Silizium-Alpha-Detektor
Letzte
Woche kam ganz überraschend ein Päckchen mit professionellen
Halbleitersensoren von Rudolf Hugi aus der Schweiz bei mir
an. Solche professionellen Sensoren
hätte ich mir nicht leisten könnten (pro Sensor ca. 1 kFr), und sogar
eine Bezugsquelle ist kaum
auszumachen. Die Sensoren werden teils von den
Messgeräteherstellern selbst für ihre Messgeräte hergestellt, somit
sind Daten darüber spärlich veröffentlicht ("unsere Messgeräte messen
gut, aber wir sagen nicht, wie sie es machen"). Die Teile stammen aus
Geräten vom Typ WLM1A Eberline von 1987
für die Messung der Radonbelastung. Eine Pumpe förderte das Gas in eine
Messkammer direkt vor die aktive Fläche des Silizium-Sensors. Die
Sensoren
(silicon difused junction diode) wurden über 51 k an 22 V
betrieben. Sie
verhalten sich ähnlich wie großflächige Photodioden. Mit dem Multimeter
konnte
ich eine Sperrschichtkapazität von 2,5 nF messen, die aber bei höherer
Sperrspannung vermutlich wesentlich kleiner sein wird.
Es gibt zwei unterschiedliche Typen von Sensoren,
die sich aber gleich verhalten. Beide sind relativ gut gegen Licht
abgeschirmt,
sodass die Anforderungen an die absolute Dunkelheit geringer sind als
bei
anderen Sensoren. Erste Vorversuche haben gezeigt, dass diese Sensoren
etwas
niederohmiger angeschlossen werden müssen als die BPW34, um einen
optimalen
Rauschabstand zu erzielen. Das Rauschen ist höher als bei der BPW34.
Der
Rauschuntergrund ist so, dass Gamma- und Betastrahlen teilweise gerade
noch
erkennbar werden. Alpha-Signale treten jedoch deutlich aus dem Rauschen
hervor.
Der eigentliche Vorteil dieser großflächigen Sensoren ist, dass auch
schwache
Alpha-Strahler in relativ kurzer Zeit gemessen werden können. Damit
habe ich
jetzt die Chance, Mineralien und Baustoffe genauer zu
untersuchen.
Ich wollte den Sensor an das Elektor-Strahlenmessgerät
anschließen. Im Prinzip könnte man zwar einfach die BPW34 durch den
Sensor
ersetzen, aber dann läge das Gehäuse am empfindlichen Eingang.
Für eine
gute Störsicherheit muss das Gehäuse und damit die Anode an Masse
liegen. Die
Signale müssen also invertiert werden. Dazu habe ich eine einzelne
Transistorstufe eingesetzt. Die zusätzliech Bauteile habe ich in freier
Verdrahtung auf den Sensorverstärker gelötet.
Mit dem Elektor-Strahlenmesser kann man die
Auslöseschwelle fein einstellen und so legen, dass sie knapp über dem
Rauschen
liegt. Damit war sogar die Messung der Betastrahlung von Kaliumsalz
gerade noch
möglich. Allerdings liegen die Signale dann so nahe am Rauschen, dass
immer
eine gewisse Unsicherheit bleicht. Besser also stellt man die
Auslöseschwelle höher
bei etwa 30 ein und misst dann nur noch Alpha-Teilchen. Die folgende
Messung an
einem Stückchen Uran-Pechblende dauerte nur 5 Minuten. Man sieht eine
kontinuierliche
Energieverteilung, die zum größten Teil darauf zurückzuführen ist, dass
die
Zerfälle in unterschiedlicher Tiefe in der Probe stattfinden. Beim Weg
nach
außen verlieren die Teilchen bereits einen Teil ihrer Energie.
Uran-Pechblende
Anders
sieht es bei einem AM241-Präparat aus einem
Rauchmelder aus. Die aktive Fläche ist so dünn, dass praktisch keine
Energie
verloren geht. Die Energieverteilung unterscheidet sich daher deutlich
von der
des Uran-Minerals. Die Messung im Abstand 5 mm von der Probe dauerte
nur 20
Sekunden.
AM241, Abstand 5 mm
Dieselbe
Probe im Abstand 2,5
cm zeigt eine völlig andere Energieverteilung, weil die Alpha-Starahlen
in der
Luft bereits einen großen Teil ihrer Energie verlieren. Die Messung
dauerte
diesmal 2 Minuten.
AM 241, Abstand 2,5 cm
Auch ein alter Lampen-Glühstrumpf ist wegen seines
Thorium-Gehalts ein starker Alpha-Strahler. Die folgende
Messung direkt am
Sensor dauerte zwei Minuten. Die Energieverteilung lässt vermuten, dass
das strahlende
Material im wesentlichen an der Oberfläche sitzt.
Thorium im Lampen-Glühstrumpf
Immer wenn man solche relativ aktiven Alphastrahler
gemessen hat, braucht die ganze Messkammer eine gewisse Ruhezeit. Die
ersten
Messungen zeigen noch eine leicht erhöhte Strahlung, die auf
Zerfallsprodukte
zurückzuführen sind, die sich in der Kammer angereichert haben. Nach
etwa einer
Stunde kann man auch wieder schwache Proben messen.
Die folgende Messung
an einer vulkanischen Gesteinsprobe aus Norafrika dauerte knapp eine
Stunde. Sie zeigt eine
schwache Alpha-Aktivität, wie sie wohl im Inneren der Erde normal ist.
Man
sieht auch Ereignisse mit hoher Energie, wie sie für Uran und seine
Zerfallsprodukte typisch sind. Der Vorteil dieses Sensors ist, dass das
Messergebnis
nicht durch Gammastrahlen der Umgebung verfälscht wird. Man kann daher
in
Langzeitmessungen auch sehr geringe Aktivitäten aufspüren.
Vulkangestein, Messzeit knapp eine Stunde
Alpha,
Beta und Gamma
Inzwischen habe ich auch die letzten beiden
Sensoren genauer getestet. Der goldene Sensor mit Abdeckfolie war in
der
Pumpen-Messkammer eingebaut. Dieser Sensor hatte ein besonders geringes
Rauschen und gleichzeitig eine geringe Lichtempfindlichkeit. Die
Auslöseschwelle konnte relativ klein auf 10 eingestellt werden. Damit
war auch
die Messung von Gamma- und Betastrahlen möglich. Eine Pechblende-Probe
kann nun
z.B. durch das Gehäuseblech hindurch gemessen werden. Bei schwacher
Beleuchtung
kann der Sensor auch außerhalb der "Dunkelkammer" verwendet werden.
Das ist ideal, denn nun können Alpha, Gamma- und Betastrahlen gemessen
werden.
Mit seiner großen Fläche erreicht der Sensor ähnliche
Impulsraten wie ein
Geigerzäher mit Fensterzählrohr.
Der Sensor Nummer 4 (blau) hat anscheinend eine offene Siliziumfläche.
Er muss
daher in absoluter Dunkelheit eingesetzt werden. Dieser Sensor zeigt
wieder
etwas mehr Rauschen, deshalb eignet er sich nur für Alphastrahlen.
Alpha-Dertektor
mit 2N3055
Und hier kommt die Lösung für den kleinen
Geldbeutel: Ein Leistungstransistor ist ebenfalls ein brauchbarer
Alpha-Detektor, wenn auch mit wesentlich kleinerer Fläche. Mit einem VMOS-Transistor
hatte ich schon mal Erfolge. Jetzt ist mit auch ein 2N3055 in die Hände
gefallen, dessen Siliziumchip keine Schutzbeschichtung hat.
Ich verwende die Basic-Kollektordiode
des
Transistors als Sensor, Pluspol am Kollektor. Der Transistor wurde
ansonsten
genau wie der große Silizium-Sensor angeschlossen, wobei das Gehäuse
leider
nicht an Masse liegt. Ergebnis: Alpha-Teilchen erzeugen Signale
in gleicher
Höhe wie bei den teuren Sensoren. Nur die Impulsrate ist meist viel
kleiner,
wegen der kleineren aktiven Fläche. Nur wenn der Strahler ebenfalls
eine kleine
Fläche hat und man einen geringen Abstand einhält, sind die Impulsraten
fast
gleich. Im Bild sieht man den Alpha-Strahler
AM241 ganz nah am Sensor. Das knattert!
Siehe auch: 3055-Varianten: https://www.richis-lab.de/2N3055.htm
Hinweise zu
Oberflächen-Sperrschicht-Detektoren, von Bernhard Schnurr
Gerade
habe ich eine Zusammenstellung von
Oberflächen-Sperrschicht-Detektoren - in der Regel kurz PIPS
genannt-zur Hand. Über Alpha und Beta ist das Meiste schon gesagt.
Die Gamma-Empfindlichkeit ist bei der Alpha-Messung natürlich
unerwünscht. Nur bei der Röntgenfluoreszenz, die z.T. auch
diese Art Detektoren verwendet, kommt die
Gamma-/Röntgen-Empfindlichkeit zum Tragen. Wie Sie dem Prospekt
entnehmen können, gibt diese PIPS-Detektoren mit
unterschiedlicher Sperrschichtdicke. Je dünner die Sperrschicht,
desto unempfindlicher für Gammastrahlung.
Ion-Implanted-Silicon Charged-Particle Detectors: http://www.jlab.org/accel/inj_group/testcave/mott/ultra.htm
Was
bisher nicht gesagt wurde ist, dass die Detektoren zum Betrieb in
Vakuum bestimmt sind. An der Luft erleiden sie eine Erscheinung die
microplasma breakdown genannt wird. Die normale Arbeitsspannung
beträgt zwischen 30 und 60 Volt. Dividiert man das durch die
Sperrschichtdicke, so kommt eine hohe Zahl in Volt pro Meter heraus. Es
ist daher nicht verwunderlich, dass an einer Fehlstelle eine Entladung
einsetzt, die zumindest den Nahbereich unbrauchbar macht. Neuere
Detektoren sind in der Regel entsprechend beschichtet, so dass diese
auch längere Zeit bei Normaldruck unter Spannung gesetzt werden
dürfen.
Die vorgesehene Arbeitsweise ist so:
- Alle relevanten Alpha-Strahler sind Metalle.
-
Die Probe wird chemisch aufgeschlossen und die Metalle elektrochemisch
in dünner Schicht abgeschieden. Der Grund ist die Schwächung
von Alpha-Teilchen beim Durchdringen von Materie. Dadurch wird die
Energie der Teilchen zu niedrig gemessen und im Extremfall der
gemessene Peak einem falschen Isotop zugeordnet.
- Das Metallplättchen wird in einer kleinen Vakuumkammer unter dem
PIPS-Detektor positioniert und gemessen.
Die
Zuordnung und Aktivität des Isotops wird durch Vergleichsmessungen
mit bekannten Präparaten bestimmt. Die Richtigkeit der
Kalibrierpräparate wird mit anderen Verfahren bestimmt, z.B.
Einbringen in gasgefüllte Zählrohre. Oberste Instanz ist die
Physikalisch technischen Bundesanstalt.
Untersuchung
von Lavagestein aus der Eifel
In der Eifel findet man rund um den alten Vulkan
bei Maria Laach Lava verschiedene Arten Lava. Damit hat man
Material aus
den Tiefen der Erde. Und darin sollte ein kleiner Anteil Uran enthalten
sein.
Man geht heute allgemein davon aus, dass ein erheblicher Anteil der
Erdwärme aus
dem Uranzerfall stammt. Etwas davon sollte sich also an der Lava messen
lassen.
Die großen Silizium-Sensoren bieten sich dazu an, weil sie für
Alpha-Strahlung
empfindlich sind.
Bei allen Lavaproben konnte eine geringe Aktivität
nachgewiesen werden. Rotes und schwarzes Material mit schaumiger
Struktur
strahlt etwas weniger als weiße Lava mit dichterer, deutlich
kristalliner
Struktur. In allen Fällen ist die Strahlung aber so gering, dass man
sich keine
Sorgen machen muss.
Siehe auch: Natürliche
Radioaktivität im
Laacher-See-Vulkangebiet
Dr. Thomas Bultmann schreibt hier, dass
die Strahlung überwiegend auf Kalium-40 zurückgeht. Das wollte ich
genauer
untersuchen. Eine Vergleichsmessung mit Pottasche bei gleichem Sensor
und
gleicher Einstellung der Auslöseschwelle zeigte mit 15 Imp/min eine
deutlich
höhere Strahlung als bei der Lava. Eine genauere Aussage ermöglicht das
Energiespektrum. Eine Messung an der weißen Lava zeigte in einer Stunde
nur ca.
vier Alpha-Ereignisse, also vermutlich nur sehr wenig Uran und Thorium.
Dagegen
hat Vulkangestein aus Nordafrika (obere Kurve, reinkopiert) deutlich
mehr Alpha-Strahlung.
Offene BPW34 als Alpha-Detektor,
von Frank Hagemann
Ich
konnte einen Kristall der BPW34 mit Aceton aus dem
Acrylmantel lösen und neu kontaktieren. Die
Diodenfunktion ist erhalten geblieben. Nach einer Woche im
warmen
Acetonbad zerfällt die Diode in Einzelteile bei leichtem Druck
einer Uhrmacher-Pinzette Dabei wird auch der Bond-Draht zerstört.
Versuche, den Kopf der eingelöteten Diode mechanisch zu
entfernen, auch nach Einweichen mit Aceton, gehen zu 90 % schief. - Die
Deckschicht ist beständiger als der Körper. Ich habe
den Kristall mit Leitsilber auf eine grobe
Verobord-Platte geklebt
und den anderen Anschluss mit einem Widerstandsdrähtchen federnd
aufgelegt. Der Chip selbst scheint sehr robust zu sein.
Hier ein Foto von dem BPX34 Kristall auf der Veroboardplatte. Es ist
etwas Silberleitlack unten auf dem Kristall zu sehen. Ich
versuche ihn nach dem völligen Trocknen abzukratzen. Die
Fotodiode funktioniert aber noch.
Zweiter Test: Ich
habe einen neuen Sensor
gebaut und an dem Elektor Bausatz angeschlossen. Das Ergebnis ist
beeindruckend, .Nach ca. 10 Minuten sind etwa 5000 Impulse gezählt beim
Triggerlevel 14. Ein alter Uhrzeiger dient als Strahlenquelle in 2 cm
Abstand Der
Aufbau ist etwas geändert. Eine richtige Kontaktfeder aus einem
Flachbandstecker
ersetzt jetzt den Widerstandsdraht. Der Flachbandstecker wird vorher
auf die
Veroboardplatte aufgelötet Der Chip kann dann einfach mit einer
Pinzette unter
den Bond-Kontakt geschoben werden, die Feder hält den Chip etwas fest.
Für die Justage benutze ich ein Stereo Mikroskop mit 30-facher
Vergrößerung (vgl. Geräte von PCE
Instruments) und
eine Splitterpinzette. Außerdem muss die Kontaktierung mit einem
Multimeter
oder Komponententester auf Funktion geprüft werden. Der Silberleitlack
lässt
sich nach dem Trocknen einfach vom Chip kratzen. Kommt der Leitlack mit
der
Oberseite (kleiner Silberrahmen) in Berührung, entsteht ein Kurzschluss
Dann
den Lack trocknen lassen und mit einer Rasierklinge abkratzen.
Die folgenden Messergebnisse mit und ohne Papierabschirmung
zeigen, dass Alpha gemessen wird:
1. Level 7, gerade über den Rauschen: 27 Imp/Min
2. Ohne Papier, ca. 1 cm Abstand: 616 Imp/Min
Ohne Papier, ca. 1.5 cm Abstand: 321 Imp/Min
3. Mit Papier 1 cm: 175 Imp/Min
Mit Papier 1.5 cm: 156 Imp/Min
Test
mit Alphastrahler AM241
Der Sensor wurde an an das Elektor-Strahlenmessgerät
angeschlossen. Ein AM241-Strahler aus einem Ionisations-Rauchmelder im
Abstand 1 cm zeigte 2300 Impulse pro Minute. Das ist ein
weiterer
Hinweis, dass die geöfnete BPW34 ein vollwertiger Alpha-Detektor ist.
Test
mit Betastrahler Kalium
Eine
Vergleichsmessung an einer Glimmlampenelektrode mit
Kalium-Beschichtung zeigt, dass eine offene BPX61 (oben) sehr ähnliche
Ergebnisse liefert wie die offene BPW34 (unten). Damit ist gezeigt,
dass die Diode auch ein guter Beta-Detektor ist.
