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Verfahren für die Charakterisierung von Diamantdetektoren als Neutronenspektrometer entwickelt

14.12.2012

Detektoren aus künstlich hergestelltem einkristallinem Diamanten sind als Neutronenspektrometer mit anders kaum erreichbarer Energieauflösung für den Einsatz in extremen Neutronenflüssen geeignet, wie sie z.B. bei dem sich z.Z. im Bau befindlichen Fusionsexperiment ITER in Cadarache (Frankreich) erwartet werden. Diese Detektoren arbeiteten nach dem gleichen Prinzip wie Silizium-Halbleiterdetektoren. Durch die auf den Detektor treffenden Neutronen werden durch Kernreaktionen mit den Kohlenstoffatomkernen des Diamantkristalls geladene Teilchen erzeugt, die dann im Halbleiterkristall ihre Energie abgeben und gestoppt werden. Für den Einsatz in Neutronenfeldern hat Diamant den Vorteil, dass es extrem resistent gegenüber strahleninduzierten Schädigungen des Kristalls ist.

Für den Einsatz von Diamantdetektoren als Neutronenspektrometer an Fusionsanlagen müssen die Detektorantwortfunktionen für monoenergetische Neutronen im Energiebereich von ca. 6 MeV bis ca. 16 MeV bekannt sein. Im Rahmen eines von der EFDA (European Fusion Development Agreement) geförderten Projekts wurde in der PTB ein Messverfahren entwickelt, mit dem die Antwortfunktionen des Detektors in diesem Energiebereich bestimmt werden können.

An der Ionenbeschleunigeranlage der PTB wurden die Detektorantwortfunktionen eines kommerziellen Diamantdetektors bei 9 Neutronenenergien untersucht. Das Verfahren beruht darauf, dass ein monoenergetischer Deuteronenstrahl aus den Zyklotron der PTB auf ein Gastarget trifft und hochenergetische Neutronen erzeugt. Die Energie des Deuteronenstrahls, und damit die Neutronenenergie, lassen sich quasi kontinuierlich variieren. Ergebnisse dieser Messung sind in Abb. 1 dargestellt.

Abb. 1 : Pulshöhenspektren des Diamantdetektors bei Bestrahlung mit 2 verschiedenen Neutronenenergien: a, oben) 16 MeV b, unten) 14 MeV. Abhängig von der ingestrahlten Neutronenenergie werden unterschiedliche Kernreaktionen nduziert, die zu veränderten Antwortfunktionen des Detektors führen. Das neu entwickelte Verfahren erlaubt die quasi kontinuierliche Variation der Neutronenenergie von 6 MeV bis ca. 16 MeV und somit eine vollständige Charakterisierung des Detektors in einem Neutronenenergiebereich, der für die Diagnostik von Neutronen an Fusionsexperimenten relevant ist.

In den Pulshöhenspektren sind deutlich die unterschiedlichen Reaktionskanäle zu erkennen, die mit ansteigender Neutronenenergie möglich sind. Signale, die nicht durch Neutronen aus dem monoenergetischen Peak des Neutronenspektrums stammen, werden mit der Flugzeitmethode abgetrennt. Dies ist in Abb. 2 dargestellt. Der dort markierte Bereich entspricht dem monoenergetischen Neutronenpeak.

Abb. 2 : Signale des Diamantdetektors bei der Bestrahlung mit Neutronen mit einer Neutronenenergie von 16 MeV. Signale, die nicht von monoenergetischen Neutronen stammen, können aufgrund der gepulsten Strahlstruktur mit Hilfe der Flugzeitmethode von den übrigen Neutronen (links des markierten Bereichs) und Gammasignalen (rechts des markierten Bereichs) abgetrennt werden.

Da auf diese Weise der gesamte Energiebereich zwar prinzipiell überdeckt, aber aufgrund der langen Messzeiten nicht lückenlos vermessen werden kann, sind begleitende Rechnungen nach der Monte Carlo Methode nötig, um eine vollständige, dann theoretisch begründete Antwortfunktion des Detektors zu erhalten. Dazu müssen vorhandene Rechenprogramme noch entsprechend modifiziert werden. Dann ist es unter Zuhilfenahme von in der PTB etablierten Entfaltungsmethoden möglich, aus gemessenen Pulshöhenspektren die spektrale Neutronenenergieverteilung in einem weiten Neutronenenergiebereich zu bestimmen.