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Gerät zur Strahlungsmessung Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Strahlungsmessung
mittels eines Elektrometers. Bei solchen Geräten zur Feststellung der Radioaktivität
mit Hilfe von Ionisationskammern od. dgl. handelt es sich um die Messung von sehr
schwachen Strömen oder Spannungen, bei denen die auftretende elektrische Leistung
sehr klein ist.
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Es sind Geräte zur Strahlungsmessung bekannt, die im Prinzip auf
der Messung eines verhältnismäßig schwachen Stromes beruhen, der in einer unter
Spannung stehenden Ionisationskammer fließt, wenn diese von einer Strahlung getroffen
wird. Wegen der kleinen Leistungen, die für die Messung nutzbar gemacht werden können,
sind nur Anzeigeinstrumente mit geringem Eigenverbrauch verwendbar, wie z. B. ein
Elektrometer.
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Die bekannten Geräte sind im allgemeinen so ausgebildet, daß bei
ihnen mit einem Elektromotor entweder der durch den Ionisationsstrom an einem hochohmigen
Widerstand hervorgerufene Spannungsabfall oder die durch diesen verursachte Entladung
eines vorher aufgeladenen Kondensators gemessen wird. In dem einen Fall wird die
für die Ionisationskammer erforderliche Spannung einer Batterie entnommen, die für
die Dauer der Messung eingeschaltet bleibt, währnd in diem anderen Fall jeweils
kurz vor einer Messung der mit der Ionisationskammer parallel geschaltete Kondensator
aufgeladen wird, was mit Hilfe einer Batterie oder eines Kurbelinduktors geschehen
kann Die bisher verwendeten Geräte haben verschiedene Nachteile, insbesondere sind
sie vielfach zu aufwenig in ihrem Schaltungsaufbau, womit ein großer Platzbedarf
und ein großes Gewicht verbunden ist, so daß sie als tragbare Geräte wenig geeignet
sind.
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Außerdem sind diese Geräte für die Messung von sehr schwachen Strömen
meistens nicht genügend empfindlich.
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Ziel der Erfindung ist es, die Geräte für die Strahl lungsmessung
so auszubilden, daß sie besser als bisher den verschiedenen Erfordernissen der Praxis
entsprechen.
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Bei einem Gerät zur Strahlungsmessung mittels eines Elektrometers
wird gemäß der Erfindung ein Hauptkoudensator verwendet, dessen Spannung zur Speisung
eines Detektors (z. B. einer Ionisationskammer od. dgl.) dient, welcher an einen
Widerstand geschaltet ist, um an diesem einen der Strahlungsintensität entsprechenden
Spannungsabfall hervorzurufen. der durch das Elektrometer genau meßbar ist, während
andererseits ein Hilfskondensator vorgesehen ist, der eine Bezugsspannung an das
Elektrometer anlegt, sowie Mittel, um die Aufladung des einen oder anderen der Kondensatoren
auf die erforderlichen Spannungen sicherzustellen.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung enthält die Ladevorrichtung
einen Stabilisator, der die Ladung des Hilfskondensators mit einer konstanten Spannung
gewährleisten soll, wobei dieser Stabilisator aus einer Entladungsröhre, insbesondere
einer Neonröhre, besteht.
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Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
in ihrer Anwendung auf die Feststellung der Radioaktivität an einer beliebigen Stelle
mittels eines leichten tragbaren selbständigen Gerätes beispielshalber erläutert.
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Fig. 2 und 3 zeigen Schaltbilder von zwei erfindungsgemäßen Ausführungsformen
eines Gerätes zur Feststellung der Radioaktivität; Fig. 4 zeigt schaubildlich schematisch
das Gehäuse eines erflnduugsgemäßen Gerätes.
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Es sei zunächst daran erinnert, daß man bei der Herstellung derartiger
Geräte insbesondere hinsichtlich ihrer Speisung auf einige Schwierigkeiten trifft.
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Wenn, wie dies bisher üblich war, die für das Arbeiten erforderliche
elektrische Leistung durch Trockenbatterien oder Akkumulatoren geliefert wird, stellt
man fest, daß die Probleme der Beschaffung und der Aufbewahrung derartiger Stromquellen
schwer zu lösen sind. Außerdem haben diese häufig ein Gewicht und Abmessungen, welche
ihre Benutzung insbesondere für militärische Zwecke ausschließen.
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Andererseits hat sich gezeigt, daß für derartige Geräte eine konstante
elektrische Spannung nicht erforderlich
ist. Wenn z. B. zur Feststellung
der radioaktiven Strahlungen Ionisierungskammern oder durch Szintillationszähler
erregte Photozellen usw. benutzt werden, welche bei ihrer Anschaltung an eine Spannungsquelle
einen mit der Stärke der Strahlung veränderlichen Strom liefern, ist dieser Strom
von der Spannungsquelle unabhängig, sofern diese Spannung über einem Mindestwert
bleibt. Es handelt sich übrigens um sehr schwache Ströme, da bei einer zylindrischen
Ionisierungskammer mit einem Volumen vol: einem Kubikdezimeter der einer y-Strahlungsintensität
von 1 r/h entsprechende Sättigungsstrom größenordnungsmäßig 1(HlO A beträgt.
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Von dieser Feststellung ausgehend, wird bei dem Gerät nach der Erfindung
so vorgegangen, daß die an den Detektor anzulegende Spannungsquelle durch einen
hochisolierten Kondensator gebildet wird, welcher periodisch durch einen Spannungserzeuger
aufgeladen werden kann, z. B. einen von der Bedienungsperson angetriebenen Kurhelinduktor.
ein elektromganetisches Impulssystem usw.
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Wenn man dann den zu messenden Strom durch einen sehr hochohmigen
Widerstand fließen läßt und die Spannung an den Klemmen durch ein Gerät mißt. welches
praktisch keinen Verbrauch hat, wie z. B. ein Quadrantenelektrometer, erhält man
eine Anordnung. bei welcher der obige Kondensator während sehr langer Zeit seine
Ladung behalten kann.
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Die obige Anordnung ist somit selbständig, und man kann sagen, daß
bei dem gegenwärtigen Stand der Technik und selbst bei radioaktiven Strahlungen,
welche Hunderte von r/h betragen, ein deratiges Gerät von der Bedienungsperson nur
in ziemlich langen Zeitabständen wieder geladen werden muß, welche z. B. größenordnungsmäßig
1 Stunde und mehr betragen. Außerdem kann es leicht und wenig sperrig sein.
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Fig. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild, welches zur Erläuterung der in
den Fig. 2 bis 4 dargestellten Erfindung dient.
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Das dargestellte Gerät enthält eine Ionisierungskammer 1 mit ihrer
Mittelelektrode 2, welche durch einen hochisolierten Kondensator r mit einer Kapazität
von z. B. 1 Mikrofarad über einen Ladewiderstand 3 von einigen Tausend Megohm gespeist
wird, dessen Klemmen mit denen eines Elektrometers 4 verbunden sind.
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Das Ladesystem besteht z. B. aus einem Kurhelinduktor, welcher bei
G durch seine Primärwicklung und seine Sekundärwicklung (welche z. B. eine Spannung
Et in der Größenordnung von 300 V effetiv ergibt) dargestellt ist und mit einem
hei 5, 6 dargestellten, aus Trockengleichrichtern oder Röhren bestehenden Gleichrichtersystem
zusammenwirkt (wobei in dem letzteren Fall der Kurbelinduktor die zur Heizung der
Röhren erforderliche Spannung liefert). Dabei ist die Anordnung vorzugsweise mit
einer z. B. mit Neon röh ren 7 ausgerüsteten Vorrichtung zur Spannungsstabilisierung
kombiniert.
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Ferner sind Schaltmittel vorgesehen, um den aktiven Teil des Gerätes,
d. h. den Kondensator P, von dem obigen Speisesystem außerhalb der Ladezeiten zu
trennen. Diese Schaltmittel sind ein doppelpoliger Schalter 8, welcher durch ein
von einer an den Ladestromkreis angeschlossenen induktiven Wicklung 10 gespeistes
Relais 9 gesteuert wird, wobei es jedoch wohiverstanden ist, daß das Ladesystem
und die Schaltmittel auch auf beliebige andere Weise ausgebildet sein können (z.
B. können die Schaltmittel durch einen an dem Kurbelinduktor angebrachten
Fliehkraftumschalter
oder durch einen Handumschalter gebildet sein).
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Eine Anordnung der in Fig. 1 dargestellten Art entspricht durchaus
dem angestrebten Zweck. Die Spannung U, des Kondensators r bleibt so lange auf einem
entsprechenden Wert oberhalb der kritischen Spannung, so daß der Kondensator nicht
oft nachgeladen zu werden braucht.
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Bekanntlich besitzt jedoch das in Fig. 1 dargestellte gewöhnliche
Elektrometer eine ziemlich mäßige Emptindlichkeit für die geringen zu messenden
Spannungen, was in dem vorliegenden Fall ein Nachteil sein kann.
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Es ist daher gemäß einem weiteren Kennzeichen der Erfindung vorgesehen,
an das Elektrometer eine Bezugsspannung anzulegen, welche von einem Hilfskondensator
C geliefert wird, so daß man ein Elektrometer mit merklich konstanter Empfindlichkeit
erhält.
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Nachstehend sind beispielshalber zwei Ausfiihrungsformen der Erfindung
in ihrer Anwendung auf ein homostatisches Elektrometer (Fig. 2) und auf ein heterostatisches
Elektrometer (Fig. 3) dargestellt.
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Bei der Ausführungsform der Fig. 2 wird wie bei Fig. 1 vorgegangen,
es werden jedoch zwei Kondensatoren r und C mit einem entsprechend ausgebildeten
Gleichrichtersystem vorgesehen, welches z. B. eine Stabilisierungsbrücke aus drei
Widerständen R, R' und r' sowie eine Kette von Neonröhren 7 mit dem inneren Widerstand
r aufweist, wobei die Ausbildung so getroffen ist, daß gleichzeitig der Hauptkondensator
r auf die zweckmäßige Spannung U, und der Bezugskondensator C auf eine geeignete
Spannung E aufgeladen werden können. Ferner ist ein Ladeschalter 8 der obigen Art
vorgesehen, welcher jedoch hier dreipolig ist.
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Eine Klemme des Bezugskondensators C, welcher hoch isoliert ist (insbesondere
mittels eines Werkstoffs auf der Basis von Polystyrol), ist z. B. mit einem der
Quadranten des Elektrometers 4 verbunden, während die andere Klemme mit dem mit
dem Hauptkondensator gemeinsamen Widerstand 3 verbunden ist, wobei das andere Ende
dieses Widerstandes mit der Außenelektrode der Kammer 1 verbunden ist, deren Mittelelektrode
an die entsprechende Klemme des Hauptkondensators angeschlossen ist.
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Die Anordnung arbeitet folgendermaßen: Es sei angenommen, daß die
Anordnung geladen ist und daß die Spannung U, des Hauptkondensators auf einen Wert
gebracht wurde, welcher über der kritischen Spannung liegt, die nur von den Abmessungen
der Kammer abhängt (dem obigen Sättigungsstroin entsprechende Spannung).
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Bei Fehlen einer Strahlung liegt nur die Spannung E des Bezugskondensators
- welche dank der guten Isolierung sehr lange konstant bleibt - an dem Elektrometer.
Es steht dann auf dem Nullpunkt seiner Teilung (in Röntgen je Stunde).
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Sobald eine Strahlung die Ionisierungskammer erreicht, entsteht in
dieser ein Strom, welcher einen Spannungsabfall V zur Folge hat. Da der Kondensator
C seine Ladung beibehält, findet sich dieser Spannungsabfall V zur Gänze an den
Klemmen des Elektrometers wieder.
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Man erhält dann einen Ausschlag, welcher bei der üblichen Kreisform
der Quadranten und des Zeigers grundsätzlich dem Quadrat der Differenz (E -proportional
ist, wobei die große Empfindlichkeit den schwachen Strahlungen entspricht.
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Man kann jedoch auch unter Beibehaltung einer kreisförmigen Elektrode
(was eine leichte Auswuchtung
gestattet) dem festen Quadranten
des Elektrometers eine solche Form geben, daß man eine andere gewünschte Kennlinie
erhält.
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Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung sind Mittel vorgesehen,
um zu einem beliebigen Zeitpunkt den Ladezustand des oder der benutzten Kondensatoren
sowie die Betriebsbereitschaft der verschiedenen Teile des Gerätes prüfen zu können,
wobei diese Mittel insbesondere so ausgebildet sind, daß bei entsprechenden Umschaltungen
nacheinander von dem Elektrometer die von dem Spannungs erzeuger (Kurbelinduktor
usw.) erzeugten Ladespannungen sowie von den Kondensatoren herrührende Angaben angezeigt
werden.
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Bei der Anwendung auf die Ausführungsform der Fig. 2 werden z. B.
diese Mittel durch einen Hilfswiderstand 3' gebildet, welcher unter gewissen Betriebsbedingungen
den H auptkondensator r kurzschließen kann, und zwar gegebenenfalls über den Widerstand
3 wobei der Hilfswiderstand insbesondere zwischen eine Klemme des Hauptkondensators
und die Außenelektrode der Kammer 1 über einen Umschalter 11 geschaltet ist. insbesondere
einen D ruckknopfumschalter, welcher zwei Stellungen hat, in welchen er entweder
(normale Stellung, Druckknopf losgelassen) den Widerstand 3' ausschaltet oder (Meßstellung,
Druckknopf eingedrückt) ihn einschaltet, wobei dann die Ionisierungskammer abgeschaltet
ist.
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Die Prüfvorgänge sind z. B. folgende: a) Bei Betätigung des Laders
G ohne Drücken auf den Knopf des Umschalters 11 liegt dieLadespannung des Kondensators
C an den Klemmen des Elektrometers, das parallel zum Kondensator C liegt (und zwar
über den Widerstand 3).
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Hierdurch wird der Nullpunkt des Gerätes sowie seine Wiederaufladung
geprüft Dies ist selbst in einem Strahlungsfeld richtig (da der Widerstand 3 sozusagen
kurzgeschlossen ist). b) Bei Betätigung des Laders unter Eindrücken des Knopfes
des Umschalters 11 erfolgt die Ladung über die Widerstände 3 und 3', wodurch den
Klemmen des Elektrometers eine von dem Hauptkondensator r unabhängige genau definierte
Spannung geliefert wird, da sich der Hauptkondensator nur äußerst langsam über diese
Widerstände entlädt. c) Wenn man schließlich auf den Knopf des Umschalters 11 drückt,
ohne den Lader zu betätigen, bewirkt man eine langsame Entladung des Hauptkondensators
über die Widerstände 3 und 3', was eine neue Spannung an den Klemmen des Elektrometers
erzeugt, welche bei genügender Ladung einen gewissen, vorher auf der Teilung des
Elektrometers gekennzeichneten Wert übersteigen muß.
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Durch diese verschiedenen Messungen a), b), c) kann man also prüfen:
a) ob die während der Ladung an den Kondensator C angelegte Spannung noch richtig
ist und ob der Nullpunkt des Elektrometers sich nicht geändert hat, b) ob sich der
Widerstand 3 und das Rückführungsmoment des Elektrometers nicht verändert haben,
c) ob die Anordnung nachgeladen werden muß, d. h. ob die Spannung U1 nicht unter
den kritischen Wert gefallen ist.
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Es ist zu bemerken, daß selbst wenn die Messung a) kein befriedigendes
Ergebnis liefert, etwa wenn sich der Nullpunkt verschoben hat, man trotzdem das
Gerät benutzen kann, da ja der Ausschlag von der Größe (E - v) abhängt, wobei V
von dem durch die einfallende Strahlung in der Ionkisierungskammer her-
vorgerufenen
Strom abhängt. Die Verhältnisse gestalten sich so, als ob die Strahlung durch eine
Störstrahlung verändert wäre, deren Messung der Wanderung des Nullpunktes entsprechen
würde. Man kann daher die verschiedenen Messungen leicht durch Berückstichtigung
dieser Wanderung berichtigen.
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Bei Fehlern in den anderen Messungen muß dagegen das Gerät überholt
werden.
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Bei der nachstehend beispielshalber beschrichenen Ausführungsform
der Fig. 3 wird ein heterostatisches Elektrometer 4 benutzt, welches bekanntlich
im wesentlichen durch zwei feste Leitersysteme F1 und F2 sowie durch wenigstens
einen beweglichen Leiter M gebildet wird.
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Eines der beiden festen Systeme, z. B. Ft, wird auf ein gegenüber
M festes Potential E gebracht, während die zu messende Spannung zwischen Fl und
F2 angelegt wird. Der Ausschlag von M hängt von dieser Spannung ab. Wenn diese Null
ist, ist der Ausschlag selbst ebenfalls Null, und zwar unabhängig von dem Wert der
Bezugsspannung E.
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Bei der Anwendung eines derartigen Elektrometers auf das erfindungsgemäße
Gerät wird z. B. an den Leiter F1 das Potential einer der Elektroden der Ionisierungskammer
1 angelegt, insbesondere der Außenelektrode. Der hochisolierte Kondensator C der
in Fig. 2 dargestellten Art (welcher von einer Zwischenanzapfung 71 des Stabilisators
7 aus aufgeladen wird) ist hier zwischen den Leiter Fs und den beweglichen Leitern
geschaltet, während der Hauptkondensator F zwischen dem Leiter F2 und der anderen
Elektrode 2 der Kammer 1 liegt. Schließlich liegt der die zu messende Spannung erzeugende
hochohmige Widerstand 3 zwischen den festen Leitersystemen F1 und F2.
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Eine derartige Anordnung arbeitet, wie die bereits oben beschriebene,
wobei der durch die Ionisierungskammer fließende Strom einen Ausschlag des beweglichen
Leiters M zur Folge hat, es sind jedoch gegenüber der Ausführung der Fig. 2 gewisse
Vorteile vorhanden.
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Wenn nämlich das Gerät keiner Strahlung ausgesetzt ist, so ist man
sicher, daß der bewegliche Leiter M keine Verstellung erfährt, und zwar unabhängig
von dem Wert der Bezugsspannung E. Unter der Annahme, daß das Gerät intermittierend
geladen wird, muß zugelassen werden, daß diese Bezugsspannung kleine Schwankungen
durch die Eigenverluste des Kondensators C erfährt, sowie dadurch, daß dieser Kondensator
während der Zeitabschnitte, während welcher das Gerät einer Strahlung augesesetzt
ist, einen kleinen durch das Elektrometelr fließenden Ionisierungsstrom liefert,
welcher infolge des unvermeidlichen Vorhandenseins von Luft innerhalb dieses Instruments
auftritt. Diese Anordnung hat somit einen festen Nullpunkt, während bei der obigen
Anordnung infolge ihres Aufbaus grundsätzlich eine zeitliche Wanderung des Nullpunktes
auftritt.
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Der Nachteil besteht darin, daß der Ausschlag des Zeigers für eine
gegebene Strahlungsstärke von der Spannung E abhängt, welcher er meistens etwa proportional
ist. Wenn jedoch die Schwankung der Spannung E nur einige Prozent beträgt, werden
hierdurch die Messungen nicht ernsthaft gestört, da diese Genauigkeit in den meisten
Fällen durchaus ausreicht.
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Offenbar kann man, wenn man den festen und beweglichen Leitern geeignete
Formen gibt, eine lineare oder eine logarithmische oder eine beliebige andere Ableseskal
a erhalten.
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Auch hier können Mittel zur- Prüfung der Betriebsbereitschaft des
Gerätes vorgesehen werden, welche
z. B. einfach aus einem Hilfswiderstand
3" bestehen, welcher bei der Prüfung dem Widerstand 3 mittels eines Schalters 12
parallel geschaltet wird.
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Da dieser Widerstand 3" einen verhältnismäßig kleinen Widerstand
hat, so daß die höchsten vorzusehenden Strahlungsstärken an ihm nur einen vernachlässigbaren
Spannungsabfall hervorrufen, können die Prüfungen z. B. folgendermaßen vorgenommen
werden: Zur Prüfung der Ladespannungen kann man z. B. nach Schließung des Schalters
12 den Lader betätigen, wodurch an das Leitersystem F2 in bezug auf das Leitersystem
F1 eine Spannung angelegt wird, welche ein gegebener Bruchteil der normalerweise
an den Kondensator F angelegten Spannung ist. Diese Unterteilung erfolgt z. B. durch
eine Widerstandsbrücke, deren einer Zweig durch den durch die Schließung des Kontakts
12 eingeschalteten Zusatzwiderstand 3" gebildet wird, während der andere Zweig durch
einen \Viderstand 3"' gebildet wird, welcher größ enordnungsmäßig denselben Wert
wie der Widerstand 3" hat. Wenn die so eingeführte Spannung und die an den Kondensator
C angelegte die gewünschten richtigen Werte haben, zeigt der bewegliche Leiter 31
einen Ausschlag, welcher für das richtige Arbeiten des Gerätes kennzeichnend ist.
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Es ist zu bemerken, daß der Widerstand 3"' infolge seines geringen
Wertes gegenüber dem Widertand 3 nicht verhindert, daß man bei offenem Kontakt 12
und bei Betätigung des Kurbelinduktors an den Klemmen des Kondensators rdie volle
Ladespannung des Generators G wiederfindet.
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Weiterhin ist es zweckmäßig, Mittel zur beliebigen Veränderung der
Empfindlichkeit vorzusehen, welche dadurch gebildet werden, daß mit der Ionisierungskammer
wenigstens zwei hohe Widerstände 3 und 3 zusammenwirken, welche verschiedene Werte
haben und wahlweise mittels eines Umschalters 13 eingeschaltet werden können. Diese
Anordnung ist sowohl in Fig. 2 wie in Fig. 3 dargestellt.
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Natürlich kann das benutzte Elektrometer jede beliebige geeignete
Bauart aufweisen und z. B. ein Quadrantenelektrometer, ein Zeigerelektrometer, ein
Fadenelektrometer usw. sein und eine Lagerung mit Zapfen. mit einem Torsionsfaden
usw. haben.
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Das obige Gerät kann die Form eines Kastens hahen, bei welchem die
verschiedenen Teile leicht zugänglich sind, d. h. die Kurbel 15 für die Betätigung
des Laders und die Umschalter oder Schalter 11, 13 (oder 12, 13), während der Quadrant
bei 16 (Fig. 4) sichtbar ist.
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Eine derartige Anordnung besitzt gegenüber den bekannten Geräten
zahlreiche Vorteile, insbesondere folgende: sie hat nur einen geringen Platzbedarf
und ein geringes Gewicht; sie ist infolgedessen bequem tragbar; sie ist insbesondere
vollständig unabhängig, da es genügt. den Kondensator oder die Kondensatoren mittels
des Laders von Zeit zu Zeit nachzuladen sie besitzt eine große Anpassungsfähigkeit,
da sie z. B. Strahlungen zwischen 0,1 und 500 Röntgen je Stunde messen kann.