DE3002950C2

DE3002950C2 - Ortsempfindliches Proportional-Zählrohr

Info

Publication number: DE3002950C2
Application number: DE3002950A
Authority: DE
Inventors: Heinz Prof. Dr. 7547 Wildbad Filthuth
Original assignee: Laboratorium Prof Dr Rudolf Berthold GmbH and Co KG
Current assignee: Laboratorium Prof Dr Rudolf Berthold GmbH and Co KG
Priority date: 1980-01-29
Filing date: 1980-01-29
Publication date: 1989-05-18
Also published as: US4431921A; DE3002950A1

Description

Die Erfindung betrifft ein ortsempfindliches Proportional-Zählrohr hoher Auflösung zur Messung der Flächenverteilung ionisierender Strahlung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein derartiges Proportional-Zählrohr ist durch »Nuclear Instruments and Methods«, 152 (1978) 195—197, bekannt. Dort ist dieses Zählrohr zur Erfassung von Röntgenstrahlen ausgelegt.

Um Verluste des Zählgases und seine Vermischung mit Luft zu vermeiden, ist die Zählkammer dicht abgeschlossen. Das Eintrittsfenster für die zu messende Röntgenstrahlung besteht aus einer 0,1 mm (0,0185 g/ cm²)dicken Be-Folie.

Zur Messung sehr energiearmer Strahlung mit hoher

ίο

Ortsauflosung ist dieses Zählrohr nicht geeignet: Zum Beispiel Tritium-jJ-Strahlung kann überhaupt nicht und 14-C-/?-Strahlung fast nicht nachgewiesen werden. Die maximale Reichweite von Triiium-/?-Strahlung beträgt ca. 0,00055 g/cm² und von 14-C-^-Strahlung ca. 0,03 g/ cm².

Ein spezielles Problem bei der Konzipierung von ortsempfindlichen Proportional-Zählrohren ist die Ausgestaltung der Verzögerungsleitung (delay-line). Diese Verzögerungsleitung muß im wesentlichen so ausgestaltet sein, daß sich, vereinfacht ausgedrückt, die Impulsform auf dem Impulsweg vom Ort der Messung bis zu den beiden Enden der Verzögerungsleitung möglichst wenig verändert, da sowohl eine Verschlechterung der Impulsanstiegszeit Tr als auch eine Verringerung der Imnulshöhe zwangsläufig zu einer ungenaueren Laufzeitmessung und damit zu einer schlechteren Ortsauflösung führt

Die allgemeine Problematik und die Theorie derartiger Verzögerungsleitungen sind in »Nuclear Instr. and Meth.« 153 (1978), 543-551 beschrieben.

Die für die genannten Eigenschaften maßgebenden kritirchen Parameter sind TdITr (für die Änderung der Impulsanstiegszeit) und RI2Z (für die Amplituden-Schwächung). Für die dort dargestellten (Seiten 546,547) Konstruktionen von Verzögerungsleitungen sind günstige We-Ie erzielbar, die eine hohe Ortsauflösung ermöglichen. Allerdings ist die Herstellung der dort beschriebenen Verzögerungsleitungen sehr aufwendig. Auf einem Spulenkörper sind mehrere Lagen von sehr feinen nahe beieinanderliegenden Metallstreifen in verschiedenen Richtungen zur Spulenachse angebracht. Diese Sireifen sind zum Teil von der Spule umwickelt, zum Teil befinden sie sich auf der Oberfläche des Spulenkörpers. Mit diesen Konstruktionen wurden Verhältnisse T₀ITr von 20—50 erreicht, bei mehreren 100 ns Verzögerungszeit über 30—50 cm Länge.

Dieser konstruktive Aufbau bringt starke Toleranzen bei der Fertigung mehrerer Verzögerungsleitungen mit sich, so daß jede Verzögerungsleitung individuell an ihrem Verwendungsort, beispielsweise im Zählrohr abgeglichen werden muß, sofern dies bei besonders starken Abweichungen überhaupt noch möglich ist.

Die Verwendung einer anderen flachen Verzögerungsleitung ist aus »Nuclear Instr. + Meth.« 151 (1978) 451, 454 bekannt. Hierbei handelt es sich um die Verwendung einer Verzögerungsleitung zur zweidimensionalen Messung von Ladungsverteilungen, wobei die Verzögerungsleitung orthogonal zu den Anodendrähten angeordnet ist. Die Einkoppelung der Ortsinformation in die Verzögerungsleitung wird durch eine Kathodenebene hindurch bewirkt. Da die dort verwendete Verzögerungsleitung nur 6 cm lang ist, ist die Konzeption der Verzögerungsleitung nicht sehr kritisch.

Aus »Journal of Chromatography« 150 (1978) Seiten 409—418 ist wiederum ein eindimensionales ortsempfindliches Proportionalzählrohr bekannt, bei dem der Zähldraht durch einen Widerstandsdraht gebildet wird, der an den beiden Enden des Zählrohres nieder-impedant abgeschlossen ist. Durch das ionisierende Teilchen entsteht am Zähldraht ein primärer Stromimpuls, der sich entsprechend dem Widerstandsverhältnis des Drahtes vom Einstrahlort zum Zählrohrende aufteilt. Die über strom- oder ladungsempfindliche Vorverstärker an den Drahtenden abgenommenen Impulse sind um so größer, je näher sich der Einstrahlort beim betreffenden Zählrohrende befindet, und zwar proportional (\-x) und x, wobei χ der Einstrahlort ist.

Diese Vorrichtung hat einige Nachteile: Die Zählausbeute ist sehr gering (etwa 0,5%), da zur Erzielung einer vernünftigen Ortsauflösung nur die sehr energiearmen ^-Teilchen zur Messung verwendet werden. Außerdem bewirkt der hohe Widerstand des Zähldrahts ein hohes Eingangsrauschen und somit ein ungunstiges Signal/ Rauschverhältnis. Die Ortsauflösung ist bei dieser Methode Ax/x > 1 °/o, also im speziellen Fall etwa 3 mm für einen typischen j3-Strahler wie 14 C.

In der genannten Druckschrift ist eine weitere Vorrichtung zur Messung von Dünnschichtchromatogrammen angegeben (Seite 411), die von der Firma Numelec entwickelt wurde. Es handelt sich um ein eindimensionales Proportional-Zählrohr, in dem im Zählrohrinnenraum parallel zum Anodendraht ein als Verzögerungsleitung wirkender Draht (Spule) zur Ortsinformation verwendet wird. Der Einstrahlort wird aus der Laufzeitdifferenz der in die Verzögerungsleitung induzierten Signale bestimmt. Hierbei hat der Zählrohrinnenraum eine lichte Höhe über 10 mm, das Eintrittsfenster ist im allgemeinen mit einer mechanischen Kollimator-Vorrichtung abgeschlossen, die aus feinen Lamellen besteht, die senkrecht zum Zähldraht angeordnet sind und das Einlaufen von schräg zum Draht laufenden Strahlen verhindern sollen. Man möchte nur solche Teilchenbahnen messen, die senkrecht zum Zähldraht laufen. Um eine wirksame Kollimation zu erzielen, müssen diese Lamellen eine gewisse Höhe haben, die den Abstand Dünnschichtplatte—Zähldraht vergrößern.

Damit wird jedoch die Empfindlichkeit zur Anordnung herabgesetzt.

Diese Vorrichtung hat im wesentlichen die folgenden Nachteile:

Das Zählrohr kann nicht vollständig offen betrieben werden. Das Eintrittsfenster muß entweder mit einer dünnen Folie abgeschlossen, oder aber mit der zu untersuchenden Oberfläche in direkten Kontakt gebracht werden. Letzteres läßt eine Kontamination durch die zu messenden Strahler nicht vermeiden, ebenfalls besteht die Gefahr einer Beschädigung der zu untersuchenden Oberfläche (Dünnschichtplatte). Außerdem ist es nicht möglich, automatisch die Dünnschichtplatte relativ zum Zählrohr berührungsfrei zu bewegen.

Ferner begrenzt die im allgemeinen verwendete Kollimatorvorrichtumg die Ortsauflösung, reduziert die Ausbeute beträchtlich und verschlechtert durch Streustrahlung das Verhältnis von Signal/Untergrund.

Außerdem ist die Verzögerungsleitung relativ zum Zähldraht nicht optimal angeordnet, da der erfaßte Raumwinkel Zähldraht—Verzögerungsleitung erheblich unter 2 π liegt. Somit ist das Signal-Rauschverhältnis ungünstig, was wiederum die Ortsauflösung begrenzt.

Mit dieser Vorrichtung ist eine Ortsauflösung von etwa 2 mm für C 14-/J-Strahlung erzielbar.

Die einer älteren Anmeldung entsprechende DE-OS 29 31666 zeigt ein Durchfluß-Zählrohr mit einer lnnenraumhöhe unter 10 mm und einem offenen Eintrittsfenster, so daß die zuletzt geschilderten Nachteile hier nicht auftreten; allerdings weist dieses Zählrohr keine Einrichtungen zur ortsempfindlichen Messung auf.

Aus der US-PS 34 66 574 ist schließlich eine Verzögerungsleitung für den Einsatz in Farbfernsehempfängern bekannt, die aus einer flachen Spule aufgebaut ist, deren Windungen einen Kern umschließen, auf dem ein einziger Kupferstreifen parallel zur flachen Seite der Spule angeordnet ist. Diese Lösung mit innen liegendem Metallstreifen hat jedoch unbefriedigende Eigenschaften hinsichtlich der Signalübertragung, insbesondere hinsichtlich der Begrenzung der hohen

·; Frequenzen: Wie aus der Tabelle. Sp. 3 dieser Druckschrift ersichtlich, eignet sich diese Verzögerungsleitung nur bis zu Frequenzen von einigen MHz, wogegen für Anwendung in ortsempflndlichen Zählrohren Frequenzen in der Größenordnung von einigen

ίο hundert MHz ohne Verzerrung übertragen werden müssen.

Aufgabe der Erfindung ist es, das ortsempfindliche Proportional-Zählrohr nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so zu verbessern, daß auch energiearme

ti Strahlung mit hoher Ortsauflösung auf einfache Weise gemessen werden kann.

Diese Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen bewirken in vorteilhafter Weise folgendes:

Überraschenderweise hat sich herausgestellt, daß die sehr einfache Konstruktion der Verzögerungsleitung, die Anordnung eines einzigen Metallstreifens im Abstand von der Breitseite der Spule, durch geeignete

:ϊ Abständsfestlegung eine Optimierung des Verhältnisses Το/Γ« und der Impulshöhen-Abschwächung ermöglicht. Mit dieser Konstruktion einer Verzögerungsleitung wurden folgende Werte erzielt: Verzögerungszeit To = 500 ns über 250 mm Spulenlänge, Anstiegszeitänderung Tr = 25 ns, also T₀ITr = 20 sowie eine Impulshöhenabschwächung unter 10⁰/o. Damit sind aber die Voraussetzungen gegeben, daß die in die Verzögerungsleitung induzierten Impulse nur mit minimaler Verzerrung an den beiden Enden der Verzögerungslei-

j) tung zur Auswertung durch eine Auswerteelektronik zur Verfugung stehen. Wie oben schon erläutert, bedeutet eine möglichst geringe Impulsverzerrung aber eine hohe Ortsauflösung.

Die weitere Maßnahme, die Gesamthöhe des

■"' Zählrohr-Innenraums bis zur Spule sehr gering auszubilden (in der Praxis sind wenige Millimeter realisierbar), bewirkt, daß die Bahnlänge der nachzuweisenden ionisierenden Strahlung im Zählrohr-Innenraum begrenzt und somit dem Idealfall eines unendlich dünnen

⁴> Detektors angenähert wird.

Das offene Eintrittsfenster ermöglicht auch die Messung extrem energiearmer Strahlung mit sehr geringer Reichweite, z. B. Tritium-jS-Strahlung, da vom Anodendraht ein Saugeffekt auf die durch Primärionisa-

'" tion erzeugten Elektronen ausgeht, die sich direkt über der zu messenden Oberfläche befinden, bis zu einem Abstand der Reichweite der Primärstrahlung, ca 0,5 mm für Tritium-/?-Strahlung.

Darüber hinaus können bei offenem Eintrittsfenster

" auch Streueffekte an einer Abdeckfolie nicht mehr auftreten, die außer einer Reduzierung der Empfindlichkeit zu einer Verschlechterung der Ortsauflösung führen.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen ergänzen sich

w also insofern gegenseitig in vorteilhafter Weise, als durch die bauliche Gestaltung des Zählrohres einerseits eine sehr genaue Ortsinformation in die Verzögerungsleitung eingekoppelt wird, und durch die hohe Qualität der Verzögerungsleitung die Genauigkeit dieser Orlsin-

^h'' formation bis zur Abgabe an die nachfolgende elektronische Auswerteschsltung erhalten bleibt.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den Untcransprüchen zu entnehmen.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Proportional-Zählrohres wird anhand von Zeichnungen noch näher erläutert, es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Explosionsdarstellung des Zählrohrs,

F i g. 2 eine Querschnittsdarstellung in der Ebene A-A der Fig. 1.

Die Verzögerungsleitung besteht aus einer flachen Spule 9 mit einem festen Kern aus Isolicrituiterial, das im benutzten Hochfrequenzbereich verlustfrei ist. Eine gleichförmige Kapazitätsverteilung wird erreicht durch Anbringen eines Metallstreifens 10 in geringem Abstand entlang einer der breiten Spulenflächen. Die Enden 11 der Verzögerungsleitung sind mit elektronischen Auswcrtcschaltungcn zur Laufzeitmessung und Gewinnung der Ortsinformation verbunden.

Die vom Isolatorkern, der Spule 9 und dem Metallstreifen 10 gebildete Verzögerungsleitung ist in einen entsprechenden Ausschnitt einer Abdeckplatte 1 eingesetzt, die Anschlußstutzen 4 zur Einspeisung des Zählgases und eine isolierte Durchführung 13 zur Zuführung der Hochspannung zum Zähldraht 7 aufweist. Die Abdeckplatte 1 sitzt auf einem Zählrohrkörper 2 auf, in dessen Zählvoluinen der Zähldraht 7 zwischen zwei Isolatoren 8 gespannt ist. Durch öffnungen 5 gelangt das durch die Anschlußstutzen 4 der Deckplatte 1 einströmende Zählgas in das Zählvolumen. An der Unterseite ist das Zählrohr mit einer Blendenplatte 3 mit Eintrittsfenster abgeschlossen. Im Eintrittsfenster sind mehrere Potentialdrähte 12 gespannt. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel be-

sitzt das Eintrittsfenster eine Länge von 250 mm (entsprechend der Spulenlänge). Der Zählrohrinnenraum ist an jeder Seite mindestens 5 mm breiter als das Eintrittsfenster, außerdem ist der das Eintrittsfenster umgebende Rand der Blendenplatte mindestens 15 mm breit, so daß stabile Zählgas-Verhältnisse geschaffen werden. Zur Messung einer zweidimensionalen Aktivitätsverteilung ist eine (nicht dargestellte) elektronisch gesteuerte mechanische Vorrichtung vorgesehen, die die zu untersuchende Dünnschichtplatte berührungslos relativ zu dem über der Platte befindlichen ortsempfindlichen Zählrohr (senkrecht zu seiner Längsachse) bewegt.

Die Auswertung der von der Verzögerungsleitung einlaufenden Impulse kann in bekannter Weise mittels Diskriminatoren und Koinzidenzstufen erreicht werden, die die Laufzeitmessung der Impulse durchführen, die weitere Datenauswertung erfolgt beispielsweise über einen Zeit-Digital-Konverter oder über einen Zeit-Amplituden-Konverter mit einem herkömmlichen Impulshöhenanalysator. Dort werden die Meßdaten der Aktivitätsverteilung quantitativ abgespeichert, auf einem Bildschirm zum Beispiel kann dann die Aktivitätsverteilung direkt dargestellt und ausgewertet werden.

Mit dem erfindungsgemäßen ortsempfindlichen Proportionalzählrohr können Tritium-/?-Strahlenquellen mit 0,5 mm und 14-C-jS-StrahlenquelIen von 1 mm Abstand einwandfrei aufgelöst werden. Typische Meßzeiten für einige hundert Zerfälle pro Minute (dpm) liegen im Bereich von Minuten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ortsempfindliches Proportionai-Zählrohr hoher Auflösung zur Messung der Flächenverteilung ionisierender Strahlung, mit einem Eintrittsfenster, mindestens einem Zähldraht als Anode, und einer parallel zum Zähldraht liegenden flachen Spule als Kathode, die eine Verzögerungsleitung bildet, dem Eintrittsfenster mit der flachen Seite gegenüberliegt und parallel zu ihrer flachen Seite eine Anordnung von Metallstreifen aufweist, dadurcii gekennzeichnet, daß das Eintrittsfenster offen ist, die Zählrohrwand gegenüber dem Eintrittsfenster ganz oder zum größten Teil von der als Verzögerungsleitung dienenden flachen Spule (9) gebildet wird, die einen Kern aus Isoliermaterhl aufweist, de-en dem Eintrittsfenster gegenüberliegende Unterseite leitend ist oder mit einer leitenden Folie abgeschlossen ist, und auf deren Oberseite ein einziger Metallstreifen 10 in geringem Abstand zur Erzielung einer gleichmäßigen Kapazitätsverteilung angebracht ist, und daß die Gesamthöhe des Zählrohr-Innenraums gemessen vom Eintrittsfenster bis zur flachen Spule (9) weniger als 10 mm beträgt.

2. Proportional-Zählrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es berührungsfrei über der zu messenden Oberfläche angebracht werden kann.

3. Proportional-Zählrohr nach Anspruch!, dadurch gekennzeichnet, daß die das Eintrittsfenster umgebende Blende mindestens 15 mm seitlich über das Eintrittsfenster hinausragt.

4. Proportional-Zählrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Eintrittsfenster mehrere Drähte oder ein weitmaschiges Gitter angebracht sind, die sich auf einem festen elektrischen Potential befinden.

5. Prcportional-Zählrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspeisung des Zählgases an den Stirnseiten des Zählrohres erfolgt.

6. Proportional-Zählrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspeisung des Zählgases an mehreren Punkten an der Seite des Zählrohr-Inneriraumes erfolgt.

7. Proportional-Zählrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Eintrittsfenster mindestens 100 mm lang ist.

8. Proportional-Zählrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Eintrittsfenster mindestens 10 mm breit ist.