DE69001291T2

DE69001291T2 - Geraet zur gammastrahlenfeststellung unter verwendung von versetzungsfreien kristallen.

Info

Publication number: DE69001291T2
Application number: DE9090119924T
Authority: DE
Inventors: David B Chang; Victor Vali
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1989-10-19
Filing date: 1990-10-17
Publication date: 1993-07-22
Anticipated expiration: 2010-10-18
Also published as: EP0427971A3; EP0427971B1; DE69001291D1; NO904506D0; US5012499A; EP0427971A2; JPH0575992B2; CA2027151A1; NO904506L; CA2027151C; JPH03140890A; IL95935A0

Description

Hintergrund

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gammastrahlendetektor.
Die Existenz von astronomischen Objekten im Gammastrahlenbereich ist eine relativ neue Entdeckung in der Geschichte der Wissenschaft. Das liegt vor allem am hohen Absorptionsgrad der Atmosphäre für Gammastrahlen, durch den der Nachweis derartiger, Gammastrahlen emittierender Quellen nur von Höhenobservatorien aus, wie Ballons oder satellitengestützten Teleskopen, durchgeführt werden kann. Gammastrahlenteleskope sind entwickelt worden, um diese Gammastrahlen emittierenden Himmelskörper zu untersuchen. Einer der interessanteren Bereiche im Gammastrahlenspektrum von Himmelskörpern liegt im Bereich von 511 keV. Auf diesem Energieniveau jedoch werden Gammastrahlenteleskope mit streifendem Einfall durch die kurze Wellenlänge der Gammastrahlen unwirksam, da das obere Energieniveau für derartige Instrumente normalerweise in der Größenordnung von 40 keV liegt. Mit Teleskopen mit kodierter Apertur kann der Beobachtungsbereich auf erheblich höhere Energien, d.h. in der Größenordnung von 1000 keV, ausgedehnt werden. Es gibt jedoch keine herkömmlichen hochauflösenden Gammastrahlenteleskope, die sich zur Untersuchung von Gammastrahlen in höherenergetischen Kurzwellenbereichen eignen.
Gammastrahlen sind auch eingesetzt worden, um die innere Struktur oder den Inhalt eines Objektes zu untersuchen. Eine derartige Untersuchung ist im allgemeinen nur dann wirksam, wenn eine erhebliche räumliche Variation in der Dichte des Objekts vorliegt. Diese Einschränkung ist teilweise eine Folge
1. der Fähigkeit von Gammastrahlen, Materialien zu durchdringen und
2. Einschränkungen der Fähigkeit, zwischen vom Ziel emittierten Gammastrahlen und Untergrundstrahlung zu unterscheiden.
Daher besteht in der Technik der Bedarf nach einem Gammastrahlendetektor, der in der Lage ist Hochenergie-Gammastrahlen bis zu 10 - 20 MeV nachzuweisen und aufzulösen. Es besteht darüberhinaus der Bedarf nach einem Gammastrahlenabbildungssystem, das in der Lage ist, die Struktur oder den Inhalt eines Objektes zuverlässig zu untersuchen.
Diese Aufgabe wird durch einen Gammastrahlendetektor mit den Merkmalen nach Anspruch 1 erfüllt. Mit diesen Merkmalen schafft die Erfindung einen Gammastrahlendetektor, der einen versetzungsfreien Kristall umfaßt. Typische, derzeit verfügbare versetzungsfreie Kristalle sind Silizium und Germanium. Ein aktiver Schild, der als Antikoinzidenzzähler dient, umgibt den Kristall. Ein Detektor ist an den Kristall angrenzend angebracht und zählt die Gammastrahlen, die durch den Kristall übertragen werden, und ermöglicht so den Nachweis der durch die entfernte Quelle emittierten Strahlen. Der erfindungsgemäße Gammastrahlendetektor oder Kollimator hat eine Winkelauflösung von wenigstens einer Bogensekunde und kann, je nach Kristallgröße, eine wirksame Öffnung von mehreren Quadratmetern haben.
Die vorliegende Erfindung nutzt den Borrmann-Effekt, der die anomale Übertragung von Gammastrahlen oder Röntgenstrahlen durch einen versetzungsfreien Einkristall betrfft, die im Braggschen Winkel auftreffen. Bei einem Detektor schafft die Verwendung eines Einkristall, der in einem bestimmten Braggschen Winkel in Bezug auf eine entfernte Gammastrahlenquelle ausgerichtet ist, ein Mittel zum Nachweis des Vorhandenseins emittierter Gammastrahlen.
Durch Änderung des relativen Winkels des Detektors wird der Braggsche Winkel in Bezug auf die Quelle verändert und somit ein Mittel zum Nachweis von Gammastrahlen verschiedener Wellenlänge geschaffen, die von der Quelle emittiert werden. Folglich wird durch Überstreichen oder Rotieren des Kristalls in Bezug auf eine ausgedehnte Quelle ein Gammastrahlenspektrum erzeugt. Daher kann der versetzungsfreie Einkristall der vorliegenden Erfindung in einem Gammastrahlen-Spektrographen eingesetzt werden. Bei ausgedehnten Quellen ist Datenverarbeitung vorhanden, um die Richtungs- und die Wellenlängenabhängigkeit der Intensitätsabweichungen zu trennen.
Verringerung der Untergrundstrahlung, die wesentlich durch die Kristalldicke bestimmt wird, kann ziemlich erheblich gestaltet werden, d.h. über 10¹². Daher ermöglicht es der Einsatz der vorliegenden Erfindung, eine schwache Gammastrahlenquelle nachzuweisen, selbst wenn ein starker isotroper Untergrund vorhanden ist.
Bei einer speziellen Ausführung der Erfindung wird der versetzungsfreie Kristall in Verbindung mit einer Gammastrahlenquelle und einer Datenverarbeitungsvorrichtung zur Abbildung von Objekten verwendet. Bei dieser Ausführung wird der versetzungsfreie Kristall als Kollimator verwendet und ist von einem Antikoinzidenzzähler umgeben, und ein Gammastrahlendetektor ist an den Kristall angrenzend angebracht, die übertragenen Gammastrahlen nachzuweisen. Der Gammastrahlendetektor umfaßt einen abbildenden Proportionalzähler.
Die verschiedenen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen besser zu verstehen sein, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Bauelemente bezeichnen und wobei:
Fig. 1 eine Draufsicht eines Gammastrahlendetektors gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 2 eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Gammastrahlendetektors ist, der zur Beobachtung einer entfernten Gammastrahlenquelle eingesetzt wird; und
Fig. 3 eine Abbildung ist, die den Einsatz des erfindungsgemäßen Detektors darstellt, der als Kollimator zur Untersuchung des Inhaltes eines Objektes verwendet wird.
In Fig. 1 ist ein Borrmann-Effekt-Gammastrahlendetektor 10 gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Detektor 10 umfaßt einen versetzungsfreien Einkristall 12, der aus handelsüblichem Material, wie beispielsweise Silizium oder Germanium, besteht. Der Kristall 12 ist ein Kristall, in dem die einzelnen Atome oder Moleküle in einer festen Gitterstruktur angeordnet sind. Ein Ende des Kristalls 12 bildet eine Einfallsoberfläche 14, während das entgegengesetzte Ende des Kristalls 12 eine Transmissionsoberfläche 18 bildet. Der Kristall 12 kann von einem Gammastrahlenschild 24 umgeben sein, der als Antikoinzidenzzähler dient, der aus einem Material wie beispielsweise Natriumiodid, Zäsiumiodid oder Kunststoff besteht. An die Transmissionsoberfläche 18 angrenzend ist ein Gammastrahlendetektor 20 angebracht. Der Detektor 20 umfaßt charakteristischerweise beispielsweise einen Szintillationszähler und kann aus einem mit Lithium dotierten Germaniumdetektor oder ähnlichem bestehen.
Das Funktionsprinzip des erfindungsgemäßen Borrmann-Effekt-Gammastrahlendetektors 10 ist in Fig. 1 dargestellt. Der versetzungfreie Einkristall 12 ist von einem aktiven Schild 24 umgeben. Die Gammastrahlen, die den Kristall 12 im Braggschen Winkel passieren, werden vom Detektor 20 erfaßt. Die Länge des Kristalls 12 wird so gewählt, daß ein vorgegebenes Untergrundverringerungsverhältnis eingehalten wird. So ist beispielsweise bei Strahlen mit 511 keV das Verhältnis von Gammastrahlen, die die Braggsche Bedingung erfüllen, zu den außerhalb des Braggschen Winkels liegenden Einzel-Gammastrahlen bei einem 130 cm langen Kristall 12 10¹². Die Querausdehnung des Kristalls 12 bestimmt die wirksame Fläche des Detektors 10. Gegenwärtig sind versetzungsfreie Einkristalle 12 aus Silizium mit einem Durchmesser von 30 Zentimetern erhältlich.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführung, die dem Nachweis entfernter Quellen dient, erfordert die Intensität der Gammastrahlen den Einsatz eines Detektors 20 mit hoher Detektivität, wie es beispielsweise ein mit flüssigem Stickstoff gekühlter Germaniumdetektor ist. Der mit flüssigem Stickstoff gekühlte Germaniumdetektor enthält charakteristischerweise einen Kühlfinger, der beispielsweise mit einem Stickstoffbad gekoppelt ist. Jedoch können auch je nach Anwendungsgebiet und Intensität der nachzuweisenden Gammastrahlen herkömmliche, ungekühlte Detektoren 20 eingesetzt werden.
Es ist bekannt, daß, wenn ein Gammastrahl in einen versetzungsfreien Einkristall im Braggschen Winkel eintritt, die Gammastrahlabsorption des Kristalls um einen Faktor von 100 - 200 verglichen mit der normalen Gammastrahlabsorption des Materials verringert wird. Diese anomale Transmission der eintreffenden Strahlung ist als Borrmann-Effekt bekannt. Der Borrmann-Effekt beschreibt die Tatsache, daß, wenn eine Gammastrahl in einen versetzungsfreien Einkristall im Braggschen Winkel eintritt, es zu einer außerordentlichen Verringerung des Absorptionskoeffizienten kommt. Der Braggsche Winkel wird durch die Gleichung nλ= 2d sin bestimmt, wobei λ die Wellenlänge des Gammastrahls, d die Gitterkonstante des Kristalls, der Braggsche Winkel und n eine ganze Zahl ist. Die übertragene Strahlung wird in zwei Teile mit gleicher Intensität gespalten, die durch 2 voneinander getrennt sind. Es gibt den normalerweise übertragenen Gammastrahl als dritte Komponente, der jedoch verglichen mit der anomal übertragenen Strahlung gering ist.
Der Borrmann-Effekt läßt sich am besten durch die dynamische Theorie der Gammastrahlenabsorpiton beschreiben. Es läßt sich anhand der Maxwellschen Gleichung zeigen, daß in einem Kristall ein stehendes Wellenmuster entsteht, das stehenden Wellen in einem Wellenleiter ähnelt. Es gibt im Falle der Fortpflanzung von Gammastrahlen in Einkristallen zwei Lösungen, eine, bei der Knotenebenen durch die Gitterstellen verlaufen, und die andere, bei der sich negative Knoten an den Gitterstellen befinden. Im ersten Fall wird die Absorption in beachtlicher Weise verringert, während im zweiten Fall die Absorption verstärkt wird. Der erste Fall beschreibt also den Borrmann-Effekt. Der Absorptionskoeffizient wird im Vergleich zu seinem Wert in Entfernung vom Braggschen Winkel aufgrund unelastischer Wechselwirkung von Gammastrahlen mit Elektronen, die vor allem durch den Photoeffekt bei Gammastrahlen mit einer Energie bis zu einigen hundert keV verursacht wird, um ungefähr zwei Größenordnungen verringert.
In Fig. 2 ist dargestellt, wie der Detektor 10 eingesetzt werden kann, um beispielsweise eine in Entfernung befindliche Gammastrahlenquelle 34 zu untersuchen. Der Detektor 10 ist im Braggschen Winkel für eine bestimmte Wellenlänge, die von Interesse ist, ausgerichtet, und die erfaßten Gammastrahlen werden gezählt. Für Gammastrahlen anderer Wellenlänge wird der Detektor 10 in einen anderen Braggschen Winkel gedreht und die Gammastrahlen werden wieder erfaßt. Eine Datenverarbeitungsanlage 32 ist an den Detektor 20 des Detektors 10 gekoppelt, um die erfaßten Gammastrahlen zu zählen. Verschiedene handelsübliche Datenverarbeitungsanlagen können eingesetzt werden, um die erfaßten Gammastrahlen zu verarbeiten.
Die normale Gammastrahlabsorption im Kristall 12 wird durch die Gleichung I = I e-ux beschrieben, wo I die Intensität der übertragenen Strahlung, I die Intensität der einfallenden Strahlung, der Absorptionskoeffizient bei normaler Transmission und x die Kristalldicke ist. Die Gleichung IB = I e-uBx beschreibt die anomale Transmission, wobei IB und uB die übertragene Intensität und der Absorptionskoeffizient beim Borrmann-Effekt sind. Das Intensitätsverhältnis beträgt daher IB/I = I e-(uB-u)x. Die Kristalldicke x ist gegeben durch x = ln(IB/I) + (1 - uB/u)u; für uB « u, x = (1/u)ln(IB/I).
Dies ist eine einfache Form für x, da die normalen Absorptionkoeffizienten (u) beispielsweise in The American Institute of Physics Handbook, Third Edition 1972 als Funktionen von λ und des Materials in Tabellen erfaßt sind, und die dynamische Theorie das Verhältnis u/uB voraussagt. Normale lineare Absorptionskoeffizienten u bei verschiedenen Energien für ein typisches Siliziumkristall 12 sind:
Im folgenden wird uB u/200 verwendet. Die folgende Tabelle gibt die erforderlichen Kristalldicken bei verschiedenen Verhältnissen IB/I von Borrmann-übertragener Strahlung zu normal übertragener Strahlung für Gammastrahlen mit 511 keV an.
Das Verhältnis IB/I gibt den Anteil Borrmann-übertragener Intensität an der Intensität I der auf den Kristall auftreffenden Strahlung an. Das Untergrundverringerungsverhältnis bestimmt den Grenzwert der schwächsten nachweisbaren Gammastrahlenquellen-Intensität.
Der aktive Schild 24 wird in Antikoinzidenz mit dem Detektor 20 verwendet. Daher wird jeder Gammastrahl oder jedes andere Ereignis, das dem aktiven Schild 24 Energie zuführt, nicht gezählt. Nur die Gammastrahlen, die den Kristall 12 im Braggschen Winkel durchlaufen, sind von Interesse und werden gezählt. Andere Ereignisse tragen nur zum Störuntergrund bei und werden ausgesondert. Die Verwendung eines gekühlten Germaniumkristalls als Detektor 20 verringert den Untergrund weiter, da die Linienbreite 20 - 40 mal schmaler ist als die Szintillationskristall-Linienbreite.
Die Beobachtbarkeitsbedingung für den Gammastrahlendetektor 10 ist die, daß die statistische Schwankung der Untergrundstrahlung geringer ist als die Intensität der Punktquelle. Die Anforderung an die Beobachtbarkeit ist daher (Anzahl der Untergrundzählimpulse)½ ÷ (Anzahl anomal übertragener Gammastrahlen von der Punktquelle) < 1.
Der Untergrund setzt sich charakteristischerweise aus diffusen Quellen, atmosphärischer Kernanregung aufgrund kosmischer Strahlung und Erregung des Instrumentenmaterials durch kosmische Strahlung zusammen. Es wird im folgenden angenommen, daß die Dicke des Kristalls 12 so gewählt wird, daß das Verhältnis von normal zu anomal übertragener Strahlung I/IB ≤ 10&supmin;¹² ist.
In der folgenden Tabelle sind charakteristische Zählzeiten für Silizium-Einkristalle 12 aufgeführt, die im Detektor 10 verwendet werden. Die schwächsten 511 keV-Gammastrahlen-Punktquellen, die nachgewiesen werden können, sind unten für einen 30-Zentimeter-Durchmesser Detektor mit einem Durchmesser von 300 Zentimeter geschätzt, wobei n = 0,003 Zählimpulse/Sekunden Quadratzentimeter und t = n/I²A² ist. Quellenintensität I Photonen/cm² s Erforderliche Zählzeit (s)
In Fig. 3 ist dargestellt, wie der Detektor 10 eingesetzt werden kann, um die Lage, Form und Größe eines Objektes 36 zu untersuchen, das in Materialen, wie beispielsweise in eine Betonwand 38, eingebettet ist. Zu solchen Objekten 36 können beispielsweise Mikrophone oder andere elektronische oder optische Bauelemente gehören. In diesen Fällen ist es erforderlich, die Wand 38 mit einer geeigneten Gammastrahlenquelle 40 zu bestrahlen. Dadurch emittieren die Materialien in der Wand 38 Gammastrahlen mit einer charakteristischen Wellenlänge (Gammastrahlen-Fluoreszenz). Die emittierten Gammastrahlen liegen im Energiebereich von 5 - 10 MeV. Die Gammastrahlen werden in Form von Linienstrahlung emittiert. Die Energieniveaus dieser Linien sind charakteristisch für die strahlenden Kerne. Bei dieser Anwendung erfordert die Auflösung eines Objektes von 0,1 cm bei einer zugelassenen statistischen Schwankung von 10%, charakteristischerweise wenigstens 10&sup6; Gammastrahlen, um ein Bild mit einer Fläche von 10 cm x 10 cm zu erzeugen. Das erfordert eine Gammastrahlenquelle mit einer Intensität von ungefähr 10&sup8; Gammastrahlen pro Quadratzentimeter pro Sekunde. Im Einsatz wird das Instrument im Braggschen Winkel auf die untersuchte Oberfläche gerichtet, und die Oberfläche wird abgetastet, um ein Bild zu erzeugen.
Aus der obenstehenden Beschreibung ist zu ersehen, daß die vorliegende Erfindung einen einzigartigen, hochauflösenden Gammastrahlendetektor schafft, bei dem ein versetzungsfreier Einkristall als Kollimator wirkt, mit dem Gammastrahlen in hochenergetischen Bereichen, charakteristischerweise über 300 keV untersucht, und Objekte bei geringem Dichtekontrast erfaßt werden können. Der Detektor ist in der Lage, ein Objekt mit hohem Genauigkeitsgrad aufzulösen, und kann auf Basis von handelsüblichen Einkristallen mit einer erheblichen Einfallsfläche hergestellt werden, wodurch der Detektor in der Lage ist, mit relativ hoher Geschwindigkeit und Empfindlichkeit zu arbeiten.
Darüber hinaus schafft die vorliegende Erfindung einen Gammastrahlendetektor, der auf dem Borrmann-Effekt beruht, bei dem die anomale Transmission von im Braggschen Winkel auftreffenden Strahlen genutzt wird, um auf einzigartige Weise Gammastrahlen von einer Quelle zu erfassen, während gleichzeitig alle anderen auftreffenden Strahlen außerordentlich gedämpft werden.
Es ist darauf hinzuweisen, daß die oben beschriebenen Ausführungen lediglich veranschaulichend für einige der vielen speziellen Ausführungen stehen, die Anwendungen der Prinzipien der Erfindung darstellen. Es ist ersichtlich, daß der Fachmann ohne weiteres zahlreiche und andere Anordnungen entwickeln kann, ohne den in den beigefügten Ansprüchen definierten Umfang der Erfindung zu verlassen. Bei verschiedenen Anwendungen können die Detektoren beispielsweise Vorrichtungen wie einen Szintillationszähler oder eine ladungsgekoppelte Vorrichtung zum Nachweis von Gammastrahlen enthalten.

Claims

1. Gammastrahlendetektor umfassend:

einen versetzungsfreien Einkristall (12), der eine Einfallsoberfläche (14) und eine Transmissionsoberfläche (18) an gegenüberliegenden Seiten aufweist;

eine aktive Abschirmung (24), die den Kristall (12) umgibt und als Anticoinzidenzzähler funktioniert, und

eine Gammastrahlendetektoreinheit (20), die an die Transmissionsoberfläche (13) des Kristalls angrenzend angeordnet ist, um Gammastrahlen einer vorherbestimmten Wellenlänge zu empfangen und zu detektieren, die auf die Einfallsoberfläche (14) des Kristalls unter einem bestimmten Braggwinkel einfallen und durch den Kristall (12) durchgelassen werden.

2. Gammastrahlendetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gammastrahlendetektoreinheit (20) ein Gammastrahlen detektierendes ladungsgekoppeltes Bauteil (CCD) umfaßt.

3. Gammastrahlendetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gammastrahlendetektoreinheit (20) einen stickstoffgekühlten Lithium dotierten Germaniumdetektor aufweist.

4. Gammastrahlendetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gammastrahlendetektoreinheit (20) einen abbildenden Proportionalzähler umfaßt.

5. Gammastrahlendetektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der versetzungsfreie Einkristall (12) einen Siliziumkristall umfaßt.

6. Gammastrahlendetektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der versetzungsfreie Einkristall (12) einen Germaniumkristall umfaßt.

7. Gammastrahlendetektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Anticoinzidenzzähler (24) einen Natriumiodid-Cesium-Natrium Clorid Kristall umfaßt.

8. Gammastrahlendetektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Anticoinzidenzzähler (24) einen Natirumiodid-Cesium-Natrium Iodid Kristall umfaßt.