AT527875A1 - Partikeldetektor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Partikeldetektor mit zumindest zwei in der Bewegungsrichtung der Partikel hintereinander angeordneten Sensoren (DZ1, DZ2, DZ3, DZ4), bei dem die Dicke der einzelnen Sensoren so bemessen ist, dass für ausgewählte Partikel die Aufteilung der in den Sensoren (DZ1, DZ2, DZ3, DZ4) deponierten Energie im statistischen Mittel annähernd einem vorgegebenen Verhältnis entspricht.

Description

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Bezeichnung der Erfindung/ Titel

Partikeldetektor

Beschreibung / Description

Die Erfindung betrifft einen Partikeldetektor mit zumindest zwei in der Bewegungsrichtung der Partikel hintereinander an-

geordneten Sensoren.

Partikeldetektoren dienen beispielsweise dem Nachweis, der Messung des Flusses und der Spektroskopie von freien Neutronen. Da Neutronen selbst nicht ionisierend wirken, müssen sie über Streuung an Atomkernen oder über Kernreaktionen nachgewiesen werden, bei denen ionisierende Strahlung oder ein Radionuklid entsteht.

Beim Durchtritt durch ein Medium kommt es zu einer Wechselwirkung zwischen den elektrisch neutralen Neutronen mit den Atomkernen des durchquerten Mediums durch elastische Streuung oder

durch inelastische Kernreaktionen.

Die Reaktionswahrscheinlichkeiten sind abhängig von der Energie des einfallenden Neutrons und dem Material des durchquerten Mediums. In der Kernphysik wird als Maß für die Reaktionswahrscheinlichkeit üblicherweise das Konzept des Wirkungsquerschnitts mit der Einheit barn verwendet (1 barn entspricht 1024 cm’), welches auf der Zuordnung einer zur Flugrichtung der einfallenden Partikel senkrechten Fläche mit einer Größe pro-

portional zur Reaktionswahrscheinlichkeit basiert. Die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung mit dem Atomkern

ist proportional zur Aufenthaltsdauer in Kernnähe und somit

umgekehrt proportional zur Geschwindigkeit der Neutronen.

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Für die zeitlich und/oder energiemäßig hochauflösende Spektroskopie schneller Neutronen werden vorzugsweise Halbleiter-

detektoren vorgesehen.

Bei Halbleiterdetektoren werden die spezifischen elektrischen Eigenschaften von Halbleitern ausgenutzt, um ionisierende Strahlung und/oder Partikel nachzuweisen. Strahlung und/oder Partikel erzeugen im Halbleiter freie Ladungsträger (Elektronen oder Löcher), die im elektrischen Feld zu Elektroden aus Metall wandern und dadurch Stromsignale generieren. Diese

Stromsignale werden elektronisch verstärkt und ausgewertet.

Als Halbleiter eignen sich für die Partikeldetektion insbesondere künstlich hergestellte, ein-kristalline Diamanten.

Es ist weiterhin bekannt, für die Identifizierung geladener Partikel und Energiemessungen beispielsweise in der Hochenergiephysik, oder bei Kernphysikexperimenten Teleskopdetektoren zu verwenden. Als Teleskop bezeichnet man ein mehrschichtiges Detektionssystem, das beispielsweise aus zumindest einem ersten Sensor besteht, der eine Dicke kürzer als die Reichweite des zu detektierenden Partikels aufweist, und einem zweiten Sensor hinter dem ersten Sensor mit einer Dicke, die größer

ist als die Restreichweite des Partikels.

Daher passieren die auftreffenden Partikel den ersten Sensor und bleiben im zweiten stecken. Die Aufteilung der in den beiden Sensoren deponierten Energie ist aufgrund der unterschiedlichen Bremskraft jeder Partikelart Je nach Partikeltyp unterschiedlich. Die in beiden Sensoren deponierten Energien werden in zeitlicher und räumlicher Koinzidenz gemessen und normalerweise in einem Streudiagramm dargestellt. Jedes von einem bestimmten Typ von Partikeln erzeugte Ereignis nimmt in diesem Diagramm eine genau definierte Zone ein, die zur Identifizierung des Partikeltyps verwendet wird. Die Dicken der Sensoren werden entsprechend der Eignung zur Detektion geladener Teilchen unterschiedlicher Energie in gemischten Strah-

lungsfeldern gewählt.

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Ein wesentlicher Einsatzbereich von Neutronendetektoren sind Kernfusionsreaktoren, welche vorwiegend auf der Fusion von Deuterium und Tritium und/oder auf der Fusion von Deuterium

und Deuterium beruhen.

Gemäß

?D + ST ‘He (3,5 MeV) +n° (14,1 MeV)

Werden bei der Deuterium - Tritium Reaktion Neutronen mit einer Energie von 14, 1 MeV freigesetzt und bei der

Deuterium - Deuterium Reaktion

2D +2D »°He (0,82 MeV} +n9® {2,45 MeV)

Neutronen mit einer Energie von 2,45 MeV.

Zur Steuerung des Fusionsreaktors ist die Kenntnis der Menge an freigesetzten Neutronen und deren Energie maßgeblich, daher sind zuverlässige und präzise arbeitende Neutronendetektoren

ein wesentliches Element künftiger Kernfusionsreaktoren.

Aus der AT 515501 B1l ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen und zum Unterscheiden von Elementarteilchen in einem Detektor, insbesondere Diamantdetektor bekannt, wobei an den Detektor ein elektrisches Feld angelegt wird und wobei beim Durchtritt eines Teilchens durch den Detektor ein Ladungsimpuls in dem Detektor erzeugt wird und jeder Ladungsim-

puls nachfolgend in ein elektrisches Signal umgewandelt wird.

Dabei ist der Detektor in wenigstens zwei voneinander getrennte Teilbereiche unterteilt, an welche jeweils getrennt ein elektrisches Feld angelegt wird, wobei eine Auslesung jedes Ladungsimpulses über eine zwischen den Teilbereichen liegende

gemeinsame Ausleseelektrode des Detektors durchgeführt wird.

Der Erfindung Liegt die Aufgabe zugrunde, den Stand der Technik

weiterzuentwickeln.

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Erfindungsgemäß geschieht dies mit einem Partikeldetektor der eingangs genannten Art, bei dem die Dicke der einzelnen Sensoren so bemessen ist, dass für ausgewählte Partikel die Aufteilung der in den Sensoren deponierten Energie im statistischen Mittel annähernd einem vorgegebenen Verhältnis ent-

spricht.

Vorteilhaft ist es, wenn die Sensoren als Halbleiterschichten

ausgebildet sind.

Als Halbleiter eignen sich auf Grund ihrer Strahlungshärte besonders Diamanten, vorzugsweise synthetisch hergestellte so-

genannte CVD (Chemical vapor deposition) Diamanten.

Insbesondere für den Einsatz in Kernfusionsreaktoren ist es vorteilhaft, wenn 4 Sensoren vorgesehen sind und wenn die Dicke der Sensoren so bemessen ist, dass ausgewählte erste Partikel ihre Energie annähernd gleichverteilt in den in Bewegungsrichtung ersten beiden Sensoren abgeben und ausgewählte zweite Partikel ihre Energie annähernd gleichverteilt in den in Be-

wegungsrichtung dritten und vierten Sensorzonen abgeben.

Bei der Kernfusion interessieren vorrangig die bei der Deuterium - Tritium Reaktion entstehenden Neutronen mit einer Energie von 14,1 MeV und die bei der Deuterium - Deuterium Reaktion entstehenden Neutronen mit einer Energie von 2,45 MeV. Es ist daher vorteilhaft, wenn der Partikeldetektor für die Erfassung

dieser Neutronen ausgestaltet ist.

Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn eine Konversionsschicht zur Impulsübertragung von Neutronen auf Protonen vorgesehen ist und die Energieabgabe in den Sensoren durch die Protonen erfolgt.

Die Erfindung wird anhand von Figuren näher erläutert. Es

zeigen beispielhaft:

Fig.l schematisch eine bevorzugte Ausführungsform eines er-

findungsgemäßen Partikeldetektors und

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Fig.2 schematisch elektrische Stromsignale der Sensoren.

Der Partikeldetektor gemäß Fig. 1 weist 4 Sensoren DZ1, DZ2, DZ3, DZ4 auf, die aus CVD (Chemical vapor deposition) Diamanten aufgebaut sind, welche sich insbesondere durch ihre

Strahlenhärte auszeichnen.

Der Partikeldetektor ist insbesondere für den Einsatz in Kernfusionsreaktoren ausgelegt, welche auf der Fusion von Deuterium und Tritium und/oder auf der Fusion von Deuterium und Deuterium beruhen. Dazu sollen die bei einer Fusion von Deuterium und Tritium entstehenden Neutronen mit einer Energie von 14, 1 MeV und die bei einer Deuterium - Deuterium Reaktion entstehenden Neutronen mit einer Energie von 2,45 MeV in einem

Partikeldetektor bestimmt werden.

Erfindungsgemäß weist dieser Partikeldetektor neben den 4 Sensoren DZ1l, DZ2, DZ3, DZ4 auch eine Konversionsschicht KS aus z.B. Polyäthylen auf, die in Bewegungsrichtung der Neutronen den Sensoren vorgelagert ist und der Impulsübertragung von Neutronen auf Protonen dient, d.h. aus Neutronen N (2,45 MeV) mit einer Bewegungsenergie von 2,45 MeV werden Protonen P (2,45 MeV) mit einer Bewegungsenergie von 2,45 MeV und aus Neutronen N (14,1 MeV) mit einer Bewegungsenergie von 14,1 MeV werden Protonen P (14,1 MeV) mit einer Bewegungsenergie von 14,1 MeV,

Die Dicke der in Bewegungsrichtung ersten beiden Sensoren DZ1, DZ2 ist so bemessen, dass die Protonen P (2,45 MeV) mit einer Bewegungsenergie von 2,45 MeV ihre Energie annähernd gleichverteilt in diesen Sensoren abgeben, während sie von den Protonen P (14,1 MeV) mit einer Bewegungsenergie von 14,1

MeV ohne wesentlichen Energieverlust durchdrungen werden. Diese geben ihre verbleibende Energie annähernd gleichver-

teilt erst in den in Bewegungsrichtung dritten und vierten Sensoren DZ3, DZ4 ab.

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Die Energieabgabe in den Sensoren kann mit Hilfe der Landau-

verteilung beschrieben werden.

Durch Auswertung der ersten beiden Sensoren DZ1l, DZ2, d.h. der durch die Protonen P (2,45 MeV) bzw. deren Energieabgabe ausgelösten elektrischen Stromsignale kann damit die Anzahl der Protonen und über die Konversionsrate in der Konversionsschicht auch die Zahl der Neutronen N (2,45 MeV) mit einer Bewegungsenergie von 2,45 MeV bestimmt werden. Dabei wird ein entsprechendes Proton bzw. Neutron erkannt, wenn in zeitlicher und energiemäßiger Koinzidenz Stromsignale in beiden Sensoren DZ1l, DZ2 auftreten, d.h. nahezu gleichzeitig und

auch amplitudenmäßig übereinstimmend.

Stromsignale, die diese Koinzidenz nicht aufweisen, deuten hingegen auf parasitäre Effekte hin, welche beispielsweise durch nicht konvertierte Neutronen oder Photonen verursacht

werden können.

Durch Auswertung der dritten und vierten Sensoren DZ3, DZ4 kann die Anzahl der Protonen P (14,1 MeV) mit einer Bewegungsenergie von 14,1 MeV und über die Konversionsrate die Anzahl der Neutronen N (14,1 MeV) mit einer Bewegungsenergie von 14,1 MeV bestimmt und diese Ergebnisse können zur Steue-

rung des Fusionsreaktors herangezogen werden.

Anhand der Figuren 2a, 2b, und 2c wird die Auswertung der Koinzidenz näher erläutert. Ein typisches, elektronisch verstärktes Stromsignal hat annähernd eine Form, wie sie in Fig. 2a dargestellt ist und weist eine bestimmte Amplitude A auf. Als Referenzwert für eine zeitliche Festlegung wird der Zeitpunkt TO ermittelt, bei dem die ansteigende Flanke des Strom-

signales den halben Amplitudenwert A/2 erreicht hat.

Wie in Fig. 2b dargestellt, werden im Rahmen der Überprüfung der zeitlichen Koinzidenz zweier Stromsignale aus aufeinanderfolgenden Sensoren die Zeitpunkte T0,1 T0,2 der Jeweiligen

Referenzwerte miteinander verglichen. Wenn die Zeitpunkte

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innerhalb eines Zeitintervalls AT liegen, liegt zeitliche Koinzidenz vor.

Die Gleichverteilung bezüglich der Energieabgabe wird anhand der Amplituden der Stromsignale überprüft. Wenn die beiden Amplituden Al, A2, wie in Fig. 2c dargestellt innerhalb eines vorgegebenen Signalamplitudenintervalles AH mit einer unteren Schranke Hl und einer oberen Schranke H2 liegen, dann liegt

energiemäßige Koinzidenz vor.

Wenn gemäß den vorgegebenen Bedingungen zeitliche und energiemäßige Koinzidenz gegeben ist, dann wird als Auslöser für das betrachtete Ereignis ein gesuchtes Partikel erkannt und

registriert.

Die annähernde Gleichverteilung der Energieabgabe in den Sensoren DZ1l, DZ2 bzw. DZ3 und DZ4 ist insofern von Bedeutung, als damit auch annähernd gleiche Pegel der Ausgangssignale der Sensoren erreicht werden, die sich in gleicher Weise über den Rauschpegel erheben und dadurch das Signal-Rausch-Verhältnis der Ausgangssignale optimiert und die Auswertesicherheit erhöht wird.

Durch den Einsatz mehrerer Sensoren DZ1l, DZ2, DZ3, DZ4 können auch Herstellungsbeschränkungen dieser Sensoren überwunden und die Realisierbarkeit und die Einsatzmöglichkeiten der De-

tektoren verbessert werden.

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Bezugszeichenliste

N (2,45 MeV)

P (2,45 MeV)

N (14,1 MeV)

P (14,1 MeV)

KS

DZ1, DZ2, DZ3, DZ4 A, Al, A2

AT

TO, TO,1 T0,2

AH

H1, H2

Neutronen mit einer Bewegungsenergie von 2,45 MeV

Protonen mit einer Bewegungsenergie von 2,45 MeV

Neutronen mit einer Bewegungsenergie von 14,1 MeV

Protonen mit einer Bewegungsenergie von 14,1 MeV

Konversionsschicht

Sensoren

Amplitude

Zeitintervall

Zeitpunkte

Signalamplitudenintervall

Schranken des Signalamplitudenintervalls

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Patentansprüche / Patent claims

1. Partikeldetektor mit zumindest zwei in der Bewegungsrichtung der Partikel hintereinander angeordneten Sensoren, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der einzelnen Sensoren (DZ1l, DZ2, DZ3, DZ4) bemessen ist, dass für ausgewählte Partikel die Aufteilung der in den Sensoren deponierten Energie im statistischen Mittel annä-

hernd einem vorgegebenen Verhältnis entspricht.

2. Partikeldetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (DZ1l, DZ2, DZ3, DZ4) als Halb-

leiterschichten ausgebildet sind.

3. Partikeldetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Halbleiter ein synthetisch hergestellter

ein-kristalliner CVD Diamant vorgesehen ist.

4. Partikeldetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass 4 Sensoren (DZ1l, DZ2, DZ3, DZ4) vorgesehen sind und dass die Dicke der Sensoren so bemessen ist, dass ausgewählte erste Partikel ihre Energie annähernd gleichverteilt in den in Bewegungsrichtung ersten beiden Sensoren (DZ1l, DZ2) abgeben und ausgewählte zweite Partikel ihre Energie annähernd gleichverteilt in den in Bewegungsrichtung dritten und

vierten Sensoren (DZ3, DZ4) abgeben.

5. Partikeldetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikeldetektor zur Erfassung von Neutronen ausgestaltet ist und dass in Bewegungsrichtung der Partikel vor den Sensoren (DZ1, DZ2, DZ3, DZ4) eine Konversionsschicht (KS) zur Impuls-

übertragung von Neutronen auf Protonen vorgesehen ist.

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6. Partikeldetektor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikeldetektor zur Erfassung von Neutronen mit einer Bewegungsenergie von annähernd 2,45 MeV und von Neutronen mit einer Bewegungsenergie

von annähernd 14,1 MeV ausgestaltet ist.

7. Partikeldetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung der Anzahl ausgewählter Partikel die in den Sensoren ausgelösten elektrischen Stromsignale ausgewertet werden und ein ausgewähltes Partikel erkannt wird, wenn in zumindest zwei aufeinanderfolgenden Sensoren (DZ1l, DZ2, DZ3, DZ4) in zeitlicher und energiemäßiger Koinzidenz Strom-

signale auftreten.

Claims (6)

Neue Patentansprüche / Patent claims

1. Partikeldetektor mit zumindest zwei in der Bewegungsrichtung der Partikel hintereinander angeordneten Sensoren, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der einzelnen Sensoren (DZ1, DZ2, DZ3, DZ4) so bemessen ist, dass für ausgewählte Partikel die Aufteilung der in den Sensoren deponierten Energie im statistischen Mittel annähernd einem vorgegebenen Verhältnis entspricht, und dass weiterhin bei der Bestimmung der Anzahl ausgewählter Partikel die in den Sensoren ausgelösten elektrischen Stromsignale ausgewertet werden und ein ausgewähltes Partikel erkannt wird, wenn in zumindest zwei aufeinanderfolgenden Sensoren (DZ1l1, DZ2, DZ3, DZ4) in zeitlicher und

energiemäßiger Koinzidenz Stromsignale auftreten.

2. Partikeldetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (DZ1l, DZ2, DZ3, DZ4) als

Halbleiterschichten ausgebildet sind.

3. Partikeldetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Halbleiter ein synthetisch hergestellter ein-

kristalliner CVD Diamant vorgesehen ist.

4. Partikeldetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass 4 Sensoren (DZ1l, DZ2, DZ3, DZ4) vorgesehen sind und dass die Dicke der Sensoren so bemessen ist, dass ausgewählte erste Partikel ihre Energie annähernd gleichverteilt in den in Bewegungsrichtung ersten beiden Sensoren (DZ1l, DZ2)

abgeben und ausgewählte zweite Partikel ihre Energie

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annähernd gleichverteilt in den in Bewegungsrichtung

dritten und vierten Sensoren (DZ3, DZ4) abgeben.

5. Partikeldetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikeldetektor zur Erfassung von Neutronen ausgestaltet ist und dass in Bewegungsrichtung der Partikel vor den Sensoren (DZ1,

DZ2, DZ3, DZ4) eine Konversionsschicht (KS) zur Impulsübertragung von Neutronen auf Protonen vorgesehen

ist.

6. Partikeldetektor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikeldetektor zur Erfassung von Neutronen mit einer Bewegungsenergie von annähernd 2,45 MeV und von Neutronen mit einer Bewegungsenergie von

annähernd 14,1 MeV ausgestaltet ist.

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