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Batteriegespeistes Strahlungsmeß- und -warngerät Die Erfindung bezieht
sich auf- ein batteliegespeistes Strahlungsmeß- und -warngerät mit einem Zählrohr,
einem transistorisierten, auf selbständig schwingenden Betrieb umschaltbaren Schwingerverstärker,
der durch jeden Zählrohrimpuls zu einer diesen verstärkenden Schwingung angestoßen
werden kann, mit einem Impulstransformator, der die Ausgangsimpulse des Schwingerverstärkers
hochtransformiert, wobei die Hochspannungsimpulse durch -eine Diode gleichgerichtet
werden und zur Aufladung eines Speicherkondensators auf die Zählrohrbetriebsspannung
dienen, sowie mit einem Anzeigeinstrument für die Impulsrate.
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Es sind bereits batteriegespeiste Strahlungswarngeräte bekannt, bei
welchen die Batteriespannung mittels einer oder mehrerer Röhren oder Transistoren
zur Erzeugung einer Schwingung verwendet wird. Mit einem Transformator, einem Gleichrichter
und einer Kapazität wird die notwendige Zählrohrspannung aus der Schwingung erzeugt.
Das Zählrohr arbeitet im allgemeinen über einen Schutzwiderstand, die Zählimpulse
werden verstärkt und zur Anzeige gebracht.
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Bei einem derartigen Strahlungswarngerät (vgl.
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Philips Technische -Rundsch&u, Jahrgang 15, Nr. 1, 1953, S. 18
bis 27) werden die Schwingungen einem Röhrenoszillator entnommen. Dabei wirkt der
aus einer Röhre und einem Impulstransformator aufgebaute Schwinger zugleich als
Verstärker für die Zählrohrimpulse. Nachteilig wirken sich die Anforderungen auf
höhere Anodenspannung sowie die Notwendigkeit einer geheizten Kathode aus. Bekanntlich
lassen sich diese Nachteile durch den Ersatz der Röhre durch einen oder mehrere
Transistoren ausschalten. So ist beispielsweise ein Strahlungsmeßgerät (vgl. J.
M. C arroll, »Transistor Circuits and Applications«, McGraw Hill Book Company, 1957,
S. 272) bekanntgeworden, bei welchem nur eine Batterie zur Versorgung eines transistorisierten
Oszillators dient.
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Die niedrige Schwingungsamplitude bat zur Folge, daß hochspannungsseitig
eine Spannungsverdopplerschaltung vorgesehen ist.
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Obwohl ein derartiges Gerät zufriedenstellende Ergebnisse liefert,
ist es als universell verwendbares, transportabIes und billiges Taschengerät nur
schlecht geeignet, insbesondere deshalb, weil wegen fehlender Nachverstärkung ein
relativ teures und empfindliches Anzeigeinstrument erforderlich ist, um die Zählimpulse
über eine Gleichrichterdiode zu messen.
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Es ist das Ziel der Erfindung, unter Vermeidung der beschriebenen
Nachteile ein batteriegespeistes Strahlungsmeß- und -warngerät der beschriebenen
Art zu schaffen, welches bei relativ geringem Energiebedarf langfristig betriebsbereit
bleibt und welches gleichzeitig eine einfache Kontrolle seiner Funktionsfähigkeit
erlaubt.
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Das erfindungsgemäß ausgebildete Strahlungsmeß-und -warngerät zeichnet
sich dadurch aus, daß der Schwingerverstärker einen npn-Transistor und einen pnp-Transistor
sowie ein Schaltelement enthält und so aufgebaut ist, daß er bei Fehlen von Zählrohrimpulsen
als astabiler Multivibrator wirkt, wobei die durch den Impulstransformator hochtransformierten
und durch die Diode gleichgerichteten Multivibratorimpulse zum Ausgleich des normalen
Ladungsverlustes des Speicherkondensators dienen, daß ferner der Schwingerverstärker
durch eine Signalleitung mit dem Zählrohr derart verbunden ist, daß durch einen
jeden der Zählrohrimpulse der Schaltzustand des Schaltelements so geändert wird,
daß der Schwingerverstärker in diesem Zustand als den Zählrohrimpuls verstärkender
Univibrator wirkt, wobei die hochtransformierten ünd gleichgerichteten Univibratorimpulse
den am Speicherkondensator durch die Zählrohrimpulse entstehenden Ladungsverlust
ersetzen.
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Zweckmäßigerweise verwendet man als Schaltelement im Schwingerverstärker
eine in Durchlaßrichtung zur Basis des ersten Transistors geschaltete Germaniumdiode.
Der geringe Ohmsche Widerstand der Germaniumdiode in Durchlaßrichtung bestimmt dabei
zusammen- mit der Kapazität eines weiteren Kondensators im Schwingerverstärker die
Impulsdauer beim Multivibratorbetrieb, d. h. während solcher Perioden, während denen
keine Strahlung a das Zählrohr fällt. Andererseits ist der Widers der Oermaniumdiode
bei Sperrung derselben d ch die positiven Zählrohrimpulse beim Univibp(torbetrieb
des Schwingerverstärkers groß, so d die Germaniumdiode die Funktion des Schalte,Ements
im Schwingerverstärker in zufriedenstellen Weise erfüllt.
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Weitere Einzelheiten eines Gerätes nach der Erwindung, insbesondere
im Vergleich zu - bekannten Strahlungsmeßgeräten der beanspruchten Gattung ergeben
sich aus der folgenden Beschreibung der Zeichnungen.
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F i g. 1 zeigt das Prinzipschaltbild bekannter batteriegespeister
Strahlungsmeß- und -warngeräte, F i g. 2 ist das genaue Schaltbild eines bekannten
röhrenbetriebenen Gerätes; Fig. 2a zeigt. schematisch den Verlauf des Änodenstromes
der Pentode und der Zählrohrspannung bei einer bestimmten Zählrohrimpulsfolge für
die Schaltung nach F i g. 2; F i g. 3 ist Schaltbild eines bekannten transistorisierten
Strahlungsmeßgerätes; F i g. 3 a zeigt schematisch den Verlauf von Kollektorstrom
und Coronastabilisatorstrom für die Schaltung nach F i g. 3 bei der gleichen in
F i g. 2 a gezeigten Zählrohrimpulsfolge; F i g. 4 zeigt das Prinzipschaltbild des
erfindungsgemäß ausgebildeten Strahlungsmeß- und -warngerätes; F i g. 5 zeigt ein
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäß ausgebildeten Strahlungsmeß- und -warngerätes;
F i g. 5 a zeigt schematisch den Verlauf des Kollektorstroms am pnp-Transistor und
des Coronastabilisatorstroms für die Schaltung nahc F i g. 5 bei der gleichen in
F i g. 2 a und 3 a gezeigten Impulsfolge. -in F i g. 1 ist das Prinzipschaltbild
bekannter batteriegespeister Warngeräte gezeigt. Ein Schwinger S, z. B. ein frei
schwingender Oszillator oder ein Multivibrator, wird von einer Batterie B gespeist.
Mit dem Transformator Tr werden die Schwingungsamplituden hochtransformiert, und
zwar bei Sinusschwingungen im Verhältnis W2:W1, über die Diode D gleichgerichtet
und zur Ladung des Kondensators C verwendet. An C liegt somit die Betriebsspannung
des Zählrohres Z. Werden durch dieses Zählrohr radioaktive Ereignisse registriert,
so werden die Zählimpulse über den Schutzwiderstand Rs und den Verstärker V im m
Instrument I zur Anzeige gebracht. Del Arbeitswiderstand R wird zweckmäßigerweise
möglichst hoch gewählt, damit die Spannungsteilung über Rs nicht zu ungünstig wird.
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Ein praktisches Ausführungsbeispiel einer derartigen Schaltung ist
in Fig. 2 dargestellt. Dabei handelt es sich um- das bereits oben erwähnte batteriegespeiste.Strahlungswarngerät,
welches im Juliheft 1953 der Philips Technischen Rundschau in einem Aufsatz von
G. He pp beschrieben ist. Dieses Gerät ist mit einem durch eine Pentode P, eine
RC-Schaltung und einen Transformator Tr gebildeten Sperrschwinger ausgerüstet. B1,
B2 und B3 sind die zum Betrieb der Röhre erforderlichen Batterien. Ist der Kondensatdr
C1 auf die Betriebsspannung des Zählrohrs Z aufgeladen und löst ein radioaktives
Ereignis im Zählrohr Z einen Impuls aus, so läuft ein positiver Impuls über die
Batterie B2 und die Rückkopplung W3 des Transformators Tr und das Glied R2C2 an
das Steuergitter der Pentode P, die dadurch leitend wird.
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Dadurch wird im Anodenkreis der Pentode P eine Schwingung angeregt,
die im Verhältnis W2:W1 hochtransformiert und über die Diode D dem Ladekondensator
C1 zugeführt wird.
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Nachteilig für dieses Gerät ist außer dem Bedarf an Heizsrom (etwa
13 Milliampere) und hoher Be-
triebsspannung, daß beim Ausbleiben von Zähl impulsen
sich der Speicherkondensator C, nach relativ kurzer Zeit entlädt, so daß das Gerät
nicht mehr betriebsfähig ist. Man erkennt diese Eigenschaft der Schaltung nach F
i g. 2 aus dem Diagramm von F i g. 2 a, in welchem der Anodenstrom der Pentode P
und die Spannung U am Zählrohr Z bei einer bestimmten Zählrohrimpulsfolge eingezeichnet
sind. Es sei bei dieser Impulsfolge angenommen, daß zunächst zwei Zählrohrimpulse
registriert werden, nach einer etwas längeren Pause ein dritter Zählrohrimpuls,
dem statistisch nach einer gewissen Pause weitere Impulse folgen, worauf eine relativ
lange Pause bis zum siebenten Impuls angenommen ist. Diese Pause ist so lang, daß
die Zählrohrspannung U in der Zwischenzeit durch Entladung des Speicherkondensators
C1 unter den Schwellwert US abgesunken ist, bei welchem das Zählrohr noch anspricht,
sodaß der siebente Impuls nciht mehr registriert werden kann.
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Mann muß erst durch Schließen des Schalters S1 im Gitterkreis der
pentode die negative Vorspannung der Batterie B2 kurzschlißen, so daß Schwingungen
erzeugt werden und über- den Transformator Tr und den Gleichrichter D der Speicherkondensator
C1 erneut aufgeladen wird. -Um den haptsächlichen Nachteil der im Zusammenhang mit
F i g. 2 beschriebenen Schaltung, nämlich deren relativ hohen Stromverbrauch, zu
vermeiden, ist man dazu übergegagen, nach Schaffung von Transistoren. die Röhre
P durch einen oder mehrere Tarnsistoren T zu ersetzen. Ein transistorisiertes bekanntes
Strahlungsmeß- und -warngerät ist in F i g. 3 dargestellt. Es handelt sich dabei
um das Schaltbild des bereits eingangs erwähnten Gerätes, das im Buch von J. M.
C a r r o l l, »Transistor circuits and Applications«, auf s. 272 in einem Artikel
von A. R. P e a r lm a n, »Power Supply for Geiger-Counters«, beschrieben ist.
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Die Battrei B speist einen mit einem Transistor T aufgebauten Oszillator.
Über den Transformator Tr1 werden die Schwingungen im Verhältnis 50 : 1 hochtransformiert,
W3 dient zur Rückopplung der Oszillation. Über den verstellbaren Widerstand R1 läßt
sich die Amplitude der erzeugten Schwingungen und damit auch der Betrag der Hochspannung
einstellen.
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Da die verwendete Batteriespannung nur 3 V beträgt, ist die in dem
strichpunktiert umrahmten block VS dargestellte Verdopplerschaltung erfordelrich.
Sie besteht aus vier gleichen Kondensatoren C#. und vier Gleichrichtern D#. R2 stellt
den Ladewiderstand für die Speicherkapazität C dar, RS ist der Schutzwiderstand
für das Zählrohr Z. Die Zählimpulse werden durch einen Hochspannungskondensator
CH auf einen Transformator Tr2 gegeben und über einen Gleichrichter DI dem Anzeigeinstrument
I zugeführt. Zur Stabilisierung der Zählrohrspannung von etwa 700 V dient ein Coronastabilisator
- CSt (Typ Raytheon CK 1036). - a sind der Kollektorstrom c In F i g. 3 a sind der
Kollektorstrom iC des Transistros T und der Coronastabilisatorstrom iCSi enigetragen,
die sich für die Schaltung gemäß F i g. 3 bei der gleichen Impulsfolge von F i g.
2 a ergeben. - Man erkennt, daß.' der Stabilisatorstrom relativ hoch ist; und ledigtich
durch die Impulse, insbesondere durch eine dichtere Impulsfolge stärker erniedrigt
wird. Die Zählrohrspannung U ist, bedingt durch die Wirkung des Coronastabilisators
CSt, praktisch zeitlich konstant und gleich der normalen Betriebsspannung UB.
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Das Gerät gemäß F i g. 3 zeigt folgende Nachteile: Durch die Spannungsverdopplerschaltung
mit vier Dioden wird das Gerät aufwendig. Da keine Verstärkung der vom Zählrohr
gelieferten Impulse vorgesehen ist, muß man im Sekundärkreis des Transformators
Tr2 mit einem empfindlichen und daher teuren Anzeigegerät I arbeiten. Dabei arbeitet
die Schwingschaltung unabhängig von einer eventuell vorliegenden Impulsrate des
Zählrohres Z (vgl. den Verlauf des Kollektorstroms ic in F i g. 3 a), so daß bei
geringer Zählrate der Coronastabilisator CSt von einem höheren Strom icst durchflossen
wird. Dies bewirkt, daß der Stromverbrauch und dadurch die Entladung der Batterie
B unabhängig von der Impulsrate in unerwünschter Weise praktisch ~ konstant hoch
bleibt.
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In F i g. 4 ist das Prinzipschaltbild des erfindungsgemäß ausgebildeten
Strahlungsmeß- und -warngerätes dargestellt. Darin speist in ähnlicher Weise wie
bei dem in F i g. 1 gezeigten Prinzipschaltbild der bekannten Schaltungen die Batterie
B einen Schwingungsgeber, der auch als Verstärker (Schwingerverstärker SV) für die
Zählimpulse dient. Zu diesem Zweck werden die Zählimpulse über die Signalleitung
SL dem Schwingerverstärker SV zugeführt, dort verstärkt und im stromanzeigenden
Instrument 1 zur Anzeige gebracht. Zweckmäßigerweise arbeitet der Schwingerverstärker
nicht mit Sinusschwingungen, sondern mit Kippschwingungen. Die Umschaltung von Univibratorbetrieb
auf Multivibratorbetrieb läßt sich nur während der Pausen zwischen aufeinanderfolgenden
Impulsen durchführen. Würde man mit Sinusschwingungen arbeiten, so wäre der Schwingerverstärker
nur während der Hälfte der Meßzeit zur Messung empfindlich. Bei Kippschwingungen
kann man jedoch dieses Verhältnis von Meßzeit zu Totzeit auf einen günstigen Wert
von mehr als 1000 : 1 einstellen. Des weiteren lassen sich Impulse ~ von Kippschwingungen
mit geringeren Ansprüchen an den Transformator hochtransformieren.
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Ein praktisches Ausführungsbeispiel des in F i g. 4 gezeigten Prinzipschaltbildes
ist in F i g. 5 dargestellt.
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Dabei wirdder Schwingerverstärker SV - aus den beiden komplementären
Transistoren Tj (npn), Tg (pnp) sowie den Widerständen R1 und R,, der Kapazität
C3 sowie der Germaniumdiode G gebildet. Diese Teile sind in dem strichpunktiert
eingezeichneten Block SV enthalten. Der übrige Aufbau entspricht im wesentlichen
dem Aufbau von F i g. 4.
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Solange keine Zählimpulse vorliegen, arbeitet die SchaltungSV als
astabiler Multivibrator mit kurzdauernden Impulsen (einige Millisekunden) und relativ
langen Impulspausen (etwa 3 Sekunden). Hierbei arbeitet die Germaniumdiode G in
Durchlaßrichtung und bestimmt durch ihren niedrigen Eigenwiderstand in Verbindung
mit der Kapazität C3 die Länge der Impulse. Die aus R1 und C3 gebildete Zeitkonstante
ist für die Impulspausen maßgebend, zweckmäßigerweise wählt man Rj sehr groß (etwa
300 kOhm). Der Widerstand R; sorgt für die richtigen Gleichspannungsverhältnisse
und stellt die Arbeitspunkte der beiden Transistoren T, und T2 ein.
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Tritt im Zählrohr 7 ein Impuls aus, so wird das positive Signal über
die SignalleitungSL direkt an die Basis des Transistors T, geleitet.
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Die Germaniumdiode G wird gesperrt, und der Impuls stößt die Schwingerschaltung
zu einer Schwingung an (Univibratorbetrieb). Dieser Impuls wird
außerhalb der durch
die Impulsdauer und die Impulspausen festgelegten Eigenfrequenz des astabilen Multivibrators
(bei Multivibratorbetrieb) erzeugt, wird mittels des Transformators Tr hochtransformiert
und über die Diode D dem Speicherkondensator Cj zugeführt, wo er den durch den Zählimpuls
bedingten Ladungsverlust kompensiert und so die Zählrohrspannung auf ihrem Arbeitswert
hält (etwa 580V bei Verwendung eines Halogenzählrohres).
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Der Widerstand der Germaniumdiode G soll bei Multivibratorbetrieb
möglichst klein sein, um eine kurze Impulsdauer zu erzielen, bei der Strahlungs-,
messung (Univibratorbetrieb) jedoch möglichst groß sein, um die Basis des ersten
Transistors T1 (npn) -nicht kurzzuschließen. Diese beiden entgegengesetzten Forderungen
werden von dem von der Germaniumdiode gebildeten Gleichrichter erfüllt, der bei
Erzeugung der Kippschwingung im Durchlaßbereich; einen kleinen Widerstand und bei
Strahlungsmessung' im Sperrbereich des Gleichrichters einen hoher Widerstand aufweist.
Durch die Glieder R3C3 erfolgti auch bei Strahlungsmessung eine gewisse Rückkopp--4
lung von der Basis des ersten Transistors Ti zum Kollektor des zweiten Transistors
T2. Diese Rückkopplung bewirkt, daß auch bei den durch den Schutzwiderstand R4 von
etwa 2 MOhm bewirkten schwachen Zählrohrimpulsen eine kräftige Durchsteuerung des
zweiten Transistors T2 stattfindet. Hiermit wird gewährleistet, daß der durch den
Zählrohrimpuls verursachte Ladungsverlust am -Speicherkondensator C1 kompensiert
wird, indem auch der Zählimpuls über den Transformator Tr hochtransformiert und
zur neuerlichen Ladung von C1 verwendet wird.
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Beim Aufbau eines astabilen Muftivibrators aus der Kombination eines
npn- und eines pnp-Transistors (Komplementärtransistoren) fließt nur während der
kurzen Dauer der Impulse ein Strom gemäß dem in F i g. 5 a dargestellten Diagramm,
welcher als kurzzeitiger Ausschlag mit geringer Amplitude am Anzeigeinstrument 1
abgelesen werden kann. Dies stellt neben der weiter unten beschriebenen optischen
Kontrolle eine weitere Kontrolle dar, um die Funktionsfähigkeit des Gerätes zu erkennen.
Diese auf Grund der Ladeimpulse bei Multivibrationsbetrieb auftretenden geringfügigen
Stromstöße beeinflussen das Meßergebnis praktisch nicht. Bei erhöhter Zählrate,
d. h. beispielsweise schon beim Auftreten mehrerer Impulse pro Sekunde, zeigt das
Instrumentl etwa einen der Zählrate proportionalen mittleren Strom an. Um den Meßbereich
möglichst groß zu halten, kann man ein logarithmisches Instrumentl vorsehen.
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In dem Diagramm von F i g. 5 a ist neben dem Kollektorstrom des pnp-Transistors
auch noch der Strom icst im Coronastabilisator gezeigt. Die Impulsfolge ist im Diagramm
von F i g. 5 a die gleiche der F i g. 2 a und 3 a. Die Zählrohrspannung ist durch
die Wirkung des Coronastabilisators praktisch konstant und gleich der Zählrohrbetriebsspannung
Uß. Man erkennt, daß auch nach einer längeren Pause der von der Schaltung nach F
i g. 2 nicht mehr und von der Schaltung nach F i g. 3 nur unter Inkaufnahme eines
relativ hohen Stromverbrauchs registrierte siebente Impuls mit der einfacheren erfindungsgemäßen
Schaltung gemäß F i g. 5 unter Vermeidung eines hohen Stromverbrauchs noch registriert
wird, weil nach einer Pause der Dauer tp, gemessen vom letzten registrierten Impuls
ZI, sich der Schwingerverstärker
automatisch vom Univibrator- auf
Multivibratorbetrieb umschaltet, wodurch ein Ladeimpuls LI erzeugt wird, der im
Gegensatz zu F i g. 2 a verhindert, daß die Zählrohrspannung unter den Schwellwert
US absinkt.
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In ähnlicher Weise wie in F i g. 3 ist zur Stabilisierung der Zährohrbetriebsspannung
ein -Coronastabilisator CSt vorgesehen. Er bewirkt, daß das Zählrohr immer mit der
Betriebsspannung im günstigsten Bereich des Zählrohrplateaus arbeitet.
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An Stelle des Coronastabilisators kann man vorteilhafterweise auch
eine Serienschaltung mehrerer billigerer Glimmiampen bzw. eine Glimmstrecke zur
Stabilisierung der Zähl-rohrbetriebsspan iLg d zur optischen Kontrolle verwenden.