NL8006321A - Werkwijze en inrichting voor het detecteren van ioniserende straling. - Google Patents

Description

* ^ .- » NO 29.600

Korte aanduiding: Werkwijze en inrichting voor het detecteren van ioniserende straling.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het detecteren van ioniserende straling onder toepassing van een diamantdetector en inrichting daarvan.

Een dergelijke werkwijze en stralingsgevoelige detector 5 zijn in de praktijk bekend. Hierbij heeft men geprobeerd uit te gaan van zogenaamde teldetectoren van natuurlijke diamant, die men als pulstellers voor het detecteren van ioniserende straling heeft willen toepassen. Deze diamantdetectoren hebben onder meer als belangrijke voordelen, dat zij een kleine 10 afmeting hebben en dat zij voor wat betreft stralingsabsorp-tie als funktie van quantumenergie vrijwel gelijk zijn aan menselijk weefsel.

Tot op heden echter zijn diamanttellers niet in hoeveelheden vervaardigd als gevolg van het feit, dat de selectie 15 van diamanten voor deze teldetectoren een buitengewoon omslachtig proces is. Daarenboven zijn er voor de vervaardiging van goede electrische aansluitcontacten zeer speciale technieken nodig.

De uitvinding beoogt bovengenoemde problemen te onder-20 vangen en een werkwijze aan te geven waarmede op eenvoudige wijze aan de bestaande behoefte van een goede detectie en meting van ioniserende straling wordt voldaan. Dit wordt bij een werkwijze van de in de aanhef genoemde soort volgens de uitvinding aldus bereikt, dat voor het stralingsgevoelige 25 element uit de detector een diamant met lage (2.10-^ at % of minder) stikstofconcentratie en lage (10”^ of minder) dubbel-breking wordt gebruikt, waarin de door de ioniserende straling vrijgemaakte ladingsdragers een levensduur van 10”^s of langer hebben.

30 Gebleken is dat daar de door ioniserende straling vrij gemaakte ladingsdragers worden ingevangen door onzuiverheden in het diamantkristal, alleen de meest zuivere diamanten geschikt zijn om als stralingsdetector te worden gebruikt.

Zuivere diamanten nu kunnen op basis van lage stikstofconcen-35 tratie, dat wil zeggen transparantie in ultraviolet of infrarood licht, van bepaalde golflengte, en geringe spanning in het kristalrooster, dat wil zeggen lage dubbelbreking in ge- 80 06 32 1 -2- •4 9 polariseerd licht, optisch worden voorgeselecteerd. Volgens de uitvinding blijkt nu dat een stikstofconcentratie lager dan 2 . 10" at fó (3,5 . 10 cm" ), een dubbelbreking minder -4 dan 10 , en een levensduur van vrije ladingsdragers van 5 10~^s of langer, noodzakelijke voorwaarden zijn voor een goede stralingsgevoeligheid.

Daar echter niet alle natuurlijke diamanten, die op deze wijze optisch zijn voorgeselecteerd, blijken te voldoen aan de voorwaarde van de genoemde levensduur van vrije ladings-10 dragers, zijn natuurlijke diamanten, die als goed stralingsgevoelige elementen kunnen worden gebruikt, zeldzaam. Daarom wordt volgens de uitvinding met voordeel voor het stralingsgevoelige diamantelement van een synthetische diamant of van een kunstmatig aangegroeide diamantlaag gebruik gemaakt.

15 Synthetische diamantblokjes worden bij zeer hoge temperatuur en druk gemaakt uit koofstof, terwijl op bestaande diamant dunne lagen epitaxiaal kunnen aangroeien door bij hoge temperatuur een koolstofhoudend gas over de diamant te leiden of door middel van koolstofimplantatie en daarop volgende uit-20 gloeibehandeling.

Bij bestraling van een dergelijke detector, waarbij over het diamantkristal een lage electrische spanning wordt aangelegd, bereikt de stroom na enige tijd een constante waarde en verloopt de stroomspanningskarakteristiek lineair. Ook 25 blijkt dat de soortelijke weerstand nagenoeg omgekeerd evenredig is met de dosissnelheid van de bestraling.

In een bij een dergelijke werkwijze toegepaste diamant-detector waarvan het kristal uit genoemde diamant met lage stikstofconcentratie en lage dubbelbreking bestaat, hebben 30 de door de ioniserende straling vrijgemaakte ladingsdragers zoals aangegeven, een lange levensduur van 10 s of meer.

Een dergelijke levensduur is van bijzonder groot belang daar hieruit volgt dat reeds bij lage polarisatiespanning, de vrijgemaakte lading een levensduur groter dan de looptijd 35 tussen de electroden heeft. Hierdoor kan de diamant als een stralingsgevoelige weerstand gebruikt worden, waarin de foto-geleidingsversterkingvan de ionisatiestroom een aanzienlijke waarde kan hebben ondanks het feit, dat een deel van de ladingsdragers in het kristal ingevangen wordt. Deze omstan-40 digheid is verschillend van de in de tot nu beoogde diamant- 80 06 32 1 \ * -3- tellers optredende verschijselen, waarin de levensduur van -8 —9 de vrijgemaakte ladingsdragers kort is, namelijk 10 - 10~ s of korter.

Bij de diamani:detec;tor volgens de uitvinding heeft het 5 synthetische diamantkristal een zodanige lengte van ca. 0,8 mm en een volume van ca. 0,5 mm^dat dit met groot voordeel voor klinische stralingsdoeleinden kan worden toegepast. Een kunstmatig gegroeide diamantlaag is veel dunner en bij gelijk oppervlak is de te meten stroom bij bestraling veel kleiner 10 dan bij een dergelijk blokje. Op de tegenovergestelde contactoppervlakken van het blokje of de laag zijn grafietlagen van ca. 0,01 mm met een weerstand van 5 ohm neergeslagen voor aansluiting van de electroden. Het element wordt bij voorkeur met axiale symmetrie gemonteerd in een sonde, die lichtdicht 15 is omdat de gebruikte diamanten soms ook lichtgevoelig zijn, en die waterdicht is om de detector in een waterfantoom te kunnen gebruiken.

Het is uit het Amerikaanse octrooischrift. 3.665.193 en uit het Russische tijdschrift "Soviet Physics-Semiconductors" 20 4 (1971), biz. 1600 - 1605 bekend om geselecteer<PeaJbuiUa^ als pulsteller te gebruiken. Aangezien de levensduur van vrije — 8 ladingsdragers bij deze beschreven tellers slechts 10” _9 10 s bedraagt, is het vereist om met zeer dunne diamant-plaatjes en/of met hoge spanningen te werken 25 om een volledige ladingsverzameling te verkrijgen. Daarenboven is de werking van deze diamant alleen beschreven als pulsteller met name voor alpha-deeltjes en electronen.

De uitvinding zal nader worden toegelicht met verwijzing naar de tekeningen, waarin de resultaten zijn aangegeven van 30 metingen aan een diamant waarin de levensduur van vrije ladingsdragers 1,3 . 10“5 s bedraagt, en waarin:

Fig. 1 een voorbeeld geeft van een stroom-tijdkarakteristiek van het diamantkristal onder gamma-bestraling;

Fig. 2 een voorbeeld geeft van twee stroom-spanningskarakte-35 ristieken van het kristal onder gamma- en gepulseerde X-bestraling;

Fig. 3 een voorbeeld geeft van een karakteristiek van gelei-dingsvermogen tegen dosissnelheid van het kristal onder gamma- en gepulseerde X-bestraling; 40 Fig. 4 een voorbeeld geeft van een karakteristiek van gevoe- 8006321 -4- ligheid tegen temperatuur van het kristal; en Fig. 5 een voorbeeld geeft van een karakteristiek van gevoeligheid tegen effektieve quantumenergie van het kristal .

5 Voor de toepassing van de werkwijze worden op twee tegen overgestelde oppervlakken van het kristal grafietlagen (dikte ca 0,01 mm) aangebracht voor aansluiting op de electroden; hieraan zijn dunne electrische draden met een kleine druppel zilververf bevestigd. Vervolgens wordt de diamant in een 10 teflon buis gemonteerd welke dan met axiale summterie in de punt van een lange roestvrij stalen naald van 2,0 mm diameter en 0,1 mm wanddikte wordt geplaatst.

Er wordt een spanning V over het diamantkristal aangelegd en vervolgens wordt onder bestraling de stroom I gemeten.

15 Zonder bestraling gedraagt een diamantkristal zich als iso- 12 lator; uit metingen volgt dan dat f0 groter is dan 10 ohm.m.

Wanneer het kristal echter bijvoorbeeld met electronenbun- 60 dels, gamma-stralen uit een Co-bron of andere bronnen, of met gepulseerde X-stralen uit een lineaire versneller wordt 20 bestraald, gaat er een stroom lopen die zich binnen enige tijd stabiliseert. Tot aan een veldsterkte van ongeveer 50 V/mm is deze stroom lineair afhankelijk van de spanning, boven die waarde is de karakteristiek van stroom tegen spanning enigszins concaaf. Uit de gemeten stroom beneden 25 50V/mm wordt de soortelijke weerstand ^ bepaald, die omgekeerd evenredig blijkt te zijn met de dosissnelheid D over een breed gebied. De gevoeligheid hangt slechts in geringe mate af van de temperatuur (namelijk bij kamertemperatuur met -0,5¾ per°C) en is onafhankelijk van de quantum-30 energie, mits de waarde hoger is dan ongeveer 0,3 MeV.

In fig. 1 is de stroomresponsie van een uitvoeringsvoor- beeld van een diamantsonde aangegeven bij een straling van 60 -2 een Co-bron met D = 2,77 . 10 Gy/s. De pijlen bij t^ resp. t geven aan wanneer de stralingsbundel in en uitge-35 schakeld wordt en de pijlen bij de spanningswaarden geven aan wanneer die aangegeven spanning ingesteld wordt. Hieruit blijkt, dat de stroom zich binnen enkele seconden stabiliseert, waarbij in- en uitschakelverschijnselen van de stralingsbundel verwaarloosbaar zijn. Het inschakelverschijnsel 40 dat wat groter blijkt te zijn bij lagere dosissnelheden wordt 8006321 < ^ -5- veroorzaakt door het invangen van ladingsdragers en/of het op gang komen van de fotogeleidingsversterking.

De waarde van de stroom blijft ook bij omkering van de polariteit hetzelfde, waaruit blijkt dat de aansluitcontac-5 ten via de grafietlaag goed en symmetrisch zijn.

Fig. 2 toont een kenmerkend resultaat bij de bestraling van een dergelijk diamantkristal met gamma-straling van een ^Co-bron (kromme a) en ook met een gepulseerde X-bestraling (kromme b) van een 8 MeV-lineaire versneller met een fre- 10 quentie van 400 pulsen/s. Voor de gamma-straling is -2 -2 D = 2,00 . 10 Gy/s en voor de X-straling D = 3,50.10 - Gy/s.

Zulke dosissnelheden worden gebruikt bij radiotherapie-insti-tuten. De stroom-spannings-karakteristiek verloopt tot ongeveer 50 V/mm, binnen een nauwkeurigheid van 5$IS, lineair en 15 verloopt daarna bij hoger ingestelde spanningswaarden enigszins concaaf. Bij deze algemeen te gebruiken spanningen beneden 50 V/mm is derhalve de diamantsonde een stralingsgevoelige weerstand. De soortelijke weerstand ^ daarvan, afgeleid uit stroom-spanningskarakteristieken en uit de diamantvorm, 20 blijkt nagenoeg omgekeerd evenredig met de dosissnelheid te zijn. De bij fig. 2 behorende waarden van de soortelijke -3 -3 weerstand zijn f = 75 . 10 en 36 . 10 ohm.m. resp. voor -2 -2 D = 2,00 . 10 en 3,5 . 10 Gy/s. Bij gebruik voor radiotherapie is de signaal-ruisverhouding derhalve groter dan 25 10 7.

In fig. 3 is het geleidingsvermogen 1/^ uitgezet tegen de dosissnelheid D van een gamma-bestraling ( de Δ-meetpunten) met ^^7Cs naaldbronnen met gamma-quanten van 0.66 MeV, een andere gamma-bestraling ( de β-meetpunten) met een ^Co-50 bron met gammaquanten van 1,25 MeV, en een X-bestraling (de 'o-meetpunten) met een 8 MeV lineaire versneller met een effectieve energie van 2,7 MeV.

Uit deze figuur blijkt dat het geleidingsvermogen nagenoeg lineair afhankelijk is van de dosissnelheid over een 35 gebied groter dan vier decaden. Voor een algemene aanduiding van de kwaliteit van een dergelijke diamantsonde wordt de gevoeligheid van een dergelijke sonde gedefinieerd door n = . D-^·. Uit fig. 3 volgt dat n = 7,8 . lO'^s Gy^^ohm”^”^ . Deze waarde is geldig bij kamertemperatuur en voor gamma-40 en X-stralingsquanten met een effectieve energie in de orde 8006321 -6- van 1 MeV. Met electronenbundels is gevonden dat de gevoeligheid iets lager is, afhankelijk van de gemiddelde energie van de electronen.

In fig. 4 is de gevoeligheid n uitgezet ten opzichte 5 van de temperatuur T van de soncPi^geinma-straling ( de o en *- meetpunten) van een ^Co-bron en onder gepulseerde X- straling (de □-meetpunten) van een 8 MeV lineaire versneller _2 met dosissnelheden van ongeveer 2,0 . 10 Gy/s.

Uit.deze grafiek blijkt, dat de gevoeligheid nabij kamer-10 temperatuur slechts met 0,5 % per °C varieert. Deze variatie is betrekkelijk klein en een correctie kan gemakkelijk aangebracht worden wanneer de sonde bij bekende temperatuur verschillend van 20°C toegepast wordt. Een dergelijke tempera-tuurcorrectie is veel eenvoudiger dan die voor oppervlakte-15 grenslaagdetectoren van silicium of andere halfgeleidermaterialen .

Ook is bij deze proeven gebleken, dat de diamantkris-tallen geen beschadiging door. straling ondervinden in termen van reductie van gevoeligheid. Dit blijkt uit fig. 4 door 20 de o- en «-meetpunten te vergelijken omdat deze respectievelijk bij aanvang en in het laatste stadium van een serie metingen zijn verkregen. Bij deze metingen bedroeg de totale dosis ca 5 kGy.

In fig. 5 is de gevoeligheid n van een dergelijk 25 diamantkristal uitgezet tegen de effectieve quantumenergie E van X-bestralingen en gamma-bestralingen, waarbij de «-meetpunten zijn verkregen bij een in een roestvrij stalen afscherming (wanddikte 0,1 mm) opgenomen kristal. Steeds is bij bestraling van verschillende energieën het signaal evenredig 30 met de dosissnelheid van de bestraling.

In fig. 5 is de energieafhankelijkheid van de sonde aangegeven. Hieruit blijkt dat de gevoeligheid van de sonde enigermate van de energie van bestraling afhankelijk is. Deze wordt echter grotendeels veroorzaakt door de soort van af-35 scherming en slechts in geringe mate door de diamant zelf.

De energieafhankelijkheid van een detector voor medische toepassing wordt bepaald door het verschil van zijn atoom-nummer met de effectieve waarde van het atoomnummer van menselijk weefstel, welke bijvoorbeeld 5,92 voor vet- en 7,42 40 voor spierweefsel bedraagt. Daarom is diamant (atoomnummer 6) 8 0 0 6 3 2 1 v > .

-7- in het bijzonder geschikt voor dosimetrie in de radiotherapie. Fig. 5 geeft aan dat het ontwerp van de als voorbeeld gebruikte sonde nog verbeterd kan worden door voor het huis een materiaal toe te passen dat meer gelijkt op menselijk weefsel. 5 De energieafhankelijkheid echter van de diamantdetector van het hier beschreven voorbeeld is reeds vele malen kleiner dan die van elke andere halfgeleiderstralingsdetector.

De voordelige toepassing van een dergelijk diamantkris-tal met lage stikstofconcentratie, lage dubbelbreking, en 10 lange levendsuur van vrije ladingsdragers als stralingsgevoelige weerstand wordt toegeschreven aan zijn fotogelei-dingsversterking. Volgens een bekend model is de stroom op basis van het mechanisme van fotogeleiding te bepalen uit de vergelijking 15 I = ( θ/u Τ' /L2) . VF, (1) waarin e de electronlading, yU de beweeglijkheid en T"de levensduur van vrije ladingsdragers, V de spanning over de diamant met een electrodenafstand L, en F het aantal per seconde vrijgemaakte electron-gatparen is. Onder de aanname 20 dat noch ^u noch T spanningsafhankelijk zijn, geeft de vergelijking Cl) aan, dat de diamantdetector als stralingsgevoelige weerstand werkt. Hierbij is het mogelijk dat of de vrijgemaakte electronen of de vrijgemaakte gaten op een dominante wijze worden ingevangen door onzuiverheden in het kris-25 tal.

De waarde van T in vergelijking (1) kan uit metingen met de detector bepaald worden. Voor de hier als voorbeeld beschreven diamant met een gewicht van 2,81 mgrarn kan worden aangetoond dat 30 F. i,r<s· io13 D (2>, waarin £, in eV de effectieve energie voorstelt voor het opwekken van electron-gatparen. Door voor €. = 13 eV en voor 3 2 -1 -1 /U = 2 . 10 cm V . s te nemen, kan uit (1) en (2) de -5 grootheid T bepaald worden, welke 1,3 . 10 s blijkt te 35 zijn.

De looptijd van de vrije ladingsdragers wordt gegeven door

T _tL

"/uV (3).

Uit de vergelijkingen (1) en (3) volgt 8006321 -8- 1 = eF -f (4), 7" waarin de factor — gewoonlijk fotogeleidingsversterking wordt genoemd. Voor y^>l geldt het beeld dat veel ladingsdragers van de ene electrode naar de andere lopen gedurende 5 de tijd dat êên electron-gatpaar ongecombineerd blijft. Uit vergelijking (3) volgt dat — = 2,6 . V, waardoor verster-kingsfactoren in de orde van 10-100 voor het besproken dia-mantkristal gelden.

In het algemeen wordt hier gesteld dat een goed stra-10 lingsgevoelige diamant volgens de uitvinding als stralingsgevoelige weerstand werkt met de volgende eigenschappen, dat - de weerstandswaarde aagenoeg omgekeerd evenredig is met de dosissnelheid in een groot gebied; 15 - de signaal-ruisverhouding erg groot is; - directe aflezing tijdens bestraling mogelijk is; en dat - temperatuurcorrectie eenvoudig kan worden uitgevoerd.

Daarom is de diamantdetector geschikt voor veel toepassingen. Hieronder vallen toepassingen bij ruimteonderzoek, in de 20 kernfysica, bij de nucleaire geneeskunde (waar met veel lagere dosissnelheden wordt gewerkt dan in de radiotherapie) en in de röntgendiagnostiek (waar met korte stralingspulsen wordt gewerkt). Bij deze medische toepassingen kan vanwege het inschakeleffeet voorbestraling van de detector nodig * 25 zijn of moeten de afzonderlijke pulsen worden geteld. De diamantdetector kan in de industrie bij het onderzoek van breuken of bij het testen van lasnaden worden toegepast, waarbij gebruik wordt gemaakt van radioactiviteit. De diamantdetector kan ook bij extreme temperaturen functioneren 30 en is bestendig tegen corrosieve omgevingen. Bovendien treedt stralingsschade pas bij een zeer hoge dosis op.

De diamantdetector heeft slechts eenvoudige randapparatuur nodig, zoals een kleine electronische versterker, een mA-meter en een gestabiliseerde voeding of batterij. Der-35 halve kan in verband met de stralingsbeveiliging een stralingsgevoelige weerstand ook worden gebruikt als persoonlijke monitor voor ioniserende straling waartoe een electronisch alarm en/of electronische dosisintegrator ingebouwd kan zijn. Andere eigenschappen van de diamantdetector speciaal 40 met betrekking tot gebruik in radiotherapie-instituten zijn, 8006321 ♦ * -9- dat - het detectorvolume ca. o,5 mm^ is, hetgeen puntmetingen mogelijk maakt; - het detectorelement uit koolstof bestaat en dus bijna 5 equivalent is aan menselijk vet- en spierweefsel; - de detector bij lage spanning werkt; en dat - de detector niet teer is en gesteriliseerd kan worden. Vanwege deze eigenschappen is de diamantdetector zelfs bruikbaar voor metingen in het menselijk lichaam.

8006321

Claims (10)

1. Werkwijze voor het detecteren van ioniserende straling onder toepassing van een diamantdetector, met het kenmerk, dat voor het stralingsgevoelige element uit de de- _3 tector diamant met lage (2.10 at% of minder) stikstofconcen- M lx 5 tratie en lage (10 of minder) dubbelbreking wordt gebruikt, waarin de door de ioniserende straling vrijgemaakte ladingsdragers een levensduur van 10”^ s of langer hebben.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij· over het diamant-kristal een spanning wordt aangelegd, met het ken- 10. e r k , dat bij bestraling de stroomspanningskarakteristiek van het diamantkristal bij lage spanning ..lineair verloopt en dat de dosissnelheid van de bestraling bepaald wordt uit de soortelijke weerstand van het diamantkristal.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het ken- 15. e r k , dat voor het stralingsgevoelige element een synthetische diamant wordt gebruikt.

4. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat voor het stralingsgevoelige element een kunstmatig gegroeide diamantlaag wordt gebruikt.

5. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies voor het detecteren van elektronenbundels, gamma- of X-straling ten ge-bruike bij de dosimetrie in de radiotherapie.

6. Diamantdetector ten gebruike bij de werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, waarbij het diamantkristal aan 25 tegenovergestelde oppervlakken daarvan van kontaktelektroden is voorzien , m e t het kenmerk, dat het stralingsgevoelige element uit de detector uit diamant met lage O / (2.10*" at% of minder) stikstof concentratie en lage (10” of minder) dubbelbreking bestaat, waarin de door de ioniserende 30 straling vrijgemaakte ladingsdragers een levensduur van 10-^ s of langer hebben.

7. Diamantdetector volgens conclusie 6, m e t het kenmerk , dat het stralingsgevoelige element een synthetische diamant is.

8. Diamantdetector volgens conclusie 6, m e t het 8006321 -11- kenmerk , dat het stralingsgevoelige element een kunstmatig gegroeide diamantlaag is.

9. Diamantdetector volgens conclusie 3 en 6 of 7, di e t het kenmerk, dat het diamantkristal een lengte van 3 5 ca 0,8 mm en een volume van ca 0,5 mm heeft, en dat op de tegenovergestelde oppervlakken daarvan ohmse kontakten voor aansluiting van de elektroden zijn aangebracht door middel van neergeslagen grafietlagen van ca 0,01 mm met een weerstand van ca 5 ohm.

10. Diamantdetector volgens conclusie 9> ui e t het kenmerk , dat het diamantkristal bij voorkeur met axiale symmetrie is gemonteerd in elektrisch-isolerend materiaal en vervolgens in de punt van een sonde, die luchtdicht en waterdicht is. 80 06 32 1