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2. Das Arbeitsprinzip eines DENEX-Detektors 2.1 Die Primärionisation
Zur Detektion eines Photons bzw. Neutrons nutzt man die Interaktion eines Gases. Das ankommende Photon oder Neutron wird von dem Gas im Detektor absorbiert (Absorption). Der Effekt, der durch die Absorption entsteht, ist die lokale Ionisation des Gases, die zu Elektronen und positiven Ionen führt. Ein DENEX-Detektor ist im Prinzip wie ein elektrischer Plattenkondensator aufgebaut (Abb. 1). Die Platten bezeichnet man als Elektroden, und zwar die mit dem positiven (+) Pol der Spannungsquelle U verbundenen als Anode, die mit dem negativen (-) Pol verbundenen als Kathode, die sich im mit Gas gefülltem Raum parallel in kleinem Abstand (d) gegenüberstehen. An den Elektroden wird eine Spannung U angelegt, so dass sich zwischen ihnen ein homogenes elektrisches Feld F aufbaut. Tritt ein Photon in den Luftraum zwischen den Elektroden, so werden durch einen Stoß mit den Gasmolekülen längs seiner Trajektorie positive und negative Ladungsträger (Ionen und Elektronen) erzeugt, die von den entgegengesetzt geladenen Elektroden angezogen werden. Der dadurch entstehende Ladungsstoß kann als elektrischer Impuls i gemessen werden.
+ + + + + + + + +
- - - - - - - - -
+
Plattenkondensator
Ionisierendes Photon
+
-
Strommeßgerät
i
UF d
Abb. 1 Messung des Ionisationsstroms Dabei muss die angelegte Spannung U und der Elektrodenabstand (d) so groß bzw. so klein angewählt werden, dass die Ladungsträger schnell genug auf den Elektroden gesammelt werden, bevor sie sich wiedervereinigen können (Rekombination) und dadurch für die Messung verloren gehen. Zur Messung von niederenergetischen Photonen müssen die Eintrittsfenster eines Detektors wegen der geringen Reichweite der Photonen sehr dünn sein, damit sie nach dem Hindurchtreten noch fast ihre gesamte Energie innerhalb des Detektorvolumens abgeben können. Geeignete Messwerte für die Bestimmung von Photonen und Neutronen ergeben sich daher nur, wenn bestimmte Vorschriften für die Auslegung des Detektordesigns, des Fenstermaterials und des Zählgases erfüllt werden. 2.2 Die Sekundärionisation Neutronen können im Gegensatz zu Photonen nur mit Atomkernen reagieren, zum Beispiel durch Absorption. Absorption liegt vor, wenn das Neutron verschwindet, indem es sich an einem Atomkern anlagert. Die Anlagerung führt meist zu einem angeregten Atomkern mit anschließender Emission von Teilchen.
He3
N
He4
P
T
He + n He + p + T + 0,77 MeV3 1 14
Abb. 2 Kernprozess von 3He mit einem Neutron
2
Abb. 2 zeigt schematisch die Reaktion eines solches Prozesses mit einem 3He-Atom. 3He wird angeregt, dabei wird ein Proton und ein Tritium + 0,77 MeV frei und wird zu 4He. Das frei gewordene Proton (p) und Tritium (T) erzeugen durch Stoß mit den Gasmolekülen längs ihrer Trajektorie positive und negative Ladungsträger, die von den entgegengesetzt geladenen Elektroden der Kondensatorplatte angezogen werden. Üblicherweise werden die beiden Elektroden in der Praxis, wie in Abb. 3 angedeutet, als Zylinderkondensator ausgeführt bzw. als Rohrdetektor oder Zählrohr.
Zylinderkondensator
+
-
Strommeßgerät
i
U
Abb. 3 Detektor als Zylinderkondensator 2.3 Das Proportionalzählrohr Während im Plattenkondensator nur die direkt oder indirekt erzeugten Ladungsträger zur Messung beitragen, wird im Proportionaldetektor ein Verstärkungseffekt genutzt, der auf der Vervielfachung dieser Ladungen im Gasraum beruht. Dazu wird die positive Elektrode (Anode) des Zylinderkondensators gemäß Abb.4 als dünner Draht ausgeführt, in dessen Umgebung freie Elektronen zwischen zwei Stößen mit den Gasatomen so stark beschleunigt werden, dass sie selbst wieder weitere Ladungsträger erzeugen können (Abb. 5).
Zylinderkathode
+
-
Strommeßgerät
i
U
Isolator
Zähldraht
Abb. 4 Prinzip des Proportionalzählrohres
3
Einfallendes Photon
Zähldraht
Elektron
Abb. 5 Prinzip der Gasverstärkung Ein primär freigesetztes Elektron erzeugt damit eine Lawine von Sekundärelektronen, so dass durch ein Photon oder ein Neutron letztlich eine sehr viel größere Anzahl an Ladungsträgern entsteht, als der Primärionisation entspricht. Damit ergeben sich am Zähldraht Ladungsimpulse, die proportional zur primären Ionisation jeweils den Gasverstärkungsfaktor vergrößern, der sich mit zunehmender Anodenspannung U erhöht. Der obere Grenzwert der Anodenspannung ist vor allem von der Dicke des Zähldrahtes sowie von der Zusammensetzung und dem Druck des Detektorgases abhängig. Die Erhöhung der Anodenspannung U über den jeweiligen Grenzwert hinaus bewirkt einen elektrischen Durchschlag und damit die Zerstörung des Detektors bzw. des Zählrohres. Als Messsignal werden praktisch nur die infolge der Gasverstärkung leicht beweglichen Elektronen, die kurzweilige Impulse verursacht haben, genutzt. Proportionaldetektoren dienen deshalb überwiegend zur Impulsmessung, wobei die Proportionalität zwischen Impulshöhe und Primärionisation eine Unterscheidung nach Art und Energie der Strahlung ermöglicht. Da Proportionaldetektoren praktisch eine sehr kleine Totzeit haben (Abb. 6), hängt die maximale Impulsrate von der Zeitdauer ab, die nötig ist, bis nach einem registrierten Impuls erneuert ein weiterer Impuls von Zählgerät registriert werden kann. Diese so genannte Auflösungszeit beträgt bei guten Detektoren weniger als 1µs, so dass Zählraten von mehr als 106 Impulsen /s möglich sind.
Impu
lshö
he
Zeit
S
Erholungszeit
Auflösungzeit
Totzeit
Schwelle Diskriminator
T = Ra x C
Abb. 6 Impulsspannung in Abhängigkeit der Zeit (S Diskriminatorschwelle) 2.4 Die Zählgase Als Zählgas werden Edelgase wie Argon und Xenon eingesetzt, wobei besondere Maßnahmen zur Beendigung des Entladungsvorgangs erforderlich sind. Dazu dienen ins besondere die Kohlenwasserstoffe als Löschgase und Bremsgase, wie z. B. Methan, Butan, Ethan, Kohlendioxid und Tetrafluormethan.
4
Mit Edelgasen gefüllte geschlossene Detektoren haben praktisch eine unbegrenzte Lebensdauer. Allerdings können Undichtigkeiten und Alterungsprozesse zu einer Veränderung der Detektorcharakteristik führen. Die Kohlenwasserstoffgase, die durch die Ionisationsprozesse sich zersetzen, tragen an solchen Alterungsprozessen bei. Diese Gase werden vorzugsweise in offen betriebenen Detektoren eingesetzt, in denen das Zählgas die Messkammer durchströmt. Im Hinblick auf den Anwendungszweck werden bei den Proportionaldetektoren diverse Bauarten unterschieden. Detektoren für den Nachweis von energiearmen Photonen sind mit dünnwandigen Fenstern ausgestattet. Zur Erzielung eines ausreichenden Ansprechvermögens müssen Detektoren für die Messung von höherenergetischen Photonen dagegen Füllgase mit hinreichend großem Absorptionsvermögen aufweisen. Zum Nachweis von Neutronen werden spezielle Gasfüllungen verwendet, in denen besonders stark ionisierende Sekundärteilchen freigesetzt werden. Die dabei entstehenden großen Ladungsimpulse lassen sich leicht von den vergleichsweise kleinen Impulsen unterscheiden, die durch Photonen erzeugt werden. Proportionaldetektoren eignen sich deshalb in besonderer Weise zur getrennten Messung von Neutronen bei gleichzeitiger Anwesenheit von Photonen. 2.5 Die Kennlinie In Proportionaldetektoren können nach Auslösen eines Impulses keine weiteren Impulse während der sogenannten Totzeit entstehen (siehe Abb. 6). Nach Ablauf der Totzeit erreichen eintreffende Impulse erst ihre ursprüngliche Größe wieder, wenn die sogenannte Erholungszeit verstrichen ist (T = R x C. Wobei R = Anode-Arbeitswiderstand (Ra) und C = Detektorkapazität). Für die Registrierung in einer Zähleinrichtung ist die Auflösungszeit entscheidend. Die Zeitspanne nach Auslösung eines Impulses wird durch die Diskriminatorschwelle (S) bestimmt (Auflösungszeit). Die Amplitude der Impulse ist im Wesentlichen nur noch von der Gasfüllung, der Anodendrahtdicke und der angelegten Spannung U abhängig, wobei die Impulshöhen generell mit zunehmender Spannung U größer werden. Die geeignete Betriebsspannung wird durch Aufnahme der so genannten Detektorcharakteristik ermittelt, bei einer Diskriminatorschelle welche die Abhängigkeit der Impulsrate von der Detektorspannung U darstellt.
Impu
lsra
te in
s-1
U Anode [V]
Plateau
Geiger-Müller- Bereich
Proportionalbereich Dau
erga
sent
ladu
ng
Abb. 7 Detektor-Kennlinie
Wie in Abb. 7, z.B. bei einer Diskriminatorschwelle von 0V, ergibt sich dabei ein so genanntes Plateau oder „Geiger-Müller-Bereich“ bzw. „Auslösebereich“, das bei guten Detektoren eine Länge von mehr als 100V und eine Steigung von wenigen Prozenten aufweisen sollte. Die Arbeitsspannung für den Detektor ist jeweils so zu wählen, dass bei zufälligen Spannungsschwankungen ein Unterschreiten oder Überschreiten der Arbeitspannung der Plateaubreite nicht zu befürchten ist. Eine hier ausgelöste Elektronenlawine wird sich jeweils entlang des gesamten Zähldrahtes ausbreiten. Dadurch entstehen unabhängig von Art und Energie der einfallenden Photonen oder Neutronen, jeweils gleich große Ladungsimpulse, die viel größer sind als die im Proportionalbereich. Die Diskriminierung zur getrennten Messung von Neutronen bei gleichzeitiger Anwesenheit von Photonen ist hier schwieriger bis unmöglich. Hier sollte man die Anodenspannung bei einem Neutronennachweis nicht höher einstellen als den mittleren Plateauwert.
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Spannung in V
Impu
lsra
te in
s-1
Abb. 8 Detektor-Kennlinie aufgenommen bei verschiedenen Diskriminatorschwellen
Über den Plateauwert hinaus steigt die Impulsrate durch Störeffekte stärker an, bis schließlich eine Dauergasentladung eintritt, die zur Zerstörung des Detektors führen kann.
+
-U
Timer
DiskriminatorZähler
Impulsverstärker
C
C
C
p
k
i
R
R
b
a
Start Stop Reset
Koinzidenz Gate
Abb.9 Beschaltungsprinzip eines Proportionalzählrohres mit Elektronik. Ck Koppelkondensator, Cp Pumpkondensator, Ci Integratorkondensator Ra Arbeitswiderstand, Rb Strombegrenzungswiderstand
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2.6 Der Ortsempfindliche Proportionaldetektor Diese Geräte dienen dazu, die anfallenden Photonen oder Neutronen an einem bestimmten Ort in einem Strahlungsfeld zu ermitteln.
Abb. 10 Anordnung von Proportionalzählrohre als
ortsempfindlicher Proportionaldetektor a) lineare Anordnung b) circulare Anordnung Wie in Abb. 9 ersichtlich ist, wird durch die Installation von nebeneinander liegenden Zählrohren ein dimensional ortsempfindlicher Proportionaldetektor aufgebaut, der die Streuung von Photonen oder Neutronen erfassen kann. Die Auflösung von solchen Apparaturen ist gleich dem Durchmesser eines verwendeten Zählrohres. Zwischen den einzelnen Zählrohren ist eine Totzone, die aus der Wandung des Zählrohres entsteht. Ein solcher Messaufbau ist sehr kostspielig und aufwendig, weil jedes Zählrohr seine eigene Elektronik erfordert, die exakt miteinander abgeglichen sein müssen und die gleiche Temperaturdrift aufweisen. DENEX löst diesem Problem, indem jedes einzelnes Zählrohr zu einem proportionalen Zählrohr vereint wird. Die Kathoden werden durch eine Delay line verbunden.
GehauseGasventil
Anodedraht
Kathodestreifen
Isolator
Delay-Line
Ausgang Links
Ausgang Rechts
Abb. 11 Aufbauprinzip der DENEX-1D-Detektoren Abb. 10 zeigt diese Lösung. Ein gemeinsamer Anodendraht ist senkrecht zu den Kathoden gespannt. Das Signal wird aus den jeweiligen Kathodenausgängen detektiert und über eine Delay line und durch die Ausgänge „X0“ und „X1“ zu der entsprechenden Elektronik weiter geleitet. Die Ortsauflösung ist hier gleich dem Abstand einer Kathode zu der Nächsten. Für einen 2D-Detektor wird zusätzlich eine zweite Kathodenreihe senkrecht zur ersten Kathode verwendet. 2.7 Die "Delay line readout" Methode Der Vorteil von der "Delay line readout" Methode gegenüber anderen readout-Systemen sind:
a) Parallele Signalabfrage (Wire per Wire) b) Große Frequenzbandbreite
c) Simpler Elektronikaufwand bei der Signalbearbeitung d) Signal-Amplituden unabhängig
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Es wird eine Delay line aus "L" und "C" verwandt mit einer gesamten Verzögerungszeit je nach Detektor von ca. 100 ns bis 400 ns bei einer Impedanz von 50 !. Die ersten elektronischen Elemente, die an die Ausgänge der Delay line geschaltet sind, sind ein linearer, rauscharmer Impuls-Vorverstärker mit 60 dB Verstärkung. Für eine korrekte Timing-Signal Information (unabhängig von der Signal-Amplitude) wird ein "Constant Fraction Discriminator" nachgeschaltet. 2.8 Zeitmessung Um kleine Zeitdifferenzen zu erfassen, stehen hauptsächlich zwei Methoden zur Verfügung:
a) Über einen "Gate and Delay Generator" werden die Signale X0 und X1 zur ortsgebundenen Detektion weitergeleitet. Ein Ausgang der Delay line gibt das Startsignal und der andere Ausgang das Stoppsignal. Die gemessene Zeitdifferenz wird im TAC (Time Analog Converter) in eine Spannung gewandelt und durch den ADC (Analog Digital Converter) zu einem Datenerfassungssystem (MCA) geleitet. Oder wie in Abb.12 gezeigt, wird das Start/Stop-Signal im TDC (Time Digital Converter) in eine digitale Adresse gewandelt und direkt zu dem MCA geleitet.
-HV-Drift electrode bias supply
Cat
hode
pre
ampl
ifier
Anode filter and preamplifier
Drif
t filt
er
+HV-Anode electrode bias supply
DENEX - FTP8a
DE
NE
X -
FD2
CF-
dis
crim
inat
or
Gate and delay generator
X-Stop
Y-Stop
Y-Start
Test point
X-TAC
Y-TAC
X-Start
X-A
DC
Y-AD
C
FAS
T C
omTe
c M
PA
-3
Display
Keyboard
7072
T FA
ST
Com
Tec
PC Compact PCI
CA
MA
C o
r VM
E
VA
X
FAST ComTec
FAST ComTec Abb. 12 Beschaltung eines 2D-Detektors zum MCA über die Kathodenausgänge
b) Das Anodensignal gibt das Startsignal und ein Kathodensignal das Stoppsignal. Die Zeitdifferenz wird wie in Punkt a) und Abb. 11 gemessen und registriert (Abb. 12).
8
-HV-Drift electrode bias supply
Cat
hode
pre
ampl
ifier
Anode filter and preamplifier
Drif
t filt
er
CF-
dis
crim
inat
or
X-Stop
Y-Stop
X-T
DC
Y-T
DC
FAS
T C
omTe
c M
PA
-3
Display
Keyboard
+HV-Anode electrode bias supply
FAST ComTec
FAST ComT4ec
7072
T FA
ST
Com
Tec
PC Compact PCI
CA
MA
C o
r VM
E
VA
X
X-Start
Y-Start
Abb. 13 Beschaltung eines 2D-Detektors zum MCA über den Anoden- und Kathodenausgang. Bei der Kathoden-Messmethode werden zwei Verzögerungseinheiten zusätzlich benötigt um ein eindeutiges Stoppsignal zu erhalten. Aufgrund der Einstellung der Stoppsignale durch die Verzögerungseinheiten ist die Verschiebung des Spektrums auf dem Display möglich. Bei der Anoden-Messmethode sind die Verzögerungseinheiten nicht notwendig. Jedoch erfordert diese Messmethode besondere Voraussetzungen. Bei der Verwendung der Koaxialleitungen in Hinsicht auf Phase- und Temperaturstabilität und auf mechanische Beanspruchung muss geachtet werden, damit man ein konstantes bzw. reproduzierbares Startsignal erhält. 3. Aufbau und Funktion des Detektors DENEX-300TN 3.1 Prinzip der Ortserkennung Der Detektor DENEX-300TN ist ein zweidimensional ortsempfindlicher Multi-Wire-Proportionalzähler für den Nachweis thermischer Neutronen. Das Prinzip der Ortserkennung zeigt Abb. 13. starke und nahezu homogene elektrische Felder (rote Pfeile) werden zwischen den Elektrodenebenen durch die von außen angelegten Spannungen erzeugt. Wird ein Neutron im Nachweisvolumen absorbiert, werden die durch die Ionisation frei gesetzten Elektronen zur Anode hin (blaue Pfeile), beschleunigt.
9
Einfallendes Neutron
Driftelektrode
Driftelektrode
Anode
Y-Kathode
X-Kathode
Delay line
Delay line
Nac
hwei
svol
umen
Abb. 14 Prinzip der Ortserkennung in einem 2D-Multi-Wire- Proportionaldetektor mit Verzögerungsleitung. Der dadurch entstehende Ladungsstoß wird als elektrischer Impuls (grüne Pfeile) über beiden Auslesekathoden (X- und Y-Kathode) in die Verzögerungsleitung (Delay line) geleitet, die den Eingangsimpuls in zwei gleich starke Pulse aufteilt. Letztere fließen zu beiden Enden der Delay line. Die Delay lines bestehen aus einer Folge von LC-Elementen, die zu einer Laufzeit der beiden Pulse von etwa 2,7 ns zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kathodendrähten führen. Je weiter vom einem Ende einer Delay line entfernt ein Impuls eintritt, umso längere Zeit benötigt er, bis er an diesem Ende der Delay line beobachtet wird. Aus den Ankunftszeiten beiden Impulse wird der Nachweis in X-und Y-Richtung ermittelt. 3.2 Schematischer Aufbau des Detektors DENEX-300TN Der Detektor DENEX-300TN besteht aus einem Körper (Al-Mg3), der eine Serie von Elektroden aufnimmt und durch einen druckfesten Deckel (Al-Mg4,7M) verschlossen wird (Abb. 14). In den Deckel ist das Neutroneneintrittsfenster eingefräst. Die Fenstergröße von 300 mm x 300 mm entspricht der von den Elektrodendrähten überspannten Fläche. Das Nachweisvolumen wird von zwei Driftelektroden in Abständen von je 5 mm zu den X- und Y-Kathoden begrenzt. Der Abstand von der ersten Driftelektrode zur zweiten Driftelektrode beträgt 20 mm. Die Driftelektrode am Eintrittsfenster ist eine metallische Folie, die durch einen Isolator mit dem Fenster vulkanisiert ist, um ein Totvolumen zwischen der Driftelektrode und dem Eingangsfenster zu vermeiden. Die Materialien sind so ausgewählt, dass Absorption oder Streuung der Neutronen praktisch vernachlässigt werden können.
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SMA SMA SMA SMA
SHV SHV
Abb. 15 Explosionszeichnung des Gehäuses, der Elektroden und des Deckels des Detektors DENEX-300TN 3.3 Qualitätskontrolle des Detektors während seiner Herstellung Die DENEX hat den Detektor während der Produktion mit 55Fe- und 57Co-Photonen getestet, um die Qualität der Komponenten und des Gesamtsystems zu kontrollieren. Beim Test mit 55Fe unter durchströmendem Ar-Co2 werden Photonen mit sehr geringer Energie (5,9 keV) gemessen. Der Versuchsaufbau ist in Abb. 16 dargestellt.
Abb. 16 Detektor DENEX-300TN im Test mit einer 55Fe-Quelle. Zuerst wird die Homogenität getestet. Eventuell defekte Drähte oder eingeschlossener Staub sind leicht zu identifizieren und können sofort beseitigt bzw. erneuert werden. Danach wird die Anodenkennlinie gemessen Abb. 17. Sie zeigt die Qualität des Detektors. Das Bild zeigt ein sehr gut ausgebildetes Plateau zwischen Ua 2670 V und Ua 2740 V.
11
Kennlinie DENEX-300TN (55Fe und Ar-Co2)
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
2500 2550 2600 2650 2700 2750 2800
Ua [kV]
Cou
nt/1
0s
Abb.17 Anodenkennlinie des Detektors DENEX-300TN beim Test mit einer 55Fe-Quelle. Ein weiterer Test mit der 55Fe-Quelle wird zur Kontrolle der Ortsauflösung durchgeführt. Die in Abb. 18 dargestellte Zange zeigt einige Details, wie zum Beispiel die Feder zwischen den Griffen und das Aufhängband, das einen Durchmesser von ca. 0,6 mm hat. Das Testobjekt ist sehr simpel, dennoch ausreichend, um den Detektor auf die erreichbare Ortsauflösung zu testen.
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Abb.18 Ortsauflösungs-Test mittels der 55Fe-Quelle mit einer Zange. Das dargestellte Spektrum umfasst insgesamt 1024 x 1024 Kanäle. Schnitte in X- und Y-Richtung sind in Abb. 18 dargestellt. Ein Kanal entspricht ca. 0,3 mm.
Abb. 19 Schnitte in X- und Y-Richtung von der Feder und dem Aufhängband Nachdem der Detektor mit 55Fe getestet wurde, wird er mit einem druckfesten Deckel verschlossen. Nach dem Druck- und Dichtigkeitstest (5 bar Überdruck mit 10-9 mm bar/l s) wird der Detektor mit einem Gasgemisch von 1 bar Ar-Co2 gefüllt und mit einer 57Co-Quelle erneut auf Verschmutzung getestet. Bei erfolgreichem Test wird schließlich der Detektor von Wasserstoff gereinigt. Fünf bis sechs Tage wird der Detektor geheizt und evakuiert. Danach wird der Detektor nochmals auf Dichtigkeit und Funktionalität geprüft. Wenn diese Prüfungen positiv verlaufen sind, wird der Detektor
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mit dem zur Auslieferung notwendigen Gasgemisch gefüllt ( 3He-CF4). Der nun fertig gestellte Detektor (Abb. 20) wäre zur Auslieferung an den Kunden bereit.
Abb. 20 Der fertig gestellte Detektor DENEX-300TN
4. Installation und Inbetriebnahme des Detektors
4.1 Generell sicherzustellende Randbedingungen für die Handhabung und den Betrieb des Detektors: Der Detektor DENEX-300TN ist ein äußerst empfindliches Messinstrument, das generell mit äußerster Sorgfalt zu behandeln ist. Er darf insbesondere nicht mechanisch bearbeitet und keinen Erschütterungen ausgesetzt werden. Wenn der Detektor in Betrieb genommen oder betrieben wird - dies bedeutet, dass Spannung an die Anoden oder die Driftelektroden angelegt werden- ist sicherzustellen, dass:
" Der Detektor mechanisch nicht belastet wird z.B. durch Stöße oder Vibrationen, er darf jedoch auf einem Goniometer betrieben werden.
" Keine Hochspannungsabschaltung durch plötzliches Entfernen der SHV-Stecker aus dem Anoden- bzw. Driftfilter stattfindet. Diese können zur Beschädigung der Anodenelektrode und aller Vorverstärker führen. Es wird empfohlen, die Hochspannung immer über die Hochspannungsversorgung auszuschalten, weil sie eine sehr große Zeitkonstante aufweist und damit keine unzulässig schnellen Spannungsänderungen zulässt.
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4.2 Die Detektororientierung Normalerweise wird die Geometrie des Detektors wie in Abb. 21 dargestellt, geliefert. In dieser geometrischen Ordnung weist die X-Achse eine größere Auflösung als die der Y-Achse, da die Anodendrähte waagerecht bzw. parallel zu der X-Achse sind. Wird eine andere Orientierung gewünscht, wie z.B. eine größere Auflösung auf die Y-Achse, so ist der Detektor um 90o zu drehen und die X-Y-Achsen zu vertauschen.
Abb. 21 Geometrische Orientierung des Detektors DENEX-300TN Vorder- und Rückseite 4.3 Beschaltung der Elektronik am Detektor
" Zuerst sind die Anoden und Drift Hochspannungen durch die beiden mitgelieferten roten Leitungen an das NIM-Hochspannungsnetzgerät anzuschließen. Dabei ist zu beachten, dass die Anoden an eine positive und die Drift an eine negative Spannung geschaltet werden.
" Durch die beigefügten LEMO-Kabeln verbinden Sie das Netz der Kathodenvorverstärker FTP-110 und die Anodenvorverstärker FTP-111 mit dem NIM-Einschub N-145, siehe Abb. 22. Mit einem kleinen Schraubenzieher drehen Sie an den entsprechenden Trimmpotentiometern, bis die Spannung der jeweiligen Kanäle den Wert von
ca. + 9.7 V erreicht.
OP
EN
CLO
SE
XOX1
Y1
Y0
Drift
Ano
de
Dru
ckse
nsor
Gas
vent
ill
15
Abb. 22 Verbindung der Detektorvorverstärker mit dem NIM-Einschub DENEX-N-145
ORTEC
OUTIN
1
TH
B
A
OUTIN
2
TH
B
A
OUTIN
3
TH
B
A
OUTIN
4
TH
B
A
OUTIN
5
TH
B
A
OUTIN
6
TH
B
A
OUTIN
7
TH
B
A
OUTIN
8
TH
B
A
NH M OR
TH # TB
OCT CF DISCR
CF 8000DENEX
MAINAMPLIFIER
TFA-111
1
2
3
4
5 A
B
B
B
B
B
A
A
A
A
IN
IN
IN
IN
IN
OUT
OUT
OUT
OUT
OUT
From X0 preamplifier
From X1 preamplifier
From Y0 preamplifier
From Y1 preamplifier
From anode preamplifier
Reserve
X0
X1
Y0
Y1
Anode
Zero crossing voltage for:X0 = - 0,135 VX1 = - 0,143 VY0 = - 0,122 VY1 = - 0,161 VAnode = - 0,182 V
X0 output
X1 output
Y0 output
Y1 output
Anode output
To MCA
Abb. 23 Verbindung der Detektorsignale vom Vorverstärker bis zum CFD-8000
" Durch die mitgelieferten SMA-Koaxialkabel verbinden Sie die Vorverstärker mit dem NIM-Hauptverstärker TFA-111 wie Abb. 23.
9,7 V
9,7 V
9,7 V
9,7 V
9,7 V
To X0 preamplifier
To X1 preamplifier
To Y0 preamplifier
To Y2 preamplifier
To anode preamplifier
Reserve
16
" Durch kurze und gleich lange LEMO-Koaxialkabel verbinden Sie laut Abb. 23 die A-Ausgänge der Hauptverstärker TFA-111 mit den Eingängen des Ortec-Diskriminators. Mit einem kleinen Schraubenzieher stellen Sie die Zero-Crossing Spannung an den
jeweiligen Kanälen ein, wie in Abb. 23 abgebildet. 4.4 Aufnahmen der Anodenkennlinie des Detektors: Benötigte Messgeräte: Ein Oszillograf und ein Impulszähler mit Vorwahl
a) Schalten Sie einen guten Oszillograf z.B. TEKTRONIX TDS 3054B an die B-Ausgänge des Anodenkanal-Hauptverstärkers TFA-111 an.
b) Drehen Sie die „Zero-Crossing“ des Anoden-CF-Diskriminators auf Minimum (ca. 7mV) c) Lassen Sie das Drift-Hochspannungsnetzgerät ausgeschaltet. d) Öffnen Sie den Neutronenstrahl. e) Schalten Sie jetzt das Anoden-Hochspannungsnetzgerät an. Erhöhen Sie langsam die Anodenspannung von Null Volt an, bis die Neutronensignale gerade an dem Oszillograf zu sehen sind. f) Ein B-Ausgang des ORTEC-CFD des Anodenkanals wird mit dem Eingang des
Vorwahlzählers verbunden durch ein LEMO-Koaxialkabel. Richten Sie den Vorwahlzähler so ein, dass die Anodenpulse für eine Zeit, z.B. von ca. 20 s gezählt werden können.
g) Starten Sie die Messung und notieren Sie die gemessene Zählrate. Nach jedem Messvorgang erhöhen Sie die Hochspannung stufenweise, z.B. um 50 V bis die Anodenzählrate überdimensional ansteigt.
Die in der Tabelle aufgenommenen Messwerte sind in Abb. 24 in Form eine Grafik dargestellt. U-Anode Count/10s U-Anode Count/10s U-Anode Count/10s
1800 12 2350 24674 2900 29804 1850 14 2400 25712 2950 30428 1900 41 2450 26178 3000 31810 1950 311 2500 26413 3050 32745 2000 1536 2550 26938 3100 34370 2050 5084 2600 26956 2100 10347 2650 27019 2150 14460 2700 27433 2200 18709 2750 27984 2250 21954 2800 28600 2300 23405 2850 28878
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Anodenkennlinie Detektor DENEX-300TN Ser. No.: 0706-0015Helium Isotop 3 = 5 bar
CF4 = 1 bar(Neutronenquelle: Am-241 Be)
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
40000
1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200
Anodenspannung [ V ]
Ano
denz
ählra
te /
20s
Abb. 24 Anodenkennlinie des Detektors DENEX-300TN bei einer Diskriminatorschwelle von -0,7 V. 4.5 Aufnahme der Driftkennlinie des Detektors Benötige Messgeräte: Ein Impulszähler mit Vorwahl
a) Stellen Sie die Hochspannung an der Anode auf einem beliebigen Wert der aufgenommenen Plateaukennlinie (z.B. 2600 V) ein.
b) Schalten Sie das Drifthochspannung-Netzgerät an und stellen Sie es auf 0 V c) Richten Sie den Vorwahlzähler (Messplatz) so ein, dass die Anodenpulse für eine
Zeit, z.B. von 20 s gezählt werden können. d) Starten Sie die Messung und notieren Sie die gemessene Zählrate. Nach jedem
Messvorgang erhöhen Sie die Hochspannung an der Drift stufenweise bis die Anodenzählrate nicht mehr ansteigt.
Die in der Tabelle aufgenommenen Messwerte sind in Abb. 25 in Form eine Grafik dargestellt. U-Drift Count/10s U-Drift Count/10s
0 11041 700 19649 100 12065 800 19873 200 13614 900 20365 300 15330 1000 20547 400 17020 1100 20939 500 17887 1200 20843 600 18975 1300 20974
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Driftkennlinie Detektor DENEX-300TN, Ser.No.: 0704-00153He = 5 barCF4 = 1 bar
(N-Quelle: Am-241/Be)
11041
13041
15041
17041
19041
21041
23041
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
D rif tspannung [V]
Abb. 25 Driftkennlinie des Detektors DENEX-300TN Aus dem Verlauf der Anoden- und der Driftkennlinie wird der Arbeitspunkt des Detektors bestimmt. Wir empfehlen die Anodenspannung zwischen 2400 V und 2900 V einzustellen, wobei die Driftspannung das Limit von -1000 V nicht überschreiten soll und bei jedem Anodenspannungswert konstant zu halten ist. 5.0 Effizienzeinstellung: Benötige Messgeräte: Ein schwarzes 3He-Zählror mit Impulszähler Vor den Detektor wird ein 3He-Zählror montiert (Abb. 26) Es muss sicher gestellt sein, dass dieses Zählrohr schwarz ist. Man beachte, dass das Zählrohr die volle Neutronen-Beam abdeckt und man misst die maximale Zählrate. Danach, mit der gleichen Neutronen-Beam, misst man am Detektor die maximale Zählrate bei einer beliebiger Anodenspannung zwischen + 2400 V und + 2900 V, z.B. + 2700 V. Abweichungen der Zählraten werden durch Einstellung der Anodenhochspannung ausgeglichen. Bei diesem DENEX-Detektor ist die Arbeits-Anodenspannung genau + 2800 V.
19
Abb. 26 Meßanordung für die Effizienz Messung
6.0 Der Constant Fraction Diskriminator (CFD) 6.1 Allgemeines: Ein Constant Fraction Diskriminator (CFD) ist eine elektronische Komponente in der Signalverarbeitung, die der Zuordnung exakter Zeitmarkierungen zu breiten Pulsen mit variierender Signalstärke bei immer gleichen Anstiegszeiten t dient (Abb. 27)
t t1
tWalk
Abb. 27 Vergleich von Schwellwertauslösung (links) und Constant Fraction Auslösung (rechts)
20
Typische Eingangssignale für die CFD sind Pulse von Kathoden und Anoden des DENEX-Detektors. Hier steht man vor dem Problem, zeitlich verschmierte Pulse zum Auslösen und Stoppen von TDC (Time Digital Converter) zu verwenden, um Zeitspannen im Nanosekundenbereich zu messen. Die Detektor Pulse haben Anstiegzeit, die deutlich über der gewünschten zeitlichen Auflösung liegen. Die Schwellwertauslösung scheidet zur Zeitnahme total aus, da bei ihr der Auslösezeitpunkt von der Gesamtpulshöhe abhängt (sog. Time Walk-Effekt, Abb. 27 links). Gleiche Anstiegszeiten und Pulsformen erlauben ein Auslösen beim Erreichen eines festzulegenden Bruchteils der Gesamtpulshöhe (Abb. 27 rechts), wobei der Auslösezeitpunkt (Zero-Crossing) unabhängig von der Gesamtpulshöhe ist.
6.2 Funktionsprinzip Das Eingangssignal wird in zwei Komponenten aufgespalten. Eine Komponente wird um die Zeit $%verzögert, mit 0 « $ ! t und invertiert, während die andere Komponente mit einem Faktor c multipliziert wird, mit 0 < c < 1. Die beiden Komponenten werden wieder addiert und der erste Nulldurchgang (Zero-Crossing) mit positiver erster Ableitung wird als Auslösezeitpunkt definiert (Abb. 28).
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-
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Threshold
Zero-Crossing
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Abb. 28 Funktionsdiagramm eines CFD
21
6.3 Programmierung der Verzögerung $ am CFD Der CFD-8000 von Ortec hat bei jedem Kanal eine Verzögerungseinheit integriert, die durch Einstecken eines Jumpers von 2 ns bis12 ns sich stufenweise programmieren lässt. Um die richtige Verzögerung zu programmieren, verfahren Sie wie folgt (Dr. Thomas Wilpert-Methode, HMI-Berlin): Verbinden Sie von einem beliebigen Kanal des Hauptverstärkers TFA-111, z. B. des X-Kanals die Ausgänge A und B mit je einem gleich langen LEMO-Koaxialkabel mit dem CFD wie in Abb. 29 schematisch dargestellt wird. Stellen Sie die Jumper der Verzögerungseinheit bei beiden CFD-Kanälen identisch an die gleiche Stelle.
ORTEC
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From Y0 preamplifier
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Start
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Abb. 29 Schema für die Einstellung der internen CFD-Verzögerung Das Verbindungs-LEMO-koaxialkabel des Ausgangs des CFD das das Stopp-Signal liefert, muss mindestens 5 cm länger als das des Startes sein.
Geben Sie die Neutronen an den Detektor frei. Durch identisches Umstecken der Jumper in den beiden Kanälen des CFD, ermitteln Sie die günstigste Verzögerung $ die die schmalste Pickbreite ergibt (Abb. 30). Widerholen Sie diesen Vorgang bei allen restlichen Kanälen : X1, Y0, Y1 und der Anode.
22
Abb. 30 Programmierung der Verzögerung $ am CFD
Messung mit 2 ns interne CFD-Verzögerung
Messung mit 4,5 ns interne CFD-Verzögerung
Messung mit 12 ns interne CFD-Verzögerung
23
7.0 Gamma Unterdrückung Voraussetzung für eine optimale Untergrundminimierung ist immer eine gute Abschirmung des Detektors durch Polyäthylen- und Borkarbidplatten, die die vagabundieren Neutronen aus dem Reaktor und aus den Nachbarexperimenten abschirmen. Jedoch ganz ohne Untergrund, auch bei garantierter Neutronen Freizone, ist es nicht möglich, weil die unvermeidliche Unreinheit des Zählgases des Detektors durch die Hochspannung ionisiert und sich anzuzünden neigt, wie z.B. ein Leuchtstoffrohr einer Zimmerbeleuchtung. Dieser Vorgang ist aber nicht stabil, weil ein zusätzliches Gasbeigemisch CF4 diesen Vorgang sofort unterbindet (Löschgas). Dieses Phänomen verursacht ungewollte Signale, deren Zählrate und Amplitude von der Höhe der Anodenhochspannung abhängig ist. (Störeffekt, siehe Absatz 2.5)
Dieses Löschgas (CF4) hat auch die Funktion, den Weg der Protonen und der Tritium aus der Reaktion eines Neutrons im Detektorzählgas (Sekundärionisation, siehe Absatz 2.2) zu beschränken und somit entsprechend eine Ortsauflösung zu erlangen. Die Photonen (&%), die aus der Detektorabschirmung entstehen, werden von dem Löschgas CF4 nachgewiesen und tragen auch an einem zusätzlich störenden Zuwachs des Untergrunds bei. Die Abhilfe hier ist die Reduktionsmenge des CF4-Gases im Detektor, die nicht immer möglich ist, oder man dreht an dem CF-Diskriminator „Zerocrossing“ Potentiometer, bis am Ausgang des Diskriminators die &-Zählrate „0“ wird. An besten, man nimmt einen Oszillografen, der an die Detektorhauptverstärker geschaltet wird und man misst die Signalamplitude an deren Signalausgänge in Volt. Entsprechend stellt man das jeweilige Zerocrossing-Potentiometer des CFD mit Hilfe eines Voltmeters ein. 8.0 Ausschalten des Detektors Der Detektor wird „ausgeschaltet“, indem die Spannungen an der Anode und den Driftelektroden auf Null Volt gefahren werden. Die Reihenfolge der Spannungsabschaltung zwischen der Drift- und der Anodenspannung ist ohne Bedeutung. 9.0 Kontrolle des Detektors Der Detektor ist ein mit Edelgas gefülltes, geschlossenes Gerät. Praktisch hat er eine unbegrenzte Lebensdauer und somit braucht er keine Wartung. Allerdings können Undichtigkeiten und Alterungsprozesse zu einer Veränderung der Detektorcharakteristik führen. Der Detektor wurde bei der DENEX auf Dichtigkeit geprüft. Der Gasdruck wird sich innerhalb eines Jahrzehntes unwesentlich verändern. Sollte eine Undichtigkeit auftreten, könnte dieses zu Beschädigung der Anodenelektrode führen. In diesem Fall sind die besonderen Maßnahmen zu beachten, die nachfolgend ausgeführt werden:
a) Die elektrischen Anschlüsse sind gemäß den Ausführungen unter Abb. 12 oder Abb. 13 zu überprüfen. Insbesondere ist sicher zu stellen, dass der Anode eine positive und den Driftelektroden eine negative Spannung zugeführt wird.
b) Verfahren Sie nach Absatz 4.4 „Aufnahmen der Anodenkennlinie des Detektors“. Es sollte kontrolliert werden, ob die Anodenkennlinie wie in Abb. 24 in etwa gleichkommt. Ist dies nicht der Fall, ist die DENEX zu unterrichten bzw. zu kontaktieren.
24
10.0 Allgemeine Spezifikationen 10.1 Gaszertifikat
25
10.2 Detektor Spezifikationen Comments 1 Active area 300 x 300 mm2 Size of the free space of electrode frames;
Neutron sensitive area: ~ 280mm x 280mm 2 Depth of detect. volume 20mm Limited by drift electrodes 3 Detection gas 3He: 5 bar
CF4: 1. bar Maximal total detection gas pressure: 6 bar
4 Position resolution (FWHM): 2 mm x 3 mm Horizontally: FWHM 2 mm (due to CF4 pressure) Vertically: FWHM 3 mm (due to CF4 pressure and anode wire
distance)
5 Efficiency for thermal neutrons 0.9 Å: > 48 % 2Å: > 76 % 4 Å: > 94 % 8 Å: > 99 % 16 Å: 100 %
i) nominal neutron capture probability inside the detection volume (depth: 20mm) ii) absorption in neutron window not taken into account iii) electronic detection of every captured neutron assumed iv) dead-volume losses between entrance window and first drift electrode can be neglected due to electrode design
6 Window material Window thickness
Al Mg 4,5 Si Alloy 10 mm
Material and thickness is optimized
7 Uncorrected differential non-linearity of position detection
< 3 % Measurement: Starting from the centre of an uncorrected spectrum and assuming a constant ratio "change in x- or y-position per channel" the relative distortion will not exceed 3%, that is less than 4.5 mm at the border.
8a Background rate without neutrons << 1/s Depends on the surrounding, the analogue electronics and its adjustment.
8b &-efficiency '& '& < 10-5
(E ~ 1 MeV)
Basis are efficiencies as measured recently at GKSS for the case of a DENEX-500-CN and DENEX-200CN detectors filled with 1, 1.5 and 3 bar CF4.
9 Electronic components inside the detector
50 ! Delay lines
10 Anode wire Ø ~ 8 (m Au-coated Tungsten/Rhenium wire 11 Cathode wire Ø ~ 30 (m Au-coated Tungsten/Rhenium wire 12 Drift electrodes Metallic-coatings on isolating layers on window and bottom of the
detector 13 Connector for HV supply 50 ! SHV 14 Connector for delay lines signal 50 ! !%!SMA 15 Valve for pumping and gas filling
" Manufacturer " Type
Swagelok
6L-ELD8-DDXX
16 Gas quality: 3He 4HE
99,91 0,09
The detector housing is heated to ~ 60°C and evacuated for more than 100h before the detection gas is filled in.
17 delay lines " number of steps " delay per step " total delay " Bandwidth
150
~2.7 ns ~ 400 ns 100 Mz
18 Anode capacity ~ 470 pF AC 19 Drift capacity ~ 160 pF 20 Anode work voltage +2800 V Plateau regime 21 Anode work current ~0,008 (A Plateau regime 22 Anode work resistor 1 M! RA 23 Drift work voltage -1100 V max 24 Anode work current ~0,008 (A Plateau regime 25 Detektor dead time ~ 250 ns 26 Detektor restoration time ) = 470 (s RA x AC 27 Dead zones *+ cm min.
78 cm max.%
28 Pressure sensor Type
%DRUCK PTX660
29 Gaskets Metallic. INDIUM 30 Dimensions:
" height " width " depth " weight
~ 447 mm ~ 447 mm ~ 115 mm
~ 50 kg
31 EU-Declaration of Conformity CE The directives covered by this declaration: 97/23/EEC Pressure Equipment directive (PED) Section ECC No. L 18158.1 from 09.07.1997 Test pressure 6 bar gauge pressure according to AD200. Bulletins 5D and W7
26
10.3 Detektor Querschnitt
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10.4 Detektor Front- und Rückansicht
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