DE1953006B2

DE1953006B2 - Meßeinrichtung für den ortsempfindlichen Nachweis von ionisierender Strahlung

Info

Publication number: DE1953006B2
Application number: DE1953006A
Authority: DE
Inventors: Casimir John Borkowski; Manfred K. Kopp
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1968-10-24
Filing date: 1969-10-22
Publication date: 1979-09-20
Also published as: DE1953006A1; US3517194A; DE1953006C3; GB1245312A; JPS5023313B1; FR2021460A1; SE356844B

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Meßeinrichtung ist in der älteren deutschen Patentanmeldung P 18 06 498.7 vorgeschlagen, iedoch nicht vorbekannt.

Aus »Nuclear Instruments and Methods«, Bd. 40 (1966), Nr. 1, S. 109—112 und Bd. 22 (1963), Nr. 1, S. 117-121 bzw. Bd. 40 (1966), Nr. 1, S. 118-120 sind ein ortsempfindlicher Oberflächen-Sperrschicht-Halbieiterdetektor bzw. ein ortsempfindliches gasgefülltes Zählrohr mit hochohmigen Kollektordraht bekannt, die jeweils mit zwei getrennten Elektrodenausgängen versehen sind, wobei diese auf getrennte Kanäle zur Ortsbestimmung einwirken.

ίο Die aus »Nuclear Instruments and Methods«, Bd. 40 (1966), Seiten 118—120 bekannte Meßeinrichtung erfordert einen Anschluß beider Enden des Kollektors des Detektors. Sie arbeitet auf der Grundlage einer Messung der Ausbreitungszeit oder des Impulsamplitu-

s denverhältnisses an den Kollektorenden. Wenn Ladung an einem bestimmten Punkt des Kollektors gesammelt wird, breitet sich ein Impuls nach links und nach rechts auf dem Kollektordraht aus. Die Amplitude der Kollektorendimpulse ist ein energieabhängiges Maß des Ortes des Ionisationsereignisses längs des Kollektordrahtes. Derartige Detektoren sind in ihrer Länge sehr beschränkt, da sie eine Linearität nur über einen kurzen Bereich aufweisen. Die gewünschte Linearität kann für längere Zähler nicht erreicht werden. Die Empfindlichkeit ist begrenzt durch den notwendigen Lastwiderstand, der an den Kollektordraht mit relativ niedrigem Widerstand angeschlossen ist

Aus »Nuchar Instruments and Methods«, Bd. 22 (1963), Nr. 1, S. 117-121 ist bekannt, daß die Anstiegszeit eines Impulses von dem Kollektor eines Detektors von dem Ort des eintretenden Partikels etwas abhängig ist Bei dieser Meßeinrichtung vereinigen sich Impulse verschiedener Einstrahlorte, aber gleicher Energie zu einem gemeinsamen Impulsabfall, der der Energie der einfallenden Strahlung proportional ist Das bekannte Detektorsystem ist daher energieabhängig ebenso wie die Anstiegszeit Man kann damit bei unterschiedlichen Teilchenenergien zwischen unterschiedlichen Ionisationsereignisorten nicht sicher unterscheiden.

Die Einrichtung nach »Nuclear Instruments and Methods«, Bd. 40 (1966), Nr. 1, S. 109-112 arbeitet praktisch in der gleichen Weise wie die bereits zuvor erörterte. Der Kollektor wirkt dabei als Stromteiler der Detektorimpulse. Die Datenverarbeitung beruht auf einem Analog-Teiler-Kreis, dessen Ausgangssignal ein Ortssignal ist, das sich aus dem Verhältnis der Impulsströme an den Detektorelektroden ergibt. Hiermit läßt sich keine energieunabhängige Messung ausführen. Außerdem ist es außerordentlich schwierig, wenn nicht gar überhaupt unmöglich, eine genaue Analogimpulsteilung vorzusehen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einer Meßeinrichtung der gattungsgemäßen Art eine verbesserte Linearität, d.h. insbesondere eines verbesserten Ortsauflösungsvermögens bei Energieunabhängigkeit zu erzielen.

Diese Aufgabe wird mit der im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 angegebenen Ausbildung gelöst
Durch die Anordnung einer zusätzlichen Bezugselektrode in dem Detektor in enger paralleler Anordnung zu der hochohmigen Kollektorelektrode wird ein kurzes, lageunabhängiges Bezugszeitsignal geliefert Das von der Bezugselektrode gelieferte Signal hat dieselbe Anstiegszeit unabhängig von der Lage des Stoßes der nachgewiesenen Strahlung. Auf diese Weise erhält man ein standardisiertes Bezugszeitsignal für den Vergleich mit dem lageabhängigen Impuls von der hochohmigen Kollektorelektrode und verbessert dadurch beträchtlich

die Linearität und räumliche Auflösung des Detektors.

Die erfindungsgemäß ausgebildete Meßeinrichtung bewirkt gegenüber dem nachgewiesenen Stand der Technik eine vollständig energieunabhängige Ortsbestimmung. Weil die Kollektorelektrode hochohmig ist, führt ein extrem geringes Abstandsinkrement auf der Kollektorelektrode zu einer erheblichen Veränderung des Gesamtwiderstandes des Kollektorweges zu dem Ausgangsende des Kollektors. Dies verändert die /?C-Zeitkonstante und somit die Anstiegszeit eines Impulses, de am Ende der KoUektorelektrode abgenommen wird, in Abhängigkeit von dem Ort des Ionisationsereignisses. Auf diese Weise kann eine signifikante Erhöhung des Ortsauflösungsvermögens bei strenger Linearität im Gegensatz zum Stande der Technik erreicht werden. Die erfindungsgemäß ausgebildete Meßeinrichtung weist die Entstehungsorte von lonisationsereignissen in bezug auf die KoUektorelektrode unabhängig von ihrer Energie nach, indem die Anstiegszeit des von der Kollektorelektrode abgenommenen Impulses gemessen wird.

Besondere Ausgestaltungen der im Anspruch 1 angegebenen erfindungsgemäßen Ausbildung sind in den Ansprüchen 2 bis 4 genannt

Im folgenden wird die Erfindung anhand von in den F i g. 1, 2 und 5 der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert

Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt eines gasgefüllten Zählrohrs,

F i g. 2 ein Schaltdiagramm einer Meßeinrichtung,

F i g. 3 das Diagramm eines Iinearitätstestes, der mit einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Einrichtung mit einer Bezugselektrode durchgeführt wurde,

Fig.4 ein Vergleichsdiagramm zu Fig.3 eines Linearitätstestes mit einem Tetekfor ohne Bezugselektrode und

Fig.5 die aus*inandergezogene Darstellung eines Oberflächensperrschicht-Halbleiter-Detektors.

Das Prinzip der Meßeinrichtung wird am Beispiel eines Proportionalzählers gemäß F i g. 1 erläutert

Auf die KoUektorelektrode gelangt eine Ladung, sobald ein Ionisationsereignis innerhalb des Ansprechbereichs stattfindet In einem gasgefüllten Zählrohr bzw. einem Proportionalzähler kommt die Ladung auf den zentralen Kollektordraht oder die KoUektorelektrode an einem Punkt, der dem Ionisationsereignis im umgebenden Gas am nächsten liegt Gewöhnlich wird dadurch ein Ausgangsimpuls erzeugt, der lediglich anzeigt, daß es ein Ionisationsereignis gab, aber nicht näher die Lage des Ionisationsereignisses bezeichnet Wenn jedoch der Kollektordraht einen sehr hohen Widerstand hat, wird die Anstiegszeit jedes Ausgangsimpulses von der Lage des Ionisationsereignisses längs des Drahtes beeinflußt Die Anstiegszeit ist keine Funktion der auf den Draht gelangenden Ladung, sondern hängt nur von dem Drahtwiderstand und der verteilten kapazitiven Impedanz zwischen der Lage des Ereignisses und dem Ausgang des Kollektordrahtes ab.

Wie in F i g. 1 gezeigt, umschließt ein zylindrisches, elektrisch leitendes Gehäuse 5 eine hochohmige Kollektorelektrode 7, welche längs der Gehäuseachse angebracht ist Mit der Kollektorelektrode 7 verbundene elektrische AnschluBleitungen 9 bzw. 11 laufen durch Isolatoren 13 bzw. 15 an den jeweiligen Endplatten 17 bzw. 19 des Gehäuses 5. Eine leitende Bezugselektrode 21 ist parallel in nächster Nähe der KoUektorelektrode 7 angeordnet Das eine Ende der Bezugselektrode 21 wird von der Endplatte 17 mittels eines Isolators 23 abgestützt; das andere Ende der Bezugselektrode 21 läuft durch einen Isolator 25 in der Endplatte 19 zu einem Außenleiter 27.

Ein Schaltdiagramm der Meßeini ichtung ist in F i g. 2 dargestellt Wie gezeigt, wird ein Ende der KoUektorelektrode 7 mittels der Anschlußleitung 9 mit einem Abschlußscheinwiderstand 29 verbunden, der an die charakteristische Impedanz des als eine unendliche

ίο WC-Leitung angesehenen Detektors angenähert ist Die Anschlußleitung U verbindet die KoUektorelektrode 7 mit einem Vorverstärker 31. Das Gehäuse 5 ist an die negative Seite einer Hochspannungsversorgung 33 angeschlossen, deren positive Seite an Erde gelegt ist Die Bezugselektrode 21 ist mittels der Außenleitung 27 mit dem Eingang eines Vorverstärkers 35 verbunden, der die Reihenschaltung eines schnellen Kanals beginnt Der schneUe Kanal weist den Vorverstärker 35, der mit seinem Ausgang an einen schnellen Verstärker 37 angeschlossen ist zu welchem zwei ÄC-Differentiatoren und ein ÄC-Integrator mit identischen Zeitkonstanten gehören. Der Ausgang des Verstärkers 37 ist ein bipolarer Impuls mit einer Crossover-Zeit f,i, wie in F i g. 1 gezeigt Diese Crossover-Zeit wird von einem Crossover-Detektor 39 angezeigt, der einen negativen Impuls an seinem Ausgang bei der Crossover-Zeit t_xl abgibt Dieser Impuls wird in einer Laufzeit-Verzögerungskette 41 um eine Zeit td verzögert Der Ausgang der Laufzeit-Verzögerungskette 41 ist an den Start-Ein gang eines Zeitamplitudenwandlers 43 angeschlossen. Das Bezugssignal leitet den verzögerten Start-Impuls für den Zeitamplitudenwandler 43 ein. Der Stopp-Impuls für den Zeitamplitudenwandler 43 wird über den an die drahtförmige KoUektorelektrode 7 angeschlossenen langsamen Kanal mit dem Vorverstärker 31 erhalten, der mit seinem Ausgang an den Eingang eines Hauptverstärkers 45 angeschlossen ist Der Hauptverstärker 45 enthält zwei in Reihe geschaltete Doppel-ÄC-Differentiatoren, um den Vorverstärker-Ausgangs- impuls in einen bipolaren Impuls mit einer Crossover-Zeit t_x 2, die je nach der Anstiegszeit des Kollektorimpulses variiert, umzuwandeln. Der Ausgang des Hauptverstärkers 45 ist an einen Crossover-Detektor 47 angeschlossen, der einen negativen Ausgangsimpuls bei Ui liefert Dieser Impuls wird an den Stop-Eingang des Zeitamplitudenwandlers 43 angelegt. Der Ausgang des Zeitamplitudenwandlers 43 ist an einen Impulshöhenanalysator 49 angeschlossen, in welchem der Impuls registriert und für die spätere Analyse gespeichert wird.

so Wenn es wünschenswert ist, die Ausgangsgröße des Systems in digitaler Form zu erhalten, kann der Zeitamplitudenwandler 43 und der Impulshöhenanalysator 49 durch einen mit Torimpuls gesteuerten Taktgeber (nicht gezeigt) ersetzt werden. Der mit Torimpuls gesteuerte Taktgeber setzt das lageabhängige Zeitintervall zwischen den verzögerten Start- und Stopp-Impulsen direkt in eine Ziffernadresse für einen Mehrkanalspeicher um. Die Signale sowohl im schnellen als auch im langsamen Kanal sind bipolar und ihre Nulldurchgangspunkte sind bestimmt, um eine genaue Zeit für Start und Stop des Zeitamplitudenwandlers 43 zu geben. Die verberserte Funktionsweise, die sich aus der nachfolgenden Erläuterung der experimentellen Daten ohne weiteres ergibt, wird durch die Sicherstellung eines im hohen Grade lageunabhängigen Bezugszeitsignals erreicht. Die Bezugselektrode 21, die parallel zu der hochohmigen KoUektorelektrode 7 angeordnet ist

liefert einen Impuls während jedes Ionisationsereignisses, welcher aus der Summe von drei Komponenten gesammelter Ladung besteht: (1) einem Teil der Kollektordrahtladung, die durch die Kapazität zwischen der drahtförmigen Kollektorelektrode 7 und der drahtförmigen Bezugselektrode 21 übertragen wird, (2) einer durch Ionen, die sich zu dem Draht der Bezugselektrode 21 hin bewegen, induzierten Ladung, und (3) einer durch Ionen, die sich von dem Draht der Bezugselektrode 21 weg bewegen, induzierten Ladung. Die Anstiegszeit des Ausgangsimpulses der Bezugselektrode 21 ist konstant und ist unabhängig von der Lage des lonisationsereignisses. Auf diese Weise ist, wie man erkennen kann, ein standardisierter Bezugszeitimpuls

Täuciic ί

gegeben, der unabhängig ist von einer möglichen Nicht-Linearität in der Anstiegszeit der Impulse von der Kollektorelektrode 7.

Das System wurde auf räumliche Auflösung und s Linearität unter Verwendung der in der Tabelle aufgeführten Detektoren für verschiedene Partikeloder Strahlungstypen getestet Mehrere Detektoren wurden mit Bezugselektroden konstruiert, um ihre Funktionsweise mit einem anderen Standardtyp eines ίο lageempfindlichen Detektors zu vergleichen. Die mit diesen Detektoren erhaltenen Ergebnisse können anhand der Tabelle verglichen werden, in der die Detektoren 1 und 6 eine Bezugselektrode aufweisen.

Röntgen-Str. Röntgen-Str. Neutronen Neutronen Alpha

Kr-CH₄
152
400
40

8,5

^b)

Kr-CH₄

152

400

40

8,5

^b) BF₃

76
400
8
8,5

BF₃

152 400 8 8,5

^b)

A-CH₄ Durchfluß

25

8,5

Alpha

A-CH₄

Durchfluß

40

400

32

^c)

Strahlungs- oder Partikeltyp
Gas-Füllung
Gas-Druck, cmHg
Ansprech-Länge, mm
Kollektor-Widerstand, kU/mm

Kollektor-Kapazität,
Farad/mm x 10"¹⁵

Detektor-Geometrie
ÄC-Differantiator Zeitkonstanten

Hauptverstärker, usec

Schneller Verstärker, u.sec
Versuchsergebnisse

Lageempfindlichkeit, nsec/mm

Räumliche Auflösung¹), mm

·*) Detektoren 1 bis 5 sind Proportionalzähler und Nr. 6 ein Auslösezähler.

^b) Zylinder.

^c) Parallel-Platten in 40 mm Abstand.

^d) Die Aufnahme-Elektrode wurde im schnellen Verstärker-Kanal verwendet.

^c) In der Mittelpunktslage (die Kollimatordurchmesser waren: 0,1 mm bei der Röntgenstrahlenquelle, 0,3 mm bei der Alpha-Quelle und 1.5 mm bei dem thermischen Neutronenstrahlbündel).

6,4	6,4	!2,8	!2,8	6,4	6,4
^d)	1	2	2	2	^d)
34	18	25	25	18	310
0,5	U5	10,5	6,2	0,66	1,25

Die Proportionalzähler für Röntgenstrahlen- und Neutronen-Nachweis (Nr. 1 —4) wurden aus Beryllium-Zylindern von 500 mm Länge und 15 mm Durchmesser gebaut Zähler Ni.5 wurde aus einem 300 mm langen Zylinder von 19 mm Durchmesser hergestellt Die Kollektorelektroden aller Proportionalzähler (Nr. 1—5) wurden aus im Handel erhältlichen Quarzfäden mit pyrolytischem Kohleüberzug hergestellt Die Kollektorelektroden für die beiden Röntgenstrahlenzähler hatten einen spezifischen Widerstand von 40 kf2/mm und einen Durchmesser von 0,01 mm. Die Kollektorelektroden für die Alpha- und Neutronenzähler (Nr. 3—5) hatten einen spezifischen Widerstand von 8k£2/mm und einen Durchmesser von 0,025 mm. Die Kollektorelektrode des ω Auslösezählers (Nr. 6) wurde durch Aufdampfung einer Kohleschicht auf einen Glasuntergrund hergestellt Der spezifische Flächenwiderstand der Schicht betrug 1,6 ΜΩ, und der Kollektor war 40 mm lang und 4 mm breit Die Bezugselektrode, soweit sie verwendet wurde, war ein Nickeldraht von 0,25 mm Durchmesser, der in 1,5 mm Abstand parallel zur parallelen Kollektorelektrode angebracht war. Das Potential an der Bezugselek trode wurde reguliert, so daß man eine vernachlässigbare Verzerrung des Kollektorfeldes erhielt

Die für die Detektoren Nr. 1 und 2 erhaltenen Ergebnisse sind wegen der Ähnlichkeit der Detektoren ganz leicht zu vergleichen. Wie aus der Tabelle ersichtlich, hatte Detektor Nr. 1 eine Bezugselektrode und wies eine sehr viel höhere Lageempfindlichkeit und eine bedeutend verbesserte räumliche Auflösung auf. Die Linearität der beiden Detektoren wird in F i g. 3 und Fig.4 verglichen, wobei die Überlegenheit von Detektor 1 (bei dem eine Bezugselektrode verwendet wurde) in F i g. 3 deutlich wird. Wie im Diagramm von F i g. 3 gezeigt, ist die Linearität, dargestellt durch Linie 55, die durch die Datenpunkte gezogen ist, die die Lage der Röntgenstrahlenquelle anzeigen (rechte Skala), aufgetragen gegen die Kanalzahl, außerordentlich dicht im Vergleich zu Linie 57 in F i g. 4 bei dem Detektor ohne Bezugselektrode.

Obschon die Erfindung bisher in bezug auf gasgefüllte Zählrohre beschrieben worden ist, ist sie in gleicher Weise auch auf Halbleiter-Detektoren anwendbar. Zum Beispiel wird in F i g. 5 ein lageempfindlicher Oberflä-

chensperrschicht-Halbleiter-Detektor gezeigt, bei welchem eine plattenförmige Bezugselektrode 59 aus nichtrostendem Stahl nahe an der hochohmigen flächenförmigen Kollektorelektrode 61 angebracht ist, um die Linearität und räumliche Auflösung noch weiter zu verbessern. Der Detektorkörper 63 besteht aus einem länglichen Silizium-Block, auf dem die Kollektorelektrode 61 flächenförmig abgelagert ist Die Kollektorelektrode 61 kann entweder eine aufgedampfte Palladiumschicht oder eine Kohleschicht sein, die den für eine genaue Funktionsweise erforderlichen Widerstand aufweist Die plattenförmige Bezugselektrode 59 aus nichtrostendem Stahl ist auf dem Teil des

Detektorkörpers 63, der die Kollektorelektrode 61 umgibt, angebracht. Der Detektor wird mittels einer Gleichspannungs-Vorspannungsquelle 65 vorgespannt, die mit der negativen Seite an Erde und mit der positiven Seite am Detektorkörper 63 mittels eines ohmschen Kontaktes (nicht gezeigt) angeschlossen ist. Die Kollektorelektrode 61 ist an dem einen Ende mittels einer Leitung 67 an einen Abschlußscheinwiderstand Z\, und an dem anderen Ende mittels einer Leitung 69 an

ίο den Vorverstärker 31 angeschlossen. Die Bezugselektrode 59 ist mittels einer Leitung 71 an den Vorverstärker 35 angeschlossen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Meßeinrichtung für den ortsempfindlichen Nachweis von ionisierender Strahlung mit einem strahlungsempfindlichen Detektor mit einer Kollektorelektrode, deren Widerstand pro Längeneinheit ausreicht, um an einem Ausgangsende einen Spannungsimpuls zu erzeugen, dessen Anstiegszeit proportional zu der Entfernung zwischen der Lage des Ionisationsereignisses längs der Kollektorelektrode und dem Ausgangsende derselben ist, mit einer ersten Ausgangsschaltung zur Bestimmung der Anstiegszeit eines dieser Ausgangsschaltung zugeführten Bezugssignals und zur Lieferung eines Ausgangssignals, welches mit seinem Auftreten den Beginn der Messung der Anstiegszeit des Spannungsimpuls^ von der Kollektorelektrode anzeigt, mit einer zweiten Ausgangsschaltung, welche an das Ende der Kollektorelektrode angeschlossen ist und die ortsanhängige Anstiegszeit von der Kollektorelektrode gelieferten Spannungsimpulses bestimmt und ein Ausgangssignal liefert, welches mit seinem Auftreten das Ende der Messung der Anstiegszeit des Spannungsimpulses der Kollektorelektrode anzeigt, und mit einer Einrichtung zur Bestimmung des Zeitunterschiedes zwischen dem Ausgangssignal der ersten Ausgangsschaltung und dem Ausgangssignal der zweiten Ausgangsschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß in unmittelbarer Nähe und parallel zur Kollektorelektrode (7; 61) eine Bezugselektrode (21; 59) mit einer solchen Leitfähigkeit vorgesehen ist, daß sie ein Bezugssignal an die erste Ausgangsschaltung (35, 37, 39, 41) liefert, dessen Anstiegszeit unabhängig von dem Ort des Ionisationsereignisses ist

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, deren Detektor ein mit einem ionisierbaren Gas gefülltes Zählrohr ist, dessen Kollektorelektrode aus einem hochohmigen Draht besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugselektrode (21) aus einem hochleitfähigen Draht besteht, welcher die gleiche Länge hat, wie die Kollektorelektrode (7).

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht der Bezugselektrode (21) aus Nickel besteht

4. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, deren Detektor ein Oberflächensperrschichtdetektor ist, dessen Kollektorelektrode aus einer dünnen hochohmigen Kollektorschicht besteht, welche auf einer Oberfläche des Detektorkörpers aufgebracht ist, und mit einer zwischen den Detektorkörper und Erde geschalteten Vorspannungsquelle, dadurch gekennzeichnet, daß die hochleitfähige Bezugselektrode (59) auf der Oberfläche des Detektorkörpers (63) angebracht ist und die Kollektorelektrode (61) in einem Abstand umgibt und daß die Vorspannungsquelle (65) an die gegenüberliegende Oberfläche des Detektorkörpers (S3) angeschlossen ist.