183888. lajstromszámú szabadalom • Félvezető detektoros energiakompenzált mérőáltalakító besugárzási dózisteljesítmény mérésére
1 183 888 2 A találmány tárgya félvezető detektoros, energiakompenzált mérőátalakító besugárzási dózisteljesítmény mérésére, amely a sugárzás energiájától bizonyos korlátok között független, a dózisteljesítménnyel arányos villamos kimenőjeleket ad egy mérőműszer számára. Ez a mérőátalakító érzékelő elemként félvezető sugárzásdetektorokat tartalmaz. E detektorok és a célszerűen közelükben elhelyezett, jeleiket feldolgozó előerősítő elektronika szondaszerűen képezhető ki, így az úgyis széles — a rádioaktív anyagokkal folyó munkák minden területét magábanfoglaló — alkalmazási terület kiterjedhet a víz, takarmány, élelmiszer, talaj és növényzet sugárszintjének laboratóriumi és terepi mérésére is. Az atomreaktorok és más izotópos munkahelyek világszerte megfigyelhető erőteljes szaporodása fokozott igényeket támaszt a besugárzási dózisteljesítmény mérésének pontosságával szemben, és a mérések egyre kedvezőtlenebb körülmények (terepviszonyok, magas hőmérséklet, szűk hely stb.) között történő elvégzését igényli. E körülmények között igen előnyös lehetne a félvezető detektoros műszerek (szondák) alkalmazása, ezek ugyanis kisebbek, külső behatásokkal szemben ellenállóbbak, kisebb tápfeszültség igényűek, mint a hagyományos detektorok (ionizációs kamrák, szcintillációs detektorok és GM csövek). Az integrált elektronikai elemek mai fejlettségi szintjén már megszűnt az a hátrányuk is, hogy az előbbieknél igényesebb jelfeldolgozó áramköröket (elsősorban töltésérzékeny előerősítőt) kívánnak. A félvezető detektoros dózismetriai műszerek mégsem terjedtek el széles körben, mert e detektorok az őket érő sugárzással történő energiafüggő kölcsönhatási mechanizmusok (minél kisebb az energia, annál nagyobb a fotoeffektus valószínűsége, míg nagy energiáknál a Compton-szórás dominál) és a detektorzaj kiszűrését biztosító diszkriminációs szint egymásrahatásaként azonos érzékeny térfogat és dózisteljesítmény mellett is eltérő számú jelet produkálnak a gyakorlatilag legfontosabb 50-100 keV-től 1,5—2 MeV-ig terjedő energiatartományban. Több megoldás ismert ennek az energiafüggésnek a csökkentésére. A megoldások többségét magyar szabadalmak írják le, ugyanis Magyarországon oldották meg először a tápfeszültség ingadozására érzéketlen (n-i—p szerkezetű szilícium alapú) azonos térfogatú félvezető detektorok megbízható, olcsó sorozatgyártását (lásd például a 177 153 számú magyar szabadalmat). A félvezető detektorok fenti, hátrányos energiafüggését csökkentő megoldások egyikét a Gamma Művek NS-115 típusú félvezető detektoros dózisteljesítmény mérőjében alkalmazták. E készülék gépkönyvének 4. fejezete ismerteti a működési elvet, amelyből kiderül, hogy a szondába beépített két detektor egyike működik csak egyszerre (a másik más méréshatárnál üzemel), a detektorok energiaarányos jelamplitúdójával elektronikusan vezérlik azt a töltésmennyiséget, amely az impulzusszámlálási mód mellett a ratemetert tölti (13. oldal 2. bekezdés). A műszer a gépkönyv tanúsága szerint 55 keV energiától érzékel, vagyis ez a diszkriminációs szint, amelyet a detektorok térfogat- és hőmérsékletfüggő zaja kíván meg, az energiafüggés pedig a 80-2000 keV tartományban ± 20 %-os, ami 50 °C-nál ± 25 %-ra nőhet. Az energiafüggés értékéről az 55-80 keV tartományban nincs adat. A módszer hátránya, hogy a félvezető detektoroknál szokásos'előerősítő és jelformáló áramkörökön kívül külön korrekciós áramkört igényel, és, hogy a jelek feldolgozására csak ratemeter típusú megoldás alkalmazható. További hátrány az is, hogy a műszer működési hőmérséklettartománya nem növelhető, a hőmérséklet növelésekor ugyanis nő a detektorzaj, ez a diszkriminációs szint emelését igényelné. Növekvő diszkriminációs szinttel viszont az energiafüggés rohamosan romlik. Az elmondottakat a későbbiek során ismertetett 1. ábra illusztrálja, amelyen egy adott érzékeny térfogatú detektor energiamenetének a diszkriminációs szinttől való függését mutatjuk be, vagyis a detektor által adott jelszámot ábrázoljuk a sugárzás energiájának függvényében két különböző diszkriminációs szint mellett azonos dózisteljesítmény esetén. Az I. görbe 50 keV, a II. görbe 100 keV diszkriminációs szint mellett van felvéve ugyanazon detektorról. Az ábrán szaggatott vonallal ábrázoltuk az energia menetet korrigáló megoldások hatását: alacsony diszkriminációs szint esetén az A görbe szakasz mutatja az NS—115 típusú műszer szondájában alkalmazott szűrő hatását, s C görbe szakasz pedig az elektronikus korrekció hatását. Látható az ábrából, hogy magasabb diszkriminációs szint esetén az energiamenet korrigálása az ismertetett módon egyre nehezebb, ráadásul a görbe minimuma a gyakorlatban fontos energiatartomány felé tolódik el. Az NS—115 műszerben alkalmazott energiakorrekciós eljárás egy változatát közli a 175 351 számú magyar szabadalmi leírás, amelynél egy bizonyos küszöbértékig az impulzusok számának megfelelő, a küszöbérték felett az energiával arányosan nagyobb kijelzést hoznak létre. Ennek a módszernek a hátránya, hogy az energiatartomány alsó részén nem végez korrekciót. Más módszert ismertet a 155 666 számú magyar szabadalom. Ez a megoldás a detektor tokjában, illetve a Si lapka felületére nagy rendszámú szóróanyagot visz fel, amelyből a sugárzás hatására szekunder elektronok jutnak a detektorba, ezek az energiamenet minimuma táján megnövelik a jelszámot. E megoldás hatását az 1. ábra B szakasza mutatja be. Az eljárás hátránya, hogy a kis energiájú elektronok érzékeny térfogatba jutásának biztosítására vékony holtrétegű, úgynevezett felületi záróréteges detektorra van szükség. Érzékelhető továbbá az 1. ábra alapján az is, hogy ettől a módszertől sem várható a magasabb diszkriminációs szintek alkalmazásával előálló kedvezőtlen energiamenet nagy minimumszakaszának teljes kiigazítása. Az alábbiakban a témával kapcsolatban megjelent néhány cikket ismertetünk: összefoglaló jellegű cikk: E. J. Wesleya and W. F. Joseph: Design Criteria for Wide Range Gamma Radiacs Using Semiconductor Diode Detectors (IEEE Tran, on Nunc). Sei. 1966. Junius). Érdekes megoldást közöl A. R. Jones „Gamma-Ray Dosimetry with P—I—N Junction Diodes ’ című cikkében az energiafüggés csökkentéséről (1965. AECI—2252). A szerző a diszkriminációs szintet egy fűrészjel generátor segítségével változtatja a mérés ideje alatt, ezzel 100 keV felett javulást ér el az energiamenetben. A módszer hátránya, hogy az amúgyis kényes diszkriminátor fokozatot nagyön bonyolulttá teszi. Ezért ez a módszer sem tudott elterjedni. A találmány célja az ismert félvezető detektoros dózisteljesítmény-mérőátalakítók hátrányainak kiküszöbölésére, és olyan mérőátalakító megvalósítása, amelynek energiamenete az eddig ismert megoldásokénál kedvezőbb, amely sorozatgyártott, kommersz félvezető detektorokkal is, elektronikus korrekció nélkül is, magasabb 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 2
