DE1945885B2 - Kernstrahlunggsdetektor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kernstrahlungsdetektor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Es gibt bereits seit längerer Zeit Kernstrahlungsdetektoren mit einem Detektorelement aus Germanium oder Silizium einschließlich zweier Kontakte. Derartige Kernstrahlungsdetektoren weisen auch eine Stromquelle sowie einen Verstärker mit nachgeschaltetem Registriergerät auf. Der eine der beiden Kontakte wird normalerweise geerdet, während am gegenüberliegenden, mit der Stromquelle verbundenen Kontakt die im Detektorelement unter der Einwirkung der einfallenden Kernstrahlung entstehenden Signale über einen Trennkondensator dem Verstärker mit nachgeschaltetem Registriergerät zugeführt werden.

Ein Nachteil dieser Kernstrahlungsdetektoren ist, daß wegen hoher Ladungsverluste durch Leckströme Schutzringe eingebaut werden müssen und am Verstärkereingang ein Trennkondensator vorgesehen werden muß, was die Eingangskapazität des Kernstrahlungsdetektors erhöht und damit dessen Eingangssignal schwächt, so daß seine Empfindlichkeit insgesamt beemti ächtigt ist. Hinzu kommt, daß derartige Kernttrahlungsdetektoren bei höheren Temperaturen einen besonders hohen Rauschpegel haben.

Insbesondere ist ein Festkörper-Kernstrahlungsdetektor bekanntgeworden (vgl. GB-PS 10 18 493), der tine Oberflächensperrschicht (surface barrier) oder •inen PN-Übergang an einem Silizium- oder Germani- »m-Plättchen aufweist, das über einen Widerstand von einer Stromquelle vorgespannt ist. Im einzelnen ist die kestrahlte Seite des Halbleiter-Plättchens, die gleichzeitig die Oberflächensperrschicht oder den PN-Übergang trägt, einerseits an einen ersten Eingang eines Verstärkers mit nachgeschaltetem Registriergerät und andererseits über den Widerstand an die Stromquelle angeschlossen, deren anderer Pol mit der unbestrahlten Seite des Halbleiter-Plättchens verbunden ist; ein zweiter Eingang des Verstärkers ist entweder an den einen oder an den anderen Pol der Stromquelle angeschaltet.

Dieser bekannte Kernstrahlungsdetektor, der mit Elektronen-Ionen-Paar-Vervielfachung mittels Lawinen-Durchbruchs arbeitet, zeigt ebenfalls nicht nur einen verhältnismäßig hohen Rauschpegel bei höheren Temperaturen, sondern auch eine verhältnismäßig hohe Eingangskapazität, so daß seine Empfindlichkeit verhältnismäßig niedrig ist

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, einen Festkörper-Kernstrahlungsdetektor zu schaffen, dessen Eingangskapazität verringert und dessen Signal/ Rausch-Verhältnis erhöht ist, so daß seine Empfindlichkeit und Zuverlässigkeit verbessert sind.

Ein Kernstrahlungsdetektor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs ist allerdings bereits Gegenstand eines älteren Vorschlags (DPB 17 64 066).

Der Kernstrahlungsdetektor nach dem älteren Vorschlag setzt Kernstrahlungsdetektoren als bekannt voraus, die aus einem natürlichen Diamantkristall mit verringertem Stickstoffgehalt bestehen, der mit elektrischen Kontakten versehen ist, an die eine Potentialdifferenz angelegt wird, so daß bei Beaufschlagen des Diamantkristalls mit Kernstrahlung in diesem Stromimpulse entstehen, die in einem äußeren Stromkreis Spannungsimpulse hervorrufen, die ihrerseits verstärkt und registriert werden. Demgegenüber will der Kernstrahlungsdetektor nach dem älteren Vorschlag mit dem an ihm angelegten elektrischen Feld ein vollständiges Sammeln der Ladungsträger gewährleisten, eine gute Zählausbeute und ein hohes Energieauflösungsvermögen erreichen und eine elektrische Polarisation verhindern, die sonst mit der Zeit zu einer Verringerung der Impulsamplitude und der Zählausbeute führen würde.

Vom Gegenstand des älteren Vorschlags unterscheidet sich der Gegenstand der vorliegenden Erfindung durch den kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs.

Erst durch den Erfindungsgegenstand wird die oben angeführte Aufgabe gelöst, nicht bereits durch den Gegenstand des älteren Vorschlags.

Das heißt, erst der erfindungsgemäße Kernstrahlungsdetektor zeigt auch gegenüber dem Gegenstand nach dem älteren Vorschlag eine erhöhte Empfindlichkeit und Zuverlässigkeit infolge sehr kleiner Eingangskapazität und damit eines erhöhten Signal/Rausch-Verhältnisses, wie jetzt im einzelnen nachgewiesen werden wird:

Während des Meßvorgangi, ergibt sich nämlich die Signalspannung am Verstärkereingang zu

wobei Q die an den Detektorelementkontakten gesammelte Ladung und Σ Cdie Gesamteingangskapazität gegenüber Erde sind. Die Summe Σ C errechnet man nach der Formel

Σ C — Cbel. + G,treu. + CVersL-Eing.

Die erfindungsgemäße Anschaltung des Kernstrahlungsdetektors ermöglicht es, die Gesamtkapazität Σ C beträchtlich herabzusetzen, da die Kapazität des Diamant-Dttektorelements einen geringen, konstantbleibenden Wert hat und die Stromverluste durch Ableitung im Detektorelement wegen des hohen spezifischen Widerstandes und der großen Breite des verbotenen Energiebandes, wie sie der Diamant besitzt, vernachlässigbar klein sind, was den unmittelbaren Anschluß des Sperrkontaktes des Diamant-Detektorelements am Verstärkereingang zwecks Herabsetzung der Streukapazität C_slreu zuläßt, ohne daß der Rausch-

pegel höher wird. Die Eingangsstufe des Verstärkers kann man weiterhin mit geringer Eingangskapazität CVcrsL-Eing. beispielsweise als Kathodenfolgerschaltung bauen, was ebenfalls zur Herabsetzung der Gesamteingangskapazität beiträgt Ein derartig geschalteter Kernstrahlungsdetektor liefert ein starkes Nutzsignal mit großem Störabstand. Weiterhin steigen die Empfindlichkeit und die Zählausbeute des gesamten Kernstrahiungsdetektors.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kcrnstrahlungsdetektors wird an Hand der aus einer Figur bestehenden Zeichnung näher erläutert in der er schematisch dargestellt ist

Ein Betektorelement 1 ist in einem Metallgehäuse 2 mit einer Fensteröffnung 3 angeordnet Es wird von einer Diamantkristallplatte 4 gebildet die an den gegenüberliegenden Seiten mit Kontakten 5 und 6 versehen ist Die Lage des Detektorelements 1 ist so gewählt daß der Kontakt 5 unmittelbar der Fensteröffnung 3 gegenüberliegt, durch weiche die zu erfassende Strahlung zum Detektorelement 1 gelangt. Der Kontakt 5 ist als Sperrkontakt gegenüber den Ladungsträgern ausgebildet und kann beispielsweise die Form eines Goldfilmes haben. Der Kontakt 6 an der gegenüberliegenden Seite der Diamantkristallplatte 4 besteht aus einem Werkstoff, der in Verbindung mit Diamanten unter der Wirkung des angelegten elektrischen Feldes Ladungsträger injizieren kann. Er kann beispielsweise durch Dotierung der Oberflächenschicht des Diamantkristalls mit Bor gebildet werden. Die Arbeitsbereichsdicke d der Diamantkristallplatte 4 zwischen den Kontakten 5 und 6 ist nicht größer als die Weglänge der Ladungsträger im Diamantkristall unter der Einwirkung des elektrischen Feldes. Sie ergibt sich aus der Beziehung

d < δ = μ τ Ε.

Darin bezeichnen μ die Ladungsträgerbeweglichkeit (der Elektronen oder der Defektelektronen), r die Lebensdauer dieser Ladungsträger, E die Feldstärke und δ den durch die Ladungsträger unter der Feldeinwirkung zurückgelegten Weg.

Das Detektorelement 1 ist auf einer Unterlage 7 aus einem elektrisch leitenden Material beispielsweise mit einer entsprechenden thermisch behandelten Silberpaste befestigt. Die Unterlage 7 befindet sich am injizierenden Kontakt 6. Im Gehäuse 2 befinden sich weiter Isolatoren 8, 9, durch die metallische Anschlußleitungen 10 und 11 geführt sind. Eine weitere metallische Anschlußleitung 12 dient zur Erdung des Gehäuses 2. Der Anschlußdraht 10 ist an der Unterlage 7 angeschweißt und über einen Widerstand 13 mit einer Stromquelle 14 verbunden. Die Anschlußleitung 11 steht in Verbindung mit dem Sperrkontakt 5 und ist an den Eingang des Verstärkers 15 mit nachgeschaltetem Registriergerät 16 angeschlossen.

Der beschriebene Kernstrahlungsdetektor hat folgende Arbeitsweise:

Das Detektorelement 1 steht während der Messung unter der Gleichspannung der Stromquelle 14. Die zu erfassende Kernstrahlung fällt durch die Fensteröffnung 3 im Gehäuse 2 auf das Detektorelement 1 an der Seite des Sperrkontaktes 5 ein und ruft in diesem eine Ionisation aus. Die sich bei dieser Ionisation bildenden Ladungsträger (Elektronen und Defektelektronen) bewegen sich unter der Wirkung des angelegten elektrischen Feldes zu den Kontakten 5 und 6. Dabei fließen die Elektronen zu dem injizierenden Kontakt 6, wenn an diesem ein positive·, Potential angelegt wird, während die Defektelektronen zum Sperrkontakt 5 fließen. Ein kleiner Teil der Elektronen wird auf dem Wege zum Kontakt 6 von Haftstellen, die in einem Diamantkristall immer vorhanden sind, eingefangen. Dadurch wird die Diamantkristallplatte 4 polarisiert Der injizierende Kontakt 6 dient dazu, diese Polarisation zu beseitigen. Da im Diamenten tiefliegende Haftstellen existieren, sind die Injektionsströme vom Kontakt 6 durch die Raumladung, die mit diesen Haftstellen verbunden ist, begrenzt Somit entsteht durch die Injektionsströme keine wesentliche Leitfähigkeit und folglich auch kein Rauschen. Tritt jedoch eine Störung des Feld- und Ladungsgleichgewichtes infolge der durch die einfallende Strahlung hervorgerufenen Polarisation auf, so stellen die vom Kontakt 6 injizierten Ladungsträger (Defektelektronen) den ursprünglichen stationären Zustand des Kristalls wieder her.

Ebenso wie die Elektronen können auch die Defektelektronen auf dem Wege zum Kontakt 5 zum Teil von den Haftstellen eingefangen werden. Diese zurückgehaltenen Defektelektronen befinden sich aber in der Ionisierungszone und können von Ladungsträgern mit entgegengesetztem Vorzeichen, also von Elektronen, neutralisiert werden. Da die elektrische Feldstärke im Bereich des Sperrkontaktes 5 höher ist, verringern sich bei Erfassung von Kernstrahlen mit hoher ionisierender Wirkung die Verluste im Elektronenloch-Plasma.

Das am Sperrkontakt 6 des Detektorelements 1 abgenommene Signal gelangt zum Eingang des Verstärkers 15 und von diesem zum Registriergerät 16, das beispielsweise ein Amplitudenanalysator sein kann. Als Werkstoff für das Gehäuse des Diamantkristall-Detektorelements eignen sich auch Nichtmetalle, beispielsweise Keramikmaterial oder Kunststoffe. Ein keramisches Gehäuse hat den Vorteil der höheren zulässigen Erhitzungstemperatur. Die Herstellung des Detektorelementgehäuses aus einem Kunststoff bzw. einem Metall mit niedriger Ordnungszahl, beispielsweise aus Aluminium, läßt die Empfindlichkeit der Anordnung gegenüber dem Gammastrahlenhintergrund herabsetzen. Eine weitere Möglichkeit ist das Vergießen des Detektorelements mit Epoxydharz, siliziumorganischer oder Kompound(Verbund)masse.

Ist eine größere wirksame Fläche erforderlich, so stellt man mehrere Diamantkristall-Detektorelemente mit Sperr- und injizierendem Kontakt zu einem Mosaikfeld zusammen. Ebenso läßt sich weiter ein Stapel aus aufeinanderliegenden Diamantkristalldetektorelementen für die Spektrometrie von Kernstrahlen mit großer Reichweite zusammenstellen, wobei man die Gesamtdicke des Detektorelementestapels größer wählt als die Reichweite der einfallenden Strahlen.

Der erfindungsgemäße Kernstrahlungsdetektor besitzt eine Reihe von Vorteilen. Er ermöglicht zunächst die Feststellung von Kernstrahlen verschiedener Art und Energie mit hoher Empfindlichkeit und Zuverlässigkeit. Er weist weiterhin eine hohe Zählausbeute und gute spektrometrische Eigenschaften auf und arbeitet mit einem großen Signal/Rausch-Verhältnis sowohl bei Zimmertemperatur als auch bei höheren Temperaturen. Da weiter das Diamantdetektorelement hohen Temperaturen gut standhält, lassen sich die durch Bestrahlung in ihm entstehenden Defekte durch Glühen von Zeit zu Zeit beseitigen und damit seine Strahlenfestigkeit steigern.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Kernstrahlungsdetektor, bestehend aus einer Diamantkristallplatte mit Kontakten an den gegenüberliegenden Seiten, bei der die Arbeitsbereichsdicke zwischen den Kontakten nicht größer ist als die Weglänge der sich unter Einwirkung eines an die Kontakte angelegten elektrischen Feldes bewegenden Ladungsträger im Diamantkristall und bei dem ιυ der Kontakt an der bestrahlten Seite der Diamantkristallplatte als Sperrkontakt bezüglich der Ladungsträger ausgeführt ist, während der gegenüberliegende Kontakt an der unbestrahlten Diamantkristallplattenseite aus einem Werkstoff besteht, der in den Diamantkristall unter der Einwirkung des angelegten elektrischen Feldes Ladungsträger injizieren kann, dadurch gekennzeichnet, daß der als Sperrkontakt ausgeführte Kontakt (5) an den Eingang eines Verstärkers (15) mit nachgeschaltetem Registriergerät (16) und der gegenüberliegende Kontakt (6) über einen Widerstand (13) an eine Stromquelle (14) angeschlossen ist.