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Schaltungsanordnung für mit Ionisationskammer und direkt gekoppeltem
Gleichstromverstärker ausgestattete Strahlungsmeßeinrichtungen Die Erfindung bezieht
sich auf Strahlungsmeßeinrichtungen, die eine Ionisationskammer und einen direkt
gekoppelten Gleichstromverstärker aufweisen, welche den Strom messen, der in der
Kammer durch die ionisierende Strahlung erzeugt wird.
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Eine Verwendungsmöglichkeit einer solchen Einrichtung liegt im Messen
des in einem Kernreaktor vorhandenen Neutronenflusses, der ein Maß für die Leistung
ist. Als Sicherheitsmaßnahme ist es üblich, die Anordnung so zu treffen, daß die
abgegebene Leistung bzw. der Ausgang eines oder mehrerer Verstärker einen Stromkreis
betätigt, der den Reaktor automatisch absperrt oder abschaltet, wenn die Verstärkerleistung
einen voreingestellten Wert übersteigt, der einem Leistungsniveau bzw. einer Leistung
entspricht, welches bzw. welche vom Reaktor nicht überstiegen werden darf. Um ferner
sicherzustellen, daß ein Versagen der Einrichtung selbst die Verhinderung des Abschaltens
des Reaktors unter solchen Umständen zur Folge hat, wird die Einrichtung soweit
wie möglich »versagungssicher« gemacht, d. h. das Versagen der Einrichtung bewirkt
selbst das Absperren oder Abschalten des Reaktors.
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Ein Beispiel für einen direkt gekoppelten »versagungssicheren« Verstärker
wurde an Hand von Fig. 9 der Abhandlung434, die von den Herren R. J. Cox, A. B.
Gillespie und W. Abson während der Konferenz für friedliche Nutzung der Atomenergie
1955 vorgelegt wurde, beschrieben und in den Konferenzberichten veröffentlicht.
Dabei bleibt das Problem offen, wie sichergestellt werden kann, daß die Ionisationskammer
selbst sich im Betriebszustand befindet und die Polarisierung und Eingangsleitungen
zwischen der Kammer und dem Verstärker in Ordnung sind. Andererseits kann man nicht
sicher sein, ob ein niedriger oder ein Nullausgang vom Verstärker eine Folge eines
niedrigen oder Nullstrahlungsflusses an der Ionisationskammer ist oder ob er infolge
eines Fehlers in der Strahlungsmeßeinrichtung entstanden ist, durch den ein dem
Neutronenfluß entsprechender Eingangsstrom für den Verstärker nicht geliefert wird.
Auch Unterbrechungen der Leitungen zwischen der Ionisationskammer und dem Eingang
des Verstärkers und/oder zwischen der Ionisationskammer und der Stromquelle für
die Polarisierung sind Fehler, die diese Wirkung haben. Es ist auch denkbar, daß
die eine oder andere Elektrode der Ionisationskammer sich aus ihrer Befestigung
löst und so eine elektrische Verbindung herstellt. Zweck der Erfindung ist es, eine
Einrichtung zu schaffen, welche die Gewähr dafür bietet, daß alle derartigen Fehler
sofort erkennbar werden.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung für mit Ionisationskammer
und direkt gekoppeltem Gleichstromverstärker ausgestattete Strahlungsmeßeinrichtungen
für Kernreaktoren oder sonstige eine ionisierende Strahlung aufweisende Anlagen
ist dadurch gekennzeichnet, daß eine kleine Wechselspannung, deren Periode klein
im Vergleich zur Ansprechzeit des Gleichstromverstärkers ist, der Kammer über deren
Polarisierungsgleichspannungsanschluß übermittelt wird, derart, daß ein Bruchteil
der Wechselspannung normalerweise an den Eingang des Gleichstromverstärkers über
die Zwischenelektrodenkapazität der Kammer gelangt, wobei eine vom Gleichstromverstärker
abgeleitete, entsprechend verstärkte Wechselspannung einem nachfolgenden Steuerkreis,
z. B. einem Fehleranzeigekreis zugeführt wird, der bei Fehlen der verstärkten Wechselspannung
anspricht.
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Die Erfindung soll nunmehr an Hand der sie beispielsweise wiedergebenden
Zeichnung, welche ein halbschematisches Stromkreisdiagramm einer bevorzugten
Verkörperung
der Erfindung wiedergibt, näher erläutert werden.
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In dieser Zeichnung sind die innere Elektrode 1 und die äußere Elektrode
2 der Ionisationskammer durch koaxialeVerbindungsleitungen 3 und 4 mit dem Gleichstromverstarker
der genannten Art, die von Co x und den anderen beschrieben ist, verbunden. Kurz
ausgedrückt, weist dieser Verstärker eine Elektrometerröhre V1, die in Kaskade mit
einem Paar als kathodengekoppelte Zweiergruppe geschalteten Röhren V2 und V3 (long-tailed
pair) und einer Kathodenfolgerendröhre V4 verbunden ist, auf. Der Ausgangsstrom,
welcher von einer Anzapfung am Kathodenwiderstand von V4, der aus R13, R14 und R15
in Serienschaltung besteht, abgenommen wird, wird von einem Meßgerät M (100 FA)
angezeigt und von einer Anzapfung auf R 14 nach dem unteren Ende des Eingangswiderstandes
R1 rückgekoppelt. Diese zweite Anzapfung ist so einstellbar, daß das Meßgerät in
Nullstellung zu bringen ist.
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Die Dioden D 1 und D 2 werden zwischen die Rückkopplungsleitung und
Erde und zwischen die Kathode der Röhre V4 und Erde geschaltet, und die Relais RL
1 und RL 2 liegen in den Anodenstromkreisen von V2 und V3. Unter normalen Arbeitsbedingungen
sind V2 und V3 beide leitend, und die Kathode von V4 ist positiv in bezug auf Erde.
Bei einer positiven Polarisierungsspannung an der Elektrode 2 fällt das Kathodenpotential
von V4, wenn der Ionisationsstrom zunimmt. Wenn diese Kathode das Erdpotential erreicht,
wird D 1 leitend und sperrt die Rückkopplungsleitung, so daß V2 nichtleitend und
RL 1 aberregt wird.
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Jeder Fehler, der zu einem Abfall des Kathodenpotentials an V4 führt,
bewirkt auch die Aberregung von RL 1, während ein Fehler, der eine Zunahme des Kathodenpotentials
bewirkt, dazu führt, daß D2 leitend wird, so daß die Rückkopplung wiederum gesperrt,
V3 nichtleitend und RL2 aberregt wird. Die Kontakte an RL1 und RL2 sind in Reihe
mit einem Reaktor-Absperr- oder Abschaltstromkreis geschaltet, so daß bei Aberregung
eines der beiden Relais der Reaktor abgeschaltet wird.
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Die Zeitkonstante des Gleichstromverstärkers wird bestimmt durch
einen Kondensator C1, der mit dem Steuergitter der Röhre V1 und der Kathode von
V4 verbunden ist. Die Schirmgitterspeisung für Vl, welche getrennt stabilisiert
wird, ist der Einfachheit halber weggelassen.
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Die Verstärkereinheit enthält ferner einen Oszillator 5, def im Schema
als Block dargestellt ist, welcher einen herkömmlichen kathodengekoppelten Triodenoszillator
mit abgestimmtem Gitterkreis aufweist, welcher mit 30 kHz schwingt. Dieser Oszillator
ist transformatorgekoppelt an ein Potentiometer, von welchem eine einregelbare Wechselspannung
mit einer Amplitude von maximal 5 Volt über C7 auf die 600-V-Leitung für die Spannungsversorgung
der Ionisationskammer aufgebracht werden kann. Die 600-V-Leitung wird über einen
Widerstand R 26 von einer herkömmlichen Spannungsquelle gespeist.
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Unter normalen Arbeitsbedingungen kann die Zwischenelektrodenkapazität
der Ionisationskammer etwa 40 pF und die Kapazität der Verbindungsleitungen3 und
4 je 2000pF betragen. So ist die Wechselspannungsspannung am Gitter von V1 etwa
4°/3eoo der der Elektrode 2 (für C1 = 1000 pF) aufgedrückten Spannung, und die nach
der 600-V-Leitung übertragene Wechselspannung wird so eingestellt, daß die Eingangsspannung
für V1 etwa 30 mV beträgt. Die
Oszillatorspannung wird natürlich gedämpft durch die
Kapazität der Verbindungsleitung 4. Die Röhren V1 und V2 des Gleichstromverstärkers
werden auch als Wechselspannungsverstärker für die 30-kHz-Spannung gebraucht. Zu
diesem Zweck ist ein Widerstand R7 in den Anodenstromkreis von V2 eingeschaltet,
und eine negative Rückkopplungsverbindung, die einen Kondensator C3 und einen Widerstand
R4 in Reihenschaltung aufweist, liegt zwischen der Anode von V2 und der Kathode
von V1, welche einen Widerstand R3 in ihre Zuführung eingeschaltet hat, um eine
etwa 330fache Wechselspannungsverstärkung zu stabilisieren. Der Widerstand R5 5
liegt im Nebenschluß zum Kondensator C2, um die Dämpfung durch Streukapazität auf
dem Gitter von V2 zu reduzieren. So entsteht ein Wechselspannungssignal von etwa
10V an der Anode V2. Damit das Wechselspannungssignal nicht über V2 hinaus nach
V3 übertragen wird, sind die Kathoden von V2 und V3 nach Erde entkoppelt durch einen
Kondensator C4. JeglicheTendenz zur Unstabilität wird vermindert durch den Nebenschlußwiderstand
R 11 zum Kondensator CS und durch Schaffung einer negativen Wechselspannungsrückkopplung
zwischen der Kathode von V4 und dem Gitter von V3 über den Kondensator C9.
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Das 1 0-V-Wechselspannungssignal von V2 wird über einen Kondensator
V5 auf einen sogenannten Dioden-Pumpen-Gleichrichterstromkreis aufgebracht, der
die Dioden D3 und D4, den Kondensator C6 und den Widerstand R 19 aufweist. Die durch
C6 entwickelte, gleichgerichtete Spannung (10 V), minus einer aus dem zwischen Hochspannung
(+250 V) und Erde liegenden Spannungsteiler R 17, R 18 gewonnenen positiven Gitterspannung
von 5 V wird auf das Bremsgitter einer Pentode V5 aufgebracht, welche in einen Auslösestromkreis
eingeschaltet ist. Die Bremsgitterbasis von V5 ist kurz, bei einer Spannung von
etwa - 5 V am Bremsgitter fließt normalerweise kein Anodenstrom. Das Steuergitterpotential
wird bestimmt durch ein Potentiometer, welches den Anodenwiderstand R20 und die
zwischen Anode und Hochspannung (-105 V) geschalteten Widerstände R23 und R24 aufweist,
und der Kathodenstrom fließt zum Schirmgitter, wobei der Strom begrenzt wird durch
ein Relais RL3 und einen Widerstand R22, die in den Schirmgitterstromkreis eingeschaltet
sind. So wird RL3 normalerweise erregt. Wenn jedoch die negative, vom Wechselspannungssignal
abgeleitete Gittervorspannung ausfällt, wird der Anodenstromkreis von V5 leitend,
das Steuergitterpotential fällt ab, und RL3 wird aberregt. Die Kontakte des Relais
RL3 können mit dem Reaktor-Abschaltstromkreis in Reihenschaltung liegen oder einen
separaten Fehler-Anzeigestromkreis betätigen.
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Die vom Wechselstrom abgeleitete Gittervorspannung wird sehr vermindert
oder fällt aus, wenn die Verbindungen zur Polarisierungs- oder Sammelelektrode der
Ionisationskammer teilweise oder ganz unterbrochen oder an Erde kurzgeschlossen
sind.
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Als zusätzliche Vorsichtsmaßnahme wird das erdseitige Ende von R17
nicht direkt geerdet, sondern über die äußere Umspinnung oder Ummantelung der Verbindungsleitungen
3 und 4. Die Umspinnung bzw.
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Ummantelung wird nur am verstärkerseitigen Ende der Verbindungsleitung
3 geerdet. Wenn also die Umspinnung nicht stetig verläuft oder nicht richtig geerdet
ist, so wird RL3 aberregt. Der Anodenwiderstand R20 wird an die 600-V-Leitung angeschlossen,
statt
an die Hochspannung bzw. Anodenspannung, so daß auch ein Fehler in der 600-V-Leitung
die Aberregung von RL3 bewirkt.
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Ein Rückkopplungswiderstand R25 ist zwischen die Kathoden von VS
und V1 geschaltet und hat folgende Funktion: Wenn normalerweise mit einem starken
Eingangsstrom gearbeitet wird, so daß der Verstärker nahe der Ubersteuerung ist,
dann neigt V2 dazu, zu sperren, und die Wechselstromverstärkung von V1 und V2 wird
daher trotz der zwischengeschalteten Rückkopplung vermindert. Dies führt zu einer
geringeren negativen Gittervorspannung an V5, infolgedessen neigt das Relais RL3
zum Abfall.
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Wenn die Röhre V5 auslöst, wird der Strom, den sie
aufnimmt, reduziert,
und die Hochspannung steigt leicht an, wodurch die Verstärkung von V1 und V2 wieder
erhöht wird, so daß der Anodenkreis von V5 wieder nichtleitend wird. So neigt das
Relais RL3 dazu, nahe dem Ubersteuerungszustand zu klappern. Die Rückkopplungsverbindung
zwischen V5 und V1 stellt sicher, daß, wenn die Röhre V5 leitend wird und ihr Kathodenpotential
fällt, das Kathodenpotential von V1 auch leicht fällt, so daß eine Reduzierung der
Gesamtverstärkung von V1 und V2 verursacht und so die Tendenz des Relais RL3 zu
klappern vermieden wird.
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Die Widerstands- und Kapazitätswerte beim beschriebenen Aussführungsbeispiel
sind: R 1 = 109-50 M# je nach Bereich R 15 = 18 kr R 2 = 220 kQ R 16 = 100 k# R
3 = 100 R 17 = 470 kr R 4 = 33 k# R 18 = 10 k# R S = 1,8MQ R19--470k R 6 = 3,3 R
20 = 4,7 M# R 7 = 4,7 kr R 21 = 470 Q R 8 = 5,6 k# R 22 = 15 k# R 9 = 10 k# R 23
= 3,3 MQ R 10 = 47 k# R 24 = 2,2 MQ R 11 = 330 kQ R 25 = 4,7 kQ R 12 = 470 kQ R
26 = 47 kr R 13 = 5 R 27 = 330 kR R 14 = 1 kQ C 1 = 0,001 QaF C 2 = 470 pF C 3=0,5FF
C 4 1,0 F C 5 = 470 pF C 6 = 1,0 pF C 7 = 0,01 t*F C 8 = 470 pF C 9 = 0,01 FF C
10 = 0,25 F