Monitordetektoren
1. Besondere Merkmale
CXM-Sz20-TK: Dosisleistung von Röntgenstrahlung
CXM-GC01: Dosisleistung von Röntgenstrahlung
CXM-GC03N
CXM-S200: Intensität von Röntgenstrahlung
- modulare Detektionseinheiten für Gamma-, Beta-, und Röntgenstrahlung
- Verstärkerelektronik vollständig im Detektorgehäuse integriert
- Einzeldetektoren und Detektorzeilen
- Linearer Zusammenhang zwischen Dosisleistung und Ausgangsspannung
- Hohe Strahlungsempfindlichkeit und Dynamik
- Hohe Stabilität und Strahlungsresistenz
- Kleine und kompakte Bauform
- Keine Hochspannung erforderlich
- Unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Feldern
- Energiebereich:
- Gamma- und Röntgenstrahlung: 5 keV - 2 MeV
- Betastrahlung: 25 keV - 5 MeV
- Kundenspezifische Modifikationen und spezielle Sensorköpfe
- Optionen für Systemanpassung:
- Empfindlichkeitsanpassung
- spektrale Anpassung der Szintillationskristalle
2. Anwendung
Die Beta-, Gamma- und Röntgenstrahlungsdetektoren der Baureihe CXM (Crystal-X-ray Monitor) bieten vielfältige Applikationsmöglichkeiten im Bereich der Röntgentechnik und des Beta- und Gamma-Strahlungsnachweises.
Anwendungsbeispiele sind die stochastische und kontinuierliche Gamma-Strahlungsüberwachung, direkte und indirekte Dosisleistungsmessungen und Absorptionsmessungen. Mit den verschiedenen Ausführungsvarianten der CXM-Detektoren wird der gesamte Strahlungsbereich von 5 keV bis ca. 2 MeV abgedeckt. Der Aufbau von zeilenförmigen Detektoranordnungen beliebiger Länge ist möglich. Damit können ortsauflösende Messungen in Strahlungsfeldern mit rechnergestützter Signalauswertung, wie z.B. in Bildverarbeitungssystemen, realisiert werden.
Der große Energiebereich der Detektoren ermöglicht überdies die Messung hochenergetischer Gamma- und Röntgenstrahlung, beispielsweise beim Annihilationsprozeß von Positronenstrahlern (PET) in der Nuklearmedizin.
3. Aufbau und Funktion
Der Beta-, Gamma- und Röntgenstrahlungsdetektor CXM besteht aus einer Si-pin-Fotodiode mit oder ohne Szintillationskristall (CsI:Tl, BGD, YLSO, CdWO3) und einem integrierten Vorverstärker. Beides ist in einem eloxierten Al-Gehäuse untergebracht. Optional ist eine Verstärkungseinstellung mittels eines am Gehäuse befindlichen Miniaturschalters erhältlich.
Die Szintillatorkristalllänge kann auf Wunsch für bestimmte Energiebereiche angepaßt werden. Für den gesamten Energiebereich der Beta-Strahlung und der weichen Röntgen- und Gamma-Strahlung von ca. 5 keV <= E <= 30 keV wird aufgrund der geringen Absorptionstiefen die Direktabsorption in der Silizium-Photodiode genutzt. Für eine empfindliche Detektion in diesem Energiebereich wurde ein „low-energy-window“ entwickelt. Aktive Flächen im Bereich 2 - 200 mm2 sind erhältlich. Optional kann der Vorverstärker in seiner Empfindlichkeit und Kennlinie an die konkrete Anwendung angepaßt werden. Der Detektor wird mittels 4-adriger, geschirmter Signalleitung oder Miniatur-Steckverbinder angeschlossen.
4. Beispiele
4.1. CXM-GC01 (CXM-S80)
Für die Dosisleistungsmessung von Röntgenstrahlung.
| Detektorbeschreibung | allgemein | Monitordetektor |
| spezifisch | für niederenergetische Gamma- und Röntgenstrahlung | |
| Stahlungsart | Gamma- und Röntgenstrahlung | |
| Energiebereich | keV | 15...60 |
| Sensor | pin-Photodiode | |
| Sensorgröße | mm² | 80 |
| Strahlenentrittsfenster | Material, Dicke | Alu, 0,3 mm |
| Gehäuse | Typ | 1 |
| Fronteinstrahlung | ||
| Größe | LxBxH [mm³] | 70x18x10 |
| Zusatzblende | nein | |
| Anschluß | 5-adriges Kabel oder Miniaturstecker | |
| Verstärkungseinstellung | nein | |
| typische Anwendung | Dosisleistungsmessung - Röntgenstrahlung |
4.2. CXM-S200
Für die Intensitätsmessung von Röntgenstrahlung.
| Detektorbeschreibung | allgemein | Monitordetektor |
| spezifisch | für niederenergetische Gamma- und Röntgenstrahlung | |
| Stahlungsart | Gamma- und Röntgenstrahlung | |
| Energiebereich | keV | 15..60 |
| Sensor | pin-Photodiode | |
| Sensorgröße | mm² | 200 |
| Strahlenentrittsfenster | Material, Dicke | Ti-Folie, 25µm |
| Gehäuse | Typ | 8 |
| Seiteneinstrahlung | ||
| Größe | LxBxH [mm³] | 90x16x10 |
| Zusatzblende | 40x16x4 | |
| Anschluß | 5-adriges Kabel oder Miniaturstecker | |
| Verstärkungseinstellung | nein | |
| typische Anwendung | Intensitätsmessung, Röntgenstrahlung |
4.3. CXM-S80/ß
Für die Überwachung von Betastrahlungsquellen.
| Detektorbeschreibung | allgemein | Monitordetektor |
| spezifisch | Beta-Detektor | |
| Stahlungsart | Betastrahlung | |
| Energiebereich | keV | 100 ....2500 |
| Sensor | pin-Photodiode | |
| Sensorgröße | mm² | 80 |
| Strahlenentrittsfenster | Material, Dicke | Kapton; 8µm, 0,5µm AL |
| Gehäuse | Typ | 6 |
| Seiteneinstrahlung | ||
| Größe | LxBxH [mm³] | 90x16x10 |
| Zusatzblende | 28x16x3 | |
| Anschluß | 5-adriges Kabel oder Miniaturstecker | |
| Verstärkungseinstellung | nein | |
| typische Anwendung | Überwachung: Beta-Quelle |
4.4. CXM-S80-U
Für die Überwachung von PET-Quellen.
| Detektorbeschreibung | allgemein | Monitordetektor |
| spezifisch | für höherenergetische Gamma-und Röntgenstrahlung | |
| Stahlungsart | Gammastrahlung | |
| Energiebereich | keV | 80 ....1500 |
| Sensor | pin-Photodiode mit Szintillationskristall 10 mm Dicke | |
| Sensorgröße | mm² | 80 |
| Strahlenentrittsfenster | Material, Dicke | Alu, 0,3 mm |
| Gehäuse | Typ | 1a |
| Fronteinstrahlung | ||
| Größe | LxBxH [mm³] | 70x18x10 |
| Zusatzblende | nein | |
| Anschluß | 5-adriges Kabel oder Miniaturstecker | |
| Verstärkungseinstellung | ja | |
| typische Anwendung | Überwachung: PET-Quelle |
5. Technische Daten
| Absorptionseffizienz | abhängig von der Strahlungsenergie und der Kristallspezifikation | |
| Betriebsspannung | Ub = ± 15 V, Ub min = ± 4,5 V, Ub max = ± 18 V | |
| Leistungsaufnahme | P < 20 mW | |
| Max. Ausgangsspannung | Ua max ca. 13 V (RL >= 5 kOhm) | |
| Max. Ausgangsstrom | Ia max = 15 mA | |
| Offsetkompensation | interne Einstellung, Voreinstellung einige mV | |
| Betriebstemperatur | -20 °C ... +45 °C | |
| Belegung des Anschlusskabels | 4-Leiter, geschirmtes Kabel | |
| grün: | Ua | |
| rot: | Ub = + 15 V | |
| blau: | Ub = - 15 V | |
| gelb: | Erdung | |
| Abschirmung: | Gehäuse | |
Hinweis: Bei hoher Empfindlichkeit des Sensors (Transimpedanz 1010 und mehr) und bei Temperaturen größer 35°C kann der Sensor eine Temperaturstabilisierung benötigen!
6. Technische Spezifikationen
6.1. Sensoren ohne Szintillationskristall (CXM-S...)
| Aktive Flächen | rund | 2, 5, 10, 50 mm2 |
| streifen | 20, 40 mm2 | |
| viereckig | 80, 200, 400 mm2 | |
| Gehäuse | Fronteinstrahlung | aktive Flächen: 2, 5, 10, 50, 80 mm2 (Variante 1) 1, 2; 20, 40 mm2 (Variante 4) |
| Seiteneinstrahlung (mit Gehäuseerweiterung) |
aktive Flächen: 50, 80 mm2 (Variante 5) 6; 200 mm2 (Variante 7, 8) | |
| Elektronik | Vorverstärker (standard transimpedance 108)
bis zu 5x1010 für höhere Empfindlichkeiten optional: 3 justierbare Empfindlichkeitsbereiche per miniaturisiertem Schalter |
|
| Anschluß | Kabel | grau, 4-Leiter, geschirmt, Ø = 3,1 mm |
| Kabelauslaß | graue Kabel oder miniaturisierter Stecker | |
6.2. Sensoren mit Szintillationskristall (CXM-Sz...)
| Szintillatorform / -größe | Zylinder | d = 4 ... 9 mm, l = 1 ... 40 mm |
| Würfel | Flächen: 8x10 mm2, 10x20 mm2 Länge: 1 ... 20 mm |
|
| Aktive Flächen | rund | 2, 5, 10, 50 mm2 |
| viereckig | 80, 200 mm2 | |
| Gehäuse | Fronteinstrahlung | aktive Flächen: 2, 5, 10, 50, 80 mm2 (Variante 1, 2, 3) |
| Seiteneinstrahlung (mit Gehäuseerweiterung) |
aktive Flächen: 50, 80, 200 mm2 (Variante 5, 6, 7, 8) |
|
| Elektronik | Vorverstärker (standard transimpedance 108) up to 5x1010 für höhere Empfindlichkeiten optional: 3 justierbare Empfindlichkeitsbereiche per miniaturisiertem Schalter |
|
| Anschluß | Kabel | grau, 4-Leiter, geschirmt, Ø = 3,1 mm |
| Kabelauslaß | graues Kabel oder miniaturisierter Stecker, Kabelverbindung mit Drähten | |
7. Dosisleistungsmessungen
Monitordetektoren der Baureihe CXM zeigen eine streng lineare Abhängigkeit der gemessenen Ausgangsspannung von der detektierten Dosisleistung. Für vier typische Fälle (geringe Strahlungsenergie, kleine Dosis (Abb. 1); geringe Strahlungsenergie, große Dosis (Abb. 2) ; höhere Strahlungsenergie, kleine Dosis (Abb. 3)* ; höhere Strahlungsenergie, große Dosis (Abb. 4)*) sind die Verläufe in den Abbildungen dargestellt. Die lineare Abhängigkeit ist klar verifiziert.
7.1. geringe Strahlungsenergie (8 keV)
Abb. 1
Linearität der Ausgangsspannung
geringe Energie
kleine Dosis
Abb. 2
Linearität der Ausgangsspannung
geringe Energie
größere Dosis
CXM-S80 (aktive Fläche 80mm2 ; kein Szintillationskristall). Bedingungen: Röntgenstrahlenquelle: FF Cu4; Cu-kα mit kβ-Filter (Messungen mit einem intern kalibrierten Dosisleistungsmesser)
7.2. hohe Strahlungsenergie (160 keV)
Abb. 3
Linearität der Ausgangsspannung
hohe Energie
kleine Dosisrate
Abb. 4
Linearität der Ausgangsspannung
hohe Energie
große Dosisrate
CXM-SZ50 ( 50 mm2, mit Szintillationskristall 40 mm). Bedingungen: Röntgenstrahlenquelle – MCD 160 (Fa. rtw); (Messungen mit einem intern kalibrierten Dosisleistungsmesser)
7.3. Linearitätsvergleich CXM-Detektor -- Geiger-Müller (GM) Zähler
Abb. 5
Ausgangsspannung vs. Aktivität
Der extrem hohe Dynamikbereich der CXM-Detektoren von bis zu 105 erweist sich auch beim Linearitätsvergleich mit alternativen Detektionsprinzipien von Vorteil. Besonders bei höheren Aktivitäten bleiben die CXM-Detektoren über einen sehr großen Aktivitätsbereich linear, während Geiger-Müller-Zählrohre bereits in die Sättigung gehen und stark nichtlinear arbeiten. In der Abbildung ist der Vergleich CXM-Detektor-Geiger-Müller-Zählrohr unter identischen Messbedingengungen dargestellt.**
Alle CXM-Sz… und CXD-Sz... – Detektoren sind hervorragend für den Einsatz in PET-Synthesemodulen geeignet.
(Detektor CXM-SZ80, 10 mm CsJ:Tl-Szintillationskristall, 11C-Quelle; EGamma= 511 keV (PET))
* - Messungen an der Röntgenstrahlungsquelle MCD 160; Fa. rtw Dr.Warrikhoff KG, Neuenhagen
** - Messungen am Max-Plack-Institut Köln