DE1914569C3

DE1914569C3 - Radioaktives Zeitnormal mit einer Alphateilchen emittierenden Strahlen quelle

Info

Publication number: DE1914569C3
Application number: DE1914569A
Authority: DE
Inventors: Dale Roland River Vale N.Y. Koehler (V.St.A.)
Original assignee: Bulova Watch Co Inc New York Ny (vsta)
Current assignee: Bulova Watch Co Inc New York Ny (vsta)
Priority date: 1968-03-21
Filing date: 1969-03-21
Publication date: 1973-11-29
Also published as: CH528109A; US3582656A; DE1914569A1; FR2004447A1; JPS4830910B1; DE1966493A1; DE1914569B2; CH427269A4; FR2004447B1

Description

Die Erfindung betrifft ein radioaktives Zeitnormal mit einer Alphateilchen emittierenden Strahlenquelle mit langer H?lbwcrtzeit, einem Festkörperdetektor und einer zwischen der Strahlenquelle und dem Festkörperdetektor angeordneten Maske mit einer öffiiung für den Strahlendurchirift.

Diese auf einen älteren Vorschlag zurückgehende Verwendung einer Alphateilchen emittierenden Strahlenquelle für ein solches Zeitnormal bringt gegenüber der Verwendung eines Beta-Strahlers, wie bekannt aus der USA.-Patentschrift 3 370 414, den Vorteil, daß wegen der geringeren Durchschlagkraft der radioaktiven Strahlung ein dünnerer Detektor und eine weniger komplizierte dazugehörige Schaltung verwendet werden kann. Ursächlich hängt dies damit zusammen, daß die Größe der Ausgangsimpulse eines Festkörperdetektors der Anzahl der durch ein Teilchen erzeugten Ionenpaare proportional ist. Jedes Kernteilchen derselben Art wird durch einen solchen Ionisationsvorgang etwa dieselbe proportionale Energiemenge einbüßen; hierdurch wird eine direkte Wechselbeziehung zwischen der Impulsstärke des Detektorsignals und der Strahlungsenergie hergestellt. Von dem Fall, daß die Strahlung nahezu monoenergetisch ist, abgesehen, können Schwankungen der Parameter des elektronischen Systems Ungenauigkeiten in der Feststellung der Impulse niedriger Fnergie verursachen, da es schwierig werden kann, zwischen den Detektor-Ausgangsimpulsen und den elektrischen Störgeräuschen zu unterscheiden, welche bei Festkörperdetektoren und der zugehörigen Schaltung auftreten. Da Beta-Teilchen nicht monoenergetisch sind, wird für das bekannte Zeitnormal eine aufwendige Korrekturschaltung benötigt, um die sich so ergebende Ungenauigkeiten für die Zeitsteuerung zu korrigieren.

Hinsichtlich Alphateilchen liegen dagegen andere Verhältnisse vor. Natürlich zur Ausstrahlung kommende Alphateilchen, die aus zwei Protonen und zwei Neutronen bestehen und eine gegenübet einem Elektron doppelte Ladung umgekehrte Vorzeichens besitzen, haben Energien zwischen etwa 4 bis 10 MeV, die unstetig abgegeben werden und in ihrer Größe bestimmt sind durch das jeweilige Radioisotop. Weil jede Alphastrahlung in hohem Maße ionisiercnd wirkt, besitzen die Alphateilchen einen verhältnismäßig kurzen Durchdringungsbereich, der in Luft nur wenige cm mißt. Voraussetzungsgemäß haben deshalb Alphastrahler eine gegenüber Betastrahlern wesentlich bessere Eignung für eine Verwendung als Zeitnormal, weil sie die Einhaltung kleinerer Baugrößen des Zeitmeßgerätes erlauben.

Werden Alphateilchen von einer relativ dicken Substanz ausgestrahlt, dann werden ihre Energien

von dem Radioisotop selbst absorbiert. Eine konti- aus der Darstellung gemäß Fig. 3 zur Verdeutliche ^Ei^ ^{Wlrd aIs}° ^{das Er}S^{ebniä c}""«g des Strahlews der Alphateilchen,
Te ichen Π W"""Λ* ^V°" ^{verschiedenen} Tiefen Fig. 5 in auseinandUezogener Perspektivriarstele.neio,chen Dickenschicht ausgestrahlt werden. Die lung die einzelnen Bauteile des Zeitnormales gemäß Streuung dieser Verteilung kam dadurch auf einem 5 FiJ 3 und

ιΓΓ"^³ -f ^We ? ^ ^{man fÜr die anzutor}- fig· 6 eine der Fig. 3 entsprechende Darstellung

iSt^irSaS, ^{an enZe der m}°S^lichen einer zweiten Ausführungsform des Zeitnormales.

Sch^htstarkegeht. _{fid dem Zeilnormal äB den} _FigA _und2,

Das an sich monoenergetische Verhalten eines Al- welche für eine vergleichende Gegenüberstellung gephastranlers wird nun bei einem solchen radioaktiven io zeigt ist, ist eine Schicht 10 einer Alphateilchen emit-Zntnonnal nicht unerhebhch beeinflußt von der Ik-renden Strahlenquelle mit langer Halbwertzeit auf Große des Lutapaltes, der zwischen dem Radioiso- eine Platte 11 aus Platin oder Aluminium aufgetop und dem Festkorperdetektor vorliegt. Der Ein- bracht. Für die Platte 11 kann auch jeder andere fluß dieses ^uftspaltes kann theoretisch dadurch be- Werkstoff Verwendung finden, sofern er eine ausreiseitigt werden, daß man Strahler und Detektor in 15 chende Abstützung für die Strahlenquelle schafft und einem Vakuum anordnet, was jedoch in der Praxis die erforderlichen Abschirmeigenschaften besitzt, nicht durchführbar ist. In der Praxis wird dieser Ide- Mit 12 ist ein Festkorperdetektor bezeichnet, der alfa dadurch angenähert, daß man die Strahlen- über eine Maske mit Öffnungen 13/4, 13 5, 13 C quelle in unmittelbare Berührung mit dem Detektor usw. von der in einer dünnen Lage auf die Platte 11 bringt. Die hekannten Festkorperdetektoren besitzen 20 aufgebrachten Strahlenquelle TO getrennt ist. Die von ein aunn^ hintnttsfenster, durch welches hindurch der Strahlenquelle 10 emittierten Alphateilchen bed-e leilchenstrah.ung gehen muß, bevor sie die sitzen die in F i g. 2 angedeuteten Strahlengänge. Nur Sperrschicht des Detektor* erreicht. Wenngleich es die der Balm F1 folgenden Alphateilchen treffen möglich ist. dieses Eintnttsfenster dünn zu halten, er- senkrecht auf die Detektoroberfläche auf. Nur diese geben sich trotz der geringen Entfernung von der 35 Teilchen übergeben deshalb dem Detektor eine maxi-Stranlenquelle in Abhängigkeit vom Auftreffwinkel male Energie, weil sie nicht mit der Maske 13 in Beunterscniedicne Energieverluste, die bei kleinen rührung kommen und zu der Detekioroberfläche auf Auftreffwinkeln ein Ausmaß erreichen können, wel- dem kürzesten Wege gelangen. Die Alphateilchen, dies der Gesamtenergie der auftreffenden Teilchen welche den übrigen Bahnen Pl bis /^J6 folgen, trefentspncht Um nun den Auftreffwinkel j:icht zu klein 30 fen hingegen unter einem spitzen Winkel auf die Dewerden zu lassen, bietet sich als eine erste Lösung tektoroberfläche auf, wobei sie erkennbar außerhalb an, die Strahlenquelle in einem so großen Abstand der Maskenöffnung gelangen, so daß sie an die vom Detektor zu halten, daß nur eine solche Strah- Maske Energien abgeben. Aus dieser Darstellung lung auf den Detektor gelangt, deren Auftreffwinkel wird deshalb erkennbar, daß im Falle einer solchen etwa senkrecht zu der Detektoroberfläche steht. 35 Ausbildung der Strahlenquelle das an sich mono-Diese Lösung bietet sich jedoch nicht für Zeitmeßge- energetische Verhalten der Alphateilchen eine erhebräte kleiner Abmessungen an, weil solche Verhält- liehe Streuung erfährt, weil nur die senkrecht auf die nisse erst in einem erheblichen Abstand des Detek- Detektiv oberfläche auftreffenden Teilchen ein Imtors von der Strahlenquelle vorliegen und dieser Ab- pulsmavnnum erzeugen, während alle übrigen Teilstand in solchen Zeitmeßgeräten kleiner Abmessun- 40 chen zur Erzeugung verringerter Impulsstärken fühgen nicht eingehalten werden kann. ren, weil sie einen Teil ihrer jeweiligen Energie an

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Auf- die Maske abgeben.

gäbe zugrunde, ein radioaktives Zeitnormal der ein- Diese Nachteile werden vermieden bei der in den

gangs genannten Art zu schaffen, welches trotz eines F i g. 3 und 4 verdeutlichten Ausführungsform. Das geringen Luftspaltes zwischen der Strahlenquelle und 45 hier gezeigte Zeitnormal besitzt eine als flächige Andern Festkorperdetektor eine breite Streuung der orunung diskreter Inseln 14/4, 14S usw. ausgebil-Energieverteilung verhindert, indem die Alphateil- dete Strahlenquelle, die gleichfalls auf eine Platte 11 chen zu einem im wesentlichen senkrechten Auftref- aufgebracht ist. Die Maske 15 besitzt eine zu den Infen auf den Festkorperdetektor gebracht werden. sein komplementäre Anordnung von öffnungen

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 an- 50 15-4, 15 B usw., die jeweils aus einem ersten, der zugegebene Erfindung gelöst. Zweckmäßige Ausgestal- geordneten Inseln der Strahlenquelle benachbarten tungen der Erfindung, die nachfolgend im Rahmen Bereich I relativ großen Querschnittes und einem eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei- zweiten, der Oberfläche des Detektors 12 benachbarspieles näher erläuert wird, sind den Unteransprü- ten Bereich II kleineren Querschnittes zusammengechen zu entnehmen. Die Zeichnung zeigt in 55 setzt sind. Die Inseln der Strahlenquelle sind bezüg-

Fig. 1 einen Teilquerschnitt durch ein Zeitnormal, hch der zugehörigen öffnungen jeweils zentriert, wobei welchem Strahlenquelle, Festkorperdetektor und bei der Durchmesser eines um sie herumgelegten Maske so angeordnet sind, daß eine breite Streuung Hüllkreises nicht größer sein sollte als der doppelte der Energieverteilung auftritt, Abstand zwischen der Oberfläche der Inseln und der

F i g. 2 in vergrößertem Maßstab einen Ausschnitt 60 Ebene des Detektors, während der Durchmesser jeder aus der Querschnittsdarstellung gemäß F i g. 1 zur der öffnungen der Maske nicht kleiner sein sollte als Verdeutlichung des Strahlenganges der Alphatcil- der Durchmesser dieses Hüllkreises. Die öffnungen chen, Jcr Maske, deren jeweils zweiter Bereich II in Rich-

F i g. 3 einen der F i g. 1 entsprechenden Teilquer- tung auf die Detektoroberfläche V-förmig erweitert schnitt, bei welchem jedoch eine Ausbildung der 65 ist, besitzen, wie aus Fig.4 erkennbar ist, eine Strahlenquelle als flächige Anordnung diskreter In- solche Geometrie, daß einerseits auf die Detektorsein gezeigt ist, oberfläche nur Strahlen auftreffen können, deren

Fig. 4 in vergrößertem Maßstab einen Ausschnitt Einfallwinkeln ausreichend groß ist, und daß an-

dererseits jeweils von einer bestimmten Insel der klein gewählt werden, wodurch erst diese kompakte

Strahlenquelle ausgehende Strahlen nicht auf einen Bauweise möglich ist.

benachbarten Bereich der Detektoroberfläche auf- In F i g. 6 ist noch eine abgewandelte Ausfühtreffen können, der einer anderen Insel zugeordnet rungsform des Detektors gezeigt. Die Detektoroberist. Die senkrecht auf die Detektoroberfläche auftref- 5 fläche wird hier gebildet aus einer zu den Inseln fenden Strahlen folgen den Bahnen Pa, Pb und Pc. 14 A, 14 B usw. der Strahlenquelle im wesentlichen Diese Strahlen geben keine Energie an die Maske ab. kongruenten Anordnung von · Halbleiterzellen 16 A, Wegen der V-förmigen Erweiterung des zweiten Be- 16 S usw., wodurch folgende Vorteile erzielbar sind: reiches II jeder Öffnung geben auch die Strahlen, Dadurch, daß jeder Insel der Strahlenquelle eine welche den Bahnen Pf, Pg und Ph folgen, keine io eigene Halbleiterzelle zugeordnet ist, wird erreicht, Energie an die Maske ab, und man kann feststellen, daß effektiv nur die Strahlen zur Gewinnung des daß diese Strahlen einen großen Auftreffwinkel be- Ausgangssignals ausgewertet werden, deren Einfallzüglich der Detektoroberfläcue begründen. Die winkel bezüglich der Detektoroberfläche senkrecht Strahlen, welche den Bahnen Pd und Pe folgen, ge- oder wenigstens nahezu senkrecht ist. Die einzelnen ben hingegen ihre Energie weitgeherM an die Maske 15 Halbleiterzellen sind je mit einer Diode 17 A, Π Β ab, so daß sie ohne Einfluß sind auf das Ausgangs- usw. in Reihe geschaltet, und alle aus einer Halbsignal bzw. die Ausgangsspannung. leiterzelle und einer Diode gebildeten Reihenstrom-In F i g. 5 ist noch die Konstruktion des vorbe- kreise sind parallel geschaltet, wodurch die Gesamtschriebenen Zeitnormales nach den Fig. 3 und4 an- kapazität des Detektors auf einen Wert verringert gedeutet. Es besteht aus insgesamt vier kreisförmigen ao wird, welcher nahezu dem Wert einer einzelnen Scheiben, von welchen die eine Scheibe 11 den Trä- Halbleiterzelle entspricht. Das Ausgangssignal kann ger für die Inseln 14 A, 14 B usw. der Strahlenquelle deshalb im Vergleich zu einer geschlossenen Detekbildet. Die zweite Scheibe I ist in einer komplemenlä- toroberfläche, die in den F i g. 3 und 4 angedeutet ist, ren Anordnung zu diesen Inseln mit Bohrungen ver- um einen Faktor vergrößert werden, welcher im wesehen, welche einen größeren Durchmesser besitzen 25 sentlichen der Anzahl der zur Bildung der Detektorais die Bohrungen der nächsten Kreisscheibe II, so oberfläche verwendeten Halbleiterzellen entspricht, daß diese beiden Kreisscheiben die beiden in F i g. 3 Sind also beispielsweise bei 1000 diskreten Inseln mit gleichen Bezugszeichen bezeichneten Bereiche je- 14 Λ, 14 B usw. der Strahlenquelle insgesamt der einer Insel zugeordneten Maskenöffnung bestim- 1000 Halbleiterzellen 16 A, 16 B usw. vorgesehen, men. Die letzte Kreisscheibe 12 bestimmt die Form- 30 dann erfährt das mit der Ausführungsform gemäß gebung des Detektors. Die vier Kreisscheiben werden Fig. 6 erhaltene Ausgangssignal eine lOOOfache Ersandwichartig aufeinandergelegt, so daß sie ein sehr höhung im Vergleich zu dem Ausgangssignal, welkompaktes Zeitnormal ergeben, das ohne weiteres in ches bei gleicher Materialwahl mittels der geschlosseein Zeitmeßgerät kleiner Abmessungen, wie in eine rten Detektoroberfläche der Ausführungsform gemäß Armbanduhr, eingebaut werden kann. Wegen der be- 35 den F i g. 3 und 4 erhalten wird. Demzufolge kann schriebenen Geometrie der Maskenöffnungen und bei der Ausführungsform gemäß F i g. 6 ohne weiteder Ausbildung der Strahlenquelle als eine flächige res auf die Zuordnung eines besonderen Verstärkers Anordnung diskreter Inseln kann der Luftspalt zwi- verzichtet werden, so daß damit eine weitere Reduschen Strahlenquelle und Detektoroberfläche sehr zierung der Baugröße des Zeitnormales möglich ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Radioaktives Zeitnormal mit einer Alphateilchen emittierenden Strahlenquelle mit langer Halbwertzeit, einem Festkörperdetektor und einer zwischen der Strahlenquelle und dem Festkörperdetektor angeordneten Maske mit einer Öffnung für den Strahlendurchtritt, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlenquelle als flächige Anordnung diskreter Inseln ausgebildet und die Maske mit einer zu den Inseln komplementären Anordnung von öffnungen einer solchen Geometrie versehen ist, daß einerseits auf die Detektoroberfläche nur Strahlen auftreffen können, deren Einfallwinkel nahezu senkrecht ist, und daß andererseits jeweils von einer bestimmten Insel der Strahlenquelle ausgehende Strahlen nicht auf einen benachbarten Bereich der Detektoroberfläche auftreffen können, der einer anderen insel zugeordnet ist.

2. Zeitnormal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Inseln der Strahlenquelle gebildete Ebene parallel angeordnet ist zu der Detektoroberflache.

3. Zeitnormal nach Anspruch ! oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoroberfläche gebildet ist aus einer zu den Inseln der Strahlenquelle im wesentlichen kongruenten Anordnung von Halbieiterzellen.

4 Zeitnormal nach ,inem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, dai.i die Inseln der Strahlenquelle auf eine schützende Abschirmeigenschaften aufweisende Platte aufgebracht sind.

5. Zeitnot mal nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte eine Metallscheibe ist, daß du: Maske aus wenigstens einer kreisförmigen Platte mit einem dem Durchmesser dieser Metallscheibe entsprechenden Durchmesser besteht und daß der Detektor dieselbe Form hat.

6. Zeitnormal nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede öffnung in der Maske sich aus einem ersten, der zugeordneten Insel der Strahlenquelle benachbarten Bereich relativ großen Querschnittes und einem zweiten, der Detektoroberfläche benachbarten Bereich kleineren Querschnittes zusammensetzt.

7. Zeitnormal nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Maske aus zwei kreisförmigen Platten besteht, von welchen die eine mit den ersten Bereich bestimmenden öffnungen und die zweite mit den zweiten Bereich bestimmenden öffnungen versehen ist.

8. Zeitnormal nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Bereich jeder öffnung in Richtung auf die Detektoroberfläche V-förmig erweitert ist.

9. Zeitnormal nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Inseln der Strahlenquelle aus einem dünnen Film radioaktiven Materials gebildet sind.

10. Zeitnormal nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterzellen des Detektors in einer Richtung parallel geschaltet sind.

11. Zeitnormal nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterzellen über Dioden parallel geschaltet sind und daß an sie eine Sperrspannung angelegt ist.

12. Zeitnormal nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Hüllkreises jeder der Inseln der Strahlenquelle nicht größer ist als der doppelte Abstand zwischen der Oberfläche dieser Inseln und der Ebene des Detektors und daß der Durchmesser jeder der Öffnungen der Maske nicht kleiner ist als der Durchmesser dieses Hüllkreises.