-
Verfahren und Gerät zum Messen von radioaktiver Strahlung
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Gerät zur Kernstrahlungsmessung
und insbesondere zur Umgebungsradioaktivitätsmessung.
-
Meßgeräte dieser Art werden gewöhnlich als Strahlungsmesser oder Radiameter
bezeichnet.
-
Je nach dem vorgesehenen Zweck gibt es zwei Arten von Strahlungsmessern.
Bei den Präzisionsstrahlungsmessern, die
für physikalische Messungen
benutzt werden, sind die verlangten Leistungen hoch. Bei den Sicherheitsstrahlungsmessern
ist die verlangte. Genauigkeit geringer. Diese letzteren Geräte, die vor allem dazu
dienen, die Sicherheit von Personen zu gewährleisten, die in einer Umgebung arbeiten
müssen, welche normalerweise radioaktiven Strahlen ausgesetzt ist, sollen einerseits
eine gute Zuverlässigkeit und andererseits geringe Außenabmessungen haben.
-
Das ständige Tragen durch den Benutzer und das Ablesen dieser Geräte
sollen leicht möglich sein.
-
Bislang sind die Anstrengungen der Strahlungsmeßgerätekonstrukteure
hauptsächlich auf die Schaffung von Präzisionsgeräten gerichtet. Es handelt sich
um StrahlungsmeQser, in denen der Tetl, der für die zu messende Strahlung empfindlich
ist, entweder ein Geiger-Müller-Zählrohr1 eine Ionisationskammer oder eine Festkörperdetektorzelle
ist. Diese Geräte haben große Außenabmessungen und ihr Preis ist hoch.
-
Seit etwa zwanzig Jahren hat man für diesen Zweck Festkörperdetektorzellen
entwickelt, bei welchen es sich um kristalline Strukturen handelt, die entweder
homogen oder Bauelemente mit pn-Übergang sind, deren Substrat Germanium, Silicium
oder Verbindungen sind, wie Cadmiumtellurld, Galliumarsenid, Quecksilber-II-jodid
oder andere.
-
Unter dem Gesichtspunkt der Außenabmessungen haben die Detektorstrukturen,
in denen das Basiselement ein Halbleiterkörper ist, gegenüber den anderen bekannten
Detektoren einen beträchtlichen Vorteil. In ihrer Technologie sind große Fortschritte
gemacht
worden. Insbesondere ist es nunmehr möglich, aufgrund von
diesen oder jenen Festkörperdetektoren ein Signal zu erhalten, das für sehr geringe
Strahlungsenergien ausnutzbar ist.
-
Im übrigen sind die Schaltungen, die die Auswertung des von einem
Festkörperdetektor gelieferten Signals gestatten, festgelegt. In ihnen wird das
von dem Halbleiterkörper oder von dem halbleitenden pn-Übergang gelieferte Signal
empfangen, in einem Kreis integriert, der gewöhnlich als "integrierender Ladungsvorverstärker"
oder abgekürzt einfach als "Vorverstärker" bezeichnet wird.
-
Die ionisierte Ladungsmenge Q ist zwar zu dem elektrischen Feld proportional,
das in dem Halbleiterkörper oder in dem pn-Übergang gebildet worden ist, das gelieferte
Signal ist jedoch ein Elektronenstrom, der in proportionaler Beziehung zu dem Differentialquotienten
dQ/dt der Ladungsmenge steht. Um ein Signal zu erhalten, das zu der iornsierten
Ladungsmenge Q proportional ist, ist es erforderlich, dieses Signal zu integrieren.
Da die Ladungsmengen sehr gering sind, beispielsweise -14 in der Größenordnung von
10 Coulornb, ist das Signal seinerseits klein und es ist außerdem erforderlich,
es zu verstärken.
-
Eine einzige Schaltung, die als Ladungsvorverstärker bezeichnet wird,
erfüllt die doppelte Aufgabe der Integration und der Verstärkung des empfangenen
Signals.
-
An dem Ausgang dieser Schaltung wird das Spannungssignal gewöhnlich
an wenigstens einer, oft an mehreren komplementären Verstärkungsstufen empfangen,
um seinen Wert zu erhöhen. Wenn das Signal ausreichend verstärkt ist, um ausgenutzt
werden zu können, wird es zu einer monostabilen Schaltung geleitet, die an ihrem
Ausgang bei einem gewissen Wert des Eingangssignals einen Impuls abgibt.
-
Die monostabile Schaltung steuert eine Zählschaltung, welche die Impulse
zählt, die sie empfängt. Der Zählwert, dei sich daraus ergibt, kinn in einer Speicherschaltung
festgehalten werden. Er kann außerdem in einer Anzeigeeinheit benutzt werden, um
eine Sichtanzeige der Informationen zu liefern, oder er kann benutzt werden, um
einen Drucker zu steuern.
-
Bei den meisten Arten der Verwertung des Zählwertes ist es erforderlich,
zwischen dem Zähler und der optischen oder einer anders gearteten Anzeigeeinheit
einen Decodierer anzuordnen.
-
Die nunmehr übliche Ausführung der Schaltungen, die trotz eines hohen
Grades an Komplexität eine kompakte Form haben, wie etwa die integrierten Festkörperschaltungen,
die in LSI-, in MOS-, in Hybrid-Technik usw. ausgeführten Funktionseinheiten, gestattet
die Darstellung einer Folge von komplexen Funktionsschaltungen in einer Form mit
sehr geringem Volumen und Gewicht.
-
Unter Berücksichtigung der Bedürfnisse der Benutzer, die radioaktiven
Strahlungen ausgesetzt sind und unter Berücksichtigung der letzten Fortschritte
der Technik sowohl hinsichtlich der Detektoren als auch - der Schaltungen, ist es
Ziel der Erfindung, ein Verfahren und ein Gerät zu schaffen, die das Messen der
Umgebungsradioaktivität mit einer guten Genauigkeit mittels eines Gerätes mit äußerst
geringem Volumen gestatten Gemäß der Erfindung ist das Verfahren, bei welchem eine
Detektoreinheit, die wenigstens einen Festkörperdeteletor enthält, dem EinfluR der
radioaktiven Strahlung ausgesetzt wird, das gelieferte Signal empfangen und in einem
Ladungsvorverstärker integriert wird, so daß sich eine Spannung ergibt, die zu den
durch die einfallende Strahlung freigesetzten Ladungen proportional ist, und die
Spannung benutzt wird, um eine Schwellenwertauslöseschaltung auszulösen, wenn die
Spannung einen Wert erreicht, der einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet,
gezählt, gespeichert und gegebenenfalls die sich aus der Zählung ergebende Inforn1ation
angezeigt oder ausgedruckt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinheit
mehrere verschiedenartige Detektoren enthält, die nach einer Auswahl im Hinblick
auf eine Spektralempfindlichkeitskompensation, gleichzeitig der Strahlung ausgesetzt
werden und elektrisch verbunden sind, um gemeinsam - Spekt ein Spektralempfindlichkeitsansprechsignal
unabhängig von dem Spektrum der einfallenden Strahlung zu liefern, daß das Signal
benutzt wird, um direkt die Schwellenwertauslösung rlach seinem Durchgang durch
den Integrlervorverstärker zu bewirken, und daß es Maßnahmen vorsieht, um die
Empfindl
ichkeitsänderungen der Detektoren in Abhängigkeit vm der einfallenden Strahlung
und von ihrem Energiewert zu korrigieren, urn eine Ansprechcharakteristik zu schaffen,
die eine Empfindlichkeit hat, welche von der einfallenden Energie unabhängig oder
quasiunabhängig ist.
-
Gemäß der Erfindung bestehen die Maßnahmen, mittels welchen der Gesamtansp
rechcharakteristik der Detektoreinheit eine konstante Empfindlichkeit gegeben wird,
darin Detektoren miteinander zu vereinigen, die unterschiedliche spektrale Empfindlichkeiten
haben, so daß eine Kompensation zwischen den einzelnen Empfindl ichkeitsungleichheiten,
die sie aufweisen, entweder aufgrund ihres inneren Aufbaus oder aufgrund ihrer Umgebung,
beispielsweise aufgrund von Abschirmungen, erzeugt wird.
-
Gemäß der Erfindung schafft das Meßverfahren eine Maßnahme, um den
Informationen, die es liefert, eine gleichmäßige Genauigkeit zu geben. Die Maßnahme,
mittels welcher eine gleichmäßige Genauigkeit der gewonnenen Informationen bewahrt
wird, besteht gemäß der Erfindung darin, eine kumulative Zählung unabhängig von
der Zählzeit vorzunehmen, d.h. eine Zählung auszuführen, die gleichmäßig auf eine
konstante Anzahl von gezählten Impulsen oder Ereignisses begrenzt ist.
-
Weiter soll durch die Erfindung ein Gerät zur Durchführung des oben
angegebenen
Verfahrens geschaffen werden.
-
Das Gerät nach der Erfindung enthält eine Detektoreinheit, einen Ladungsvorverstärker,
eine Schaltung, die bei einem vorbestimmten Schwellenwert ausgelöst wird, eine Zähl-
und Speichereinheit sowie, wahlweise, eine Anzeige- oder Druckeinheit.
-
Gemäß einer Ausbildung des Gerätes nach der Erfindung sind die Detektoren
darin parallel geschaltet. Parallele Gruppen, welche jeweils eine Detektoreinheit,
einen Ladungsvorverstärker und eine Schwellenwertauslöseschaltung bilden, können
eine weitere Ausfuhrungsvariante des Gerätes nach der Erfindung darstellen.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung enthält das Gerat wenigstens
einen Detektor, der aus einem homogenen Halbleiterkörper besteht.
-
In noch weiterer Ausgestaltung der Erfindung enthält das Gerät wenigstens
einen Halbleiterdetektor mit pn-Übergang.
-
In noch weiterer Ausgestaltung der Erfindung enthält das Gerät wenigstens
einen Halbleiterdetektor mit pn-Übergcang der üblichen Bauart.
-
In noch weiterer Ausgestaltung der Erfindung enthält das Gerät wenigstens
einen Halbleiterdetektor mit pn-Übergang der ungekapselten Bauart.
-
In noch weiterer Ausgestaltung der Erfindung enthält das Gerät wenigstens
zwei parallel geschaltete Gruppen, welche jeweils eine Detektoreinheit, einen Ladungsvorverstärker
und eine Schwel lenwertauslöseschaltung enthalten, wobei in jeder Gruppe die Bauelemente
homogene Halbleiter und Halbleiter mit pn-Übergang sind.
-
In noch weiterer Ausgestaltung der Erfindung enthält das Gerät wenigstens
zwei parallel geschaltete Gruppen, in denen die Detektoren Detektoren mit pn-Übergang
und mit unterschiedlichen Kenndaten sind.
-
In noch weiterer Ausgestaltung der Erfindung enthält das Gerät Detektoren
mit pn-Übergang, deren Kenndaten verschiedenartig sind. Die Detektoren können sich
durch die Vorspannungen unterscheiden, die an sie angelegt werden. Sie können sich
außerdem durch die jeweilige Umgebung unterschieden, in der sie angeordnet werden,
insbesondere durch die Abschirmung, mit der man sie umgibt. Sie können sich außerdem
durch die Eigenkenndaten ihres Betriebes voneinander unterscheiden.
-
Da man auch parallele Gruppen vorsehen kann, die jeweils eine Detektoreinheit,
einen Ladungsvo rverstärker und eine Schwellenwertauslöseschaltung enthaltend d.h.
die durch die Funktionsblöcke 1, 4 und 5 in den Zeichnungen dargestellten Elemente,
ist es möglich, die Gruppen in bezug aufeinander verschieden
auszuführen,
indem die Schwellenwerte der Schwellenwertschaltung, die jede von ihnen enthält,
verschieden gemacht werden.
-
In dieser Ausführungsform mit mehreren parallelen Gruppen oder Kanälen
enthält das Gerät nach der Erfindung wenigstens zwei verschieden aufgebaute parallele
Gruppen oder Kanäle.
-
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte
Zeichnung. Es zeigen: Fig. 1 in Form eines Funktionsblockschaltbildes das Meßverfahren
nach der Erfindung, und Fig. 2 ein Prinzipschaltbild der Schaltungen, die in den
Detektor-, Integrier- und Schwellenwertimpulsausl öseeinheiten enthalten sind.
-
Das Schaltbild von Fig. i zeigt eine Detektoreinheit 1, eine Vorspannungsversorgung
2, eine Gleichspannungsquelle 3, einen Integ riervorverstärker - 4, eine Schwellenwertausl
öseschaltung 5, eine Zähleinheit 6, eine Zeitbasis 7, einen Decodierer 8, eine Anzeigeeinheit
9, eine Kontrolleinheit 10 für die Gleichspannungsquelle 3, eine Speicherschutzsteuereinheic
11 und einen Oszillator 12, der eine ständige Anzeige sicherstellt.
-
Aus der technischen Literatur sind die Prinzipien der Verfahren zur
Messung der radioaktiven Strahlung aufgrund des von einem Halbleiterdetektor gelieferten
Signals bekannt. Insbesondere sei verwiesen auf " ELFCTRONIQUEt', Robert Guillien
(1961) P,U.F., Band III, S 342 ff. und auf "SEMICONDUCTOR COUNTERS FOR NUCLEAR RADIATIONS",
G. Dearnaley und D,C. Northrop (1963) E. & F. Spon Limited, London.
-
Das Signal, das aufgrund eines dieser Detektoren gewonnen wird, ist
proportional zu dQ/dt. Es ist erforderlich, dieses Signal zu integrieren, um es
zu Q proportional zu machen, urid dem Signal eine Vorverstärkung zu geben, um es
nutzbar zu machen, und zwar wegen der geringen Menge an freigesetzten Ladungen.
-
Diese beiden Operationen werden in dem Integriervorverstärker 4 ausgeführt.
-
Bei der herkömmlichen Verwendung eines Halbleiterdetektors ist das
Signal, das von einem normalen Ladungsvorverstärker abgegeben wird, so wie es ist,
noch urxzervvertbar. Außerdem pflegte man wenigstens eine zweite, wenn nicht mehrere
Zwischenverstärkungsstufen hinter dem Vorverstärker zu benutzen, bevor das Signal
in einer Auslöseschaltung oder einer monostabilen Schaltung ausgenutzt wurde, um
darin ab einem gewissen Wert der Eingangsspannung einen Impuls zu erzeugen.
-
Gemäß dem Verfahren nach der Erfindung werden diese Zwischenverstärkungsstufen
vermieden. Es werden in der Detektoreinheit mehrere Detektoren mit geringem Grundrauschen
parallel geschaltet, wie etwa die Detektoren 21, 22, 23, welche in Fig.
-
2 sichtbar sind, die das Prinzipschaltbild der Schaltungen der
Einheiten
1, 4 und 5 von Fig. 1 zeigt. Der Ladungsvorverstärker 4, welcher mit einer Gegenkopplung
A, C, B versehen ist, enthält einen bipolaren Transistor 41, einen Verstärker 43
und einen Widerstand 44. Der Kondensator 42 ist ein Entkopplungskondensator.
-
Die Integration des Eingangssignals erfolgt in dem Ladungsvorverstärker,
der durch die Gegenkopplung ACB zur Schleife geschaltet ist. Die Benutzung eines
bipolaren Transistors schafft eine hohe Eingangsimpedanz. Der Verstärker kr 43 hat
einen sehr hohen Verstärkungsfaktor. Die Vorspannung des Transistors 41 erfolgt
durch den Spannungsanschluß 2 über den Widerstand 44.
-
Das Ausgangssignal des Vorverstärkers 4 wird von der Auslöseeinheit
5 empfangen, in welcher es auf den Verstärker 52 einwirkt, der mit einer Gegenkopplung
DRE versehen ist.
-
Der Auslöseschwellenwert ist durch den Zweig S zum Abgreifen einer
einstellbaren Spannung an einem einstellbaren Widerstand 53 festgelegt, welcher
über den Spannungsanschluß 2 gespeist wird. Die Schaltung 5 formt das empfangene
Signal in eine Reihe von Impulsen um, von denen jeder ausgelöst wird, zu wenn der
Wert des Signals den festgelegten Schwellenwert überschreitet.
-
Gemäß der Erfindung werden die Detektoren vor ihrem Einbau in die
Detektoreinheit ausgewählt, entweder montiert oder gehäuselos, mit oder ohne Abschirmung.
Die Auswahl erfolgt so, daß die einzelnen spektralen EmpSindlichkeiten kompensiert
werden.
-
Es kann außerdem eine Auswahl in dem Schwellenwert der Schwellenwertauslöseschaltung
in bezug auf die parallelen Gruppen oder Kanäle getroffen werden.
-
Von dem Ausgang der Auslöseschaltung 5 werden die Impulse zu einer
Zähleinheit geleitet, die aus Zählern herkömmlicher Bauart gebildet sein kann. Die
Impulse werden darin gezählt.
-
Gemäß der Erfindung erfolgt zum Aufrechterhalten einer konstanten
Zählgenauigl eit die Zählung nicht in Zählabschnitttzn, die in einer bestimmten
Bezugszeit ausgeführt werden, sondern in Zählabschnitten5 die hinsichtlich der Anzahl
der gezählten Impulse gleich sind.
-
Die Zeitbasis 7 liefert den zeitlichen Bezugswert., der für die Signifikanz
der Zählung unerläßlich ist.
-
Die Informationen werden in bekannter und deshalb hier nicht beschriebener
Weise gespeichert. Die Speichereinheit ist in Fig.
-
1 nicht dargestellt Außerdem ist ein Anz eigeverfäh ren vorgesehen,
das schematisöh durch den Funktionsblock 9 dargestellt ist. Die optische Anzeige
kann entweder mit Hilfe von Flüssigkristallen oder mit Hilfe von Elektrolumineszenzdiodcn
erfolgen. Die Helligkeit der Flüssigkristalle wird gemäß Fig. 1 durch den Oszillator
12 mit 30 Perioden pro Sekunde aufrechterhalten.
-
Gemäß einer pral<tischen Ausführungsvariante wird das Gerät in
zwei getrennte Geräte zerlegt: - ein erstes oder Empfangsgerät, das die Detektoreinheit
1, den Vorverstärker 4, die- Schwellenwertauslöseschaltung 5, die Zähleinheit 6,
den Decodierer 8, die Zeitbasis 7, ihre Vorspannungsversorgung 2, ihre Gleichspannunysquelle
3 und ihre Zusatzeinrichtungen 10 und 11 enthält Dieses erste Gerät wird dann durch
eine in Fig. 1 nicht dargestellte Speichereinheit vervollständ igt. Es dient als
ein Informattonsspeicher.
-
- ein zweites oder Lesegerät, das zum Lesen der Informationen des
ersten Gerätes dient. Es enthält die Anzeigeeinheit 9 und ihre Zusatzeinrichtungen:
D ru cker oder andere.
-
Auf diese Weise wird ein erstes Gerät geschaffen, das einzig und allein
ein Empfangsgerät ist und gewöhnlich als Blind-Dosimeter bezeichnet wird0 Es hat
den Vorteil5, ein äußerst geringes Gewicht und einen äußerst geringen Platzbedarf
zu haben Eingeschlossen in ein passendes Gehäuse wiegt es nur einige Pond und benötigt
nicht mehr Platz als eine Streichholzschachtel.
-
Es genügt, dieses Gerät, das geringe Abmessungen hat, mit dem zweiten
Gerät auszulesen., um die Informationen zu dechiffrieren, die. es gesammelt hat
Die Mehrwertigkeit des Gerätes nach der- Erfindung verleiht ihm zahlreiche Vorteile,
von welchen vor allem genannt seien: Eine große Einfachheit der Benutzung, ein schnelles
Ansprechen, die der Radioaktivitätsmessung in - sehr verschiedenen Dosisbereichen
angepaßt
ist, eine Einfachheit der Versorgungen (die für Halbleiter mit hoher Sperrspannung
vorgesehen sind, welche nur niedrige Vorspannungen erfordern), eine große Vielfalt
von verwendbaren Detekrcoren, usw.
-
Einige Hilfsvorkehrungen können getroffen werden, wie beispielsweise
ein Schutz der Speicher im Fall einer Spannungsabsenkung der Versorgungsbatterie;
eine äußere Anzeige der Spannung absenkung der Batterie; die Möglichlceit, eine
Position der manuellen Steuerung des Ablesens vorzusehen, die das augenblickliche
Ablesen gestattet die Auslösung eines Signals im Fall des Überschreitens der für
den menschlichen Körner zulässigen Strahlendosis, das zwecfrxnäßig an der Stelle
5;3 aus dem Codierer 8 mit Hilfe einer Schwellenwertauslöseschaltung in an sich
bekannter Weise gewonnen werden kann.
-
Alle diese Vorkehrungen und weitere, hier nicht genannte liegen åm
Rahmen der Erfindung.
-
Die Prinzipien der Erfindung sind oben zwar unter Bezugnahme auf besondere
Ausführungsbeispiele beschrieben worden, die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt.