DE2311623A1 - Vorrichtung zum messen der dicke von schichten mit einem die schicht bestrahlenden radionuklid - Google Patents

Description

PATENTANWALT DIPL.-ING. ULRICH KINKELIN

7032 Sindelfingen -Auf dem Goldberg- Weimarer Str. 32/34 - Telefon 07031/86501

11 339

VORRICHTUNG ZUMMESSEN DER DICKEVON SCHICHTEN MIT EINEM DIE SCHICHT BESTRAHLENDEN RADIONUKLID

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Dicke von Schichten, mit einem die Schicht bestrahlenden Rad ion uk I id, das eine der Dicke der Schicht in ihrer Energie entsprechende Strahlung erzeugt, mit einem Detektor, der die aus der Schicht und einem gegebenenfalls vorhandenen Trögermaterial zur Uckgestreute RUckstreustrahlung aufnimmt und an seinem Ausgang eine Impulsrate erzeugt, und zwar im Bereich zwischen einer unteren, zur Schichtdicke Null gehörenden Ruckstreuung entsprechenden ersten Zählung und einer oberen Zählung, die zum Bereich einer quasi unendlich dicken Schicht gehört, mit einer den nichtlinearen Zusammenhang von Zählrate und Schichtdicke rechnerisch berücksichtigenden Schaltung und einer nachgeschalteten Anzeigevorrichtung.

Durch das DBP 1 959 008 ist eine Vorrichtung dieser Art bekannt geworden. Die Zählung des Detektors hängt u. a. davon ab, welche Ordnungszahl die zu messende Schicht hat, welche Ordnungszahl das Trägermaterial hat, welcher Natur der Strahler ist, welche

409837/0570

11339 -Z-

Geometrie der Schlitz im Meßtisch hat/ wie die Meßgeometrie ist usw. Unter allen diesen zahlreichen Parametern interessiert hier lediglich der Zusammehang zwischen der Zählung des Detektors und der Schichtdicke, und zwar unabhängig von den anderen Parametern. Dem genannten Patent lag die Erkenntnis zugrunde, daß trotz der verschiedenen und sich ändernden Parameter die Eichkurven Individuen einer einem gemeinsamen Gesetz gehorchenden Kurvenschar sind. Mit einem linearisierenden Netzwerk wurde versucht, den nichtlinearen Zusammenhang zwischen Schichtdicke und Zählung unter Eliminierung der nicht interessierenden Parameter in einen linearen, skalenmäßig sich nicht ändernden Zusammenhang zu überführen.

Dies ist auch für einen breiten Meßbereich gelungen, und zwar vom Bereich sehr dünner Schichten bis knapp oberhalb des Bereichs, nach dem in halblogarithmischer Darstellung die Funktion Schichtdicke/Zählrate den linearen Ast verläßt. Der sich asymptotisch an denjenigen Wert annähernde Kurvenast, der einer Schichtdicke "Unendlich" entspricht, konnte mit einer wünschenswerten Genauigkeit trotzdem noch nicht linearisiert werden, wenn man die dort angegebene Entzerrerfunktion benutzt. Außerdem konnte der Bereich von dünnsten Schichtdicken hinab bis zur Schichtdicke Null noch nicht mit der wünschenswerten Genauigkeit linearisiert werden, wenn man die dort angegebene Entzerrerfunktion benutzt.

Außerdem bereitet de Drift der Meßwerte Schwierigkeiten. Dies ist bei der vorliegenden Meßtechnik deshalb mißlich, weil man es ja ohnehin nur mit statistischen Meßeigebnissen zu tun hat. Eine Meßwertabweichung läßt sich daher nicht leicht analysieren und man kommt häufig in Zweifel, ob die Meßwertabweichung eine Abweichung vom statistischen Mittel oder eine Abweichung wegen Drift ist.

/,09837/0570

11 339 - 3 -

Man arbeitet auch hier direkt mit der Zählung des Detektors. Dies bedeutet, daß die Zählung z. B. für den Wert der Schichtdicke "Unendlich" je nach Schichtordnungszahl sich im Bereich mehrerer Zehnerpotenzen bewegen kann. Dies gilt auch für Zählungen auf dem unbeschichteten Trägermaterial oder vergleichbaren Schichtdicken unterschiedlicher Materialien. Die bekannte orrichtung muß also Zählungen in einem sehr weiten Bereich verarbeiten können.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die im Bereich für kleinere und mittlere Schichten mit der bereits bisher ausreichenden Genauigkeit den Zusammenhang zwischen Zählung und Schichtdicke herstellt, jedoch zusätzlich den gewünschten Zusammenhang zwischen Zählung und Schichtdicke herstellt für Schichten, die sehr dick bis unendlich dick sind und die sehr dünn bis herunter zur Schichtdicke Null sind. Gleichzeitig soll die neue Vorrichtung auch in der Bedienung einfacher sein, kürzere Einstellzeiten des Meßgerätes ermöglichen und frei von zeitlichen Drifterscheinungen arbeiten.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein digitaler Rechner vorgesehen ist, der gemäß der Gleichung

1 +a ..Xs
Xn = 1 - Xs- Xo

tn^{+ a} ·^Xs

eVc/ Xs -Xo

arbeitet, wobei

Xo = die zur Schichtdicke Null gehörige Zählung,
Xs = die zur Schichtdicke Unendlich gehörige Zählung, X = die zur zu messenden Schicht gehörige Zählung,

Xn = X-Xo ,

Xs-Xo
- 2,71 (Basis der natürlichen Logarithmen)

409837/0570

11 339 -A-

a = eine dimensionslose Konstante, gehörig zu einem bestimmten Strahler und einer bestimmten Kombination von Schichtmaterial/Trägermaterial,

c = eine längenbehaftete Konstante, gehörig zum gleichen Strahler und gleichen Schichtmaterial/Trägermaterial und

y = die zu messende Dicke der Schicht ist.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels hervor. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung der Funktion Zählung/Schichtdicke, Fig. 2 die normierte Darstellung der Funktion nach Fig. 1,

Fig. 3 ein Kurvenblatt, welches die Schichtdickenbereiche als Funktion der Ordnungszahl der Schicht angibt, die mit den als Bereichsparameter eingetragenen Radionukliden gemessen werden können,

Fig. 4 die Darstellung eines Blatts, welche Konstanten der oben angegebenen Gleichung zeigt,

Fig. 5 ein Blockschaltbild der wesentlichen Teile der erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 6 eine Ansicht der Frontplatte des erfindungsgemäßen Geräts.

Fig. 1 zeigt eine Kurve 11 mit ihrem nach einer e-Funktion gekrümmten Bereich 12, einen linearen Bereich 13 und einen stark gekrümmten Bereich 14. Was die Genauigkeit anlangt, arbeitet die bekannte Vorrichtung etwa bis zu demjenigen Bereich richtig, der durch ein Kreuz 16 markiert ist. In Fig. 1 ist X die zur Schichtdicke Null gehörige ZählungX ist die zur Schichtdicke Unendlich gehörige Zählung.
Als erster Schritt wird nun gemäß Fig. 2 diese Funktion normiert und zwar gemäß der

409837/0570

11 339 - 5 -

Gleichung X = X - X
η ο

Man kam dann zu einer Darstellung gemäß Fig. 2. Die Zählungen liegen jetzt in einem überschaubaren Bereich, nämlich von Null bis Eins, der keine so hohen schaltungsmäßigen Anforderungen stellt. X (normierte Stoßzahl) ist dimensionslos. Daß die Gleichung verwendbar ist, erkennt man durch folgende Übergänge:
Geht die zur zu messenden Schicht gehörige Zählung X gegen X_Q , dann geht X gegen Null.

Geht die Zählung X gegen X₅ , dann geht die normierte Zählung X gegen Eins.

Beim erfindungsgemäßen Gerät empfängt ein Detektor 17 zurückgestreute Betastrahlen 18 aus einer Metallschicht 19 und einem Trägermaterial 21. Der zugehörige Strahler ist nicht dargestellt und ist bekannter Art. Mit dem Ausgang des Detektors 17 ist ein digitaler Rechner

1 + 22 verbunden, der gemäß der Formel Xs-Xo

X=I-n

ΡνΆ) + arbeiten kann. ^{Äs λο}

Solche Rechner kann der Durchschnittsfach man η entweder einfach als Spezialrechner bauen, wobei eine Steuerung 23 für den gewünschten Programmablauf sorgt. Man kann natürlich auch einen Universalrechner nehmen und diesen dann ebenfalls programmieren. Das Arbeiten mit einem Universalrechner dürfte jedoch auf dieDauer teurer sein als das Arbeiten mit einem Spezialrechner. Aus der angegebenen Gleichung ergibt sich ein Rechner samt Steuerung, der ohne zusätzliche erfinderische Leistung realisiert werden kann.

Die angegebene Gleichung gibt die normierte Zählung an. Sie kann jedoch auch ohne

409837/05 7 0

Π 339 - 6 -

weiteres ohne erfinderisches Zutun in eine solche Gleichung umgewandelt werden, bei der die Schichtdicke Y die Unbekannte ist. Der Rechner 22 kann nach Eingabe der notwendigen Daten entweder die Schichtdicke Y oder die normierte Zählung errechnen.

Dem Rechner 22 ist eine Anzeige 25nachgeschaltet. Diese Anzeige ist digital, zum Beispiel in Form von Leuchtziffern.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung arbeitet man wie folgt:

Zunächst nimmt man ein Blatt gemäß Fig. 3 zur Hand, welches bekannt ist. Man kennt die

_ in welcher Größenordnung

Ordnungszahl der Schicht und außerdem weiß man ungefähr, die zu messende Schicht

ist. Aus Fig. 3 erkennt man einige Kurvenscharen. Dort sind als Parameter verschiedene Radionuklide angeschrieben, wie z. B. Promethium, Thallium usw. Zum Teil überlappen sich die Radionuklidbereiche, wie z.B. im Falle von Thallium und Radium. Für dünnere Schichten sind weichere Strahler erforderlich und für dickere Schichten sind härtere Strahler erforderlich. In unserem Ausführungsbeispiel sei angenommen, daß die Ordnungszahl der Schicht bei 50 (Sn) liegt und daß eine Schichtdicke zwischen 5 und 10 Mikrometer erwartet wird. Man wählt dann als Radionuklid Thallium. Hat man sich für ein bestimmtes Radionuklid entschieden, so greift man zu einem Blatt gemäß Fig. 4. Oben ist angegeben, daß dieses Blatt für Thallium gilt. Nahe der linken oberen Ecke findet man die Buchstaben S und T, welche "Schicht" und "Träger" bedeuten. Als Schichtmaterial ist Zinn, Gold, Chrom usw. vorgesehen, während als Trägermaterial Nickel, Eisen, Silber usw. vorgesehen sind. Es sei nun angenommen, daß bei dem Beispiel sich eine zu messende Zinn-Schicht auf Nickel befindet. Man entnimmt nun dem Blatt nach Fig. 4, daß bei einer solchen Messung c = 3,27 ist und

409837/0570

η 339 - 7 -

daß a = 0,8 ist. Man stellt nun den Wert c an einer Frontplatte 24 gemäß Fig. 6 ein. Dort sind drei Rändelrädchen 26, 27, 28 vorgesehen, die zu Zahlengebern gehören, welche auf einer gemeinsamen Achse sitzen. Das Rändelrädchen 26 dreht man so lange, bis der Wert " 3 " im Fenster erscheint usw. Unterhalb des Fensters ist auch das Komma bei 29 angegeben.

Dann wird mittels Rändelrädchen 31, 32, 33 der Wert 0,80 eingestellt. Damit sind diese Werte dem Rechner 22 eingegeben.

Wenn man ein Blatt gemäß Fig. 4 nicht besitzt, dann kann man sich die Werte fur c und α auch selbst schaffen: Die Zählungen X und X kann man leicht ermitteln, indem man

^a s ο

einmal Trägermaterial und einmal "Unendlich" dickes Schichtmaterial auflegt. Die normierte Zählung X läßt sich nun ohne weiteres errechnen. Indem man nun noch zwei Eichnormale unterschiedlicher Schichtdicke auflegt, und mißt, erhält man zwei Gleichungen für zwei Unbekannte, nämlich fUr c und a , und kann so c und α berechnen.

Nachdem die Werte c und α eingegeben sind, legt man das Trägermaterial auf . Man stellt nun einen Bereichsknopf 31 in seine Stellung A. Dies entspricht in Fig. 5 der unteren Stellung des dort gezeichneten Schalters. Die Anzeige 25 zeigt nun den Wert X an. Dieser Wert wird über Rändelrädchen 36, 37, 38 ebenfalls eingestellt, d. h. dem Rechner 22 eingegeben. Im vorliegenden Fall ist diese Zahl gleich 229. .

Nun wird noch über Rändelrädchen 39, 41, 42 der Wert X für die zur Schichtdicke Unendlich gehörige Zählung eingegeben, nachdem entsprechendes Material aufgelegt worden war und

409837/0570

11 339 - 8 -

die Zählung an der Anzeige 25 ebenfalls in der Stellung A des Bereichsknopfs 31 abgelesen wurde.

Nunmehr wird die Dicke einer unbekannten Zinn-Schicht auf Nickel gemessen. Hierzu legt man diese Schicht auf und bringt den Bereichsknopf in seine Stellung B. In dieser Stellung ist der Rechner 22 eingeschaltet und unter Berücksichtigung von c, a, Xo und Xs errechnet er nun die Schichtdicke zu 6,89 Mikrometer und zeigt diese an der Anzeige 25 an.

In manchen Fällen ist es auch intereacint, die normierte Zählung Xn zu kennen. Hierzu wird der Bereichsknopf 30 in seine Stellung C gebracht und der Rechner 22 errechnet nun gemäß der angegebenen Gleichung die normierte Zählung.

Wie bei der Vorrichtung nach dem DBP 1 959 008 kann man mit einem Meßzeitknopf 43 die Meßzeit wählen. Eine längere Meßzeit verkleinert den statistischen Fehler . Automatisch wird mit dem Meßzeitknopf 43 gleich wie bei der Vorrichtung nach DBP 1 959 008 die Zählung unterteilt. Man kann also den Detektor 17 mit dem ersten Eingang einer UND-Stufe verbinden, deren Ausgang mit einer Binäruntersetzungsvorrichtung verbunden ist. Ferner kann man einen Meßzeitgeber vorsehen, dessen Ausgang mit dem zweiten Eingang der UND-Stufe verbunden ist. Die Binäruntersetzungsvorrichtung ist dann gemeinsam mit dem Meßzeitgeber umschaltbar. Unabhängig von der Meßzeit wird damit dem Rechner 22 im wesentlichen immer eine gleiche Anzahl von Impulsen zugeführt, unabhängig davon, ob die Meßdauer das Einfache, das Doppelte, das Vierfache usw. der kürzestmöglichen Meßdauer ist.

409837/0570

η 339 - 9 -

Alle Meßvorgänge werden mit dem Start-Schalter 44 ausgelöst, der den Meßzeitgeber einschaltet.

Wenn man die Zählung X und X mißt, dann können hier innerhalb der Meßdauer Zählun-

^ao s

gen herauskommen, die z.B. sechsstellig sind. Wie gezeigt wurde, interessieren bei den Werten Xo und Xs jedoch lediglich drei Stellen. Wegen der ohnehin vorhandenen statistischen Fehler hätte es keinen Sinn, X₀ oder X₃ mit vier oder gar fünf Stellen einzugeben. Um die nicht interessierenden Stellen von der Anzeige 25 fernzuhalten, ist ein Teiler vorgesehen, der mit einem Teilerknopf 46 betätigt werden kann. Der zugehörige Teiler kann irgendwo auf der direkten Strecke zwischen dem Detektor 17 und der Anzeige 25 liegen. Er hat verschiedene Teilungsbereiche wie z. B. 1:1, 1:5,1: 10, 1 : 100 usw. Dieser Teiler darf nicht mit demjenigen verwechselt werden, der oben erwähnt wurde und die Zählung umgekehrt proportional zur Meßzeit teilt.

Der Rechner 22 vermag beim Ausführungsbeispiel gemäß dem oben Gesagten nach zwei Funktionen zu rechnen, nämlich direkt nach der im Anspruch angegebenen, wobei die normierte Zählung ermittelt wird, oder aber auch nach der aus dieser Gleichung abgeleiteten Gleichung, bei der die Schichtdicke die Unbekannte ist. Die Elemente zur Rechnung des einen oder anderen Werts sind im wesentlichen die gleichen. Überflüssigerweise sei darauf hingewiesen, daß man eine Funktion eines natürlichen Logarithmus erhält, wenn man nach der Schichtdicke auflöst.

409837/0570

11 339 - 10 -

Bei der Messung mit der erfindungsgemäßen Einrichtung ergeben sich einige weitere Vorteile: Die Umrechnung der Zählungen in die digital anzuzeigenden Schichten können mit ein- und derselben Einstellung der Einrichtung von sehr dünnen Schichten, ' die Schicht Null eingeschlossen, über mittlere Schichten bis zu sehr großen Schichtdicken erfolgen. Es ergibt sich mit der erfindungsgemäßen Einrichtung eine höhere Meßgenauigkeit. Die erfindungsgemäße Einrichtung ist frei von zeitlichen Drifterscheinungen, die jeder analog Iinearisierenden Einrichtung anhaften würde. Die erfindungsgemäße Einrichtung erfordert außerdem eine wesentlich kürzere Einstellzeit für das Meßgerät, die etwa ein Viertel der bisher benötigten Zeit ausmacht.

409837/0570

Claims (1)

1. Paten tanspruch:

   Vorrichtung zum Messen der Dicke von Schichten, mit einem die Schicht bestrahlenden Radionuklid, das eine der Dicke der Schicht in ihrer Energie entsprechenden Strahlung erzeugt, mit einem Detektor, der die aus der Schicht und einem gegebenenfalls vorhandenen Trägermaterial zurückgestreuten Rückstreustrahlung aufnimmt und an seinem Ausgang eine Impulsrate erzeugt, und zwar im Bereich zwischen einer unteren, zur Schichtdicke Null gehörenden Ruckstreuung entsprechenden ersten Zählung und einer oberen Zählung, die zum Bereich einer quasi unendlich dicken Schicht gehört, mit einer den .nichtlinearen Zusammenhang von Zählrate und Schichtdicke rechnerisch berücksichtigenden Schaltung und einer nachgeschalteten Anzeigevorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß ein digitaler Rechner vorgesehen ist, der gemäß der Gleichung

   1+ JJ
   Xs -Xo

   X = I-

   exp(Y/c)+ ^aXs

   Xs-Xo
   arbeitet,

   wobei

   X = die zur Schichtdicke Null gehörige Zählung, X = die zur Schichtdicke Unendlich gehörige Zählung, X = die zur zu messenden Schicht gehörige Zählung,

   X = X-Xo
   η

   X-Xo
   ^{e =} 2/71 , Basis der naturlichen Logarithmen,

   409837/0570

   α = eine dimensionslose Konstante, gehörig zu einem bestimmten Strahler und einer bestimmten Kombination von Schichtmaterial/Trägermaterial,

   c = eine längsnbehaftete Konstante, gehörig zum gleichen Strahler und gleichen Schichtmaterial/Trägermaterial und

   y = die zu messende Dicke der Schicht ist.

   £09837/0570

   Leerseite