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Gamrnastrahl-Meß einrichtung Die Erfindung bezieht sich auf Röntgen-
bzw.
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Gammastrahl-Stärkemeßeinrichtungen und befaßt sich mit solchen Meßeinrichtungen,
die nach dem Rückstreuprinzip arbeiten und zum Messen der Dicke eines Gegenstandes
oder der Wandstärke von Rohren, deren Innenfläche nicht zugänglich ist, dienen.
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Rücltstreu- Gammastrahl- Dickenmeßeinrichtungen setzen sich im wesentlichen
zusammen aus einer Gammastrahllieferquelle, aus einem Detektor für solche Strahlen
und aus einem dazwischenliegenden Schild oder Schirm, um eine unmittelbare Beeinflussung
des Detektors von der Lieferquelle her zu verhindern. Die Meßeinrichtung wird in
Beziehung zu einem zu messenden Gegenstand so angeordnet, daß Gammastrahlen in spitzen
Winkeln auf den Gegenstand auffallen und in spitzen Winkeln in Detektorrichtung
auf der anderen Schirmseite zurückgestreut werden. Hierbei widersprechen sich zwei
Anforderungen, nämlich der mittlere Ablenk- oder Streuwinkel soll einerseits so
klein wie möglich sein, weil die Energie der zurückgestreuten Teilchen eine Funktion
des Streuwinkels ist, wohingegen andererseits die Lieferquelle so nahe wie möglich
am Detektor liegen soll, um die absoluten Strahlungswerte klein zu halten und so
ein Mindestmaß an Abschirmung zu benötigen.
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Durch die Erfindung wird die Notwendigkeit, einen Schirm zwischen
Lieferquelle und Detektor vorzusehen, vermieden, und zwar dadurch, daß eine impulsanalysierende
Einrichtung im Ausgangsteil des Detektors vorgesehen wird, wobei die Rückstreuimpulse
von denjenigen getrennt werden, die infolge unmittelbarer Erregung des Detektors
durch die Quelle auftreten.
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Daraus folgende Vorzüge der Erfindung sind, daß die Quelle sowohl
an den Gegenstand als auch an den Detlektor dicht herangebracht werden kann und
ihre Strahlung deshalb so gering sein kann, daß sie keine Abschirmung gegenüber
dem Bedienungsmann erforderlich macht. Da die Quelle, der Detektor und der Gegenstand
dicht zusammenliegen können, ist auch die Beobachtungsfläche genau definiert.
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Die erfindungsgemäße Gammastrahl-Meßeinrichtung ist in erster Linie
dadurch gekennzeichnet, daß die aus einer Gammastrahllieferquelle und einem auf
Strahlungsenergie ansprechenden Gammastrahldetektor bestehende Meßeinrichtung eine
in solcher Weise ausgebildete Haltevorrichtung zum Anbringen der Gammastrahllieferquelle
und des Detektors aufweist, daß die Gammastrahllieferquelle sich dicht bei dem zu
untersuchenden Oberflächenstück befindet und daß der Detektor unmittelbar sowohl
der Gammastrahllieferquelle als auch der Energiestrahlung des Oberflächenstücks
ausgesetzt ist, und daß eine selektive elektronische Anzeigevorrichtung für das
Anzeigen des
Zählwertes solcher Impulse an den Ausgangsklemmen des Detektors welche
allein von den vom Oberflächenstück rückgestreuten Gammastrahlen herrühren, vorgesehen
ist.
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Die vom so angeordneten Detektor empfangenen Gammastrahlen sind von
minimaler Energie, sie unterscheiden sich, was nachfolgend erklärt werden soll,
in ihrer Amplitude von der direkten Strahlung, so daß sie von einem Impuls-Amplitudenscheider
getrennt werden können.
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Der energieempfindliche Detektor weist vorzugsweise einen Kristall
auf, welcher mit einem Fotomultiplikator und einem Größenverhältnismesser verbunden
ist, wobei der Impulsamplitudenscheider in der Schaltungsanordnung zwischen dem
Fotomultiplikator und dem Größenverhältnismesser vorgesehen ist.
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Die Lieferquelle kann herkömmlicherweise eine Nadel aus Kobalt 60
aufweisen, die in einem möglichst dünnen' Schutzblech enthalten ist, so daß sie
ganz dicht an die Fläche eines zu messenden Gegenstandes gebracht werden kann.
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Der Zählwert der rückgesteuerten Impulse ist gleich der Summe eines
Impulswertes, bedingt durch rückgestreute Gammastrahlen, und eines Impulswertes,
bedingt durch Compton-Rückprallelektronen, welche durch unmittelbare Erregung erzeugt
werden. Dieser letztere Impulswert ist für eine bestimmte Quellenstärke konstant
und kann eingeeicht werden, indem der Skalennullpunkt mit dem konstanten Wert in
Übereinstimmung gebracht wird, wenn sich kein zu
untersuchendes
Objekt in der Nähe der Meßvorrichtung befindet. Ein Erfindungsmerkmal besteht darin,
Mittel zum Einregeln des Größ enverhältnismesserausschlags in umgekehrtem Verhältnis
zu demjenigen entsprechend dem Compton-Rückprallzählwert vorzusehen, um eine Nullablesung
zu erhalten, wenn kein Gegenstand vorhanden ist, und um auf diese Art und Weise
den Ausschlag der Meßvorrichtung auf Rückstreustrahlung entsprechend dem radioaktiven
Zerfall der Lieferquelle auszugleichen.
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Die Erfindung soll nunmehr an Hand der sie beispielsweise wiedergebenden
Zeichnung ausführlicher beschrieben werden, und zwar zeigt Fig. 1 eine schaubildliche
Darstellung einer erfindungsgemäß en Ausführungsform der Stärkemeß -einrichtung,
Fig. 2 eine Kurve, welche die Beziehung zwischen dem Zählwert und der Amplitude
von Impulsen, die vom Multiplikator der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform hergeleitet
werden, veranschaulicht, Fig. 3. eine schaubildliche Darstellung, die ein Beispiel
für eine praktische Bauform für einen erfindungsgemäßen Meßkopf zeigt, der eine
radioaktive Lieferquelle und einen Funken- bzw. Stoß- oder Scintillierzähler, entworfen
für das Messen der Stärke von Rohrwandungen, aufweist, Fig. 4 eine schaubildliche
Darstellung in vergrößertem Maßstab, welche einen Teil der Fig. 3 zeigt, während
Fig. 5 ein Schaltungsschaubild des Impulsamplitudenscheiders 11 und des Größ enverhältnismessers
12 von Fig. 1 wiedergibt.
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Nach Fig. 1 ist eine Gammastrahllieferquelle 1 unter dem Kristall
2 eines Funken-, Stoß- oder Scintillierzählers 3, der eine elektronische Multiplikatorfotozelle
4 aufweist, angeordnet. Die Anbringung der Lieferquelle 1 ist im Schaubild nicht
dargestellt, sie ist jedoch derart, daß sie in dichte Kontaktberührung mit der Oberfläche
eines Gegenstandes 5, dessen Stärke oder Dicke gemessen werden soll, gebracht zu
werden vermag. Die Anbringung erfolgt so, daß die der Gammastrahllieferquelle benachbarte
Fläche weder vom Kristall noch von der Gammastrahllieferquelle verdeckt wird.
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Der Gegenstand oder Prüfling 5 ist auf diese Art und Weise den von
der Quelle ausgehenden Gammastrahlen auf kleinstmögliche Entfernung unmittelbar
ausgesetzt, wobei ein Teil dieser Strahlen je nach der Dicke des Gegenstandes zurückgestreut
oder zurückgeworfen wird. Die Energie der zurückgestreuten Strahlen beträgt bei
denen ein Minimum, die in einer Richtung normal zur Oberfläche gestreut werden;
der Kristall ist so angeordnet, daß er einen dichten Kegel solcher Strahlen auffängt,
wobei die Kegelachse normal zur Oberfläche verläuft. Die Lieferquelle 1 hat im Vergleich
zum Kristall 2 kleine Abmessungen und wirft so einen zu vernachlässigenden Eigenschatten.
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Der Kristall ist natürlich auch unmittelbaren Gammastrahlen von der
Lieferquelle her ausgesetzt.
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Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen Zählwert und Impulsamplitude
am Ausgang des Fotomultiplikators 4 nnr Gitter typischen Bedingungen bei Verwendung
einer CsI87, 0,661 Mev.-Gammastrahllieferquelle. In der Darstellung ist ein Bereich
6 von hohem Zählwert bei , niedriger Amplitude vorllandenf, bedingt vom Thermalgeräusch,
gefolgt von einer Waagerechten 7 von im wesentlichen gleichbleibendem Zählwert bei
wachsender Amplitude, bedingt von Compton-Rückprallelektronen. Bei maximaler Amplitude
tritt eine Spitze 8 auf ; (zwei Spitzen im Falle von Kobalt), und zwar als
Folge
unmittelbarer fotoelektrischer Erregung, wähtrend an einem Punkt innerhalb der Waagerechten
7 eine Spitze 9, welche durch die Rückstreuung einer Amplitude bedingt ist, die
mit der Dicke oder Stärke des zu messenden Gegenstandes größer wird, über die Waagerechte
hinaus auftritt.
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Wie in Fig. 1 gezeigt, wird der Ausgang vom Fotomultiplikator her
nach einem Linearimpulsverstärker 10 und dann nach einem Impulsamplitudenanalysator
11 weitergeleitet, wobei der Ausgang bzw. das Ausgangssignal einen einzelnen Amplitudenkanal
durchläuft, der durch die gestrichelten Linien in Fig. 2 dargestellt ist. Das Impulsverhältnis
oder die Impulsstärke dieses Ein-Kanal-Ausgangs vom Scheider her wird von einem
Stärkenverhältnismesser 12 angezeigt.
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Es ist verständlich, daß die angezeigte Impulsstärke gleich der Summe
von einem »Hintergrund«-Zählwert, bedingt durch Compton-Rückprallelektronen (Waagerechte
7), und der Rückstreuung (Spitze 9) ist. Für eine bestimmte Lieferquellenstärke
ist die Höhe der Waagerechten konstant, während die Höhe der Spitze 9 über der Waagerechten
eine Funktion der Gegenstandswandstärke oder -dicke ist. Auf diese Art und Weise
kann, wenn das Meßgerät 12 so ausgestaltet wird, daß ein Nullwert bei dem Zählwert,
der ohne Prüfling erzielt wird, abgelesen wird (das ist der von der Waagerechten
7 dargestellte Zählwert), das Meßgerät geeicht werden, um die Stärke oder Dickenabmessung
irgendeines Teiles, eines Gegenstandes aus bestimmtem Werkstoff, auf welchem die
Mefivorrichtung aufgestellt oder angeordnet ist, anzuzeigen.
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Eine bevorzugte Lieferquelle besteht aus Kobalt 60 mit einer Halbwertzeit
von 5,3 Jahren, so daß eine spürbare Verminderung der Strahlungsenergie über einen
Zeitraum von beispielsweise einem Jahr mit einem entsprechenden Absinken der Gesamthöhe
der Spitze 9 bei einer bestimmten Dicke auftritt.
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Es wird jedoch auch ein verhältnismäßiges Absinken der Höhe der Waagerechten
7 mit dem Nachlassen der Lieferquellenkraft eintreten. Das erfindungsgemäße Gerät
nutzt dies in vorteilhafter Weise aus und verwendet eine Ansprecherwiderungssteuerung,
welche dem Stärkenverhältnismesser 12 als Nulleinstellungssteuerung zugeordnet ist,
wie dies nachstehend an Hand von Fig. 5 erläutert wird. Auf diese Art und Weise
kann die für die Betätigung des Verhältnismeßgeräts 12 abgeleitete Spannung auf
eine konstante Höhe entsprechend der Nullanzeige gehalten werden, und zwar unabhängig
vom Absinken oder Fallen der Höhe der Waagerechten 7 infolge Verfalls der Quelle,
während die Eichung der Meßvorrichtung unberührt bleibt.
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Eine zweckmäßige Form für das Anbringen der Quelle und des Bestimmungsbauteils
oder Detektors ist in den Fig. 3 und 4 dargestellt. Bei Fig. 3 ist ein normales
Fotomultiplikatorrohr in einem Gehäuse 4 a enthalten, welches mit einem Halter 2
a ausgestattet ist, der aus einem im wesentlichen kubischen Kasten mit nach unten
ragender kappenförmiger Verlängerung 2 b für ein Natriumjodidkristall von 16,39
cm3 Größe besteht. Eine Messingstange 13 von 3,2 mm Durchmesser erstreckt sich zwischen
den Seitenbacken der Haube 2 b; wobei in einem Längsschlitz an der Unterseite der
Stange 13 (Fig. 4) ein Draht aus Kobalt 60 liegt und eine 21 ! c-Lieferquelle 1
bildet.
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Der Kobaltdraht wird von einem dünnen Messingrohr 14 von der Wandstärke
0,25 mm im Schlitz zurückgehalten und geschützt. Der Kobaltdraht kann auf diese
Art und Weise bis auf etwa 0,51 mm an eine Oberfläche herangebracht werden, und
die Abmessungen
der Haube 2 b sind derart, daß der Kristall auf
diese Art und Weise 50,8 mm von der Fläche entfernt zentrisch gehalten ist.
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Der Kristallhalter 2 a hält einen Aufstellrahmen 15, der geschlitzt
ist, so daß er gegenüber dem Kristallhalter, und zwar gegen die Wirkung einer Feder,
senkrecht verschiebbar ist. Der Rahmen 15 weist gegabelte Seitenplatten oder -wände
auf, zwischen deren Enden zwei Aluminiumstangen 16 angeordnet sind.
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Im Betrieb wird die Meßvorrichtung auf einer Fläche so aufgestellt,
daß die Stangen 16 flach auf ihr und nahe dem Gehäuse 4a liegen und der Halter 2a
gegen die Federwirkung nach unten gedrückt wird, bis das Messingrohr 14, welches
die Quelle 1 umschließt, die Fläche berührt. Der Aufstellrahmen stellt sicher, daß
die Meßvorrichtung genau mit der Fläche ausgerichtet ist. Das Meßgerät 12 zeigt
dann die Dicke am Berührungspunkt an, und les kann durch Bewegen der Meßvorrichtung
über die Oberfläche hinweg die Dicke oder Stärkenabmessung an jedem beliebigen Punkt
bestimmt werden. Obgleich er für die Anwendung bei flachen Flächen geeignet ist,
ist der in Fig. 3 dargestellte Aufstellrahmen 15 besonders für die Verwendung bei
Rohren vorgesehen, wie beispielsweise beim dargestellten Rohr 17, wobei die Aluminiumstangen
16 längs auf dem Rohr liegen. Das Rohr kann dann langsam gedreht und die Meßvorrichtung
entlang dem Rohr bewegt werden, um so die Fläche zu prüfen.
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Eine geeignete Schaltungsanordnung für den Impulsamplitudenanalysator
11 und den Stärkenverhältnismesser 12, die besonders für Batteriebetrieb geeignet
ist, soll nunmehr an Hand der Fig. 5 beschrieben werden.
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Der Analysator oder Scheider ist so ausgestaltet, daß er an seiner
Eingangsklemme 1 N auf. Impulse von einer maximalen Amplitude von 5 Volt anspricht.
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Der Verstärker 10 (Fig. 1) muß schon deshalb einen Gesamtverstärkungsgrad
bzw. Durchgriff von zwischen X 100 und X 200 haben, wenn er mit dem besonderen,
angeführten Fotomultiplikatorrohr verwendet werden soll.
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Der Scheider 11 weist drei Doppeltrioden V1, V2 und V3 auf. Die Rohre
Vi und V2 arbeiten jedes nach Univibratorart eines Amplitudendiskriminators.
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Die linke Seite von Vi ist bei Nichtvorhandensein eines Signals auf
dem Gitter leitend, während die rechte Seite, bedingt durch den anodengekoppelten
Verstärkungsvorgang der Schaltungsanordnung und die positive Vorspannung von +2,
5 Volt, auf dem linken Gitter gesperrt ist. Ein negativer Impuls von richtiger Amplitude,
der vom Verstärker über den Kondensator C 5 auf dem linken Gitter ankommt, bringt
die Schaltungsanordnung ins Ungleichgewicht, was eine Umschaltung zur Folge hat,
so daß die rechte Seite für eine von den Schaltungsanordnungs-Zeitkonstanten bestimmte
Dauer leitet. Diese Dauer beträgt etwa 15 Mikrosekunden. Ein positiver Impuls von
dieser Dauer und einer Amplitude von etwa 20 Volt wird vom linken Anodenkreis an
der Verbindungsstelle von R 19, R20 abgenommen und über C11 nach dem Rohr V3 übermittelt,
wobei dessen linke Seite stromleitend wird und wechselweise negative Impulse über
C 13 wiederum mit einer Amplitude von etwa 20 Volt abgegeben oder ausgesendet werden.
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Die Arbeitsweise von V2 ist ähnlich der von V1, ausgenommen daß es
nur bei Ankunft von Impulsen über den Kondensator C7, welche eine größere Amplitude
aufweisen als diejenigen, die vom linken Gitter von V1 ankommen, auslöst. Da die
positive Vor-
spannung von V1 2,5 Volt beträgt und die von V2 5 Volt, ist die Kanalbreite
2,5 Volt. Dies ist die normalerweise für den Scheider eingestellte Breite, jedoch
kann die Breite mit Hilfe eines Potentiometers Vor2, von welchem die normale 5-Volt-Vorspannung
abgeleitet wird, eingeregelt werden. Auch können die beiden Vorspannungen zusammen
mit Hilfe des Potentiometers VOR 3 verändert werden, um den Kanal zu verschieben.
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Beim Auslösen von V2 wird ein positiver Impuls von etwa 30 Mikrosekunden
Dauer und einer Amplitude von etwa 20 Volt über den Kondensator C 12 auf das rechte
Gitter von V3 gegeben, welcher die linke Seite sperrt, und zwar infolge der kathodengekoppelten
Verstärkerwirkung dieses Kreises, wobei es wie ein Joch, Tor oder Koinzidenzkreis
wirkt und alle Impulse in seinem Ausgangsanodenkreis sperrt oder abhält.
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Auf diese Art und Weise erscheint für jeden Impuls, der an dem Eingang
IN innerhalb eines Amplitudenbereichs von 2,5 bis 5 Volt ankommt, ein negativer
Impuls mit einer Amplitude von etwa 20 Volt (einregelbar mittels des veränderlichen
Widerstandes VR9) an der linken Anode von V 3 und wird durch den Kondensator C 13
zu. den folgenden Schaltungsanordnungen, welche den Größenverhältnismesser 12 von
Fig. 1 bilden, gegeben. Der eingefügte Zählwert für maximale Dicke oder Stärkenabmessung
beträgt angenähert 10000 je Sekunde.
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Der Größenverhältnismesser besteht aus einer »Diodenpumpe«, welche
Selengleichrichterdioden 1 und MR2 und den Steuerkreis (Umlaufkreis) R49, C 14,
C 15, einenRücltkopplungs-Rohrspannungsmesser mit Triodenrohren V4 und V5 und eine
Löschspannungs-Schaltungsanordnung mit Rohr V5B, Schalter Ski12 und den zugeordneten
Registriervorrichtungen aufweist.
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Die Ausgangsspannung von der »Diodenpumpe «, welche an R49 erscheint
oder hervorgerufen wird, ist eine Funktion des Impulszählwertes von V3 und ebenso
die Impulsamplitude, die mit Hilfe von Vor 9 einregelbar ist.
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Diese Spannung wird nach dem Gitter von V4 übertragen und erscheint
an der Kathode von V 5 A.
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V4 ist eine Hochleistungspentode, welche gleichstromgekoppelt mit
V5A in Kathodenfolg, oder -verstärkerschaltung mit 100 °/o Rückkopplung an das Gitter
von V4 angeschlossen ist.
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Die Spannung an der Kathode von V5A wird von einem Zehntelmilliamperemetermesser
XIA, der über einen Schalter S1jl angeschlossen ist, angezeigt und zur Kathode der
Triode V5B, die auch in Kathodenfolger- oder -verstärkerschaltung angeschlossen
ist geleitet. V5A und V5B bilden eine Doppeltriode. Die Gitterspannung von V5B und
infolgedessen das auf das Meßgerät MA von der Kathode V SB übertragene Löschpotential
wird über einen Schalter S1/2, der mit Schalter S1/1 gekoppelt ist, ausgewählt bzw.
eingeregelt. Bei der gezeigten Schalterstellung ist das Gitter von V5B geerdet,
so daß dort kein Löschpotential auf den Messer übertragen wird. Bei dieser Stellung,
in welcher der Fotomultiplikator 4 (Fig. 1) nicht angeschlossen ist, wird der Ausschlag
des Meßgeräts auf Null eingestellt, und zwar mittels des Widerstands VR 10 im Kathodenkreis
von V5A, und zwar zum Ausgleich der Steuervorrichtungs-Störgeräuschspannung.
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Bei zwei weiteren Stellungen des gekoppelten Schalters wird der Meßbereich
durch das Einschalten von Reihenwiderständen R 50 und VOR 5 (Bereich 1)
oder
R48 und VR4 (Bereich 2) verändert. Bereich 1 ist für eine Dickenabmessung von 0
bis 6,4 mm und Bereich 2 für Stärken von 3,2 bis 22,2 mm vorgesehen.
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Wie bereits beschrieben, tritt infolge von Compton-Rückprallelektronen
ein »Hintergrund«-Zählwert auf, wenn der Fotomultiplikator angeschlossen ist, und
zwar selbst dann, wenn das Gerät keine Kontaktberührung mit einer Fläche (Stärkenabmessung
Null) hat. Auf diese Art und Weise wird bei dem gezeigten SchalterS1 in »Null«-Stellung
der Messer bzw. das Meßgerät MA ansprechen, und zwar in dem Maße veränderlich, wie
die Gammastrahllieferquelle mit der Zeit zerfällt. Die Anzeige wird deshalb zum
Ausgleich des Lieferquellenzerfalls mittels Impulsamplitudensteuerung Vor 9 eingeregelt,
um (im vorliegenden Fall) eine vorbestimmte Ablesung von 0,8 Volt für die Stärke
Null zu geben. Wenn der S1-Schalter in Bereich-1- oder Bereich-2-Stellungen bewegt
wird, überträgt das Schalterteilstück S 1/2; die erforderlichen Spannungen (eingeregelt
jeweils von VR7 bzw. VR6) auf das Gitter von V SB, um dadurch eine Löschspannung
für das Rückkehren der Meßgerätanzeige für die Schichtstärke Null zu liefern.