DE60016884T2

DE60016884T2 - Strahlungsnachweisgerät

Info

Publication number: DE60016884T2
Application number: DE60016884T
Authority: DE
Inventors: Vyacheslav Alexandrovich Danilov; Viktor Ivanovich Kozus
Original assignee: Individual
Current assignee: TRIGUB, VLADIMIR, MINSK, BY; TROFIMENKO, VLADIMIR, MINSK, BY
Priority date: 1999-04-26
Filing date: 2000-04-26
Publication date: 2005-12-29
Anticipated expiration: 2020-04-27
Also published as: EP1111406A2; AU4538300A; US20030071232A1; EP1111406B1; DE60016884D1; EP1111406A4; ATE285586T1; WO2000068709A3; EA200000382A2; WO2000068709A2; EA001454B1; EA200000382A3

Description

Die Erfindung gehört zum Gebiet der technischen Physik, und zwar zur Strahlungsdetektortechnik. Diese Erfindung ermöglicht es, folgende technische Ergebnisse zu erzielen:

– die Strahlungsempfindlichkeit und Meßgenauigkeit bei der Erfassung der Strahlungsintensität zu erhöhen und
- den dynamischen Bereich der zu erfassenden Strahlungsintensitäten zu erweitern.

Die 1. Variante des Strahlungsdetektors hat eine Fotodiode und eine Belastung, die in Reihe geschaltet sind, wobei die Belastung über einen Signalausgang mit der Fotodiode und auf der anderen Seite mit einer Gesamtschiene verbunden ist. Der Detektor hat darüber hinaus einen Transistor und einen Abfrageimpulsgenerator. Die 2. Elektrode der Fotodiode ist mit der 1. Elektrode des Transistors verbunden. Die Steuerelektrode des Transistors ist mit einem Ausgang des Abfrageimpulsgenerators und die 3. Elektrode des Transistors mit der Gesamtschiene verbunden. An die Belastung kann zusätzlich eine eine N-Zahl der Bauelementegruppen parallel geschaltet sein. Jede Bauelementegruppe besteht aus einer Fotodiode und einem Transistor, die in Reihe geschaltet sind. Der Abfrageimpulsgenerator hat eine N-Zahl der Ausgänge. Jeder Ausgang ist mit einer Steuerelektrode des Transistors aus der jeweiligen Bauelementegruppe, in der eine ganze Zahl N größer als 1 ist, verbunden. Darüber hinaus kann der Strahlungsdetektor eine L-Zahl der Belastungen haben. Dabei ist eine ganze Zahl L größer als 1. Die Gesamtzahl der Bauelementegruppen ist einer Ausgangszahl am Abfrageimpulsgenerator gleich. Außerdem können die Kondensatoren parallel zu den Fotodioden geschaltet sein.
Die 2. Variante des Strahlungsdetektors hat ein strahlungsempfindliches Bauelement und eine Belastung. Das strahlungsempfindliche Bauelement ist auf der einen Seite an eine Speisespannungsschiene und die Belastung auf der einen Seite an die Gesamtschiene angeschlossen. Außerdem verfügt der Detektor über einen Transistor, einen Kondensator und einen Abfrageimpulsgenerator. Das strahlungsempfindliche Bauelement ist dabei auf der anderen Seite mit der 1. Elektrode des Transistors und dem 1. Belag des Kondensators verbunden. Der 2. Belag des Kondensators ist an einen Signalausgang der Belastung und ein Ausgang des Abfrageimpulsgenerators an eine Steuerelektrode des Transistors, dessen 3. Elektrode mit der Gesamtschiene verbunden ist, angeschlossen. Es kann darüber hinaus zwischen der Speisespannungsschiene und der Gesamtschiene eine N-Zahl der Bauelementegruppen geschaltet sein.
Das beantragte Gerät gehört zum Gebiet der technischen Physik, und zwar zur Strahlungsdetektortechnik. Es kann in der Photometrie, Dosimetrie sowie bei der Messung von räumlich-energetischen Kenndaten der optischen und ionisierenden Strahlungsfelder Anwendung finden. Bekannt ist der Strahlungsdetektor, der in der Photometrie für die Erfassung der Lichtstrahlung (1) verwendet wird. Der Detektor hat eine Fotodiode, die im einfachsten Fall an die Belastung parallel bzw. an die Vorspannung und die Belastung (1) in Reihe geschaltet ist. Dabei wird als Belastung gewöhnlich ein Eingangskreis des Strom- bzw. Ladungsverstärkers verwendet. Bekannt sind auch ein- und zweidimensionale Fotodioden- und Fototransistormatrizen (2, 3) sowie Bildempfänger auf der Basis der ladungsgekoppelten Bauelemente (CCD) (4). Diese Geräte ermöglichen es, räumlich-energetische Kenndaten der optischen und ionisierenden Strahlungsfelder zu erfassen.
Bekannt sind die Ionisationsstrahlungsdetektoren, die für die Erfassung, Dosimetrie und Spektrometrie der Kernstrahlung (5) verwendet werden. Der Aufbau dieser Detektoren ist dem Aufbau der Lichtstrahlungsdetektoren ähnlich: anstelle der Fotodioden werden Ionisationskammern, Proportionalzähler, Halbleitergeber, Szintillationszähler oder mit Szintillationszählern gekoppelte Fotodioden (5) eingesetzt.
Bekannt sind die koordinatenempfindlichen Ionisationsstrahlungsdetektoren zur ein- und dreidimensionalen Koordinatenanalyse, welche in der Kerntesttechnik zur Erfassung der Spuren von Elementarteilchen sowie zur Messung einer räumlichen Verteilung des Kernteilchenstromes (6, 7) eingesetzt werden. Diese Detektoren stellen ein System der in einem gemeinsamen Gasvolumen angeordneten Drahtelektroden bzw. ein System der auf Siliziumkristalloberflächen aufgedampften Streifenelektroden, die mit der Elektronik zum Ablesen der Koordinateninformation verbunden sind, dar.
Von den bekannten Strahlungsdetektoren ist der in (1) beschriebene Detektor dem beantragten Detektor technisch gesehen am nächsten. Dieser Detektor hat eine Fotodiode, die an die Belastung parallel bzw. an die Belastung und die Vorspannungsquelle in Reihe geschaltet ist. Dabei tritt als Belastung ein Eingangskreis des Gleichstrom- bzw. Ladungsverstärkers auf. Dieser Detektor ist für die Erfassung der Lichtstrahlung bestimmt. Wird die Fotodiode mit dem Szintillator kombiniert, kann der Detektor für die Erfassung der Ionisationsstrahlungen verwendet werden. Dieser Detektor hat einen Nachteil – eine niedrige Empfindlichkeit. Das ist zum größten Teil auf die Geräusche und einen Nullversatz des als Belastung eingesetzten Gleichstromverstärkers zurückzuführen.
Im Dokument EP-A-0 675 345 wird bei der Beschreibung des Prototyps ein Detektor genannt, der aus einer Fotodiode, einem Abfrageimpulsgenerator und einem Transistor besteht. Die Menge des auf die Fotodiode fallenden Lichtes wird durch die Messung der Spannung in der Fotodiode nach dem Einsatz der Impulse oder durch die Messung des zu integrierenden Stromes in der Fotodiode innerhalb einer Abfageperiode ermittelt. Für das im Dokument EP-A-0 675 345 beschriebene Schema benötigt man eine externe Spannungsquelle, die eine Stromzufuhr beim Einsatz der Abfrageimpulse gewährleitet.
Das Wesen der 1. Variante der beantragten Erfindung besteht darin, daß der Detektor eine Fotodiode und eine Belastung hat, die in Reihe geschaltet sind. Die Belastung ist über einen Signalausgang mit der Fotodiode und auf der anderen Seite mit einer Gesamtschiene verbunden. Der Detektor hat darüber hinaus einen Transistor und einen Abfrageimpulsgenerator. Die 2. Elektrode der Fotodiode ist mit der 1. Elektrode des Transistors verbunden. Die Steuerelektrode des Transistors ist mit einem Ausgang des Abfrageimpulsgenerators und die 3. Elektrode des Transistors mit der Gesamtschiene verbunden. An die Belastung sind die Bauelementegruppen in der Anzahl von N parallel geschaltet. Jede Bauelementegruppe besteht aus einer Fotodiode und einem Transistor, die in Reihe geschaltet sind. Der Abfrageimpulsgenerator hat eine N-Zahl der Ausgänge, jeder davon ist mit einer Steuerelektrode des Transistors aus einer jeweiligen Bauelementegruppe, in der eine ganze Zahl N größer als 1 ist, verbunden. Darüber hinaus kann der Strahlungsdetektor eine L-Zahl der Belastungen haben. An jede Belastung i wird parallel eine Bauelementengruppe in der Anzahl von N_i geschaltet. Die Gesamtzahl der Bauelementegruppen im Detektor ist einer Ausgangszahl N des Abfrageimpulsgenerators gleich. Dabei ist L eine ganze Zahl größer als 1 und N_i eine ganze positive Zahl. Die Kondensatoren sind dabei parallel zu den Fotodioden geschaltet.
Das Wesen der 2. Variante der beantragten Erfindung besteht darin, daß der Detektor ein strahlungsempfindliches Bauelement und eine Belastung hat, wobei das strahlungsempfindliche Bauelement auf der einen Seite an eine Speisespannungsschiene und die Belastung auf der einen Seite an die Gesamtschiene angeschlossen sind. Der Detektor verfügt zusätzlich über einen Schlüsseltransistor, Kondensator und einen Abfrageimpulsgenerator. Das strahlungsempfindliche Bauelement ist auf der anderen Seite mit der 1. Elektrode des Transistors und dem 1. Belag des Kondensators verbunden. Der 2. Belag des Kondensators ist an einen Signalausgang der Belastung und ein Ausgang des Abfrageimpulsgenerators an eine Steuerelektrode des Transistors, dessen 3. Elektrode mit der Gesamtschiene verbunden ist, angeschlossen. Es sind darüber hinaus zwischen der Speisespannungsschiene und der Gesamtschiene die Bauelementegruppen in der Anzahl von N geschaltet. Jede Bauelementegruppe besteht aus einem in Reihe geschalteten strahlungsempfindlichen Element und einem Transistor, deren gemeinsamer Punkt über einen Kondensator an einen Signalausgang der Belastung angeschlossen ist. Der Abfrageimpulsgenerator hat eine N-Zahl der Ausgänge. Jeder Ausgang ist mit einer Steuerelektrode des Transistors aus der jeweiligen Bauelementegruppe, in der eine ganze Zahl N größer als 1 ist, verbunden. Darüber hinaus kann der Strahlungsdetektor eine L-Zahl der Belastungen haben. Dabei ist ein Signalausgang jeder Belastung _i an die Bauelementegruppen N_i angeschlossen. Die Gesamtzahl der Bauelementegruppen im Detektor ist einer Ausgangszahl N des Abfrageimpulsgenerators gleich. Dabei ist L eine ganze Zahl größer als 1 und N_i eine ganze positive Zahl. Zwischen dem strahlungsempfindlichen Bauelement und dem gemeinsamen Punkt des Schlüsseltransistors und des Kondensators ist ein Widerstand geschaltet.
Das Wesen der 3. Variante der beantragten Erfindung besteht darin, daß der Detektor ein strahlungsempfindliches Bauelement und eine Belastung hat, wobei das strahlungsempfindliche Bauelement auf der einen Seite an eine Speisespannungsschiene und die Belastung auf der einen Seite an die Gesamtschiene angeschlossen sind. Der Detektor verfügt zusätzlich über einen Transistor und einen Abfrageimpulsgenerator. Das strahlungsempfindliche Bauelement ist auf der anderen Seite an die 1. Elektrode des Transistors und ein Ausgang des Abfrageimpulsgenerators an eine Steuerelektrode des Transistors, dessen 3. Elektrode mit einem Signalausgang der Belastung verbunden ist, angeschlossen. Außerdem ist zwischen der 1. Elektrode des Transistors und der Gesamtschiene ein Kondensator und zwischen der 1. Elektrode des Transistors und dem strahlungsempfindlichen Bauelement ein Widerstand geschaltet.
Die beantragte Erfindung ist dafür ausgelegt, die Strahlungsempfindlichkeit und Meßgenauigkeit bei der Erfassung der Strahlungsintensität zu erhöhen und den dynamischen Bereich der zu erfassenden Strahlungsintensitäten zu erweitern.
In der 1. Variante der beantragten Erfindung mit den wie im Prototyp in Reihe geschalteten Fotodiode und Belastung wird die Meßgenauigkeit und Strahlungsempfindlichkeit bei der Messung der Strahlungsintensität dadurch erhöht, daß in den Detektor zusätzlich ein Schlüsseltransistor und ein Abfrageimpulsgenerator mit jeweiligen Verbindungen zwischen diesen Bauelementen und den anderen Bauelementen des Detektors eingebaut werden. Dadurch wird ein Lichtstrom der Fotodiode aus einem konstanten in einen impulsiven Lichtstrom verwandelt. Dessen geringere Menge kann mit einer größeren Meßgenauigkeit gemessen werden. Das ist darauf zurückzuführen, daß die Impulsstrom- und Ladungsverstärker keine niederfrequenten Geräuschkomponenten wie z.B. das Funkelrauschen und den Nullversatz, die für Gleichstromverstärker typisch sind, haben. Wenn an die Belastung parallel eine N-Zahl der Bauelemente mit einem Transistor und einer Fotodiode, welche mit den Ausgängen N des Abfrageimpulsgenerator verbunden sind, angeschlossen wird, so bekommt der Detektor eine neue Qualität – eine Fähigkeit, räumliche Verteilung der zu erfassenden Strahlungsintensität zu analysieren. Im Vergleich zu den bekannten eindimensionalen Fotodiodenlinealen (3) bietet die beantragte Erfindung die Möglichkeit, die Strahlungsintensität in einem breiteren dynamischen Bereich zu erfassen. Es ist darauf zurückzuführen, daß der dynamische Bereich, als Verhältnis der maximalen zu der minimalen zu erfassenden Strahlungsintensität definiert, durch einen Änderungsbereich der für die Kapazität der Fotodiode integrierten elektrischen Ladung und einen Änderungsbereich der Integrationsperiode der Ladung vorgegeben wird. Der Änderungsbereich der für die Kapazität der Fotodiode integrierten elektrischen Ladung wird durch das Verhältnis eines Maximalwertes der integrierten Ladung zu einer Geräuschladung des Verstärkers, der diese Ladung erfasst, bestimmt. Bei sonstigen gleichen Voraussetzungen ist ein Änderungsbereich der für die Kapazität der Fotodiode integrierten elektrischen Ladung einer Quadratwurzel deren Kapazitätswertes direkt proportional, weil der Maximalwert der für die Kapazität der Fotodiode integrierten Ladung dem Kapazitätswert direkt proportional und der Wert einer Geräuschladung nur einer Quadratwurzel des Kapazitätswertes an deren Eingang (5) direkt proportional direkt proportional wächst. Der Änderungsbereich einer Integrationsperiode des Lichtstromes wird seinerseits als Verhältnis des eventuellen Maximalwertes zum eventuellen Minimalwert bestimmt. Die maximale Dauer einer Integrationsperiode des Lichtstromes wird durch einen Ableitwiderstand der Fotodiode, des Transistors und der Isolierung der Montageplatte bestimmt und wächst direkt proportional der Erhöhung der summarischen Kapazität der Fotodiode und des Schlüsseltransistors. Die minimale Dauer einer Integrationsperiode des Lichtstromes wird durch eine Zeitkonstante der Entladung der summarischen Kapazität der Fotodiode und des Schlüsseltransistors im Bildungsprozeß eines Ablesesignals der integrierten Ladung bestimmt. Die Dauer dieser Zeitkonstante ist direkt proportional der summarischen Kapazität der Fotodiode, des Schlüsseltransistors und dem Widerstand des offenen Schlüsseltransistors. Je größer die Kapazität der Fotodiode und deren Ableitwiderstandes und je kleiner der Widerstand des offenen Schlüsseltransistors ist, desto breiter ist der dynamische Bereich der zu erfassenden Strahlungsintensitäten. Die beantragte Lösung wird dadurch gekennzeichnet, daß als Schlüsseltransistor des Detektors sowohl Feldeffekttransistoren von der Art der Fotodiodenlineale als auch Bipolartransistoren verwendet werden. Der Einsatz der Bipolartransistoren als Schlüsseltransistoren des beantragten Detektors mit einer Transkonduktanz, die die Transkonduktanz der Feldeffekttransistoren um ein Hundertfaches übertrifft, ermöglicht es, den Widerstand des offenen Schlüsseltransistors um ein Hundertfaches zu verringern und dementsprechend bei sonstigen gleichen Bedingungen den dynamischen Bereich der zu erfassenden Strahlungsintensitäten zu erweitern. Um den vorgegebenen dynamischen Bereich der zu erfassenden Strahlungsintensitäten zu erreichen, werden parallel zu den Fotodioden die Kondensatoren mit einer erforderlichen Kapazität eingeschaltet. Um die Geräusche im Verstärker zu verringern, kann der Detektor eine L-Zahl der Belastungen haben.
In der 2. Variante der beantragten Erfindung, die wie auch der Prototyp ein strahlungsempfindliches Bauelement und eine Belastung hat, wird die Strahlungsempfindlichkeit und Meßgenauigkeit durch einen zusätzlichen Einbau eines Transistors und eines Abfrageimpulsgenerators mit jeweiligen Verbindungen zwischen diesen und anderen Bauelementen des Detektors erreicht. Wenn zwischen der Speisespannungsschiene und der Gesamtschiene eine N-Zahl der Bauelemente bestehend aus einem Schlüsseltransistor, einem strahlungsempfindlichen Bauelement und einem Kondensator, die mit den Ausgängen N des Abfrageimpulsgenerators verbunden sind, geschaltet wird, so bekommt der Detektor eine neue Qualität – eine Fähigkeit, räumliche Verteilung der zu erfassenden Strahlungsintensität zu analysieren. Im Vergleich zu den bekannten eindimensionalen Fotodiodenlinealen ermöglicht die 2. Variante des beantragten Detektors (wie die 1. Variante), einen breiteren dynamischen Bereich der zu erfassenden Strahlungsintensitäten zu erreichen sowie die strahlungsempfindlichen Bauelemente, die Hochspannung erfordern, z.B. Proportionalzähler, Ionisationskammern, Fotowiderstände und ähnliches mehr, zu verwenden. Somit wird das Anwendungsgebiet der Detektoren erweitert. Die Erhöhung der Strahlungsempfindlichkeit und der Meßgenauigkeit bei der Erfassung der Strahlungsintensität sowie die Erweiterung des dynamischen Bereiches der zu erfassenden Strahlungsintensitäten wird in der 2. Variante der beantragten Lösung durch die Faktoren, die auch in der 1. Variante zu den gleichen technischen Ergebnissen führen, erreicht. Für die Verringerung der Geräusche kann der Detektor eine L-Zahl der Belastungen haben.
In der 3. Variante der beantragten Erfindung, die wie auch der Prototyp ein strahlungsempfindliches Bauelement und eine Belastung hat, wird die Strahlungsempfindlichkeit und Meßgenauigkeit auch durch einen zusätzlichen Einbau eines Schlüsseltransistors und eines Abfrageimpulsgenerators mit jeweiligen Verbindungen zwischen diesen und anderen Bauelementen des Detektors erreicht. Die Erhöhung der Strahlungsempfindlichkeit und der Meßgenauigkeit bei der Erfassung der Strahlungsintensität sowie die Erweiterung des dynamischen Bereiches der zu erfassenden Strahlungsintensitäten wird in der 3. Variante der beantragten Lösung durch die Faktoren, die auch in der 1. Variante zu den gleichen technischen Ergebnissen führen, erreicht. Um den vorgegebenen dynamischen Bereich der zu erfassenden Strahlungsintensitäten zu erreichen, wird zwischen der 1. Elektrode des Schlüsseltransistors und der Gesamtschiene ein Kondensator mit einer erforderlichen Kapazität eingeschaltet.
Auf 1, 2 und 3 sind drei Modifikationen des Schaltplanes der 1. Variante des beantragten Strahlungsdetektors, in dem die Fotodioden als strahlungsempfindliche Bauelemente verwendet werden, aufgeführt. Auf 4, 5, 6 und 7 sind vier Modifikationen des Schaltplanes der 2. Variante des beantragten Strahlungsdetektors, in dem verschiedene Typen der strahlungsempfindlichen Bauelemente verwendet werden, aufgeführt. Diese Bauelemente funktionieren unter Voraussetzung, daß die Vorspannung, inkl. der Hochspannung, anliegt. Auf 8 und 9 sind die Modifikationen des Schaltplanes der 3. Variante des beantragten Strahlungsdetektors, in dem verschiedene Typen der strahlungsempfindlichen Bauelemente verwendet werden, aufgeführt. Diese Bauelemente funktionieren unter Voraussetzung, daß die Vorspannung anliegt.
Der beantragte Strahlungsdetektor hat einen Abfrageimpulsgenerator 1, ein strahlungsempfindliches Bauelement 2 (für die 1. Variante des beantragten Strahlungsdetektors – eine Fotodiode), einen Schlüsseltransistor 3 und eine Belastung 4. Bei der 2. und 3. Variante kann in den Detektor auch ein Strombegrenzungswiderstand 5 eingebaut werden. In der 1. Variante des Detektors (siehe 1, 2, 3) sind die Fotodiode 2 und die Belastung 4 in Reihe geschaltet. Die Belastung 4 ist über einen Signalausgang (4) mit der Fotodiode 2 und auf der anderen Seite mit der Gesamtschiene verbunden. Die 2. Elektrode der Elektrode 2 ist mit der 1. Elektrode (z.B. Emitter) des Schlüsseltransistors 3 verbunden. Die Steuerelektrode (z.B. Basis) ist über einen Widerstand 6 mit einem Ausgang des Abfrageimpulsgenerators 1 und die 3. Elektrode des Transistors 3 (z.B. Kollektor) mit der Gesamtschiene verbunden. Parallel zu der Fotodiode 2 kann ein Integrierkondensator 7 eingeschaltet sein. In der 2. Modifikation der 1. Variante des Detektors (siehe 2) ist parallel zu der Belastung 4 eine N-Zahl der Gruppen 8₁ , 8₂ ,...., 8_N eingeschaltet. Jede Gruppe besteht aus einem Schlüsseltransistor 3 und einer Fotodiode 2, die in Reihe geschaltet sind. Parallel zu der Fotodiode kann ein Integrierkondensator 7 eingeschaltet sein. Darüber hinaus hat der Abfrageimpulsgenerators 1 eine N-Zahl der Ausgänge, jeder davon ist über einen Widerstand 6 mit einer Steuerelektrode (Basis) des Schlüsseltransistors 3 aus einer jeweiligen Bauelementegruppe, in der N eine ganze Zahl größer als 1 ist, verbunden. In der 3. Modifikation der 1. Variante des Detektors (siehe 3) gibt es eine L-Zahl der Belastungen 4₁ , 4₂ ,...4_L , wobei parallel zu jeder Belastung i eine N_i-Zahl der obenerwähnten Bauelementegruppen geschaltet ist. Der Abfrageimpulsgenerator 1 hat eine N-Zahl (L ist eine ganze Zahl größer als 1, N_i eine ganze positive Zahl) der Ausgänge, deren Zahl einer Gesamtzahl der Bauelementegruppen im Detektor gleich ist.
In der 2. Variante des beantragten Strahlungsdetektors (siehe 4, 5, 6, 7) können als strahlungsempfindliche Bauelemente 2 neben den Fotodioden und anderen Typen der Bauelemente Ionisationskammern (siehe 4) oder Proportionalzähler der Ionisationsstrahlung (siehe 5, 6, 7) eingesetzt werden. Die einfachste 1. Modifikation der 2. Variante des beantragten Strahlungsdetektors (siehe 4, 5) beinhaltet einen Abfrageimpulsgenerator 1, ein strahlungsempfindliches Bauelement 2, einen Schlüsseltransistor 3, eine Belastung 4, einen Strombegrenzungswiderstand 5 und einen Integrierkondensator 7. Das strahlungsempfindliche Bauelement 2 ist auf der einen Seite an die Speisespannungsschiene und auf der anderen Seite über einen Strombegrenzungswiderstand 5 an die 1. Elektrode (Drain oder Emitter) des Schlüsseltransistors 3 und an den 1. Beschlag des Integrierkondensators 7, dessen 2. Beschlag mit einem Signalausgang der Belastung 4 (2. Ausgang ist mit der Gesamtschiene verbunden) verbunden ist, angeschlossen. Außerdem ist ein Ausgang des Abfrageimpulsgenerators 1 mit einer Steuerelektrode (Torelektrode oder Basis) des Schlüsseltransistors 3 verbunden. Falls ein Bipolartransistor als Schlüsseltransistor 3 auftritt, so ist zwischen einem Ausgang des Abfrageimpulsgenerators 1 und einer Basis des Transistors 3 ein Widerstand 6 (siehe 5) eingeschaltet.
Die 3. Elektrode (z. B. Quelle bzw. Kollektor) des Schlüsseltransistors 3 ist mit der Gesamtschiene verbunden. Die Speisespannungsschiene wird mit Gleichspannung E_g mit einer erforderlichen Polarität und Größe versorgt. Als Schlüsseltransistor 3 können sowohl Feldeffekttransistoren (siehe 4) als auch Bipolartransistoren (siehe 5) verwendet werden.
In der 2. Variante des beantragten Strahlungsdetektors ist es am zweckmäßigsten, Bauelemente, die zu verschiedenen Strahlungsarten empfindlich sind und für eine effiziente Funktion Vorspannung und u.a. Hochspannung benötigen, zu verwenden. In der 2. Modifikation der 2. Variante des beantragten Strahlungsdetektors (siehe 6) wird zwischen der Speisespannungsschiene und der Gesamtschiene eine N-Zahl der Bauelementegruppen 8₁ , 8₂ ,....8_N eingeschaltet. Jede Bauelementegruppe beinhaltet ein strahlungsempfindliches Bauelement 2 und einen Schlüsseltransistor 3, die in Reihe geschaltet sind. Ihr gemeinsamer Punkt ist über einen Integrierkondensator 7 an einen Signalausgang der Belastung 4 angeschlossen. Darüber hinaus hat der Abfrageimpulsgenerators 1 eine N-Zahl der Ausgänge, jeder davon ist über einen Widerstand 6 mit einer Steuerelektrode (Basis) des Schlüsseltransistors 3 aus einer jeweiligen Bauelementegruppe, in der N eine ganze Zahl größer als 1 ist, verbunden. In der 3. Modifikation der 2. Variante des Strahlungsdetektors (siehe 7) gibt es eine L-Zahl der Belastungen 4₁ , 4₂ ,...4_L . Der Signalausgang jeder Belastung _i ist an die obenerwähnten Bauelementegruppen N_i angeschlossen. Der Abfrageimpulsgenerator 1 beinhaltet eine N-Zahl der Ausgänge. Diese Zahl gleicht der Gesamtzahl der Bauelementegruppen im Detektor, wo L eine ganze Zahl größer als 1 und N_i eine ganze positive Zahl ist.
In der 3. Variante des beantragten Strahlungsdetektors (siehe 8, 9) können neben den Fotodioden auch andere Typen der strahlungsempfindlichen Bauelemente 2, welche für ihre effiziente Funktion Vorspannung (z.B. Fotowiderstand, siehe 8) benötigen, eingesetzt werden. In der 3. einfachsten Modifikation der 3. Variante des beantragten Strahlungsdetektors (siehe 8) gibt es einen Rbfrageimpulsgenerator 1, ein strahlungsempfindliches Bauelement 2, einen Schlüsseltransistor 3, eine Belastung 4 und einen Strombegrenzungswiderstand 5. Das strahlungsempfindliche Bauelement 2 ist auf der einen Seite an die Speisespannungschiene und auf der anderen Seite über einen Strombegrenzungswiderstand 5 an die 1. Elektrode (z.B. Drain) des Schlüsseltransistors 3 angeschlossen. Ein Ausgang des Abfrageimpulsgenerators 1 ist mit einer Steuerelektrode (Torelektrode) des Schlüsseltransistors 3 verbunden. Seine 3. Elektrode (z.B. Quelle) ist an einen Signalausgang der Belastung 4, die auf der anderen Seite mit der Gesamtschiene verbunden ist, angeschlossen. Die Speisespannungsschiene wird mit Gleichspannung E_g mit einer erforderlichen Polarität und Größe versorgt.
In der 2. Modifikation des beantragten Strahlungsdetektors (siehe 9) gibt es zusätzlich einen Integrierkondensator 7, der zwischen der 1. Elektrode (z.B. Drain) des Schlüsseltransistors und der Gesamtschiene eingeschaltet ist. In der 3. Variante des beantragten Strahlungsdetektors können als Schlüsseltransistor 3 nur Feldeffekttransistoren eingesetzt werden. In der 1. Modifikation dieser Variante des Detektors wird ihre Eigenkapazität als integrierende Kapazität verwendet. Der Abfrageimpulsgenerator 1 des beantragten Strahlungsdetektors stellt einen rechtwinkligen Spannungsimpulsgenerator dar. Die Amplitude und die Polarität der Ausgangsimpulse werden unter Voraussetzung ausgewählt, daß sie jeweilige Schlüsseltransistoren des Detektors öffnen werden. In den aus vielen Bauelementen bestehenden Detektoren können als Abfrageimpulsgenerator 1 Ringzähler, Matrizgatter, Schieberegister und andere Geräte verwendet werden. Sie müssen die Ausgangszahl haben, die der Schlüsseltransistorzahl im Detektor gleich ist und die an den Ausgängen zu bestimmten Zeitpunkten Spannungsimpulse mit einer erforderlichen Polarität, Amplitude und Dauer erzeugen. Die Frequenz des Abfrageimpulsgenerators 1 gibt eine Integrationsperiode für die vom Detektor erfaßten Strahlung vor und stellt eine Grenze der zu erfassenden Intensität fest.
Der Detektor hat folgendes Funktionsprinzip.
Der sich bei Lichteinfall im strahlungsempfindlichen Bauelement 2 bildende Strom wird in die Gesamtkapazität des strahlungsempfindlichen Bauelementes 2 und des parallel eingeschalteten Integrierkondensators 7 (siehe 1, 2, 3), in die Kapazität des Integrierkondensators 7 (siehe 4, 7), in die Eigenkapazität des Schlüsseltransistors 3 und des Integrierkondensators 7 (siehe 9) in der Zeit zwischen den Abfragen des Transistors 3 integriert. Während der Abfrage des Schlüsseltransistors wird vom Ausgang des Abfrageimpulsgenerators 1 zur Steuerelektrode des Transistors 3 ein Abfragespannungsimpuls mit einer Polarität, die den Transistor 3 öffnet, gegeben. Nach dem Öffnen fließt über den Transistor 3 ein Stromimpuls, der in den Kondensator 7 (auch in die Kapazität des strahlungsempfindlichen Bauelementes 2 bzw. des Transistors 3) integrierte Ladung über den Kondensator 7 und die Belastung 4 überträgt. Bei Auslösen des Impulses fließen gleichzeitig die Schaltladungen der Zwischenelektrodenkapazitäten des Transistors 3 durch die Belastung 4, die Kapazität des strahlungsempfindlichen Bauelementes 2 und/oder den Integrierkondensator 7 (siehe 1-7) oder direkt (siehe 8, 9) durch. Bei Abschalten des Abfrageimpulses fließen die gleichstarken Ladungen, nur mit einem entgegengesetzten Zeichen, durch die genannten Stromkreise. Bei Auslösen jedes Abfrageimpulses fließt eine summarische Ladung über die Belastung 4, die der in die Kapazität des Kondensators 7 und/oder in die Eigenkapazität des strahlungsempfindlichen Bauelementes 2 integrierten Ladung in der Zeit zwischen den Abfragen gleich ist. Bei Einschaltung der Belastung 4 zwischen dem Schlüsseltransistor und der Gesamtschiene (siehe 8, 9) wird nach dem Auslösen des Impulses eine Ladung des strahlungsempfindlichen Bauelementes 2, die in die summarische Kapazität des Kondensators 7 und/oder des Transistors 3 integriert ist, an die Belastung 3 übertragen. Diese Ladung ist proportional dem Licht, das auf das strahlungsempfindliche Bauelement in der Zeit zwischen den Abfragen des jeweiligen Schlüsseltransistors 3 gefallen ist.
Bei Modifikationen des Detektors (siehe 2, 3, 6, 7) aus vielen Bauelementen hat der Abfrageimpulsgenerator 1 viele Ausgänge. An jedem Ausgang werden die Spannungsimpulse in vorgegebener Reihenfolge erzeugt. Dabei werden die Schlüsseltransistoren 3, die zu den Bauelementegruppen 8 gehören, hintereinander abgefragt. Es werden z.B. die jeweiligen Integrierkondensatoren 7 abgetastet. An der Belastung 4 wird eine Reihenfolge der Stromimpulse erzeugt. Werden diesen zu bestimmten Zeitpunkten Taktimpulse dazugegeben, so werden die Stromimpulse in Form der Videosignale präsentiert. Die Koordinate des strahlungsempfindlichen Bauelementes wird durch die Nummer des jeweiligen Impulses an der Belastung oder durch den Zeitpunkt der Entstehung dieses Impulses eindeutig bestimmt.
Die Zahl der Lichtteilchen, die im vorliegenden strahlungsempfindlichen Bauelement erfaßt wurden, wird von der Amplitude des jeweiligen Stromimpulses bestimmt. In den Modifikationen des Detektors mit mehreren Belastungen (siehe 3, 7) wird die Reihenfolge der Impulse des Ablesestromes abwechselnd an jeder Belastung während der Abfrageperioden der Schlüsseltransistoren, die zu den mit dieser Belastung verbunden Bauelementegruppen 8 gehören, erzeugt. Das Vorhandensein von mehreren Belastungen im Detektor ermöglicht es, eine Gesamtzahl der strahlungsempfindlichen Bauelemente im Detektor zu erhöhen, ohne daß die Zahl der Verstärker der Integrierkondensatoren, die die Geräusche, Ablesesignale erfassen, erhöht wird. Die Fähigkeit des beantragten Strahlungsdetektors, die räumlich-energetischen Kenndaten der zu untersuchenden Felder in einem breiten Bereich der Intensitäten zu analysieren, ermöglicht es, neben der Erhöhung der Strahlungsempfindlichkeit bei der Erfassung der Strahlung seine Funktionsmöglichkeiten und das Anwendungsbereich wesentlich zu erweitern.
Die Erfindung kann in der Kernphysik, Dosimetrie, Strahlendefektoskopie, Optik, Photometrie, Kristallographie, Medizin und auf anderen Gebieten der Wissenschaft und Technik verwendet werden.
Literatur

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Claims

Strahlungsdetektor, welcher eine Photodiode (2) und einen Transistor (3), die in Serie geschaltet sind, eine Last (4) und einen Abfrage-Impulsgeber (1) aufweist, wobei die Last (4) durch eine Signalelektrode hindurch an die Photodiode (2) angeschlossen ist und die Last (4) an der anderen Seite an den gemeinsamen Bus angeschlossen ist, wobei die zweite Elektrode der Photodiode (2) an die erste Elektrode des Transistors (3) angeschlossen ist, wobei die Steuerelektrode davon an den Ausgang des Abfrage-Impulsgebers (1) angeschlossen ist; und wobei die dritte Elektrode des Transistors (3) an den gemeinsamen Bus angeschlossen ist; wobei der Strahlungsdetektor derart eingerichtet ist, dass eine Ladung entsprechend einem auf die Photodiode (2) einfallenden Strahlungsfluss durch die Last (4) hindurchfließt, wenn ein Abfrage-Impuls des Abfrage-Impulsgebers (1) an die Steuerelektrode des Transistors (3) angelegt wird.
Strahlungsdetektor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass N Gruppen von Elementen (8₁ ,..., 8_N ) , wobei jede in Serie geschaltet eine Photodiode (2) und einen Transistor (3) aufweist, parallel zu der Last (4) platziert sind, und der Abfrage-Impulsgeber (1) N Ausgänge aufweist, wobei jeder der Ausgänge mit der Steuerelektrode des Transistors (3) aus der jeweiligen Gruppe von Elementen gekoppelt ist, wobei N eine Ganz-Zahl >1 ist.
Strahlungsdetektor gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor L Lasten aufweist, wobei N_i Gruppen von Elementen parallel zu jeder i-ten Last platziert sind, und dass die Gesamtanzahl von Gruppen von Elementen, welche der Detektor aufweist, der Anzahl an N Ausgängen des Abfrage-Impulsgebers (1) entspricht, wobei L eine Ganz-Zahl >1 ist und N_i eine positive Ganz-Zahl ist.
Strahlungsdetektor gemäß den Ansprüchen 1 und/oder 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass Kondensatoren (7) parallel zu Photodioden (2) angeschlossen sind.
Strahlungsdetektor, welcher ein strahlungsempfindliches Element (2) und eine Last (4) aufweist, wobei das empfindliche Element (2) an einer Seite an einen Versorgungsspannungs-Bus angeschlossen ist und die Last an einer Seite an einen gemeinsamen Bus angeschlossen ist, wobei der Detektor zusätzlich einen Transistor (3), einen Kondensator (7) und einen Abfrage-Impulsgeber (1) aufweist, wobei das empfindliche Element (2) an der anderen Seite an die erste Elektrode des Transistors (3) und an die erste Platte des Kondensators (7) angeschlossen ist, wobei die zweite Platte davon an einen Signalkontakt der Last (4) angeschlossen ist und der Ausgang des Abfrage-Impulsgebers (1) an die Steuerelektrode des Transistors (3) gekoppelt ist, wobei die dritte Elektrode davon an den gemeinsamen Bus angeschlossen ist, wobei der Strahlungsdetektor derart eingerichtet ist, dass eine Ladung entsprechend einem auf das strahlungsempfindliche Element (2) einfallenden Strahlungsfluss durch die Last (4) hindurchfließt, wenn ein Abfrage-Impuls des Abfrage-Impulsgebers (1) an die Steuerelektrode des Transistors (3) angelegt wird.
Strahlungsdetektor gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass N Gruppen von Elementen, wobei jede in Serie geschaltet ein strahlungsempfindliches Element (2) und einen Transistor (3) aufweist, wobei der gemeinsame Knoten davon an den Signalausgang der Last (4) über den Kondensator (7) gekoppelt ist, zwischen dem Versorgungsspannungs-Bus und dem gemeinsamen Bus geschaltet sind und der Abfrage-Impulsgeber (1) N Ausgänge aufweist, wobei jeder der Ausgänge an die Steuerelektrode des Transistors (3) aus der jeweiligen Gruppe von Elementen angeschlossen ist, wobei N eine Ganz-Zahl > 1 ist.
Strahlungsdetektor gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor L Lasten aufweist, wobei ein Signalkontakt von jeder i-ten Last an N_i Gruppen von Elementen angeschlossen ist, und dass die Gesamtanzahl von Gruppen von Elementen, die der Detektor aufweist, der Anzahl an N Ausgängen des Abfrage-Impulsgebers (1) entspricht, wobei L eine Ganz-Zahl >1 ist und N_i eine positive Ganz-Zahl ist.
Strahlungsdetektor gemäß den Ansprüchen 5 und/oder 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass Widerstände (5) zwischen den empfindlichen Elementen und den gemeinsamen Knoten der Transistoren und Kondensatoren geschaltet sind.
Strahlungsdetektor, welcher ein strahlungsempfindliches Element (2) und eine Last (4) aufweist, wobei das empfindliche Element (2) an einer Seite an den Versorgungsspannungs-Bus angeschlossen ist und die Last (4) an einer Seite an den gemeinsamen Bus angeschlossen, wobei der Detektor zusätzlich einen Transistor (3) und einen Abfrage-Impulsgeber (1) aufweist, wobei das empfindliche Element (2) an der anderen Seite an der ersten Elektrode des Transistors (3) angeschlossen ist und der Ausgang des Abfrage-Impulsgebers (1) an die Steuerelektrode des Transistors (3) angeschlossen ist, wobei die dritte Elektrode davon mit dem Signalkontakt der Last (4) gekoppelt ist, wobei der Strahlungsdetektor derart eingerichtet ist, dass eine Ladung entsprechend einem auf das strahlungsempfindliche Element (2) einfallenden Strahlungsfluss durch die Last (4) hindurchfließt, wenn ein Abfrage-Impuls des Abfrage-Impulsgebers (1) an die Steuerelektrode des Transistors (3) angelegt wird.
Strahlungsdetektor gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kondensator (7) zwischen der ersten Elektrode des Transistors (3) und dem gemeinsamen Bus geschaltet ist.
Strahlungsdetektor gemäß den Ansprüchen 9 und/oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Widerstand (5) zwischen die erste Elektrode des Transistors (3) und dem empfindlichen Element (2) geschaltet ist.