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Verfahren zur Messung geringer Strahlenintensitäten, insbesondere
von Röntgen- und Gammastrahlen Zum Nachweis von sichtbarem und ultraviolettem Licht,
von Röntgen- und Gammastrahlen sowie von Korpuskularstrahlen aller Art bietet die
Verwendung von Photowiderständen viele Vorteile. Es ist bekannt, daß sich vor allem
die Chalkogenide von Cadmium, Zink und Quecksilber, insbesondere die Sulfide und
Selenide von Cadmium, die in Form größerer einheitlicher Kristalle oder kristalliner
Schichten synthetisch hergestellt werden können, durch eine sehr hohe Empfindlichkeit
auszeichnen. Die Photoströme dieser Chalkogenide liegen um viele Größenordnungen
höher als die Photoströme von Photozellen oder Ionisationskammern; die benötigten
Meßspannungen (Speisespannungen) betragen meist nur einige Volt.
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Trotz der hohen Empfindlichkeit ist es bisher nicht gelungen, mit
Hilfe der genannten Chalkogenide ein Strahlungsmeßgerät zu bauen, das auch geringe
Strahlungsintensitäten zu messen gestattet. Obwohl nämlich die in empfindlichen
Kristallen oder kristallinen Schichten erzeugten Photoströme von einfachen Strommessern
noch ohne weiteres angezeigt werden, scheitert die technische Verwendung derartiger
Photowiderstände an den außerordentlich langen Einstellzeiten des Endwertes des
Photostromes bei der Messung geringer Strahlenintensitäten. So wurde beispielsweise
an CdS-Kristallen, die lange Zeit jeder Einwirkung von Strahlen entzogen waren,
bei Beaufschlagung mit Gammastrahlen von l0-4r/sec ein Ansteigen des Photostromes
über einige Tage beobachtet.
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Durch das vorliegende Verfahren wird die lange Einstellzeit der erwähnten
Chalkogenide beim Einfall geringer Strahlenintensitäten derart herabgesetzt, daß
der technischen Verwendung dieser Chalkogenide als Photowiderstände zur Messung
geringer Strahlenintensitäten, insbesondere von Röntgen- und Gammastrahlen, nichts
mehr im Wege steht. Dabei wird der aus einheitlichen Kristallen oder kristallinen
Schichten aus Chalkogeniden von Cadmium, Zink oder Quecksilber bestehende, mit einer
großen Einstellträgheit behaftete Photowiderstand, in dem eine Meßspannung einen
der Intensität der auffallenden Strahlung entsprechenden Photostrom hervorruft,
erfindungsgemäß zur Herabsetzung seiner Einstellträgheit kurzzeitig oder länger
andauernd einer nur die Auffüllung von Störstellen (Haftstellen) mit Elektronen
bewirkenden Vorbestrahlung vor jeder Messung durch Beta- und/oder Gammastrahlen
ausgesetzt.
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Wesentlich für eine derartige Vorbestrahlung ist, daß dabei eine
merkliche Erhöhung der Dunkelleitfähigkeit vermieden wird, da sonst die Messung
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ringer Strahlungsintensität vereitelt würde. Ohne die Vorbestrahlung müssen die
Haftstellen erst durch die zu messende Strahlung gefüllt werden, wodurch ein langsames
Ansteigen des Stromes, d. h. eine Einstellträgheit hervorgerufen wird. Dabei ist
es unwesentlich, ob während der Vorbestrahlung an die Kristalle bzw. an die kristalline
Schicht eine Spannung angelegt ist oder nicht. Durch die vorliegende Vorbestrahlung
konnte beispielsweise die Einstelldauer von CdS-Kristallen unter den obenerwähnten
Bedingungen auf wenige Minuten verringert werden.
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Zur Herabsetzung der Trägheit von Selenzellen ist es bekanntgeworden,
diese Zellen einer dauernden oder zeitweisen Zusatzbelichtung auszusetzen. Es handelt
sich hierbei also um eine Belichtung zusätzlich zu der zu messenden Belichtung.
Dieses Verfahren läßt sich nicht ohne weitgehende Abänderungen zur Lösung der erfindungsgemäßen
Aufgabe anwenden, die darin besteht, hochempfindliche einheitliche Kristalle oder
kristalline Schichten aus Chalkogeniden von Cadmium, Zink oder Quecksilber zur Messung
geringer Strahlenintensitäten dadurch brauchbar zu machen, daß ihre Einstellträgheit
vermindert wird. Zunächst ist bezüglich des Unterschiedes, daß es sich im Falle
des bekannten Verfahrens um eine Belichtung, dagegen bei der Erfindung um eine Vorbestrahlung
durch Beta- oder Gammastrahlen handelt, zu sagen, daß Beta- und Gammastrahlen gleichzeitig
sowohl das ganze Kristallvolumen erregen, als auch genügend energiereich sind, um
Elektronen aus dem Grundgitter in den beweglichen Zustand zu bringen. Licht besitzt
demgegenüber nur die eine oder die andere der beiden geschilderten Eigenschaften,
so daß eine Belichtung
meist eine weniger gute Wirkung hinsichtlich
der Trägheitsverringerung hat als die erfindungsgemäße Vorbestrahlung mit Beta-
oder Gammastrahlen. Weiterhin handelt es sich bei der Erfindung im Gegensatz zu
dem bekannten Verfahren um eine Vorbestrahlung zur Verringerung der Einstellträgheit.
Eine Bestrahlung während der Messung, wie sie bei dem bekannten Verfahren in Gestalt
einer Zusatzbelichtung vorgenommen wird, bedingt eine für die Messung geringer Strahlenintensitäten
unzulässig große Verringerung der Empfindlichkeit des Photowiderstandes. Aus diesen
Gründen kann das bekannte Verfahren kein Vorbild für die Lösung der der Erfindung
zugrunde liegenden Aufgabe darstellen.
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Ein sehr einfaches und billiges Verfahren zur Erzeugung der Vorbestrahlung
gemäß der Erfindung besteht darin, daß man in der Nähe des Photowiderstandes oder
unmittelbar auf diesem ein radioaktives Präparat von einigen p-Curie Stärke anbringt.
Die auf den Photowiderstand einwirkende Beta- und/ oder Gammastrahlung eines solchen
radioaktiven Präparates genügt meist vollauf, um die Einstellzeiten um mehrere Größenordnungen
herabzusetzen, ohne daß dabei der Dunkelstrom der Meßanordnung meßbar ansteigt.
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Es ist bereits eine lichtelektrische Zelle bekanntgeworden, bei der
dem als Hauptbestandteil gewählten Stoff zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit
der Zelle entweder geringe Mengen gut leitender Stoffe oder radioaktive Stoffe zugesetzt
werden. Diese Erhöhung der Dunkelleitfähigkeit muß, wie oben bereits ausgeführt,
beim vorliegenden Verfahren auf jeden Fall vermieden werden, da hierdurch die Empfindlichkeit
leiden würde.
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Es ist weiterhin bekannt, aus Bleisulfid oder Eisensulfid bestehende
Detektorsteine einer radioaktiven Alphastrahlung auszusetzen, indem diesen Kristallen
beispielsweise Caliumuranat oder Natriumuranat zugesetzt wird. Weiterhin ist es
bekannt, einheitliche Kristalle oder kristalline Schichten aus Chalkogeniden von
Zn, Cd, Hg oder einem Gemisch aus diesen, insbesondere Cadmiumsulfidkristalle, über
eine längere Zeit mit energiereichen Korpuskularstrahlen, beispielsweise mit Alphateilchen,
zu bestrahlen. Diese Bestrahlung wird jedoch nicht vorgenommen, um die Einstellzeiten
derartiger Kristalle beim Einfall von geringen Strahlintensitäten zu verkürzen;
vielmehr soll durch diese Bestrahlung die Empfindlichkeit dieser Kristalle im linearen
Bereich erhöht werden. Zur Messung geringer Strahlenintensitäten muß eine Erhöhung
der Dunkelleitfähigkeit vermieden werden.
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Demzufolge muß bei dem vorliegenden Verfahren eine Bestrahlung der
Chalkogenide von Cadmium, Zink oder Quecksilber mit Alphateilchen gerade vermieden
werden, da die Bestrahlung mit Alphastrahlen bei diesen Chalkogeniden eine Erhöhung
der Dunkelleitfähigkeit hervorrufen würde, so daß sie nicht mehr zur Messung geringer
Strahlenintensitäten geeignet sind. Wird daher für die Vorbestrahlung der genannten
Photowiderstände gemäß der Erfindung ein radioaktives Präparat verwendet, das auch
Alphastrahlen aussendet, so ist, um eine Erhöhung der Dunkelleitfähigkeit durch
die Bestrahlung mit Alphateilchen zu vermeiden, eine Folie vorzusehen, die in der
Strahlung des radioaktiven Präparates enthaltene Alphastrahlen an einer Einwirkung
auf den Photowiderstand hindert. Diese Folie kann beispielsweise aus Aluminium oder
Zelluloid bestehen.
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Der der Intensität der auffallenden Strahlung entsprechende Photostrom
des Photowiderstandes ist häufig von der Temperatur des Photowiderstandes abhängig.
Um daher die durch die Vorbestrahlung gemäß dem vorliegenden Verfahren erzielten
Vorteile bei der Messung geringer Strahlenintensitäten nicht zu beeinträchtigen,
ist eine an sich bekannte Kompensation der Temperaturabhängigkeit durch eine entsprechende
selbsttätige Änderung der Meßspannung erforderlich. Beispielsweise kann man durch
geeignete Schaltungsmaßnahmen in an sich bekanter Weise dafür sorgen, daß die Spannung
steigt, wenn der Photowiderstand bei Temperaturänderungen unempfindlicher wird,
und umgekehrt. Auf diese Weise kann wenigstens in einem gewissen Temperaturintervall
eine Temperaturabhängigkeit der Meßanordnung weitgehend verhindert werden. Ein praktisch
anwendbarer Weg besteht z. B. darin, daß man die Meßspannung einem von einer Normalbatterie
gespeisten Spannungsteiler entnimmt, dessen Widerstände unterschiedliche Temperaturkoeffizienten
aufweisen. Beispielsweise kann einer der Widerstände ein geeigneter Halbleiter sein.
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Ein anderer an sich bekannter Weg zur Verhinderung einer Temperaturabhängigkeit
des Meßwertes besteht darin, die Empfindlichkeit des zur Strommessung verwendeten
Instrumentes mit Hilfe eines als Halbleiter ausgebildeten temperaturabhängigen Nebenwiderstandes
zu beeinflussen. Bei einer Zunahme des Meßwertes infolge einer Temperaturänderung
muß die Empfindlichkeit des Instrumentes abnehmen und umgekehrt, d. h., der Temperaturkoeffizient
des Nebenwiderstandes muß stets das gleiche Vorzeichen wie der Temperaturkoeffizient
des Photowiderstandes haben.
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Nicht nur äußere Temperaturänderungen können einen Einfluß auf die
Empfindlichkeit der Photowiderstände haben, sondern auch die im Photowiderstand
durch den Photostrom erzeugte Stromwärme kann die Photoempfindlichkeit des Photowiderstandes
beeinflussen. Damit die durch die Vorbestrahlung erzielten Vorteile hinsichtlich
der Messung geringer Strahlenintensitäten nicht wieder hinfällig werden, ist es
daher vorteilhaft, die durch den Photostrom im Photowiderstand erzeugte Stromwärme
in an sich bekannter Weise durch Vergrößerung des Wärmekontaktes zwischen Photowiderstand
und Umgebung abzuleiten. Beispielsweise kann die Vergrößerung des Wärmekontaktes
dadurch erzielt werden, daß eine der Elektrodenzuführungen stärker ausgebildet ist
als die andere. Diese stärker ausgebildete Elektrodenzuführung kann dann gleichzeitig
als Halterung für den Photowiderstand dienen. Auf diese Weise ergibt sich ein günstiger
raumsparender Aufbau des Photowiderstandes.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel für eine an sich bekannte
vorteilhafte Weiterbildung eines Photowiderstandes zur Ausführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens dargestellt. In dem Isolierstab 1, der an seinem in der Figur oberen
Ende die Lichtschutzhülle2 aus Al-Folie trägt, sind die Elektrodenzuführungen3 und
4 gehalten. Man erkennt, daß die Elektrodenzuführung 3 an ihrem freien Ende abgeflacht
ist und gleichzeitig als Halterung für den Kristall 5 dient.
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Durch die Vorbestrahlung bei dem vorliegenden Verfahren ergeben sich,
insbesondere bei der Verwendung von CdS-Kristallen, Photowiderstände,
deren
Empfindlichkeit für Röntgenstrahlen bei etwa 10-5 bis 10-6 r/sec und für Gammastrahlen
bei etwa 10-4 bis lO-r/sec liegt. Diese Empfindlichkeit reicht völlig aus, um Strahlenintensitäten,
die für den menschlichen Organismus schädlich sind, sicher und genau anzuzeigen.