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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beeinflussung der Arbeitsfrequenz
eines Schwingquarzes, bei welchem die Frequenz durch Bestrahlung mit
ionisierender Strahlung verringert wird.
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Viele
der heute verwendeten elektronischen Schaltungen enthalten eine
digitale Elektronik. Solche digitalen Schaltungen sind auf ein präzises Taktsignal
angewiesen, um sicherzustellen, dass alle verbauten digitalen Schaltkreise
im gleichen Takt arbeiten und keine Signale zwischen den Schaltkreisen verloren
gehen. Dies betrifft beispielsweise Fahrzeugsteuerungen, Personalcomputer,
Mobiltelefone oder Steuer- und Regeleinrichtungen von Maschinen und
Anlagen.
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Gemäß dem Stand
der Technik werden zur Takterzeugung so genannte Quarzoszillatoren
eingesetzt. Ein solcher Quarzoszillator besteht aus einem Schwingquarz,
welcher das eigentliche Taktsignal erzeugt und vorgibt, sowie einer
elektronischen Steuerschaltung, welche an ihrem Ausgang das Taktsignal mit
der gewünschten
Impulsform und Impedanz bereit stellt. Dieses Taktsignal kann dann
mittels Flachbandkabel oder Leiterbahnen auf einer Platine zu verschiedenen
digitalen Schaltkreisen verteilt werden. Diese arbeiten somit alle
im gleichen, vorgegebenen Arbeitstakt.
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Bei
höheren
Anforderungen an die Stabilität des
Taktsignals kann die Steuerschaltung des Quarzoszillators auch eine
Temperaturkompensation aufweisen. Noch präziser arbeiten Ausführungen
mit Thermostat, bei welchen der Schwingquarz und/oder die elektronische
Steuerschaltung mittels elektrischer Beheizung auf konstanter Temperatur
gehalten werden. Daneben gibt es auch spannungssteuerbare Modelle,
bei welchen die Taktfrequenz in gewissen Grenzen veränderbar
ist.
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Die
Leistungswerte eines Oszillators, also insbesondere die Langzeitstabilität und das
Rauschen, werden zu 70 durch den eingesetzten Schwingquarz beeinflusst.
Je genauer dieser Schwingquarz ist, desto weniger Abweichungen müssen in
der Steuerschaltung kompensiert werden. Die Verwender von Quarzoszillatoren
fordern im Regelfall die Einhaltung einer vorbestimmten Nennfrequenz.
Dementsprechend obliegt es dem Hersteller der Oszillatoren, die
Einhaltung dieser Nennfrequenz sicherzustellen und dem Abnehmer
dies zu bestätigen.
Enge Spezifikationen können
jedoch im Regelfall nur eingehalten werden, wenn hochwertige Quarze
eingesetzt werden. Deren Produktionsverfahren nach dem Stand der
Technik bieten jedoch nur geringe Ausbeute und Reproduzierbarkeit
der Nennfrequenz. Deshalb werden die Quarze häufig nach der Produktion noch
selektiert, was die Ausbeute weiter verringert.
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Ein
weiteres Problem ergibt sich daraus, dass der Verwender den Quarzoszillator
in seine elektronische Schaltung einbauen muss. Dies geschieht im
Regelfall durch Löten.
Jedoch sind die Eigenschaften eines Quarzoszillators temperaturempfindlich.
Somit verändert
sich auch die Arbeitsfrequenz des Oszillators beim Einbau. In vielen
Fällen dauert
es mehrere Tage bis Wochen, bis die Arbeitsfrequenz wieder auf ihren
Nennwert zurückkehrt. Nicht
ausgeschlossen ist jedoch auch, dass die Arbeitsfrequenz dauerhaft
vom Nennwert abweicht.
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Solche
dauerhaften Abweichungen können im
engen Rahmen durch zusätzliche
elektronische Komponenten, wie beispielsweise abstimmbare Kondensatoren,
korrigiert werden. Jedoch wirken sich zusätzliche Schaltungselemente
negativ auf das Rauschverhalten des Oszillators aus. Durch das hohe
Rauschen wird neben der Alterung ein weiterer Faktor konstituiert,
welcher die Stabilität
des Oszillators verschlechtert. Unter Stabilität wird in diesem Zusammenhang
die Einhaltung der Nennfrequenz während des Betriebes über die
Lebensdauer des Oszillators verstanden. Somit kann durch Hinzufügen zusätzlicher
elektronischer Bauelemente die Arbeitsfrequenz nicht auf die Nennfrequenz
justiert werden, wenn gleichzeitig die Stabilität über einen längeren Zeitraum sichergestellt
werden soll.
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Um
den Aufwand des Selektierens von Quarzen nach ihrer Arbeitsfrequenz
zu vermindern, schlägt
die
JP 05160661 A vor,
einen Schwingquarz mit einem Teilchenstrahl zu bestrahlen. Durch
diese Bestrahlung wird die Arbeitsfrequenz des bestrahlten Quarzes
in Abhängigkeit
der absorbierten Dosis verändert.
Somit können
Quarze, welche ursprünglich außerhalb
der Nennfrequenz lagen, durch die Bestrahlung zur Nennfrequenz hin
verändert
werden.
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Nachteilig
an diesem Verfahren ist insbesondere die Tatsache, dass Teilchenstrahlung
nur eine geringe Reichweite in Materie besitzt. So ist beispielsweise
die Reichweite eines Elektronenstrahls mit einer Energie von 100
keV in Aluminium auf etwa 200 μm
begrenzt. Ein solcher Strahl würde
also einen Schwingquarz, welcher in einem Gehäuse eingebaut ist, gar nicht
mehr erreichen. Somit können
Bauteile, welche bereits inklusive Gehäuse fertig gestellt sind, nur
mittels sehr hoher Energien bestrahlt werden. Ebenso ist die Reichweite
an Luft begrenzt, so dass es oft erforderlich sein wird, die Bestrahlung
in einer Vakuumapparatur durchzuführen.
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Die
Bereitstellung eines Teilchenstrahles mit höherer Energie erfordert aufwändige Apparaturen, welche
nur mit großem
Aufwand handhabbar sind. Zu berücksichtigen
ist weiterhin, dass Teilchenstrahlen mit Energien oberhalb der Coulomb-Schwelle Kernreaktionen
im Gehäusematerial
auslösen
können.
Somit würde
das Gehäuse
nach der Frequenzeinstellung des Quarzes dauerhaft radioaktive Strahlung
aussenden.
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Gemäß der Lehre
der
US 6,771,135 kann
die Frequenz eines Quarzoszillators dadurch eingestellt werden,
dass eine Elektrode des Schwingquarzes mittels eines Innenstrahls
teilweise verdampft wird. Dadurch wird die am Schwingquarz angebrachte
Zusatzmasse verringert und die Schwingungsfrequenz entsprechend
erhöht.
Da der Energieverlust eines Innenstrahles im Vergleich zu einem Elektronenstrahl nochmals
erhöht
ist, kann dieses Verfahren nur im Vakuum ausgeführt werden. Es muss also jeder Quarzoszillator
einzeln in eine Vakuumkammer eingeschleust werden, woraufhin der
Elektrodenbereich abgesputtert wird, bis die Nennfrequenz erreicht
ist. Danach wird das Bauelement wieder aus der Vakuumkammer ausgeschleust.
Dieses aufwendige Verfahren eignet sich nicht für die Massenherstellung günstiger
aber dennoch zuverlässiger
Schwingquarze mit möglichst
geringen Fertigungstoleranzen der Arbeitsfrequenz. Hinzu kommt,
dass der Ionenstrahl nicht in der Lage ist, das Gehäuse des
Schwingquarzes zu durchdringen. Somit ist es bei diesem Verfahren
erforderlich, im Gehäuse
eine Eintrittsöffnung
für den
Ionenstrahl vorzusehen, welche erst nach erfolgter Frequenzeinstellung
verschlossen wird.
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Die
US 4,107,349 offenbart ein
Verfahren zur Frequenzeinstellung eines Schwingquarzes, bei welchem
der Quarz in einer Atmosphäre
aus polymerisierbarem Gas einer elektromagnetischen Strahlung ausgesetzt
wird. Durch die Ablagerung einer Polymerschicht kommt es zur Änderung
der Masse des Quarzes und damit zur Frequenzänderung.
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Allen
Bestrahlungsverfahren nach dem Stand der Technik ist gemeinsam,
dass nur unverbaute Schwingquarze bzw. Quarzoszillatoren behandelt
werden können.
Nachdem es nur mit großem Aufwand
möglich
ist, ganze Baugruppen nochmals in eine große Vakuumkammer einzuschleusen,
um dort den Quarzoszillator ein weiteres Mal zu bestrahlen, können temperaturinduzierte Änderungen
der Arbeitsfrequenz mit den bekannten Methoden nicht korrigiert
werden. Für
die Änderung
der Arbeitsfrequenz, welche sich durch den Wärmeeintrag beim Verlöten der
Quarzoszillatoren ergibt, bieten die Bestrahlungsverfahren nach
dem Stand der Technik keine Lösung.
In diesem Fall bleibt nur, den Quarzoszillator in der Schaltung
zu ersetzen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, die Arbeitsfrequenz
eines fertig gestellten Schwingquarzes ohne zusätzliche elektronische Bauelemente
dauerhaft auf eine vorgebbare Nennfrequenz zu verändern.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe gelöst durch
ein Verfahren zur Beeinflussung der Arbeitsfrequenz eines Schwingquarzes,
bei welchem der Schwingquarz mit einer elektromagnetischen Strahlung
mit einer Wellenlänge
von weniger als 2,5 nm beaufschlagt wird, wobei sich die Masse des
Quarzes nicht ändert.
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Völlig überraschend
wurde erkannt, dass auch elektromagnetische Strahlung geeignet ist,
die Arbeitsfrequenz eines Schwingquarzes dauerhaft zu beeinflussen.
Dies ist überraschend,
da durch die elektromagnetische Strahlung keinerlei Materialabtrag
verursacht wird, wie er nach dem Stand der Technik erforderlich
ist. Dabei ergibt sich der Vorteil, dass elektromagnetische Strahlung
geeignet ist, das Gehäuse
eines Schwingquarzes zu durchdringen. Somit kann die Arbeitsfrequenz
eines fertig gestellten Schwingquarzes eingestellt werden, ohne
dass dieser Quarz danach noch einer mechanischen Nachbearbeitung
bedarf.
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Aufgrund
der großen
Reichweite der elektromagnetischen Strahlung auch bei atmosphärischen Bedingungen
ist die Bestrahlung der Schwingquarze auch ohne umgebendes Vakuumgefäß möglich. Das Verfahren
ist demnach einfacher durchführbar
und eignet sich auch für
die Massenproduktion. Nachdem die Größe der zu bestrahlenden Bauteile
oder Baugruppen nicht beschränkt
ist, können
nicht nur Schwingquarze, sondern auch fertige Quarzoszillatoren
oder bereits auf Platinen verlötete
Oszillatoren in der Arbeitsfrequenz verändert werden.
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Die
verwendete elektromagnetische Strahlung weist dabei Photonenergien
von mehr als 500 eV auf. Besonders bevorzugt sind Photonenenergien zwischen
etwa 1,8 keV und etwa 3 MeV. Als Strahlungsquellen stehen alle nach
dem Stand der Technik bekannten Quellen zur Verfügung, welche in diesem Wellenlängenbereich
arbeiten. Insbesondere ist Röntgenbremsstrahlung
oder charakteristische Röntgenstrahlung
verwendbar, welche in einer Röntgenröhre ohne
großen
Aufwand erhältlich
ist. Selbstverständlich
wird der Fachmann jedoch auch fallweise andere Quellen vorsehen,
wie beispielsweise Synchrotron-Strahlungsquellen oder Freie-Elektronen-Laser.
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Oftmals
erfolgt eine Überprüfung der
Einbaulage und der Kristallebene eines fertigen Schwingquarzes mit
Röntgenstrahlung.
In einem solchen Fall kann diese Überprüfung mit der Anpassung der
Arbeitsfrequenz durch Bestrahlung mit Röntgenstrahlung zu einem Arbeitsgang
verbunden werden.
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Sehr
vorteilhaft können
auch radioaktive Gamma-Emitter als Strahlungsquelle verwendet werden.
Insbesondere die Gammastrahlung des Nuklids 60Co
mit 1,17 MeV und 1,33 MeV kann vorteilhaft eingesetzt werden. Die
Halbwertszeit von 5,3 Jahren des Radionuklides erlaubt dabei einen
lang andauernden Betrieb, ohne dass die Strahlungsquelle aufwändig ausgetauscht
werden müsste.
Selbstverständlich
wird der Fachmann hier jedoch auch andere Radionuklide, wie beispielsweise 241Am in Betracht ziehen.
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Erfindungsgemäß wurde
erkannt, dass sich die Arbeitsfrequenz eines Schwingquarzes bei
Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung verringert. Demnach
kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
mit hoher Genauigkeit jede beliebige Arbeitsfrequenz eingestellt
werden, indem ein Schwingquarz mit höherer Arbeitsfrequenz aus dem Kristall
geschnitten wird, welcher nachfolgend durch Bestrahlung auf die
gewünschte
Arbeitsfrequenz eingestellt wird.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird im Schwingquarz bei der Bestrahlung eine Dosis von etwa 0,1
Gray bis etwa 200 Gray deponiert. Besonders bevorzugt liegt die
absorbierte Dosis zwischen etwa 1 Gray und etwa 30 Gray. Es hat
sich gezeigt, dass die Frequenzänderung
eines Oszillators etwa 0,5 Hz bis 2 Hz pro Gy beträgt. Demnach
ergibt sich eine Untergrenze von etwa 0,1 Gy absorbierter Dosis
für Schwingquarze, deren
intrinsische Arbeitsfrequenz sehr nahe an der gewünschten
Nennfrequenz liegt. Ab etwa 200 Gray wurde beobachtet, dass der
Arbeitsstrom eines Quarzoszillators zunimmt. D.h., dass die übrigen im Quarzoszillator
verbauten Bauelemente ab dieser Dosis degradieren. Selbstverständlich wird
diese Beobachtung den Fachmann nicht davon abhalten, unbeschaltete
Schwingquarze ohne weitere elektronische Bauelemente auch mit höheren Dosen
zu bestrahlen. Bei unbeschalteten Schwingquarzen können somit
auch größere Frequenzabweichungen noch
korrigiert werden.
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In
Abhängigkeit
von der Dosisleistung der verwendeten Strahlungsquelle wird die
Bestrahlung etwa zwischen 1/100 Sekunde und 10 Sekunden, insbesondere
zwischen 1/10 Sekunde und 5 Sekunden andauern. Um hohe Durchsätze zu erzielen,
wird der Fachmann hier Strahlungsquellen mit hohen Dosisleistungen
vorsehen, wie beispielsweise Synchroton-Strahlungsquellen, und damit
die Bestrahlungszeit kurz halten. Sofern nur eine schwache radioaktive
Quelle zur Verfügung
steht, können
die angegebenen Bestrahlungszeiten natürlich auch verlängert werden.
Im Gegenzug sinkt dann der apparative Aufwand für Strahlerzeugung und Strahlenschutz.
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Ein
besonderer Vorzug des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin,
dass nicht nur unverbaute Schwingquarze bestrahlt werden können, sondern
diese auch bereits in einem Quarzoszillator verbaut sein können. Darüber hinaus
kann auch der Quarzoszillator bereits mit weiteren elektronischen Bauelementen
auf einem Schaltungsträger
verbaut sein. Als Schaltungsträger
kommen hier insbesondere Platinen oder Lötrahmen in Frage. Somit können auch
Frequenzabweichungen korrigiert werden, welche sich erst durch den
Einbau und die damit verbundene Erwärmung eingestellt haben.
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Um
die Strahlung dennoch auf den Schwingquarz zu konzentrieren und
eine Schädigung
der übrigen
Bauelemente in der Umgebung des Schwingquarzes zu minimieren, kann
in einer Ausgestaltung der Erfindung auch ein kollimierter Strahl
verwendet werden. Die damit verbundene Schwächung der Intensität kann durch
eine verlängerte
Bestrahlungszeit leicht kompensiert werden. Alternativ kann der
Fachmann auch eine Schutzabschirmung vorsehen, welche alle Teile
bis auf den Schwingquarz bedeckt. Auch der kleine Strahl einer Mikrofokus-Röntgenröhre eignet
sich zur lokalen Bestrahlung des Schwingquarzes großer Baugruppen.
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Zur
Bestimmung der zu applizierenden Dosis können zwei unterschiedliche
Verfahren angewandt werden. Zum einen kann die Arbeitsfrequenz des
zu bestrahlenden Schwingquarzes während der Beaufschlagung mit
elektromagnetischer Strahlung fortlautend gemessen werden.
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Bei
Erreichen eines vorgebbaren Sollwertes der Arbeitsfrequenz wird
die Bestrahlung dann beendet. Dies kann bevorzugt automatisiert
geschehen, indem die Strahlungsquelle, beispielsweise mit einem
Shutter, bei Erreichen des Sollwertes abgeschaltet wird. In diesem
Fall kann eine Vielzahl von Schwingquarzen auf einen genauen Frequenzwert eingestellt
werden. Quarze mit größerer Frequenzabweichung
erhalten dabei eine größere Strahlendosis als
solche mit geringerer Abweichung vom Sollwert. Somit ergeben sich
nach der Bestrahlung Schwingquarze, welche eine deutlich schmalere
Häufigkeitsverteilung
der Arbeitsfrequenz aufweisen wie vor der Bestrahlung. Somit kann
sichergestellt werden, dass für
eine Vielzahl von Geräten
eine Vielzahl von Quarzoszillatoren oder Schwingquarzen zur Verfügung steht,
welche annähernd
gleiche Arbeitsfrequenzen aufweisen.
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Nach
einer weiteren Alternative des Verfahrens werden größere Stückzahlen
von Quarzen oder Quarzoszillatoren in einem Arbeitsgang bestrahlt. Dabei
verschiebt sich der Mittelwert der Häufigkeitsverteilung der Arbeitsfrequenz
um einen vorgebbaren Wert. Die Breite der Häufigkeitsverteilung bleibt jedoch
unverändert.
Um die zu applizierende Dosis zu bestimmen, kann vorher optional
eine Teilmenge der zu bestrahlenden Quarzoszillatoren bestrahlt werden,
wobei deren Änderungsrate
der Frequenz in Hz/Gy bestimmt wird. Mit diesem Wert lässt sich
die zu applizierende Dosis sehr genau berechnen.
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Nachfolgend
soll die Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele ohne Beschränkung des
allgemeinen Erfindungsgedankens näher verdeutlicht werden.
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1 zeigt
eine Vorrichtung zur Bestrahlung eines einzelnen Quarzoszillators
bzw. Schwingquarzes mit elektromagnetischer Strahlung, bis dessen Arbeitsfrequenz
einen gewünschten
Nennwert erreicht hat. Hierzu befindet sich der Quarzoszillator 1 hinter
einer Abschirmung 2, welche das Bedienpersonal und die
Elektronik zur Kontrolle der Schwingungsfrequenz 3, 4 vor
der Strahlung schützt.
Im Inneren des Quarzoszillators 1 befinden sich der Schwingquarz 1a und
die Steuerschaltung 1b. Eine weitere Abschirmung 5 schützt die
Steuerschaltung vor der elektromagnetischen Strahlung. Nach dem Einschalten
der Strahlungsquelle 6 kann am Frequenzzähler 3 die
Abnahme der Arbeitsfrequenz gemessen werden. Sobald die gewünschte Nennfrequenz
erreicht ist, wird die Strahlungsquelle 6 abgeschaltet.
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Das
Ergebnis des Verfahrens ist in 2 dargestellt. 2a zeigt
dabei die Verteilung der gemessenen Arbeitsfrequenzen einer Vielzahl
von temperaturkompensierten Quarzoszillatoren vom Typ IT7500 der
Fa. Rakon. Erkennbar ist eine breite Verteilung um eine Mittelfrequenz
f3. Nachdem jeder einzelne Quarzoszillator
mit einer individuellen Strahlendosis aus einer 60Co-Quelle bestrahlt
wurde, ergibt sich eine Verteilung der Arbeitsfrequenzen nach 2b.
Die Abweichung der Quarzoszillatoren von der neuen Mittelfrequenz
f0 beträgt
nur mehr 0,01 ppm im Vergleich zu 5 ppm nach 2a. Die
Einheit ppm bezeichnet dabei parts per million, also 1:106.
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3 zeigt
dabei, wie sich die relative Frequenzabweichung mit der Bestrahlungszeit ändert. Erkennbar
ist, dass nach Einschalten der Bestrahlungsquelle die Frequenzabweichung
innerhalb weniger Sekunden um mehr als 4 ppm sinkt. Die Nennfrequenz
wird schließlich
mit einer Abweichung von ca. 0,01 ppm erreicht. Die in diesem Fall
applizierte Dosis betrug 30 Gray. Da ein Teil der durch die Bestrahlung
induzierten Frequenzänderung
ausheilt, wird die Frequenz um etwa 10 % mehr als gewünscht geändert. Diese
Ausheilung der Frequenzänderung geschieht
innerhalb weniger Minuten nach dem Ende der Bestrahlung. Sofern
eine Vielzahl Quarzoszillatoren mit gleichen Eigenschaften bestrahlt
werden, tritt diese Ausheilung reproduzierbar auf. Sie muss daher nicht
notwendiger Weise, wie in 3 dargestellt, überwacht
werden. Vielmehr kann der Quarzoszillator sofort nach dem Ende der
Bestrahlung weiter verarbeitet werden.
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Eine
weitere Verfahrensführung
ist im Flussdiagramm nach 4 dargestellt.
Demgemäß wird für eine Menge
von n Schwingquarzen der Mittelwert f der Häufigkeitsverteilung der Arbeitsfrequenzen
ermittelt. Im nächsten
Arbeitsschritt wird eine Teilmenge m aus den n Schwingquarzen ausgewählt. Diese werden
in eine Vorrichtung nach 1 eingeführt und entweder einzeln oder
gemeinsam einer elektromagnetischen Strahlung ausgesetzt. In diesem
Ausführungsbeispiel
wurde eine 60CO-Strahlungsquelle verwendet.
Aus der Messung der eingestrahlten Dosis und der Arbeitsfrequenz
nach der Bestrahlung lässt
sich die Empfindlichkeit der Frequenzänderung Δf der Schwingquarze ermitteln.
Dabei ergibt sich beispielsweise ein Messergebnis wie nach 7. Dargestellt
ist für
eine Teilmenge m = 6 die laufende Nummer des Oszillators und die
Frequenzänderung in
Hz/Gy. Es ergibt sich ein Mittelwert der Frequenzänderung Δf von –1,57 Hz/Gy
bei einer Standardabweichung von 0,07. Dieses Ergebnis ist in 6 nochmals
grafisch dargestellt.
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Im letzten
Verfahrensschritt wird aus der gewünschten
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Frequenzänderung Δf = f – f0 die zu applizierende Dosis errechnet. Die
verbleibenden (n – m) Schwingquarze
werden sodann mit dieser Dosis bestrahlt. Dabei kann gemäß 5 die
Bestrahlung ohne weitere Frequenzüberwachung erfolgen. Je nach
technischen Möglichkeiten
können
dabei alle Schwingquarze auf einmal bestrahlt werden oder aber es
wird sequenziell ein Quarz nach dem anderen bestrahlt.
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Als
Ergebnis der Bestrahlung hat sich der Mittelwert der Häufigkeitsverteilung
der Frequenzen der Gesamtmenge von n Schwingquarzen vom Wert f zum
Wert f0 verschoben. Die Breite der Häufigkeitsverteilung
ist unverändert
geblieben. Diese Verfahrensführung
ist insbesondere vorteilhaft, wenn bereits eine Menge von gut selektierten
Schwingquarzen zur Verfügung
steht, jedoch die Arbeitsfrequenz dieser Schwingquarze nicht den
Erfordernissen der geplanten Anwendung entspricht.