Silizium-Alpha-Detektor

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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!

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. 



Siehe auch: Hochauflösende Gammaspektroskopie der Eifel-Lava
 

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.





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