DE1959008A1

DE1959008A1 - Vorrichtung zum Messen der Dicke von metallischen Schichten

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Publication number: DE1959008A1
Application number: DE19691959008
Authority: DE
Inventors: Ludwig Streng
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1969-11-25
Filing date: 1969-11-25
Publication date: 1971-06-09
Also published as: DE1959008B2; US3639763A

Description

PATENTANWALT DIPL.-ING. ULRjCH KINKELIN 7032 Sindelfingen - Auf dem Goldberg- Weimarer Str. 32/34 - Telefon 07031/86501

24. Oktober 1969 10 489

Ludwig Streng, 7036 Schönaich, Falkenstraße 9 „

VORRICHTUNG ZUM MESSEN DER DICKE VON METALLISCHEN SCHICHTEN

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Dicke von Schichten, mit einem die Schicht bestrahlenden Radionuklid, das eine der Dicke der Schicht in ihrer Energie entsprechende Strahlung erzeugt, mit einem die aus der Schicht und einem gegebenenfalls vorhandenen Trägermaterial zurückgestreuten Rückstrahlung aufnehmenden, an seinem Ausgang eine Impulsrate erzeugenden Detektor und zwar im Bereich zwischen einer unteren, zur Schichtdicke Null gehörenden Rückstreuung entsprechenden ersten Zählung und einer oberen, unterhalb der zu einer quasi unendlich dicken Schicht entsprechenden zweiten Zählung und mit einer von dem Detektor gespeisten Anzeigevorrichtung. ■

Es Ist bekannt, die Dicke dünner metallischer oder nicht metallischer Schichten durch das Betastrahlen-Rückstrahlmeßverfahren zu messen. Ein Strahler sendet hierbei Betastrahlen aus. In geringem Abstand vom Strahler liegt die zu messende Schicht auf einem Meßtisch, der einen Schlitz aufweist, welcher größenordnungsmäßig 1 mm groß ist und somit nur ein Teilstück der zu messenden Schicht für den Strahler sichtbar macht. Durch den Schlitz wird die Meßoberfläche definiert begrenzt. Die Betastrahlen treten in Wechselwirkung mit den Atomen der zu messenden Schicht. Dabei werden umso mehr Betastrahlen zurückgestrahlt, je dicker

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die Schicht ist. Ist die Schicht auf einem Trägermaterial aufgebracht, so muß die Kernladungszahl der Atome der zu messenden Schicht verschieden sein von der Kernladungszahl der Atome der Trägerschicht.

Die zurückgestreuten Betastrahlen werden von einem Detektor - meistens einem Geiger-Müller-Zählrohr - aufgefangen. Aus der Zahl der zurückgestreuten Teilchen kann man nun auf die Schichtdicke schließen, nachdem man die Vorrichtung anhand einiger Meßnormale mir bekannter Schichtdicke geeicht hat.

Unter den vielen Faktoren, die in eine solche Eichung eingehen, befinden sich die Meßdauer, die Schlitzgröße, die Art des Strahlers, die kernphysikalische Eigenschaft der zu messenden Schicht, die kernphysikalische Eigenschaft des Trägermaterials, die Energieverteilung de? Primärsirahlung, dis räumliche Anordnung des Strahlers zum Schlitz usw. in der Praxis kann man natürlich » auch vom Hersteller aus- nicht so viele Eichungen vornehmen als ansich notwendig sind. Man verzichtet daher lieber auf Meßgenauigkeit und rsimmr Fehler bis zu 20 % in Kauf,

Eine bekannte Meßvorrichtung verwendet für jeden Strahler eine bestimmte Skale mit linearem und nichtlinearem Bereich. Die Skalen sind leicht auswechselbar angeordnet und vv'urden vom Hersteller empirisch geeicht. Auswechselbar muß die Skale deshalb sein, weil man für jedes Meßproblem eine neue Skale braucht. Zu jedem Radionukiid gehört eine bestimmte Skale, so daß man mindestens 20 Skalen vorrätig haben muß. Damit können Verwechslungen vorkommen, wenn man bei einem bestimmten Meßproblem die

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falsche Skale verwendet. Außerdem sind diese Skalen sehr teuer. Grundsätzlich gelingt es bei dieser Vorrichtung nicht, den Einfluß der Schlitzgröße auf den Zusammenhang zwischen Schichtdicke und zurückgestreuten Teilchen zu korrigieren.

Radionuklide haben eine endliche Halbwerfzeit und müssen von Zeit zu Zeit ausgetauscht werden. Die Radionuklide haben die Form einer kleinen Kugel. Wegen der unterschiedlichen Selbstabsorption, wegen streuender Ferfigungsparameter usw. ist die Energiever- \ teilung der Strahlung trotz gleicher Strahlungssubstanz unterschiedlich, was sich eben»· falls im Skalenverlauf bemerkbar macht. Ansich müßte zu jedem individuellem Radionuklid eine neue Skale geliefert werden, und zwar für das jeweils vorgegebene Meßproblem. Wenn das Radionuklid verbraucht ist, wäre damit auch der ganze Satz der zu ihm gehörigen Skalen unbrauchbar. In der Praxis ist diese Erschwernis unzumutbar und man nimmt lieber Meßfehler in Kauf.

Radionuklide strahlen nicht konstant, sondern emittieren während eines vorgegebenen

Zeitintervalls eine unterschiedliche Anzahl von Parfikelchen. Es entstehen also statrs- ■

tische Fehler, die man dadurch klein zu halten sucht, indem man die Meßzeit lang macht, wodurch der relativ statistische Fehler kleiner wird. Es ist jedoch so, daß der statistische Fehler nur mit der Wurzel der Meßzeit sinkt, so daß eine doppelt so lange Messzeit keine Verringerung des relativen Fehlers auf die Hälfte bewirkt. Verändert man jedoch die Meßzeit, so ist die bekannte Vorrichtung neu zu eichen. Dies bringt neue Umständlichkeiten michtsich. (US 3 271 572)

Bei einer anderen bekannten Vorrichtung dieser Art ist nur noch eine einzige Skale not-

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wendig. Sie ist in zwei Bereiche unterteilt. Der erste Bereich entspricht dem zunächst linearen Zusammenhang zwischen Schichtdicke und gemessener Rückstreuung, während der andere Teil den nicht mehr linearen Bereich darstellt. Zur Eichung verwendet man hier zwei Meßnormale unterschiedlicher Schichtdicke, deren Schichtdicken innerhalb des nichtfinearen Bereichs liegen. Auch hier muß neu geeicht werden, wenn die Meßzeit von derjenigen Meßzeit abweicht, die der vorhergehenden Eichung zugrunde gelegen hat.

Es ist auch bekannt, die Schichtdicke digital zu messen. Man zählt hierbei die während eines vorgegebenen Zeitintervalle zurückgestreuten Teilchen. Eine Eichung des Absolutwerts ist hier nicht notwendig. Die Änderung des Zählwerts wird grafisch ausgewertet unter Verwendung von halblogarithmisch geteilten Koordinatenpapier, wobei die Rückstreuwerte mit zwei Einstellnormalen aufgenommen werden, welche den nichtlinearen Bereich festlegen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung anzugeben, die es gestattet, mit einer einzigen, in ihrem ganzen Bereich linear arbeitenden Anzeigevorrichtung die Schichtdicke zu messen, wobei die für das spezielle Meßproblem vorgenommene Eichung für alle MeOzeiten gilt und mit wenigen Handgriffen vorgenommen werden kann. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die bei Änderung der oben genannten Parameter sich sehr unterschiedlich darstellenden Eichkurven Individuen einer einem gemeinsamen Gesetz gehorchenden Kurvenschar vom Typ Y = A (e - 1) ist, wobei Y die Dicker der auf das Trägermaterial aufgebrachten Schicht, A eine die Parallelverschiebung der Funktion angebende Konstante, B eine die Steigung der Funktion angebende Konstante, e = 2,71 ... und χ eine der Zählung des Detektors entsprechende Größe ist.

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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß dem Detektor eine Integrationsstufe nachgeschaltefr ist, die eine der Anzahl der vom Detektor abgegebenen Impulsrate proportionale Ausgangsspannung erzeugt, daß der Integrationsstufe eine Spannungskompensionsstufe nachgeschaltet ist, mit der eine Kompensafionsspannung erzeugbar ist, die dem Betrag nach gleich, dem Vorzeichen nach jedoch entgegengesetzt zu einer solchen Ausgangsspannung der Integrationsstufe ist, die der Impulsrate der zur Schichtdicke Null gehörenden Rückstreuung entspricht, daß sowohl die Ausgangsspannung der Integrationsstufe, als auch die Ausgangsspannung der Spannungskompensationsstufe an einem gemeinsamen Punkt geführt ist, daß der gemeinsame Punkt mit einem in seiner Verstärkung und Dämpfung steuerbaren Netzwerk verbunden ist, daß das Netzwerk mit einem zweiten, die Funktion Y = A (e - 1) linearisierender Entzerrerverstärker verbunden, wobei

Y = Dicke der zu messenden Schicht,

A = eine den Unterschied zwischen Schichtdicke Null und der Sätfigungsschichtdicke, sowie das Radionuklid berücksichtigende, die Parallelverschiebung der Punkt in halblogarithmischer Darstellung angebende Konstante

B = eine den Unterschied zwischen Schichtdicke Null und der Sättigungsschichtdicke sowie das Radionuklid berücksichtigende, dfe Steigung der Funktion in halblogarithmischer Darstellung angebende Konstante . e = 2,71 ... und
χ = die Eingangsspannung des Entzerrerverstärkers bzw. eine hierzu

proportionale Impulsrate ist

und daß die linear anzeigende Anzeigevorrichtung mit dem Entzerrerverstärker verbunden ist, mit der die Ausgangsspannung des Entzerrerverstärkers messbar und durch Steuerung des Netzwerks auf einen vorbestimmten> der Sollaussteuerung des Entzerrerverstärkers bei Rückstreuung

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aus einer Schicht bekannter Schichtdicke entsprechenden Wert bringbar ist und die danach auf einen Wert einstellbar ist, der der bekannten Schichtdicke entspricht.

Vorteilhaft ist, wenn der Detektor mit dem einen Eingang einer UND-Stufe verbunden ist, und der Ausgang der UND-Stufe mit einer in ihrem Untersetzungsverhältnis einstellbaren binären Untersetzungsvorrichtung verbunden ist, die ihrerseits mit der Integrationsstufe verbunden ist, daß der zweite Eingang der UND-Stufe mit dem Ausgang eines in seiner Meßzeit einstellbaren Meßzeitgebers gemeinsam einstellbar ist. Unabhängig von der Meßzeit wird damit der Integrationsstufe im wesentlichen immer eine gleiche Anzahl von Impulsen zugeführt und unabhängig davon, ob die Meßdauer das einfache, das doppelte, das vierfache usw. der kürzestmöglichen Meßdauer ist.

Günstig ist, wenn der Entzerrerverstärker einen Operationsverstärker umfasst, in dessen Gegenkopplungszweig zueinander parallel geschaltete Widerstands-Diodenzweige liegen. Operationsverstärker sind in den verschiedensten Hinsichten sehr stabil und haben eine hohe Verstärkung sowie einen hohen Eingangswiderstand und einen vergleichsweise kleinen Ausgangswiderstand. Man kann sie als Standartbausteine kaufen.

Förderlich ist, wenn der Entzerrerverstärker einen Operationsverstärker urin fasst, dessen Arbeitswiderstand ein Widerstands/Diodennetzwerk ist. Durch eine solche Schaltung kann man die eingangs angegebene Funktion stückweise entzerren. Je mohr parallel geschaltete Widerstands-Diodennotzwerke verwendet werden, desto enger schmiegt sich der erzeugte Kurvenverlauf an den gewünschten Kurvenverlauf an.

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t,

Als besonders zweckmäßig hat sich herausgestellt, wenn der Arbeitswiderstand eine Reihenschaltung von einem 0 Ohm bis wenige Ohm besitzenden ersten Widerstand und vier Dioden, vorzugsweise Golddrahtdioden aufweist, daß dem ersten Widerstand und der auf ihm folgenden Diode ein zweiter Widerstand von vorzugsweise 10 Kiloohm parallelgeschaltet ist, daß dem zweiten Widerstand und der auf ihn folgenden beiden Dioden ein dritter Widerstand von etwa 1,8 Kiioohm parallelgeschaltet ist und daß der Reihenschaltung ein vierter Widerstand von vorzugsweise einigen Megaohm bis Unendlich Ohm paraIIe!geschaltet ist und daß vom gemeinsamen Punkt aller Widerstände bis zum Eingang des Operationsverstärkers ein Gegenkopplungswiderstand von vorzugsweise 39 Kiloohm liegt. Es hat sich gezeigt, daß bei einer solchen Schaltung der Diodenrückstrom unproblematischer wird und daß diese Schaltung bei einem minimalen Aufwand eine optimale Entzerrung für den ganzen Bereich gibt .

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels hervor. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der wichtigsten Schaltungsteile der

Vorrichtung,

Fig. 2 eine genauere Darstellung des Empfängerverstärkers samt Anzeigevorrichtung,

Fig. 3 eine Darstellung der Funktion Zählwert/Schichtdicke/Trägermaterial,

Fig. 4 eine qualitative Darstellung der Verstärkungskennlinie, des Entzerrerverstärkers und der Eingangsspannung.

Ein Detektor 11 empfängt zurückgestreute Betastrahlen 12 aus einer Metallschicht 13 und einem Trägermaterial 35. Der zugehörige Strahler ist nicht dargestellt und bekannter Art.

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Der Ausgang des Detektors 11 ist mit dem ersten Eingang 14 einer UND-Stufe^o verbunden. Deren Ausgang ist mit einer Binäruntersetzungsvorrichtung 17 verbunden. Ferner ist ein Meßzeitgeber 18 vorgesehen, dessen Ausgang mit dem zweiten Eingang 19 der UND-Stufe verbunden ist. Die gestrichelte Linie 21 deutet an, daß sowohl die Binäruntersetzungsvorrichtung 17 als auch der Meßzeitgeber 18 gemeinsam umschaltbar sind. Die Binäruntersetzungsvorrichtung kann aus mehreren hintereinandergeschalteten bistabilen Kippstufen bestehen. Mit der Binäruntersetzungsvorrichtung 17 ist eine integrationsstufe 22 verbunden, die an einem gemeinsamen Punkt 23 eine Ausgangsspannung erzeugt. Es sind dort noch zwei Widerstände 24, 26 und eine Batterie 27 vorgesehen. Die Widerstände 24, 26 sowie die Batterie 27 sind als eine Ersatzschaltung eines im konkreten Fall anders aussehenden, jedoch gleich wirkenden Netzwerks aufzufassen.

Mit dem gemeinsamen Punkt 23 ist ein in seiner Verstärkung und Dämpfung steuerbares Netzwerk 28 verbunden, das einen Entzerrerverstärker 29 speist. Dieser speist wiederum eine Anzeigevorrichtung 31, die vermöge eines Schalters 32 zwei verschiedene Empfindlichkeiten hat, wobei die Empfindlichkeit in der rechten Stellung des Schalters fest, und in der linken Schalterstellung mittels eines Widerstands 33 einstellbar ist. Eine Leitung 34 verbindet den Meßzeitgeber 18 mit der Integrationsstufe 22_r damit vor Beginn einer neuen Messung die Integrationsstufe entladen werden kann.

Die Vorrichtung arbeitet v/ie folgt: Der nichtdargestellte Strahler sendet Betastrahlen aus, die eine statistische Häufigkeitsverteilung haben. Es haben deshalb die zurückgestreuten Betastrahlen 12 ebenfalls eine statistische Häufigkeitsverteilung. Je länger die Zählzeit.ist, umso geringer ist die relative Streuung des Zählwertes. Da der Abstand zwischen zwei Betateilchen sehr unterschiedlich ist, streut der in einer vorgegebenen konstanten Zeit gemessene Zählwori. Impulse voh Dfetektoren gelangen auf die UND-Siufe 16, die nur inner»

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halb der von dem Meßzeltgeber 18 vorgegebenen Zeitspanne Impulse zum Binärurtfersetzer 17 durchläßt. Ist die Binäruntersetzungsvorrichtung 17 auf ein Untersetzungsverhältnis 1 : 1 geschaltet, dann öffnet der Meßzeitgeber 18 die UND-Stufe 16 während der Meßzeit t. Schaltet man durch einen von außen bedienbaren Knopf den Meßzeitgeber 18 so, daß er die UND-Stufe 16 während der doppelten Zeit, also während 2 t öffnet, dann ist die Binäruntersefzungsvorrichtung 17 auf ein Teilungsverhältnis 1 : 2 geschaltet usw. Hierdurch bewirkt man, daß man bei einer Verdopplung der Meßzeit am Eingang der Integrationsstufe 22 nicht die doppelte Anzahl der Impulse, sondern die gleiche Anzahl, jedoch mit geringerem relativen statistischem Fehler anlegt. Entsprechendes gilt für die Meßzeiten 4 t, 8 t, 16 t oder andere Teilungsverhältnisse. Die Binäruntersetzungsvorrichtung 17 liefert unabhängig von der Meßzeit eine konstante Zählrate, die nur mit dem statistischen Fehler streut. Hieraus werden Impulse.gleichen Energieinhaltes abgeleitet. Diese Impulse integriert die Integrationsstufe 22. 10 Impulse an ihrem Eingang ergeben beispielsweise eine Ausgangsspannung von 1 Volt, während 20 Impulse an ihrem Eingang eine Spannung von 2 Volt ergeben. Vor Beginn einer neuen Meßzeit gibt der Meßzeit- . geber 18 über die Leitung 34 der Integrationsstufe 22 an, daß die bis zum Ende der Meßzeit integrierte oder aufsummierte Spannung Null werden soll. Diese von der Integrationsstufe am Ende der Meßzeit abgegebene Spannung kann man mit Hilfe der in ihrer Spannung veränderbaren Batterie 27 ganz oder teilweise kompensieren. Wurde nur teilweise kompensiert, so gelangt eine Überschußspannung auf das Netzwerk 28 und erlaubt eine Ablesung.

Eine Messung verläuft wie folgt: Zunächst wird ein Trägermaterial 35 ohne die Metallschicht 13 auf den Meßtisch gelegt und seine Rückstreuung gemessen. Eine solche Messung entspricht einer Metallschichtdicke von 0. Die Batterie 27 wird nun solange verstellt, bis am gemeinsamen

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Funkt 23 keine Spannung mehr vorhanden ist und die Anzeigevorrichtung 31 in einer Stellung cf3s Schalfers 32 den Wert 0 anzeigt. Man legt nun ein Einstellnormal auf, weiches eine Schicht bekannter Dicke besitzt und welches dem Meßproblem entspricht. Die Dicke des Einstellnormals entspricht nahezu der maximal meßbaren Schichtdicke, welche für das betreffende Meßproblem durch das Radionuklid vorgegeben ist. Zu jedem Einstellnormal gehört ein Zahlenwert, welcher in der rechten Stellung des Schalfers 32 von dem Anzeigegerät 31 angezeigt werden muß. Dieser Zahlenwerf kann durch Veränderungen des Verstärkungsfaktors des Netzwerks 28 eingestellt werden. Dadurch ist sichergestellt, daß der Entzerrerverstärker 29 weder über- noch untersfeuerf wird, da er \a nur innerhalb eines bestimmten Bereiches seine Eingangsspannung mit der Ausgangsspannung in gewollter Weise verknüpft, d. h. daß die Ausgangsspannung linear mit der Schichtdicke zusammenhängt. Die in das Netzwerk 28 einzugebenden Werte hängen nur davon ab, aus welchem Stoff und wie dick die Metallschicht und aus welchem Stoff das Trägermaterial 3ΰ besteht. Zum Beispiel ist bei der Messung von Gold auf Nickel das Netzwerk 28 auf einen vorher bekannten Werf und bei der Messung von Nickel auf Aluminium auf einen anderen vorher bekannten Wert einzustellen. Hierzu ist ein spezieller, nicht dargestellter Regler vorgesehen.

Nunmehr bringt man en den Schalter 32 in seine linkeStellung. Die Anzeigevorrichtung 31 zeigt nun einen Wert an, der in der Regel mit der Schichtdicke des Meßnormals nicht übereinstimmt. Man verstellt die Empfindlichkeif der Anzeigevorrichtung mit Hilfe des Widerstands 33 nun so lange, bis die Anzeigevorrichtung 31 die Schichtdicke dieses Meßnormals anzeigt. Damit kann nun jede beliebige Schichtdicke gemessen werden, die zwischen dem Wert 0 und einem genügend weit unter der Säftigungsschichtdicke liegenden Meßwerf liegt. Diesp Eichung braucht auch nicht umgestoßen zu werden, wenn die Meßzeit verlängert oder verkürzt wird.

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Eine solche Eichung berücksichtigt vollständig die Meßgeometrie, die Art des Strahlers, die Art der zu messenden Schicht, die Art des Trägermaterials usw.

Die dargestellten Baugruppen wurden nur schematisch beschrieben. Ihr Aufbau ergibt sich aus ihrer Aufgabe. Die Integrationsstufe 22 muß aufgrund ihrer Aufgabe nicht nur integrieren können, sondern sie muß das Integrationsergebhis auch so lange festhalten können, bis der Abfrageimpuls aus dem Meßzeitgeber 18 kommt. Das Netzwerk 28 kann ein passives oder aktives Netzwerk sein. Statt der verstellbaren Batterie 27 kann man auch den Widerstand 26 verstellen. Der Aufbau des Entzerrerverstärkers 29 kann entweder durch Netzwerksynthese oder durch Versuch ermittelt werden. Er muß in der Lage sein, an seinem Ausgang eine Spannung abzugeben, die direkt proportional der Dicke der Metallschicht 13 ist. Qualitativ wird er also zunächst so lange linear verstärken, als die Anzahl der zurückgestreuten Betastrahlen 12 linear mit der Dicke der Metallschicht 13 zusammen hängt. Bei dicker werdender Metallschicht 13 nimmt die Anzahl der zurückgestreuten Betastrahlen 12 mehr als proportional ab und in diesem Maß muß dann die Verstärkung des Entzerrerverstärkers 29 zunehmen. In dem Entzerrerverstärker 29 ist sozusagen die inverse Funkten des Zusammenhangs zwischen Schichtdicke und rückgestreuten Betastrahlen eingebaut.

Die Leitung 34 braucht nicht unbedingt mit der Integrationsstufe 22 verbunden zu sein. Man kann auch auf andere geeignete Weise erreichen, daß vor Beginn der neuen Meßzeit der Zustand wie vor Beginn des Auf integrieren erreicht wird. Mit einem Signal auf der Leitung 34 kann man auch das Netzwerk 28 oder den Entzerrerverstärker 29 oder aber auch die Anzeigevorrichtung 31 sperren. Man kann auch mit der Leitung 34 einen

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optischen oder akustischen Signalgeber ansteuern, der der Bedienungsperson sagt, wann die Messung zu Ende ist und wann sie das Anzeigegerät 31 ablesen soll.

Man kann auch den Schalter 32 sperren, wenn man ein weiteres Anzeigegerät vorsieht, das z. B. die Ausgangsspannung des Netzwerks 28 dauernd mißt. Auf jeden Fall ist es notwendig, eine Anzeige zu schaffen, die ein Maß für die Aussteuerung des Entzerrerverstärkers 29 ist und man muß ferner eine Anzeige für die gemessene Schichtdicke schaffen.

Anhand der Fig. 2 sei nun der Entzerrerverstärker und die Anzeigevorrichtung genauer beschrieben. Die Leitung 36 kommt vom Ausgang des Netzwerks 28 und gelangt zu einem Schalter 37 mit vier Stellungen a, b, c , d. Die Stellungen α und b sind miteinander verbunden und die Stellungen c und d ebenfalls. Eine Leitung 38 führt zum Pluseingang eines Operationsverstärkers 39, der als Bauelement käuflich erhältlich ist. Eine Leitung 41 führt über einen Widerstand 42 zum Minuseingang des Operationsverstärkers 39. In dessen Ausgang liegt ein Widerstand 43 und vom Widerstand 43 zurück zum Minuseingang liegt ein Rückkopplungswiderstand 44. Der Widerstand 42 bewirkt, daß der Gegenkopplungswiderstand mit seinem linken Ende gegen einen definierten Eingangswiderstand arbeitet und somit die Verstärkung unabhängig von den;elektrischen Daten des Verstärkers wird. Der Widerstand 43 ist mit einem Schalter 45 verbunden, der ebenfalls die Stellungen a, b, c und d hat und mechanisch, angedeutet durch die gestrichelte Linie 46, mit dem Schalter 37 verbunden und gleich drehbar ist. Der Schalter 45 kann irs seiner Stellung a einen geerdeten Widerstand 47 mit dem Widerstand 43 verbinden. Das gleiche gilt für die Stellung d. in den Stellungen b und c wird der Widerstand 43 mit der rechts sichtbaren Schaltung verbunden, die vier Golddrahtdioden 47, 48, 49 und 51 hat und der in der

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gezeichneten Weise Widerstände 52,53,54 und 56 zugeschaltet sind. Beim Nachbilden der zu entzerrenden Kurve sieht man zunächst zu, daß der Widerstand 52 und die Golddrahtdiode 47 die zu entzerrenden Kurve in etwa nachbilden. Man schaltet dann den Widerstand 53 und die Golddrahtdiode 48 zu und verfeinert die Nachbildung usw. Der Widerstand 57 dient dazu, den Strom zu begrenzen, falls alle Golddrahtdioden 47 - 51 leitend sind und der Widerstand 52 sich aus Abgleichgründen sehr niederohmig halten muß. Der Widerstand 57 ist also nur ein Schutzwiderstand.

Vom Ausgang des Operationsverstärkers 39 geht eine Leitung 58 zu einem Verzweigungspunkt 59, von dem aus geht eine Leitung 61 zum Schalter 32, während parallel zu dieser noch ein veränderlicher Widerstand 62 an den Verzweigungspunkt 59 angeschlossen ist. Auf den Schalter 32 folgt die Anzeigevorrichtung 31, die oben geerdet ist. Die Anzeigevorrichtung 31 kann analog oder digital anzeigen.

In der Stellung α ist die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 39 linear mit der Eingangsspannung verbunden. Diese Stellungen wählt man, wenn eine normierte Kennlinie "

der Betastrahlen-Rückstreuung-Schichtdicke aufgenommen werden soll und wenn die Ordnungszahl der Schicht größer als die des Trägermaterials ist. ' . »

Die Stellung b wählt man, wenn man entzerren will, wobei die Kernladungszahl sowohl der Schicht größer ist als die des Trägermaterials.

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Die Stellung c wählt man, wenn man entzerren will und wenn die Kernladungszahl der
Schicht niederer ist als diejenige des Trägermaterials. In einem solchen Falle ist nämlich die Eingangsspannung negativ. Statt die Stel lung c zu wählen, könnte man auch die Anzeigevorrichtung 31 umpolen.

Die Stellung d entspricht der Aufgabe der Stellung a, jedoch für den Fall, daß die Kernladungszahlenverhältnisse umgekehrt sind.

Unter einer normierten Kennlinie versteht man eine solche, bei der man die Schichtdicke der Ausgangsspannung 0 und der Sättigungsschichtdicke die Ausgangsspannung 1 zuordnet.

Um die Aufgaben des Entzerrerverstärkers noch näher zu beleuchten, sei auf die Fig. 3 u. 4 eingegangen. Die Fig. 3 ist eine Darstellung im halblogarithmischen Maßstab. Die Kurve 62 hat einen nach einer e-Funktion gekrümmten Bereich 63, einen linearen Bereich 64 und einen stark gekrümmten Bereich 66. Meßtechnisch interessant sind nur die Bereiche 63 und 64. In linearer Darstellung ist der Bereich 63 linear, während der Bereich 64 nach einer e-Funktion gekrümmt ist. Die Kurze 62 ist rechts in der Fig. 3 angegeben, die Gerade 67 bezeichnet die Sättigungsschichtdicke.

In der Fig. 4 sind die Koordinaten linear geteilt und die Kurve U« gestrichelt eingezeichnet. Man sieht, daß zunächst die Eingangsspannung des Entzerrerverstärkers 29 linear mit der Schichtdicke Y anwächst um dann rascher abzunehmen. Aus dieser zum Teil gekrümmten Kurve möchte man die Gerade 68 machen. Dies gelingt, indem man bis zum Punkt 69,

d. h. bis dahin, wo der Bereich 63 in den Bereich 64 übergeht, eine lineare Verstärkung
wählt, die dann immer mehr ansteigt.

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Claims

24 .ΊΟ. 1969 Patentansprüche: . )ίε

1. Vorri chtung zum Messen der Dicke von Schichten, mit einem die Schicht

bestrahlenden Radionuklid, das eine der Dicke der Schicht in ihrer Energie entsprechende Strahlung erzeugt, mit einem die aus der Schicht und einem gegebenenfalls vorhandenen Trägermaterial zurückgestreuten Rückstrahlung aufnehmenden, an seinem Ausgang eine Impulsrate erzeugenden Detektor und zwar im Bereich zwischen einer unteren, zur Schichtdicke Null gehörenden Rückstreuung entsprechenden ersten Zählung und einer oberen, unterhalb der zu einer quasi unendlich dicken Schicht entsprechenden zweiten Zählung und mit einer von dem Detektor gespeisten Anzeigevorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß dem Detektor (11) eine Integrationsstufe (22) nachgeschaltet ist, die eine der Anzahl der vom Detektor (11) abgegebenen Impulsrate proportionale Ausgangsspannung erzeugt, daß der Integrationsstufe (22) eine Spannungskompensionsstufe (23,26,27) nachgeschaltet ist, mit der eine Kompensationsspannung erzeugbar ist, die dem Betrag nach gleich, dem Vorzeichen nach jedoch entgegengesetzt zu einer solchen Ausgangsspannung der Integrationsstufe (22) ist, die der Impulsrate der zur Schichtdicke Null gehörenden Rückstreuung (12) entspricht, daß sowohl die Ausgangsspannung der Integrationsstufe (22), als auch die Ausgangsspannung der Spannungskompensationsstufe (23,26,27) an einem gemeinsamen Punkt (23) geführt ist, daß der gemeinsame Punkt (23) mit einem in seiner Verstärkung und Dämpfung steuerbaren Netzwerk (28) verbunden ist, daß das Netzwerk (28) mit einem

Bx *

zweiten, die Funktion y = A (e - 1) linearisierender Entzerrerverstärker (29)

verbunden ist, wobe<: 10 9 8 2 4/0658

y = Dicke der zu messenden Schicht,

A = eine den Unterschied zwischen Schichtdicke Null und der Sättigungsschichtdicke, sowie das Radionuklid berücksichtigende, die Parallelverschiebung der Punkt in halblogarithmischer Darstellung angebende Konstante

B= eine den Unterschied zwischen Schichtdicke Null und der

Sättigungsschichtdicke sowie das Radionuklid berücksichtigende, die Steigung der Funktion in halblogarithmischer Darstellung angebende Konstante

e = 2,71 ... und

χ = die Eingangsspannung des Entzerrerverstärkers bzw. eine hierzu proportionale Impulsrate ist

und daß die ! inear anzeigende Anzeigevorrichtung (31) mit dem Entzerrerverstärker (29) verbunden ist, mit der die Ausgangsspannung des Entzerrerverstärkers (29) messbar und durch Steuerung des Netzwerks (28) auf einen vorbestimmten, der So! Aussteuerung des Entzerrerverstärkers (29) be κ Rückstreuung aus einer Schicht (13)fekannter Schichtdicke entsprechenden Wert bringbar ist und die danach auf einen Wert einstellbar ist, der der bekannten Schichtdicke entspricht.

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Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (11) mit dem einen Eingang einer UND-Stufe (16) verbunden ist, daß der Ausgang der UND-Stufe (16) mit einer in ihrem Untersetzungsverhältnis einstellbaren binären Untersetzungsvorrichtung (17) verbunden ist, die ihrerseits mit der Integrationsstufe (22) verbunden ist, daß der zweite Eingang der UND-Stufe (16) mit dem Ausgang eines in seiner Meßzeit einstellbaren Meßzeitgebers (17) gemeinsam einstellbar sind.

Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Entzerrerverstärker (29) einen Operationsversiärker (39) umfaßt, in dessen Gegenkopplungszweig zueinander parallel geschaltete Widerstands-Diodenzweige liegen.

Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2_r dadurch gekennzeichnet, daß der Entzerrerverstärker (29) einen Operationsverstärker (39) umfasst, dessen Arbeitswiderstand ein Widerstands/Diodennetzwerk (43,47-57) ist.

Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitswiderstand eine Reihenschaltung (52,47,48,49,51) von einem 0 Ohm bis wenige Ohm besitzenden ersten Widerstand (52) und vier Dioden (47-51), vorzugsweise _;

Golddrahtdioden aufweist, daß dem ersten Widerstand (52) und der auf ihm folgenden Diode (47) ein zweiter Widerstand (53) von vorzugsweise

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10 KÜoohm parallel geschaltet ist, daß dem zweiten Widerstand (53) und der auf ihn folgenden beiden Dioden (47,48) ein dritter Widerstand von etwa 1,8 Kiloohm (54) paralielgeschaltet ist und daß der Reihenschaltung (52, 47,48,49,51) ein vierter Widerstand (56) von vorzugsweise einigen Megohm bis Unendlich Ohm parallelgeschaltet ist und daß vom gemeinsamen Punkt aller Widerstände bis zum Eingang des Operationsverstärkers ein Gegenkopplungswidersiand (44) von vorzugsweise 39 Kiloohm liegt.

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