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Ionisationskammer-Strahlungsdosimeter Die Erfindung bezieht sich auf
Ionisationskammer-Strahlungsdosimeter, wie sie zum Messen der von einzelnen Personen
empfangenen Dosis an radioaktiver Strahlung benutzt werden. Solche Dosimeter werden
von der betreffenden Person in der Tasche oder sonst irgendwie am Körper getragen
und haben die Form eines Füllfederhalters oder einer flachen Plakette.
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Die meisten bekannten Strahlungsdosimeter dieser Art sind so ausgebildet,
daß die gegebenenfalls durch einen besonderen Kondensator vergrößerte Kapazität
der Ionisationskammer mittels einer von dem Dosimeter trennbaren Ladestromquelle
auf eine bestimmte Spannung UO aufgeladen wird. Wird nun das Dosimeter ionisierenden
Strahlen ausgesetzt, so fließt während der Bestrahlung durch die Ionisationskammer
ein elektrischer Strom, der die in der Kapazität gespeicherte Ladung um einen Betrag
vermindert, der jeweils der empfangenen Gesamtstrahlungsdosis proportional ist.
Wird nach einer bestimmten Zeit tm, vom Zeitpunkt der Aufladung der Kapazität an
gerechnet, die verbliebene Restspannung Um der Kapazität gemessen, so ergibt sich
aus der Differenz U0 - Um ohne weiteres die innerhalb dieser Zeitspanne empfangene
Dosis.
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Die Ablesung des Dosimeterstandes in einem gewünschten Zeitpunkt
kann entweder mit Hilfe eines externen Meßinstrumentes erfolgen, an das das Dosimeter
zu diesem Zweck angeschlossen wird, oder mittels eines in das Dosimeter eingebauten
Quarzfadenelektrometers. In letzterem Falle kann die Ablesung jederzeit ohne besondere
Hilfseinrichtungen erfolgen. Diese Meßinstrumente werden vorzugsweise unmittelbar
in Dosiseinheiten (Röntgen, Milliröntgen) geeicht, wobei der Ladespannung U0 die
Dosisanzeige Null entspricht.
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Eine unvermeidbare Eigenschaft der Isolation der Ionisationskammer
und des Kondensators ist ihr parasitärer Leckwiderstand R. Sein Produkt mit dem
Kapazitätswert C, die sogenannte Zeitkonstante RC, hängt nur von den Materialeigenschaften
des Isolators ab und ist durch die Konstruktion kaum beeinflußbar. Obwohl mit den
modernsten Isolatoren aus polymeren Kunststoffen Zeitkonstanten der Größenordnung
100 a (a = Jahr) erreicht werden können, läßt sich bei der heutigen Serienproduktion
mit tragbarem Aufwand nur eine Zeitkonstante von weniger als 10 a einhalten.
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Der erwähnte Leckwiderstand R bewirkt, daß sich die Kapazität auch
bei Abwesenheit jeglicher Strahlung spontan entlädt. Dementsprechend nimmt die Dosimeterspannung
mit der Zeit t allmählich ab, und zwar nach einem Exponentialgesetz, das für kleine
Werte
von t durch eine lineare Beziehung
approximiert werden kann. Der Leckwiderstand bedingt, daß die nach Ablauf einer
Zeitspanne tm nach erfolgter Aufladung drr Kapazität abgelesene Dosis mit einem
Fehler behaftet ist, der angenähert gleich (tm/R C) Dmaz ist, wo Dmaz die obere
Meßbereichsgrenze des Dosimeters bedeutet. Bei einem Dosimeter mit einem Meßbereich
von 500 r und einer Zeitkonstante von R C = 10 a ist demnach nach einer Zeit von
1 Jahr jede Ablesung mit einer Ungenauigkeit von etwa 50 r, d. h. von 100/o des
Meßbereiches behaftet.
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Dieser Meßfehler ist im wesentlichen darin begründet, daß ein und
derselbe Kondensator als Spannungsquelle für die Ionisationskammer und zugleich
als Integrator für den Ionisationsstrom benutzt wird. Beide Funktionen des Kondensators
sind aber fehlerbehaftet, und der Umstand, daß die Dosis aus der Restspannung der
Spannungsquelle bestimmt wird, hat zur Folge, daß die Dosisanzeige mit der Summe
beider Fehler behaftet ist.
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Diese Meßungenauigkeit wird bei einem bekannten Ionisationskammer-Strahlungsdosimeter
dadurch verringert, daß sowohl für die Lieferung der Ionisationskammerspannung als
auch zum Integrieren des bei Bestrahlung fließenden Ionisationskammerstromes je
eine besondere Kapazität vorgesehen ist. Durch den Ionisationskammerstrom wird die
eine Kapazität entladen und die andere Kapazität entsprechend aufgeladen. Gemessen
wird dann die Spannung an der
letztgenannten Kapazität, die mit
zunehmender Strahlungsdosis steigt und ein Maß für die Strahlungsdosis darstellt.
Da die Spannung an dieser Kapazität besonders bei kleinen Dosismengen nur geringfügige
Beträge erreicht, ist die unerwünschte Entladung dieser Kapazität über den Leckwiderstand
der Isolation wesentlich geringer als bei einer Kapazität, die, mit einer verhältnismäßig
hohen Spannung beginnend, sich allmählich entlädt.
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Die andere Kapazität des Dosimeters, die als Spannungsquelle für
die Ionisationskammer dient und infolgedessen auf eine verhältnismäßig hohe Spannung
aufgeladen wird, wird zwar durch den Leckwiderstand der Isolation allmählich entladen,
doch beeinträchtigt das Absinken der Spannung an dieser Kapazität das Meßergebnis
kaum. Das liegt daran, daß der Ionisationsstrom oberhalb einer gewissen Ionisationskammerspannung
von dieser nicht mehr nennenswert abhängt. Der Kammerstrom zeigt ein Sättigungsverhalten.
Man braucht also nur den die Ionisationskammerspannung liefernden Kondensator auf
eine Spannung aufzuladen, die hinreichend über dem Sättigungswert liegt; dann hat
eine Entladung dieser Kapazität über einen parasitären Leckwiderstand keinen Einfluß
mehr auf den Kammerstrom und damit auf das Meßergebnis.
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Durch die Erfindung wird nun ein lonisationskammer-Strahlungsdosimeter,
bei dem sowohl für die Lieferung der Ionisationskammerspannung als auch zum Integrieren
des bei Bestrahlung fließenden Ionisationskammerstromes je eine besondere Kapazität
vorgesehen ist, dadurch verbessert, daß erfindungsgemäß die beiden Kapazitäten Teilkapazitäten
eines Wickelkondensators sind, der so gebaut ist, daß die Dielektrika der beiden
in an sich bekannter Weise ineinandergewickelten Teilkapazitäten sich nicht berühren.
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Durch die konstruktive Zusammenfassung der beiden Kapazitäten zu
einem Doppelkondensator mit ineinandergewickelten Teilkapazitäten wird eine ganz
erhebliche Platzersparnis erzielt. Das ist besonders bei Dosimetern, die als Taschendosimeter,
beispielsweise in der Form von plakettenartigen Gebilden, von den durch Strahlung
gefährdeten Personen ständig getragen werden müssen, von großer Bedeutung.
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Doppelkondensatoren mit ineinandergewickelten Teilkapazitäten sind
an sich bekannt. Die bekannten Doppelkondensatoren würden aber bei der hier vorliegenden
Verwendung das Meßergebnis wieder ungünstig beeinflussen. Bei den bisher üblichen
Doppelkondensatoren stehen nämlich die Isolierfolien über den Rand der Belegungen
hinaus und berühren sich gegenseitig oder sind gar miteinander durch Isoliermaterial
vergossen. Dieser Umstand ist bei den üblichen Anwendungszwecken von Doppelkondensatoren
völlig ohne nachteilige Folgen. Im vorliegenden Fall würde jedoch die gegenseitige
Berührung der festen Dielektrika der beiden Teilkapazitäten die Meßgenauigkeit des
Dosimeters wesentlich verschlechtern. Denn wenn auch die Leitfähigkeit höchstwertiger
Isolierstoffe, wie sie hier allein in Frage kommen, verschwindend gering ist, so
entstünde durch die genannte Berührung doch ein parasitärer Leitweg zwischen den
beiden Ionisationskammer-Elektroden der trotz seines sehr hohen Widerstandes in
der langen Zeitspanne, die gewöhnlich zwischen zwei Kontrollen des Dosimeters liegt,
so viel Ladung aus der einen in die andere Kapazität hinüberwandern lassen könnte,
daß
schließlich eine eingefangene Strahlungsmenge vorgetäuscht werden könnte, die in
Wirklichkeit gar nicht aufgetreten ist. Ein wesentlicher Teil der Erfindung ist
deshalb der Aufbau des Doppelkondensators derart, daß die Dielektrika der beiden
ineinandergewickelten Teilkapazitäten sich nicht berühren.
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Der gemeinsame Verbindungspunkt der beiden Kapazitäten wird zweckmäßig
mit der Dosimeterhülse verbunden und stellt eine virtuelle Erde dar. Außerdem kann
dieser Punkt, wie an sich bekannt, mit Vorteil an eine Hilfselektrode angeschlossen
werden, die die Kammerisolation unterteilt, so daß derjenige Teil der Isolierstrecke,
der an die mit dem aufzuladenden Kondensator verbundene Kammerelektrode angrenzt,
bezüglich der elektrischen Feldstärke entlastet wird.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung noch näher
erläutert. In der Zeichnung stellt dar Fig. 1 ein Schaltbild eines Dosimeters mit
je einem Kondensator zur Lieferung der Kammerspannung und zur Integrierung des Kammerstromes,
F i g. 2 das dazugehörige Ersatzschaltbild und Fig. 3 einen Querschnitt durch einen
Doppelkondensator gemäß der Erfindung.
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Wie F i g. 1 zeigt, besteht das Dosimeter aus einer Ionisationskammer
1K mit den Elektroden 3 und 4, den beiden Kapazitäten C1 und C2 sowie den hier als
Schalter dargestellten Anschlußelementen S1 und S2.
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Die aus Leiterfolien 11 und 21 bestehenden Belegungen der beiden Kapazitäten
C1 und C2 sind miteinander leitend verbunden. Die beiden anderen aus Leiterfolien
1 und 2 bestehenden Belegungen der Kapazitäten C1 und C2 sind mit je einer der beiden
Kammerelektroden 3 und 4 verbunden. Die Schalter S1 und S2 können in bekannter Weise,
z. B. durch ein Magnetfeld, von außen her betätigt werden. Die mit 6 bezeichnete
Kammerisolation ist durch eine Hilfselektrode G unterteilt, wobei G ebenfalls an
den auf Hülsenpotential (virtuelle Erde) befindlichen Knotenpunkt 5 angeschlossen
ist.
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Die Anordnung arbeitet wie folgt: Vor Beginn der Meß- bzw. Überwachungszeit
wird durch Schließen des Schalters S1 die Kapazität C1 mit einer äußeren Spannungsquelle
in Verbindung gebracht und von dieser auf eine bestimmte Spannung UO aufgeladen.
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Durch Schließen des Schalters S2 wird zugleich ein Entladungsstromkreis
für die Kapazität C2 geschlossen und diese entladen. Trifft nun eine ionisierende
Strahlung das Dosimeter, so wird unter dem Einfluß der Ladespannung von C1 eine
der Dosis proportionale Ladungsmenge durch die Ionisationskammer IK transportiert,
und die*Kapazität C2 wird mit dieser Ladungsmenge aufgeladen. Die Spannung an C2
steigt proportional dieser Ladung und ist somit ein direktes Maß für die empfangene
Strahlungsdosis. Gemessen wird die Spannung an C2, indem C2 über den Schalter S,
an ein externes Elektrometer angeschlossen wird.
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Danach kann C1 neu aufgeladen und C2 entladen werden, und das Dosimeter
ist für einen neuen Meßvorgang bereit.
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Die beiden Kapazitäten C1 und C2 sind nun zu einem Wickelkondensator
ineinandergewickelt, der, wie beispielsweise in Fig. 3 dargestellt, um die IonisationskammerlK
herumgewickelt ist, welche einen flachen, rechteckigen Querschnitt aufweist. 12
ist die ebenfalls einen rechteckigen Querschnitt aufweisende Dosimeterhülse, die
den Kondensator umschließt. Die Leiterfolien 1 und 2 sind an die in F i g. 1 mit
den
Bezugszeichen 3 bzw. 4 versehenen Kammerelektoden angeschlossen,
während die Leiterfolien 11 und 21 mit der Dosimeterhülse 12 leitend verbunden sind.
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In der beispielsweisen Ausführung des Wickelkondensators nach Fig.
3 wird die Kapazität C1 durch die Leiterfolie 1 als die eine Kondensatorbelegung,
und die untereinander und mit der Dosimeterhülse 12 verbundenen Leiterfolien 11
und 21 als die andere Kondensatorbelegung gebildet. Das Dieiektrikum der Kapazität
C1 besteht aus den Isolierfolien 7 und 9.
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Die Kapazität C2 wird analog durch die Leiterfolie 2 als die eine
Kondensatorbelegung, und die Leiterfolien 11 und 21 als die andere Kondensatorbelegung
gebildet. Das Dielektrikum der Kapazität C2 besteht aus den Isolierfolien 8 und
10.
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Die Leiterfolien 1, 2, 11 und 21 sind etwas breiter als die Isolierfolien
7 bis 10, so daß sich die Isolierfolien 7 bis 10 nicht berühren können. Die notwendige
Trennung der Dielektrika der Kondensatoren C1 und C2 wird dadurch sichergestellt.
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Die Metalleisten G1 und G2 unterbrechen die Isolation zwischen den
beiden Elektroden der Ionisationskammer IK und bilden zusammen die in F i g. 1 dargestellte
Hilfselektrode G. Die Metalleisten G1 und G2 sind über die Leiterfolien 11 bzw.
21 mit der Hülse 12 des Dosimeters leitend verbunden.
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Durch den Fortfall des parasitären Leitweges zwischen den Kammerelektroden
3 und 4 ergibt sich nunmehr das dem Schaltbild nach F i g. 1 entsprechende Ersatzschaltbild
nach F i g. 2. Wie dieses Ersatzschaltbild zeigt, liegen die Isolationswiderstande
R1 bzw. R2 lediglich parallel zu den Teilkapazitäten C1 und C2. Parallel zu der
Ionisationskammer 1K liegt dagegen dank der erfindungsgemäßen Ausbildung des Doppelkondensators,
unterstützt durch die Wirkung der Hilfselektrode G, kein Isolationswiderstand.
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Parallel zur Ionisationskammer liegt lediglich eine parasitäre Kapazität
C2, die aber klein gehalten werden kann.
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Die Kapazität C1 wird über den Isolationswiderstand R1 langsam entladen,
so daß sich die Speisespannung der Ionisationskammer mit der Zeitkonstante R1 Cl
vermindert. Dieses Absinken der Speisespannung ist jedoch unschädlich, sofern es
nur der Bedingung genügt, daß die Kammerspannung während der Meßzeit die Sättigungsspannung
nicht unterschreitet.
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Die in C2 gesammelte, der empfangenen Dosis proportionale Ladung
wird im Laufe der Zeit durch den Isolationswiderstand R2 mit einer Zeitkonstante
B2 C2 ebenfalls verkleinert. Die Bildung des hierdurch bedingten Meßfehlers setzt
aber erst mit Beginn der Bestrahlung ein; der Fehler ist dabei der empfangenen Dosis
proportional. Deshalb wird jede empfangene Dosis unabhängig von ihrer Größe mit
demselben relativen Fehler behaftet, so daß auch die Messung von sehr kleinen Dosen
mit hinreichender Genauigkeit möglich ist.
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Die Möglichkeit, daß überhaupt eine gefährliche Strahlung auftritt,
wird meistens die Folge von Ereignissen, z. B. die Folge einer Panne, eines Präparatebruchs
oder einer Atombombenexplosion sein, die als solche feststellbar sind, und man wird
nach einem solchen Ereignis unverzüglich eine Ablesung der möglicherweise in den
Strahlungsbereich gelangten Dosimeter vornehmen. Die Zeit, die zwischen Bestrahlung
und Ablesung vergeht, ist deshalb im allgemeinen
viel kürzer als die Zeit, während
der das Dosimeter vorher schon in Bereitschaft gestanden hat, und der relative Meßfehler
ist somit dementsprechend klein.
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Die langsame, durch die Entladung über den WiderstandRl bedingte
Spannungsänderung an der Kapazität C1 wird durch die parasitäre Kammerkapazität
C3 auf die Kapazität C2 übertragen, wodurch auch ohne Bestrahlung eine kleine Spannung
an C2 entsteht. Dieser zusätzliche Fehler legt die untere Empfindlichkeitsgrenze
des Dosimeters fest. Macht man C3 = C2 = C und nimmt man an, daß dann auch R,= R2
= R ist, so liegt das Verhältnis der oberen zur unteren Meßbereichsgrenze in der
Größenordnung von RC C tm C3, wenn tm die Ablesezeit ist. Man kann dieses Verhältnis
durch die Wahl eines sehr großen Wertes von C und eines kleinen Wertes von C3 sehr
groß machen.
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Im folgenden sollen noch einmal die Verhältnisse bei dem Dosimeter
gemäß der Erfindung mit denen bei den bekannten Dosimetern mit nur einer sowohl
als Spannungsquelle als auch als Integrator dienenden Kapazität verglichen werden:
Bei einem Dosimeter, bei dem ein und dieselbe Kapazität sowohl als Spannungsquelle
als auch zum Integrieren des Kammerstromes dient, beträgt der Ablesefehler a D annähernd
#D = tm . Dmax, R C wenn tm die Zeit zwischen Aufladung und Ablesung des Dosimeters,
Dmaz seine obere Bereichsgrenze und RC die Zeitkonstante seiner Kapazität ist.
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Der auf den Meßwert bezogene relative Meßfehler tm t, Dmax D D RC
D ist von dem Meßwert D abhängig und wird bei kleinen Dosisanzeigen sehr groß. Wenn
Dmf @ der kleinste Wert ist, dessen Anzeige noch verlangt wird, und Qmas der maximale
zulässige Meßfehler, so muß die Zeitkonstante R C die Beziehung tm Dmax R C = .
(1) #max Dmin erfüllen.
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Die Zeitkonstante eines Kondensators ist dem spezifischen Widerstand
seines Dielektrikums proportional, und zwar beträgt bei einem spezifischen Widerstand
von 1020 Ohm cm die Zeitkonstante etwa 1 a.
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Durch geeignete Behandlung der Isolierfolien kann man an sich für
den spezifischen Widerstand noch Werte der Größenordnung 1021 Ohm cm erreichen.
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Infolge Verminderung dieses Wertes durch radioaktive Bestrahlung und
durch undefinierbar geringe Verschmutzung kann jedoch nur mit dem oben angegebenen
Wert von 1020 Ohm cm sicher gerechnet werden.
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Dadurch werden die Dosimetereigenschaften be-Dmax schränkt, weil tm,
Qmas und Dmnx gemäß der Beziehung (1) mit der Zeitkonstante R C gekoppelt sind.
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Die Berechnung der elektrischen Eigenschaften des Dosimeters gemäß
der Erfindung ergibt dagegen für den relativen Meßfehler und das Bereichsgrenzen-Dmax
verhältnis folgende zwei Beziehungen: Dmin tm-t0 Dmin tm C3 # = , = K . . , (2)
R C Dmax R C C worin tm wiederum die Zeit zwischen Aufladung und Ablesung, 4 die
Zeit zwischen Aufladung und Strahlungsexposition, C die Kapazität der beiden als
gleich angenommenen Dosimeterkondensatoren, C2 die parasitäre Eigenkapazität der
Ionisationskammer und K eine Konstante bedeuten.
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Der genaue Wert der Konstante K hängt von der Relation zwischen der
sogenannten Sättigungsspannung U8 der Ionisationskammer und der Spannung U2maS am
Kondensator C2 ab, welche der maximalen Dosis Das entspricht. Als Sättigungsspannung
Us der Ionisationskammer wird dabei diejenige Speisespannung bezeichnet, oberhalb
welcher der Ionisationskammerstrom von der Speisespannung nicht mehr abhängt. Sind
die Spannungen Us und U2 max annähernd gleich groß, so ist der Faktor ungefähr gleich
5. Nachstehend soll der Anschaulichkeit halber mit dem repräsentativen Wert K =
5 gerechnet werden.
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Die Zeitkonstante R C muß folglich die Relationen tm - t0 R C = #max
und Dmax C3 R C = 5 . tm . . (3) Dmin C befriedigen.
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Die erforderliche Zeitkonstante ist also nicht mehr, wie bei den
bekannten Dosimetern mit nur einer Kapazität, der gesamten Meßzeit tm, sondern nur
noch der zwischen der Strahlungsexposition und der Ablesung liegenden Zeit tm-to
proportional.
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Für sehr große Bereiche zwischen den Grenzen Dmin und Dmax und nicht
allzu kleine Werte des höchstens zugelassenen Fehlers #max bestimmt allein die rechte
der Beziehungen (3) die Zeitkonstante. Für dieselben Dosimeterqualitäten kann deshalb
bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Dosimeter die Zeitkonstante um den Faktor
kleiner sein als bei einem Dosimeter der bekannten
Art. Anders ausgedrückt ist die
effektive Isolation des Dosimeters nach der Erfindung um den Faktor F besser.
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Die geschilderten meßtechnischen Vorteile sind an und für sich eine
Folge des Vorhandenseins je einer besonderen Kapazität zur Lieferung der Ionisationskammerspannung
und zum Integrieren des Ionisationskammerstromes. Durch die Erfindung gelingt es
aber, diese Vorteile mit dem Vorteil wesentlich geringerer Dosimeterabmessungen
zu vereinigen, ohne daß dadurch die Meßgenauigkeit wieder beeinträchtigt wird.