DE2817832C2 - Detector arrangement of a semiconductor spectrometer for ionizing radiation - Google Patents
Detector arrangement of a semiconductor spectrometer for ionizing radiationInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Detektoranordnung eines Halbleiter-Spektrometers für ionisierende Strahlung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.The invention relates to a detector arrangement of a semiconductor spectrometer for ionizing radiation the type specified in the preamble of claim 1.
Bei Halbleiter-Spektrometern ist es bekanntlich notwendig, einen Halbleiterdetektor und die mit einem Feldeffekttransistor ausgeführte Eingangsstufe seines Vorverstärkers auf möglichst tiefe Temperaturen zu kühlen, um das Eigenrauschen wirksam zu unterdrükken. Die hierzu verwendeten festen oder flüssigen Kühlmittel als Kälteträger benötigen Isolierbehälter und Leitungssysteme von erheblichen Abmessungen, was ihre Eignung auf stationäre Geräte beschränktIn the case of semiconductor spectrometers, it is known to have to cool a semiconductor detector and the input stage of its preamplifier, which is designed with a field effect transistor, to the lowest possible temperatures in order to effectively suppress the inherent noise. The solid or liquid coolants used for this purpose as coolants require insulating containers and line systems of considerable dimensions, which limits their suitability for stationary devices
Zur Minderung der Spektrometerabmessungen ist es aus der DE OS 23 47 823 bekannt, den Halbleiterdetektor und den Feldeffekttransistor mit Hilfe von Peltier-Elementen zu kühlen. Der Halbleiterdetektor ist in einem wärmeleitenden Hohlzylinder befestigt, der in einer Vakuumkammer an der kalten Seite der Peltier-Elemente angeordnet ist Im Inneren des wärmeleitenden Zylinders sind der Feldeffekttransistor und ein hochohmiger Widerstand untergebracht Die Verwendung von Peltier-Elementen ermöglicht die Auslegung des Spektrometers als mobiles Gerät, das in beliebigen Lagen im Raum betriebsfähig ist Der Halbleiterdetektor und der Feldeffekttransistor haben jedoch keinen direkten Wärmekontakt mit der kalten Seite der Peltier-Batterie und keinen ausreichenden Wärmeschutz vor Wärmezuflüssen durch das Kamrnergehäuse, was zu einem erhöhten Eigenrauschpegel führt Zur Kühlung des Zylinders ist ein zusätzlicher Energieaufwand erforderlich.To reduce the spectrometer dimensions, it is known from DE OS 23 47 823, the semiconductor detector and to cool the field effect transistor with the help of Peltier elements. The semiconductor detector is in one thermally conductive hollow cylinder attached in a vacuum chamber on the cold side of the Peltier elements Inside the thermally conductive cylinder are the field effect transistor and a high resistance Resistance housed The use of Peltier elements enables the design of the spectrometer as a mobile device that can be operated in any position in the room The semiconductor detector and the However, field effect transistors have no direct thermal contact with the cold side of the Peltier battery and Insufficient thermal protection against heat inflows through the chamber housing, which leads to increased Self-noise level leads to an additional expenditure of energy to cool the cylinder.
Aus der Literaturstelle »Radiazionnaja Technika« (Strahlungstechnik), Moskau 1975, S. 306 bis 309 ist ein Halbleiter-Spektrometer für ionisierende Strahlung mit einer gattungsgemäßen Detektoranordnung bekannt, bei welcher in einer Vakuumkammer eine mehrstufige Peltier-Batterie mit einem darauf angeordneten Halbleiterdetektor und einem Feldeffekttransistor angeordnet sind. Die mehrstufige Peltier-Batterie bildet einen thermoelektrischen Kühler, auf dessen kalter Seite der Halbleiterdetektor und der mit diesem elektrisch verbundene Feldeffekttransistor positioniert sind. Die Peltier-Batterien sitzen mit ihrer warmen Seite druckdicht auf einem wärmeableitenden Radiator. Die Peltier-Batterie umfaßt zwar 70 bis 80 Elemente und bewirkt bei einer Leistungsaufnahme von etwa 500 W eine Abkühlung des Halbleiterdetektors und des Feldtransistors bis zu einer Temperatur von ca. — 1000C. Dieser hohe Energieverbrauch beschränkt jedoch die Einsatzmöglichkeit dieses bekannten Spektrometers auf stationäre Anwendungen.From the reference "Radiazionnaja Technika" (radiation technology), Moscow 1975, pp. 306 to 309, a semiconductor spectrometer for ionizing radiation with a generic detector arrangement is known, in which a multi-stage Peltier battery with a semiconductor detector arranged thereon and a in a vacuum chamber Field effect transistor are arranged. The multi-stage Peltier battery forms a thermoelectric cooler, on the cold side of which the semiconductor detector and the field effect transistor electrically connected to it are positioned. The warm side of the Peltier batteries is pressure-tight on a heat-dissipating radiator. The Peltier battery contains 70 to 80 elements and, with a power consumption of about 500 W, cools the semiconductor detector and the field transistor down to a temperature of about - 100 ° C. However, this high energy consumption limits the use of this known spectrometer to stationary ones Applications.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Detektoranordnung der angegebenen Gattung in der Weise weiterzubilden, daß zum Erhalt der praktisch notwendigen Kühlleistungen nur eine um ein Mehrfaches verringerte Stromaufnahme erforderlich ist, was u. a. entsprechend kleinere Gesamtabmessungen des Halbleiter-Spektrometers ermöglicht.The object of the invention is to develop a detector arrangement of the specified type in such a way that that in order to obtain the practically necessary cooling capacities only one reduced by a multiple Power consumption is required, which inter alia. correspondingly smaller overall dimensions of the semiconductor spectrometer enables.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch dieThis object is achieved according to the invention by the
kennzeichnenden Merkmale des geltenden Patentanspruchs 1 gelöstcharacterizing features of the applicable claim 1 solved
Die Anordnung des Halbleiterdetektors und des Feldeffekttransistors auf den gesonderten Peltier-Batterien in Verbindung mit der speziellen Auslegung der Peltier-Batterie für den Halbleiterdetektor auf möglichst tiefe Kühltemperatur und der Peltier-Batterie für den Feldeffekttransistor auf maximale Kühlleistung ergibt die angestrebt niedrige Strom- bzw. Energieaufnahme des gesamten Spektrometers, weil der Wärmefluß zwischen den gesonderten Peltier-Batterien gering Ist und jede der beiden Peltier-Batterien unter jeweils optimalen Bedingungen arbeitet Diese Wirkung wird noch verstärkt durch die Zwischenschaltung der gemeinsamen Basis-Batterie, auf deren kalten Seite die beiden Peltier-Batterien mit ihrer warmen Seite angeordnet sind. Aufgrund der angestrebten niedrigen Leistungsaufnahme ergibt sich der für verschiedene Anwendungsfälle wichtige Vorteil besonders geringer Abmessungen, die einen Einsatz des Spektrometers z.B. an einem Bohrgerät zum röntgenradiometrischen Kernen ermöglichen.The arrangement of the semiconductor detector and the field effect transistor on the separate Peltier batteries in connection with the special design of the Peltier battery for the semiconductor detector to the lowest possible cooling temperature and the Peltier battery for the field effect transistor to maximum cooling capacity results in the desired low power or energy consumption of the entire Spectrometer because the heat flow between the separate Peltier batteries is low and each of the two Peltier batteries works under optimal conditions in each case. This effect is reinforced through the interconnection of the common base battery, on the cold side of which the two Peltier batteries are arranged with their warm side. Due to the desired low power consumption the advantage of particularly small dimensions, which is important for various applications, is one Enable the use of the spectrometer e.g. on a drill for X-ray radiometric cores.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung insbesondere hinsichtlich einer besonders günstigen Auswahl der Peltier-Stufen bzw. Elemente sind Gegenstand von Unteransprüchen.Appropriate refinements of the invention, in particular with regard to a particularly favorable selection the Peltier stages or elements are the subject of subclaims.
Wird bei einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung gemäß dem Patentanspruch 7 eine dritte mehrstufige Peltier-Batterie auf der Basisbatterie angeordnet, dann ergibt sich an ihrer kalten Seite die in der Kammer niedrigste Temperatur, so daß die Moleküle der Restgase hauptsächlich sr. dsr kalten Seite dieser Peltier-Batterie und nicht an der Oberfläche des leiter-Detektors adsorbiert werden. Um eine ausreichende Adsorption dieser Restgase zu erhalten, kann auch auf der Basis-Batterie ein Restgas-Adsorber angeordnet werden.If a third multi-stage Peltier battery is arranged on the base battery in an expedient development of the invention according to claim 7, the lowest temperature in the chamber results on its cold side, so that the molecules of the residual gases mainly sr. The cold side of this Peltier battery and not adsorbed on the surface of the conductor detector. In order to obtain sufficient adsorption of these residual gases, a residual gas adsorber can also be arranged on the base battery.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert Es zeigtThe invention is explained in more detail using the drawing, for example
F i g. 1 ein Halbleiter-Spektrometer mit der erfindungsgemäßen Detektoranordnung im Axialschnitt;F i g. 1 a semiconductor spectrometer with the inventive Detector arrangement in axial section;
F i g. 2 eine Detektoranordnung aus Peltier-Elementen und -Batterien;F i g. 2 shows a detector arrangement made up of Peltier elements and batteries;
F i g. 3 schematisch einen anderen Aufbau der Peltier-Elemente in den Batterien;F i g. 3 schematically shows another structure of the Peltier elements in the batteries;
F i g. 4 das elektrische Prinzipschaltbild des Spektrometers nach F i g. 1;F i g. 4 shows the basic electrical circuit diagram of the spectrometer according to FIG. 1;
F i g. 5 schematisch ein in einem Bohrgerät angeordnetes Spektrometer mit der erfindungsgemäßen Detektoranordnung; F i g. 5 schematically a spectrometer arranged in a drilling device with the detector arrangement according to the invention;
F i g. 6 einen Schnitt VI-VI in F i g. 5.F i g. 6 shows a section VI-VI in FIG. 5.
Das in F i g. 1 dargestellte Halbleiter-Spektrometer enthält eine Vakuumkammer 1, deren Grundfläche von der Metalloberseite eines z. B. aus Kupfer ausgeführten Radiators 2 gebildet wird. Zur Verminderung unerwünschter Wärmezuflüsse sind die Innen- und die Außenflächen der Vakuumkammer 1 poliert und die Innenfläche ist mit Silber beschichtet. Die Vakuumkammer 1 hat eine Eintrittsöffnung 3 für die ionisierende Strahlung, in der eine Berylliumschicht 4 angeordnet ist. Im Inneren der Vakuumkammer 1 ist auf dem Radiator 2 eine aus Peltier-Elementen 6 gebildete Basis-Batterie 5 eines thermoelektrischen Kühlers angeordnet, dessen warme Seite 7 den Radiator 2 über eine wärmeleitende Platte 8 aus einer Berylliumoxid-Schicht 9 und einer Kupferplatte 10 kontaktiert. Als Peltier-Elemente 6 dienen Thermoelemente aus Halbleitermaterialien, z. B. aus mit Selen dotierten Wismuttellurit.The in Fig. 1 shown semiconductor spectrometer contains a vacuum chamber 1, the base of the metal top of a z. B. made of copper radiator 2 is formed. To reduce undesirable Heat inflows, the inner and outer surfaces of the vacuum chamber 1 are polished and the inner surface is coated with silver. The vacuum chamber 1 has an inlet opening 3 for the ionizing radiation, in which a beryllium layer 4 is arranged. Inside the vacuum chamber 1 is on the radiator 2 a formed from Peltier elements 6 base battery 5 of a thermoelectric cooler arranged, the warm side 7 the radiator 2 via a thermally conductive plate 8 made of a beryllium oxide layer 9 and a Copper plate 10 contacted. Thermocouples made of semiconductor materials, e.g. B. made of bismuth tellurite doped with selenium.
An der kalten Seite 11 der Basis-Batterie 5 liegt eine der Platte 8 analoge wärmeleitende Platte 12, auf der Peltier-Batterien 16, 17, 18 aus in Reihe geschalteten Peltier-Elementen mit ihren warmen Seiten 15 angeordnet sind.On the cold side 11 of the base battery 5 there is one the plate 8 analogous thermally conductive plate 12, on which Peltier batteries 16, 17, 18 are connected in series Peltier elements are arranged with their warm sides 15.
Bei der Ausführung nach F i g. 2 enthält die Peltier-Batterie 17 eine Stufe 19 aus zwei Peltier-Elementen 6. Die Peltier-Batterie 16 enthält zwei Stufen 20,21, zwischen denen eine wärmeleitende Platte 2 angeordnet ist Die Peltier-Batterie 18 enthält zwei Stufen 23, 24, zwisehen denen ebenfalls eine wärmeleitende Platte 25 liegt Die Stufen 20 und 23 enthalten je zehn und die Stufen 21,24 enthalten je zwei Peltier-Elemente 6. Die Basis-Batterie 5 enthält sechsundachtzig Peltier-Elemente 6.In the embodiment according to FIG. 2, the Peltier battery 17 contains a stage 19 made up of two Peltier elements 6. The Peltier battery 16 contains two stages 20, 21, between which a thermally conductive plate 2 is arranged The Peltier battery 18 contains two stages 23, 24, between which also a heat-conducting plate 25 The levels 20 and 23 each contain ten and the levels 21.24 each contain two Peltier elements 6. The Base battery 5 contains eighty-six Peltier elements 6.
Bei der Ausführung nach Fig.3 enthält die Batterie 17 vier Stufen 26 bis 29 aus sechzehn, acht vier und zwei Peijier-Elementen 6. Zwischen den kontaktierenden Stufen 26 bis 29 ist je eine wärmeleitende Platte 30 angeordnet Die Peltier-Batterie 16 enthält fünf Stufen 31 bis 35 aus zweiunddreißig, sechzehn, acht, vier und zwei Peltier-Elementen 6. Zwischen den kontaktierenden Stufen 31 bis 35 in der Batterie 16 ist je eine wärmeleitende Platte 36 angeordnet Die Peltier-Batterie 18 enthält fünf Stufen 37 bis 41 aus zweiunddreißig, sechzehn, acht, vier und zwei Peltier-Elementen 6. Zwischen diesen kontaktierenden Stufen 37 bis 41 ist je eine wärmeleitende Platte 42 angeordnet. Die Basis-Batterie 5 enthält sechsundneunzig Peltier-Elemente 6. An der kalten Seite 43, 44 bzw. 45 der Peltier-Batterien 16,17,18 ist je eine wärmeleitende Platte 46,47,48 angcbiaciiu Auf eier wärmeleitenden Platte 46 ist ein Halbleiterdetektor 49 z. B. ein Si(Li)-, Ge(Li)-, Ga(Ar)-, CdTe-, HgTe-Detektor bzw. ein Detektor aus sehr reinem Germanium, angeordnet.In the version according to Fig. 3, the battery contains 17 four stages 26 to 29 of sixteen, eight four and two Peijier elements 6. Between the contacting ones A heat-conducting plate 30 is arranged in each of stages 26 to 29. The Peltier battery 16 contains five stages 31 to 35 of thirty-two, sixteen, eight, four and two Peltier elements 6. Between the contacting ones A heat-conducting plate 36 is arranged in each of the stages 31 to 35 in the battery 16. The Peltier battery 18 contains five stages 37 to 41 of thirty-two, sixteen, eight, four and two Peltier elements 6. Intermediate These contacting steps 37 to 41 are each a thermally conductive plate 42 is arranged. The basic battery 5 contains ninety-six Peltier elements 6. On the cold side 43, 44 or 45 of the Peltier batteries 16,17,18 each is a heat-conducting plate 46,47,48 angcbiaciiu On egg heat-conducting plate 46 is a Semiconductor detector 49 z. B. a Si (Li) -, Ge (Li) -, Ga (Ar) -, CdTe, HgTe detector or a detector made of very pure Germanium, arranged.
Auf der wärmeleitenden Platte 47 ist ein Feldeffekttransistor 50 angeordnet. Zur Verringerung der Streukapazität sind der Halbleiterdetektor 49 und der Feldeffekttransistor 50 möglichst nahe zusammengebracht. Der Feldeffekttransistor 50 ist mit einem unteren Kontakt 51 des mit der Peltier-Batterie 16 in Kontakt stehenden Halbleiterdetektors 49 verbunden.A field effect transistor 50 is arranged on the thermally conductive plate 47. To reduce the stray capacitance the semiconductor detector 49 and the field effect transistor 50 are brought together as closely as possible. The field effect transistor 50 is connected to a lower contact 51 of the one that is in contact with the Peltier battery 16 Semiconductor detector 49 connected.
Auf der wärmeleitenden Platte 12 der Basis-Batterie 5 ist ein Restgas-Adsorber 52 angeordnet, der im Betrieb Restgase in der evakuierten Vakuumkammer 1 adsorbiert. On the thermally conductive plate 12 of the base battery 5 a residual gas adsorber 52 is arranged, which adsorbs residual gases in the evacuated vacuum chamber 1 during operation.
Im Inneren der Vakuumkammer 1 ist ein dem Kontakt 51 des Halbleiterdetektors 49 und des Feldeffekttransistors 50 zugeschaltetes Rückkopplungselement 53 untergebracht. Bei Verwendung einer Schottky-Diode als Rückkopplungselement 53 wird diese Diode durch die Batterie 17 gekühlt Bei Verwendung einer Leuchtdiode als Rückkopplungselement 53 erfolgt die Rückkopplung optisch über das keramische Gehäuse des Feldeffekttransistors 50.Inside the vacuum chamber 1 is a contact 51 of the semiconductor detector 49 and the field effect transistor 50 connected feedback element 53 accommodated. When using a Schottky diode As a feedback element 53, this diode is cooled by the battery 17 when using a light-emitting diode as a feedback element 53, the feedback takes place optically via the ceramic housing of the Field effect transistor 50.
In der Nähe des Feldeffekttransistors 50 ist eine als Metallsonde ausgeführte Rückkopplungskapazität 54 angeordnet.In the vicinity of the field effect transistor 50 is a feedback capacitance 54 in the form of a metal probe arranged.
Die Speisung der Basis-Batterie 5 erfolgt über im Radiator 2 abgedichtet verlaufende elektrische Zuleitungen 55,56. Die Speisung des Feldeffektransistors 50 und die Ableitung seines verstärkten Signals in einen Vorverstärker 57 erfolgt über abgedichtet im Radiator 2 verlaufende elektrische Leitungen 58, 59. Über eine im Radiator 2 angeordnete Zuleitung 60 wird das Rückkoppiungssignal vom Vorverstärker 57 in den Feldeffekttransistor 50 geleitet. Die Speisung des Halbleiterdetektors 49 erfolgt über eine im Radiator 2 abgedichtet verlaufende elektrische Zuleitung 61. Zur VerrineeruneThe base battery 5 is fed via electrical leads that run in a sealed manner in the radiator 2 55.56. The feeding of the field effect transistor 50 and the derivation of its amplified signal into a preamplifier 57 takes place via electrical lines 58, 59 running in a sealed manner in the radiator 2 Radiator 2 arranged feed line 60 is the feedback signal passed from the preamplifier 57 into the field effect transistor 50. The supply of the semiconductor detector 49 takes place via an electrical lead 61 running in a sealed manner in the radiator 2. To the Verrineerune
der äußeren Wärmezuflüsse bestehen die elektrischen Leitungen 55 bis 61 aus einem Werkstoff mit niedriger Wärmeleitfähigkeit, z. B. aus Konstantan.of the external heat inflows, the electrical lines 55 to 61 consist of a material with a lower Thermal conductivity, e.g. B. from Constantan.
Im Radiator 2 ist ein Kanal 62 vorgesehen, über den die Restgase aus der Vakuumkammer evakuiert werden. A channel 62 is provided in the radiator 2, via which the residual gases are evacuated from the vacuum chamber.
Wie in F i g. 5,6 dargestellt, wird zur Verwendung des Spektrometers in einem Bohrloch die Vakuumkammer 1 mit dem Vorverstärker 57 in das Gehäuse 63 eines serienmäßigen Bohrgerätes eingebracht. Zur Bestrahlung der zu analysierenden Bohrlochwand 64 sind von außen am Kammergehäuse an der Seite der Strahlungs-Eintrittsöffnung 3 Radioisotopen-Strahlungs-Quellen 67,68 in Kollimatoren 65,66 angebracht. Die im Gehäuse 63 des Bohrgerätes eingebaute Vakuumkammer 1 wird durch einen Berylliumzylinder 69 gasdicht abgedeckt, der einen Druck bis 400 atü aushält Die Abdichtung erfolgt mittels Gummiringen 70. Dabei entspricht der Durchmesser des Radiators 2 dem Außendurchmesser des Bohrgehäuses 63, wodurch der Wärmeaustausch zwischen dem Radiator 2 und der Bohrlochwandung bzw. der Spüiflüssigkeit erheblich intensiviert wird.As in Fig. 5,6 is used to use the Spectrometer in a borehole, the vacuum chamber 1 with the preamplifier 57 in the housing 63 of a serial drilling rig introduced. For the irradiation of the borehole wall 64 to be analyzed, from outside of the chamber housing on the side of the radiation inlet opening 3 radioisotope radiation sources 67,68 mounted in collimators 65,66. The one in the case 63 of the drilling device built-in vacuum chamber 1 is covered gas-tight by a beryllium cylinder 69, which can withstand a pressure of up to 400 atmospheres. The seal is made by means of rubber rings 70. This corresponds to the diameter of the radiator 2 the outer diameter of the drill casing 63, whereby the heat exchange is considerably intensified between the radiator 2 and the borehole wall or the flushing liquid.
Der Betrieb eines Spektrometers in einer Schürfbohrung zur Lagerstattenerkundung wird im folgenden beschrieben. The operation of a spectrometer in a prospect for deposit exploration is described below.
Vor dem Einsetzen des Spektrometers in das Bohrloch werden aus der Kammer 1 die Gase durch den Kanal 62 unter periodischer thermischer Entgasung evakuiert Nach Schließen des Kanals 62 wird das Spektrometer mit Hilfe der Gummiringe 70 und des Beryllium-Bechers 69 abgedichtet. Danach wird der Radiator 2 mit dem Gehäuse 63 des Bohrgeräts zusammengebaut und letzteres in das Bohrloch abgesenkt Die Bohrlochwandung wird beim Ziehen des Bohrgeräts untersucht, weil die Ziehgeschwindigkeit gleichmäßig eingestellt und so die Genauigkeit der röntgenradiometrischen Analyse gesteigert werden kann.Before the spectrometer is inserted into the borehole, the gases are passed through the chamber 1 Channel 62 evacuated with periodic thermal degassing After closing channel 62, the spectrometer is turned off sealed with the help of the rubber rings 70 and the beryllium cup 69. Then the radiator 2 assembled with the casing 63 of the drilling rig and the latter lowered into the borehole. The borehole wall is examined when pulling the drill, because the pulling speed is set uniformly and so the accuracy of the X-ray radiometric analysis can be increased.
Die Speise-Spannung des thermoelektrischen Kühlers wird an die Basis-Batterie 5 über die Zuleitungen 55, 56 gelegt und zwar in Form einer Gleichspannung von 5 V, wobei der Stromverbrauch 4 A beträgt Die Gleichspannungspulsation darf dabei 1 mVtff nicht überschreiten. Nach Anlegen der Spannung wird in den Peltier-Eiementen 6, die in der Basis-Batterie 5 und in jeder Stufe der Peliier-Batterien 16,17,18 mit Hilfe von Kupfer-Schaltplatten in Reihe zu einem Stromkreis zusammengeschaltet sind, eine entsprechende Temperaturdifferenz erzeugt wobei die warme Seite jeder vorangehenden Stufe durch die kalte Seite der nachfolgenden Stufe gekühlt wird. Beim Betrieb wird die Wärme von der warmen Seite 7 des Basispakets 5 über den Radiator 2 in das externe Medium, hier Wasser, die Bohrflüssigkeit oder die Bohrlochwand 64 selbst abgeleitetThe supply voltage of the thermoelectric cooler is applied to the base battery 5 via the leads 55, 56 in the form of a DC voltage of 5 V, the power consumption being 4 A. The DC voltage pulsation must not exceed 1 mV t ff. After the voltage has been applied, a corresponding temperature difference is generated in the Peltier elements 6, which are connected in series to form a circuit in the base battery 5 and in each stage of the Peliier batteries 16, 17, 18 with the help of copper circuit boards the warm side of each preceding stage being cooled by the cold side of the subsequent stage. During operation, the heat is dissipated from the warm side 7 of the basic package 5 via the radiator 2 into the external medium, here water, the drilling fluid or the borehole wall 64 itself
In ein bis zwei Minuten nach dem Einschalten der Speise-Spannung entsteht ein dynamisches Wärmegieichgewicht zwischen sämtlichen Bauteilen des thermoelektrischen Kühlers, und die Temperatur an der kalten Seite 54 der Batterie 18 erreicht ihren minimalen Wert, wodurch die Oberfläche des an der kalten Seite 43 der Batterie 16 angeordneten Detektors 49 vor Kryosorption der sich in der vorerst evakuierten Vakuumkammer 1 befindenden Restgas-Molküle geschützt wird. Gleichzeitig beginnnt der gekühlte Adsorber 52, die sich aus den Elementen des Spektrometers ausscheidenden Restgase in der Vakuumkammer 1 zu adsorbieren und dadurch die Wärmezuflüsse zum Halbleiterdetektor 49, zum Feldeffekttransistor 50 und zu den Paketen 16, 17, 18 des thermoelektrischen Kühlers von den Wänden der Vakuumkammer 1 herabzusetzen.A dynamic heat equilibrium is created within one to two minutes after switching on the supply voltage between all the components of the thermoelectric cooler, and the temperature at the cold one Side 54 of the battery 18 has reached its minimum value, whereby the surface of the cold side 43 of the battery 16 arranged detector 49 before cryosorption of the in the vacuum chamber which has been evacuated for the time being 1 located residual gas Molküle is protected. At the same time, the cooled adsorber 52 begins to adsorb the residual gases excreted from the elements of the spectrometer in the vacuum chamber 1 and thereby the heat inflows to the semiconductor detector 49, to the field effect transistor 50 and to the packets 16, 17, 18 of the thermoelectric cooler from the walls of the vacuum chamber 1.
Drei bis vier Minuten nach dem Einschalten der Speise-Spannung des thermoelektrischen Kühlers erreicht die Temperatur der kalten Seiten 43, 44 der Batterien 16, 17 gemeinsam mit den auf diesen angeordneten Halbleiterdetektor 49 und Feldeffekttransistor 50 ihren Betriebswert und über die elektrischen Zuleitungen 58, 59,61 wird an diesen die erforderliche Vorspannung von einer (nicht gezeigten) externen Quelle angelegt, wobei eine (nicht gezeigte) Sonderschaltung den Feldeffekttransistor 50 vor Spannungssprüngen schützt.Reached three to four minutes after switching on the supply voltage of the thermoelectric cooler the temperature of the cold sides 43, 44 of the batteries 16, 17 together with those arranged on them Semiconductor detector 49 and field effect transistor 50 their operating value and via the electrical leads 58, 59,61 the required bias voltage is applied to this from an external source (not shown), wherein a special circuit (not shown) protects the field effect transistor 50 from voltage jumps.
Die Quanten der charakteristischen Röntgen- oder Gammastrahlung, die in den Wänden 64 des Bohrlochs unter Einwirkung der mittels der Kollimatoren 65, 66 kolümierten Primärstrahlung der Radioisotopquellen 67,68 entstehen, gelangen durch den Beryllium-Becher 69 und die mit der Beryllium-Schicht 4 ausgefüllte öffnung 3 in den Halbleiterdetektor 49, werden in seinem Arbeitsvolumen adsorbiert und bilden dabei Elektron-Loch-Paare, deren Ladung der Energie des adsorbierten Quants proportional ist Die erzeugte Ladung bewegt sich unter Einwirkung des elektrischen Felds des Halbleiterdetektors 49 und induziert im Außenstromkreis des Halbleiterdetektors 49, der aus den Rückkopplungselementen 53 und der Rückkopplungskapazität 54 besteht einen elektrischen Impuls, der in den Feldeffekttransistor 50 gelangt in diesem verstärkt und über die abgedichtete elektrische Zuführung 60 dem Vorverstärker 57 und weiter einer (nicht gezeigten) auf der Erdoberfläche angeordneten Analysiereinrichtung zugeleitet wird.The quanta of the characteristic X-rays or gamma rays that are present in the walls 64 of the borehole under the action of the primary radiation from the radioisotope sources, which is collimated by means of the collimators 65, 66 67.68 arise, get through the beryllium cup 69 and the opening 3 filled with the beryllium layer 4 in the semiconductor detector 49 are in his Working volume is adsorbed and thereby form electron-hole pairs, the charge of which corresponds to the energy of the adsorbed Quants is proportional The generated charge moves under the influence of the electric field of the semiconductor detector 49 and induces in the external circuit of the semiconductor detector 49, which consists of the feedback elements 53 and the feedback capacitance 54 an electrical pulse that gets into the field effect transistor 50 is amplified in this and via the sealed electrical feed 60 to preamplifier 57 and further one (not shown) on the surface of the earth arranged analyzer is fed.
Auf diese Weise gestattet die Verwendung einer getrennten Kühlung in Form der Batterie 16 aus drei Stufen für den Halbleiterdetektor 49 und einer Einstufen-Batterie 17 für den Feldeffekttransistor 50, die Leistungsaufnahme des Spektrometers bis auf ca. 2OW herabzusetzen und als Folge das Gewicht des Spektrometers bis auf 0,3 kg und die Abmessungen, nämlich den Durchmesser bis auf 40 mm und die Höhe bis auf 80 mm, zu vermindern. Die Verwendung einer Fünf-Stufen-Batterie 16 zur Kühlung des Halbleiterdetektors 49 und einer Vier-Stufen-Batterie 17 für den Feldeffekttransistor 50 ermöglicht die Leistungsaufnahme des Spektrometers bis auf 7 -=- 5 W bei gleichen Abmessungen und einer geringfügigen Erhöhung des Spektrometergewichts herabzusetzen. Die geringe Leistungsaufnahme des Spektrometers gestattet vereinfachte Radiatoren ohne Zuleitung zusätzlicher Kühlmittel, z. B. Wasser, zu verwenden, wodurch die Betriebsbedingungen verbessert werden.This allows the use of separate cooling in the form of the battery 16 from three stages for the semiconductor detector 49 and a single-stage battery 17 for the field effect transistor 50, the power consumption of the spectrometer down to approx. 2OW and as a result the weight of the spectrometer up to 0.3 kg and the dimensions, namely the diameter up to 40 mm and the height up to 80 mm, to be reduced. The use of a five-stage battery 16 to cool the semiconductor detector 49 and a four-stage battery 17 for the field effect transistor 50 enables the power consumption of the Spectrometer up to 7 - = - 5 W with the same dimensions and a slight increase in the weight of the spectrometer. The low power consumption of the spectrometer allows for simplified radiators without the addition of additional coolants, e.g. B. water, to use, thereby improving the operating conditions.
Hierzu 4 Blatt ZeichnungenFor this purpose 4 sheets of drawings
Claims (9)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19782817832 DE2817832C2 (en) | 1978-04-24 | 1978-04-24 | Detector arrangement of a semiconductor spectrometer for ionizing radiation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19782817832 DE2817832C2 (en) | 1978-04-24 | 1978-04-24 | Detector arrangement of a semiconductor spectrometer for ionizing radiation |
Publications (2)
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Family
ID=6037828
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19782817832 Expired DE2817832C2 (en) | 1978-04-24 | 1978-04-24 | Detector arrangement of a semiconductor spectrometer for ionizing radiation |
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-
1978
- 1978-04-24 DE DE19782817832 patent/DE2817832C2/en not_active Expired
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| DE2817832A1 (en) | 1979-10-25 |
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