Die Erfindung betrifft eine Ionisationskammer für radiometrische Meßeinrichtungen, insbesondere für traversierende Flächenmassemeßsysteme, bestehend aus einem Gehäuse, in dem sich Füllgas befindet, mit wenigstens einem Strahlungseintrittsfenster und einer Anzahl von Sammelelektroden im Gehäuse mit isoliert nach außen geführten elektrischen Anschlüssen, wobei zwischen dem Gehäuse und den Sammelelektroden eine elektrische Potentialdifferenz (Spannung) besteht.
In industriellen Anlagen zur radiometrischen Vermessung von Materialbahnen werden bei deren Produktion oder Bearbeitung üblicherweise Ionisationskammern als Detektoren eingesetzt. Die Ionisationskammern bestehen aus einem Gehäuse, einer Sammelelektrode und einem Füllgas. Die durch ein Strahlungseintrittsfenster eintretende Strahlung erzeugt im Füllgas freie Ladungsträger (Ionen und Elektronen). Eine zwischen Elektrode und Gehäuse angelegte Spannung erzeugt in der Kammer ein elektrisches Feld, dem die Ladungsträger folgen. Der so entstehende Strom zwischen Elektrode und Gehäuse (im µA - bis pA - Bereich) wird gemessen und beispielsweise in Spannungssignale umgewandelt. Das Meßsignal wird hochisoliert gegen das Gehäuse aus dem Inneren der Kammer über eine gasdichte Durchführung mit einem Anschluß an eine Signalleitung nach außen geführt. Um den Anschluß ist in die Isolationsschicht der Durchführung eine Ringelektrode eingebracht, die als Schutzring wirkt. Dieser Schutzring verhindert, daß die Spannung zwischen dem Gehäuse und der Elektrode direkt über eine durchgehende Isolationsstrecke abfällt, wie in Fig. 1 als Stand der Technik bei einer axialsymmetrischen Ionisationskammer dargestellt ist. Eine, diesen Stand der Technik charakterisierende Lösung ist ebenfalls aus JP 62073548 A (PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol.011, no.271 v. 03.09.87) ersichtlich: Zur Vermeidung von Induktionen ist hier jede der isolierten Signalleitungen im Bereich der Isolator-Durchführung einzeln von einem eigenen Schutzring umgeben. Der Schutzring verhindert somit das Auftreten störender Restströme, so daß der Grundstrom einer Ionisationskammer ohne Strahlung bei ihrer Arbeitsspannung (meist einige hundert Volt) minimal, d.h. typischerweise kleiner als 0,1 pA ist.
Das radiometrische Meßsystem in einer Produktions- oder Bearbeitungsanlage besteht aus einer Quelle ionisierender Strahlung, dem Detektor, d.h. der lonisationskammer und dem Meßgut. Der Wechselwirkungsgrad zwischen der Strahlung und dem Meßgut (z.B. Absorption, Rückstreuung, Fluoreszenz) ist ein Maß für die Menge des zu bestimmenden Materials, meist angegeben als Flächenmasse oder Dicke. Das System aus Strahlenquelle und Detektor kann in den meisten Fällen quer zur Materialbahn bewegt werden.
Mit dein Übergang von einem Einzeldetektor hin zu einem Detektor mit mehreren unabhängigen Meßstellen eröffnen sich der Flächenmasse-Meßtechnik neue Möglichkeiten zur Lösung bisher unbewältigter Meßaufgaben. Die so entstehenden zusätzlichen Informationen bieten eine Basis für eine effektivere und genauere Kontrolle von Produktionsprozessen.
Auf der einen Seite kann die Querprofil-Ortsauflösung verfeinert werden.
Die Ortsauflösung einer Querprofil-Messung mit den gängigen axialsymmetrischen Ionisationskammern ist naturgemäß durch den Kammerdurchmesser begrenzt. So wird in der Fachliteratur die auflösbare Struktur mit der zweifachen Detektorausdehnung angegeben. Eine feinere Ortsauflösung muß mit Detektoren geringerer Ausdehnung in Querrichtung zur Materialbahn erzielt werden. Diese können so angeordnet werden, daß ein Querprofil-Ausschnitt mit einer höheren Auflösung als bei einem entsprechenden Einzeldetektor gemessen werden kann.
Bekannt ist die Verwendung eines Arrays aus Halbleiterdetektoren (Silizium-pin-Dioden), die im Strom-Modus betrieben werden. Hierbei zeigt sich jedoch die starke Anfälligkeit der Halbleiterdetektoren gegen Temperaturänderungen, wie sie in industriellen Produktionsanlagen ständig auftreten. Dadurch werden die Meßsignale verfälscht.
Auf der anderen Seite kann das Energiespektrum als Folge der Wechselwirkung von Röntgenstrahlung mit dem Meßgut genutzt werden.
Bei bestimmten Beschichtungsverfahren unterscheidet sich die Ordnungszahl des Substrats nur geringfügig von der Ordnungszahl der aufzubringenden Schicht (z.B. Zink auf Stahl). In diesem Fall ist das bekannte Beta-Rückstreuverfahren ungeeignet. Eine etwaige Röntgenfluoreszenzstrahlung des zweikomponentigen Systems gibt aber Aufschluß über die Dicke der aufgebrachten Schicht. Die Energie der Fluoreszenzstrahlung ist elementspezifisch; ihre Intensität ist von der untersuchten Materialmenge und damit von der Schichtdicke abhängig. Selektive Filter absorbieren durch den K-Kanten-Effekt z.B. stark die von der Schicht ausgehende Röntgenstrahlung und transmittieren weitgehend die vom Substrat ausgehende Strahlung. Zwei Detektorabschnitte mit verschiedenen Filtern können dann über Kalibrierungen zur Messung einer Komponente des zweikomponentigen Systems benutzt werden.
Die Detektorabschnitte können in einer Mehrfachkammer wie beschrieben angeordnet sein. Prinzipiell können über das zweikomponentige System hinaus in bestimmten Fällen n-1 Komponenten eines n-Komponenten-Systems mit einer Kammer mit n Meßabschnitten bestimmt werden.
Dieser Stand der Technik ist im Wesentlichen mit US-Patent 3,514,602 veröffentlicht . Hïer ist eine Kammer in zwei Abschnitte unterteilt, deren Signale analog voneinander subtrahiert werden, um ein Ausgangssignal als Maß für die gewünschte Meßgröße zu erhalten, was dem damaligen Stand der Technik entsprach. Dem heutigen Stand der Technik entspricht ein umgewandeltes (niederohmiges) Kammerabschnitts-Ausgangssignal, das einer entsprechenden Weiterverarbeitung auf Rechner- und Prozessorbasis zugeführt werden kann.
Mit DE 195 45 340 A1, wurde bereits eine Ionisationskammer für radiometrische Meßeinrichtungen, insbesondere für traversierende Flächenmassemeßsysteme vorgeschlagen, die als gattungsbildend für die nachfolgend beschriebene Erfindung zu bezeichnen ist. Die Ionisationskammer gem. DE 195 45 340 besteht aus einen Gehäuse, in dem sich ein Püllgas und eine Anzahl von Sammelelektroden befinden und das mit wenigstens einem Strahlungseintrittsfenster versehen ist. Die Sammelelektroden sind mit isoliert nach außen geführten elektrischen Anschlüssen versehen. Der Innenraum der Ionisationskammer ist in eine Mehrzahl benachbarter Meßabschnitte unterteilt, in denen jeweils eine Sammelelektrode angeordnet ist, wobei zwischen dem Gehäuse und den Sammelelektroden eine elektrische Potentialdifferenz besteht. DE 195 45 340 A1 wurde am 12.06.97 und damit nach dem Prioritätsdatum (21.03.97) der vorliegenden Internationalen Anmeldung veröffentlicht.
Diese beispielhaft angeführten Meßprobleme führten daher zu der Aufgabe, eine Ionisationskammer für radiometrische Meßeinrichtungen, insbesondere für traversierende Flächenmassemeßsysteme zu entwickeln, die eine hinreichende Empfindlichkeit besitzt und dabei die bei Ionisationskammern üblichen guten Werte hinsichtlich Vakuumdichtigkeit, Grundstrom und Temperaturabhängigkeit liefert.
Diese der Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung wird bei einer Ionisationskammer der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Innenraum des Gehäuses in eine Mehrzahl benachbarter und gegenseitig abgegrenzter Meßabschnitte mit den jeweiligen Sammelelektroden unterteilt ist, daß die Sammelelektroden mit elektrischen Anschlüssen verbunden sind, die durch den Isolator einer gasdichten Mehrfach-Durchführung hindurch nach außen geführt sind und daß der Isolator mit einem die elektrischen Anschlüsse gemeinsam umgebenden elektrisch leitfähigen Bereich versehen ist, der sowohl gegenüber dem Gehäuse, als auch den Anschlüssen elektrisch isoliert angeordnet ist, jedoch im stromlosen Zustand auf Elektrodenpotential liegt.
Durch diese erfindungsgemäße Lösung wird eine Flächenmassemessung ermöglicht, die gegenüber der Verwendung konventioneller Ionisationskammern beispielsweise eine feinere Ortsauflösung oder auch eine Energieselektion der vom Meßort ausgehenden Strahlung erreicht.
Weitere Fortbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Bevorzugt ist dabei der die Anschlüsse umgebende Bereich als Schutzring in Form eines Metallringes ausgebildet, der gleichzeitig mehrere Sammelektroden-Anschlüsse umgibt. Der zwischen dem Gehäuse und dem Schutzring befindliche Isolator kann Teil eines Isolierrohres sein, dessen einer Metallkontakt mit dem Gehäuse gasdicht verbunden ist. Mit dem gegenüberliegenden Metallkontakt des Isolierrohres kann eine Mehrfach-Durchführung gasdicht verbunden werden.
In einer Variante der Erfindung kann der Schutzring auch als Flächenelektrode ausgebildet werden, die auf wenigstens einer Seite des Isolators die Anschlüsse umgibt. Bevorzugt ist die Flächenelektrode jedoch sowohl auf der Gehäuseinnenseite, als auch auf der Gehäuseaußenseite angeordnet. Beide Flächenelektroden sind elektrisch miteinander und gemeinsam mit einem Kontaktstift verbunden und befinden sich somit auf Schutzringpotential.
In Fortführung der Erfindung werden die Meßabschnitte durch Trennwände voneinander abgegrenzt, die bis unmittelbar an das zum entsprechenden Abschnitt gehörende Strahlungseintrittsfenster reichen, um eine gegenseitige Beeinflussung der Meßabschnitte, etwa durch Drift von Ladungsträgern, auszuschließen.
Die Sammelelektroden können nicht, wie meist in herkömmlichen Einzelkammern, mechanisch von den Signalleitungen selbst gehalten werden. Sie werden stattdessen isoliert auf einem Träger innerhalb der Kammer aufgebracht und fixiert, der auf Schutzringpotential liegt und wiederum isoliert gegenüber dem Kammergehäuse angeordnet ist, was zur Wahrung des Schutzringprinzips führt.
Die Elektroden können je nach Anforderung unterschiedlich geformt sein. So können die Elektroden aus einer gespannten Folie oder Foliestreifen bestehen, oder aus mehreren gespannten Drähten bestehen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Ionisationskammer einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt auf, wobei die Meßabschnitte nebeneinander oder zweioder mehrreihig bündig oder versetzt zueinander angeordnet sind.
In einer weiteren Variante weist die Ionisationskammer einen runden Querschnitt auf. In diesem Fall ist es zweckmäßig, wenn die Meßabschnitte in der Ionisationskammer radial nebeneinander angeordnet werden, wobei es prinzipiell auch möglich ist, die Meßabschnitte in der Ionisationskammer konzentrisch zueinander anzuordnen.
Weiterhin ist es möglich, oberhalb des Strahlungseintrittsfensters Filter für Röntgenstrahlung anzuordnen, wobei zweckmäßigerweise jedem Meßabschnitt der Ionisationskammer ein Filter zugeordnet ist.
Weisen die Filter aufeinander abgestimmte unterschiedliche Filtereigenschaften auf, so werden die einzelnen Meßabschnitte unterschiedlich gefilterter Strahlung ausgesetzt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Strahlungseintrittsfenster bei mehrreihig versetzt zueinander angeordneten Meßabschnitten teilweise derart abgedeckt, daß die nahtlose unzweideutige Messung eines Querprofilausschnittes ermöglicht wird.
Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
Bild 2 zeigt den Aufbau einer Ionisationskammer 1 mit Meßabschnitten 2 im Innern des Gehäuses 3, die jeweils unabhängige meßtechnische Einheiten bilden. Jeder Abschnitt 2 ist dabei durch Trennwände 4 von seinen Nachbarabschnitten getrennt. Die Trennwände 4 sorgen für eine Minimierung von Schrägeinstrahlungen durch das Kammervolumen in den Nachbarabschnitt, die dadurch erreicht wird, daß sich die Trennwände 4 unmittelbar bis an das Strahlungseintrittsfenster 5 erstrecken, welches den oberen Abschluß des Gehäuses 3 bildet.
Die Ionisationskammer 1 kann beispielsweise einen rechteckigen Querschnitt aufweisen, wobei die Meßabschnitte 2 auch zweioder mehrreihig versetzt zueinander angeordnet sein können (Fig. 2a).
Innerhalb jedes Meßabschnittes 2 ist eine Elektrode 6 angeordnet, die der Bauform des Meßabschnittes 2 angepaßt ist. Ihre Gestalt trägt der Forderung nach einer möglichst geringen Gasverdrängung, einem möglichst raumgreifenden elektrischen Feld, der Vermeidung von Gasverstärkungen und einer möglichst geringen Mikrophonie Rechnung. Daher wird die Dicke und die Masse der Elektrodenbauteile klein gehalten, jedoch werden Mindestradien nicht unterschritten.
Die Elektrode 6 besteht entweder aus einem Haltekörper 7, an dem gespannte Drähte 8 angeordnet sind, wobei der Haltekörper 7 über einen Isolierkörper 21 auf einem Träger 9 freistehend angeordnet ist (Fig. 2, 4). Wie in Fig. 3 dargestellt, kann die Elektrode 6 auch die Form einer Drahtelektrode 10 aus mehreren aneinandergefügten Drähten aufweisen. Der Träger 9 liegt auf Schutzringpotential.
Bei kleinen Kammerabschnitten werden bevorzugt Füllgase mit hoher Dichte (z.B. Xenon) verwendet, um eine möglichst hohe Strahlungsabsorption nahe dem Strahlungseintrittsfenster 5 der Ionisationskammer 1 zu erreichen.
Um die Signale aller Elektroden 6 parallel nach außen zu führen, wird eine Mehrfach-Durchführung mit Schutzring verwendet. Diese Mehrfach-Durchführung besteht aus einem Isolierrohr 11, auf dem über einen Metallring 12, der als Schutzring dient, ein Isolator 13 befestigt ist (Fig. 5). Durch den Isolator 13 sind Anschlüsse 14 in Form von Metallpins geführt, die über Signalleitungen 15 mit den Elektroden 6 verbunden sind. Auf diese Weise entsteht eine Mehrfach-Durchführung mit einem allen Signalleitungen 15 bzw. Anschlüssen 14 gemeinsamen Schutzring, wobei die Kosten pro herausgeführtem Signal gegenüber herkömmlichen dreifach konzentrischen Durchführungen deutlich reduziert sind. Die Signale werden nicht dargestellten Strom-Spannungs-Wandlern zugeführt, deren Ausgangssignal vom jeweiligen Meßsystem weiterverarbeitet wird.
Begrenzt man das Schutzringprinzip nur auf Oberflächenströme, so kann eine noch einfachere Konfiguration als oben beschrieben, realisiert werden.
Fig. 6 zeigt eine solche Mehrfach-Durchführung mit mehreren Anschlüssen 14 in einem Isolator 17 aus einem hochisolierenden Material. Auf der Oberfläche des Isolators 17 werden beidseitig Ringe in Form von Flächenelektroden 18 um die Anschlüsse 14 aufgebracht, deren Potential als Schutzring wirkt. Über einen der Anschlüsse 14 wird das Schutzringpotential nach innen geführt. Mit dieser Anordnung werden ausschließlich Oberflächenströme auf dem Isolationsmaterial zwischen dem Gehäuse und den Sammelelektroden verhindert.
Eine Ionisationskammer 1 mit mehreren Abschnitten 2 wie vorstehend beschrieben, kann auch insbesondere zum Nachweis von Röntgenstrahlung derart genutzt werden, daß einzelne Meßabschnitte 2 unterschiedlich gefilterter Strahlung ausgesetzt werden. Das erfolgt dadurch, daß zwischen dem Meßgut 19 und den einzelnen Meßabschnitten 2 Filter 20 angeordnet werden. Die von einer Strahlungsquelle 22 ausgehende Strahlung erhält ihr charakteristisches Energiespektrum vor dem Filter 20 durch das Absorptions- oder das Fluoreszenzverhalten des Meßgutes 19. Durch geeignete Auswahl entsprechender unterschiedlicher Filter 20 kann ein aus mehreren Bestandteilen zusammengesetztes Material (z.B. Papier mit Füllstoffen, Metallegierungen) vermessen werden.
Fig. 8 zeigt schließlich noch eine Ionisationskammer mit einem verstärkten Strahlungseintrittsfenster 5, auf dessen Außenseite ein Draht 16 erstreckt, der beispielsweise durch eine Schweißverbindung befestigt ist.