DE3434542A1 - Elektrometerverstaerker, insbesondere fuer eine ionisationsmesskammer - Google Patents

Elektrometerverstaerker, insbesondere fuer eine ionisationsmesskammer

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DE3434542A1
DE3434542A1 DE19843434542 DE3434542A DE3434542A1 DE 3434542 A1 DE3434542 A1 DE 3434542A1 DE 19843434542 DE19843434542 DE 19843434542 DE 3434542 A DE3434542 A DE 3434542A DE 3434542 A1 DE3434542 A1 DE 3434542A1
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DE19843434542
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Robert 2000 Hamburg Zimmermann
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Philips Intellectual Property and Standards GmbH
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Philips Patentverwaltung GmbH
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J47/00Tubes for determining the presence, intensity, density or energy of radiation or particles
    • H01J47/02Ionisation chambers
    • H01J47/04Capacitive ionisation chambers, e.g. the electrodes of which are used as electrometers
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01TMEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T5/00Recording of movements or tracks of particles; Processing or analysis of such tracks
    • G01T5/12Circuit arrangements with multi-wire or parallel-plate chambers, e.g. spark chambers

Description

  • "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

Claims (4)

  1. PATENTANSPRÜCHE r>x 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, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (6) so geschaltet ist, daß er in seiner Entladestellung den Betrag des Potentials an der Sourceelektrode unter den des Potentials an der Gateelektrode absenkt.
  2. 2. Elektrometerverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (6) in die Verbindungsleitung zwischen der Drainelektrode und der Speisespannungsquelle aufgenommen ist (Fig. 1).
  3. 3. Elektrometerverstärker nach Anspruch 1, dadurch nzeichnet, daß die Drainelektrode über einen Widerstand mit dem einen Pol der Speisespannungsquelle und über den Schalter mit dem anderen Pol der Speisespannungsquelle verbunden ist (Fig. 2).
  4. 4. Elektrometerverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein vom Drainstrom des Feldeffekttransistors (4) durchflossener Widerstand (11) der Basis-Emitter-Strecke eines bipolaren Transistors (13) parallelgeschaltet ist, dessen Kollektorelektrode mit der Drainelektrode des Feldeffekttransistors (4) verbunden ist.
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CN109100774A (zh) * 2018-07-12 2018-12-28 北京大学深圳研究生院 地下溢出带电粒子监测装置、系统和监测数据处理方法

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