-
-
"Elektrometerverstärker, insbesondere für eine
-
Ionisationsmeßkammer" Die Erfindung betrifft einen Elektrometerverstärker,
insbesondere für eine Ionisationsmeßkammer, mit einem Meßkondensator, der durch
eine Meßgröße aufgeladen wird, einem Sperrschicht-Feldeffekttransistor, dessen Gateelektrode
mit einem Anschluß des Meßkondensators gekoppelt ist, in dessen Sourcezuleitung
ein Widerstand enthalten ist und aus dessen Source-Drain-Strom das Ausgangssignal
abgeleitet ist, und mit einem Schalter zur Entladung des Meßkondensators.
-
Elektrometerverstärker für verschiedene Anwendungen sind bekannt.
So ist aus der GB-PS 1 526 059 ein Elektrometerverstärker zur Messung eines elektrostatischen
Potentials bekannt, bei dem die Gateelektrode eines MOS-Feldeffekttransistors mit
einem Anschluß des Meßkondensators verbunden ist, dem über einen Widerstand ein
Umschalter parallelgeschaltet ist, über dessen Schaltkontakt in seiner Entladestellung
der Entladestrom des Meßkondensators fließt.
-
In der GB-PS 1 568 811 ist ein Elektrometerverstärker zur Bestimmung
eines elektrischen Feldes beschrieben, bei der der eine Anschluß eines Kondensators,
dessen Spannung proportional zu dem elektrischen Feld ist, mit der Gateelektrode
eines Feldeffekttransistors verbunden ist, wobei der Kondensator ebenfalls über
einen Schalter entladen werden kann.
-
Weiterhin sind Röntgenbelichtungsautomaten nach dem Ionisationskammerprinzip
bekannt, bei dem mehrere
Ionisationskammern mit je einem Meßkondensator
über je einen Umschalter mit einem einen Sperrschicht-Feldeffekttransistor enthaltenden
gemeinsamen Verstärker verbunden sind, der je nach Stellung der Umschalter die Spannung
an einem oder mehreren der Meßkondensatoren verstärkt.
-
Allen bekannten Elektrometerverstärkern ist gemeinsam, daß die Schalter
bzw. Umschalter höchsten Anforderungen im Bezug auf ihren Isolationswiderstand genügen
müssen, da anderenfalls die Messung durch die Entladung über diese Isolationswiderstände
verfälscht werden würde. Solche Schalter bzw. Umschalter sind verhältnismäßig teuer.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung
der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß Schalter mit relativ niedrigem
Isolationswiderstand eingesetzt werden können, ohne daß dadurch die Meßgenauigkeiten
beeinträchtigt wird.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Schalter
so geschaltet ist, daß er in seine Entladestellung den Betrag des Potentials an
der Sourceelektrode unter den des Potentials an der Gateelektrode absenkt.
-
Die Erfindung nutzt die Tatsache aus, daß die Gate-Source-Strecke
eines Sperrschicht-Feldeffekttransistors leitend wird, wenn die Polarität der Gate-Source-Spannung
geändert wird. Der Meßkondensator entlädt sich hierbei also über die Gate-Source-Strecke
des Sperrschicht-Feldeffekttransistors und der Schalter hat lediglich die Funktion,
im Entladezustand den Betrag des Sourcepotentials herabzusetzen, so daß die Gate-Source-Strecke
leitend wird. Es kommt dann nicht mehr darauf an, daß der Schalter einen besonders
hohen Isolationswiderstand hat.
-
Eine Möglichkeit zur Herabsetzung des Sourcepotentials besteht darin,
daß der Schalter in die Verbindungsleitung zwischen der Drainelektrode und der Speisespannungsquelle
aufgenommen ist. Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß die Drainelektrode über
einen Widerstand mit dem einen Pol der Speisespannungsquelle und über den Schalter
mit dem anderen Pol der Speisespannungsquelle verbunden ist.
-
Beide Ausführungsformen haben gemeinsam, daß z.B. bei einem N-Kanal-Sperrschicht-Feldeffekttransistor
das Sourcepotential, das normalerweise positiver ist als das Gatepotential, beim
Schließen des Schalters so weit unter das Gatepotential absinkt, daß die Gate-Source-Strecke
des Sperrschicht-Feldeffekttranistors leitend wird. Dies könnte im übrigen auch
dadurch erfolgen, daß der Sourcewiderstand durch den Schalter überbrückt wird.
-
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Ionisationskammer und Fig.
2 ein zweites Ausführungsbeispiel für mehrere Ionisationskammern.
-
Bei der Schaltung nach Fig. 1 ist die eine Kammerelektrode 1 einer
Ionisationskammer 1 mit einer positiven Gleichspannung von z.B. 500 Volt und die
andere Kammerelektrode 2 über einen Meßkondensator 3 mit Masse verbunden. Wenn die
Ionisationskammer einer ionisierenden Strahlung, z.B. einer Röntgenstrahlung, ausgesetzt
wird, fließt ein von der Intensität der Strahlung abhängiger Ionisationsstrom zwischen
den Kammerelektroden, der den Meßkondensator 3 auf eine positive Spannung auflädt.
Der Verbindungspunkt des Kondensators 3 und der Kammer-
elektrode
2 ist mit der Gateelektrode eines N-Kanal-Sperrschicht-Feldeffekttransistors 4,
beispielsweise vom Typ WN189, verbunden. Die Sourceelektrode dieses Transistors
ist über einen Widerstand 5 mit Masse und die Drainelektrode über einen Schalter
6 mit einer postiven Speisespannung verbunden. Die Spannung an der Sourceelektrode
wird über einen Verstärker 7 einer nicht näher dargestellten Auswerteschaltung zugeführt.
-
Während einer Messung ist der Schalter 6 geschlossen. Dies hat zur
Folge, daß durch die Drain-Source-Strecke des Feldeffekttransistors 4 ein Gleichstrom
fließt, der am Sourcewiderstand 5 einen Spannungsabfall hervorruft, so daß während
der Messung die Sourcespannung stets um einen gewissen Betrag (in der Größenordnung
von 1 Volt) positiver ist als die Spannung am Meßkondensator 3, die z.B.
-
10 Volt betragen kann, was voraussetzt, daß die Drainspannung entsprechend
höher ist. Die Spannung am Ausgang des Verstärkers 7 entspricht somit bis auf einen
annähernd konstanten Betrag der Spannung am Kondensator 3 und ist daher ein Maß
für die von der Ionisationskammer 1, 2 gemessene Dosis.
-
Vor einer erneuten Dosismessung muß der Meßkondensator 3 entladen
sein. Diese Entladung erfolgt durch Öffnen des Schalters 6. Das Öffnen des Schalters
6 hat zur Folge, daß die Spannung am Sourcewiderstand 5 abnimmt und niedriger wird
als die Spannung am Meßkondensator 3. Dadurch wird die Gate-Source-Strecke des Feldeffekttransistors
4 leitend, so daß sich der Meßkondensator 3 bis auf eine Restspannung über diese
Strecke und den Sourcewiderstand 5 entladen kann.
-
Der Schalter 6 kann ein preiswerter Schalter mit relativ geringem
Isolationswiderstand sein, weil der Isolations-
wider stand des
Schalters 6 die Entladung des Meßkondenksators 3 nicht beeinflussen kann.
-
Anstelle eines N-Kanal-Sperrschicht-Feldeffekttransistors kann auch
ein P-Kanal-Sperrschicht-Feldeffekttransistor verwendet werden; die Gleichspannung
an der lonisationskammerelektrode 2 und die Sourcespannung des Transistors 3 muß
dann lediglich negativ sein.
-
Die Anordnung nach Fig. 2 umfaßt drei identisch aufgebaute Einheiten
20, 30 und 40, von denen jede eine Ionisationskammer und einen Elektrometerverstärker
umfaßt, wobei in Fig. 2 jedoch nur das Blockschaltbild der Einheit 20 dargestellt
ist. Bauelemente mit einer entsprechenden Funktion tragen das gleiche Bezugszeichen
wie bei Fig. 1.
-
Der Verbindungspunkt der Ionisationskammerelektrode 2 mit dem Meßkondensator
3 ist dabei über einen Widerstand 8 von z.B. 100 kohm mit der Gateelektrode des
Sperrschicht-Feldeffekttransistor 4 verbunden, die mit der Souceelektrode eines
weiteren N-Kanal-Sperrschicht-Feldeffekttransistors verbunden ist, dessen Gateelektrode
an Masse angeschlossen ist und dessen Sourceelektrode unbeschaltet ist. Im normalen
Betrieb ist die Gate-Source-Strecke des Feldeffekttransistors 9 gesperrt. Nur bei
negativen Spannungen an der Gateelektrode des Feldeffekttransistors 4 wird er leitend
und verhindert so eine negative Aufladung des Meßkondensators 3.
-
Die Drainelektrode des Feldeffekttransistors 4 ist über einen Widerstand
11 mit einem Widerstand 10 verbunden, dessen anderer Anschluß an eine positive Betriebsspannung
angeschlossen ist. Der Verbindungspunkt der Widerstände 10 und 11 ist über den Schalter
6, beispielsweise ein Relaiskontakt, mit Masse verbunden. Solange dieser Schalter
geöffnet
ist, arbeitet der Feldeffekttransistor 4 als Verstärkerbauelement mit hochohmigem
Eingang; wird der Schalter geschlossen, sinkt die Spannung an der Sourceelektrode
dieses Feldeffekttransistors, so daß sich der Meßkondensator 3 über die Gate-Source-Strecke
dieses Transistors und den Sourcewiderstand 5 entladen kann.
-
Feldeffekttransistoren haben eine im Vergleich zu bipolaren Transistoren
geringe Steilheit. Eine Änderung des Stromes durch die Source-Drain-Strecke eines
solchen Transistors geht daher einher mit einer relativ großen Änderung der Gate-Source-Spannung.
Dies führt dazu, daß sich die Spannung am Ausgang des als Spannungsfolger ausgelegten
Verstärkers 7 nicht linear mit der Spannung am Meßkondensator 3 ändert, so daß die
Änderung der Verstärkerausgangsspannung kein genaues Maß für die gemessene Dosis
ist.
-
Dieser Effekt wird dadurch vermieden, daß dem Widerstand 11 die Emitter-Basis-Strecke
eines bipolaren pnp-Transistors parallelgeschaltet ist, dessen Kollektor mit der
Sourceelektrode des Feldeffekttransistors 4 verbunden ist. Wenn ein Ionisationskammerstrom
fließt, der den Kondensator 3 auflädt, hat der Strom durch den Widerstand 11 die
Tendenz zuzunehmen. Der Spannungsabfall an diesem Widerstand bewirkt jedoch, daß
der Kollektorstrom des bipolaren Transistors 13 zunimmt, was eine Zunahme des Spannungsabfalls
am Sourcewiderstand 5 zur Folge hat, so daß der Strom durch die Source-Drain-Strecke
wenigstens annähernd konstant bleibt. Die Spannung an der Sourceelektrode ändert
sich dann praktisch im gleichen Maße wie die Spannung am Meßkondensator 3, so daß
die durch eine bestimmte Dosis verursachte Änderung der Ausgangsspannung des Verstärkers
7 ein genaues Maß für diese Dosis ist.
-
Die Ionisationskammern 1, 2 der Einheiten 20, 30 und 40 sind an verschiedenen
Stellen einer Dosismeßeinrichtung angeordnet, so daß je nach Ausblendung der Röntgenstrahlung
eine, zwei oder drei Ionisationskammern dieser Röntgenstrahlung ausgesetzt sind.
Die Dominanten, d.h.
-
diejenigen Ionisationskammern, die zur Messung der Dosis herangezogen
werden sollen, können durch Schließen des Schalters 6 in den Einheiten 20 bzw. 30
oder 40 bestimmt werden.
-
Die Ausgänge der Verstärker 7, die zugleich den Ausgang der zugehörigen
Einheit 20, 30 bzw. 40 bilden, sind über drei gleich große Widerstände 14 mit dem
invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 15 verbunden, dessen Ausgang
über drei parallel liegende Pfade, von denen jeder die Serienschaltung eines Widerstandes
16 und eines Schalters 17 enthält, auf den invertierenden Eingang des Verstärkers
15 gegengekoppelt ist. Es werden dabei immer so viele Schalter 17 geschlossen, wie
Ionisationskammern zur Messung herangezogen werden. Dadurch wird die Verstärkung
des Verstärkers 15 so geändert, daß seine Ausgangsspannung unabhängig von der Zahl
der zur Messung benutzten Ionisationskammern ist.
-
Bei den Ausführungsformen nach Fig. 1 und Fig. 2 erfolgte die Absenkung
des Sourcepotentials unter das Gatepotential und damit die Entladung des Meßkondensators
3 durch geeignete Beeinflussung des Sourepotentials. Der gleiche Effekt läßt sich
dadurch erreichen, daß dem Widerstand 5 ein Schalter parallelgeschaltet wird. Wird
dieser Schalter geschlossen, ist der Widerstand 5 kurzgeschlossen, so daß sich der
Kondensator über die dann leitend gemachte Gate-Source-Strecke des Sperrschicht-Feldeffekttransistors
entladen kann. Zur Strombegrenzung ist in diesem Fall ggf.
-
noch ein Widerstand in der Verbindungsleitung zwischen der Gateelektrode
und dem Kondensator erforderlich, wie beispielsweise der Widerstand 8 in Fig. 2