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Verfahren zur selbsttätigen Stabilisierung eines Kernstrahlungsmeßgerätes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur selbsttägigen Stabilisierung des Übertragungsmaßes
eines Kernstrahlungsmeßgerätes mit proportional arbeitendem Impulsdetektor, bei
dem das Strahlungsmeßgerät in einen Regelkreis einbezogen wird, wobei dem Detektor
zu willkürlich vorgegebenen Zeitpunkten künstlich erzeugte Impulse als Führungsgröße
für die Regelung zugeführt werden und eine aus der Amplitude der Ausgangsimpulse
abgeleitete Regelgröße zur Stabilisierung verwendet wird.
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Die Meßanordnung oder ein Teil derselben bildet dabei die Regelstrecke.
Durch Zufügen eines Reglers, der auf ein geeignetes Stellglied wirkt, wird daraus
in bekannter Weise ein geschlossener Regelkreis hergestellt. Die Schwierigkeit besteht
darin, daß die zu regelnde Größe, nämlich das Obertragungsmaß der Anlage, nicht
durch eine einfache Messung erfaßt werden kann. Unter dem Übertragungsmaß wird dabei
das Verhältnis der Amplitude des elektrischen Ausgangsimpulses der Gesamteinrichtung
zu der bei einem Nachweisereignis im Detektor umgesetzten Primärenergie verstanden.
Daher werden dem Detektor künstlich erzeugte Impulse zugesetzt, die zusammen mit
den natürlicherweise auftretenden Impulsen die Anordnung durchlaufen. Aus der Amplitude
der Ausgangsimpulse, die aus den zugesetzten Impulsen entstehen, wird eine Regelgröße
zur Stabilisierung der Meßanordnung gewonnen.
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Die Erfindung ist prinzipiell auf alle Strahlungsdetektoren anwendbar,
die die Energie einzelner Teilchen oder Quanten nachweisen. Ein solcher ist z. B.
die Kombination eines Szintillators mit einem Photomultiplier (Photomultiplier,
auch kurz Multiplier = Sekundäelektronenvervielfacher mit Photokatode), kurz Szintillationsdetektor
genannt. Die Erfindung wird im folgenden am Beispiel eines Szintillationsdetektors
beschrieben, da dessen Stabilisierung einen wichtigen und gleichzeitig schwierig
zu lösenden Fall darstellt.
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Der Szintillationsdetektor liefert Spannungsimpulse, deren Amplitude
U proportional zu der Energie E ist, die ein Teilchen oder Quant in dem Szintillationskristall
abgegeben hat: U ~ V zu R E, wobei K = Lichtausbeute des Kristalls, V = Verstärkungsfaktor
des Photomultiplies. Der Verstärkungsfaktor V ist aber auch bei Konstanthalten aller
Betriebsspannungen des Multipliers nicht konstant. Er hängt von der Temperatur ab,
ändert sich mit der eingestrahlten Intensität und unterliegt Ermüdungserscheinungen
Es ist bereits eine Anordnung bekannt, bei der zur selbsttätigen Stabilisierung
der Multiplier in einen Regelkreis einbezogen ist (s. Abb. la). Darin bedeuten die
Abkürzungen Sz. = Szintillationskristall, PM = Photomultiplier, Verst. = Verstärker,
Anal.
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= Analysierteil, HSp. = Hochspannungsgerät, Reg.
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= Regelverstärker, Disk. = Diskriminator.
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Dabei wird eine markante Linie eines spektrums mit einem Zweikanaldiskriminator
ausgeblendet, der so eingestellt wird, daß rechte wie linke Hälfte der betrachteten
Linie gleiche Zähiraten F9 bzw. F1 enthalten. Bei Abweichungen der Linie von der
Disknminatoreinstellung wird eine Fehlerspannung abgegeben, die proportional zur
Differenz F2 -F1 der Zählraten des rechten und linken Kanals ist (Ab b. 1 b). Mit
dieser Fehlerspannung wird über einen Regelverstärker z. B. die Betriebsspannung
des Multipliers additiv so beeinflußt, daß infolge der resultierenden Änderung der
Multiplierverstärkung der Abweichung entgegengewirkt wird (Proportionalregelung).
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Dieses Verfahren versagt in den Fällen, in denen das Spektrum keine
geeignete Linie enthält, sei es, daß die zu untersuchende Strahlung ein kontinuierliches
Spektrum aufweist oder daß die Linien vorher nicht bekannt sind oder zeitlich nicht
konstant oder nicht ausreichend voneinander getrennt sind. Zur Abhilfe ist es bekannt,
dem zu untersuchenden Spektrum mit einem zusätzlichen radioaktiven Präparat eine
Linie zuzusetzen; dies ist jedoch im allgemeinen wegen der damit verbundenen Störung
des untersuchten Spektrums nicht tragbar.
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Es ist weiter eine Anordnung bekannt, die diesen Mangel vermeidet.
Dabei wird eine geeignete Führungsgröße geschaffen, indem man der Photokatode des
Multipliers künstlich erzeugte Lichtblitze zuführt.
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Sie werden erzeugt durch kurzzeitiges Auftasten eines Elektronenstrahls,
der auf einen Leuchtschirm fällt. Sie ergeben im Spektrum der Ausgangsimpulse nur
eine Linie - im Gegensatz zu dem Spektrum
auch eimer monoenergetischen
,-Strahlung -, die durch Veränderung der Helligkeit der künstlich erzeugten Lichtblitze
an jede beliebige Stelle des Spektrums geschoben werden kann. Ein Regelkreis, ähnlich
dem oben beschriebenen. vervollständigt die Anordnung.
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Die zugesetzten, künstlichen Lichtblitze sollen den Lichtblitzen
des Szintillationskristails weitgehend gleichen. Sie sollen ähnliche Form und Dauer
haben, damit die resultierenden Spannungsimpulse zusammen mit den anderen Impulsen
durch denselben Verstärker geleitet und mit gleichartigen Diskriminatoren untersucht
werden können. Das ist nicht nur des geringen Aufwandes halber günstig und vermeidet,
daß die eigentliche Meßaufgabe beeinträchtigt wird, sondern erlaubt auch, Schwankungen
des Verstärkers durch Einbeziehen in die Regelsehleife mitauszuregeln. Das Licht
der künstlichen Blitze soll eine ähnliche spektrale Verteilung haben wie das Szintillationslicht,
damit Verschiebungen der Katodenempfindlichkeit des Multipliers auf alle Lichtimpulse
in gleicher Weise einwirken und so mitausgeregelt werden.
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Diese Forderungen werden zwar von der bisher bekannten Anordnung
noch nicht ganz erfüllt, sie lassen sich aber gut erfüllen, wenn man statt der üblicherweise
verwendeten ZnS- oder ZnO-Leuchtschirme als Leuchtstoff das Gehlenit verwendet.
Gehlenit ist 2 CaO Al2O SiO2 (Ce). Abb. 2 zeigt sein Spektrum zusammen mit dem Emissionsspektrum
von NaJ(Tl) und der Empflndlichkeitskurve eines für Szintillationsdetektoren verwendeten
Photomultipliers. Man erkennt, daß das Spektrum von Gehlenit fast gleich dem von
NaJ(TI) ist. Das Nachleuchten des Gehlenits klingt mit einer Zeitkonstante von etwa
0,1 Ms ab. Bei einer Bestrahlungsdauer des Leuchtschirms von 0,15 bis 0,25 us werden
Impulse erhalten, die denen von NaJ(TI) hinreichend ähneln (s. Abb.3a), insbesondere,
wenn man die daraus entstehenden Impulse hinter dem nachfolgenden Verstärker betrachtet
(s. A b b. 3b). Die Ähnlichkeit läßt sich noch weiter verbessern, wenn man das Steuergitter
der Elektronenstrahlröhre nicht wie bei den Impulsen der A b b. 3 mit rechteckigen,
sondern mit etwa dreieckigen Impulsen ansteuert.
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Eine solche Anordnung kann also zur Erzeugung der Führungsgröße für
die Regelung eines Szintillationsdetektors verwendet werden. Da die Elektronenstrahlröhre
leicht in Subminiaturausführung gebaut werden kann und nur Steuerimpulse geringer
Amplitude benötigt, bietet einerseits der Einbau keine Schwierigkeiten, und andererseits
lassen sich Störungen der eigentlichen Meßaufgabe infolge parasitärer Kopplungen
leicht vermeiden.
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Die Anordnung kann beispielsweise so ausgeführt werden, wie es A
b b. 4 zeigt: Eine Elektronenstrahlröhre 1 in der Art der Spannungsindikatorröhren
enthalte einen mit Gehlenit belegten Leuchtschirm.
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Die Röhre ist in die Erweiterung 2 eines Lichtleiters 3 gesteckt,
der neben dem Mu-Metallschirm 4 eines Photomultipliers 5 an einen als Platte 6 ausgebildeten
Lichtleiter geht, der zwischen dem Multiplier 5 und dem Szintillationskristall 7
angebracht ist und der eine seitliche Fortsetzung zum Anschluß des Lichtleiters
3 besitzt. Zwischen den Lichtleiter 3 und die Platte 6 kann ein blaues Lichtfilter
8 zum Unterdrücken des Katodenlichts der Röhre 1 eingefügt werden.
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Än das Steuergitter der Röhre 1 werden periodisch positive Impulse
von etwa 0,25 ts Dauer angelegt, die die Röhre aus dem gesperrten in den geöffneten
Zustand bringen. Die resultierenden Stromstöße, die beim Aufprall auf den Leuchtschirm
die Lichtblitze auslösen, werden durch den Kondensator 9 ausgemittelit und erzeugen
am Widerstand 10 einen Spannungsabfall. Über einen Katodenfolger 11 zur Impedanzanpassung
wird eine Gegenkopplungsschleife zurück zum Gitter von 1 gebildet. Damit wird die
durch 1 fließende Ladungsmenge und infolgedessen die abgegebene Lichtmenge stabilisiert.
Durch Indem rung der Spannung, an die der Widerstand 10 angelegt ist, oder der Spannung
zwischen der Katode von 11 und dem Gitterableitwiderstand von 1 läßt sich die Intensität
der Lichtblitze verändern.
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Das bekannte, in Ab b. 1 angedeutete Verfahren ein Regelkriterium
mit einem Zweikanaldiskriminator zu gewinnen, ist aber auch bei Verwendung VOll
künstlichen Lichtblitzen als Führungsgröße noch mangelhaft. Wohl läßt sich die von
den künstlichen Lichtblitzen erzeugte Linie, im folgenden Lichtlinie genannt, im
Spektrum an jede gewünschte Stelle verschieben. Es ist jedoch nicht selten, daß
die Linien eines Spektrums so dicht liegen, daß dazwischen kein Platz für die Lichtlinie
ist, oder daß die Zählrate an einer an sich geeigneten Stelle so hoch ist, daß die
Lichtlinie mit einer unverhältnismäßig hohen Wiederholungsfrequenz gegeben werden
müßte, um sich von dem Untergrund abzuheben. Beim Einschalten der Regelung nach
diesem Verfahren muß der Diskriminator vom Bedienungspersonal auf die Lichtlinie
eingestellt werden. Bei starken Änderungen der Verstärkung oder der Zählrate z.
B. des Untergrundes besteht die Möglichkeit, daß die Regelung die Lichtlinie verliert
und sich an einer falschen Linie festhält oder hin- und herdriftet.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde. ein verbessertes
Verfahren der bezeichneten Art anzugeben, das diese Nachteile vermeidet und noch
weitere Vorteile besitzt. Es besteht im wesentlichen darin, daß erfindungsgemäß
nur solche Ausgangsimpulse zur Erzeugung der Regelgröße berücksichtigt werden, die
zu Zeitpunkten eintreffen, in denen von den künstlichen Impulsen herrührend Ausgangsimpulse
zu erwarten sind.
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Da diejenigen Ausgangsimpulse, die von der Auswerteschaltung für
die Regelung benutzt werden sollen, von den Impulsen erzeugt werden, die z. B. in
der Ab b. 4 dem Gitter der Röhre 1 zugeleitet werden, ist der Zeitpunkt ihres Auftretens
bekannt. gegebenenfalls unter Berücksichtigung der Laufzeit der Impulse durch die
Anordnung. Daher kann man die Auswerteschaltung so einrichten, daß sie überhaupt
nur Impulse verarbeitet, die zu dieser Zeit eintreffen. Infolgedessen ist es gleichgültig,
welche Lage die Lichtlinie innerhalb des Spektrums hat, sie darf sogar auf der Flanke
einer anderen Linie sitzen.
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Auch kann es mit einer solchen Auswerteschaltung nicht vorkommen,
daß die Regelung die Lichtlinie bei irgendwelchen Vorkommnissen verliert. Weiter
besteht die Möglichkeit, die Lichtlinie in dem zu untersuchenden Spektrum nicht
sichtbar werden zu lassen, so daß dessen Auswertung durch sie nicht gestört wird.
Man braucht dazu nur den Analysierteil, das ist der Teil der Anlage, mit dem das
Spektrum aufgenommen wird, zu den Zeitpunkten zu blockieren, zu denen die künstlichen
Lichtblitze erzeugt
werden. Eine andere Möglichkeit dazu besteht
darin, daß mittels einer gesteuerten Verzögerung die künstlichen Lichtblitze stets
zu den Zeitpunkten erzeugt werden, in denen der Analysierteil, z.B. ein Vielkanal-lmpulshöhenanalysator,
infolge der Aufnahme eines Impulses noch blockiert ist. Der Vorteil dieses Verfahrens
besteht darin, daß die Totzeit des Analysierteils durch den Zusatz der künstlichen
Lichtimpulse nicht vergrößert wird.
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Zur weiteren Erklärung des Verfahrens nach der Erfindung werden im
folgenden zwei Ausführungsbeispiele für eine zu seiner Durchführung geeignete Auswerteschaltung
angegeben.
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Beispiel 1 Die aus dem Verstärker der Ab b. 1 a kommenden Impulse
werden der Auswerteschaltung nach A b b. 5 zugeführt, die an die Stelle des Diskriminators
der A b b. 1 a tritt. Die Schaltung enthält einen zweistufigen, gegengekoppelten
Fensterverstärker mit den Röhren 21 und 22. Durch die Taströhre 24 wird er in der
zweiten Stufe normalerweise gesperrt und nur zu den Zeiten freigegeben, in denen
die künstlichen Lichtblitze erzeugt werden, eventuell unter Berücksichtigung der
Laufzeit der Impulse durch die ganze Anordnung. In der darauffolgenden zweistufigen
Impulsverlängererschaltung 23 wird eine Gleichspannung von der Höhe des Spitzenwertes
der Impulse erzeugt, die bis zum nächsten Impuls andauert.
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Durch die Taströhre 25 wird der Kondensator der Impulsverlängererschaltung
am Anfang des nächsten Impulses entladen, so daß dann dessen Amplitude festgehalten
werden kann. Die resultierende Treppenspannung wird in einem nachfolgenden Integrierverstärker
26 ausgemittelt. Die Taströhren werden von dem gleichen Impulsgeber angesteuert,
der auch dem Gitter der Röhre 1 in Ab b. 3 die Helltast-Impulse zuführt.
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Mit der Spannung, die der Integrierverstärker liefert. wird dann
ein Stellglied angesteuert, das den Verstärkungsfaktor der Strahlungsmeßanlage beeinflußt.
Zum Beispiel kann die Spannung direkt zu der Ilochspannung addiert werden, die die
Dynoden des ;2lultipliers speist, oder sie kann in einen Regelkreis des Hochspannungsgerätes
eingeführt werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß vor oder in dem Verstärker
ein Ab schwächer angebracht wird, der von einem Regelmotor betätigt wird. Damit
kann der Regelstrecke ein integrales Verhalten gegeben werden. Der Integrierverstärker
26 in Ab b. 5 kann in diesem Fall wegfallen. Der Abschwächer kann auch einen temperatur-
oder lichtempfindlichen Widerstand enthalten. Dann wird er durch die Steuerung des
Stromes einer Heizwicklung oder Glühbirne eingestellt. Die Anordnung mit einem fremdgeheizten
Widerstand mit hohem Temperaturkoeffizienten hat den Vorteil, daß zwar kein echtes
integrales Verhalten, wohl aber sehr große Zeitkonstanten erzielt werden können,
so daß auch in diesem Fall der Integrierverstärker entfallen kann. Auch spannungsabhängige
Kapazitäten oder spannungsabhängige Widerstände oder Dioden können für gesteuerte
Abschwächer eingesetzt werden. Alle die genannten Anordnungen könen statt als Abschwächer
auch in der Gegenkopplungsschleife eines Verstärkers angebracht werden. Schließlich
kann auch eine Regelröhre oder ein Transistor direkt als Stellglied benutzt
werden,
indem ihre bzw. seine Verstärkung durch eine Vorspannung beeinflußt wird.
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Es ist kennzeichnend für diese Art der Auswertung, daß die abgegebene
Regelspannung direkt der Abweichung eines Impulses von der Soligröße proportional
ist. Man kommt dadurch mit kleinen Zeitkonstanten für die Ausmittelung der Schwankungen
der Regelspannung aus, so daß die Regelung schnell eingreifen kann. Ein anderes
Äuswerteprinzip besteht darin, daß bei jedem Impuls eine positive oder negative
Spannung von normierter Höhe erzeugt wird, 3e nachdem der Impuls größer oder kleiner
als die Sollgröße ist. Erst durch die zeitliche Mittelung über diese Spannungen
wird daraus eine Regelspannung, die bei verschwindender Regelabweichung durch Null
geht. Der Vorzug dieses Auswerteprinzips besteht darin, daß der Fensterverstärker
und der Impulsverlängerer der Schaltung nach der A b b. 5 durch eine einfachere
Schaltung ersetzt werden kann.
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Eine besonders vorteilhafte Realisierung dieses Auswerteprinzips wird
in dem nächsten Beispiel angegeben. Es ist dan anwendbar, wenn der Analysierteil
aus einem Vielkanal-Impulshöhenanalysator besteht.
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Bei diesen Geräten wird bekanntlich die Impulshöhe durch eine Zahl
dargestellt, die in einem Adressenregister eingezählt wird. Durch Abtasten dieses
Registers kann festgestellt werden, ob der Impuls größer oder kleiner als ein vorgegebener
Sollwert ist. Besonders einfach ist dieser Vergleich, wenn als Sollwert für die
Lichtlinie die obere Grenze der Zählkapazität des Registers benutzt wird. Wird diese
überschritten, erzeugt der Vielkanal-Impulshöhenanalysator ein Signal »Adressenüberlauf«,
das direkt als Regelkriterium ausgewertet werden kann.
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Beispiel 2 (s. Abb. 6) Der Auslöseimpuls, der den das Gitter der
Röhre 1 (abt. 3) ansteuernden Impuls auslöst, oder dieser Impuls selbst löst nach
Verzögerung einen Impulsgeber 41 aus. Mit dem vom Impulsgeber 41 erzeugten Impuls
wird für kurze Zeit das Und-Gatter42 freigegeben. Der Vielkanalanalysator gibt bei
Aufnahme eines Detektor-Impulses einen »Analysator heschäftigt«-Impuls B ab, dessen
Vorderflanke über das Gatter 42 ein »Flip-Flop« 43 einstellt. Damit wird festgestellt,
daß ein zur Regelung dienender Impuls gerade analysiert wird. Wenn während dieser
Zeit vom Vielkanalanalysator ein »Adressenüberlauf«-Impuls A Ü gegeben wird, stellt
dieser über das Und-Gatter 44 ein »Flip-Flop« 45 ein. Dieses speichert die Information,
daß der Impuls in diesem Fall größer als der Sollwert war. Die Spannung des »Flip-Flop«
45 wird von dem Integrierverstärker 46 ausgemittelt zur Verwendung als Regelspannung.
Das »Flip-Flop« 45 wird von der Vorderflanke der Spannung 43 bei Beginn der Analyse
des nächsten Impulses der Lichtlinie zurückgesetzt. Dasselbe Signal dient als »Unterdrückte
Registrierung«-Signal UR dazu, ein im Vielkanalanalysator enthaltenes »Flip-Flop«
einzustellen, das bewirkt, daß der bearbeitete Impuls nicht registriert wird, so
daß die Lichtlinie im Spektrum nicht erscheint. Das »Flip-Flop« 43 wird schließlich
von dem Signal ADCS zurückgesetzt, das besagt, daß die Analyse des vorliegenden
Impulses im Vielkanalanalysator beendet ist. Mit der vom Integrierverstärker 46
abgegebenen Spannung wird ein Stellglied angesteuert, wie oben beim Beispiel 1 angegeben.
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Es kann vorkommen, daß der Vielkanalanalysator noch mit der Analyse
eines vorangegangenen Impulses beschäftigt ist, wenn ein zur Regelung dienender
Impuls erscheint. Dann wird er nicht angenommen und geht verloren. Die Regelung
wird aber dadurch nicht wesentlich beeinflußt, wenn - was meist der Fall ist - die
zu messenden Impulse statistisch verteilt eintreffen. Es wird lediglich die mittlere
Wiederholungsfrequenz der zur Regelung dienenden Impulse um den Anteil der Totzeit
des Vielkanalanalysators vermindert.
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Bei anderen Strahlungsdetektoren als dem Szintillationsdetektor kann
das Verfahren nach der Erfindung sinngemäß ebenfalls angewendet werden. So wird
man einer Ionisationskammer oder einem Sperrschichtdetektor künstliche Ladungsimpulse
zuführen, ihre Ausgangsimpulse werden dann einer Auswerteschaltung, wie oben beschrieben,
zugeleitet.
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Der mit der vorliegenden Erfindung erzielte Fortschritt liegt einmal
darin, daß nunmehr Messungen durchgeführt werden können, die wegen der Instabilität
der bekannten Strahlungsdetektoren oder der zugehörigen Geräte, wie z. B. Verstärker,
Hochspannungsgeräte, bislang nicht oder nur unter großen Schwierigkeiten durchgeführt
werden konnten. Zweitens ist mit vorliegender Erfindung die Möglichkeit gegeben,
die bislang sehr strengen Anforderungen an die Konstanz aller verwendeten zugehörigen
Geräte wesentlich zu mildern. Die darauf resultierende Vereinfachung und Ersparnis
kann auch gegenüber dem zusätzlichen Aufwand für das Regelverfahren überwiegen.