Verfahren, Vorrichtung und Verwendung der Vorrichtung zur Detektion von Neutronen sowie Auslese- und Verarbeitungseinrichtung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion von Neutronen, umfassend einen Szintillator, welcher ausgebildet ist, um insbesondere thermische Neutronen einzufangen und infolge eines Neutronen-Einfang-Ereignisses Photonen zu emittieren, und einen Photodetektor, welcher eine photoempfindliche Fläche aufweist und ausgebildet ist, um die von dem Szintillator infolge eines Neutronen-Einfang-Ereignisses emittierten Photonen zu detek- tieren, wobei der Photodetektor im Geiger-Modus betriebene Avalan- che-Photodioden umfasst, und bevorzugt als Silizi- um-Photomultiplier-Detektor ausgebildet ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Detektion von Neutronen, eine Verwendung einer Vorrichtung zur Neutronendetektion sowie eine Auslese- und Verarbeitungseinrichtung. Die Detektion von Neutronen spielt in unterschiedlichen Bereichen, wie beispielsweise der Materialforschung, der Auffindung von nuklearen Abfällen, der Chemie, der Energiegewinnung und Energiespeicherung, wie etwa der Analyse der Funktionsmechanismen in Batterien, der Medizin und der Biologie eine wichtige Rolle.

In Neutronenstreuexperimenten, wie etwa der Kleinwinkel-Neutronenstreuung (small angel neutron scatering - SANS) werden thermische Neutronen mit Energien bis zu einigen 100 meV verwendet, um die Struktur und Dynamik von Materie zu untersuchen. Aufgrund der ver- gleichsweise geringen Energien der Neutronen besteht die einzige Möglich- keit der Detektion darin, sie über Kernreaktionen zu erfassen, im Rahmen derer die Neutronen durch Kerne eingefangen werden und in Folge dessen sekundäre Partikel mit hohen Energien entstehen, die geeignet sind, um das verwendete Detektormaterial zu ionisieren. Die wichtigsten Kern-Einfangsreaktionen für die Detektion von thermischen Neutronen basieren auf dem Isotopen ¹⁰ B, ³ He und ⁶ Li, was in zwei Hauptkategorien von Neutronendetektoren resultiert.

Zum einen gibt es gasförmige Neutronendetektoren. In diesen wird die von den sekundären Partikeln der Neutroneneinfangsreaktion deponierte Ladung durch ein elektrisches Feld in dem Gas derart verstärkt, dass ein Signal an einer Elektrode erzeugt wird. Zu diesem Zwecke können ¹⁰ BF3-Gas und ³ He-Gas zum Einsatz kommen, die beide unmittelbare Isotope für den Neutroneneinfang aufweisen. Ein anderer Ansatz besteht darin, eine dünne Schicht eines Konversionsmaterials, bei dem es sich in der Regel um 10B handelt, auf der Kathode des Detektors zu deponieren. In diesem Falle werden die sekundären Partikel in der Konversionsschicht produziert und treten in das Gasvolumen ein. Dort erzeugen Sie Ladung durch Ionisation. Typen von gasförmigen Detektoren umfassen einfache Zählrohre, positionssensitive Rohre oder Vieldrahtproportionalzähler.

Ein weiterer Typ von Neutronendetektoren ist durch Szintillatoren gegeben. Diese bestehen aus einem Material, welches in Folge eines Neutroneneinfangs Licht erzeugt. Die Szintillations-Neutronendetektoren umfassen weiter- hin einen Photodetektor, welcher das in Folge des Neutroneneinfangs erzeugte Licht misst. Li-Glas und LiF/ZnS:Ag kommen dabei in der Regel als Koversionsmaterial zum Einsatz. Für die Detektion des erzeugten Lichtes werden üblicherweise Photovervielfacherröhren (Photo multiplier tube - PMT) verwendet. Die Verwendung von Photovervielfacherröhren ist dabei mit einigen Nachteilen verbunden. Einerseits zeichnen sich diese durch eine hohe elekt- ro-mechanische Komplexität mit einer Mehrzahl von in einer Vakuumröhre angeordneten Dynoden aus. Darüber hinaus verbrauchen sie in Folge der hohen Vorspannungen von mehreren tausend Volt vergleichsweise viel Energie. Sie sind darüber hinaus für einen Betrieb in magnetischen Feldern nicht geeignet, da die Elektronen während ihrer Bewegung durch die Vakuumröhre durch das Magnetfeld abgelenkt würden und in Folge dessen die Dynoden und die Endanode nicht mehr treffen, wodurch das Signal ver- fälscht würde.

Die Bestrebungen sind daher dahin gegangen, andere Photodetektoren zu verwenden. Die EP 2 770 342 A1 beispielsweise offenbart einen Neutronendetektor, welcher einen plattenförmigen Szintillatoren aus festem Material umfasst, der seitlich an einem wellenlängenverschiebenden ebenfalls plattenförmigen Lichtleiter angeordnet ist. Treffen Neutronen auf den Szintillator wird Licht erzeugt, welches u.a. in den wellenlängenverschiebenden Lichtleiter einstrahlt. Zur Messung des erzeugten Lichtes ist an einer Kante des wellenlängenverschiebenden Lichtleiters ein Silizium-Photomutliplier als Photodetektor vorgesehen. Der auf diese Weise ausgebildete Neutronendetektor wird von einer Person am Körper getragen, wobei die Person dann als Moderator für die Neutronen dient.

Der aus dem Stand der Technik vorbekannte Neutronendetektor hat sich prinzipiell bewährt. Es besteht jedoch Bedarf an Neutronendetektoren, die eine räumlich aufgelöste Detektion von Neutronen ermöglichen, wobei die Detektoren auch in einem magnetischen Feld einsetzbar sein sollen.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung an- zugeben, mit der insbesondere thermische Neutronen mit hoher räumlicher Auflösung detektiert werden können. Dabei soll die Vorrichtung auch in einem magnetischen Feld, insbesondere einer Stärke von einigen hundert Mil- litesla zuverlässige Werte liefern und sich durch einen vergleichsweise einfachen Aufbau und einen vergleichsweise geringen Energieverbrauch aus- zeichnen. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Detektion von Neutronen anzugeben, welches diese Anforderungen erfüllt.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass sich der Szintillator vor der photoempfindlichen Fläche des Photodetektors erstreckt und der Photodetektor eine Mehrzahl von Pixelelementen aufweist, durch welche die photoempfindliche Fläche definiert wird, wobei der Photodetektor derart ausgebildet ist, dass die Pixelelemente unabhängig voneinander auslesbar sind.

Erreicht ein langsames oder thermisches Neutron den Szintillator der erfindungsgemäßen Vorrichtung und interagiert mit dessen Konversionsmaterial, findet eine Kernreaktion statt, bei der sekundäre Partikel produziert werden. Das Neutron wird eingefangen und es wird eine Reaktion ausgelöst. Dabei wird im Rahmen der ausgelösten Reaktion zusätzliche Energie in der Szintil- latorstruktur freigesetzt, die in der Regel im Bereich einiger MeV liegt. Bei einer sekundären Emissionsreaktion, die erfolgt, wenn die sekundären Partikel ein Dotierungsatom im Szintillatormaterial streuen, werden sichtbare Photonen erzeugt, die in alle Richtungen emittiert werden. In Näherung kann dabei der Erzeugungspunkt der Photonen als derjenige Punkt aufgefasst werden, an welchem das auftreffende thermische Neutron die Kernreaktion in dem Szintillator hervorruft. Die ist der Ursprungsort des Neutronen-Einfang-Ereignisses. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein pixelierter Photodetektor mit im Geiger Modus betriebenen Avalanche-Photodioden vorgesehen, vor dessen photoempfindlicher Fläche sich der Szintillator erstreckt. In vorteilhafter Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Szintillator plat- tenförmig ausgebildet ist und der Szintillator und der Photodetektor derart angeordnet sind, dass die photoempfindliche Fläche des Photodetektors einer der beiden ausgedehnten Seiten des plattenförmigen Szintillators gegenüberliegt. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform er- streckt sich die photoempfindliche Fläche des Photodetektors zumindest im Wesentlichen parallel zu dem plattenförmigen Szintillator.

Auf der photoempfindlichen Fläche des Photodetektors ergibt sich infolge eines Neutronen-Einfang-Ereignisses eine kreisförmige Beleuchtungsfläche, die sich konstant mit dem sich von Ereignis zu Ereignis ändernden Ursprungsort der Photonenerzeugung ändert.

Mittels des pixelierten Photodetektors, welcher eine Mehrzahl von Pixelelementen umfasst, kann erfindungsgemäß das in dem sich vor der photoemp- findlichen Fläche erstreckenden Szintillator infolge von an unterschiedlichen Orten auftretenden Neutronen-Einfang-Ereignissen erzeugte Licht räumlich aufgelöst detektiert werden.

Dabei kommt als Photodetektor ein Festkörper-Photodetektor zum Einsatz, d.h. ein solcher, bei dem für die Lichtdetektion ein festes und somit kein gasförmiges oder flüssiges Material Verwendung findet.

Bei den Pixelelementen des Photodetektors handelt es sich um einzelne photosensitive Elemente, welche die im Geiger-Modus betriebenen Avalan- che-Photodioden aufweisen und mittels denen Licht in ein elektrisches Signal umgewandelt werden kann. Dabei werden interne Lawinen-Vervielfältigungsprozesse genutzt, wobei die Pixelelemente insbesondere ausgebildet sind, um eine nahezu-Einzel-Photonenzählung bzw. eine Einzel-Photonen-Zählung zu ermöglichen. Jedes Pixelelement zeichnet sich durch eine eigene photoempfindliche Fläche aus, die jeweils eine Teilfläche der gesamten photoempfindlichen Fläche des Photodetektors bildet. Die photoempfindliche Fläche des Photodetektors wird demgemäß durch die Mehrzahl der vorgesehenen Pixelelemente definiert. Es handelt sich bei dem pixelierten Photodetektor bevorzugt um einen Sili- zium-Photomultiplier-Detektor (SiPM). Silizium-Photmultiplier sind auch unter der Bezeichnung Einzel-Photonen-Lawinen-Dioden (SPADs) bekannt. Diese Art von Photodetektoren kann störungsfrei in externen Magnetfeldern beispielsweise mehrerer hundert Millitesla betrieben werden, so dass die erfin- dungsgemäße Vorrichtung eine ortsaufgelöste Neutronendetektion auch beim Vorhandensein externer magnetischer Felder ermöglicht.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist daher u.a. besonders geeignet, um im Rahmen von Kleinwinkel-Neutronen-Streuexperimenten, bei denen mitunter derartige Magnetfelder vorliegen, zur räumlich aufgelösten Neutronendetektion zum Einsatz zu kommen.

Photodetektoren mit Avalanche-Photodioden, insbesondere Silizi- um-Photomultiplier-Detektoren können ferner bei vergleichsweise niedrigen Spannungen betrieben werden, was einen besonders energieeffizienten Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglicht. Auf diese Weise ist sie insbesondere auch für mobile Anwendungen besonders geeignet. Die Pixelelemente des Photodetektors sind in bevorzugter Ausgestaltung unmittelbar nebeneinanderliegend angeordnet. Sie bilden insbesondere in Reihen und/oder Spalten angeordnet ein regelmäßiges Array. Der erfindungsgemäß zum Einsatz kommende Photodetektor ist ferner derart ausgebildet, dass ein Auslesen der Ausgangssignale individueller Pixelelemente möglich ist, was eine besonders hohe Flexibilität der Datenauslesung, und insbesondere eine Reduktion der gleichzeitig auszulesenden Datenmengen ermöglicht. Es kann insbesondere das Ausgangssignal jedes ein- zelnen Pixelelementes unabhängig von den Ausgangssignalen der verbleibenden Pixelelemente ausgelesen werden.

Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass der Photodetektor eine Mehrzahl von nebeneinanderliegend in Reihen und/oder Spalten angeordneten Pixelelement-Array-Modulen aufweist, die jeweils eine Mehrzahl von nebeneinander liegend in Reihen und/oder Spalten angeordneten Pixelelementen umfassen. Der Photodetektor weist dann ein Array von mehreren Modulen auf, die jeweils wiederum durch ein Array von Pixelelementen gebildet werden. Zum Beispiel kann der Photodetektor eine Mehrzahl von insbesondere quadratischen Modulen umfassen, die beispielsweise jeweils 8 x 8 oder 12 x 12 Pixelelemente aufweisen. Andere Ausgestaltungen sind ebenfalls möglich. Diese Ausführungsform ist insbesondere zweckmäßig, wenn sich die erfindungsgemäße Vorrichtung durch eine vergleichsweise große Detektionsfläche beispielsweise in der Größenordnung mehrere Quadratmeter auszeichnen soll, da durch die mo- dulare Ausgestaltung auf einfache Weise auch große Detektionsflächen realisiert werden können.

Ist eine Neutronendetektion im Rahmen eines Kleinwin- kel-Streuexperimentes erforderlich, kann beispielsweise ein Detektionsfläche einer Größe zwischen einem und 30 Quadratmetern erforderlich sein, die über eine modulare Ausgestaltung des Photodetektors realisiert werden kann. Für die Kontrolle nuklearer Abfälle kann beispielsweise eine Detekti- onsfläche mit einer Größe von ebenfalls einigen Quadratmetern oder - ins- besondere im Falle mobiler Anwendungen - eine Detektionsfläche von beispielsweise einigen Quadratzentimetern geeignet sein, die dann ebenfalls durch mehrere Module gebildet sein kann.

Was die Form der Pixelelemente des Photodetektors angeht, können diese sich beispielsweise durch einen quadratischen Umfang auszeichnen. Die Kantenlänge der Pixelelemente kann dann insbesondere im Bereich von 2 bis 6 mm, bevorzugt 3 bis 5 mm liegen. Die photoempfindliche Fläche jedes Pixelelementes, welche sich insbesondere über die gesamte Vorderseite jedes Pixelelementes erstreckt, zeichnet sich dann insbesondere ebenfalls durch eine quadratische Form aus.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der Photodetektor ausgebildet ist, um bei einer Vorspannung unterhalb von 60 Volt betrieben zu werden. Dies ermöglicht einen energiesparenden Be- trieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Detektion von Neutronen.

Bei dem Szintillator der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich zum Beispiel um einen Li-Glas-Szintillator, insbesondere einen Ce-dotierten ⁶ Li-Glas-Szintillator. Ein Szintillator aus einem solchen Material zeichnet sich durch eine besonders gute Neutronen-Detektions-Effizienz aus.

Der Szintillator zeichnet sich ferner in vorteilhafter Ausgestaltung durch eine Neutronen-Absorptionseffizienz von mehr als 80 % aus. Der Szintillator ist in vorteilhafter Ausgestaltung derart ausgebildet, dass die Wahrscheinlichkeit der Interaktion mit einem Gammaphoton 1 e-5 mal kleiner ist als die Wahrscheinlichkeit der Interaktion mit einen Neutron. Der Brechungsindex des Szintillators liegt beispielsweises im Bereich von 1 ,4 bis 1 ,7, insbesondere 1 ,5 bis 1 ,6, bevorzugt 1 ,52 bis 1 ,57.

Der plattenförmige Szintillator kann sich ferner durch eine Dicke im Bereich von 0,5 bis 2 mm, bevorzugt von 0,7 bis 1 ,5 mm, besonders bevorzugt von 0,8 bis 1 ,2 mm auszeichnen.

Die Größe des Szintillators entspricht in vorteilhafter Ausgestaltung der Größe der photoempfindlichen Fläche des Photodetektors. Dies gewährleistet, dass sich vor der gesamten photoempfindlichen Fläche des Photodetektors, also vor sämtlichen Pixelelemeten das Szintillatormaterial erstreckt, in welchem das zu detektierende sichtbare Licht in Folge von Neutronen-Einfangereignissen erzeugt wird.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass sich der Szintillator durch eine Ab- klingzeit im Bereich von einigen zehn Nanosekunden auszeichnet. Die Abklingzeit kann beispielsweise im Bereich von 40 bis 80 Nanosekunden, bevorzugt 50 bis 70 Nanosekunden liegen.

Als Abklingzeit ist dabei die Photonen-Abklingzeit innerhalb des Szintillators zu verstehen. Szintillations-Lichtpulse sind in der Regel durch einen schnellen Anstieg der Intensität mit der Zeit charakterisiert, die von einem exponen- tiellen Abfall gefolgt ist. Die Abklingzeit eines Szintillators ist definiert als diejenige Zeit, nach welcher die Intensität des Lichtpulses auf 1/e (das bedeutet 36,8%) des maximalen Wertes abgefallen ist. Die Gesamtdauer eines durch ein Ereignis in dem Szintillator ausgelösten Lichtpulses ist somit, wenn die Abklingzeit in den vorgenannten Bereichen einiger zehn Nanosekunden liegt, einige hundert Nanosekunden lang. Die meisten Szintillatoren sind durch mehr als eine Abklingzeit definiert und es wird üblicherweise eine effektive mittlere Abklingzeit angegeben. Die Abklingzeit spielt eine wichtige Rolle für einen schnellen Zählvorgang und/oder für Timing-Anwendungen.

Der Photodetektor, insbesondere die photoempfindliche Fläche des Photodetektors ist gemäß einer weiteren Ausführungsform in einem vorgegebenen Abstand, insbesondere im Bereich von 300 Mikrometern bis zu 4 mm, bevorzugt von 500 Mikrometern bis zu 2 mm zu dem Szintillator angeordnet.

Alternativ dazu ist es möglich, dass der Photodetektor, insbesondere die photoempfindliche Fläche dieses an einer der beiden ausgedehnten Seiten des plattenförmigen Szintillators unmittelbar anliegt. Ist vor der photoemp- findlichen Fläche des Photodetektors zum Schutz eine Scheibe aus Glas vorgesehen, liegt insbesondere diese unmittelbar an dem Szintillator an bzw. beziehen sich die vorstehenden Abstandsangaben insbesondere auf die die Vorderseite dieser Platte. Liegen Szintillator und Photodetektor nicht unmittelbar aneinander an, sondern sind diese in einem Abstand zueinander angeordnet, kann ferner vorgesehen sein, dass zwischen dem Szintillator und dem Photodetektor eine optische Kopplungsschicht, insbesondere eine Schicht aus einem optischen Gel vorgesehen ist. Diese zeichnet sich dann insbesondere durch eine Dicke im Bereich von 200 Mikrometern bis zu 2 mm aus. Die optische Kopplungsschicht, insbesondere die Schicht aus dem optischen Gel gewährleistet eine besonders gute optische Kopplung zwischen den Szintillator und dem nachgeordneten Photodetektor. Dabei kann vorgesehen sein, dass die optische Kopplungsschicht, insbesondere die Schicht aus dem optischen Gel sowohl mit dem Szintillator als auch dem Photodetektor unmittelbar in Kontakt steht. Ist an der Vorderseite des Photodetektors eine Scheibe zum Schutz der photoempfindlichen Fläche vorgesehen, steht die optische Kopplungsschicht, insbesondere das optische Gel bevorzugt mit der Scheibe des Photodetektors unmittelbar in Kontakt.

Der Brechungsindex der optischen Kopplungsschicht, insbesondere des optischen Gels weicht in vorteilhafter Ausführung um maximal 10%, bevorzugt maximal 5% von dem Brechungsindex des Szintillators ab.

Der Brechungsindex der optischen Kopplungsschicht, insbesondere des optischen Gels kann beispielsweise im Bereich 1 ,4 bis 1 ,6, bevorzugt 1 ,48 bis 1 ,54 liegen.

In vorteilhafter Ausgestaltung ist weiterhin die Größe eines einzelnen Pixelelementes des Photodetektors derart gewählt, dass die räumliche Auflösung der Neutronendetektion ausschließlich durch die Reaktionen definiert ist, die in dem Szintillatormaterial erfolgen.

Dabei kann das Vorhandensein von Grenzwinkeln oberhalb derer eine Totalreflektion erfolgt gezielt genutzt werden, um die Größe der kreisförmigen Beleuchtungsfläche auf der photoempfindlichen Fläche des Photodetektors, die mit einem in dem Szintillator erfolgenden Ereignis verbunden ist, zu be- grenzen. Beispielsweise kann eine optische Kopplungsschicht, insbesondere ein optisches Gel gewählt werden, deren bzw. dessen Brechungsindex unterhalb des Brechungsindexes des Szintillators liegt, sodass an der Grenzfläche zwischen dem Szintillatormaterial und der optischen Kopplungsschicht, insbesondere dem optischem Gel Totalreflektion auftritt, wobei der Winkel in bekannter Weise von dem Verhältnis der Brechungsindexes der beiden Materialien abhängt. In gleicher weise können Brechungsindizes von optischer Kopplungsschicht und einer gegebenenfalls vor der photoempfindlichen Fläche des Photodetektors angeordneten Scheibe derart aufeinander abgestimmt sein, dass auch an dieser Grenzfläche eine Totalreflek- tion oberhalb eines kritischen Winkels auftritt. Die Beleuchtungsfläche wird dann praktisch durch die Wahl der Brechungsindizes beschränkt.

Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Anordnung derart getroffen ist, dass die Größe der kleinsten infolge eines Neutronen-Einfang-Ereignisses auf der photoempfindlichen Fläche des Photodetektors ausgeleuchteten Fläche die Größe eines Pixelelementes überschreitet, wobei insbesondere der Brechungsindex des Szintillators und gegebenenfalls der Brechungsindex und die Dicke der optischen Kopplungsschicht, insbesondere der Schicht aus dem optischen Gel und gegebenenfalls der Brechungsindex und die Dicke einer die photoempfindlichen Fläche des Photodetektors abdeckenden Glasplatte und die Größe der Pixelelemente des Photodetektors entsprechend aufeinander abgestimmt sind. Für eine gegebene Anordnung aus Szintillator, photoempfindlicher Fläche des Photodetektors und gegebenenfalls dazwischen liegenden Schichten aus unterschiedlichen Medien ergibt sich die kleinste in Folge eines Neutronen-Einfang-Ereignisses auf der photoempfindlichen Fläche des Photodetektors ausgeleuchtete Fläche für den Fall, dass das Neutro- nen-Einfang-Ereignis unmittelbar an der der photoempfindlichen Fläche zugewandten Seite des Szintillators auftritt. Unter Berücksichtigung von Dicken und Brechungsindizes aller von den Photonen bis zum Auftreffen auf der photoempfindlichen Fläche zu durchquerenden Schichten, bei denen es sich insbesondere um die gegebenenfalls vorgesehene optische Kopplungs- schicht, insbesondere das gegebenenfalls vorgesehene optische Gel, eine gegebenenfalls vorgesehen Scheibe vor der photoempfindlichen Fläche und/oder Luft bzw. evakuierten Raum handeln kann, kann berechnet werden, welchen minimalen Durchmesser die Beleuchtungsfläche auf der photoempfindlichen Fläche des Photodetektors hat. Der Durchmesser oder die Kan- tenlänge eines Pixelelementes des Photodetektors, bzw. dessen photoempfindlicher Fläche, sollte dann maximal diesem minimalen Durchmesser entsprechen.

Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass der Szintillator und, sofern vor- handen, die optische Kopplungsschicht, insbesondere das optische Gel und, sofern vorhanden, eine vor der photoempfindlichen Fläche des Fotodetektors angeordnete Glasplatte sich durch einen identischen oder zumindest möglichst ähnlichen Brechungsindex auszeichnen. In einem solchen Falle können sich die in dem Szintillator in Folge eines Neutronen-Einfang-Ereignisses erzeugten Photonen ohne bzw. nahezu ohne Ablenkung durch alle Medien bis zur photoempfindlichen Fläche des Photodetektors ausbreiten. Insbesondere findet in einem solche Falle keine Einschränkung dadurch statt, dass mit dem Grenzflächen der Medien kritische Winkel verbunden sind, oberhalb derer eine Totalreflektion auftritt, so dass die unter einem entspre- chenden Winkel auf die Grenzfläche auftreffenden Photonen reflektiert werden und die lichtempfindliche Fläche des Photodetektors nicht erreichen. Eine solche Anordnung ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn eine besonders hohe Lichtausbeute gewünscht oder sogar erforderlich ist. Auch können Medien mit in Richtung des Photodetektors abnehmenden Bre- chungsindizes vorgesehen sein.

In den vorgenannten Fällen wird die Größe der (detektierbaren) Beleuchtungsfläche allein durch die unterste Detektionsschwelle der Pixelelemente bestimmt, d.h., die (messbare) Beleuchtungsfläche endet zu allen Seiten hin jeweils mit dem ersten Pixelelement, welches kein Signal mehr erfasst, weil die Lichtintensität unterhalb der Erfassungsschwelle liegt.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Auslese- und Verarbeitungsein- richtung vorgesehen ist. Mittels dieser können die Ausgangssignale der Pixelelemente des Photodetektors ausgelesen und verarbeitet werden.

Die Auslese- und Verarbeitungseinrichtung weist insbesondere wenigstens eine Mikro-Steuerungs-Einheit auf, welche bevorzugt feld-programmierbare Gate Arrays (FPGAs) umfasst.

Die Auslese- und Verarbeitungseinrichtung kann beispielsweise wenigstens eine Auslese- und/oder wenigstens eine Signalverarbeitungs- und/oder wenigstens eine Analog-zu-Digital-Wandler-Einheit aufweisen, wobei dann ins- besondere die wenigstens eine Signalverarbeitungseinheit eine oder mehrere Mikro-Steuerungs-Einheiten aufweist.

Die Auslese-und Verarbeitungseinrichtung kann ferner als eine zu dem Photodetektor separate Komponente ausgebildet sein, die mit dem Photodetek- tor verbunden ist. Eine solche diskrete Lösung kann insbesondere auf feldprogrammierbare Gate Arrays oder anderen Mikro-Steuerungs-Einheiten basieren.

Alternativ dazu kann die Auslese-und Verarbeitungseinrichtung einen integ- ralen Bestandteil des Photodetektors bilden. Eine integrierte Auslese- und Verarbeitungseinrichtung kann insbesondere nach dem 3D-integrierten-Sensor-Ansatz (3D integrated sensor approach) hergestellt sein. In einem 3D-integrierten Sensoransatz verbindet man in der Regel mehrere Silizium-basierte Schichten (im Englischen die sogenannten "Tiers"). Dies wird beispielsweise so durchgeführt, dass die oberste Schicht die photoempfindlichen, im Geiger-Modus betriebenen Avalan- che-Photodioden umfasst, die mit einer darunterliegenden Siliziumschicht, die Ansteuerungs- bzw. Ausleseschaltungen afweist, verbunden sind und zwar in der Regel über die Siliziumschicht selbst (mittels der sogenannten "Through-Silicon-Via-Technik"). Dieser Aufbau verfolgt das "Sys- tem-On-Chip"-Prinzip. Mit der integrierten Lösung sind die Vorteile verbunden, dass Rauschen minimiert wird die Reaktionszeit reduziert wird. Darüber hinaus ergibt sich eine Platzersparnis, wenn alles auf einem Chip vorgesehen ist.

Die vorliegende Erfindung sieht weiterhin eine intelligente Auslesung und Verarbeitung der Pixelelement-Ausgangssignale vor. Dabei wird von der Überlegung ausgegangen, dass sich ein Ereignis, bei dem ein Neutron oder Gammaphoton von dem Szintillatormaterial absorbiert wird, durch folgende Merkmale auszeichnet:

• Das Ereignis wird repräsentiert von einer Wolke von hunderten oder tausenden sichtbaren Photonen, die während einer bestimmten Ereigniszeit, die mehrere hundert oder tausend Nanosekunden andauern kann, auf eine Mehrzahl benachbarter Pixelelemente des Photodetektors auftreffen.

• Die Ereignisse sind im Wesentlichen stochastisch in ihrer Natur und können nicht zeitlich vorhergesagt werden.

• Es ist auch nicht möglich, die räumliche Koordinate eines Ereignisses oder die Anzahl derjenigen Pixelelemente, auf welche die sichtbaren Photonen auftreffen werden, vorherzusagen. • Der einzige Unterschied zwischen einem auf den Szintillator auftreffenden Neutron und einem auf den Szintillator auftreffenden Gammaphoton einer bestimmten Energie ist die Summe aller infolge des Ereignisses erzeugter Photonen oder, in Bezug auf die Aus- gangssignale der Pixelelemente, die Summe aller Ausgangssignale, welche zu den benachbarten Pixelementen gehören, die während des einzelnen Ereignisses beleuchtet werden.

Ist eine Auslese-und Verarbeitungseinrichtung vorgesehen, so ist diese da- her insbesondere ausgebildet und eingerichtet, um folgende Schritte durchzuführen:

• die Pixelelemente des Photodetektors werden insbesondere kontinuierlich dahingehend überwacht, ob ihr Ausgangssignal einen vorge- gebenen Wert oder eine vorgegebene zeitliche Signalveränderung überschreitet,

• im Falle des Überschreitens des vorgegebenen Wertes oder der vorgegebenen zeitlichen Signalveränderung an wenigstens einem Pi- xelelement wird ein Ereignistrigger ausgegeben,

• diejenigen Pixelelemente, deren Ausgangssignale den vorgegebenen Wert oder die vorgegebene zeitliche Signalveränderung überschreiten werden als aktiv und die verbleibenden Pixelelemente als idle defi- niert,

• die Ausgangssignale aller aktiven Pixelelemente werden ausgelesen und gespeichert, so lange die Pixelelemente aktiv sind, wobei jeweils zusammen mit dem Ausgangssignal eines Pixelelementes die Koor- dinate des Pixelelementes gespeichert wird, • für jedes aktive Pixelelement wird ein Zeitstempel erstellt, welcher die Zeit enthält, zu welcher das jeweilige Pixelelement als aktiv definiert wurde, und zusammen mit den Ausgangssignalen und den zugehöri- gen Koordinaten gespeichert, und

• aktive Pixelelemente, die zu einer zusammenhängenden Gruppe benachbarter Pixelelemente gehören und einen zumindest ähnlichen, insbesondere gleichen Zeitstempel aufweisen werden ermittelt und als zu einem Ereignis gehörend definiert, wobei ein Ereignis insbesondere einem auf den Szintillator aufgetroffenen Neutron oder Gammaphoton entspricht.

Die erfindungsgemäße Unterscheidung in Pixelelemente, die als "aktiv" und Pixelelemente, die als "idel" definiert werden ermöglicht es einerseits, die Anzahl von Ausgangskanälen, die gleichzeitig auszulesen sind, zu reduzieren. Gleichzeitig wird auch die gesamte mit dem Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung verbundene Datenrate gegenüber einer Vorgehensweise, bei welcher alle Pixelelemente betrachtet, ausgelesen und deren Ausgangs- Signale weiterverarbeitet werden, deutlich reduziert. Die Datenflussrate pro Zeiteinheit wird auf diese Weise limitiert. Im Ergebnis kann ein besonders effizienter Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung gewährleistet werden.

Gleichzeitig werden zuverlässige Daten mit hoher Ortsauflösung geliefert und es können hohe Neutronenzählraten realisiert werden. Es können insbesondere Neutronenzählraten realisiert werden, welche die Neutronenauf- treff-Raten, die in heutigen Forschungs-Kernreaktoren oder Spallationsquel- len vorliegen deutlich übersteigen. Es wird dabei trotz der hohen Effizienz und Neutronenzählrate sichergestellt, dass alle Ereignisse, deren Ort und Zeit gemäß den vorstehenden Überlegungen nicht vorhersagbar ist, zuverlässig erfasst werden. Sämtliche der vorgenannten Schritte können dabei unter Verwendung einer diskreten Lösung, die insbesondere auf feldprogrammierbaren Gate-Arrays (FPGA) basiert, oder aber unter Verwendung einer integrierten Lösung, insbesondere über einen anwendungsspezifisch integrierten Schaltkreis (ASIC) durchgeführt werden. Die Auslese- und Verarbeitungseinrichtung ist dann entsprechend ausgebildet, umfasst insbesondere entsprechende Einheiten bzw. Module.

In Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann ferner vorgesehen sein, dass die Auslese- und Verarbeitungseinrichtung ausgebildet und eingerichtet ist, um folgende weitere Schritte durchzuführen:

• die Ausgangssignale der zu einem Ereignis gehörenden Pixelelemente werden aufsummiert, · die erhaltene Summe wird mit einem Summenreferenzwert verglichen, und

• sofern die Summe der Ausgangssignale der zu einem Ereignis gehörenden Pixelelemente den Summenreferenzwert überschreitet wird das Ereignis als ein solches definiert, welches durch ein auf den Szin- tillator aufgetroffenes Neutron ausgelöst wurde.

Im Rahmen der Neutronendetektion besteht grundsätzlich die Problematik, dass immer eine gewisse Menge an sogenannter Hintergrundstrahlung vor- liegt, welche das Neutronensignal verfälschen kann. Ein Gammaphoton bei- spielsweise vollzieht in einem Szintillator eine Reaktion, die sehr ähnlich zu der sekundären Emissionsreaktion ist, welche die im Rahmen der Neutronenkernreaktion produzierten sekundären Partikel mit dem Szintillatormateri- al durchlaufen. Auch durch ein Auftreffen eines Gammaphotons wird eine gewisse Menge an sichtbaren Photonen in dem Prozess erzeugt, welche das Neutronendetektionssignal signifikant verfälschen können, wobei die Anzahl der erzeugten Photonen gemäß der vorstehenden Überlegungen bei Gammaphoton-Ereignissen, die von Gammaphotonen mit Energien unterhalb eines vorgegebenen Wertes, z.B. unterhalb von 1 MeV, geringer ausfällt als bei einem Neutronen-Ereignis.

Gemäß dieser Ausführungsform wird dem Problem der auf den Szintillator auftreffenden Gammaphotonen daher damit begegnet, dass die Ausgangssignale aller Pixelelemente, die zuvor als zu einem Ereignis gehörend defi- niert wurden, aufsummiert und mit einem vorgegebenen Summenreferenz- wert verglichen werden. Bei diesem Summenreferenzwert handelt es sich insbesondere um einen Wert, welcher zu derjenigen Anzahl von Photonen gehört, die in Folge eines Gammaphoton-Ereignisses mit einer bestimmten Energie erwartet wird. Ist der aus der Pixelelement-Signal-Summation ermit- telte Summenwert höher als dieser vorgegebene Wert, wird das Ereignis als zu einem Neutron gehörend definiert und insbesondere weiter verarbeitet. Ist der Wert hingegen ähnlich (insbesondere innerhalb eines vorgegebenen Rahmens höher oder niedriger als der mit einem Gammaphoton korrelierte Summenreferenzwert) oder niedriger als der Summenreferenzwert, wird das Ereignis als zu einem Gammaphoton gehörend definiert. Die mit einem Gammaphoton verbundenen Daten können dann beispielsweise verworfen oder als Gammaphoton-Daten weiter verarbeitet und berücksichtigt werden. Wichtig ist, dass eine entsprechende Unterscheidung zwischen denjenigen Signalen, welche durch ein Neutron hervorgerufen werden und denjenigen Signalen, die durch ein Gammaphoton - oder auch eine andere Form von Strahlung - hervorgerufen werden, auch wenn es nur begrenzt auf Gammaphotonen mit Energien ankommt, die unterhalb einer bestimmten Schwellenergie liegen, erfolgen kann. Wird neben Gammaphotonen andere Hintergrundstrahlung erwartet, können die Ereignisse, welche nicht einem Neutron zugeordnet werden alternativ oder zusätzlich auch als zu einer anderen Strahlungsart gehörend interpretiert werden. In Weiterbildung der Erfindung kann darüber hinaus vorgesehen sein, dass die Auslese- und Verarbeitungseinrichtung ausgebildet und eingerichtet ist, um folgende weitere Schritte durchzuführen:

• aus den zu einem Ereignis gehörenden Pixelelementen und den zu- gehörigen Ausgangssignalen wird dasjenige Pixelelement mit dem höchsten Ausgangssignal ermittelt oder aus den zu einem Ereignis gehörenden Pixelelementen und den zugehörigen Ausgangssignalen wird ein zentraler Punkt, insbesondere unter Anwendung der Cen- ter-Of-Gravity-Methode ermittelt, und

• die Koordinate des Pixelelementes mit dem höchsten Ausgangssignal oder die Koordinate des zentralen Punktes wird als Koordinate des Ursprungsortes des Ereignisses, welches insbesondere einem auf den Szintillator aufgetroffenen Neutron oder Gammaphoton entspricht, gespeichert.

Gemäß dieser Ausführungsform wird der Ursprungsort der detektierten Neutronen und/oder Gammaphotonen-Ereignisse auf zumindest ein Pixelelement genau ermittelt. Dies kann im einfachsten Falle geschehen, in- dem das Pixelelement mit dem höchsten Ausgangssignal ermittelt wird. Ist eine Bestimmung der Koordinaten des Ereignis-Ursprungsortes mit einer Genauigkeit erwünscht bzw. erforderlich, die die Größe eines Pixelelementes unterschreitet, kann beispielsweise auch unter Anwendung der Cen- ter-Of-Gravity-Methode eine zentraler Punkt der mit einem Ereignis verbundenen Beleuchtungsfläche auf dem Photodetektor ermittelt werden. Hierzu wird insbesondere die räumliche Verteilung der Ausgangssignale der mit einem Ereignis verbundenen Pixelelemente betrachtet und es wird rechnerisch ein zentraler Punkt, insbesondere ein Schwerpunkt der Signalverteilung, be- stimmt. Andere Methoden als die Center-Of-Gravity-Methode können ebenfalls zur Bestimmung eines zentralen Punktes angewendet werden.

Auch sämtliche vorgenannte weitere Schritte können unter Verwendung einer diskreten Lösung, die insbesondere auf feldprogrammierbaren Ga- te-Arrays (FPGA) basiert, oder aber unter Verwendung einer integrierten Lösung, insbesondere über einen anwendungsspezifisch integrierten Schaltkreis (ASIC) durchgeführt werden.

Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeichnet sich ferner dadurch aus, dass die Auslese- und Verarbeitungseinrichtung derart ausgebildet und eingerichtet ist, dass die Pixelelemente des Photodetektors in vorgegebene Gruppen unterteilt betrachtet werden können und insbesondere die Ausgangssignale aktiver Pixelelemente gruppenweise auslesbar sind.

Gemäß dieser Ausführungsform ist vorgesehen, dass die durch die Gesamtheit aller Pixelelemente definierte photoempfindliche Fläche des Photodetektors in Gruppen unterteilt betrachtet wird. Dabei wird insbesondere die gesamte photoempfindliche Fläche in eine vorgegebene Anzahl gleich großer Segmente unterteilt, denen jeweils eine vorgegebene Anzahl von be- nachbarten Pixelelementen entspricht. Es kann dann gruppenweise überprüft werden, ob die Ausgangssignale der Pixelelemente der jeweiligen Gruppe einen vorgegebenen Wert überschreiten und die Definition der Pixelelemente in "aktiv" oder "idle" kann gruppenweise erfolgen. Auch die weiteren Schritte, wie die Definierung zusammengehöriger Pixelelemente mit ähnlichem oder gleichem Zeitstempel als zu einem Ereignis gehörend, die Aufsummierung eines Ereignisses zur Unterscheidung zwischen Neutronen und Gammaphotonen sowie die Bestimmung der Koordinaten des Ursprungsortes eines Ereignisses können gruppenweise erfolgen. Die mehreren Gruppen können dabei gleichzeitig oder nacheinander betrachtet werden.

In Weiterbildung ist ferner vorgesehen, dass die Auslese- und Verarbeitungseinrichtung ausgebildet und eingerichtet ist, um die Ausgangssignale der Pixelelemente zu digitalisieren, insbesondere entweder nachdem die Pi- xelelemente als aktiv definiert wurden oder nachdem die Pixelelemente als zu einem Ereignis gehörend definiert wurden.

Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform werden sämtliche Schritte, insbesondere die Unterscheidung der Pixelelemente in "aktiv" und "idle", die Definition zusammengehöriger Pixelelemente mit ähnlichem oder gleichem Zeitstempel als zu einem Ereignis gehörend, die Aufsummierung der Ausgangssignale eines Ereignisses zur Unterscheidung zwischen Neutronen und Gammaphotonen sowie die Bestimmung der Koordinaten des Ursprungsortes eines Ereignisses, so nah wie möglich am analogen Ausgang des Photodetektors durchführt. Die Signale können dann insbesondere im Anschluss digitalisiert und an einen externen Terminal, wie etwa einen PC, für die weitere Verarbeitung weitergegeben werden.

Für den Fall, dass der Photodetektor bereits digitale Ausgangssignale liefert, findet in zweckmäßiger Ausgestaltung nur die erste Unterscheidung der Pi- xelelemente in "aktiv" oder "idle" so nah wie möglich an dem Detektorausgang statt und es ist keine zusätzliche Analog-zu-Digital-Wandlung erforderlich. Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Auslese- und Verarbeitungseinrichtung ausgebildet und eingerichtet ist, um die Ausgangssignale sämtlicher Pixelelemente des Photodetektors gleichzeitig auszulesen. Das gleichzeitige Auslesen aller Pixelelemente ermöglicht es, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung auch als Bildgeber zum Einsatz kommen kann, beispielsweise für die Neutronen-Bildgebungs-Radiografie (neutron imaging radiography), wie sie zur Detektion von nuklearem Abfall zum Einsatz kommt. Für eine derartige Messung ist es wichtig, ein Bild mit der entsprechenden räumlichen Strahlungsverteilung zu bekommen, wobei in der Regel die genauen Zählraten weniger relevant sind, so dass nicht unbedingt sichergestellt sein muss, dass sämtliche Ereignisse erfasst werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zusammen mit einem Moderator verwendet werden, welcher die Energie der zu detektierenden Neutronen anpassen kann, bevor diese auf den Szintillator der Vorrichtung auftreffen. Bei dem Moderator kann es sich beispielsweise um ein Gas oder einen mechanischen Chopper handeln.

Die vorgenannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Detektion von Neutronen, bei dem folgende Schritte durchgeführt werden:

• eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Auslese- und Verarbeitungseinrichtung wird derart bereitgestellt, dass der Szintillator mit thermischen Neutronen bestrahlt wird, die Pixelelemente des Photodetektors werden kontinuierlich dahingehend überwacht, ob ihr Ausgangssignal einen vorgegebenen Wert oder eine vorgegebene zeitliche Signalveränderung überschreitet, im Falle des Überschreitens des vorgegebenen Wertes oder der vorgegebenen zeitlichen Signalveränderung an wenigstens einem Pixelelement wird ein Ereignistrigger ausgegeben, diejenigen Pixelelemente, deren Ausgangssignale den vorgegebenen Wert oder die vorgegebene zeitliche Signalveränderung überschreiten werden als aktiv und die verbleibenden Pixelelemente als idle definiert, die Ausgangssignale aller aktiven Pixelelemente werden gespeichert, so lange die Pixelelemente aktiv sind, wobei jeweils zusammen mit dem Ausgangssignal eines Pixelelementes die Koordinate des Pixelelementes abgelegt wird, für jedes aktive Pixelelement wird ein Zeitstempel erstellt, welcher die Zeit enthält, zu welcher das jeweilige Pixelelement als aktiv definiert wurde, und zusammen mit den Ausgangssignalen und den zugehörigen Koordinaten gespeichert, und aktive Pixelelemente, die zu einer zusammenhängenden Gruppe benachbarter Pixelelemente gehören und einen zumindest ähnlichen, insbesondere gleichen Zeitstempel aufweisen werden ermittelt und als zu einem Ereignis gehörend definiert, wobei ein Ereignis insbesondere einem auf den Szintillator aufgetroffenen Neutron oder Gammaphoton entspricht. Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass folgende weitere Schritte durchgeführt werden:

• die Ausgangssignale der zu einem Ereignis gehörenden Pixelelemen- te werden aufsummiert,

• die erhaltene Summe wird mit einem Summenreferenzwert verglichen, und · sofern die Summe der Ausgangssignale der zu einem Ereignis gehörenden Pixelelemente den Summenreferenzwert überschreitet wird das Ereignis als ein solches definiert, welches durch ein auf den Szin- tillator aufgetroffenes Neutron ausgelöst wurde. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass folgende weitere Schritte bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt werden:

• aus den zu einem Ereignis gehörenden Pixelelementen wird dasjenige Pixelelement mit dem höchsten Ausgangssignal ermittelt oder aus den zu einem Ereignis gehörenden Pixelelementen und deren Ausgangssignalen wird ein zentraler Punkt, insbesondere unter Anwendung der Center-of-Gravity-Methode ermittelt, und

• die Koordinaten des Pixelelementes mit dem höchsten Ausgangssig- nal oder die Koordinaten des zentralen Punktes werden als Koordinaten des Ursprungsortes des Ereignisses, welches einem auf den Szin- tillator aufgetroffenen Neutron entspricht, gespeichert.

Auch kann vorgesehen sein, dass • die Pixelelemente des Photodetektors in vorgegebene Gruppen unterteilt betrachtet werden, und

• die Ausgangssignale aktiver Pixelelemente gruppenweise ausgelesen und gespeichert werden.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Detektion von Neutronen, bei dem folgende Schritte durchgeführt werden: · eine erfindungsgemäße Vorrichtung wird derart bereitgestellt, dass der Szintillator mit insbesondere thermischen Neutronen bestrahlt wird,

• die Ausgangssignale sämtlicher Pixelelemente des Photodetektors werden gleichzeitig ausgelesen, und

• es wird ein zweidimensionales Bild erstellt, in welchem die Ausgangssignale ortsabhängig dargestellt sind.

Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung einer er- findungsgemäßen Vorrichtung zur Detektion von Neutronen.

Schließlich ist ein weiterer Gegenstand der Erfindung gegeben durch eine Auslese- und Verarbeitungseinrichtung mit wenigstens einem Anschluss zur Verbindung mit einem Photodetektor mit einer photoempfindlichen Fläche, der eine Mehrzahl von Pixelelementen aufweist, durch welche die photoempfindliche Fläche definiert wird, um Ausgangssignale der Pixelelemente des Photodetektors zu empfangen, wobei die Auslese- und Verarbeitungseinrichtung insbesondere wenigstens eine Mikro-Steuerungs-Einheit, welche bevorzugt feldprogrammierbare Gate Arrays umfasst, aufweist und ausge- bildet und eingerichtet ist, um folgende Schritte durchzuführen: die Pixelelemente eines mit der Auslese- und Verarbeitungseinrichtung verbundenen Photodetektors werden insbesondere kontinuierlich dahingehend überwacht, ob ihr Ausgangssignal einen vorgegebenen Wert oder eine vorgegebene zeitliche Signalveränderung überschreitet, im Falle des Überschreitens des vorgegebenen Wertes oder der vorgegebenen zeitlichen Signalveränderung an wenigstens einem Pixelelement wird ein Ereignistrigger ausgegeben, diejenigen Pixelelemente, deren Ausgangssignale den vorgegebenen Wert oder die vorgegebene zeitliche Signalveränderung überschreiten werden als aktiv und die verbleibenden Pixelelemente als idle definiert, die Ausgangssignale aller aktiven Pixelelemente werden ausgelesen und gespeichert, so lange die Pixelelemente aktiv sind, wobei jeweils zusammen mit dem Ausgangssignal eines Pixelelementes die Koordinate des Pixelelementes gespeichert wird, für jedes aktive Pixelelement wird ein Zeitstempel erstellt, welcher die Zeit enthält, zu welcher das jeweilige Pixelelement als aktiv definiert wurde, und zusammen mit den Ausgangssignalen und den zugehörigen Koordinaten gespeichert, und aktive Pixelelemente, die zu einer zusammenhängenden Gruppe benachbarter Pixelelemente gehören und einen zumindest ähnlichen, insbesondere gleichen Zeitstempel aufweisen werden ermittelt und als zu einem Ereignis gehörend definiert, wobei ein Ereignis insbesondere einem auf den Szintillator aufgetroffenen Neutron oder Gammaphoton entspricht.

Die erfindungsgemäße Auslese- und Verarbeitungseinrichtung wird für den Betrieb mit einem Photodetektor, der eine durch eine Mehrzahl von Pixelelementen definierten photoempfindlichen Fläche aufweist verbunden und empfängt und überwacht die Ausgangssignale der Pixelelemente. Dabei ist die Auslese- und Verarbeitungseinrichtung derart ausgebildet und eingerichtet, dass das erfindungsgemäße Verfahren zur Detektion von Neutronen durchgeführt werden kann, wenn sie mit einem solchen Photodetektor verbunden ist, vor dessen photoempfindlicher Fläche sich ein Szintillator erstreckt.

In Weiterbildung ist die Auslese- und Verarbeitungseinrichtung ausgebildet und eingerichtet, um folgende weitere Schritte durchzuführen:

• die Ausgangssignale der zu einem Ereignis gehörenden Pixelelemente werden aufsummiert, · die erhaltene Summe wird mit einem Summenreferenzwert verglichen, und

• sofern die Summe der Ausgangssignale der zu einem Ereignis gehörenden Pixelelemente den Summenreferenzwert überschreitet wird das Ereignis als ein solches definiert, welches durch ein auf den Szintillator aufgetroffenes Neutron ausgelöst wurde.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Auslese- und Verarbeitungseinrichtung ausgebildet und eingerichtet ist, um folgende weitere Schritte durchzuführen: • aus den zu einem Ereignis gehörenden Pixelelementen und den zugehörigen Ausgangssignalen wird dasjenige Pixelelement mit dem höchsten Ausgangssignal ermittelt oder aus den zu einem Ereignis gehörenden Pixelelementen und den zugehörigen Ausgangssignalen wird ein zentraler Punkt, insbesondere unter Anwendung der Cen- ter-Of-Gravity-Methode ermittelt, und

• die Koordinate des Pixelelementes mit dem höchsten Ausgangssignal oder die Koordinate des zentralen Punktes wird als Koordinate des

Ursprungsortes des Ereignisses, welches insbesondere einem auf den Szintillator (3) aufgetroffenen Neutron oder Gammaphoton entspricht, gespeichert. Die Auslese- und Verarbeitungseinrichtung kann darüber hinaus derart ausgebildet und eingerichtet sein, dass die Pixelelemente des Photodetektors in vorgegebene Gruppen unterteilt betrachtet werden können und insbesondere die Ausgangssignale aktiver Pixelelemente gruppenweise auslesbar sind. Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Auslese- und Verarbeitungseinrichtung ausgebildet und eingerichtet ist, um die Ausgangssignale der Pixelelemente zu digitalisieren, insbesondere entweder nachdem die Pixelelemente als aktiv definiert wurden oder nachdem die Pixelelemente als zu einem Ereignis gehörend definiert wurden.

Schließlich kann vorgesehen sein, dass die Auslese- und Verarbeitungseinrichtung ausgebildet und eingerichtet ist, um die Ausgangssignale sämtlicher Pixelelemente des Photodetektors gleichzeitig auszulesen. Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt: Fig. 1 eine Darstellung einer Neutronenquelle und einer vorbekannten

Detektoranordnung mit einem Szintillator aus einem festen Material in schematischer Darstellung,

Fig. 2 eine Aufsicht auf ein Pixel-Array des Photodetektors der in der

Figuren 1 dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtung zur

Detektion von Neutronen,

Fig. 3 einen p-n-Übergang, wie er in dem Photodetektor der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus Figur 1 genutzt wird, in sche- matischer Darstellung,

Fig. 4 einen Graphen mit der Strom-Spannungs-Kennlinie des in Figur

3 dargestellten p-n-Übergangs. Fig. 5 die in der Figur 1 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung zur Detektion von Neutronen unter Verwendung für ein Klein- winkel-Neutronenstreuexperiment in schematischer Schnitt-Darstellung, Fig. 6a-6c eine schematische Darstellung der in dem Szintillator der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus Fig. 1 ablaufenden Vorgänge für drei verschiedene Ereignis-Ursprungsorte in schematischer Darstellung, . 7a-7c die Transmission von Photonen durch den Szintillator und das optische Gel der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus Fig. 1 für drei unterschiedliche Ereignis-Ursprungsorte in dem Szintillator in schematischer Darstellung,

Fig. 8 einen Graphen, der einen infolge einer Interaktion des Szintilla- tors mit einem thermischen Neutron erzeugten Photonen-Puls in schematischer Darstellung zeigt, Fig. 9 eine Aufsicht auf die in Gruppen unterteilte photoempfindliche

Fläche des Photodetektors (links), die Auslese- und Verarbeitungseinrichtung und einen PC in schematischer Darstellung, und Fig. 10 ein Flussdiagramm, in welchem die mit dem Auslesen der Pixelelemente des Photodetektors der erfindungsgemäßen Vorrichtung verbundenen Schritte gemäß einer Ausführungsform schematisch dargestellt sind. Die Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Neutronenquelle 1 , von welcher schnelle Neutronen in alle Richtungen emittiert werden, was in der Figur durch entsprechende Pfeile P1 angedeutet ist.

In der Figur 1 rechts von der Neutronenquelle 1 ist ein Moderator 2 vorgese- hen, bei dem es sich bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel um einen mechanischen Chopper handelt. Dieser ist ausgebildet, um die schnellen Neutronen anzuhalten und nur langsame bzw. thermische Neutronen durchzulassen. In der Figur 1 durch Pfeile P3 schematisch angedeutet sind die durch den Moderator 2 durchgelassenen Neutronen. Von der Neutronenquelle 1 aus gesehen hinter dem Moderator 2 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Detektion von Neutronen angeordnet. Diese weist einen Szintillator 3 und einen Photodetektor 4 auf, welcher wiederum von der Neutronenquelle 1 aus gesehen hinter dem plattenförmigen Szintillator 3 angeordnet und ausgebildet ist, um die von dem Szintillator 3 infolge eines Neutronen-Einfang-Ereignisses emittierten Photonen zu detek- tieren.

Der Szintillator 3 besteht aus einem festen Material. Konkret handelt es sich um einen Ce-dotierten ⁶ Li-Glas-Szintillator. Der Szintillator 3 ist ausgebildet, um thermische Neutronen einzufangen und infolge eines Neutronen-Einfang-Ereignisses Photonen zu emittieren. Der Szintillator 3 ist plat- tenförmig, weist also zwei ausgedehnte Seiten 3a, 3b und eine oder mehrere Kanten auf, wobei die Fläche der ausgedehnten Seiten jeweils die Fläche der Kante(n) erheblich übersteigt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel zeichnet sich der plattenförmige Szintillator 3 durch eine quadratische Grundform mit einer Kantenlänge von 96,0 cm aus. Die Dicke des plattenförmigen Szintillators 3 beträgt 1 mm. Der Szintillator 3 zeichnet sich durch eine Neutronen-Absorptionseffizienz von mehr als 80 % aus und ist darüber hinaus derart ausgebildet, dass die Wahrscheinlichkeit der Interaktion mit einem Gammaphoton 1e-5 mal kleiner ist als die Wahrscheinlichkeit der Interaktion mit einem thermischen Neutron. Durch Pfeile P4 sind in Figur 1 die in dem Szintillator 3 infolge eines dort auftreffenden Neutrons erzeugten Photonen, die sich von dem Ursprungsort O eines Neutronen-Ereignisses in dem Szintillator 3 in alle Richtungen ausbreiten, rein schematisch angedeutet. Durch einen wellenförmigen Pfeil P5 ist weiterhin ein auf den Szintillator 3 auftreffendes Gammaphoton schematisch angedeutet. Dieses ist der vorhandenen Hintergrundstrahlung zuzuordnen. Infolge des auf den Szintillator 3 auftreffenden Gammaphotons werden ebenfalls Photonen erzeugt, die von dem Ursprungsort Oi des Gamma-Ereignisses aus in alle Richtungen abstrahlen.

Der in der Figur 1 rechts von dem Szintillator 3 angeordnete Photodetektor 4 der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst in der Figur 1 nicht erkennbare Avalanche-Photodioden. Konkret handelt es sich bei dem Photodetektor 4 der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform um einen Silizi- um-Photomultiplier-Detektor. Der Photodetektor 4 weist eine photoempfindliche Fläche 5 auf. Der Photodetektor 4 ist ferner pixeliert. Er umfasst insgesamt 1024 Pixelelemente 6, die nebeneinanderliegend in 32 Reihen und 32 Spalten angeordnet sind und ein regelmäßiges quadratisches Array bilden. Das Pi- xelelement-Array des Photodetektors 4 wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch insgesamt 30 x 30 Pixelelement-Array-Module 7 gebil- det, die wiederum nebeneinanderliegend in 30 Reihen und 30 Spalten angeordnet sind. In Figur 2 ist eine Aufsicht auf eines der insgesamt 900 Pi- xel-Array-Module 7 des Photodetektors 4 gezeigt. Wie aus der Figur 2 hervorgeht, umfasst ein Modul 7 insgesamt 8 x 8 Pixel, die eine quadratische Form mit einer Kantenlänge von 4 mm aufweisen. Die entsprechend ange- ordneten 57600 Pixelelemente 6 definieren die photoempfindliche Fläche 5 des Photodetektors 4, die sich - wie der Szintillator 3 - durch eine quadratische Form mit einer Kantenlänge von 96,0 cm auszeichnet.

Der Photodetektor 4 ist bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel derart ausgebildet, dass die insgesamt 57600 Pixelelemente 6 unabhängig voneinander auslesbar sind. Die 57600 Ausgangskanäle der 57600 Pixelelemente 6 sind in der Figur 1 durch lediglich 6 Pfeile P2 rein schematisch angedeutet, die rechts neben dem Photodetektor 4 eingezeichnet sind. Die Pixelelementen 6 des Photodetektors 4 umfassen im Geiger-Modus betriebene Avalanche-Photodioden mit in Sperrrichtung vorgespannten p-n-Übergänge (reverse-biased p-n junctions). Ein solcher Übergang kann der Figur 3 in schematischer Darstellung entnommen werden. Er ist in einer planaren CMOS-Technologie hergestellt und umfasst ein geerdetes Substrat 8 des p-Typs, eine geerdete Kathode 9 und eine Anode 10. Die Anode 10 ist von einer Raumladungszone 1 1 (SCR) umgeben. Die Anode 10 und das Substrat 8 sind ferner über eine Spannungsquelle 12 miteinander verbunden, wobei die Vorspannung Ubias anliegt. Wird die Vorspannung Ubias erhöht und erreicht sie die Durchbruchspannung Vbr, so wird Stoßionisation der erzeugten Elektronen verursacht. Das bedeutet, Ladungsvervielfältigung tritt auf und ein äquivalenter Zuwachs des Stromes, welcher durch den Übergang fließt, kann gemessen werden. Wird der Übergang nahe der Durchbruchsspannung Vbr oder darüber vorgespannt, wird, sobald das erste durch ein einfallendes Photon bzw. thermisch generierte Elektron in die Raumladungszone 1 1 des p-n-Überganges eintritt, eine selbsterhaltende Lawine von Ladungsträgern erzeugt, wobei die erwartete Anzahl der Ladungsträger mit der Menge der einfallenden Photonen linear variiert. Wird ein Elektron außerhalb der Raumladungszone erzeugt, muss dieses erst in die Raumladungszone diffundieren, was in der Figur 3 schematisch angedeutet ist.

Wird die Vorspannung weit oberhalb der Durchbruchsspannung Vbr eingestellt, ist das elektrische Feld, welches unterhalb der Anode 9 induziert wird so stark, dass Elektronen und Löcher signifikante Stoßionisationsprozesse zu verursachen beginnen. Photodioden, welche auf diesem Betriebsprinzip basieren werden auch als Geiger-Modus-Lawinen-Photodioden bezeichnet (Geiger-mode APDs). Diese Benennung ist auf die Ähnlichkeit mit dem Betriebsprinzip von Geiger-Zählern zurückzuführen. Sie detektieren das Vor- handensein eines Lawinen-Vervielfältigungsprozesses und setzen ihn mit einem auf den Photodetektor einfallenden sichtbaren Photon in Beziehung. Die Anzahl der auf den Photodetektor auftreffenden Photonen kann somit ähnlich zu den in einem Geiger-Zähler auftretenden Prozessen gezählt werden. Die Idee besteht darin, das Vorhandensein eines über den oberhalb der Durchbruchspannung vorgespannten p-n-Überganges fließenden Lawinenstroms zu detektieren, und dann die Vorspannung zu senken (also die Stoßionisation zu stoppen), bis die überschüssigen Ladungsträger über das sogenannte quenching von der Photodiode abgeführt werden. Der quen- ching-Vorgang verhindert dabei die permanente Beschädigung der lawinen- betriebenen Anordnung und verbessert signifikant die Zeitauflösung.

Durch geeignete Optimierung des quenching Resistors hinsichtlich der Reaktionsgeschwindigkeit der Photodioden, der Ausgangsspannung bzw. ihrer Stabilität, und durch geeignete Kalibrierung der Anordnung kann ein Gain-Faktor berücksichtigt und die Anordnung sehr ähnlich zu einer konventionellen Photonenvervielfacherrohre (PMT) ausgelesen werden, wobei die analoge Ausgangsspannung (also die Menge erzeugter Ladung) als Messsignal, das an einem Auslesewiderstand gemessen wird, herangezogen wird. Wird hingegen nur die Anzahl von stattfindenden Lawinenereignissen berücksichtigt, besteht das Ausgangssignal aus digitaler Information, welche die Anzahl dieser "Ereignisse" angibt und die Vorstellung quantifizierter interner Verstärkung des internen Flusses von Elektronen wird bedeutungslos. Dieser zweite Ansatz ermöglicht die Verwendung kleinflächiger Dioden für die Einzelphotonendetektion. Die Einzel-Photonen-Lawinen-Diode (SPAD) wird dann praktisch zu einem "Trigger"-Detektor, der jedes Mal einen Standard-Puls ausgibt, wenn ein einzelnes Photon detektiert wurde.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die analoge Ausgangsspan- nung als Ausgangssignal der Pixelelemente 6 des Photodetektors 4 berücksichtigt.

Die Strom-Spannungskennlinie des in Figur 3 dargestellten p-n-Überganges kann dem in Figur 4 enthaltenen Graphen entnommen werden. In diesem ist der Strom I in Ampere über der Vorspannung Ubias in Volt aufgetragen. Der Bereich der Vorwärtsspannung (forward bias) entspricht der rechten und der Bereich der Sperr-Vorspanung (reverse bias) der linken Hälfte des Graphen. In dem Graphen eingezeichnet ist die Durchbruchspannung Vbr sowie die Geiger-Modus-Region G oberhalb der Durchbruchspannung Vbr. Unterhalb der Durchbruchspannung Vbr erfolgt der Betrieb konventioneller Photodioden.

Der Photodetektor 4 der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass er bei einer Vorspannung unterhalb von 60 Volt, konkret bei einer Vorspannung von 27 Volt betreibbar ist, so dass ein besonders energiesparender Betrieb möglich ist.

Wie der Figur 1 entnommen werden kann, sind Szintillator 3 und Photodetektor 4 ferner derart angeordnet, dass die durch die Pixelelemente 6 definierte photoempfindliche Fläche 5 des Photodetektors 4 einer der beiden ausgedehnten Seiten des plattenförmigen Szintillators 3, vorliegend der von der Neutronenquelle 1 abgewandten Rückseite 3b des Szintillators 3, gegenüberliegt. Die photoempfindliche Fläche 5 erstreckt sich ferner parallel zu dem plattenförmigen Szintillator 3. Vor der photoempfindlichen Fläche 5 ist eine Scheibe 13 aus Glas angeordnet, welche dem Schutz der photoempfindlichen Fläche 5 dient. Die Dicke der Glasscheibe 13 beträgt 1 mm. Für eine gute optische Kopplung zwischen dem Szintillator 3 und dem Photodetektor 4 ist darüber hinaus eine Schicht aus einem optischen Gel 14 zwischen dem Szintillator 3 und dem Photodetektor 4 vorgesehen. Die Schicht aus dem optischen Gel 14 ist in der Figur 1 nicht dargestellt, kann jedoch der Figur 5 entnommen werden kann. Das optische Gel 14 steht sowohl mit dem Szintillator 3 als auch dem Photodetektor 4, konkret mit der vor der photoempfindlichen Fläche 5 angeordneten Glasscheibe 13 des Photodetektors 4 unmittelbar in Kontakt. Die Schicht aus dem optischen Gel 14 weist eine Dicke von 1 mm auf. In der Figur 5 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung aus Figur 1 im Rahmen der Verwendung für ein Kleinwinkel-Neutronenstreuexperiment gezeigt. Entsprechend ist in der Figur 5 ein durch einen Pfeil P6 schematisch angedeuteter Strahl thermischer Neutronen dargestellt, welcher auf eine Probe 15 trifft. Von der Probe 15 in Richtung des Szintillators 3 geht ein durch einen Pfeil P7 angedeuteter Neutronenhauptstrahl aus, welcher in etwa orthogonal auf den plattenförmigen Szintillator 3 trifft. Es geht ferner ein durch den Pfeil P8 angedeuteter gestreuter Neutronenstrahl unter einem Winkel von 2Θ gegenüber dem Hauptstrahl aus, welcher ebenfalls auf den Szintillator 3 auftrifft.

Innerhalb des Szintillators 3 sind in Figur 5 die Li-Atome 16 und die Ce-Atome 17 rein schematisch dargestellt. Die im Rahmen der in dem Szintillator 3 stattfinden Reaktionen sind ebenfalls schematisch angedeutet, wobei die sekundären a- bzw. ³ He Teilchen durch Pfeile P9 bzw. P10 angedeutet sind und die erzeugten Photonen wiederum durch Pfeile P4. Trifft ein Neut- ron auf ein ⁶ Li-Atom 16, was in der Figur 5 durch weitere Pfeile P1 1 schematisch angedeutet ist, wird eine Reaktion ausgelöst, wobei als sekundäre Partikel a- bzw. 3H- Teilchen P9, P10 mit einer bestimmten Energie entstehen. Diese streuen an einem Ce-Atom 17 und es werden Photonen P4 erzeugt, die sich in alle Richtungen ausbreiten.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung beträgt ferner der Brechungsindex des Szintillators 3 nsc = 1 ,55, des optischen Gels 14 no _g = 1 ,52 und der Glasscheibe 13 nG = 1 ,5. Die in dem Szintillator 3 erzeugten Photonen breiten sich somit auf ihrem Weg zu der photoempfindlichen Fläche 5 des Photodetektors 4 nacheinander durch Medien mit abnehmendem Brechungsindex aus.

In Abhängigkeit der konkreten Brechungsindizes, der Dicken der von den Photonen bis zur photoempfindlichen Fläche 5 zu durchquerenden Medien und des Ursprungortes O, an welchen die Photonen in dem Szintillator 3 erzeugt wurden, welche in Näherung mit dem Ort eines Neutronen- bzw. Gammaereignisses zusammenfällt, ergibt sich ein bestimmter Durchmesser für die kreisförmige Beleuchtungsfläche auf der photoempfindlichen Fläche 5.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Anordnung derart getroffen, dass die Größe der kleinsten infolge eines Neutronen-Einfang-Ereignisses auf der photoempfindlichen Fläche 5 des Photodetektors 4 ausgeleuchteten kreisförmigen Fläche die Größe eines Pixelele- mentes 6 überschreitet. Konkret übersteigt der Durchmesser der kleinstmög- lichen kreisförmigen Beleuchtungsfläche auf der photoempfindlichen Fläche 5 vorliegend die Kantenlänge der quadratischen Pixelelemente 6 von 4 mm. Die zugrunde liegenden Zusammenhänge werden im Folgenden anhand der Figuren 6a bis 6c und 7a bis 7c näher erläutert. Aufgrund des höheren Brechungsindexes des Szintillators 3 gegenüber dem optischen Gel 14 findet für Licht, welches oberhalb eines kritischen Winkels 9c auf die Grenzfläche zwischen Szintillator 3 und optischem Gel 14 auftrifft, Totalreflektion statt. Dieser Zusammenhang ist in den Figuren 6a bis 6c ver- deutlicht, welche den Szintillator 3 mit drei unterschiedlichen Konfigurationen des Einfallswinkels eines sich in Richtung des in den Figuren 6a bis 6c nicht dargestellten Photodetektors 4 ausbreitenden Photons zeigt. Zu den in dem Szintillator 3 stattfindenden Reaktionen wird auf die vorstehende Beschreibung zu Figur 5 verwiesen. Für den Fall, dass der Brechungsindex des opti- sehen Gels 14 kleiner ist als der des Szintillators 3, findet keine Totalreflexion statt. In diesem Fall wird die Größe der (detektierbaren) Beleuchtungsfläche allein durch die unterste Detektionsschwelle der Pixelelemente 6 bestimmt, d.h., die (messbare) Beleuchtungsfläche endet zu allen Seiten hin jeweils mit dem ersten Pixelelement 6, welches kein Signal mehr erfasst, weil die Lichtintensität unterhalb der Erfassungsschwelle liegt.

In den Figuren 6a bis 6c ist von den Li- und Ce-Atomen 16, 17 in dem Szintillator 3 jeweils nur eines rein schematisch dargestellt. An dem Ort des Ce-Atoms 17 entsteht ein Photon, welches sich unter einem Winkel 9 _C ge- genüber dem Lot L auf den Szintillator 3 in Richtung des in den Figuren 4a bis 4c nicht dargestellten Photodetektors 4 ausbreitet. An der Grenzfläche zwischen dem Szintillator 3 und der in den Figuren 4a bis 4c ebenfalls nicht dargestellten Schicht des optischen Gels 14, welche rechts von dem Szintillator 3 vorgesehen ist, tritt für den Fall, dass der Winkel größer gleich dem kritischen Winkel 9 _C ist, Totalreflexion auf. Der kritische Winkel 9 _C , welcher sich aus dem Verhältnis der Brechungsindizes von Szintillator 3 und optischem Gel 14 ergibt, ist in den Figuren 6a bis 6c jeweils eingezeichnet.

Bei dem in Figur 6a dargestellten Szenario ist der Winkel 9, kleiner als der kritische Winkel 9 _C , so dass das Photon in die Schicht aus dem optischen Gel 14 eintreten und die photoempfindliche Fläche 5 des Photodetektors 4 erreichen kann.

In der Figur 6b ist der Winkel größer als in der Figur 6a. Konkret entspricht der Winkel Θ, hier gerade dem kritischen Winkel 9 _C , so dass, wie in der Figur 6b dargestellt, Totalreflexion auftritt und die photoempfindliche Fläche 5 von den Photonen nicht erreicht werden kann.

Gleiches gilt für die Figur 6c, wo der Winkel Θ, oberhalb des kritischen Win- kels 9c liegt und ebenfalls Totalreflexion stattfindet.

Die Figuren 7a bis 7c veranschaulichen, welche Beleuchtungsflächen sich aufgrund des Vorhandenseins kritischer Winkels 9 _C und der Lage des Ursprungsortes O eines photonenerzeugenden Ereignisses in dem Szintillator 3 ergeben.

Konkret ist in jeder der Figuren 7a bis 7c wiederum der Szintillator 3, der Photodetektor 4 und die dazwischen befindliche Schicht aus dem optischen Gel 14 der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel dargestellt. Es ist ferner innerhalb des Szintillators 3 der Ereignis-Ursprungspunkt O der Photonenerzeugung eingezeichnet, welcher in Näherung dem Ort entspricht, an dem eine Neutronenreaktion bzw. eine Gammaphoton-Reaktion in dem Szintillator 3 stattfindet. In der Figur 7a liegt der Ereignis-Ursprungsort O des Ereignisses in dem Szintillator 3 unmittelbar an der in der Figur 7a nach links weisenden ausgedehnten Seite 3a Szintillators 3.

In der Figur 7b hingegen liegt der Ursprungsort O etwa mittig zwischen der in Figur 5b nach links weisenden ausgedehnten Vorderseite 3a des Szintillators und der mit der Schicht aus dem optischen Gel 14 in Kontakt stehenden Rückseite 3b des Szintillators 3.

In Figur 7c liegt der Ursprungsort O schließlich unmittelbar an der mit dem optischen Gel 14 in Kontakt stehenden Rückseite 3b des Szintillators 3.

Der sich aus dem Verhältnis der Brechungsindizes vom Szintillator 3 und der Schicht aus dem optischem Gel 14 ergebende kritische Winkel 9 _C ist in den Figuren 7a und 7b eingezeichnet. Nur Licht, welches sich unter einem Winkel gegenüber dem Lot L auf den Szintillator 3 ausbreitet, der unterhalb des kritischen Winkels 9 _C liegt, erfährt an der Grenzschicht von Szintillator 3 und optischem Gel 14 keine Totalreflektion sondern kann in das optische Gel 14 eintreten und den Photodetektor 4 erreichen. Demzufolge ergibt sich der Anteil des Halb-Durchmessers der kreisförmigen Beleuchtungsfläche, welcher durch die Lichtdispersion in der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch das Material des Szintillators 3 verursacht wird, als ddis _P _sc, was in der Figur 7a eingezeichnet ist. Ebenfalls in dieser Figur dargestellt ist der Anteil ddis _P _o _g des Halb-Durchmessers der resultierenden kreisförmigen Beleuchtungsfläche, welcher durch die Lichtdispersion in der erfindungsgemäßen Vorrich- tung durch die Schicht aus dem optischen Gel 14 verursacht wird. Der Durchmesser der gesamten kreisförmigen Beleuchtungsfläche ergibt sich aus dem Zweifachen vom Anteil des Szintillator 3 ddis _P _s _c sowie des optischen Gels 14 ddisp_o _g . Dieser ist in der Figur 7a als dnium eingezeichnet. Ein Vergleich der Figuren 7a und 7b zeigt, dass die Beleuchtungsfläche mit der Position des Ereignis-Ursprungsortes O zwischen den beiden Seiten 3a, 3b des Szintillators 3 variiert. Konkret ist diese umso kleiner, je weiter der Ereignis-Ursprungsort O von der in den Figuren nach links weisenden ausgedehnten Seite 3a des Szintillators 3 entfernt liegt. Die kleinste kreisförmige Beleuchtungsfläche mit dem Durchmesser dnium ergibt sich für den in Figur 7c dargestellten Fall, gemäß dem der Ursprungsort O unmittelbar an der mit dem optischen Gel 14 in Kontakt stehenden Seite 3b des Szintillators 3 liegt. In diesem Falle ergibt sich der Durchmesser der gesamten Beleuchtungsfläche diiium allein durch den Anteil der Lichtdispersion in der erfindungsgemä- ßen Vorrichtung, welcher durch die Schicht aus dem optischen Gel 9 bedingt ist, also ddis _P _og.

In den Figuren 7a bis 7b ist die Beleuchtungsfläche auf der zum Szintillator 3 weisenden Vorderseite der Glasscheibe 13 vor der photoempfindlichen Flä- che dargestellt. Der Einfluss der Glasscheibe 13 auf di Lichtausbreitung ist hier nicht berücksichtigt.

Die Beleuchtungsflächen auf der photoempfindlichen Fläche 4 des Photodetektors 4, die mit den drei in den Figuren 7a bis 7c dargestellten Situationen für die Ereignis-Ursprungsorte O einhergehen, können der Figur 2 entnommen werden, welche die Aufsicht auf ein Pixelelement-Array-Modul 7 des Photodetektors 4 zeigt. Für den in Figur 7c dargestellten Fall ergibt sich die zentrale Beleuchtungsfläche B1 mit dem kleinsten Durchmesser. Für den in Figur 7b dargestellten Fall enthält man die mittelgroße kreisförmige Be- leuchtungsfläche B2 und für den in 7a dargestellten Fall die größte kreisförmige Beleuchtungsfläche B3.

Ebenfalls in der Figur 2 erkennbar ist, dass der zentrale Punkt der drei Beleuchtungsflächen auf dem Pixelelement 6 der Nummer 30 liegt, wobei die insgesamt 64 Pixelelement 6 des Pixel-Arrays 7 beginnend von der oberen linken Ecke und endend in der unteren rechten Ecke von 1 bis 65 durch- nummeriert sind.

Ferner kann der Figur 2 unmittelbar entnommen werden, dass die Kanten- länge der Pixelelemente 6 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung derart gewählt ist, dass sie den Durchmesser der Beleuchtungsfläche B1 geringster Größe auf der photoempfindlichen Fläche 5 unterschreitet, welche sich für den in Figur 5c dargestellten Fall des Ereignis-Ursprungsortes O unmittelbar an der mit dem optischen Gel 14 in Kontakt stehenden Seite 3b des Szintillators 3 ergibt.

Die räumliche Auflösung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist somit allein durch die in dem Szintillator 3 stattfindenden Reaktionen definiert und wird nicht durch die Ausdehnung der Pixelelemente 6 nach unten hin begrenzt.

Der Szintillator 3 des dargestellten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeichnet sich ferner durch eine Photonenabklingzeit Tdecay = 50 Nanosekunden aus. Dies ist schematisch in der Figur 8 dargestellt, welche einen Graphen zeigt, in dem ein infolge einer Interaktion des Szintil- lators 3 mit einem thermischen Neutron erzeugter Photonen-Puls in schema- tischer Darstellung gezeigt ist. Konkret ist die Anzahl der Photonen n _P hotons über der Zeit t in Sekunden aufgetragen. Es ist ferner die maximale Photonenzahl n _ma x in dem Graphen in Figur 8 eingetragen, sowie der Wert 1/e ^* n _ma x, wobei die Photonenabklingzeit Tdecay derjenigen Zeit entspricht, nach welcher der Wert der Photonenanzahl nach einem raschen Anstieg wieder auf den Wert von 1/e des Maximums abgesunken ist. Die Gesamtdauer des Photonen-Pulses beträgt etwa das Fünffache der Photonenabklingzeit Tdecay, was ebenfalls in der Figur 8 eingetragen ist, und beläuft sich somit auf etwa 250 Nanosekunden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst weiterhin eine Auslese- und Verarbeitungseinrichtung.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Auslese- und Verarbei- tungseinrichtung eine zu dem Photodetektor 4 separate Baueinheit, welche mit dem Photodetektor 4 über geeignete Mittel verbunden ist. Alternativ zu dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann auch eine Auslese- und Verarbeitungseinrichtung vorgesehen sein, welche einen integralen Bestandteil des Photodetektors 4 bildet.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Pixelelemente 6 des Photodetektors 5 von der Auslese- und Verarbeitungsvorgänge in Gruppen unterteilt betrachtet werden, wobei die Auslese- und Verarbeitungseinrichtung hierzu ausgebildet und eingerichtet ist.

Die Unterteilung der photoempfindlichen Fläche 5 kann der linken Hälfte der Figur 9 entnommen werden, welche eine Aufsicht auf einen Teil der in Gruppen von Pixelelementen 6 unterteilte photoempfindliche Fläche 5 des Photodetektors 4 zeigt. Konkret sind von den 30 x 30 Pixelele- ment-Array-Modulen 7 in der linken Hälfte von Figur 9 exemplarisch 4 x 4 also 16 Module 7 gezeigt.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die photoempfindliche Fläche 5 in 30 x 30 also 900 gleich große, vorliegend quadratische, Segmente unterteilt betrachtet, die jeweils eine Gruppe von insgesamt 64 benachbarten Pixelelementen 6 umfassen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt konkret eine Betrachtung in insgesamt 30 x 30 Gruppen zu je 8 x 8 Pixelelementen 6, also eine Betrachtung unterteilt in die 30 x 30 Pixelele- ment-Array-Module 7 des Photodetektors 4, von denen eines in der Aufsicht in Figur 2 dargestellt ist und 16 in der linken Hälfte von Figur 9.

Die insgesamt 900 Pixelelement-Array-Module 7 sind für die gruppenweise Betrachtung, von oben links bis unten rechts von Gruppe G1 bis Gruppe Gm, vorliegend Gruppe G1 bis Gruppe G900 durchnummeriert, was in Figur 10 exemplarisch mit G1 , G2 und Gm angedeutet ist Die Auslese- und Verarbeitungseinrichtung des dargestellten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist für die gruppenweise Betrachtung, Auslesung und Verarbeitung der Pixelelemente 6 ausgebildet und eingerichtet.

Die Auslese- und Verarbeitungseinrichtung umfasst gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel für jede der Pixel-Gruppen G1 bis G900, also für jedes Pixelelement-Array-Modul 7 eine Verzögerungseinheit 18 und ein Trigger-Logik-Modul 19. Die Trigger-Logik-Module werden vorliegend jeweils durch einen differentiellen RC-Kreis gebildet. Die Verzögerungseinheiten 18 und Trigger-Logik-Module 19 sind in der Figur 10 rein schematisch dargestellt. Aus Gründen der besseren Veranschaulichung sind diese beiden Komponenten in der Figur 10 für jede Gruppe G1 bis G900 jeweils gemein- sam in einem Block dargestellt.

Die Auslese- und Verarbeitungseinrichtung umfasst weiterhin einen analogen Multiplexer, 20, einen Analog-zu-Digital-Konverter 21 und eine zentrale Signalverarbeitungseinheit 22, welche feld-programmierbare-Gate-Arrays auf- weist.

Die insgesamt 16 Verzögerungseinheiten 18 sind jeweils mit dem zentralen analogen Multiplexer 20 verbunden, der wiederum mit dem Analog-zu-Digital-Konverter 21 verbunden ist. Die insgesamt 16 Trig- ger-Logik-Module 19 sind mit der Signalverarbeitungseinheit 22 verbunden. Diese ist sowohl mit dem analogen Multiplexer 20 als auch dem Analog-zu-Digital-Konverter 21 verbunden.

Schließlich ist ein PC 23 für die weitere Datenverarbeitung vorgesehen, wel- eher mit der Signalverarbeitungseinheit 22 verbunden ist. Die Auslese- und Verarbeitungseinrichtung ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ferner ausgebildet und eingerichtet, um das im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figur 10 beschriebene Auslese- und Signalverar- beitungsprinzip der Pixelelemente 6 des Photodetektors 5 durchzuführen.

Die Figur 10 zeigt ein Flussdiagramm, in welchem die Schritte des Auslese- und Signalverarbeitungsprinzips schematisch dargestellt sind und zwar unterteilt in die drei Phasen Ph1 bis Ph3.

Konkret erfolgt in Phase Ph1 die Definition der aktiven Pixelelemente 6 des Photodetektors 4. Dabei wird insbesondere kontinuierlich überwacht, ob sich das Ausgangssignal der Pixelelemente 6 signifikant verändert hat. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird hierzu ermittelt, ob die Veränderung der Ausgangssignale der Pixelelemente 6 einen vorgegebenen Wert überschreitet.

Dabei werden die Ausgangssignale der Pixelelemente 6 gruppenweise ausgelesen und in der der jeweiligen Pixel-Gruppe zugeordneten Verzögern ngs- einheit 18 zwischengespeichert. Mittels des Trigger-Logik-Moduls 19 der jeweiligen Gruppe wird überprüft, ob die Ausgangssignale der Pixelelemente 6 der jeweiligen Gruppe den vorgegeben Wert überschreiten.

Für diejenigen Pixelelemente 6, deren Ausgangssignal-Veränderungen den vorgegebenen Wert überschreiten, die in dem Flussdiagramm in Figur 10 enthaltene Frage "Hat sich das Ausgangssignal des Pixelelementes signifikant verändert" also mit "ja" beantwortet werden kann, wird ein Trigger von der Trigger-Logik-Einheit 19 ausgegeben und die Pixelelemente 6 werden von der Signalverarbeitungseinheit 22 als aktiv definiert. Die verbleibenden Pixelelemente 6, deren Ausgangssignal unterhalb des vorgegebenen Wertes liegt oder diesem entspricht, für welche die Frage also mit "nein" zu beantworten ist, werden als idle definiert und weiter überwacht.

Zusammen mit den Ausgangssignalen der aktiven Pixelelemente 6 werden die Koordinaten der aktiven Pixelelemente 6 von der Signalverarbeitungseinheit 22 gespeichert. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Pixelelemente 6 durchnummeriert, wobei als Pixelkoordinate die Nummer des jeweiligen Pixelelementes 6 gespeichert wird. Es wird ferner mittels der Signalverarbeitungseinheit 22 für jedes der als aktiv definierten Pixelelementes 6 ein Zeitstempel erstellt und zusammen mit den Ausgangssignalen und Koordinaten des jeweiligen Pixelelementes 6 gespeichert. Der Zeitstempel enthält dabei diejenige Zeit, zu welcher das jeweilige Pixelelement 6 als aktiv definiert wurde.

Die Signalverarbeitungseinheit 22, die mit dem analogen Multiplexer 20 verbunden ist, kommuniziert an diesen, welche Pixelelemente 6 als aktiv definiert wurden und der analoge Multiplexer 20, welcher mit den Verzögerungseinheiten 18 verbunden ist, in denen die Ausgangssignale der Pixelelemente 6 der jeweiligen Gruppe zwischengespeichert sind, sucht die Ausgangssignale der als aktiv definierten Pixelelemente 6 der getriggerten Gruppe aus und gibt diese an den Analog-zu-Digital-Konverter 21 weiter. Der Ana- log-zu-Digital-Konverter 21 konvertiert die analogen Signale der aktiven Pixelelemente 6 in digitale Signale und gibt die digitalisierten Signale an die Signalverarbeitungseinheit 22 zurück.

In dem Flussdiagramm in Figur 10 sind Digitalisierung und Zuordnung des Zeitstempels durch einen Block mit der Aufschrift ADC + Zeitstempel (t _s tart_x) dargestellt. In der Phase Ph2 erfolgt die Definition der Ereignisse, wobei in der Signalverarbeitungseinheit 22 überprüft wird, ob alle aktiven Pixelelemente 6 zum gleichen Ereignis gehören. Dies ist zutreffend, sofern sämtliche aktiven Pixelelemente 6 einer zusammenhängenden Gruppe benachbarter Pixelele- mente 6 angehören und einen zumindest ähnlichen Zeitstempel aufweisen. Ist die in dem Flussdiagramm in Figur 10 enthaltene Frage "Gehören alle Pixelelemente zum gleichen Ereignis?" mit ja zu beantworten, werden die entsprechenden Pixelelemente 6 als zu einem Ereignis gehörend definiert. Dabei kann es sich bei einem Ereignis um ein auf den Szintillator 3 aufge- troffenes thermisches Neutron oder ein Gammaphoton oder eine andere Form von Strahlung handeln.

Wird die Frage hingegen mit nein beantwortet, ist ein neues Ereignis zu definieren oder aber die Daten sind zu verwerfen, was in dem Flussdiagramm in Figur 9 entsprechend angegeben ist.

Anschließend werden die Ausgangssignale derjenigen als zu einem Ereignis gehörenden definierten Pixelelemente 6 aufsummiert. In einer sich an die zuvor beschrieben Phase Ph2 der Ereignis-Definition anschließenden Phase Ph3 erfolgt eine Ereignis-Unterscheidung und Definition des Ursprungsortes des Ereignisses. Der erhaltene Summenwert aller als zu einem Ereignis gehörend definierten Pixelelemente 6 wird hierzu mit einem Summenreferenzwert verglichen. Sofern die Summe der Ausgangs- Signale der als zu einem Ereignis gehörend definierten Pixelelemente 6 den Summenreferenzwert überschreitet, wird das Ereignis als ein solches definiert, welches durch einen auf den Szintillator 3 aufgetroffenes Neutron ausgelöst wurde. Entspricht der Wert hingegen dem Summenreferenzwert oder unterschreitet diesen, werden die Signale entweder wie in dem Flussdiagramm in Figur 9 angedeutet, verworfen oder aber diese können gespeichert und als zu einem Gamma-Photon-Ereignis oder einem anderen Ereignis gehörende Daten weiter berücksichtigt werden, sofern dies erwünscht ist.

Ist das Ereignis als zu einem Neutron gehörig definiert worden, erfolgt die Bestimmung des Ursprungsortes des Ereignisses. Hierzu wird aus den Pixelelementen 6, die zu einem Neutron-Ereignis gehören, dasjenige Pixelelement 6 mit dem höchsten Ausgangssignal ermittelt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei diesem um das Pixelelement Nr. 30, welches auch in der Aufsicht auf das Pixel-Array 7 in Figur 2 zu erkennen ist, und auf welchem der Mittelpunkt der kreisförmigen Beleuchtungsfläche liegt.

Sämtliche der vorgenannten Schritte aus Phase Ph2 und Phase Ph3 werden mittels der Signalverarbeitungseinheit 22 durchgeführt, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel feld-programmierbare Gate-Arrays aufweist und entsprechend ausgebildet und eingerichtet ist.

Abschließend kann eine weitere Verarbeitung der erfassten Daten erfolgen. Hierzu werden die Daten an einem PC 23 übergeben werden, welcher mit der Auslese- und Verarbeitungseinrichtung, konkret mit der Signalverarbeitungseinheit 22 dieser verbunden ist.

Alternativ zu dem dargestellten Ausführungsbeispiel, bei dem Position des Ursprungsortes des Neutronen-Ereignisses bis auf ein Pixelelement 6 genau ermittelt wird, kann auch ein Verfahren zur genaueren Bestimmung des Ursprungsortes O durchgeführt werden. Beispielsweise kann unter Anwendung der sogenannten Center-of-Gravity-Methode ein zentraler Punkt der Be- leuchtungsfläche errechnet und als Ursprungsort O des Ereignisses definiert werden. Anstelle der Center-Of-Gravity-Methode können auch andere Methoden angewendet werden, um den zentralen Punkt der Beleuchtungsfläche zu ermitteln. Die Auslese- und Verarbeitungseinrichtung, insbesondere die Signalverarbeitungseinheit 22 ist dann entsprechend ausgebildet und eingerichtet, um die mit einem solchen Verfahren verbundenen Schritte durchzuführen.

Unter Verwendung des hier beschriebenen Ausführungsbeispiels der erfin- dungsgemäßen Vorrichtung wird es möglich, thermische oder langsame Neutronen mit hoher räumlicher Auflösung auch unter Präsenz eines externen Magnetfeldes zuverlässig zu detektieren.

Dabei ermöglichen es die vorstehend beschriebenen "intelligenten" Auslese- und Verarbeitungsprozesse, dass die Anzahl der gleichzeitig auszulesenden Pixel-Ausgangskanäle sowie die gesamte zu betrachtende Datenmenge reduziert wird. Im Ergebnis können mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung besonders hohe Neutronenzählraten realisiert werden. Gleichzeitig kann zuverlässig zwischen Ereignissen unterschieden werden, welche durch auf den Szintillator auftreffende Neutronen und Ereignissen, welche durch auf den Szintillator auftreffende Gammaphotonen mit Energien unterhalb eines bestimmten Wertes ausgelöst werden unterschieden werden. Soll eine bildgebende Aufnahme einer Neutronenquelle erstellt werden, wie es u.a. im Rahmen der Kontrolle nuklearer Abfälle zweckmäßig sein kann, ist es auch möglich, die Ausgangssignale aller Pixelelemente 6 des Photodetektors 4 gleichzeitig auszulesen und aus den erhaltenen Signalen ein Bild zu erstellen. Dies kann beispielsweise im Rahmen der Kontrolle von frachtfüh- renden Fahrzeugen, wie etwa LKWs, auf nukleare Materialien durchgeführt werden. Dafür können dann auch andere, besonders passende Szintillator- materialien ausgewählt werden.