Neutroneneinfang kann blaues Licht emittiert werden und eine Absorptionseffizienz von ca. 98% bei einer Neutronenwellenlänge von 5 Ä ist möglich.
Ein Multianoden-Photomultiplier z.B. besitzt in seiner Ausgestaltung relativ zur gesamten, dem Szintillator zugewandten Fläche eine aktive Fläche zur Lichdetektion von ca. 89%, die über einzelne Anodenpixel der Größe 5,8 x 5,8 mm2 mit einem Abstand von 6,08/6,26 mm (innen/außen) bzw. 2,8 x 2,8 mm2 mit einem Abstand von 3,04/3,22 mm (innen/außen) hergestellt wird. Entsprechendes gilt auch für andere Lichtausleseinheiten.
Integrierte Elektronikbausteine führen eine Verstärkung und Rauschfilterung der einzelnen Signale der Lichtausleseeinheit durch.
Die integrierten Elektronikbausteine umfassen in einer Ausgestaltung jeweils einen Komparator für die einzelnen Signale, der über einer einstellbaren Schwelle ein logisches Ausgangssignal erzeugt.
Die integrierten Elektronikbausteine umfassen vorteilhaft einen analog-zu-digital Konverter, mit dem die erzeugte Ladungsmenge eines Anodensignals gemessen werden können.
Ein programmierbarer Logikbaustein ist vorteilhaft vorhanden, der eine Einstellung der Messmodi und der Komparatorschwellen der integrierten Elektronikbausteine vornehmen kann.
Der programmierbare Logikbaustein kann vorteilhaft die logischen Signale der integrierten Elektronikbausteine registrieren und in internen Speichern zeitlich sortiert aufsummieren.
Der programmierbare Logikbaustein kann vorteilhaft die Daten des analog-zu-digital Konverters registrieren und in internen Speichern für jeden Kanal der Größe entsprechend aufsummieren.
Der programmierbare Logikbaustein weist vorteilhaft eine äußere Schnittstelle zum Zugriff auf bzw. Transport der in internen Speichern registrierten Daten auf.
Der Detektor verfügt in der nachgeschalteten Elektronik also insbesondere über einen programmierbaren Logikbaustein mit internen Speicherbereichen, der vielfältige Aufgaben übernimmt. Er nimmt die Einstellung der Messmodi und der Komparatorschwellen der integrierten Elektronikbausteine vor und registriert sowohl die logischen Komparatorsignale, die in internen Speicherplätzen zeitlich sortiert aufsummiert werden, wie auch die Daten des analog-zu-digital Konverters, die ebenfalls in internen Speichern für jeden Kanal der Größe entsprechend aufsummiert werden. Zusätzlich besitzt er eine äußere Schnittstelle zum Zugriff auf bzw. Transport der in internen Speichern registrierten Daten, so dass diese durch einen Computer mit Monitor dargestellt und analysiert werden können und/oder zur späteren Auswertung in eine Datei geschrieben werden können.
Es wird so ein modularer und skalierbarer Vielkanal-Detektor für thermische Neutronen beschrieben, der Neutronen und Gamma-Strahlung durch Setzen einer Komparatorschwelle auf die Höhe der erzeugten Signale unterscheidet.
Es können insbesondere spezielle Lichtausleseeinheiten wie z.B. Multianoden- Photomultipliern (zum Beispiel kommerziell unter der Bezeichnung H8500, H9500 erhältlich) verwendet werden, die in einer extrem dichten Packung viele einzelne Lichtdetektionskanäle mit kleiner Fläche und nahezu randlosem Übergang zu Nachbarkanälen besitzen. Dadurch werden sowohl eine relativ hohe Auflösung wie auch eine hohe aktive Fläche zur Lichdetektion realisiert, die mit Einzelkanal-Photomultipliern nicht erreicht werden kann. Die hohe aktive Fläche zur Lichtdetektion ist besonders vorteilhaft, da sie maßgeblich die detektierte Lichtmenge und damit die wichtige Unterscheidung zwischen Neutronen und Gamma-Strahlung bestimmt. Die aktive Fläche wird dann lediglich durch den zum Beispiel 1 ,5 mm breiten äußeren Rand der vorzugsweise verwendeten Multianoden-Photomultiplier limitiert, so dass, gemessen an der gesamten Fläche der Anteil der aktiven Fläche 89% beträgt.
Beim Detektor werden diese Eigenschaften der Multianoden-Photomultiplier in einer entsprechenden Ausgestaltung ausgenutzt, um die einzelnen Kanäle als separate Detektoren für thermische Neutronen einzusetzen. Die dabei erreichte Auflösung von zum Beispiel 6 mm bzw. 3 mm ist für viele Anwendungen in der Neutronenstreuung geeignet. Als Nachweismaterial werden vor allem 6Li-haltige Szintillatorpixel benutzt, die beim Neutroneneinfang Licht mit einer sehr geringen Abklingzeit erzeugen (z.B. 6Li- Glas). Die Größe dieser Szintillatorpixel ist so dimensioniert, dass sie flächenmäßig nahezu einen Kanal der Multianoden-Photomultiplier abdecken. Es wird lediglich ein kleiner Zwischenraum zwischen benachbarten Pixeln belassen, der mit optischem Reflektormaterial gefüllt wird. Damit soll ein störendes Übersprechen des erzeugten Lichtes auf Nachbarkanäle weitestgehend vermieden werden, so dass nur der getroffene Kanal ein wesentliches elektrisches Signal erzeugt. Bei einer Sandwichfertigung aus Szintillationsmaterial und Trägermaterial, bei der nur das Szintillationsmaterial durch Rillen pixeliert ist, sollte außerdem ein Übersprechen durch Reflektion im Trägermaterial unterbunden werden. Dies wird entweder durch einen niedrigeren Brechungsindex des Trägermaterials und dadurch entstehende innere Totalreflektion oder eine reflektierende Klebe- oder Absorptionsschicht erreicht. Auch eine Kombination beider Maßnahmen ist möglich.
Die Verarbeitung der elektrischen Signale kann separat und relativ einfach gestaltet werden mit der Zielsetzung, durch die Höhe des Signals eine Unterscheidung zwischen Neutronen und Gamma-Strahlung zu treffen. Als erster Schritt ist dabei eine Verstärkung und Rauschfilterung des sehr kleinen elektrischen Signals geeignet, um die Präzision bei der Pulshöhenbestimmung zu verbessern. Anschließend wird das Signal einem Komparator zugeführt, bei dem über eine einstellbare Schwelle die Unterscheidung zwischen Neutronen und Gamma-Strahlung erfolgt. Im Falle eines Neutronenereignisses erzeugt der Komparator einen logischen Puls. Zum Einstellen der Komparatorschwelle wird ein Analog-zu-Digital Konverter verwendet, mit dem die erzeugten Pulshöhen gemessen werden können. Bei einer zahlenmäßigen Darstellung der Pulshöhen in einem Histogramm wird der Wert der benötigten Schwelle ersichtlich. Da der Analog-zu-Digital Konverter nur zu Einstellungszwecken verwendet wird, kann für den Detektor eine Lösung mittels Multiplexen der Kanäle zum Konverter benutzt werden.
Um in einer Ausgestaltung eine Modularität und Skalierbarkeit des Detektors zu gewährleisten, übertrifft die (bei bestimmungsgemäß aufgestelltem horizontale und vertikale) Ausdehnung der Signalverarbeitung, also die Grundfläche, die Größe Frontfläche der Lichtausleseeinheit z.B. Multianoden-Photomultipliers nicht. Daher wird eine kompakte Lösung über integrierte Elektronikbausteine eingesetzt. Ein einzelnes Modul weist dann beispielsweise eine Grundfläche von 52 x 52 mm2 auf. Ein Szintillationsdetektor kann dann eine Vielzahl derartiger Module umfassen. Der Wartungsaufwand wird so gering gehalten. Im Fall einer Reparatur kann ein defektes Modul leicht ausgetauscht werden. Unter einem Modul wird dabei eine Einheit verstanden, die als Szintillationsdetektor eingesetzt werden kann und zwar sowohl in Kombination mit weiteren Modulen als auch unabhängig von weiteren Modulen.
Die erreichbaren Zählraten mit diesem Detektor sind im Wesentlichen durch die Abklingzeit des Szintillators, die Responsezeit, also die Antwortzeit, der Lichtausleseeinheit wie z.B. den maximalen Anodenstrom des Multianoden- Photomultipliers und die Zeitkonstante bei der Verstärkung und Rauschfilterung der elektrischen Signale begrenzt. Der maximale Anodenstrom wird durch die speziellen Multianoden-Photomultiplier fest vorgegeben, aber durch geeignete Wahl des Szintillators und der damit verbundenen Zeitkonstante bei der Signalverarbeitung und insbesondere auch durch die hohe Segmentierung des hier beschriebenen Detektors können, auf die Fläche bezogen, sehr hohe Zählraten erreicht werden. Die aktive Fläche zur Neutronendetektion kann durch den Rand der Lichtausleseeinheit hier: Multianoden-Photomultiplier und die Zwischenräume der Szintillatorpixel bestimmt werden. Daraus resultiert ein Anteil der aktiven Detektionsfläche für Neutronen von ca. 85% an der Gesamtfläche, die, verbunden mit der Absorption des Szintillators, eine Nachweiseffizienz von mehr als 80% für thermische Neutronen bei 5 Ä gestattet. Gleichzeitig erlaubt der modulare Aufbau des Detektors die Verwendung in einer skalierbaren Anordnung für große Flächen, wobei die Eigenschaften in gleicher Weise mit der Fläche skalieren.
Folgende Vorteile lassen sich also durch den erfindungsgemäßen Detektor realisieren.
• Über eine Pixelierung des Szintillators kann eine Einzelkanalverarbeitung bei der Detektion von Neutronen mit z.B. Multianoden-Photomultipliern realisiert werden.
• Die elektronische Verarbeitung der Kanäle kann unabhängig und relativ einfach gestaltet werden.
• Durch den Einsatz platzsparender, integrierter Bausteine kann die Abmessung der Elektronik auf die Fläche der Lichtausleseeinheit begrenzt werden.
• Es können gleichzeitig eine hohe Ortsauflösung, hohe Zählraten und hohe Nachweiseffizienzen erzielt werden, die mit Einzelkanal-Photomultipliern nicht erreicht werden können. • Ein Detektor kann aus Modulen zusammengesetzt sein, um einen großflächigen Detektor zu schaffen. Die vorteilhaften Eigenschaften werden dann entsprechend der Fläche mitskaliert.
Der Szintillator kann ein Substrat bzw. Träger in Form einer Glasscheibe umfassen, die bevorzugt durchgehend ist. Im Unterschied dazu können Pixel des Szintillators, zum Beispiel bestehend aus Li-Glas, voneinander getrennt sein und zwecks optischer Trennung Zwischenräume zwischen den Pixeln aufweisen, die mit Reflektormaterial (z.B. Bariumsulfat) gefüllt.
Substrat und Pixel werden insbesondere durch eine Klebeschicht aneinander befestigt. Hierfür eignen sich handelsübliche optische Kleber oder Gele.
Eine zusätzliche Klebeschicht kann zwischen den Pixeln und dem Photomultiplier bzw. der Lichtausleseeinheit vorhanden sein. Diese sollte höchstmögliche Transparenz für Licht aufweisen.
Der Szintillationsdetektor ist insbesondere für die Detektion von Neutronen geschaffen werden. Durch Auswahl des Materials des Szintillators kann dieser aber auch für die Detektion einer anderen Strahlung eingerichtet sein.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher verdeutlicht.
Es zeigen
Figur 1 : Szintillationsdetektor in einer Schnittansicht;
Figur 2: Szintillator in Aufsicht gesehen;
Figur 3: Szintillator mit einem Träger, dessen Brechungsindex größer ist als der
Brechungsindex des Szintillationsmaterials;
Figur 4: Szintillator mit einem Träger, dessen Brechungsindex kleiner ist als der
Brechungsindex des Szintillationsmaterials.
Die Figur 1 verdeutlicht einen erfindungsgemäßen Szintillationsdetektors in einer seitlichen Schnittansicht. Der Szintillationsdetektor umfasst als Träger für Szintillationsmaterial einen Glasscheibe 1 , auf der aus Li-Glas bestehende Pixel 2 mit einer Fläche von 6 mm x 6 mm durch eine Klebstoffschicht 3 angebracht sind. Die aus Szintillationsmaterial bestehenden Pixel 2 weisen untereinander einen Abstand bzw. Zwischenraum von 100 μηη auf. Die Zwischenräume zwischen den Pixeln 2 sind mit Bariumsulfat 4 gefüllt. Durch eine Klebstoffschicht 5 ist ein Multianodenphotomultiplier 6 an den Pixeln 2 befestigt.
Über Pfostenstecker 7 des Multianodenphotomultipliers 6 und einen Rahmen 8 ist eine Auswerteelektronik 9 nachgeschaltet und mit dem Multianodenphotomultiplier 6 verbunden.
Das Trägermaterial, also die Glasscheibe 1 , hat einen niedrigeren Brechungsindex als das Szintillationsmaterial, also die Pixel 2, um weiter verbessert ein Übersprechen zu verhindern.
Während des Betriebs treffen Neutronen gemäß der Pfeildarstellung 10 auf den Szintillationsdetektor auf.
Die hinter dem Szintillator mit den Komponenten 1 , 2, 3, 4 angeordneten weiteren Komponenten des Detektors, also dem Photomultiplier 6 sowie die Auswerteelektronik 9 stehen wie aus Figur 1 ersichtlich seitlich nicht gegenüber dem Szintillator hervor, um eine Modulbauweise geeignet zu ermöglichen. In Aufsicht auf die Glasscheibe 1 gesehen übersteigt also die Grundfläche der Auswerteelektronik und die Frontfläche des Multianoden-Photomultipliers die Glasfläche 1 nicht.
Die Figur 2 zeigt den Szintillator in einer Aussicht auf die Pixel 2 gesehen, die eine Fläche von 6 mm x 6 mm aufweisen.
Die Figuren 3 und 4 zeigen jeweils einen Szintillator mit einem Pixel 2, in dem aufgrund eines Neutroneneinfalls ein Lichtblitz entstanden ist. Ausgehend vom Bereich 1 1 breitet sich das Licht gemäß der Pfeildarstellung aus. Im Fall der Figur 3 ist der Brechungsindex des aus Glas bestehenden Trägermaterials 1 größer als der Brechungsindex der Pixel 2. Im Fall der Figur 4 ist der Brechungsindex des aus Glas bestehenden Trägermaterials 1 kleiner als der Brechungsindex der Pixel 2. Im Fall der Figur 3 kann durch Brechung und Reflexion ein unerwünschtes Übersprechen stattfinden. Dies wird im Fall der Figur 4 vermieden. Ist der Brechungsindex des Li-Glases 2 wie in der Figur 3 gezeigt niedriger als der des Trägerglases 1 , so hat die Klebeschicht 3 keinen nennenswerten Einfluss auf das Reflektionsverhalten des Lichts.
In diesem Fall kann durch Brechung Licht, das vom Szintillationsvorgang im Li-Glas 2 in Richtung des Trägerglases 1 abgestrahlt wird, in die benachbarten Pixel 2 eindringen. Dadurch können die Pixel untereinander übersprechen, was zu einer schlechteren räumlichen Auflösung als auch zu einen höheren Rauschen führt.
Ist der Brechungsindex des Li-Glases 2 gemäß Figur 4 höher als der des Trägerglases 1 , so hat die Klebeschicht 3 wieder keinen nennenswerten Einfluss auf das Reflektionsverhalten des Lichts. In diesem Fall findet wie in der Figur 4 gezeigt eine innere Totalreflektion statt, so dass kein Übersprechen zwischen den Pixeln 2 stattfindet.
Der Kleber 3 kann jedoch alternativ oder ergänzend so ausgewählt sein, dass dieser nach hinten in Richtung Glasscheibe 1 gestreutes Licht absorbiert und/oder reflektiert. Auch hierdurch wird ein Übersprechen verhindert.

Claims

Ansprüche:
1 . Szintillationsdetektor mit einem Szintillator, einer Lichtausleseeinheit, insbesondere einem Photomultiplier (6), und einer Auswerteelektronik (9), dadurch gekennzeichnet, dass der Szintillator aus Pixeln (2) gebildet ist, die durch Zwischenräume (4) voneinander getrennt sind, und/oder dessen Oberfläche durch Rillen pixeliert ist.
2. Szintillationsdetektor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Rillen und/oder die Zwischenräume (4) mit Reflektionsmaterial für das zu detektierende Licht gefüllt sind.
3. Szintillationsdetektor nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflexionmaterial aus Bariumsulfat besteht.
4. Szintillationsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der durch den Zwischenraum (4) erzeugte Abstand zwischen den Pixeln (2) wenigstens 100 μηη beträgt und/ oder die Rillen wenigstens 100 μηη breit sind.
5. Szintillationsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pixel (2) bis zu 6 mm, vorzugsweise bis zu 3 mm lang und/oder bis zu 6 mm, vorzugsweise bis zu 3 mm breit sind und/oder dass die Pixel (2) wenigstens 3 mm lang und/oder wenigstens 3 mm breit sind.
6. Szintillationsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pixel (2) 6Li enthalten.
7. Szintillationsdetektor nach einem der vorgehenden Ansprüche, bei der Szintillator einen Träger (1 ) für das Szintillationsmaterial (2), welches Lichtblitze durch einfallende Strahlung erzeugt, umfasst, welches einen niedrigeren Brechungsindex als das Szintillationsmaterial (2) hat.
8. Szintillationsdetektor nach einem der vorgehenden Ansprüche, bei der Szintillator einen Träger (1 ) für das Szintillationsmaterial (2), welches Lichtblitze durch einfallende Strahlung erzeugt, umfasst, und zwischen dem Träger (1 ) und dem Szintillationsmaterial (2) eine Licht absorbierende und/ oder Licht reflektierende Klebeschicht (3) eingebracht ist.
9. Szintillationsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Pixel der Lichtausleseeinheit, insbesondere die Anoden eines Multianoden-Photomultipliers, bis zu 6 mm, vorzugsweise bis zu 3 mm, lang und/oder bis zu 6 mm, vorzugsweise bis zu 3 mm, breit sind und/ oder dass die Pixel der Lichtausleseeinheit, insbesondere die Anoden eines Multianoden-Photomultipliers, vorzugsweise wenigstens 3 mm lang und/oder wenigstens 3 mm breit sind.
10. Szintillationsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundfläche der Auswerteelektronik die Größe der Frontfläche der Lichtausleseeinheit (Multianoden-Photomultipliers) nicht übertrifft.
1 1 . Szintillationsdetektor nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Szintillationsdetektor aus einer Vielzahl von Modulen besteht.
12. Szintillationsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik ein oder mehrere integrierte Elektronikbausteine umfasst, die eine Verstärkung und Rauschfilterung der einzelnen Signale der Pixel einer Lichtausleseeinheit (Multianoden- Photomultipliers) durchführen.
13. Szintillationsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik über einen programmierbaren Logikbaustein mit internen Speicherbereichen verfügt, der eine Mehrzahl von Aufgaben übernimmt und zwar insbesondere eine Einstellung der Messmodi und/oder Komparatorschwellen von integrierten Elektronikbausteinen sowie Registrierung von logischen Komparatorsignalen, die in internen Speicherplätzen zeitlich sortiert aufsummiert werden, wie auch von Daten eines Analog-zu-Digital Konverters, die ebenfalls in internen Speichern aufsummiert werden.
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