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1. WO2021005065 - MACROPIXEL AND MACROPIXEL-BASED PARTICLE AND RADIATION DETECTOR

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[ DE ]

MAKROPIXEL UND MAKROPIXEL- BASIERTER TEILCHEN- UND

STRAHLUNGSDETEKTOR

TECHNISCHES GEBIET

Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Konzepte zum Detektieren von Teilchen und/oder Strahlung und diesbezüglichen Anwendungen, und insbesondere auf eine Anordnung, zum Beispiel ein Makropixel, zum Bestimmen eines ortsaufge lösten Energiespektrums eines Teilchen- oder Strahlungsstrahls, sowie einen Teilchendetektor mit der Anordnung. Ausführungsbeispiele beziehen sich insbe sondere auch auf eine Vorrichtung zur räumlichen und spektralen Ionendiag nostik.

HINTERGRUND

Die Entwicklung neuer Hochleistungslasersysteme im Petawatt-Bereich für die Laser-Teilchenbeschleunigung erfordert die Neu- und Weiterentwicklung beste hender Detektoren. Insbesondere wegen der immer weiter steigenden Wieder holraten von wenigen tausendstel Sekunden bis Minuten besteht ein Bedarf nach einer hohen Auslesegeschwindigkeit und der Mehrfachnutzbarkeit.

Aktuell eingesetzte Detektoren zur Untersuchung beschleunigter Ionen sowohl in spektraler (d.h. energetischer) als auch in räumlicher Dimension sind ohne zeitaufwendigen Austausch von Teilelementen nicht erneut nutzbar, nicht auto-matisiert betreibbar bzw. decken nur einen der beiden Teilbereiche ab.

ZUGRUNDELIEGENDES PROBLEM

Daher besteht ein Bedarf zum Bereitstellen von Konzepten für mehrfachnutzba-re Detektoren. Nichtsdestotrotz ist es wünschenswert dabei Kosten einzusparen.

l

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Ein solcher Bedarf kann durch den Gegenstand der Ansprüche erfüllt sein.

Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Anordnung zum Bestimmen eines Ener giespektrums eines Teilchenstrahls bereitgestellt. Die Anordnung umfasst eine Vielzahl polymerer Körper. Jeder der Vielzahl polymerer Körper weist einen Lichtwellenleiter auf. Jeder der Vielzahl polymerer Körper weist einen an einem jeweiligen Ende des Lichtwellenleiters angeordneten Szintillator auf. Die Szintil-latoren sind so zueinander angeordnet, dass eine Energieverteilung eines auf die Anordnung treffenden Teilchenstrahls bestimmbar ist. Gleichzeitig kann bei spielsweise das 3D-Ortsprofil optisch abgebildet werden.

Durch Nutzung von Szintillatoren kann ein Detektor, in dem diese Anordnung Verwendung findet, bei Interaktion mit ionisierten Teilchen mehrfach und dau erhaft eingesetzt werden. Durch Wiederverwendbarkeit des Detektors werden laufende Kosten durch Einmalkosten ersetzt und dadurch Gesamtkosten mini miert.

Zum Beispiel können die Lichtwellenleiter der Vielzahl der polymeren Körper unterschiedliche Längen aufweisen. Zum Beispiel können jeweilige Anfänge (oder Enden) der Lichtwellenleiter an einer gemeinsamen Ebene ausgerichtet sein, so dass die Szintillatoren einen unterschiedlichen Abstand von der gemein samen Ebene aufweisen. Dies bedeutet, dass die Weglängen der Teilchen des Teilchenstrahls, bis sie auf die Szintillatoren von der gegenüberliegenden Seite treffen, unterschiedlich sind. Wie weiter unten dargelegt, kann über eine ent sprechend gewählte Einbettmatrix hierdurch eine Energieauflösung der Teilchen in dem Teilchenstrahl erreicht werden. Die Eindringtiefe der Teilchen ist hierbei proportional zu ihrer Energie.

Zum Beispiel kann die Anordnung ein Makropixel eines Detektors sein. Bei spielsweise kann die Anordnung einer Vielzahl an polymeren Körpern mit

Lichtwellenleitern unterschiedlicher Länge ein sogenanntes Makropixel ergeben. Diese in sich funktionsfähigen Einzeldetektoren ergeben in einer Anordnung einen ortsauflösenden Detektor.

Zum Beispiel sind die Vielzahl polymerer Körper zylinderförmig (der Quer schnitt kann kreisförmig oder als ein Vieleck ausgebildet sein). Zum Beispiel sind diese parallel zueinander angeordnet.

Zum Beispiel können die Szintillatoren und die Lichtwellenleiter aus dem glei-chen (Basis-)Polymermaterial sein. Das Basispolymermaterial kann z.B. ein

Polymethylmethacrylat, PMMA, sein, auch Acrylglas genannt. Das ist ein trans parenter thermoplastischer Kunststoff. Das Polymermaterial kann für die Szinti llatoren entsprechend einer Szintillationswirkung dotiert sein. Zum Beispiel kann ein Gehalt an dotiertem PMMA in den jeweiligen Szintillatoren im Wesent-liehen 40% betragen. Die Dotierung wird beispielsweise durch gezielt einge-brachte Verunreinigungen (z.B. bestimmte Nanopartikel) erreicht. Diese Verun reinigungen sind beispielsweise ausgebildet, um beim Auftreffen von Ionen Licht anzuregen, welches entlang der Lichtleiter zu einer beispielhaften Kamera geführt wird. Unterschiedliche Arten des Dotierungsmaterials ermöglichen die gezielte Optimierung zur Detektion unterschiedlicher Strahlungs- und Teilchen typen, wie z.B. Ionen, Elektronen, Neutronen u.a.

Einsatz von Polymeren zur Aktivierungsreduktion führt zur einfacheren Hand habung in Experimenten, da die Zeitdauer zum Abklingen minimiert werden kann.

Zum Beispiel kann die Anordnung eine zusammenhängende polymere Hal testruktur aufweisen. Zum Beispiel sind die Vielzahl polymerer Körper in die polymere Haltestruktur eingebettet.

Zum Beispiel kann die Haltestruktur aus einzelnen Schichten aufgebaut sein.

Die einzelnen Schichten können in Längsrichtung der Lichtwellenleiter ge- schichtet sein. Die Haltestruktur kann ein äußeres Ausmaß der Anordnung fest legen. Zum Beispiel ist die Haltestruktur im Wesentlichen ein Quader. Dieser kann die Vielzahl polymerer Körper (komplett) umgeben/einschließen. Es ver steht sich, dass für die Ausbildung des Lichtleiters in der Haltestruktur ein Bre-chungsindex anders zu wählen ist (der Lichtleiter sollte optisch dichter sein).

Auch dies kann durch eine entsprechende Dotierung/Verunreinigung des Poly merbasismaterials erreicht werden. Es ist insbesondere möglich, dass die Hal testruktur, die Lichtleiter und die Szintillatoren ein gleiches Basismaterial auf weisen und sich nur hinsichtlich ihrer Dotierung bzw. nicht vorhandener Dotie-rang unterscheiden. Damit ist der Energieverlust pro Längeneinheit der eintref fenden Strahlung bzw. Teilchen in allen Komponenten nahezu gleich.

Beispiele für Szintillatordotierungen umfassen z.B. die folgenden Stoffe: Anth-racen, Stilben, Napthtalin, 2-Phenyl-5-(4-biphenyl)-i,3,4-oxadiazol (PBD), 2,5-Diphenyloxazol (PPO), i,4-Bis(5-phenyloxazol-2-yl)benzol (POPOP)

1,4-Diphenylbenzol (p-Terphenyl).

Der Lichtwellenleiter kann auch eine Glasfaser sein. Hierdurch kann ein opti scher Transport durch die Glasfaser in der Absorbermatrix bereitgestellt werden (ausgelöst durch Anregung von Photonen im Szintillator), um ein Übersprechen (Crosstalk) zwischen Energieniveaus (definiert durch die jeweiligen polymeren Körper) zu verhindern.

Die Haltestruktur kann zum Beispiel eine geschichtete Absorbermatrix ergeben. Hierdurch kann das Problem hoher Aspektverhältnisse umgangen werden.

Durch Mikrofertigung kann eine Pixelgröße eines Energieniveaus (gemessen an einem jeweiligen polymeren Körper) auf wenige zehn bis wenige hundert Mik rometer verkleinert werden.

Bei Eindringen in die Absorbermatrix können die zu detektierenden Teilchen Energie verlieren (z.B. proportional zur Eindringtiefe). Ein Teilchen mit viel Energie kann tief in die Absorbermatrix eindringen und einen der Szintillatoren anregen, der von einer Eindringoberfläche am weitesten entfernt angeordnet ist.

Ein Teilchen mit wenig Energie kann zum Beispiel nicht so tief in die Absorber matrix eindringen und den am weitesten von der Eindringoberfläche entferntes ten Szintillator nicht anregen. Das heißt, abhängig von einer Teilchenenergie können verschiedene Szintillatoren angeregt werden. Die Szintillatoren können zum Beispiel so in der Absorbermatrix angeordnet sein, dass unterschiedliche Energieniveaus detektiert werden können.

Eine Anzahl der Schichten kann einer Anzahl der Szintillatoren entsprechen.

Die Integration des Szintillators in der Absorbermatrix kann zum Beispiel exakt an einem Punkt der zu detektierenden Energie erfolgen, um Unschärfe in Ener gie und Ortsauflösung zu minimieren.

Optional umfasst die Haltestruktur ein gleiches Polymerbasismaterial oder be steht aus einem solchen wie die Szintillatoren und die Lichtwellenleiter. Die Haltestruktur kann eine gleiche oder unterschiedliche Dotierung wie die Szintil latoren und/oder die Lichtwellenleiter aufweisen.

Optional umfasst das Energiespektrum des Teilchenstrahls eine unbekannte Energieverteilung. Außerdem kann ein an den jeweiligen Enden des Lichtwellen-leiters angeordneter Szintillator einen Durchmesser von weniger als l mm auf weisen. Damit kann eine höherer Ortsauflösung erzielt werden. Die Szintillato ren können so zueinander angeordnet sein, dass das Energiespektrum eines senkrecht auf die Oberfläche der Anordnung treffender Teilchenstrahl bestimm bar ist.

Optional umfassen zumindest einige der Szintillatoren und/oder Lichtwellenlei ter und/oder polymeren Körper eine reflektierende Beschichtung, die ganzflä chig (z.B. komplett umhüllen) oder teilweise ausgebildet ist. Damit kann einfal lendes Licht reflektiert werden und beeinflusst nicht das Messergebnis.

Optional sind mehrere Szintillatoren auf einer Ebene senkrecht zu einer Licht ausbreitung in den Lichtwellenleitern ausgebildet. Auf diese Weise können Mak- ropixel gebildet werden.

Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Teilchendetektor bereitgestellt, der Teil chendetektor umfasst die Anordnung gemäß dem ersten Aspekt.

Gemäß einem dritten Aspekt wird eine Auswerteeinheit zum Auslesen eines Teilchendetektors gemäß dem zweiten Aspekt bereitgestellt.

Energieauflösung und/oder Energiebereich kann durch Anzahl und Schichtdicke des Szintillatormaterials variabel an das Experiment anpassbar sein.

Zum Beispiel kann zur Teilchenstrahlerzeugung ein Laser bei zum Beispiel IOHZ und einer Leistung von 100 TW (und aufwärts) betrieben sein. Dieser kann z.B. auf eine Folie (z. B. aus Metall) gerichtet sein, um die Teilchen (z. B. Neutronen, Ionen) in Richtung der Anordnung in Bewegung zu setzen. Dieser Teilchenstrahl kann z.B. genutzt werden, um Materialmessungen an Mauern und Gestein durchzuführen. Nach dem Durchstrahlen des zu vermessenden Materials wird ein Teilchendetektor gemäß Ausführungsbeispielen genutzt, um das Ergebnis optisch festzuhalten. Innere Strukturen des zu vermessenden Materials werden im Energiespektrum sichtbar. Beispielsweise können Ausführungsbeispiele da her für Anwendungen in Großforschungseinrichtungen eingesetzt werden.

Die Auswerteeinheit ist über die Lichtwellenleiter mit dem Teilchendetektor verbunden oder liest die Enden der Lichtwellenleiter über eine freie Distanz optisch aus. Dadurch lässt sich die z.B. elektronische Auswerteeinheit in großer EMP (Elektromagnetischer Puls)-sicherer Entfernung vom Interaktionspunkt platzieren.

Die Auswerteeinheit kann ferner ein Kamerasystem umfassen mit dem eine Erfassung der Energiespektren mit räumlicher Auflösung erfolgen kann. Es kann ferner ein schnelles Kamerasystem vorgesehen sein, das mindestens für eine Repetitionsrate von Hochenergie-Lasersystemen ausgelegt ist und Erweite- rungen wie z.B. Bildverstärkung (z.B. MCPs, Dioden, Photomultiplier) umfassen kann.

Es ist dem Fachmann klar, dass die hierin dargelegten Auswerteeinheiten unter Verwendung von Hardwareschaltungen, Softwaremitteln oder einer Kombinati on davon implementiert sein/werden können. Die Softwaremittel können im Zusammenhang stehen mit programmierten Mikroprozessoren oder einem all gemeinen Computer, einer ASIC (Englisch: Application Specific Integrated Cir cuit; zu Deutsch: anwendungsspezifische integrierte Schaltung) und/oder DSPs (Englisch: Digital Signal Processors; zu Deutsch: digitale Signalprozessoren).

Beispielsweise kann die Auswerteeinheit teilweise als ein Computer, eine Logik schaltung, ein FPGA (Field Programmable Gate Array; zu Deutsch: im Feld pro grammierbare Logik-Gatter-Anordnung), ein Prozessor (beispielsweise umfas send einen Mikroprozessor, einen Mikrocontroller (pC) oder einen Vektorpro-zessor)/Core (zu Deutsch: Hauptspeicher, kann in dem Prozessor integriert sein beziehungsweise von dem Prozessor verwendet werden)/CPU (Englisch: Central Processing Unit; zu Deutsch: zentrale Prozessoreinheit; wobei mehrere Pro zessorkerne möglich sind), eine FPU (Englisch: Floating Point Unit; zu Deutsch: Gleitkommaprozessoreinheit), eine NPU (Englisch: Numeric Processing Unit; zu Deutsch: Numerische Prozessoreinheit), eine ALU (Englisch: Arithmetic Logical Unit; zu Deutsch: arithmetisch-logische Einheit), ein Koprozessor (zusätzlicher Mikroprozessor zur Unterstützung eines Hauptprozessors (CPU)), eine GPGPU (Englisch: General Purpose Computation on Graphics Processing Unit; zu Deutsch: Allzweck-Berechnung auf Grafikprozessoreinheit(en)), ein Parallel-rechner (zum gleichzeitigen Ausführen, unter anderem auf mehreren Hauptpro zessoren und/oder Grafikprozessoren, von Rechenoperationen) oder ein DSP realisiert sein. Es ist dem Fachmann zu dem klar, dass auch dann wenn die hier in beschriebenen Details in Bezug auf ein Verfahren beschrieben werden, diese Details auch in einer geeigneten Vorrichtung, einem Computerprozessor oder einem mit einem Prozessor verbundenen Speicher realisiert sein können, wobei der Speicher mit einem oder mehreren Programmen versehen ist, die das Ver fahren durchführen, wenn sie durch den Prozessor ausgeführt werden. Hierbei können Verfahren wie Swapping (zu Deutsch: Umlagerung) und Paging (zu Deutsch: Kachelverwaltung) verwendet werden.

Auch wenn einige der voranstehend beschriebenen Aspekte in Bezug auf die Anordnung beschrieben wurden, so können diese Aspekte auch auf den Detektor und die Auswerteeinheit zutreffen. Genauso können die voranstehend in Bezug auf den Detektor beschriebenen Aspekte in entsprechender Weise auf die An ordnung und die Auswerteeinheit zutreffen. Ebenso können die voranstehend in Bezug auf die Auswerteeinheit beschriebenen Aspekte in entsprechender Weise auf die Anordnung und den Detektor zutreffen.

Ebenfalls versteht sich, dass die vorliegend verwendeten Begriffe lediglich der Beschreibung einzelner Ausführungsformen dienen und nicht als Einschränkung gelten sollen. Sofern nicht anders definiert, haben alle vorliegend verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die Bedeutung, die dem allgemei nen Verständnis des Fachmannes auf dem für die vorliegende Offenbarung rele vanten Fachgebiet entspricht; sie sind weder zu weit noch zu eng zu fassen. Werden vorliegende Fachbegriffe unzutreffend verwendet und bringen so den technischen Gedanken der vorliegenden Offenbarung nicht zum Ausdruck, sind diese durch Fachbegriffe zu ersetzen, die dem Fachmann ein richtiges Verständ nis vermitteln. Die vorliegend verwendeten allgemeinen Begriffe sind auf der Grundlage der im Lexikon befindlichen Definition oder dem Zusammenhang entsprechend auszulegen; hierbei ist eine zu enge Auslegung zu vermeiden.

Vorliegend ist zu verstehen, dass Begriffe wie z.B. "umfassen" oder "aufweisen" usw., das Vorhandensein der beschriebenen Merkmale, Zahlen, Operationen, Handlungen, Komponenten, Teile oder deren Kombinationen bedeuten und das Vorhandensein bzw. die mögliche Hinzufügung eines oder mehrerer weiterer Merkmale, Zahlen, Operationen, Handlungen, Komponenten, Teile oder deren Kombinationen nicht ausschließen.

Obwohl Begriffe wie "erster" oder "zweiter" usw. evtl zur Beschreibung ver- schiedener Komponenten verwendet werden, sind diese Komponenten nicht auf diese Begriffe zu beschränken. Mit den obigen Begriffen soll lediglich eine Kom ponente von der anderen unterschieden werden. Beispielsweise kann eine erste Komponente als zweite Komponente bezeichnet werden, ohne den Schutzum-fang der vorliegenden Offenbarung zu verlassen; ebenso kann eine zweite Kom ponente als erste Komponente bezeichnet werden. Der Begriff "und/oder" um fasst beide Kombinationen der mehreren miteinander in Verbindung stehenden Gegenstände sowie jeden Gegenstand dieser Mehrzahl der beschriebenen Ge genstände.

Heißt es vorliegend, dass eine Komponente mit einer anderen Komponente "verbunden ist", damit "in Verbindung steht" oder "darauf zugreift", kann dies heißen, dass sie damit unmittelbar verbunden ist oder auf diese unmittelbar zugreift; hierbei ist aber anzumerken, dass eine weitere Komponente dazwi-schenliegen kann. Heißt es andererseits, dass eine Komponente mit einer ande ren Komponente "unmittelbar verbunden" ist oder "unmittelbar darauf zu greift", ist darunter zu verstehen, dass dazwischen keine weiteren Komponenten vorhanden sind.

Nachfolgend werden die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden

Offenbarung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Dieselben oder gleichen Komponenten bzw. Elemente werden immer mit den selben oder ähnlichen Bezugszeichen versehen. Bei der Beschreibung der vorlie genden Offenbarung wird auf ausführliche Erläuterungen bekannter verbunde-ner Funktionen oder Konstruktionen verzichtet, sofern diese unnötig vom Sinn der vorliegenden Offenbarung ablenken. Die beigefügten Zeichnungen der vor liegenden Offenbarung dienen der Veranschaulichung der vorliegenden Offen barung und sind nicht als Einschränkung aufzufassen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen. Dabei zei gen alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den hier offenbarten Gegenstand, auch unabhängig von ihrer Gruppierung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehungen. Die Abmessungen und Proportionen der in den Figuren gezeigten Komponenten sind hierbei nicht unbedingt maßstäblich; sie können bei zu implementierenden Ausführungsformen vom hier Veranschaulichten abweichen.

Figur l zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung für einen

Detektor;

Figur 2 zeigt eine schematische dreidimensionale Darstellung einer An ordnung für einen Detektor.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

Die Anordnung und der Detektor werden nun anhand von Ausführungsbeispie len beschrieben.

Im Folgenden werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, spezifische Details dar gelegt, um ein vollständiges Verständnis der vorliegenden Offenbarung zu lie fern. Es ist einem Fachmann jedoch klar, dass die vorliegende Offenbarung in anderen Ausführungsbeispielen verwendet werden kann, die von den nachfol-gend dargelegten Details abweichen können.

Es versteht sich, dass, wenn ein Element als mit einem anderen Element„ver bunden" oder„gekoppelt" bezeichnet wird, die Elemente direkt verbunden oder gekoppelt sein können oder über ein oder mehrere Zwischenelemente. Wenn zwei Elemente A und B mit einem„oder" verbunden werden, soll dies derart verstanden werden, dass es alle möglichen Kombinationen, d.h. nur A, nur B sowie A und B offenbart. Ein alternativer Wortlaut für dieselben Kombinationen ist„zumindest eines aus A und B". Dasselbe gilt für Kombinationen aus mehr als 2 Elementen.

Figur l zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung für einen Detek-tor. Die Anordnung (100) ist vorgesehen zum Bestimmen einer Energieauflö sung eines Teilchenstrahls. Die Anordnung (100) umfasst eine Vielzahl polyme rer Körper (no). Diese polymeren Körper (no) sind schematisch als Zylinder dargestellt und können aus mehreren Abschnitten bestehen. Ein Abschnitt kann ein Szintillator (114) sein. Ein weiterer Abschnitt kann der Lichtwellenleiter (112) sein. Jeder der Vielzahl polymerer Körper (110) weist zumindest einen

Lichtwellenleiter (112) und zumindest einen an einem jeweiligen Ende des Lichtwellenleiters (112) angeordneten Szintillator (114) auf.

Zum Beispiel kann der Einsatz von Szintillatoren dazu führen, dass der Detektor nachhaltig eingesetzt werden kann, da diese im Gegensatz zu Einwegdetektoren dauerhaft genutzt werden können und außerdem sicher vor dem Einfluss von elektromagnetischen Pulsen (EMP) sind. Außerdem kann durch die Art des Szintillators der zu detektierende Strahlungs- oder Teilchentyp definiert werden.

Jeder der polymeren Körper kann genau einen Szintillator (114) und genau ei nen Lichtwellenleiter (112) aufweisen. Die polymeren Körper (110) können zy linderförmig oder vieleckig sein, wobei die jeweiligen Abschnitte (z.B. der Licht wellenleiter (112) und der Szintillator (114)) sowohl zylinderförmig als auch viel eckig sein können. Zum Beispiel weisen der Lichtwellenleiter (112) und der Szin-tillator (114) einen gleichen Durchmesser auf. Insbesondere kann jeder der Viel zahl polymerer Körper (110) an einem Ende einen Szintillator (114) und an dem entsprechenden anderen Ende einen Lichtwellenleiter (112) aufweisen. Die Län ge des jeweiligen polymeren Körpers (110) kann hierbei durch den jeweiligen Lichtwellenleiter (112) bestimmt sein, wenn für jeden polymeren Körper (110) derselbe Szintillator (114) verwendet wird. Ebenso kann die Länge des Szintilla tors die Länge des polymeren Körpers (110) beeinflussen.

Die Szintillatoren (114) können so zueinander angeordnet sein, dass eine Ener gieauflösung eines auf die Anordnung (100) treffenden Teilchenstrahls be stimmbar ist. In Figur 1 wird schematisch eine Polymerhaltestruktur (120) ge zeigt. Diese Polymerhaltestruktur (120) kann mehrere Schichten aufweisen. Die Polymerhaltestruktur (120) kann ferner zusammenhängend sein. Hierbei kann die Polymerhaltestruktur (120) eine erste Oberfläche (E) und eine zweite Ober fläche (A) aufweisen. Die Vielzahl polymerer Körper (110) kann sich in der zu sammenhängenden polymeren Haltestruktur (120) von der ersten Oberfläche (E) in Richtung der zweiten Oberfläche (A) erstrecken. Zum Beispiel kann nur eine einzige der Vielzahl polymerer Körper (110) an der zweiten Oberfläche (A) enden oder die Polymerhaltestruktur die zweite Oberfläche (A) ganzflächig bil den. In Figur 1 kann zum Beispiel die linke Seite die zweite Oberfläche (A) und die rechte Seite die erste Oberfläche (E) darstellen. Die erste Oberfläche (E) kann eine gemeinsame Oberfläche darstellen, an den jeweiligen Enden der Lichtwellenleiter (112) angeordnet sind. Wie in der Figur 1 weiter dargestellt, können die Lichtwellenleiter (112) jedoch auch aus der ersten Oberfläche (E) der Polymerhaltestruktur (120) herausragen und gemeinsam an einer dritten Ober fläche (F) enden. Damit können im Speziellen auch Oberfläche (E) und Oberflä che (F) übereinstimmen. Die zylindrischen polymeren Körper (110) können zueinander parallel sein. Zum Beispiel können sich die zylindrischen polymeren Körper (110) von der ersten Oberfläche (E) (an der entsprechende Enden oder Querschnitte der Lichtwellenleiter (112) angeordnet sind) in Richtung der zwei ten Oberfläche (A) parallel zueinander erstrecken.

Die zweite Oberfläche (A) kann für ein Auftreffen eines Strahlung- oder Teil chenstrahls vorgesehen sein. Die dritte Oberfläche (F) oder die zum Beispiel polierten Enden der Lichtwellenleiter (112), welche aus der Polymerhaltestruk tur (120) herausragen, kann für eine zur Detektion verwendete Aus werteeinheit (z.B. in Form einer Kamera) vorgesehen sein. Der Teilchenstrahl kann zum Bei-spiel auf die zweite Oberfläche (A) treffen und in den jeweiligen Szintillatoren (114) der polymeren Körper (110) zu Photonenabgabe führen, welche am Ende der jeweiligen Lichtwellenleiter (112) detektierbar sind. Durch eine unterschied- liehe Einbettungstiefe der Szintillatoren (114) bzw. der polymeren Körper (110) kann auf eine Energieverteilung des Teilchenstrahls geschlossen werden. Die Lichtwellenleiter (112) leiten die Information in Form der Intensität der abgege benen Photonen des Szintillators (114) an die Ausleseeinheit (nicht gezeigt) wei-ter.

Die dritte Oberfläche (F) kann einer gemeinsamen Ebene entsprechen, an der die Lichtwellenleiter (112) ausgerichtet sein können. Durch die unterschiedliche Länge der Lichtwellenleiter (112) können die Szintillatoren (114) einen unter-schiedlichen Abstand von den gemeinsamen Ebenen (E) bzw. (F) aufweisen.

Ferner können die Szintillatoren einen unterschiedlichen Abstand von der zwei ten Oberfläche (A) der polymeren Haltestruktur (120) aufweisen. Dieser Ab stand kann wiederum die unterschiedlichen Längen der Lichtwellenleiter (112) einstellen. Ein Teilchenstrahl, der auf einen von der zweiten Oberfläche (A) wei-ter entfernten Szintillator (114) trifft kann aufgrund der Polymerhaltestruktur (120) oder umhegender Polymerkörper (110) stärker abgeschwächt sein. Je wei ter ein jeweiliger Szintillator (114) von der zweiten Oberfläche (A) entfernt ist, umso größer muss die entsprechende Energie des Teilchenstrahls sein, um den Anregungsprozess auszulösen.

Die in Figur 1 gezeigte Anordnung (100) kann als ein Makropixel eines Teilchen detektors Verwendung finden. Ein Makropixel besteht aus einer Anordnung von einer diskreten Anzahl polymerer Körper (110), welche jeweils einen unter schiedlichen Abstand zur zweiten Oberfläche (A) aufweisen. Der Teilchendetek-tor kann selbst die Anordnung (100) umfassen. Zum Beispiel kann eine Vielzahl solcher Anordnungen in dem Detektor verwendet werden. An dem Teilchende tektor kann ferner eine Kamera und/oder eine Auswerteeinheit (welche auch die Kamera umfassen kann) angeschlossen werden. Die Auswerteeinheit kann vor gesehen sein den Teilchendetektor auszulesen.

Zum Beispiel können die Szintillatoren (114), die Lichtwellenleiter (112) und/oder die polymere Haltestruktur (120) aus demselben Polymermaterial

geformt sein.

Durch den Einsatz des gleichen Polymers für Polymerhaltestruktur (120), Licht wellenleiter (112) sowie Szintillator (114) mit ähnlichen Absorptionseigenschaf-ten kann eine uniforme Energieabschwächung der zu detektierenden Teilchen eingestellt werden, wodurch sich zudem Verfälschungen der Messungen durch nicht senkrecht auf den Detektor auftreffende Teilchen minimiert werden kön nen.

Zum Beispiel kann die polymere Haltestruktur (120) Zusammenhängen. Im

Speziellen kann die polymere Haltestruktur (120) aus einzelnen Schichten auf gebaut sein oder aus einem Block gefertigt sein. Eine jeweilige Schicht kann zum Beispiel mit einem jeweiligen Szintillator (114) abschließen. So kann die Anzahl der Szintillatoren (114) der Anzahl der Schichten der polymeren Haltestruktur (120) entsprechen oder höher oder niedriger sein.

Der Lichttransport mit Polymerlichtleitern (112) mit einem Durchmesser von wenigen hundert Mikrometern, zum Beispiel kleiner als imm (oder 500pm oder 250pm oder 150pm) durch die im Vergleich dicke Polymerhaltestruktur (120) kann durch den schichtweisen Aufbau einzelner Haltestrukturplatten ermöglicht werden. Hierdurch kann folglich eine Minimierung des Faserdurchmessers er folgen. Zum Beispiel kann einer der polymeren Körper (110) im Wesentlichen 100 pm im Durchmesser groß sein. Der kürzeste und längste Abstand der Szintil latoren (114) zur zweiten Oberfläche (A) bestimmen die Mindestlänge der poly-meren Haltestruktur (120) und definieren zugleich den detektierbaren Energie bereich. Die Länge der polymeren Haltestruktur (120), welche den Abstand zwi schen der ersten Oberfläche (E) und zweiten Oberfläche (A) entspricht, kann zum Beispiel weniger Millimeter bis Zentimeter betragen (z.B. 1 mm, 2 mm, 3 mm .... 1 cm, 2 cm, ... ).

Weitere Einzelheiten und Aspekte sind in Verbindung mit den vor- oder nach stehend beschriebenen Ausführungsbeispielen erwähnt. Das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel kann ein oder mehrere optionale zusätzliche Merkmale aufweisen, die einem oder mehreren Aspekten entsprechen, die in Verbindung mit dem vorgeschlagenen Konzept oder nachstehend in Bezug auf Fig. 2 be schriebenen Ausführungsbeispielen erwähnt sind.

Figur 2 zeigt eine schematische dreidimensionale Darstellung einer Anordnung (100) für einen Detektor. Die Anordnung (100) wird in Figur 2 als Makropixel zur Strahlung- und/oder Teilchendiagnostik dargestellt. Im Speziellen können mit diesem Makropixel vier Energieniveaus des Teilchenspektrums gemessen werden. Durch die Anordnung vieler Makropixel neben- und untereinander kann ein räumliches Spektrum gemessen werden. Die Anordnung (100) bzw. der Detektor kann aus einer Polymerhaltestruktur (120) aufgebaut sein, in die Po lymerlichtwellenleiter (112) und Szintillatoren (114) in genau definierten Ab ständen eingebettet sind. Hierbei können die genau definierten Abstände in Bezug zu der Kamera gerichteten Oberfläche (E) oder zum Teilchenstrahl gerich teten Oberfläche (A) definiert sein oder zueinander. Die definierte Anordnung von Szintillator (114) und Lichtwellenleiter (112) ermöglichen es, ein spektrales und räumliches Profil beschleunigter Teilchen oder Strahlung in die optische Domäne umzuwandeln und mittels einer Auswerteeinheit zum Beispiel in Form eines Kamerasystems auszulesen.

Gemäß Ausführungsbeispielen können alle Makropixel in derselbe Haltestruktur eingebettet sein.

Die Funktionsweise des Detektors lässt sich mit Hilfe der Figur 2, welche einen Makropixel des Detektors darstellt, beschreiben. In jedem Makropixel (100) kann ein diskretes Energiespektrum des Teilchenstrahles detektiert werden. Die Energieauflösung kann durch die Anzahl an unterschiedlichen Szintillatorpositi onen innerhalb des Makropixels (100) bestimmt werden. Der Energiebereich wird durch den kürzesten und längsten Abstand der Szintillatoren (114) zur zweiten Oberfläche (A) bestimmt.

Die Ortsauflösung wird durch die Abstände zwischen den angeordneten Mak-ropixeln (100), die Größe der zweiten Oberfläche (A), die Abstände zwischen den Lichtwellenleitern (112) und den Durchmessern der Lichtwellenleiter (112) be stimmt.

Ein auf den Makropixel eintreffender Teilchenstrahl wird materialspezifisch durch die Polymerhaltestruktur (120) in der Energie abgeschwächt, durchläuft die Polymerhaltestruktur (120) in Richtung der zur Kamera gerichteten Oberflä che und deponiert dabei einen Teil oder die gesamte Energie. Mit zunehmender Energie des einfallenden Teilchens kann sich die Eindringtiefe vergrößern. Trifft ein Teilchen auf einen der Szintillatoren (114), wird durch Stoßprozesse das Szintillatormaterial angeregt und die Anregungsenergie in Form von Photonen abgegeben. Je weiter die Position des aufleuchtenden Szintillators von der Ein trittsfläche entfernt ist, desto größer war die Energie des einfallenden Teilchens. Die proportional zur Teilchenanzahl generierten Photonen werden bis zum Ende der Polymerlichtwellenleiter (112) zum Ende der Polymerhaltestruktur (120) transportiert. Dort können sie durch eine Auswerteeinheit (nicht gezeigt) aufge nommen werden.

Die Größe des jeweiligen Makropixels (100) kann beliebig einstellbar sein, zum

Beispiel in der Länge und/ oder Breite und/ oder Höhe. Genauso kann die Anzahl der zu detektierenden Energieniveaus einstellbar sein, zum Beispiel über die Anzahl an diskreten Szintillatorpositionen relativ zur zweiten Oberfläche (A). Zum Beispiel kann die Anordnung einer Vielzahl von gleich oder verschieden aufgebauten Makropixeln (100) neben- und untereinander den Gesamtdetektor bilden und damit ein räumliches Profil des Teilchenstrahles aufnehmen.

Das Design des Detektors kann nahezu beliebig bezüglich der Gesamt- und Lichtwellenleitergröße als auch der Energieauflösung und Maximalenergie ver ändert werden, ohne den Entwicklungs- und Fertigungsaufwand signifikant zu erhöhen.

Zudem kann hierdurch ein Wechsel von Detektorkomponenten zwischen den Experimenten vermieden werden und ferner laufende Kosten reduziert werden.

Durch die optische Auslesung der Lichtwellenleiter, welche sich in beliebigem Abstand zur EMP-Quelle befinden können, kann die Auswerteeinheit vor elekt romagnetischen Pulsen geschützt werden, welche zum Beispiel bei der Teilchen beschleunigung mit Lasern entstehen. Die Detektion der generierten Photonen im Detektor kann mit kommerziell erhältlichen Kamerasystemen umgesetzt sein. Eine zeitaufgelöste Messung des räumlichen Teilchen- oder Strahlungs-Spektrums kann zusätzlich realisiert werden, wenn die Polymerlichtwellenleiter enden auf ein schnelles Kamerasystem abgebildet werden.

Weitere Einzelheiten und Aspekte sind in Verbindung mit den vor- oder nach stehend beschriebenen Ausführungsbeispielen erwähnt. Das in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel kann ein oder mehrere optionale zusätzliche Merkmale aufweisen, die einem oder mehreren Aspekten entsprechen, die in Verbindung mit dem vorgeschlagenen Konzept oder einem oder mehreren vorstehend (z. B. Fig. l) oder nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen erwähnt sind.

Gemäß einem oder mehreren Aspekten können Techniken für räumliche und spektrale Strahlen- und Teilchendiagnostik bereitgestellt werden.

Weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele beziehen sich auf die folgenden Ge genstände:

Eine Anordnung (100) zum Bestimmen eines Energiespektrums eines Teilchen strahls mit unbekannter Energieverteilung, umfassend eine Vielzahl polymerer Körper (lio), wobei jeder der Vielzahl polymerer Körper (lio) einen Lichtwel lenleiter (112) und einen an einem jeweiligen Ende des Lichtwellenleiters (112) angeordneten Szintillator (114) mit einem Durchmesser von weniger als 1 mm aufweist, wobei die Szintillatoren (114) so zueinander angeordnet sind, dass ein Energiespektrum eines senkrecht auf die Oberfläche A der Anordnung (100)

treffenden Teilchenstrahls bestimmbar ist.

Es hat sich gezeigt, dass Fasern mit einem Durchmesser von 2mm und Szintilla toren mit l bis 5 mm Durchmesser die Ortsauflösung einschränken und daher weniger gute Resultate liefern können, allerdings genutzt werden, wenn der Auftreffwinkel variabel ist (nicht senkrecht zur Oberfläche A) und somit die Abstände der Szintillatoren zur auftreffenden Oberfläche nicht dauerhaft festge legt sind.

Gemäß Ausführungsbeispielen ist es nicht zwingend, dass die Fasern unter schiedliche Längen besitzen. Sie brauchen nicht an der ersten und dritten Ober fläche (E, F) ausgerichtet sein. Wichtig sind aber die definierten Abstände der polymeren Körper zu der Ebene der zweiten Oberfläche (A).

Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen werden die Fasern, die zur gleichen Ebene in der polymeren Haltestruktur (120) gehören, gebündelt. Jedes dieser Bündel kann dann separat ausgelesen werden. Dafür kann die Länge der Fasern variieren, um eine optimale Anordnung aller Ausleseeinheiten zu ermöglichen.

Ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine Anordnung (100), die eine zusammenhängende polymere Haltestruktur (120) aufweist, wobei die Vielzahl polymerer Körper (110) mit unterschiedlichen Abständen zu der zweiten Oberfläche (A) in der polymeren Haltestruktur (120)

eingebettet ist, um eine Energieverteilung der Teilchen des Teilchenstrahls durch unterschiedliche Eindringtiefen zu bestimmen. In dieser Anordnung die nen die unterschiedlichen Abstände der Charakterisierung des Teilchenstrahls und sind daher in einem definierten Abstand zur eintretenden Oberfläche einge bettet. Im Gegensatz hierzu wird in konventionellen Anordnungen die deponier te Energieverteilung im Material untersucht, wobei der Auftreffwinkel variabel sein kann.

Ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine Anordnung (100), bei der die Szintillatoren (114) und die Lichtwellenleiter (112) und die Haltestruktur (120) aus dem gleichen Polymerbasismaterial sind und eine unter schiedliche Dotierung aufweisen können. Somit besteht die Haltestruktur im Gegensatz zu Faser und Szintillator gerade nicht aus andersartigem Material wie Gummi bzw. biologisch vergleichbarem Material. Dies vereinfacht die Produkti on und außerdem werden Materialunverträglichkeiten oder Spannungen zwi schen den Materialien vermieden. Außerdem ist die Energieabschwächung der eintreffenden Strahlung in allen Komponenten gleich.

Ausführungsbeispiele können optional zumindest eines der folgenden Merkmale oder Funktionen aufweisen:

Teilchen treffen parallel zu den polymeren Körpern auf;

Grundmaterial für alle Komponenten kann gleich sein (szintillierender Kopf, Faser und Haltestruktur);

der Teilchendetektor ist zur Detektion nicht monoenergetischer Strah lung, d.h. Teilchenstrahlen mit ausgeprägter Energieverteilung ausgebil det;

Anwendung in den folgenden Feldern sind möglich: Laser-, Plasma- und Teilchenphysik und Anwendungen;

der Teilchendetektor kann zur Einzel- und Mehrteilchendetektion ausge bildet sein;

Energieabhängige räumlichen Spektren können aufgenommen und ana lysiert werden;

es wird eine Platzeinsparung zwischen den polymeren Körpern durch di rekte Fabrikation ermöglicht;

die Herstellung der Anordnung kann durch Direktpolymerisation an der Faser erfolgen, kein zusätzliches Material zur Verbindung von Szintillator und Faser ist notwendig;

die Herstellung als zwei-Komponenten System ist möglich, insbesondere ist keine zusätzliche Ummantelung der polymeren Körper nötig;

Szintillatoren können beliebige Form besitzen, sie brauchen nicht konisch zu sein;

- der Szintillator und/ oder Lichtwellenleiter und/ oder polymere Körper kann reflektierend beschichtet werden (z.B. komplett);

- die Anordnung kann aus Makropixeln aufgebaut sein, d.h. mehrere Szin- tillatoren können auf gleicher Ebene sein;

- eine Anregung mehrerer Zentren kann gleichzeitig vorgesehen sein, ohne dass eine Einschränkung der Funktion erfolgt;

- der Halter bzw. die Haltestruktur kann schichtbasiert sein.

Ein wesentlicher Vorteil von Ausführungsbeispielen besteht darin, dass der Ein satz von Polymeren zu einer geringen nuklearen Aktivierung des Polymers führt. Damit wird eine einfachere Handhabung in Experimenten erreicht, da die Zeit dauer zum Abklingen minimiert werden kann.

Die Aspekte und Merkmale, die zusammen mit einem oder mehreren der voran gehend detailliert beschriebenen Beispiele und Figuren erwähnt und beschrie ben wurden, können ferner mit einem oder mehreren der anderen Beispiele kombiniert werden, um ein ähnliches Merkmal des anderen Beispiels zu erset zen oder um das Merkmal zusätzlich in das andere Beispiel einzubringen.

Weiterhin sind die nachfolgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Be schreibung aufgenommen, wo jeder Anspruch als getrenntes Beispiel für sich stehen kann. Wenn jeder Anspruch als getrenntes Beispiel für sich stehen kann, ist zu beachten, dass - obwohl sich ein abhängiger Anspruch in den Ansprüchen auf eine besondere Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann - andere Ausführungsbeispiele auch eine Kombination des ab hängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen oder unab hängigen Anspruchs einschließen können. Diese Kombinationen werden hier vorgeschlagen, sofern nicht angegeben ist, dass eine bestimmte Kombination nicht beabsichtigt ist. Weiterhin sollen auch Merkmale eines Anspruchs für je den anderen unabhängigen Anspruch eingeschlossen sein, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch gemacht ist.