PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE10112713A1 02.10.2002
Titel Detektor zur Messung von radioaktiver Strahlung
Anmelder RADOS Technology GmbH, 22761 Hamburg, DE
Erfinder Kölln, Ingo, Dr., 22609 Hamburg, DE;
Krebs, Bodo, Dr., 21258 Heidenau, DE;
Franz, Matthias, 21258 Heidenau, DE
Vertreter Patentanwälte Hauck, Graalfs, Wehnert, Döring, Siemons, 20354 Hamburg
DE-Anmeldedatum 16.03.2001
DE-Aktenzeichen 10112713
Offenlegungstag 02.10.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.10.2002
IPC-Hauptklasse G01T 1/202
IPC-Nebenklasse G02B 6/00   
Zusammenfassung Detektor zur Messung radioaktiver Teilchenstrahlung mit einem dünnen szintillierenden Detektormaterial und einem optoelektrischen Zähler zur Zählung von Lichtblitzen aus dem Detektormaterial, wobei eine Lichtsammeleinrichtung und Reflektoren vorgesehen sind, über die das Detektormaterial mit dem optoelektrischen Zähler optisch leitend verbunden ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Detektor zur Messung von radioaktiver Teilchenstrahlung mit einem szintillierenden Detektormaterial und einem optoelektrischen Zähler zur Zählung von Lichtblitzen aus dem Detektormaterial.

Szintillationszähler zum Einsatz in der Radioaktivitätsmessung sind bekannt. Sie können zur Messung von Alpha (α), Beta (β) und Gammastrahlung (γ) eingesetzt werden. Wenn ein energiereiches Teilchen in ein szintillierendes Detektormaterial eintritt, so wird die kinetische Energie des Teilchens schrittweise fast vollständig auf die Kristallatome des Detektormaterials übertragen. Die Kristallatome strahlen Licht ab, das aus dem Detektormaterial austritt und mit Hilfe von optoelektrischen Zählern, wie beispielsweise einem Photomultiplier verstärkt und gezählt wird. Beim Einsatz solcher Szintillationsdetektoren wird durch die kosmische Strahlung ein Grundrauschen erzeugt, das das Verhältnis von Rausch- zu Nutzsignal verschlechtert.

Es ist bekannt für die Messung von Teilchenstrahlung, z. B. α- oder β-Strahlung zur Verminderung des Detektorgrundrauschens sehr dünnes Szintillationsmaterial zu verwenden. Dadurch wird die Empfindlichkeit für die Gamma-Hintergrundstrahlung aufgrund des geringen Detektorvolumens drastisch vermindert, die Teilchenstrahlung aber trotzdem bei geeigneter Materialdicke (0,05-2 mm) vollständig absorbiert. Die Lichtleitung derart dünne Szintillatoren ist allerdings sehr schlecht, weshalb keine großflächigen Detektoren, z. B. für die Personenmessung realisiert werden können.

Bei herkömmlichen Szintillationsdetektoren wird ein scheibenförmiger Szintillator eingesetzt, der an seiner flächigen Seite mit einem optoelektrischen Zähler versehen ist. Um bei einem solchen Szintillationszähler eine gute Ausbeute zu erreichen, ist der optoelektrische Zähler an der flächigen Seite direkt mit den Szintillator verbunden. Bei der bekannten Anordnung erreicht ein erheblicher Teil des Szintillationslichtes den optoelektrischen Zähler nicht, so daß ein niedriges Nutzsignal vorliegt, das zu einem schlechten Verhältnis von Rausch- zu Nutzsignal führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Detektor bereitzustellen, der ein gutes Verhältnis von Rausch- zu Nutzsignal aufweist und zugleich einen einfachen und kompakten Aufbau bei entsprechend großer Meßfläche besitzt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Detektor mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Detektor ist der optoelektrische Zähler über eine Lichtsammeleinrichtung mit dem optoelektrischen Zähler optisch leitend verbunden. Die Lichtsammeleinrichtung empfängt das in einem Bereich aus dem Detektormaterial austretende Licht und leitet dieses an den optoelektrischen Zähler weiter. Der Vorteil zwischen optoelektrischen Zähler und Detektormaterial eine Lichtsammeleinrichtung zu schalten besteht darin, daß die Lichtsammeleinrichtung aus dem Detektormaterial austretendes Licht besser erfaßt, als der optoelektrische Zähler. Durch das zusätzlich aufgefangene Licht aus dem Detektormaterial wird das Signal- zu Rauschverhältnis für den Detektor verbessert. Um die Verluste von Licht in der Lichtsammeleinrichtung zu vermeiden, ist erfindungsgemäß diese mit mindestens einem Reflektor versehen, der zur Lichtsammeleinrichtung derart angeordnet ist, daß ausgetretenes Licht in die Lichtsammeleinrichtung zurückreflektiert wird. Bevorzugt sind die Reflektoren an den freien Flächen der Lichtsammeleinrichtung, d. h. den Flächen ohne optoelektrischen Zähler und ohne Lichtkopplungseinrichtung bzw. Detektormaterial, angeordnet.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Detektormaterial über eine Lichtkopplungseinrichtung mit der Lichtsammeleinrichtung optisch leitend verbunden. Die Lichtkopplungseinrichtung ist derart, daß Reflexionen des Lichtes zurück in das Detektormaterial bei dem Übergang in die Lichtsammeleinrichtung vermieden werden. Hierzu ist bevorzugt der Berechnungsindex der Lichtkopplungseinrichtung kleiner als der Berechnungsindex der Lichtsammeleinrichtung. Die Lichtkopplungseinrichtung ist so gewählt, daß nach Möglichkeit keine Absorption des aus dem Detektormaterial austretenden Szintillationslichts erfolgt.

In einer Weiterführung des erfindungsgemäßen Detektors ist das Detektormaterial scheibenförmig ausgebildet und entlang einer flächigen Seite über die Lichtkopplungseinrichtung mit dem optoelektrischen Zähler verbunden. Insbesondere bei dieser Ausgestaltung des Detektormaterials kann ein besonders günstiges Signal- zu Rauschverhältnis erzielt werden, da besonders dünne Scheiben aus Detektormaterial eingesetzt werden können.

Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung von scheibenförmigem Detektormaterial und einer Kopplung mit dem optoelektrischen Zähler über die flächige Seite besteht darin, daß der Zähler seitlich neben dem Detektormaterial angeordnet werden kann. Auf diese Weise kann ein besonders flacher und großflächiger Detektor gebaut werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Lichtsammeleinrichtung einen Lichtleiter auf, bevorzugt aus Plexiglas.

In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Detektors besitzt das Detektormaterial eine Dicke von 0,05 mm bis 2 mm, die Lichtkopplung eine Dicke von 0 mm bis 10 mm und der Lichtleiter eine Dicke von 5 mm bis 50 mm.

In einer Ausgestaltung der Lichtsammeleinrichtung enthält die Lichtsammeleinrichtung szintillierendes Material. Das szintillierende Material kann für eine zusätzliche Gammastrahlung benutzt werden.

In einer bevorzugten Weiterführung besitzt der Reflektor eine Oberfläche mit sägezahnförmigen Absätzen, deren Neigung so gewählt ist, daß ein in die Lichtsammeleinrichtung zurückreflektierter Lichtstrahl nicht auf der gegenüberliegenden Seite aus der Lichtsammeleinrichtung austritt. Die Neigung weist zu dem optoelektrischen Zähler. Die Verwendung eines Reflektors mit sägezahnförmigen Absätzen erhöhte die Ausbeute des Szintillationslichtes, da im Ergebnis mehr Szintillationslicht in den optoelektrischen Zähler gelangt.

Zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Detektors werden anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1: einen erfindungsgemäßen Szintillationszähler im Querschnitt,

Fig. 2: den Strahlengang in dem Szintillationszähler aus Fig. 1,

Fig. 3: einen Szintillationszähler mit einem sägezahnförmigen Reflektor und

Fig. 4a) und b): einen Szintillationszähler aus dem Stand der Technik.

Fig. 1 zeigt einen Szintillationszähler 10 mit einem Szintillator 12 als Detektormaterial. Der Szintillator 12 ist als Scheibe ausgebildet. Auf einer flächigen Seite ist der Szintillator 12 über eine Lichtkopplung 14 mit dem Lichtleiter 16 gekoppelt. An der dem Szintillator gegenüberliegenden Seite ist ein Reflektor 18 vorgesehen.

Seitlich von dem Szintillator 12 ist ein Photomultiplier 20 angeordnet, der die Lichtblitze aus dem Lichtleiter 16 verstärkt und zählt. Dem Photomultiplier 20 gegenüberliegend ist ein zweiter Reflektor 22 angeordnet.

Die auf den Szintillator einfallende Strahlung erzeugt Lichtblitze, die über die Lichtkopplung 14 in den Lichtleiter 16 eintreten. In dem Lichtleiter 16 werden diese unter Reflexion an die Reflektoren 18 und 22 weitergeleitet. Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung besitzt den Vorteil, daß der Szintillator dünn ausgebildet werden kann.

Bevorzugt werden bei den Übergängen von Detektormaterial, Lichtkopplung und Lichtleiter, die Berechnungsindizes wie folgt gewählt:



nSzintillatoren < nLichtkopplung < nLichtleiter.

Die Abmessungen des Detektors werden im wesentlichen durch die Dicke des Detektormaterials bestimmt. Die Ausdehnung in der Länge und Breite sind nahezu unbeschränkt, so sind beispielsweise Szintillationsflächen von 1 m × 1 m bei einem guten Signal- zu Rauschenverhältnis möglich. Die Dicke des szintillierenden Detektormaterials 12 reicht von 0,05 mm bis 2 mm. Die Dicke der Lichtkopplung kann von 0 mm bis 10 mm reichen. Die Dicke des Lichtleiters, als aktiver oder inaktiver Lichtleiter, kann 5 mm bis 50 mm betragen. Die Dicke der Reflektoren ist unerheblich, da es lediglich auf die Reflexion an deren Oberfläche ankommt.

Die Reflektoren des Detektors sind aus einem spiegelndem Material wie beispielsweise poliertem Metall, metallisiertem Kunststoff oder anderen Stoffen hergestellt, die einen großen Brechungsindex (n > 3) besitzen. Die Reflektoren der seitlichen Kanten des Detektors, stehen parallel zu den Seitenflächen. Der dem Szintillatormaterial 12 gegenüberliegend angeordnete Reflektor 18 ist parallel zu der Fläche des Lichtleiters angeordnet sein.

Wie in Fig. 2 dargestellt werden Lichtstrahlen, deren Auftreffwinkel α gegenüber dem Einfallslot größer als einem Grenzwinkel αG der beteiligten Materialien sind, in dem Lichtleiter gefangen und tragen somit zum Meßeffekt bei. Dies beruht auf der Totalreflexion innerhalb des Lichtleiters. Ein Lichtstrahl 24, dessen Winkel α bezüglich des Einfallslots kleiner als αG ist, tritt aus dem Lichtleiter 16 aus und wird - unter günstigen Bedingungen - von dem Reflektor zurück in den Lichtleiter reflektiert. Die Verwendung des Reflektors erhöht somit die Ausbeute an Szintillationslicht in dem optoelektrischen Zähler.

Der unterseitige Reflektor 18 kann eine polierte Fläche sein oder in einzelne Untereinheiten beispielsweise pyramiden-, kegel- oder sägezahnförmiger Absätze unterteilt sein. Auch ist es möglich eine völlig unregelmäßige Struktur einzusetzen, in der die Rückstreuung diffus erfolgt.

Der in Fig. 3 dargestellte Reflektor 26 erhöht die Lichtausbeute zusätzlich, indem die Absätze des Reflektors mit einem Winkel β bezüglich der Wand des Lichtleiters angeordnet sind. Hierdurch erfolgt eine Reflexion eines Lichtstrahls 28 zurück in den Lichtleiter 16 unter einem anderen Winkel als dem Austrittswinkel. Der zurückreflektierte Lichtstrahl 26 tritt aus dem Lichtleiter 16 wieder aus. Der Lichtstrahl 26 tritt also auf der Oberseite des Lichtleiters, die nicht mit einem Reflektor versehen werden kann, nicht wieder aus.

Der Winkel des in Fig. 3 dargestellten Reflektors hängt von den Grenzwinkel zwischen Lichtleiter und Luft, sowie dem Grenzwinkel von Lichtleiter und Lichtkopplung und der Dicke des Lichtleiters ab.

Fig. 4a) zeigt einen herkömmlichen Szintillationszähler 30 in der Draufsicht. Der optoelektrische Zähler 32 ist unmittelbar mit dem Szintillator 34 verbunden, wie aus der Seitenansicht in Fig. 4b) hervorgeht. Der so angeordnete optoelektrische Zähler 32 erfaßt nur einen Teil der in dem Szintillator erzeugten Lichtblitze.


Anspruch[de]
  1. 1. Detektor (10) zur Messung radioaktiver Teilchenstrahlung mit einem szintillierenden Detektormaterial (12) und einem optoelektrischen Zähler (20) zur Zählung von Lichtblitzen aus dem Detektormaterial, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichtsammeleinrichtung (16), über die das Detektormaterial mit dem optoelektrischen Zähler optisch leitend verbunden ist, und mindestens ein Reflektor (18, 22) vorgesehen ist, der zu der Lichtsammeleinrichtung angeordnet ist derart, daß aus dieser austretendes Licht in die Lichtsammeleinrichtung zurückgeworfen wird.
  2. 2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektormaterial über eine Lichtkopplungseinrichtung (14) mit der Lichtsammeleinrichtung optisch leitend verbunden ist, wobei bevorzugt der Berechnungsindex der Lichtkopplungseinrichtung kleiner als der Berechnungsindex der Lichtsammeleinrichtung ist.
  3. 3. Detektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Reflektoren (18, 22) parallel zu den freien Flächen der Lichtsammeleinrichtung angeordnet sind.
  4. 4. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektormaterial (12) scheibenförmig ausgebildet und entlang seiner flächigen Seite über die Lichtsammeleinrichtung mit dem optoelektrischen Zähler (4) optisch leitend verbunden ist.
  5. 5. Detektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektormaterial (12) in Bezug auf die Einfallrichtung der Strahlung eine Dicke aufweist derart, daß das Detektormaterial eine geringe Empfindlichkeit für Gammastrahlung, insbesondere für Hintergrundstrahlung aufweist.
  6. 6. Detektor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler (20) seitlich neben dem Detektormaterial (12) angeordnet ist.
  7. 7. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtsammeleinrichtung einen Lichtleiter aufweist, bevorzugt einen Lichtleiter aus Plexiglas.
  8. 8. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektormaterial eine Dicke von 0,05 mm bis 2 mm, die Lichtkopplungseinrichtung eine Dicke von weniger als 10 mm und der Lichtleiter eine Dicke von 5 mm bis 50 mm aufweist.
  9. 9. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtsammeleinrichtung szintillierendes Material aufweist.
  10. 10. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein dem Detektormaterial gegenüberliegender Reflektor eine Oberfläche mit sägezahnförmigen Absätzen aufweist, deren Neigung so gewählt ist, daß die reflektierende Fläche des Absatzes zu dem optoelektrischen Zähler weist.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com