DEP0028872DA - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Leitfähigkeit in Isolatoren - Google Patents

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Leitfähigkeit in Isolatoren und Anwendungen davon auf elektrische Geräte.

Im Gebiet der Kernphysik besteht ein grundlegender Bedarf an einer Vorrichtung, die einen verhältnismäßig starken elektrischen Stromimpuls hervorbringt, jeweils wenn ein geladenes Teilchen, wie es beim radioaktiven Zerfall entsteht, in diese Vorrichtung einfällt. Bisher wurden für diesen Zweck gasgefüllte Vorrichtungen benutzt, wie beispielsweise das wohlbekannte Geiger-Müller-Rohr. Dieses enthält zwei oder mehr Elektroden, zwischen denen eine elektrische Spannung aufrechterhalten wird, die so groß ist, daß sie eine Gasentladung gerade noch nicht hervorbringen kann. Wenn dann ein Alpha- oder Beta-Teilchen in dieses Gas eintritt, so bewirkt die dadurch hervorgerufene Ionisation durch eine Kettenwirkung einen örtlichen Durchschlag des Gases. Der elektrische Stromimpuls, der als Folge dieses Durchbruchs fließt, dient dazu, eine Zähleinrichtung zu betätigen, die dazu benutzt werden kann, die Strahlungsstärke der geladenen Teilchen aus dem radioaktiven Stoff oder dem zu untersuchenden Prozeß zu bestimmen. Eine andere Anwendung dieses Prinzips ist der Ionisationszähler, bei dem ein wirklicher Durchschlag des Gases nicht eintritt, bei dem aber ein Stromimpuls erzeugt wird, dessen Stärke der Zahl der dabei erzeugten Ionen entspricht und dementsprechend der Energie des einfallenden geladenen Teilchens. Wesentliche Vorteile müssen daher bei einer Vorrichtung vorhanden sein, bei der ähnliche elektrische Stromimpulse durch das Einfallen derart geladener Teilchen auf einen festen Körper anstatt auf ein gasförmiges Medium entstehen. Die Verwendung eines solchen festen Körpers kann die Größe des Gerätes, das zum Zählen der Produkte des radioaktiven Zerfalls benutzt wird, wesentlich verringern.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, die Bestimmung der Art und Stärke von Strahlungen zu erleichtern, und zwar insbesondere der Strahlung geladener Teilchen.

Insbesondere zielt die Erfindung darauf ab, die Größe der Geräte nennenswert zu vermindern, die dazu dienen, die Art und Stärke der Strahlung geladener Teilchen aus radioaktiven Stoffen zu bestimmen.

Weiterhin befaßt sich die Erfindung damit, eine außen vorzunehmende Kontrolle für den elektrischen Stromfluß durch einen festen Körper zu schaffen, der unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes steht.

Die Grundform vieler mit Elektronen arbeitender Anordnungen, die für dieses Gebiet von großer Bedeutung sind, ist die Steuerung des elektrischen Stromflusses zwischen zwei Elektroden in einer evakuierten oder gasgefüllten Strecke mit Hilfe elektrischer Mittel, die von der an diese beiden Elektroden angelegten Spannung unabhängig sind. Unter den vielen Anwendungen dieses Grundgedankens sei auf die Verstärkung elektrischer Zeichen mit Hilfe der bekannten evakuierten Triode und der Abwandlungen davon verwiesen. Alle solche Geräte, die bisher für das Arbeiten bei normalen Temperaturen geschaffen worden sind, beruhen im wesentlichen auf der Steuerung des durch ein Vakuum oder ein Gas übergehenden Stromes von Elektronen. Wesentliche Vorteile ergeben sich - insbesondere hinsichtlich einer Steigerung der Verstärkung -, wenn diese Geräte durch ein anderes Gerät ergänzt oder in manchen Fällen ersetzt werden, bei dem in ähnlicher Weise der Elektronenstrom durch ein festes Material einer unabhängigen Steuerung von außen her unterworfen ist.

Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, einen Verstärker für elektrische Zeichen zu schaffen, dessen Verstärkung für einen bestimmten Elektrodenabstand größer ist als man es bisher hatte erreichen können.

Um die verschiedenen Stoffe im Hinblick auf ihre elektrische Leitfähigkeit in Gruppen zu unterteilen, haben sich 3 Begriffsbestimmungen eingebürgert. Unter elektrischen "Leitern" versteht man diejenigen Stoffe, die bei Raumtemperaturen - d. h. zwischen 15 °C und 25 °C - spezifische Widerstände in der Größenordnung von 10(exp)-6 Ohm/cm haben. Der Begriff "Halbleiter" umfaßt Stoffe, die unter den gleichen Bedingungen spezifische Widerstände der Größenordnung von 1 Ohm/cm haben. "Isolatoren" schließlich sind solche Stoffe, die unter den gleichen Bedingungen spezifische Widerstände der Größenordnung von 10(exp)6 Ohm/cm und darüber aufweisen.

Die moderne Theorie über den festen Aggregatzustand gibt eine ausreichende Erklärung für die Verhältnisse in guten elektrischen Isolatoren. Diese Theorie ist in dem ersten Teil einer Veröffentlichung von W. Shockley dargelegt "Die Quantenphysik der festen Körper" in "Bell System Technical Journal" Vol. XVIII (1939), Seite 645 fg, und zwar insbesondere auf den Seiten 652 bis 655. Solche Stoffe verdanken ihre nichtleitenden Eigenschaften einer ausgeglichenen Verteilung der Elektronen des festen Körpers über die zur Verfügung stehenden Energiepegel, und zwar handelt es sich hierbei um eine solche Verteilung, daß eine bestimmbare Energiedifferenz zwischen dem höchsten, aufgeladenen Niveau und dem niedrigsten, freien Niveau besteht. Diese Energiespalte, die mehrere Elektronenvolt breit sein mag, stellt eine wirksame Schranke dar, die es verhindert, daß Elektronen unter dem Einfluß eines Feldes in höhere Energielagen hinüberwandern können. Da unterhalb der gesperrten Energiegrenze keine freien Niveaulagen bestehen, in die die Elektronen sich hineinbewegen könnten, kann durch ein angelegtes Feld eine Änderung in der allgemeinen Elektronenverteilung nicht bewirkt werden, d. h. es kann kein Strom fließen.

Der Zustand des Gleichgewichts in einem Isolator kann auf verschiedenen bekannten Wegen gestört werden. Wenn bei- spielsweise die gesperrte Energiespalte genügend schmal oder die Temperatur genügend hoch ist, können gelegentlich Elektronen auf thermischem Wege ausgelöst werden, so daß sie das freie Band besetzen. Einmal dort angekommen, sind sie frei, so daß sie sich unter dem Einfluß eines Feldes in höhere Energielagen bewegen können. Die in dem normal angefüllten Bereich der Niveaulagen hinterlassenen freien Stellen geben dann aber weiterhin die Möglichkeit zu Verschiebungen innerhalb dieser Elektronengruppe, wenn ein Feld angelegt ist. Diese beiden Erscheinungen zusammen wirken sich dann als Verschiebung der elektrischen Ladung in dem normalerweise isolierenden Stoff aus. Infolgedessen können sie als augenscheinliches Kennzeichen für eine in dem Material erzeugte elektrische Leitfähigkeit betrachtet werden.

Über die Ionisation, die durch Alpha-Teilchen beim Durchgang durch ein Gas erzeugt wird, ist vieles bekannt. Beispielsweise erzeugt ein Alpha-Teilchen des Radium etwa 1,4 x 10(exp)5 freie Elektronen und die gleiche Zahl positiver Ionen, wenn es in Luft vollständig abgebremst wird. Bisher ist es nicht möglich gewesen, eine unmittelbare Messung der Zahl der Ionen vorzunehmen, die in einem festen Körper erzeugt werden, aber die Größenordnung dieser Zahl kann auf annehmbare Weise einfach erhalten werden. Die Beweisführung stützt sich auf die sichere Annahme, daß die Wechselwirkung zwischen einem Alpha-Teilchen und einem Atom in einem Gas nicht sehr verschieden sein kann von der Wechselwirkung zwischen dem Alpha-Teilchen und einem ähnlichen Atom in einem festen Körper. Dieser Beweisgrund erhält eine starke experimentelle Stütze durch Messungen der Bremskraft je Atom bei verschiedenen Elementen, die mit zunehmendem Atomgewicht ebenfalls gleichmäßig zunimmt. Eine einfache empirische Beziehung stimmt mit den Beobachtungen überein, obwohl einige Elemente fest und einige gasförmig sind. Infolgedessen erscheint der Schluß sicher, daß das Verhältnis der losgelösten Elektronen zu den durchquerten Atomen nicht sehr verschieden sein wird für die Kohlenstoffatome des Diamanten und für die Stickstoffatome der Luft. Auch wird die mittlere Energie, die je Elektron verbraucht wird, nicht sehr unterschiedlich sein. Daher ist gefolgert worden, daß ein Alpha-Teilchen das Radium etwa 10(exp)5 Elektronen in das leitende Band aussenden wird, wenn es in einem Diamantkristall abgebremst wird, d. h. die Elektronen aus einem Zustand, in dem sie sich innerhalb eines elektrischen Feldes nicht bewegen können, in eine Lage bringen wird, in der sie es können.

Wenn also ein Alpha-Teilchen ein solches Elektron aus seinem normalen Energiepegel in das leitende Band verschoben hat, so bewegt es sich gegen die Anode und die dadurch in dem gefüllten Band gebildete "Lücke" wandert gegen die Kathode, wenn der Diamant unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes steht. Wenn nun an dem Kristall geeignete Elektroden angebracht sind, so daß ein elektrisches Feld zur Wirkung gebracht werden kann, so bewegen sich diese Elektronen und "Lücken" zu den einander entgegengesetzt angeordneten Elektroden. Dieses läßt dann in einem geeigneten Meßkreis einen Leitfähigkeitsimpuls entstehen.

In ähnlicher Weise wird Leitfähigkeit in Diamantkristallen beobachtet, die durch Betastrahlen oder durch Elektronen mittlerer Geschwindigkeit bombardiert werden, wenn der Meßkreis für solche Beobachtungen geeignet ist.

Anordnungen aus kristallinischen Isolatoren, bei denen die Elektroden aus Gold, Platin oder Aluminium bestehen und in der Weise hergestellt sind, daß heiße Drähte aus diesen Materialien verdampft und darauf niedergeschlagen wurden, sind mit gutem Erfolg benutzt worden, um die durch Bombardement erzeugte Leitfähigkeit herzustellen. Offensichtlich ist ein sehr enger Kontakt zwischen dem Diamanten oder sonstigen isolierenden Körper einerseits und den Elektroden andererseits wünschenswert, um diese erzeugte Leitfähigkeit zu verwerten.

Gemäß der Erkenntnis, von der die vorliegende Erfindung ausgeht, werden gewisse kristallinische Körper aus isolierendem Material, wie z. B. Diamant, zeitlich begrenzt zu elektrischen Leitern, wennn sie entweder mit Alpha-Teilchen, Beta-Teilchen oder Elektronen mittlerer Geschwindigkeit bombardiert werden. Diese Erscheinung kann man mit Vorteil benutzen, um das Vorhandensein von Strömen von Alpha-Teilchen, Beta-Teilchen oder Elektronen mittlerer Geschwindigkeit aufzuzeigen und ihre Stärke zu messen. Bei einigen Verwirklichungen der Erfindung kann der Grundgedanke der durch Bombardement erzeugten elektrischen Leitfähigkeit benutzt werden, indem man einen Diamantkristall einem Bündel einfallender elektrisch geladener Teilchen aussetzt und gleichzeitig dem Diamanten ein elektrisches Feld aufdrückt, um einen Strom durch den Diamanten zu erzeugen, wenn die Sekundärelektronen darin durch die ionisierende Wirkung der einfallenden Teilchen ausgelöst werden. Dieser Strom kann benutzt werden, um ein Oscilloskop zu betätigen und dadurch die Natur und die Stärke der einfallenden Teilchen aufzuzeigen oder aber er kann benutzt werden, um einen Zähler zu betätigen, der die Zahl der Teilchen anzeigt, die innerhalb eines gegebenen Zeitabschnittes auf den Diamanten auftreffen. Bringt man den als Zielscheibe dienenden Isolator, in dem die elektrische Leitfähigkeit durch Bombardement erzeugt werden soll, in den Weg eines Elektronenbündels, das durch schwache, zu verstärkende elektrische Impulse gesteuert wird, so kann der Strom, der sich als Folge der durch das Bombardement erzeugten elektrischen Leitfähigkeit einstellt, sehr viel stärker sein als die schwachen elektrischen Impulse, so daß die Anordnung als elektrischer Verstärker arbeitet.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, das Verhältnis zwischen der Zahl der durch das Bombardement ausgelösten freien Teilchen und der Zahl der primären, d. h. der bombardierenden Elektronen zu vergrößern. Eine verwandte Aufgabe ist es, für die Erzeugung der Leitfähigkeit durch Bombardement den Vorteil auszunutzen, den die größere spezifische Dichte eines festen Isolators im Vergleich mit einer entsprechenden, gasförmiges Medium verwendeten Anordnung hinsichtlich der Festigkeit und der wirtschaftlichen Raumausnutzung bietet.

Andere Vorteile der Erfindung werden leicht an Hand der folgenden Beschreibung zu verstehen sein, in Verbindung mit den Zeichnungen.

Die Figuren 1 und 2 veranschaulichen zwei verschiedene Methoden, nach denen die notwendige Spannungsdifferenz an die Oberfläche der in Frage kommenden Isolatoren angelegt werden kann, im Hinblick auch auf das Einfallen der bombardierenden Teilchen.

Figur 3 veranschaulicht eine Anordnung gemäß vorliegender Erfindung, die dazu dient, das Vorhandensein der Leitfähigkeit in einem Isolator anzuzeigen, der dem Bombardement geladener Teilchen ausgesetzt ist.

Figur 4 zeigt in angenähertem Maßstab eine wirkliche oscillographische Aufzeichnung über die Erzeugung der Leitfähigkeit in einem Diamanten mit Hilfe einer Anordnung nach Figur 3.

Figur 5 zeigt eine ähnliche Anordnung wie die nach Figur 3, die dazu dient, das Auftreten der durch Bombardement in einem Isolator erzeugten Leitfähigkeit anzuzeigen, und zwar handelt es sich hier um ein Gerät, das tatsächlich die einfallenden geladenen Teilchen zählt, ohne auf eine besondere Art der Quelle dieser bombardierenden Teilchen beschränkt zu sein.

In Figur 6 ist ein Verstärker nach der Erfindung dargestellt.

Figur 7 zeigt einen Querschnitt der Anordnung nach Figur 6 längs der Linie 7 - 7.

In Figur 8 ist eine Einzelheit der Quarzzielscheibe nach Figur 6 dargestellt und in

Figur 9 eine Abwandlung des rechts von der Linie x - x liegenden Teiles des Ausgangskreises nach Figur 6.

Man muß sich im Folgenden vor Augen halten, daß in Bezug auf irgendein bestimmtes System zum Veranschaulichen oder Messen der durch Bombardement erzeugten Leitfähigkeit eines Diamanten oder dergleichen der einfallende Strahl oder das Bündel aus verschiedenen gebräuchlichen Arten geladener Teilchen bestehen kann, ohne daß dieses von wesentlicher Bedeutung ist. Zu den verwendbaren Arten geladener Teilchen gehören zunächst einmal gewöhnliche Elektronen, wie sie kennzeichnend für die Kathoden-Emanationen in den gebräuchlichen Elektronenanordnungen sind, ferner Beta-Teilchen, die im wesentlichen Elektronen hoher Geschwindigkeit sind, und Alpha-Teilchen, bei denen es sich um positiv geladene Teilchen handelt. Alpha- und Beta-Teilchen gehen im Allgemeinen - wie es in der vorliegenden Beschreibung in erster Linie ins Auge gefaßt ist - von radioaktiven Stoffen aus. Es sei auch darauf hingewiesen, daß Kreise oder

Anordnungen, die dazu dienen, die Erscheinungen der durch Bombardement erzeugten Leitfähigkeit zu veranschaulichen, sich im Begriff nicht unterscheiden, ob sie nun im Endergebnis auf eine graphische Veranschaulichung der Leitfähigkeit hinzielen, wie bei dem oscillographischen Schirm, oder auf eine hörbare Wiedergabe in einer Anordnung zur mengenmäßigen Messung des Bündels geladener Teilchen, die auf die Anordnung einfallen, obwohl gewisse Figuren in den Zeichnungen sich in dieser Hinsicht unterscheiden, um die Wahl der Mittel im Interesse genauer Erörterungen zu erläutern.

Die vorstehende Verallgemeinerung gilt auch für die besonderen Elektrodensysteme, und die Figuren 1 und 2 veranschaulichen zwei Arten von Systemen, wobei es nahezu gleichgültig ist, welches von diesen bei den weiterhin beschriebenen Ausführungsformen benutzt wird, obwohl im Sonderfall auf Grund der dort maßgebenden Erwägungen die Wahl des einen oder anderen nahegelegt werden mag. Diese beiden Systeme unterscheiden sich durch die Art, in der die Elektroden auf dem festen dielektrischen Körper angebracht sind. In Figur 1 sind die beiden Elektroden auf der gleichen Oberfläche des Diamanten nebeneinander angeordnet. Infolgedessen brauchen die bombardierenden Teilchen auf den Diamanten mehr oder weniger nur an der Oberfläche einzuwirken, während in Figur 2 die Elektroden auf entgegengesetzten Flächen des Diamanten angebracht sind, so daß der Leitungsstrom eine Erscheinung darstellt, die durch die Masse des Diamanten hindurch wirkt. Das bedeutet, daß bei dem System nach Figur 2 die bombardierenden Teilchen und die durch das Bombardement ausgelösten Teilchen beide in gleicher Weise auf die ganze Masse des Diamanten einwirken.

In Figur 1 also sind zwei leitende Metallfilmelektroden 1 und 2 auf ein und derselben Fläche des Isolators 3 angebracht. Der Spalt 4, der die Elektroden trennt, ist verhältnismäßig schmal. Breiten zwischen 0,00254 bis 0,02032 cm sind mit Erfolg benutzt worden.

Diese Elektroden können hergestellt werden, indem man die Diamantenoberfläche etwa in der Mitte unterteilt, und zwar spannt man hierzu einen Draht von entsprechendem Durchmesser quer, in enger Berührung mit der Diamantoberfläche. Dann bringt man eine Lage von leitendem Metall auf diese Fläche auf, indem man es im Vakuum verdampft. Der durch den Draht geworfene Schatten läßt einen Spalt entstehen, wenn der Draht fortgenommen wird, und zwar einen solchen von gleichmäßiger Breite, über den hinweg der Widerstand groß ist.

Die geladenen Teilchen mögen einen Strahl oder ein Bündel darstellen, das auf die Diamantenoberfläche auffällt und allgemein mit der Bezugsziffer 5 bezeichnet ist. Selbstverständlich ist das Bündel dort am wirksamsten, wo es die Diamantenoberfläche in dem Spalt trifft, aber je nach der Art der geladenen Teilchen stellen die Elektroden nicht notwendigerweise eine völlige Abschirmung dar. Die späteren Figuren werden genauer und in Einzelheiten Anordnungen mit den Elementen zeigen, die hier im wesentlichen nur schematisch angedeutet sind. Der Einfallswinkel ist nicht entscheidend.

Mäßige elektromotorische Kräfte, die zwischen diesen Elektroden mit Hilfe einer Stromquelle 6 wirksam gemacht werden, erzeugen verhältnismäßig starke elektrische Felder in den der Oberfläche unmittelbar angrenzenden Teilen des Diamanten, und die sich ergebenden Impulse der erzeugten Leitfähigkeit, die in dem schematisch angedeuteten Instrument I beobachtet werden, treten nur in dieser obersten Schicht auf. In den mehr ins einzelne gehenden Erläuterungen zu den übrigen Figuren der Zeichnung werden mengenmäßige Angaben für bestimmte physikalische und elektrische Abmessungen gegeben, die in den Figuren 1 und 2 gezeigt bzw. nur angedeutet sind.

Figur 2 stellt die zweite Ausführungsform für die Anbringung der Elektroden dar. Hier sind die Elektroden 1 und 2 auf entgegengesetzte Flächen des Diamanten 3 angebracht. Eine typische Ausführungsform eines solchen Diamanten für diesen Zweck möge etwa 0,635 cm im Durchmesser und etwa 0,0508 cm Dicke aufweisen. Hierbei erzeugt eine Spannungsdifferenz der Stromquelle 6 von 100 V über diese Elektroden ein gleichförmiges elektrisches Feld von etwa 2000 V/cm durch die Masse des Diamanten hindurch. Bei dieser Art der Elektrodenanbringung verlaufen die erzeugten Leitfähigkeitsimpulse, die mit dem Anzeigeinstrument I beobachtet werden, von der Stirnseite zur Rückseite durch den Diamanten hindurch, anders also als bei der Ausführungsform nach Figur 1, bei der die Impulse nur im Gebiet der vorderen Fläche verlaufen, und zwar in Richtung längs dieser Oberfläche.

In Figur 3, die eine praktische Verwirklichung eines Systems veranschaulicht, das nach den anhand von Figur 1 und 2 - insbesondere aber der letzteren - erläuterten Grundgedanken arbeitet, sind entsprechende Elemente durch die gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet. Der Diamant 3 ist mit metallischen Elektroden 1 und 2 wie in Figur 2 überzogen. Das Ganze ist in einem evakuierten Behälter 7 angeordnet. Die Quelle 8 der geladenen Teilchen, die zunächst als Quelle von Alpha-Teilchen angenommen wird, möge aus einem kleinen Stück eines Silberplättchens 9 bestehen, auf dem eine Lage Radium-Sulphat niedergeschlagen ist, und zwar mit einer bestimmten Oberflächendichte, bezogen auf den Radiumgehalt. Um ein praktisches Beispiel zu nennen, möge eine Dichte von 1,86 Mikrogramm Radium pro qcm angenommen werden. Mit dem Bezugszeichen 10 ist eine schematisch angedeutete Haltevorrichtung für das Silberplättchen bezeichnet. In der Technik gibt es passende Beispiele für ähnliche Halter und auch für andere Elemente, die in einem evakuierten Gefäß angebracht sind. Auch andere Kunstgriffe, wie sie der Stand der Technik kennt, können mit Vorteil benutzt werden, wie z. B. magnetische Steuermittel, um die besondere Richtung festzulegen, in der die Teilchen auf den Diamanten auftreffen, oder auch um die Lage der Quelle für die Alpha-Teilchen gegenüber der Öffnung 11 in einem diaphragmaähnlichen Element 12 so einzustellen, daß damit weiterhin das genaue Zusammenarbeiten des Bündels der geladenen Teilchen und des Diamanten bestimmt und begrenzt ist.

Die gleiche Darstellung gilt auch für die Verwendung einer Quelle von Beta-Teilchen. In diesem Falle kann das

Element 9 als Glasstück ausgebildet sein, auf dem eine geringe Menge künstlich radioaktivierten Strontiums angebracht ist.

Eine genau vorbestimmte Spannung, deren Wert durch das Meßinstrument V angezeigt werden kann, möge an den Diamanten angelegt werden, d. h. an seine Elektroden, und zwar mittels einer Stromquelle und eines Potentiometers, die zusammen mit der Bezugsziffer 13 bezeichnet sind. Die bombardierte Oberfläche des Diamanten kann in Bezug auf die gegenüberliegende Fläche mit Hilfe eines Umschalters 14 wahlweise positiv oder negativ gemacht werden. In dem Sonderfall der Figur 3 treten die bombardierenden Teilchen natürlich zuerst in die ihnen ausgesetzte Elektrode ein, bevor sie auf den Diamanten einwirken. Diese Wirkungsweise stellt aber keineswegs eine wesentliche Abweichung von der anderen Ausführungsform dar, bei welcher der Diamant unmittelbar bombardiert wird. Der Anzeigekreis enthält einen Verstärker 15 und ein Kathodenstrahlen-Oscilloskop 16, die beide nur schematisch dargestellt sind, um damit anzudeuten, daß die Mittel, die im einzelnen angewandt werden, um diese Aufgaben zu erfüllen, als solche von untergeordneter Bedeutung sind.

Es ist keineswegs ein unabdingbares Erfordernis, daß der Behälter evakuiert sein müsse. In der Praxis wird ein angenähertes Vakuum nur deshalb benutzt, um die kleinen Impulse erzeugter Leitfähigkeit auszuschließen, die durch die Ionisation der Luft verursacht werden können, wie sie beim Durchgang der geladenen Teilchen durch die Luft auf dem Wege zum Diamanten hervorgerufen wird. Diese geringfügigen Erscheinungen können nämlich auch auf andere Weise - wie natürlich auch in Verbindung mit der Verwendung eines Vakuums - weitgehend dadurch ausgeschlossen werden, daß man die Quelle für die Teilchen in so geringem Abstand als nur irgend möglich beim Diamanten anordnet, was erforderlich macht, daß der Diamant 3, die Quelle 8 und das Diaphragma 12 alle sehr dicht beieinander liegen müssen.

Figur 4 veranschaulicht in angenähertem Maßstabe die darstellenden Ergebnisse einer erfindungsgemäßen Ausführungsform in einer Anordnung ähnlich derjenigen der Figur 3, bei der als geladene Teilchen Alpha-Teilchen dienen, die durch den Radiumbestandteil des Radium-Sulphats ausgesandt werden. Die Darstellung zeigt einen tatsächlichen Verlauf der Spuren auf einem Oscilloskop-Schirm, wobei die Ordinaten den Strom durch den Diamanten darstellen, wie er durch das Bombardement der geladenen Teilchen erzeugt wird, während die waagerechte Achse die Zeit angibt. Das in Figur 4 dargestellte Oscilloskopbild wurde photographisch mit 1/20 Sekunde Belichtungsdauer hergestellt.

Eine Spannung von 100 oider 200 V war den Elektroden aufgedrückt worden, wobei die bombardierte Elektrode mit dem negativen Pol der Batterie verbunden war. Jede der angezeigten senkrechten Spitzen, d. h. Verschiebungen des Kathodenstrahles, stellt einen Impuls erzeugter Leitfähigkeit dar, der in dem Diamanten durch das Beschießen mit einem einzelnen Alpha-Teilchen hervorgerufen wurde und einen außerordentlich kleinen Bruchteil einer Sekunde andauerte. Diese Emana- tionen von Alpha-Teilchen treten unregelmäßig längs der waagerechten Spur auf, entsprechend der wohlbekannten Tatsache, daß Alpha-Teilchen in unregelmäßiger, zufälliger zeitlicher Aufeinanderfolge vom Radium ausgesandt werden. Diese Impulse haben, wie ersichtlich, unterschiedliche Höhen. Eine Eichung des bei dem Versuch benutzten Anzeigekreises ergab, daß die größte Impulshöhe einer Ladung von mindestens 5 x 10(exp)5 Elektronen entsprach. Gleichzeitig wurde klargestellt, daß eine Umkehr der gegenseitigen Polarität der Elektroden des Diamanten eine Umkehr des in Figur 4 dargestellten Bildes ergab, wobei dann also die Verschiebungen in Richtung nach unten erfolgten.

Hervorzuheben ist, daß diese Verschiebungen einer Grundverschiebung b überlagert sind, die in Figur 4 als Bereich mit unregelmäßigen Grenzen erscheint. Diese Grunderscheinung erhält man, wenn man die Spannung von den Diamant-Elektroden fortnimmt. Die Verschiebungen erzeugen dann nämlich die Grunderscheinung entsprechend demjenigen Geräusch, das für den Verstärker kennzeichnend ist. Es ist aus Figur 4 verständlich, daß die Anordnung nach Figur 3 für mengenmäßige Messungen der durch Bombardement erzeugten Leitfähigkeit des Diamanten benutzt werden kann, wie andererseits auch zur Messung der Stärke eines bestimmten Impulses oder schließlich der Zahl der Impulse. Wenn man den Bereich der Abscisse, der nur einen kleinen Zeitraum umfaßt, vergrößert und auch die Amplitude der Impulse verstärkt, wie es beim Arbeiten mit dem Oscilloskop üblich ist, ist es durchaus möglich, die Wirkung des Einfallens einzelner bombardierender Teilchen zu zählen und abzuschätzen.

Die Verwendung eines Feldes von 2000 V/cm oder sogar weniger ist zureichend, um diese Stromimpulse aufzuzeigen. Beispielsweise sind solche Impulse mit nur 5 V zwischen den Elektroden der Ausführungsform nach Figur 1 erzielt worden, unter Anwendung der Anordnung nach Figur 3, bei einem Elektrodenabstand von 0,00254 cm. Ebenso sind diese Stromimpulse bei Verwendung der Elektrodenanordnung nach Figur 2 mit einer Spannung von weniger als 100 V erzielt worden bei einer Diamantendicke von etwa 0,0508 cm.

Die Beobachtung dieser erzeugten Leitfähigkeitsimpulse unter Verwendung eines Verstärkers 15 mit einer außerordentlich hohen Geschwindigkeitscharakteristik ergab, daß die auf dem Oscilloskop beobachtete Anstiegszeit des Impulses etwa 0,15 Mikrosekunden betragen hat. Da diese Darstellung ihre Grenze in dem Verstärker selbst findet, so ist es vernünftig, aus dieser Beobachtung den Schluß zu ziehen, daß die Anstiegszeit des Impulses in Wirklichkeit noch weniger als 0,15 Mikrosekunden beträgt. Praktisch liegen Gründe vor für die Annahme, daß sie sogar erheblich kürzer ist. Nimmt man an, daß die Zeit für die Rückbildung des Isolators in der gleichen Größenordnung liegt wie die Anstiegszeit, so bedeutet diese Beobachtung, daß getrennt und unabhängig voneinander feststellbare Impulse im Diamanten auftreten, wenn die Alpha-Teilchen, die ihn treffen, zeitlich 0,15 Mikrosekunden oder weniger auseinanderliegen. Das bedeutet, daß die Anordnung nach Figur 3 in der Lage ist, das Eintreffen von Alpha-Teilchen in der Größenordnung von etwa 7 Millionen/Sekunde oder mehr anzuzeigen.

Alle die beschriebenen erzeugten Leitfähigkeitsimpulse wurden mit dem Diamanten bei gewöhnlicher Raumtemperatur beobachtet. Diese Tatsache ist in Bezug auf den Stand der Technik von Bedeutung, da bisher das, was der Erfindung wahrscheinlich am nächsten kommt, eine Temperatur von etwa derjenigen der flüssigen Luft erforderte, während bei Raumtemperatur keine praktischen Ergebnisse erzielt wurden, wobei außerdem auch noch ganz andere Arten von Kristallen benutzt wurden und auch nicht dieselbe Vielfalt hinsichtlich der Art der geladenen Teilchen.

Es ist schon dargestellt worden, daß die Anordnung nach Figur 3 auch für das Bombardement mit Beta-Teilchen benutzt werden kann anstelle einer solchen mit Alpha-Teilchen. Es sind Beobachtungen ähnlich der nach Figur 4 auch für Bombardements mit Beta-Teilchen gemacht worden, wobei sich ergeben hat, daß diese Ergebnisse in ihrer Art ähnlich sind, wenn auch nicht in ihrer Größe. Es bestand auch die gleiche Abhängigkeit dieser Impulse von der Polarität der angelegten Spannung. Im Durchschnitt waren die Impulse im Vergleich zu denen der Alpha-Teilchen kleiner, und zwar betrugen sie etwa den 4. oder 5. Teil, was man auch erwarten mußte, weil ja die Alpha-Teilchen etwa die 4- oder 5-fache Energie der benutzten Beta-Teilchen besaßen.

Figur 5 befaßt sich vor allem mit einer als Zähler dienenden Verwirklichung des Erfindungsgedankens. Entsprechende Elemente sind mit den gleichen Kennziffern versehen wie in Figur 3, wobei der wesentliche Unterschied in der Verwendung des Zählers 20 anstelle des Oscilloskops der Figur 3 besteht. An sich sind Impulszähler in großer Vielfalt und für verschiedene Zwecke bekannt. Auch ist bekannt, daß sie leichter zu handhaben sind als das Oscilloskop nach Figur 3. Eine Spannung von 200 oder 300 V möge an den Diamantkristall angelegt werden. Der Aufbau des Kristalls und seiner Elektroden mögen so gewählt sein, daß er einen Raum einnimmt, dessen Abmessungen in jeder Richtung weniger als 0,635 cm betragen. Diese Anordnung wird der gewünschten Strahlungsquelle ausgesetzt, deren Teilchen gezählt werden sollen. Die Stromimpulse, die jedesmal durch den Diamanten fließen, wenn ein geladenes Teilchen eindringt, werden wie ersichtlich verstärkt, und die Zeichen, die auf diese Weise entstehen, werden durch die Zähleinrichtung 20 gezählt, die so eingestellt sein möge, daß nur Impulse oberhalb einer bestimmten vorgegebenen Amplitude für das Zählen ausgelesen werden.

Figur 6 veranschaulicht einen Verstärker, der den Erfindungsgedanken verwirklicht. Bei diesem wird eine Welle, die von einem Kreis 21 ausgeht und die verstärkt werden soll, in verstärkter Form dem Ausgangskreis 22 der Beschußscheibe 23 zugeführt, und von dort kann sie mit einem Oscilloskop oder einem Zähler 24 in ähnlicher Weise wie bei den Abwandlungen nach Figur 3 oder 5 benutzt werden. Ebenso kann sie auch über den wahlweise anwendbaren Ausgangskreis nach Figur 9 für jeden anderen Zweck verwandt werden, für den sonst verstärkte Wellen in Frage kommen. Natürlich kann bei der Anordnung nach Figur 6 ein Verstärker zwischen der Beschußscheibe 23 und den entsprechenden Mitteln 24 in ähnlicher Weise wie in Figur 3 und 5 eingeschaltet werden, je nachdem, wie es die genannten Mittel 24 für die wirksamste Arbeitsweise erfordern.

Im einzelnen sei erläutert, daß der Verstärker ein evakuiertes Gefäß 25 besitzt, das durch leitende Platten 32 und 33 begrenzt ist. Der Querschnitt des Rohres ist in Figur 7 gezeigt. Eine kritische Spannungsdifferenz zwischen den Platten ist durch Stromquelle und Potentiometer 27 festgelegt, und zwar ist die obere Platte 32 in der Darstellung negativ gegenüber der unteren Platte 33. Unter diesen Bedingungen werden die Elektronen, die von einer Elektronenquelle 28 ausgeschleudert werden, von der oberen Platte so zurückgeworfen, daß sie eine parabolische Flugbahn erhalten, die es den Elektronen ermöglicht, gegebenenfalls auf die Beschußscheibe 23 zu treffen. Die Schwingungen des Eingangskreises 21 beeinflussen den statischen elektrischen Zustand der Platten in dem Maße, daß sie den Verlauf der Elektronen zur Öffnung 29 steuern, von der aus sie auf die Beschußscheibe 23 treffen. Wie schon vorher dargelegt, bedeutet die Tatsache, daß ein Bündel geladener Teilchen auf die Beschußscheibe 23 einfällt, wie das Elektronenbündel in vorliegendem Falle, nichts anderes als eine Verstärkung im Ausgangskreis der Beschußscheibe. Dadurch, daß nun die Spannungsdifferenz zwischen den Platten 32 und 33 in dem Maße schwankt, wie es der durch die Quelle 21 über die konstante Spannungsdifferenz der Quelle 27 überlagerten Spannung entspricht, ist dieses verstärkte Ergebnis proportional den zu verstärkenden Schwingungen der Quelle 21.

Die Elektronenquelle 28 ist nur schematisch dargestellt, da ihre Einzelheiten, die in der Figur ebenfalls nur schematisch angedeutet sind, in bekannter Weise ausgebildet sein können, so daß für die Wahl der im einzelnen anzuwendenden Mittel eine vielfältige Möglichkeit der Auswahl unter den bekannten Ausführungsformen besteht.

In der Anordnung nach Figur 6, die bei der Erfindung benutzt ist, sind verschiedene besondere Abänderungen hinsichtlich des bombardierten, als Beschußscheibe dienenden Isolators enthalten, im Vergleich zu den vorherigen Figuren. Beispielsweise wird als Material für den Kristall anstelle eines Diamanten vorzugsweise Quarz benutzt. Eine weitere Abänderung hinsichtlich der Anordnung der Elektroden daran wird am besten an Hand der Figur 8 verstanden. Wie in Figur 8 gezeigt, haben die Elektroden das Aussehen von dünnen, ineinandergreifenden Gittern, wie es die Teile 30 und 31 darstellen. Diese Elektroden mögen, wie es bei der praktischen Ausführung geschehen ist, durch dünne Goldplättchen der gezeichneten Form dargestellt sein, die auf die dem Auftreffen ausgesetzte Oberfläche des Quarzkristalls aufgespritzt sind. Die Anordnung der Elektroden ist daher ähnlich derjenigen der Figur 1 und unterscheidet sich gegenüber dieser im einzelnen durch die besondere Übereinstimmung der gegenüberstehenden Elektrodenspitzen und durch ihre metallische Beschaffenheit. Diese Elektrodenanordnung nach Figur 8 verbessert die durch Bombardement erzeugte Leitfähigkeit des Stoffes und seine Ansprechempfindlichkeit.

Der Zähler gemäß vorliegender Erfindung ist überall dort anwendbar, wo der gebräuchliche Gasrohrzähler nach Geiger-Müller in Untersuchungen der Kernphysik angewandt wird, um radioaktive Strahlungen zu messen. Diese mit einem festen Isolator arbeitenden Zähler sind mit niedrigen Span- nungen benutzt worden, bis hinunter zu 1 oder 2 V Spannungsdifferenz zwischen den Elektroden, wenn die Elektrodenanordnung gemäß Figur 1 angewandt wurde. Diese Arbeitsweise mit niedriger Spannung legt die Möglichkeit nahe, solche Zähler in Raketen, Wetterballons und überall dort anzuwenden, wo ein niedriges Batteriegewicht sowie geringe Abmessungen und Kosten von Bedeutung sind. Das Fehlen eines elektrischen Durchbruchsbei großer Höhe ist ein Vorteil, der sich aus der niedrigen Arbeitsspannung bei dem Zähler gemäß vorliegender Erfindung ergibt.

Wegen seiner geringen Abmessungen kann der Diamantenzähler auch in kleine Hohlräume eingeführt werden, um darin radioaktive Ausstrahlungen zu messen. So ist es beispielsweise durchaus möglich, den Diamantenzähler in Körperöffnungenvon Tieren oder Menschen einzuführen, um Strahlungsmessungen und biologische Untersuchungen anzustellen. Aus den geringen Abmessungen ergibt sich weiterhin der Vorteil, daß der Diamant nur eine niedrige Grundanzeige ergibt, wie sie als Folge von Streustrahlungen auftritt.

Weil der mit einem Diamanten als Isolator arbeitende Zähler in genügend starkem Maße auch dann anspricht, wenn er so klein gemacht wird als es mechanische Gründe vernünftigerweise zulassen, ist er als Instrument von großer auflösender Wirkung anzusprechen, so daß er Unterschiede der Strahlungsstärke innerhalb eines Raumes anzeigen kann, indem nämlich das Gerät verschoben wird, um den Raum Punkt für Punkt zu untersuchen. Es sind Zähler gemäß vorliegender Erfindung mit Erfolg benutzt worden, bei denen der den Alpha-Teilchen ausgesetzte Bereich des Diamanten nur 0,00254 . 0,508 cm betragen hat. Die Breite von 0,00254 cm ergibt eine außerordentlich hohe räumliche auflösende Leistung.

Die große Dichte, d. h. die hohe absorbierende Kraft des Diamantenzählers, bedeutet gegenüber dem Geiger-Müller-Zähler einen Vorteil bei der Messung von stark durchdringenden Strahlungen, die beim Durchgang durch ein Gasrohr nicht genügend Energie abgeben, um dieses zu betätigen. Dieser Vorteil des Diamantenzählers ist besonders bedeutungsvoll bei Messungen von schwachen Quellen stark durchdringender Strahlen.

Der mit einem Diamanten als Isolator arbeitende Zähler besitzt eine große Zählgeschwindigkeit dank des Umstandes, daß die Zeit zum Sammeln der durch Alpha-Teilchen losgelösten Elektronen sehr klein ist. Ein Versuch hat gezeigt, daß diese zum Sammeln erforderliche Zeit höchstens 0,15 Mikrosenkunden beträgt. Es besteht Grund zu der Annahme, daß diese Zeit sogar nur 0,01 oder vielleicht gar nur 0,001 Mikrosekunden beträgt. Diese Zeit ist viel kleiner als die entsprechende Zeit für den Geiger-Müller-Zähler und ist von besonderer Bedeutung bei Messungen starker radioaktiver Strahlen, weil der Diamant bei hohen Geschwindigkeiten genauer zählt als der Geiger-Müller-Zähler. Daher ist die Gefahr, daß mehrere etwa gleichzeitig auftretende Alpha-Teilchen als ein einziger Impuls gezählt werden, sehr viel kleiner als bei dem Geiger-Müller-Zähler.

Da es beim Diamantenzähler nicht notwendig ist, ihn in einen Behälter einzuschließen, sind Absorptionsverluste durch die Behälterwände nicht notwendigerweise vorhanden, was ein außerordentlich wichtiger Vorteil vor allem bei der Messung von Strahlungen kleiner Wellenlängen bedeutet. Beispielsweise kann der Diamantenzähler in ein flüssiges Dielektrikum eingetaucht werden, um die Strahlung von darin gelösten radioaktiven Substanzen zu messen. Ein wichtiges Merkmal des Diamantenzählers ist, daß er unter allen Umständen empfindlich arbeitet. So ist beobachtet worden, daß in ihm ein Elektron mit nur 10 Elektronenvolt Energie eines Alpha-Teilchens ausgelöst werden kann. In Luft verbraucht das Alpha-Teilchen eine Energie von etwa 35 Elektronenvolt für jedes Elektron, das durch Ionisation ausgelöst wird. Somit ist die Empfindlichkeit des Diamantenzählers sicher mehrfach so groß wie die des Ionisationszählers.

Als weiteres Hilfsmittel für die praktische Ausführung der Erfindung, insbesondere im Hinblick auf die Wahl des festen Isolators, der dabei im Sinne der Erfindung anstelle des Diamanten benutzt werden kann, werden nachstehend einige Überlegungen angestellt. Theoretische Erwägungen führen zu der Annahme, daß es wünschenswert ist, einen Isolator des Einkristalltyps zu verwenden, der einen spezifischen Widerstand von mehr als vielleicht 10(exp)8 Ohn/cm besitzt, einen hohen Grad chemischer Reinheit aufweist und frei ist von unelastischen Spannungen oder anderen Kristallfehlern. Diese Überlagerungen lassen es möglich erscheinen, daß man für den vorgenannten Zweck einige oder mehrere der nachstehend aufgeführten Isolatoren verwenden kann: Zinksulfid, alkalische Halogenverbindungen (wie insbesondere Chlorkalium), Magnesiumoxyd, Flußspat, Quarz, salpetersaures Natron, Topas, Silberchlorid, Pottaschen-Feldspat, Beryll, Kalkspat, Apatit, Marienglas, Turmalin und Smaragd. Von diesen hat der Erfinder bereits mit Zinksulfid, Magnesiumoxyd, Flußspat und Quarz gearbeitet.

Es ist offensichtlich, daß die Erfindung ein nützliches Hilfsmittel schafft, mit dem man sehr verschiedenartige einfallende elektrische Strahlungen messen kann, angefangen von den verhältnismäßig langsamen Elektronen im Bündel einer Kathodenstrahlenanordnung niedriger Spannung bis zu den äußerst schnellen negativen Teilchen der Beta-Strahlung, wobei es sich um Elektronen und Teilchen mit Geschwindigkeiten handelt, die Energien von der Größenordnung von 500 bis zu 5 000 000 Elektronenvolt entsprechen. Es ist also festzustellen, daß die Erfindung in einem sehr großen Anwendungsbereich verschiedenster Begleitumstände mit Nutzen anwendbar ist, zumal sie bei Raumtemperaturen äußerst starke Wirkungen zeigt und in sehr gedrängten Ausführungsformen hergestellt werden kann.

Claims (14)

1. Verfahren zur Erzeugung elektrischer Leitfähigkeit in einem Isolator durch Bombardieren des Isolators bei gewöhnlichen Temperaturen mit elektrisch beladenen Teilchen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die bombardierenden Teilchen negativ geladen sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 unter Verwendung von Beta-Teilchen als bombardierende Teilchen.

4. Verfahren nach Anspruch 1 unter Verwendung von Alpha-Teilchen als bombardierende Teilchen.

5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die negativ geladenen Teilchen Energien von 500 bis zu 5 000 000 Elektonenvolt aufweisen.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche unter Verwendung von Diamant als Material für den Isolator.

7. Verfahren nach Anspruch 6 unter Verwendung eines Diamantenkristalls, wobei die bombardierenden Teilchen in seinem Innern eine Ionisation bewirken.

8. Anordnung zur Anwendung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche mit zwei leitenden Elektroden, die auf getrennten Teilen der Isolatoroberfläche angebracht sind, und einem die Elektroden miteinander verbindenden Kreis mit einer Stromquelle zur Erzeugung einer elektromotorischen Kraft sowie einem elektrischen Impulszähler, der in der Lage ist, einzelne Impulse des Kreises anzuzeigen, die dann auftreten, wenn der Kristall durch geladene Teilchen bombardiert wird.

9. Anordnung nach Anspruch 8, bei der der Stromkreis weiterhin ein Kopplungselement enthält sowie einen Verstärker, der zwischen der Spannungsquelle und dem Impulszähler in Kaskade angeordnet ist.

10. Anordnung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 5, 6 oder 7, die als Verstärker arbeitet und eine Quelle von Elektronen als bombardierende Teilchen enthält, ferner Elektroden, die auf dem Isolator befestigt sind, eine Quelle zur Erzeugung einer elektrischen Spannungsdifferenz, die an die Elektroden angeschlossen ist, um zwischen diesen einen Leiterstrom nach Maßgabe des Auftreffens von Elektronen auf die Isolatoroberfläche zu erzeugen, sowie schließlich eine Quelle von Schwingungen, die verstärkt werden sollen, und Mittel zur Steuerung der Zahl der bombardierenden Elektronen nach Maßgabe der zu verstärkenden Schwingungen.

11. Anordnung nach Anspruch 10, bei der die bombardierenden Elektronen zu einer vorgeschriebenen Bahn gezwungen sind, während der Isolator am Ende der genannten Bahn, entfernt von der Elektronenquelle, angeordnet ist, mit Mitteln zum Steuern der Zahl der bombardierenden Elektronen, d. h. zum Steuern der Flugbahn nach Maßgabe der zu verstärkenden Welle, sowie schließlich mit Elementen, die an die Elektroden angekoppelt sind und dazu dienen, die Schwingungen nutzbar zu machen, die nach Maßgabe der zu verstärkenden Schwingungen in verstärkter Form auftreten.

12. Anordnung nach Anspruch 10 oder 11, bei der der Isolator einen Kristall mit einem spezifischen Widerstand von mehr als 10(exp)8 Ohm/cm darstellt, wie beispielsweise Zinksulfid, eine Alkali-Hallogenverbindung, insbesondere Chlorkalium, ferner Magnesiumoxyd, Flußspat, Quarz, salpetersaures Natron, Topas, Silberchlorid, Kali-Feldspat, Beryll, Kalkspat, Apatit, Marienglas, Turmalin oder Smaragd.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 10, 11 oder 12, bei der die Elektroden gitterähnliche Goldplättchen auf einer gemeinsamen Oberfläche des Isolators darstellen, die gezackte, ineinandergreifende gegenüberstehende Spitzen besitzen.

14. Anordnung nach Ansprüchen 10 - 13, bei der die vorgeschriebene Bahn mit Hilfe eines Paares leitender Platten beeinflußt wird, von denen die eine gegenüber der anderen negativ vorgespannt ist, während die Quelle der zu verstärkenden Schwingungen mit den Platten verbunden ist, so daß sie ihre Spannungsschwankungen dem Grundpotential überlagert, wobei die bombardierenden Elektronen in Richtung auf die negative Platte in den Raum zwischen den beiden Platten geschleudert werden und ihre vorgeschriebenen Bahnen durch die Spannungsdifferenz der Platten bestimmt sind.