DE1914569A1 - Radioaktives Zeitnormal - Google Patents

Description

19U569

Bulova Watch Company,Inc. L 8645

630 Fifth Avenue, 19.3.1969

New York, N. Y. US A

Gg/to

Radioaktives Zeitnormal

Die Erfindung betrifft ein radioaktives Zeitnormal und insbesondere ein solches Zeitnormal, welches aus einer Alpha-Teilchen emittierenden radioaktiven Substanz besteht, welche mit einem Festkörperdetektor kombiniert ist.

In einem älteren Vorschlag wurde für ein elektronisches Zeitmeßgerät vorgeschlagen, als Zeitnormal eine radioaktive Substanz einer langen Halbwertzeit zu wählen, wobei die von dieser emittierten Teilchen durch einen Festkörperdetektor festgestellt werden. Der Detektor erzeugt eine relativ hohe Anzahl elektrischer Impulse je Sekunde, weiche durch elektronische Frequenzteiler reduziert werden« um so eine verringerte Anzahl von Steuerimpulsen zu erzeugen, und zwar insbesondere je einen Steuerimpulse je Sekunde. Die periodischen Steuerimpulse werden einer elektronischen oder elektromechanischen Zeitanzeige- oder Zeitregistriereinrichtung aufgegeben. Radioaktive Quelle

0 9841/1355

19U569

und Detektor bilden also ein Zeitnormal, welchem ein Impuls re duziermittel und eine Zeitanzeige- oder Zeitregistriereinrichtung zugeordnet ist.

Wenngleich der Zerfall von Atomkernen und damit die Strahlung von Zufallserscheinungen abhängig ist, kann eine Zeitgenauigkeit durch die Ansammlung einer ausreichenden Anzahl von Zählimpulsen erzielt werden. Da der Zerfall dem Gesetz der Poisson'sehen. Verteilung und dem Wahrscheinlichkeitsgesetz folgt, kann man die statistische. Genauigkeit errechnen, welche von einer Gesamtanzahl von Zählimpulsen erwartet werden kann, wobei vorausgesetzt ist, daß das Zählsystem allenfalls vernachlässigbar kleine Fehler aufgibt.

Wie in dem älteren Vorschlag näher erläutert worden ist, empfiehlt sich als radioaktive Substanz für das Zeitnormal vorzugsweise die Verwendung eines Isotops, welches Alpha-Teilchen emittiert und welches eine lange Halbwertzeit aufweist. Während Gammastrahlen mit unstetigen Energien zur Ausstrahlung kommen und in dieser Hinsicht nahezu monoenergetisch sind, sie können daher für Regulierungszwecke Verwendung finden, ist bezüglich dieser Strahlen festzuhalten, daß sie einen hohen Durchdringungefaktor aufweisen. Es erscheint daher nicht ratsam, solche Gammastrahlen für Zeitmeßgeräte kleiner Abmessungen, wie Taschenuhren, zu verwenden, weil keine ausreichende Schutzabschirmung geschaffen werden kann. Auch erscheint es nicht möglich, mit solchen Gammastrahlen die Fläche des Detektors zu steuern, welche der Strahlung ausgesetzt ist.

Beta-Teilchen werden andererseits nicht mit unstetigen Energien emittiert, sie besitzen vielmehr eine kontinuierliche Energien verteilung. Die Strahlung ist eine Elektronenstrahlung hoher Geschwin-

9098 41/1355

Γ-U . 19Η569

digkeit, welche bei der Umwandlung .eines Neutrons in ein Proton innerhalb des Kernes eines Atoms emittiert wird. Während es möglich ist, mittels eines nur wenige Millimeter starken Aluminiumschirmes solche Beta-Teilchen abzuschirmen, ist die Regulierungssteuerung sehr schwierig, weil die Teilchen nicht monoenergetisch sind. Die Ursache dafür ist in dem Tatbestand zu suchen, daß die Ausgangeimpulse eines Festkörper-Strahlendetektors der durch die Strahlung erzeugten Ionisation proportional sind. Jedes Kernteilchen derselben Art wird durch einen solchen Ionisationsvorgang etwa dieselbe proportionale Energiemenge einbüßen, wodurch eine direkte Wechselbeziehung zwischen der Impuls stärke des Detektor- . signals und der Strahlungsenergie hergestellt wird. Außer wenn die Strahlung nahezu monoenergetisch ist, können die elektronischen Instabilitäten in dem System Änderungen in der Feststellung der -Impulse niedriger Energie verursachen, so daß es schwierig wird, zwischen den Detektor-Ausgangeimpulsen und den elektrischen Störgeräuschen zu unterscheiden, welche bei Festkörperdetektoren und diesen zugeordneten Verstärkern feststellbar sind. Dadurch ergeben sich unerwünschte Änderungen der Zeitgenauigkeit.

Alpha-Teilchen bestehen aus zwei Protonen und zwei Neutronen und besitzen eine gegenüber einem Elektron doppelte Ladung umgekehrten Vorzeichen·, wie dies auch auf den Kern eines Heliumatome zutrifft. Die Energiemenge wird unstetig abgegeben, ihre Größe bestimmt sich nach demjeweiligen, Alpha-Teilchen emittierenden Radioisotop. Natürlich zur Ausstrahlung kommende Alpha-Teilchen besitzen Energien zwischen etwa 4 bis 10 MeV. Indem eine Alpha-Strahlung in hohem Maße ionisierend wirkt, trägt dies zu einem verhältnismäßig kurzen Durchdringungebereich bei. Dieser Bereich mißt nur wenige Zentimeter in Luft und mehrere Bögen gewöhnlichen Papiers werden

90 9 84T/1355

T9H569

«elbst die energiereichsten Alpha-Teilchen absorbieren. Aus den ■

charakteristischen Eigenschaften der Gamma-, Beta- und Alpha-Teilchen iet erkennbar, daß sich nur Alpha-Teilchen für radioaktive Zeitnormale eignen, weil, diese Teilchen nicht nur nahezu mono- ;

energetisch sind, sondern weil sie auch die Möglichkeit bieten, in ■

der Praxis für Zeitmeßgeräte kleiner Abmessungen Verwendung zu finden.

Wenn Alpha-Teilchen von einer relativ dicken Substanz ausgestrahlt werden, werden ihre Energien von dem Radioisotop selbst absorbiert. Eine kontinuierliche Energienverteilung wird also das Ergebnis von Alpha-Teilchen sein, die von verschiedenen Tiefen einer solchen Dickenschicht ausgestrahlt werden. Die Streuung dieser Verteilung kann dadurch auf einem Minimum gehalten werden, daß man für die anzufordernde Aktivität die am dünnsten mögliche Schichtstärke wählt.

Eine weitere Ursache der Streuung oder Abweichung von einem mono- \

energetischen Zustand ist der zwischen dem radioaktiven Isotop und j

dem Detektor vorher rechende Luftspalt. Während diese Ursache - [

theoretisch dadurch überwunden werden kann, daß man den Detektor und die Strahlenquelle in einem Vakuum anordnet, ist festzuhalten, daß diese Lösung in der Praxis nicht durchführbar ist. In der Praxis wird daher eine Annäherung dadurch herbeizuführen versucht, daß man die Strahlenquelle in unmittelbare Berührung mit dem Detektor bringt. Bekannte Halbleiter-Festkörperdetektoren sind jedoch so ausgeführt, daß sie ein dünnes Eintrittsfenster aufweisen, durch welches hindurch die Teilchenstrahlung gehen muß, bevor sie den Sperr* bereich des Detektors erreicht. Wenngleich es möglich ist, dieses Fenster dünn zu gestalten, resultiert doch die Geometrie der engen Berührung in veränderlichen Energien-Degradationen. Bei kleinen Auftreffwinkeln erreicht diese Degradation ein Ausmaß,

S0984tVi355

welches der Gesamtenergie der auftreffenden Teilchen entspricht.

Um den Einfallwinkel zu beeinflussen,-bietet sich als eine erste . Lösung an, die Strahlenquelle von dem Detektor um ein solches Maß auf Abstand zu halten, daß nur eine solche Strahlung zugelassen wird, deren Einfall- oder Auftreffwinkel etwa senkrecht zu der Detektoroberfläche steht. Diese Lösung bietet sich jedoch nicht für Zeitmeßgeräte kleiner Abmessungen an, weil diesen in ihrer Baugröße Grenzen gesetzt sind.

Unter Berücksichtigung der vorstehenden Ausführungen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Zeitnormal aus einer Alpha-Teilchen emittierenden radioaktiven Substanz in Verbindung mit einem Festkörper-Strahlendetektor zu schaffen, für welche eine solche Anordnung getroffen wird, daß der Luftspalt zwischen beiden auf ein Minimum reduziert werden kann unter gleichzeitiger Sicherstellung, daß die einfallenden oder auftreffenden Strahlen im wesentlichen nur unter einem rechten Winkel einfallen oder auftreffen, so daß dadurch eine Streuung der Energienverteilung verhindert wird. Zur Lösung dieser Aufgabe wird nach einem Hauptmerkmal der Erfindung eine Strahlen-Detektor-Anordnung geschaffen, welche aus strahlungsempfindlichen Halbleiterzellen besteht, von welchen jede eine verhältnismäßig kleine Oberfläche und eine niedrige Innen-Kapazitanz aufweist. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird eine vielzellige Festkörper-Detektor-Anordnung geschaffen, welche eine große Gesamtoberfläche und folglich auch eine hohe Leistungsfähigkeit hinsichtlich ihrer Detektor-Eigenschaft aufweist, '.

wobei die Netzkapazitanz des Detektors verhältnismäßig klein ist. j

Dadurch wird der Signalausgang, welcher bei großen Kapazitanz- '

■ ■ ■■ I

werten abzufallen bestrebt ist, gegenüber bekannten Detektoren mit i

vergleichbaren Oberflächenabmessungen, jedoch mit weit größeren j

909Mf/i355

19U569

Kapazitanzwerten, wesentlich größer.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung unter Hinweis auf die Zeichnung erkennbar. Es zeigt:

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Anordnung aus

einer einzigen Schicht radioaktiven Materials und einem Detektor, wobei zwischen beiden eine mit Öffnungen versehene Maske angeordnet ist,

Fig. 2 in schematischer Darstellung eine Einzelheit der

Vorrichtung nach Fig. 1 zur Veranschaulichung von deren Wirkungsweise,

Fig. 3 in schematischer Darstellung ein radioaktives Zeitnormal nach der Erfindung, Fig. 4 eine Einzelheit des Zeitnormals nach Fig. 3 zur Veranschaulichung von dessen Wirkungsweise, Fig. 5 in auseinandergezogener Perspektivansicht eine Anordnung der in Fig. 3 gezeigten Art, Fig. 6 eine modifizierte Ausführungsform eines erfindungs-

gemäßen Zeitnormals ,

Fig. 7 eine Draufsicht auf eine vielzellige Festkörper- Strahlendetektor-Anordnung nach der Erfindung, Fig. 8 da8 Schaltschema einer einzigen Zelle und eines

zugeordneten Ausgangsstromkreis es,

Fig. 9 das Schaltschema des elektrischen Stromkreises

der vielzelligen Detektor-Anordnung,

Fig. 10 eine Draufsicht auf eine Mikroschaltung für einen

vielzelligen Strahlendetektor nach der Erfindung, und

Fig. 11 einen Schnitt nach der Linie 11-11 der Fig, 10.

909841/1355

Zum besseren Verständnis der Er finer., ng sollen zunächst die Anforderungen an ein Alpha-Teilchen emittierendes radioaktives Isotop näher erläutert werden. Wenngleich im Handel zahlreiche Radioisotope mit natürlicher Alpha-Straalung zu erhalten sind, eignen sich unter diesen viele deshalb nicht weil ihre Halbwertzeiten nicht den Werten genügen, welche für ein Zeitnormal erforderlich sind. Dies ist ii dem älteren Vorschlag (Patentanmeldung P 17 73 772. 2 vom 7.7.1968) detailliert ausgeführt. Die folgenden Radioisotope werden zusätzlich zu denjenigen, welche in dem vorerwähnten älteren Vorschlag vermerkt wurden, für ein Zeitnormal für ausreichend gefunden:

Radioisotop Halbwertzeit (Jahre)

Plutonium - 239 2. 436 χ ΙΟ⁴

Uran - 238 4. 51 χ 10

Uran - 235 7.1x 10⁸

Neptunium - 237 2.2x10

Wie aus der Darstellung gemäß Fig. 1 entnommen werden kann, wird eine Schicht 10 des ausgewählten Radioisotops auf eine Platte 11 aufgebracht, für welche Platin oder Aluminium als Werkstoff gewählt sein kann. Es kann auch jeder andere Werkstoff Verwendung finden, welcher eine ausreichende Abstützung schafft und welcher vorzugsweise auch Abschirmeigenschaften aufweist. Um die Streuung der Energieverteilung auf einem Minimum zu halten, wird die Schicht so dünn und so gleichförmig wie möglich aufgetragen. Das radioaktive Material kann in einer sehr dünnen Lösung auf die Platte aufgebracht werden, welcher dann Gelegenheit gegeben wird zu trocknen, so daß der resultierende Film an der Platte anhaftet.

Al· Detektor 12, welcher die von der Schicht 10 emittierenden Alpha-Teilchen aufzufangen hat, kann ein handelsüblicher mit einer

909841/1355

Oberflächensperrschicht oder mit einer diffundierenden Flächenschicht Verwendung finden. Während im "ahmen der vorliegenden Erfindung die Verwendung einer mit öffnungen versehenen Maske in Verbindung mit einer radioaktiven Queliv in' der Form einer Anordnung voneinander getrennter Inseln d<- « radioisotopischen Materials vorgeschlagen wird, ist in Fig. 1 Uie Maske 13 in Verbindung mit einer einzigen, kontinuierlichen radioaktiven Schicht 10 gezeigt, wobei öffnungen 13A, 13B, 13C u«w. vorgesehen sind, welche zueinander parallele Kanäle gleichen Querschnittes für die Ausstrahlungen bilden. Eine solche Anordnung Hegt nicht im Rahmen der vorliegenden Erfindung, sie ist nur zum Zwei ke einer Erläuterung der Erfindung dargestellt.

Die Fig. 2 veranschaulicht die Bahnen der unter verschiedenen Winkeln von verschiedenen Punkten der Quelle 10 emittierenden Teilchen, welche zu der Oberfläche des Detektors 12 hin wandern. Die Bahn P liegt senkrecht zu der Oberfläche des Detektors 12. Die» iet der kürzeste und direkteste Weg, er schafft eine maximal« Energie. Der Auftreffwinkel der Bahn P ist ein solcher, daß die Bahn durch die obere Kante der Maske hindurchgeht, so daß durch diene einige Energie absorbiert wird, während die restliche Energie der Teilchen, die den Detektor erreichen, reduziert wird. Die Bahn P schneidet die untere

Kante der Maske, die Energie wird hier zu einem noch viel größerem f

Maße reduziert. Gleichartig treffen die Bahnen P., P_ und P, auf verschiedene Dicken des Festkörpers der Maske auf, so daß ihre j

Energie durch Absorption mehr oder weniger reduziert wird. ·

Es kann also festgehalten werden, daß nur die Teilchen in der Bahn P \

in dem Detektor einen verhältnismäßig großen Ausgangeimpuls erzeugen f

werden, während die Teilchen der anderen Bahnen Impulse erzeugen, welche in ihrer Stärke geringer sind und welche unterschiedliche Amplituden aufweisen. Indem nun die Alpha-Teilchen emittierende Quelle

909841/1355

19U569

nahezu monoenergetisch ist, wird folglich der Detektor so reagieren, als ob die Quelle eine gestreute Energieverteilung aufweisen würde, was für ein Zeitnormal unerwünscht ist.

In den Fig. 3 und 4 ist nun schematise» ein Zeitnormal nach der Erfindung dargestellt. Dieses umfaßt eine Platte 11, auf welcher in einer ebenen Anordnung dünne Inseln 14A, 14B, 14C usw. eines Radioisotops angeordnet sind, welches Alpha-Teilchen emittiert. Zwischen dieser radioaktiven Quelle und der Oberfläche des Festkörper-Strahlen -detektor· 12 ist eine Maske angeordnet, welche in ihrer Gesamtheit mit 15 bezeichnet ist. Diese Maske 15 besitzt einen oberen Teil I und einen unteren Teil II, um so eine komplementäre Anordnung von Öffnungen 15A, 15B, 15Cusw. zu bilden. Jede Insel 14A, 14B usw. ist in bezug auf den oberen Bereich der zugeordneten Öffnung zentriert, welche durch den oberen Teil I gebildet wird. Dieser obere Bereich besitzt einen verhältnismäßig großen und gleichförmigen Querschnitt, welcher gleich groß oder größer als der Durchmesser der IaAeI ist. Der untere Bereich der Öffnung wird durch den unteren Teil II gebildet, er weist an Miner oberen Seite einen kleineren Durchmesser *uf, welcher vorsugsweise gleich oder größer als der Durchmesser der \

zugeordneten Intel ist. Die untere Seite 4^t Öffnung ist abgeschrägt, \

um to eine V-förmige Mündung mit wachsendem Querschnitt *u schaffen.

Die bevorsugte Ceometrie der Maske stellt sicher, daß es zu keinem Energieverlust kommt, welcher hervorgerufen werden könnte durch die Öffnungskante nahe der radioaktiven Insel. Aus Fig. 4 iff erkennbar, daß die Bahnen Pa, Pb und Pc senkrecht zur DetektoroberfUche ' verlaufen und nicht durch die Maske behindert sind. Die Bahnen Pd und Pe, welche sehr kleine Auftreffwinkel begründen, werden durch den oberen Teil I der Mask« aufgefangen und dadurch vollständig absorbiert.

ORIGINAL INSPECTED

Wegen der V-förmigen unteren Kanten der Öffnungen gehen die Bahnen Pf, Pg und Ph, welche erkennbar auf die Oberfläche des Detektors nicht senkrecht auftreffen, mit dieser jedoch einen großen Auftreffwinkel einschließen,' unmittelbar in die Detektor oberfläche, ohne daß ■ie gegen eine Öffnungskante treffen, sie werden folglich auch nicht abgeschwächt. Eine virtuelle Eliminierung der detektor β eiti gen Öffnungskante durch eine V-förmige Formgebung bewirkt eine Verringerung des dem absorbierenden Maskenmaterial an der Quelle gegenüberliegenden festen Winkels, wodurch die Anzahl der Teilchen verringert wird, die in dem Maskenmaterial in ihrer Energie abgebaut werden können.

Die erfindungsgemäfl mit öffnungen versehene Maske verhindert also, dall Teilchen von irgendeiner Insel in den benachbarten Bereich der Det«ktoroberfläche unter einem kleinen Auftreffwinkel einfallen können, si· schafft eine Eintrittsöffnung, welche an dem Detektor einen optimalen Winkel aufrechterhält. Die Geometrie der öffnung in der Maske ist so, dal sowohl die K*ntenwirkungen auf ein Minimum herabgedrückt werden wie auch Luftsjpaltverluate reduziert werden.

In Fig. 5 ist «in» Ausführungiform eine» erfindungf gemäßen Zeitnormals dargestellt, wie sie in der Praxis Verwendung linden kann. Die Platt· Il far die radioaktiveQuelle isteine dünne Scheibe au β geeignetem Abschirmmaterial, auf welcher dünne, kreisförmige Inseln 14A, 14B uew. «in·· radioaktiven Materials in gleichförmiger Ordnung aufgebracht sind. 0a· aufgebrachte radioaktive Material vermag Alphateilchen su emittieren. Die Inseln radioaktiven Materials sind im wesentlichen in einem gleichen Abstand voneinander aufgebracht.

Die Maske 13 umfait eine obere, kreisförmige Platte I mit relativ groien ötfauagen einer «alt den Inseln komplementären Form und

Anordnung, der Durchmesser dieser Platte ist gleich dem Durchmesser der Platte 11. Eine untere Platte II ist mit kleineren öffnungen in entsprechender Anordnung versehen, deren untere Seite V-förmig gestaltet ist, wie dies in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben worden ist. Unterhalb dieser unteren Platte II ist ein scheibenförmiger Festkörper-Strahlendetektor 12 angeordnet.

Wenn die vier Platten sandwichartig aufeinandergelegt sind, erhält man dadurch ein in hohem Maße kompaktes und leistungsfähiges Zeitnormal, welches so in ein kleines Zeitmeßgerät oder in eine Armbanduhr eingebracht werden kann. Die Geometrie der Maske ist dabei derartig, daß die Strahlen auf die Detektoroberfläche nahezu senkrecht auftreffen und daß weiterhin verhindert wird, daß Teilchen von irgendeiner der Inseln auf einen benachbarten Bereich der Detektoroberfläche auftreffen, welcher einer anderen Insel zugeordnet ist. Vorzugswreise ist der Durchmesser jeder Insel oder der Durchmesser des eine solche Insel einhüllenden Kreises, sollte die Insel nicht kreisförmig sein, nicht größer als der doppelte Abstand zwischen der Oberfläche der Insel und der Ebene des Detektors, der Durchmesser jeder Maekenöffnung ist nicht kleiner als der Durchmesser der Insel oder des diese umhüllenden Kreises.

Bei den bekannten Festkörper-Strahlendetektoren wird ein elektrisches Feld quer über einen Bereich niederer Leitfähigkeit aufgebaut, welcher die Ladungs-Sperr schicht bei einer umgekehrt vorgespannten Diode ist. Wenn nun ein geladenes Teilchen das Halbleitermedium durchquert, werden in diesem paarweise Elektronenlöcher erzeugt. Diese Ladungen werden durch das elektrische Feld getrennt, das resultierende elektrische Signal kann einem Meßsystem übermittelt werden, um eo hineichtlich der festgestellten Teilchen eine nützliche Information zu bringen.

90984Ϊ/1355

Die bekannten Festkörper-Detektoren weisen als Hauptnachteil eine •insbesondere gegenüber Teilchen geringer Energie sehr niedrige Ansprechbarkeit oder Empfindlichkeit auf, denn solche Teilchen

, werden mit einer hohen Wahrscheinlichkeit absorbiert, bevor sie die Sperrschicht erreichen und selbst dann, wenn ein Ladungspaar in der Sperrschicht erzeugt wird, ist der Quantenwirkungsgrad auf

. ein Paar je Teilchen begrenzt, ohne daß die Möglichkeit einer Vervielfältigung gegeben ist, wie dies beispielsweise in Geiger-Müller-Zählrohren und Proportionalitätszählern erzielt werden kann.

Die geringe Empfindlichkeit bedingt die Verwendung von Verstärkern mit einem hohen Verstärkungsfaktor. Im Falle der Detektoren 12 der vorbeschriebenen Figuren ist demzufolge eine Verstärkung mit einem hohen Verstärkungsfaktor erforderlich. Das Ausgangs signal der bekannten Festkörper-Strahlendetektoren liegt jedoch im Millivolt-Bereich und ist in seiner Amplitude nicht viel auegeprägter als das Geräuschniveau in den zugeordneten elektronischen Verstärkungsstromkreisen zum Anheben des Signals auf ein Niveau, das sich für eine Messung und eine Analyse eignet. Dieses Geräusch kann Störsignale anheben, welche als solche von den Strahlensignalen nicht unterschieden werden können, wodurch wiederum die Empfindlichkeit und die Energienzerlegung des Detektor systems beeinflußt werden.

Die in den Fig. 7 bis 11 gezeigten Ausführungsformen verwenden eine vielzellige Festkörper-Strahlendetektor-Anordnung, welche in Abhängigkeit von den auftreffenden Strahlen äußerst große Signale erzeugen. Der Detektor kann aus einer Anzahl einzelner strahlenempfindlicher Halbleiterzellen mit einer Oberflächensperrschicht oder mit einer diffundierenden übertragungs schicht aufgebaut sein, wobei jede Einzelzelle eine kleine Fläche und eine niedrige Innen-

90984171355

ORfGiNAL JNSPEGTSD

_₁₃_ 19H569

kapazitanz aufweist.

Die Zellen sind in einer Richtung parallel zum Stromfluß miteinander verbunden, im übrigen sind sie gegeneinander elektrisch isoliert, wodurch die Gesamtkapazitanz der Anordnung niedrig gehalten werden kann, während der Erfassungs-Wirkungsgrad dieser Anordnung im wesentlichen einem einheitlichen Strahlendetektor gleich ist, dessen Oberfläche den addierten Flächen der Einzelzellen äquivalent ist. Der Signalausgang des vielzelligen Detektors ist jedoch bei weitem größer als derjenige eines einheitlichen Detektors.

In der Anordnung gemäß Fig. 6 ist der vielzellige Festkörper,-Strahlendetektor mit einer Ordnung radioaktiver Inseln I4A, 14B usw. kombiniert, zugeordnet ist auch eine mit öffnungen versehene Maske 13 der in Fig. 3 gezeigten Art. Der vielzellige Detektor setzt sich zu- ' sammen aus einer Anordnung kleiner Strahlendetektorzellen 16A, 16B usw. , deren Durchmesser im wesentlichen denjenigen der radioaktiven Inseln entspricht und welche zu diesen deckungsgleich angeordnet sind.

Die Zellen 16A, 16B usw. sind in.einer Richtung parallel zu dem Stromfluß miteinander verbunden, der durch die Dioden 17A, 17B usw. bestimmt wird, im übrigen sind diese Zellen gegeneinander elektrisch isoliert, wodurch die Gesamtkapazitanz der Anordnung der Zellen klein gehalten werden kann. Der Erfassungs-Wirkungsgrad dieser Anordnung ist im wesentlichen demjenigen eines einheitlichen Strahlendetektor8, beispielsweise des Detektors 12, gleich, dessen Oberfläche den addierten Flächen der Zellen äquivalent ist. Der · Signalausgang eines solchen vielzelligen Detektors ist jedoch bei weitem größer als derjenige eines solchen einheitlichen Detektors. Die parallel geschalteten Detektor zellen werden in der Praxis an einen Ausgangsstromkreis angeschlossen, der eine Umkehr-Vorspannung aufgibt.

90984Ϊ/1355

19H569

Die Ionisationskammern und Festkörper-Strahlendetektoren mit einer Oberflächen-Sperrschicht oder einer diffundierenden Ubertragungsschicht unterscheiden sich im wesentlichen in der Natur des strahlenempfindlichen Volumens, die Kammer macht Gebrauch von einem gasförmigen Medium, während Festkörperdetektoren von einem festen Halbleitermedium Gebrauch machen. In beiden Fällen werden aufgeladene Ionen und diesen zugeordnete freie Elektronen durch die Strahlen freigesetzt, die auf den Detektor auftreffen, durch ein angelegtes elektrisches Feld werden sie dann aus dem empfindlichen Volumen herausgelenkt. Die Bewegung dieser Ladungen schafft einen elektrischen Strom, welcher in dem Detektor fließt, folglich wird in dem äußeren Stromkreis auch ein Strom- oder Spannungsimpuls auftreten, während die Ladungen sich bewegen.

Eine Ionisationskammer mit einer Wandelektrode und mit einer von dieser durch ein dielektrisches und gasförmiges Medium getrennt angeordneten zentralen Elektrode kann als ein Kondensator angesehen werden. Die Größe der durch die Kammer erzeugten Spannungsimpulse /λ Vo kann mit der folgenden Gleichung errechnet werden:

Δνο = 4- (D

Qj

wobei Q die Menge der durch das ionisierende Teilchen freigesetzten ■ Ladung und C die Kapazitanz des Ionisationskammer-Strahlendetektors ist.

Zum Errechnen der Kapazitanz einer großen Anzahl geometrischer Formen der Leitoberflächen, wie beispielsweise von Kugeln and Zylindern, die entweder getrennt oder konzentrisch angeordnet sind, stehen Gleichungen zur Verfügung. Zur Berechnung der Kapazitanz eines üblichen Kondensators aua zwei oder mehr parallel eng zueinander angeordneten Leiterplatten großer Fläche steht folgende Gleichung zur Verfügung: 909841/1355

C = O. 0885 χ -ψ- (2)

wobei:

C = Kapazitanz (oder Kapazität) in uuf

K = dielektrische Konstante (in Luft = 1)

2
S = Fläche einer Platte in cm

t = Abstand zweier Platten in cm

Wenngleich eine Ionisationskammer streng genommen nicht unter diese Gleichung fällt, ist ihre Kapazitanz doch direkt proportional der Elektrodenfläche der Kammer und umgekehrt proportional dem Abstand zwischen den Elektroden. Für Festkörperdetektoren kommt die Geometrie derjenigen solcher paralleler Leiterplatten näher, so daß diese Gleichung (2) auf solche Detektoren unmittelbarer anwendbar ist.

Für einen Flächen- oder Sperrschicht-Detektor ist dieser Abstand zwischen den Platten eine Funktion der Sperrschicht. Die Breite der Sperrschicht ist proportional der Quadratwurzel der Widerstandsfähigkeit des Halbleitermaterial^ und der Quadratwurzel der Größe der angelegten Vorspannung. Es kann damit dieser Abstand in geringem Maße durch Veränderung der Größe der angelegten Umkehr-Vorspannung gesteuert werden. Dem so bewirkten Kapazitanzwechsel sind iedoch in der Praxis Grenzen gesetzt.

Wie aus der Gleichung (1) herleitbar ist, ist bei kleinerer Kapazitanz des Festkörperdetektors für eine vorgegebene Ladungsmenge die Ausgangs spannung größer. Andererseits erzeugt eine größere Oberfläche eine größere Kapazitanz und demzufolge eine kleinere Ausgangsspannung, eine große Oberfläche ist im Hinblick auf den Erfassungs-Wirkungsgrad vorteilhaft, denn dadurch wird eine große Fläche des Halbleiters den auftreffenden Strahlen ausgesetzt.

909841/1355

Wie aus den Fig. 7 und 8 erkennbar, Betzt sich der Festkörper-Detektor nach der Erfindung aus einer planparallelen Anordnung identischer, quadratischer Zellen 10 zusammen, von welchen nur zum Zwecke der Veranschaulichung insgesamt vierundsechzig Zellen gezeigt sind, welche in acht parallelen Reihen zu je acht angeordnet sind. Jede Zelle 10 weist ein einzelnes strahlenempfindliches Festkörperelement auf. Diese Zelle kann ein Halbleiter-. element mit einem P-N-Schnitt und einem äußeren Stromkreis sein, der durch eine Batterie B oder eine andere Gleichstromquelle in bezug auf die Fläche mit einer umgekehrten Vorspannung versehen ist. Die schematiach durch Pfeile dargestellte auftreffende Strahlung fällt auf die N-Fläche, der quer über die P-N-Fläche erzeugte Stromimpuls fließt durch einen Ladungswider ßtand R, um ein Ausgangssignal zu erzeugen.

Während die P-N-Fläche auf vielerlei Möglichkeiten hergestellt wer-, den kann, wurde gefunden, daß es zum Erreichen eines hohen Auflösungsvermögens der Stromimpulse infolge der auftreffenden Strahlung besonders vorteilhaft ist, eine P-N-Fläche zu bilden, deren Sperrschichtbereich sich von einer Stärke von 1 um der N-Fläche bis zu wenigstens einer Tiefe erstreckt, die gleich dem Durchdringungsbereich der auftreffenden Teilchen in dem Halbleiterkristall ist. Zur Herstellung dieser bevorzugten Ausführungsform einer Fläche findet ein P-Silizium-Material mit einer hohen Widerstandsfähigkeit Verwendung, die in der Größenordnung von 1000 Ohm - cm und höher liegen kann . Ein N-Flächenbereich wird dadurch gebildet, daß man Phosphor in den Kristall diffundiert, Phosphor ist ein N-Fremdstoff. Ein angereicherter N-Bereich wird in dem Kristall vorzugsweise in der Schichtstärke von 1 um erzeugt. Eine detaillierte Beschreibung der Herstellung solcher Festkörperdetektoren ist in der Zeitschrift "Nucleonics", Februar I960, Band 18, Nr. 2 in dem Aufsatz "Tiny Semiconductor Is Fast Linear Detector" zu finden.

909841/1355

19U569

Jede Zelle 10 in der Anordnung eines solchen Detektors ist sehr .klein und weist eine sehr geringe Innenkapazitanz auf. Um einen vielzelligen Detektor von hoher Widerstandsfähigkeit zu erzeugen, sind die Zellen 10, von welchen in Fig. 9 nur fünf gezeigt sind, alle parallel geschaltet, eine Diode 11 ist in Reihe zwischen jede Zelle in dem Parallelstromkreis geschaltet.

Die Zellen sind in bezug auf die Stromrichtung des Ausgangsstromes in einer Richtung durch die Dioden in einemNebenschluß mit dem Ausgangswiderstand R miteinander verbunden, so daß der resultierende Ausgangsimpuls das Sammelergebnis des durch alle Zellen der Anordnung in Abhängigkeit von den auftreffenden Strahlen fließenden Stromes ist. Jede Zelle ist jedoch gegenüber der anderen Zelle elektrisch isoliert, denn der Weg zwischen zwei beliebig benachbarten Zellen wird durch zwei in.Reihe und umgekehrt geschalteten Dioden gebildet, so daß ein öffnungsStromkreis wirksam ist. Die Gesamtkapazitanz der Anordnung paralleler Zellen ist demzufolge nicht ein Vielfaches der Kapazitanzen der einzelnen Zellen, sie kommt vielmehr dem Wert einer einzigen Zelle nahe.

Die resultierende Spannungeanhebung in dem Strahlendetektor-Signal wird für die durch den vielzelligen Detektor erzeugte SPaHmUIgJQV₁ mit folgender Gleichung erfaßt:

^A S »AVo (3)

wobei:

C = Kapazitanz eines einheitlichen Standard-Festkörperdetektors, dessen wirksame Oberfläche gleich den addierten Oberflächen der Zellen des vielzelligen Strahlendetektors ist,

Co = Kapazitanz einer Einzelzelle

η = Anzahl der Zellen.

909S41 / t355

Aus der vorstehenden Gleichung (3) ist erkennbar, daß der Spannungsausgang eines vielzelligen Strahlendetektors weit größer ist als derjenige, der durch einen einheitlichen Standard-Festkörperdetektor der selben wirksamen Oberfläche erzeugt wird. Der Erfassungs-Wirkungsgrad des vielzelligen Detektors ist trotzdem so gut wie derjenige.eines einheitlichen Detektors, weil die der auftreffenden Strahlung ausgesetzte Fläche groß ist.

Weist daher ein einheitlicher Festkörperdetektor eine Oberfläche

2
von beispielsweise 0, 5 cm auf, dann kann man unter Verwendung bekannter Mikroschaltungen ohne Schwierigkeit eine vielzellige Detektoranordnung von im wesentlichen der gleichen Netzfläche herstellen, bei welcher η in der Größenordnung von 1000 liegt. Ohne Verwendung eines Verstärkers kann deshalb lOOOfache Anhebung der Signalspannung erreicht werden. Ein weiterer Vorteil durch die Vermeidung eines Verstärkers ist darin zu sehen, daß das in dem Detektor erzeugte Volumengeräusch nicht mit dem Signal verstärkt wird, so daß ein enorm verbessertes Verhältnis von Signal zu Geräusch erhalten wird.

Es iet ohne weiteres erkennbar, daß es für die Mikroschaltung für eine Anordnung aus einem vielzelligen Detektor und einer Isolationsdiode zahlreiche Möglichkeiten gibt. Vorzugsweise sollte eine solche Schaltung gewählt werden, mittels welcher die Isolationsdioden gegen die auftreffende Strahlung abgeschirmt werden, und zwar entweder mittels einer geeigneten Maske oder mittels einer geeigneten Montage in dem Detektorgehäuse.

In den Fig. 10 und 11 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer Mikroschaltung dargestellt, bei welcher eine planparallele Anordnung strahlenempfindlicher Halbleiterzellen 10 mit Isolationsdioden kombiniert ist, um eine Strahlendetektoranordnung der in Fig. 3 schema-

■909841/1355

19H569

tisch gezeigten Art zu bilden. Um einen Detektor dieser Ausführungsform herzustellen, wird ein N-Tränkungsmittel mittels einer geeigneten Maske in ein P-Silizium-Schalterdeck hoher Widerstandsfähigkeit eindiffundiert, um so die erwünschte Geometrie der Detektorzelle zu erzeugen. Der in Fig. 10 gestrichelt eingezeichnete Sperrbereich D oder das empfindliche Volumen der einzelnen Zellen wird in dem P-Substrat erzeugt, der Abstand zwischen den Zellen ist ein solcher, daß sich benachbarte Sperrbereiche wechselseitig nicht überlappen. Ein kleinerer P-Bereich, welcher die Isolationsdiode 11 bildet, wird dann in das N-Material eindiffundiert. Der N-Bereich dient deshalb für die Strahlendetektorzelle 10 und die Isolationsdiode 1 1 als ein gemeinsames Flächenmaterial.

Ein Schutzoxydschicht 12 wird dann auf die gesamte Oberfläche dieses Gefüges aufgebracht, deren Schichtstärke avisreichend dünn gehalten wird, um eine vernachlässigbar kleine Absorption der auftreffenden Strahlen zu bewirken. Ein metallischer Kontakt 13 durchdringt die Oxydschicht , um mit dem P-Bereich der Isolationsdiode in Berührung zu kommen. Der Kontaktkopf ist breit gehalten* um die unter ihm liegende Isolationsdiode gegen Strahlung abzuschirmen, es werden dadurch Störungsstrahlen vermieden.

Die Erfindung ißt nicht beschränkt auf die Feststellung von Strahlung nuklearen Ursprunges, sie kann auch mit einem Festkörper-Strahlendetektor kombiniert werden, welcher lichtempfindlich ist. Wegen seiner, eine Spannung vergrößernden Kennlinie ist demzufolge der vielzellige Festkörper-Strahlendetektor nach der Erfindung den bekannten einheitlichen Zellen überlegen, wenn diese dazu benutzt werden, Lichtimpulse von einem Szintillator festzustellen.

909841/1355

Claims (1)

19U569

- 20 PATENTANSPRÜCHE

1. Strahlen-Detektoranordnung, gekennzeichnet durch eine Anordnung strahlenempfindlicher Halbleiterüellen, von welchen jede eine verhältnismäßig kleine Oberfläche und eine niedrige Innenkapazitanz aufweist.

2. Radioaktives Zeitnormal, gekennzeichnet durch eine Anordnung strahlenempfindlicher Halbleiterzellen, welche eine planparallele Anordnung einzelner Inseln aus einem Alpha-Teilchen emittierenden radioaktiven Isotop mit einer verlängerten Halbwertzeit umfaßt, wobei parallel zu dieser Anordnung ein Feetkörper-Strahlendetektor mit einer empfindlichen Oberfläche und zwischen beiden eine Maske angeordnet ist, welche eine komplementäre Anordnung von Öffnungen aufweilt, deren Geometrie eine solche ist, daß auf die Detektoroberfläche auftreffende Strahlungen auf solche eingeschränkt werden, die unter einem nahezu senkrechten Einfallwinkel auftreffen, und daß verhindert wird, daß von Irgendeiner derlnseln ausstrahlende Teilchen in einen benachbarten Bereich der Detektoroberfläche einfallen, der einer anderen Insel zugeordnet ist.

3. Zeitnormal nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Inseln auf eine Platte aufgebracht sind, welche schützende Abschirmeigenechaften aufweist.

4. Zeitnormal nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte eine Metallscheibe ist und daß die Maske sich aus wenigstens einer kreisförmigen Platte mit einem dem Durchmesser dieser Scheibe entsprechenden Durchmesser aufbaut, wobei dem Detektor dieselbe Form gegeben ist.

9098417135 5

5. Zeitnormal nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daB die Maske sich aus zwei kreisförmigen Platten aufbaut, von welchen die eine mit einen ersten Bereiah beistimmenden öffnungen und die zweite mit einen zweiten Bereich bestimmenden öffnungen versehen ist.

6. Zeitnormal nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Inseln aus einem dünnen Film radioaktiven Materials zur Verhinderung einer Streuung der Energieverteilung geformt sind.

7. Zeitnormal nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede öffnung in der Maske sich aus einem ersten, der zugeordneten Insel benachbarten Bereich relativ großen Querschnittes und einem zweiten, der Detektoroberfläche benachbarten Bereich verringerten Querschnitts zusammensetzt.

8. Zeitnormal nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Bereich jeder öffnung in Richtung auf die Detektoroberfläche V-förmig erweitert ist.

9. Zeitnormal nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als das Radioisotop Uran-238, Uran-235, Neptunium-237 oder Plutonium-239 Verwendung findet.

10.Zeitnormal nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor aus einer Anordnung einzelner Zellen geformt ist, welche parallel zueinander in einer Richtung miteinander verbunden sind und von welchen jede so angeordnet ist, daß auf sie die Strahlung einer zugeordneten Insel auftrifft.

909841/1355

19H569

.Zeitnormal nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen durch Dioden parallel zueinander geschaltet sind und daß an sie eine Umkehr-Vorspannung angelegt ist.

12.Zeitnormal nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser eines Hüllkreises der Inseln nicht größer ist als der doppelte Abstand zwischen der Oberfläche dieser Inseln und der Ebene des Detektors und daß der Durchmesser jeder der öffnungen nicht kleiner ist als der Durchmesser dieses Hüllkreises.

13,Vielzellige Festkörper-Strahlendetektor-Anordnung oder -Montageeinheit, gekennzeichnet durch eine Anordnung strahlenempfindlicher Halbleiterzellen mit je einer verhältnismäßig kleinen Oberfläche und einer niedrigen inneren Kapazitanz, gekennzeichnet weiterhin durch eine Vielzahl in einer Richtung ausgerichteter Elemente einer der Anzahl dieser Zellen gleichen Anzahl und eine Einrichtung zum Verbinden dieser Zellen parallel zu einem Ausgangestromkreis, welcher eine umgekehrte Vorspannung aufgibt, wobei jede· in einer Richtung ausgerichtete Element zur Bewirkung einer in einer Richtung wirkenden Kupplung in bezug auf den Stromfluß in dem Ausgangestromkreis in Reihe mit einer entsprechenden Zelle dazwischen gesetzt ist, die Zellen im übrigen aber durch diese Elemente wirksam gegeneinander isoliert sind, wodurch die Netz-Kapazitanz der parallelen Zellen niedrig gehalten werden kann, die erzeugte Netz-Ausgangsspannung jedoch hoch ist.

14.Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen solche mit einer Oberflächen-Sperrschicht sind.

5.Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen solche mit einer diffundierenden Fläche sind.

9 098417135 5 *

19H569

16.Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen in einer planparallelen Anordnung angeordnet sind und einen Netz-Auftreff-Wirkungsgrad aufweisen, welcher im wesentlichen gleich demjenigen eines einheitlichen Detektors aus demselben Material ist, dessen Oberfläche den addierten Oberflächen der Zellen äquivalent ist.

17.Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die in einer Richtung ausgerichteten Elemente durch N-P-Dioden gebildet sind.

18.Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch ge- j

kennzeichnet, daß die Zellen der Strahlung ausgesetzt und .

daß die in einer Richtung ausgerichteten Elemente von dieser abgeschirmt sind.

19.Mikroschaltung für die vielzellige FeetkÖrper-Strahlendetektor-

Anordnung oder -Montageeinheit nach einem der Ansprüche 13 \

bis 18, gekennzeichnet durch eine P-Baeieschicht, eine · 5

Anordnung verhältnismäßig kleiner N-Bereiche, welche in diese i

Basisschicht eindiffundiert sind, um mit dieser eine Vielzahl strahlenempfindlicher Halbleiterzellen zu bilden, von welchen jede einen getrennten Sperrbereich aufweist.und einen noch

kleineren P-Bereich, der in jeden der N-Bereich zur Bildung j

1 einer Diode mit diesen eindiffundiert ist, wobei der N-Bereich

als eine gemeinsame Fläche für die Zelle und die Diode dient.

20.Schaltung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die P-Basisschicht ein. Silizium-Schalterdeck ist.

.Schaltung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Gefüges mit einer schützenden Oxydschicht beschichtet ist. 9 0 9 8 4 17 13 5 5

22.Schaltung nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch einen die Oxydschicht durchdringenden und mit dem P-Bereich in Berührung stehenden Klemmenkontakt, der mit einem vergrößerten Kopf zur Abschirmung dieses Bereiches versehen ist.

23.Mikroschaltung für die vielzellige Festkörper-Strahlendetektor-Anordnung oder -Montageeinheit nach einem der Ansprüche 13 bis 18, gekennzeichnet durch eine N-Basis schicht, eine Anordnung verhältnismäßig kleiner und in diese Basis schicht zur Bildung einer Vielzahl strahlenempfindlicher Halbleiterzellen in dieser eindiffundierter P-Bereiche, wobei jede Zelle einen getrennten Sperrbereich aufweist.und einen noch kleineren N-Bereich, der in jeden der P-Bereiche zur Bildung einer Diode mit diesen eindiffundiert igt, wobei der P-Bereich als eine gemeinsame Fläche für die Zelle und die Diode dient.

909841/135

Le e rs ei te