Industrielle Kernstrahlungsdetektoren

1. Detektormaterialien

Als Detektormaterialien werden Silizium, (Si, als pin-Fotodioden), CdZnTe (CadmiumZinkTelluride; hoch-Z-Halbleitermaterial, Betrieb bei Raumtemperatur), sowie die Szintillationsmaterialien CsI:Tl, BGO, LYSO:Ce, CdWO₄ und Plastikszintillatoren (meistens für Beta- und Positronendetektion) eingesetzt. In Tabelle 1 wird ein Überblick über die physikalischen Eigenschaften der eingesetzten Halbleiter-Detektormaterialien gegeben.

(1) Eigenschaften von Halbleitermaterialien für den Kernstrahlungsnachweis
			Material
			Germanium	Silizium	Cadmium-ZinkTellurid	Gallium-Arsenid
			Ge	SI	Cd1-xZnxTe x ˜ 0,1	GaAs
Eigenschaft		Einheit
Dichte		g/cm³	5,3	2,33	5,78	5,31
Kristallstruktur			kubisch	kubisch	kubisch	kubisch
Schmelzpunkt		°C	937	1414	1046	1238
thermischer Ausdehnungskoeffizient		ppm	5,5	3,9	5,9
Effektive Kernladungszahl		Zeff	32	14	49,1	32
Bandlücke		eV	0,67	1,12	1,572	1,43
Energie /e-h-Paar		eV	2,95	3,62	4,43	4,26
Mobilität	Elektronen	cm²/Vs	3900	1500	1000	8000
	Löcher		1900	450	100	400
spez. Widerstand		Ohm.cm	50	> 104	3x1010	1x1010

Silizium (in Form von pin-Fotodioden) wird auf zwei unterschiedlich Weisen verwandt:
Zur direkten Detektion niederenergetischer Gamma- und Röntgenstrahlung im Energiebereich 2 keV < E_Gamma < 60 keV. Die Detektionseffizienz ist eine Funktion der Dicke des Siliziums und der Strahlungsenergie. Für üblicherweise eingesetzte Wafer der Dicke 300 µm ist die Detektionseffizienz bei 10 keV nahezu 100% und sinkt auf etwa 1% bei 150 KeV(3).

• 1. Bereits oberhalb 30 keV nimmt die Absorption im Siliziums stark ab, so dass die Detektion von Gammaquanten höherer Energie nicht sinnvoll ist. Beta-Strahlung kann im gesamten Energiebereich 100 keV < E_Beta < 5 MeV effizient nachgewiesen werden.
• 2. Als "Licht"-Photonenempfänger beim Auslesen von Szintillationskristallen mit hoher Lichtausbeute (für höherenergetische Gamma- und Röntgenstrahlung) bzw. Plastikszintillatoren (für Beta-Strahlung). Auch hier lassen sich mit kleinen Detektorvolumina ausreichende Absorptionseffizienzen erzielen.
• 3. Beim Einsatz als elektronisches Festkörperdosimeter wird die Abnahme der Absorptionseffizienz bei höheren Gamma-Energien genutzt. Oberhalb 100 keV bleibt die Detektionsrate nahezu konstant und es ergibt sich über einen weiten Energiebereich ein lineares Dosisleistungsverhalten.

CdTe (oder CdZnTe) – ist ein Halbleitermaterial mit hohem Z und großem elektronischen Bandabstand. Es besitzt hervorragende Absorptionseigenschaften im Gamma-Energiebereich von 5.... 200 keV. Es ist Silizium bezüglich der Absorptionseffizienz bei 100 keV um den Faktor 100 überlegen. Es ist allerdings schwierig, große homogene Kristalle aus CdTe herzustellen, so dass die maximal verfügbaren Detektor-"Dicken" auf 10 mm begrenzt sind. Als ungekühlter Detektor besitzt es ähnlich gute Spektroskopische Eigenschaften wie Silizium.

Um auch bei höheren Quantenergien eine vertretbare Nachweiseffizient bei kleinen Detektoreinheiten zu erreichen, werden bei Energien oberhalb 100 keV Szintillationskristalle mit hoher Lichtausbeute eingesetzt. Am häufigsten arbeiten wir mit CsJ:Tl, dass die höchste Lichtausbeute besitzt und einen unteren detektierbaren Energiebereich von ca. 40 keV zulässt. Weitere eingesetzte Szintillationsmaterialien sind YLSO, BGO und CdWO₄, die zwar alle eine höhere Absorption für große Gamma-Energien haben, aber auch eine geringere Lichtausbeute als CsJ:Tl. Daher werden diese Szintillationsmaterialien meistens für größere Strahlungsenergien eingesetzt. In Tabelle 2 sind die Eigenschaften der von uns eingesetzten Szintillationsmaterialien dargestellt.

(2) Szintillationskristalle
			Material
			CsI:Tl	BGO	CDW	YLSO
				Bi4Ge3O12	CdWO4	Lu2(!-x)Y2xSiO5:Ce x= 0,05...0,1
Eigenschaft	Wert	Einheit
Dichte		g/cm³	4,51	7,13	7,9	7,2
Hygroskopisch			gering	nein	nein	nein
Härte		Mohs	2	5	4,5	6
Kristallstruktur			kubisch	kubisch	tetragonal	monoclin
Schmelzpunkt		°C	621	1050	1325	2100
th. Ausdehnungskoeffizient		ppm	54	7	10,2
Absorption / cm bei	50 keV	%	100	100	100	100
	140 keV		95	100	100	100
	511 keV		37	70	64	63
	1 MeV		28	42	40	38
Lichtausbeute	10³ Photonen/MeV		52 - 56	8	12 - 15	32
Emissionswellenlänge		nm	540	480	475	430
Brechungsindex			1,79	2,15	2,3	1,82
Abklingzeit		ns	1000	300	5000	42
Nachleuchten	nach 3 ms (in %)		< 5	<,005	< 0,1	< 0,1

2. Detektorköpfe

In Tabelle 3 wird ein Überblick zu den standardmäßig verfügbaren Detektorköpfen gegeben. Die Tabelle erhebt aber keinen Anspruch auf Vollständigkeit, da ständig neue Versionen kundenspezifisch entwickelt werden.

(3) Detectorköpfe CXD
#	Name	sensitive Fläche		Detektor­material	Energiebereich		Kristall	Betriebsmodus		Bemerkungen	Gehäuse	Strahlungs­eintritts­fenster
		mm²	Form	Detektions- element	Gamma & Röntgen keV	Beta keV		Moni­toring	Spektro­skopie
1	-S5	5	rund	Si-pin	2...50	50....3000	ohne	ja	ja		TO5	low-energy
2	-S10	10	rund	Si-pin	5...50	100...3000	ohne	ja	ja		TO5	low-energy
3	-S20	20	rund	Si-pin	5...50	100...3000	ohne	ja	ja		D10x8	low-energy
4	-S40A	40x0,2	rechteckig	Si-pin	5...50	100...3000	ohne	ja	nein	Absorptions­tiefe > 1mm in Si, da Einstrahlung von der Seite	Variante 1	low-energy
5	-S50	50	rund	Si-pin	8...50	140...3000	ohne	ja	ja		Variante 2	low-energy
6	-S80	80	rechteckig	Si-pin	8...50	140...3000	ohne	ja	ja		Variante 3	low-energy
7	-S200	200	rechteckig	Si-pin	10...50	140...3000	ohne	ja	nein		Variante 4	low-energy
8	-CT16	16	quadratisch	CdZnTe	6....200	(50....3000)	4x4x4 mm³	nein	ja		TO5	low-energy
9	-SZ2B	2	rund	Si-pin; CsI	50...511	-	D2x3mm³	ja	nein	PET-Monitoring	TO18	0,2 mm Ni
10	-SZ10B	10	rund	Si-pin; CsI	50...511	-	D3x3,5mm³	ja	nein	PET-Monitoring	TO5	0,25 mm Ni
11	-SZ20A	20	rund	Si-pin; CsI	50...511	-	D5x8	ja	ja		D10x12	Al-,0,4 mm
12	-SZ50	50	rund	Si-pin; CsI	55...1500	-	D8x10	ja	ja		Variante 5	Al-,0,4 mm
13	-SZ80	80	rechteckig	Si-pin; CsI	60...2000	-	8x10x10mm³	ja	ja		Variante 6	Al-,0,4 mm
14	-SZ80R	80	rechteckig	Si-pin; CsI	40...2000	140...3000	8x10x10mm³	ja	ja	Rückseiten­einstrahlung; Beta/Gamma-Detektor	Variante 7	low-energy
15	-SZ200	200	rechteckig	Si-pin; CsI	100...2000	-	20x10x10mm³	ja	ja		Variante 8	Al-,0,4 mm
16	-SZ400	400	rechteckig	Si-pin; CsI	120...2000	-	20x20x10mm³	ja	ja		Variante 9	Al-,0,5 mm
17	-SZ400R	400	rechteckig	Si-pin; CsI	40...2000	150...3000	20x20x10mm³	ja	ja	Rückseiten­einstrahlung; Beta/Gamma-Detektor	Variante 10	low-energy

3. Verstärkerelektronik

Entsprechend den beiden Hauptmodi des Strahlungsnachweises mit Festkörperdetektoren stehen zwei Basisvarianten an Verstärkerelektronik zur Verfügung.

Für den Strommode (für hohe Aktivitäten, Dosisleistungsmessung, keine Energieauflösung) setzen wir ein- und zweistufige Transimpedanzverstärker mit einer Gesamtverstärkung von bis zu 5x10¹⁰ ein. Die Wahl der Verstärkerversion hängt vom Einsatzfall (konstante oder sich zeitlich verändernde Strahlungsquelle (Pulsquelle)) und der zu detektierenden Dosisleistung ab.

Für den Zählmode (Spektroskopiesignal mit einstellbarer Energieschwelle oder Fensterdiskriminator) steht eine miniaturisierte, spektroskopiefähige Verstärkereinheit aus Ladungsempfindlichen Vorverstärker (LEV), Hauptverstärker, Schwellwertdiskriminator oder Fensterdiskriminator zur Verfügung. Die Energieschwelle kann einfach durch eine äußere Spannung eingestellt werden. Die Verstärkereinheiten sind äußerst klein und kompakt, so dass auch kleine Gehäuseformen realisiert werden können.

Blockschaltbild Spektroskopieverstärker

KF/Si	= 44 mV/MeV
KF/CdTe	= 36 mV/MeV
ts	= 1.0 µs
Vg	= 400/var/

In Tabelle 4 sind die verschiedenen Verstärkermodule dargestellt.

(4) Elektronikmodule für Kernstrahlungsdetektoren
#		Bezeichnung	Charakterisierung	Dimensionen:
1	a	Ladungsempfindlicher Vorverstärker	44 mV/ MeV (Si)	L= 25 mm; B= 7,5 mm; H= 5 mm
	b		36 mV/ MeV (CdZnTe)	L= 52 mm; B= 7 mm; H= 5 mm
	c		4,8 mV/ MeV (CsI:Tl+pin PD)	D= 10 mm; H= 7 mm
2		Spektroskopieverstärker mit Integraldiskriminator (Schwellwertdiskriminator)	Verstärkung ca. 1000, Verstärkungsregelung	L= 64 mm; B= 12 mm; H= 7mm
			Shapingszeit 0,5...5 µs
			Rauschen bezogen auf Eingang: < 4 µVRMS
			Analoger Ausgang Umax = 3,5 Vss
			Diskriminatorschwelle einstellbar
			Integraldiskriminator; Umax, Eingang= 3,5 Vss
			Digitaler Ausgang: TTL-positive Logik
3		Spektroskopieverstärker mit Fensterdiskriminator	Verstärkung ca. 1000, Verstäkungsregelung	L=102 mm; B= 12,1 mm; H= 7 mm
			Shapingszeit 0,5...5 µs
			Rauschen bezogen auf Eingang: < 4 µVRMS
			Analoger Ausgang Umax = 3,5 Vss
			obere und untere Diskriminatorschwelle einstellbar
			Fensterdiskriminator Umax1, Eingang= 3,5 Vss; Umax2 Eingang< 3,5 Vss
			Umax1, Eingang > Umax2, Eingang mind. 200 mV
			Digitaler Ausgang: TTL-positive Logik
4		einstufiger Transimpedanzverstärker	Verstärkung bis 109	L= 27 mm; B= 11,9 mm; H= 3mm
5		zweistufiger Transimpedanzverstärker	Verstärkung bis 5 x 1010	L= 54 mm; B= 11,9 mm; H= 3 mm

4. miniaturisierte BIAS-Module

Für den Betrieb von Detektoren im Spektroskopiemode sind negative BIAS-Spannungen für die Detektionselemente erforderlich. Um nicht mit drei Spannungsquellen arbeiten zu müssen, hat Crystal Photonics miniaturisierte Hochspannungsmodule im Spannungsbereich -40V...- 150V entwickelt, die platzsparend überall untergebracht werden können. Diese Module werden mit +5 V betrieben und sind kurzschlussfest, eigensicher und äußerst klein. In Tabelle 5 sind die Hochspannungsmodule dargestellt.

(5) Hochspannungsmodule für Kernstrahlungsdetektoren
#	Bezeichnung	Charakterisierung	Dimensionen
1	HV 1 (ungeschirmt)	UEingang = +5V UAusgang = -40V Imax = 10µA	L= 15,5 mm; B= 5 mm; H= 4,1 mm
2	HV 1 (geschirmt)		L= 19,1 mm; Ø= 6 mm
3	HV 2 (ungeschirmt)	UEingang = +5V UAusgang = -90...-120V Imax = 10µA	L= 15,5 mm; B= 5 mm; H= 4,1 mm
4	HV 2 (geschirmt)		L= 19,1 mm; D= 6 mm

5. Standardgehäuse

Die Standardgehäuse sind aus eloxiertem Aluminium gefertigt und als Präzisionsteile lichtdicht verschließbar. Andere Gehäuseformen sind auf Kundenanforderung verfügbar.