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Meßverfahren zur Bestimmung der Menge eines Fremdstoffes in einer
verunreinigten Substanz und Gerät zur Durchführung dieses Verfahrens Die Erfindung
betrifft ein Meßverfahren zur Bestimmung der Menge eines Fremdstoffes in einer verunreinigten
Substanz, bei dem wenigstens die Absorption der zu untersuchenden Probe bei einer
ersten Wellenlänge gemessen wird, bei welcher der Fremdstoff ein ausgeprägtes Absorptionsmaximum
mit symmetrischen Flanken hat, während die Substanz bei dieser Wellenlänge durchlässig
ist. Das Meßverfahren ist insbesondere zur Messung der Konzentration von Isotopenverunreinigungen
in Wasser oder schwerem Wasser bestimmt.
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Es ist bereits die Resonanzabsorptionsmethode bekannt, bei der Infrarotstrahlung
durch eine Zelle fällt, die zwischen zwei Fenstern die verunreinigte Substanz enthält.
Die Intensität des durchgelassenen Lichtes wird mittels einer wellenlängenempfindlichen
Meßeinrichtung bestimmt. Die Intensität der bei einer der Resonanzwellenlängen durchgelassenen
Strahlung kann mit der Intensität der ungeschwächten Strahlung bei der gleichen
Wellenlänge verglichen werden; es wird also die prozentuale Durchlässigkeit gemessen.
Außerdem ist es möglich, die Intensität des aus der Zelle austretenden Strahles
bei mehreren verschiedenen Wellenlängen zu messen und die spektrale Verteilung des
durchgelassenen Lichtes zu bestimmen. Insbesondere ist es bereits bekannt, die quantitative
Analyse von n-Butan in i-Butan durch Vergleich der Absorption bei zwei Wellenlängen
auszuführen, wobei die eine Wellenlänge so liegt, daß sich dort die Transmission
der nicht verunreinigten Substanz und die des Fremdstoffes wesentlich voneinander
unterscheiden. Dieses bekannte Meßverfahren ist jedoch noch beträchtlich von dem
Spektrum der Strahlenquelle, der Spektralempfindlichkeit des Detektors und von den
Anderungen der Durchlässigkeitseigenschaften der Probe (Blasen u. dgl.) abhängig.
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Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Meßverfahrens der eingangs
genannten Gattung, dessen Abhängigkeit von dem Spektrum der Strahlenquelle, der
Spektralempfindlichkeit des Detektors und von mitgeführtem Schmutz und Blasen beträchtlich
herabgesetzt ist.
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Hierzu sieht die Erfindung vor, daß zusätzlich die Absorption der
Probe bei einer etwas höheren und bei einer etwas geringeren Wellenlänge gemessen
wird, daß die Durchlässigkeiten bei den beiden letztgenannten Wellenlängen gemittelt
werden und daß dieser Mittelwert mit der Durchlässigkeit bei der ersten Wellenlänge
verglichen wird. Gegenüber dem bekannten Verfahren wird also die Absorptionsmessung
insgesamt bei drei Wellenlängen durchgeführt.
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Dadurch werden insbesondere die Einflüsse von ungewollten änderungen
der Durchlässigkeitseigenschaften der Probe weitgehend ausgeschaltet.
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Bei Kernreaktoren wird als Moderator häufig schweres Wasser verwendet,
welches beim Auftreten von Undichtigkeiten durch leichtes Wasser verunreineigt werden
kann. Um eine solche Verunreinigung von leichtem Wasser in schwerem Wasser zu bestimmen,
wird das Meßverfahren gemäß der Erfindung so weitergebildet, daß die erste Wellenlänge
3 es und die beiden anderen Wellenlängen 2,5 ffi und 3,5 ,u betragen.
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Soll eine Verunreinigung von schwerem in leichtem Wasser bestimmt
werden, ist das erfindungsgemäße Meßverfahren so ausgebildet, daß die erste Wellenlänge
4 Ft und die beiden anderen Wellenlängen 3,5 Ft und 4,3 St betragen.
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Die Erfindung betrifft auch ein Meßverfahren zur Bestimmung einer
Verunreinigung von leichtem Wasser in schwerem Wasser, bei dem die Absorption bei
einer ersten Wellenlänge von 3 gemessen wird, bei welcher das leichte Wasser ein
ausgeprägtes Absorptionsmaximum mit symmetrischen Flanken hat, während das schwere
Wasser bei dieser Wellenlänge durchlässig ist.
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Um dieses Verfahren unempfindlich gegen das Auftreten von Blasen
oder eine nicht vollständige Füllung der Zelle zu machen, sieht die Erfindung vor,
daß zusätzlich die Absorption bei den beiden anderen Wellenlängen 2,6 il und 4,0
F gemessen und die Durchlässigkeit bei der ersten Wellenlänge 3 ii mit der Summe
der Durchlässigkeiten bei 2,6 cm und 4,0 Z verglichen wird.
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Die verschiedenen Ausführungsformen des Meßverfahrens gemäß der Erfindung
lassen sich besonders zweckmäßig mit einem Gerät, mit einer Strahlungsquelle, einem
dahinter angeordneten, mit der verunreinigten Substanz gefüllten Behälter mit zwei
für die verwendeten Strahlen durchlässigen Fenstern, Filtern im Strahlengang der
von der Substanz durchgelassenen Strahlung und einer dahinterliegenden Photozelle
zum Empfang der von jeweils einem Filter durchgelassenen Strahlung durchführen,
welches eine rotierende Scheibe mit vier gleichmäßig auf dem Umfang verteilten Filtern
aufweist.
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Weitere Vorrichtungsmerkmale im Rahmen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen 5 bis 11 gekennzeichnet.
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Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise an Hand der Zeichnung
beschrieben.
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Fig. 1 zeigt die prozentuale Durchlässigkeit von leichtem und schwerem
Wasser für ultrarote Strahlungsenergie in Abhängigkeit von der Wellenlänge; Fig.
2 zeigt eine dreidimensionale Skizze des Gerätes, mit dem eine Reihe von verschiedenen
Filtern in einen infraroten Strahl eingeschaltet werden kann, der durch eine fremdstoffhaltige
Probe fällt; F i g. 3 ist ein Schaltbild des Kreises, dem die Infrarot- und Photozellen
von Fig. 2 zugeordnet sind; F i g. 4 ist ein Schaltbild eines Kreises zum Betrieb
des Relais von Fig. 3; F i g. 5 a bis 5 d sind graphische Darstellungen der Zustände
in dem Schaltkreis von F i g. 4, zu denselben Zeiten dargestellt; Fig.6 ist die
Vorderansicht einer Infrarotstrahlungsquelle, wie sie in dem erfindungsgemäßen Gerät
verwendet werden kann; Fig. 7 ist ein Schnitt entlang der Linie 7-7 von Fig. 6;
Fig. 8 ist ein Schnitt durch eine Zelle, die zur Aufnahme einer zu analysierenden
Wasserprobe bestimmt ist; F i g. 9 ist ein Schnitt entlang Linie 9-9 von Fig. 8;
F i g. 10 a bis 10 e zeigen Wellenformen, wie sie in dem Schaltkreis von F i g.
3 vorkommen, und F i g. 11 zeigt einen anderen Schaltkreis, der an die Stelle des
dem Transformator von F i g. 3 zugeordneten Schaltkreises treten kann.
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In Fig. 1 zeigen die Kurven, daß bei leichtem Wasser eine starke
Absorption im Bereich von 3 F vorliegt, während bei schwerem Wasser relativ wenig
Absorption eintritt, bevor 4 EL erreicht sind.
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In der zu beschreibenden Ausführungsform der Erfindung soll die Menge
an leichtem Wasser in einer Probe von schwerem Wasser durch Messung der Absorption
bei 2,5 y, 3 F und 3,5 bestimmt werden.
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So wird die Durchlaßintensität sowohl bei längeren als auch bei kürzeren
Wellenlängen bestimmt als bei der, wo die Verunreinigung absorbiert. Indem man die
Durchlässigkeiten bei 2,5 Z und 3,5 F mittelt und diesen Wert mit der mittleren
Durchlässigkeit bei 3 E. vergleicht, kann eine Reinheitsbestimmung durchge-
führt
werden, die kaum beeinflußt wird durch die Umgebungstemperatur, durch Gesamtänderungen
des Durchlasses bei den verschiedenen gemessenen Wellenlängen auf Grund von Schwankungen
der Strahlungsquellenintensität usw. Diese Gesamtänderungen des Durchlasses werden
im selben Verhältnis beeinflußt und erscheinen somit nicht in der endgültigen Durchlaßablesung.
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In F i g. 2 wird eine breite Fläche einer Quelle infraroter Strahlen
10 so gerichtet, daß ein Strahl, der nicht gebündelt zu sein braucht, zuerst durch
die Probenzelle 11 und dann durch eines der Fabry-Perot-Interferometerfilter 12,
13, 14 oder 15 fällt, die über Öffnungen oder Fenstern in der Scheibe 16 angebracht
sind, welche ihrerseits durch einen Motor 27 angetrieben wird, so daß sie sich um
eine Achse 17 in einer zur Strahlenrichtung senkrechten Ebene dreht. Die Filter
umfassen zwei halbtransparente reflektierende Schichten, die von einem transparenten
Medium getrennt sind, dessen Dicke gleich der halben Wellenlänge des durchfallenden
Lichtes ist.
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Wenn die Breite der infraroten Absorptionsbanden wie bei Wasser ziemlich
groß ist, besteht keine Notwendigkeit eines hohen Auflösungsvermögens, und Fabry-Perot-Filter
sind deshalb recht geeignet, weil sie mit einer Bandbreite von etwa 0,2 bis 0,3
ffi leicht erhältlich sind. Es ist manchmal notwendig, neben dem ersten Band-Durchlaßfilter
ein Hilfsfilter zu benutzen, um eine unechte Durchlässigkeit außerhalb des gewünschten
Bereiches zu unterdrücken, jedoch ist dies eine allgemein bekannte Konstruktionsmaßnahme
für diese Art von Filtern und wird im einzelnen hier nicht beschrieben. Da das Durchlässigkeitsspektrum
dieser Filter nur wenig durch den Einfallswinkel der Strahlen beeinträchtigt wird,
ist der benutzte ungebündelte Strahl durchaus annehmbar. Der Strahl passiert die
Filter in den Fenstern der Scheibe 16, fällt dann durch ein für lange Wellen durchlässiges
Filter 18 und trifft auf eine für Infrarotstrahlung empfindliche Zelle 19. Das Filter
18 ist an der Zelle 19 befestigt, die ihrerseits auf der Motorträgerplatte 29 angebracht
ist. Die Zelle 19 ist hochemp findlich und ermöglicht deshalb ebenfalls die Verwendung
von ungebündeltem Licht. Der Abstand von der Strahlungsquelle 10 bis zur Zelle 19
beträgt normalerweise nicht mehr als etwa 62 mm. Die Filter 12, 13, 14 und 15 für
die Untersuchung der obenerwähnten Probe sind von 3,0 , 2,5 , 3,0 ij bzw.
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3,5 . Das Langwellenfilter ist in seiner Konstruktion dem Fabry-Perot-Filter
einigermaßen ähnlich; es ist so beschaffen, daß es Wellenlängen abschneidet, die
kürzer sind als 2 Il. Weitere bekannte Filter, die nach dem gleichen Prinzip arbeiten,
haben einen Durchlässigkeitsbereich von 0,2 bis 6 . Man kann somit Filter für das
Spektrum vom ultravioletten bis weit in den infraroten Bereich erhalten. Die Menge
der durch jedes dieser Filter durchgelassenen Strahlung kann durch Einschalten eines
Metallmaschensiebes zusammen mit dem Filter oder durch Veränderung der Öffnungsweite
des Filters variiert werden. Eine geeignete Zelle 19 umfaßt eine Schicht von Bleiselenid
(PbSe) von etwa 2 cm Länge und 1 cm Breite, die auf eine Glasplatte niedergeschlagen
ist. Diese Zelle zeigt ein Abnehmen des Widerstandes, wenn sie mit Licht einer Wellenlänge
von weniger als 4,5 ffi bestrahlt wird. Sie spricht über den sichtbaren Bereich
und den infraroten Bereich bis 4,5 W gut an.
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Wenn Wellenlängen von weniger als 3 F vorliegen,
ist
vorzugsweise ein Bleisulfid-(PbS)Detektor zu benutzen. Die Zelle 19 wird mit dem
Verstärker und den in F i g. 3 gezeigten, im nachstehenden diskutierten zugeordneten
Einrichtungen verbunden.
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Manchmal kann es zweckmäßig sein, ein elektrisch leitendes Metallsieb
auf die Innenfläche der Scheibe 16 zu bringen, um diese in eine Äquipotentialfiäche
zu verwandeln, oder einen Faraday-Käfig um die Detektorzelle 19 herum anzuordnen,
der in geeigneter Weise an dem Gehäuse des Gerätes geerdet ist, um eine elektrostatische
Kopplung zwischen dem Detektor und den rotierenden Filtern zu verhüten, die das
Signal von dem Detektor stören könnte. Das Sieb soll genügend transparent sein,
damit es die infrarote Strahlung nicht ernstlich blockiert.
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Wenn der Probenfluß in die und aus der Zelle 11 klein ist, kann die
Substanz in der Zellell leicht durch die Strahlung von der Quelle 10 erhitzt werden,
und es ist dann wünschenswert, ein Vorfilter zwischen die Strahlungsquelle und die
Zelle zu schalten, um alle Strahlen mit einer Wellenlänge zu entfernen, die länger
ist als jene, die bei den Messungen benutzt wird. In der beschriebenen Ausführungsform
wären dies alle Strahlen, die länger als 3,5 Il, jedoch vorzugsweise länger als
7 F sind. Innerhalb des Ringflansches 28 der Scheibe 16 sind zwei Cadmiumsulfid-(CdS)Photozellen
20 und 21 an der Motorträgerplatte29 befestigt, so daß sie in einem Abstand von
einem Viertel des Umfanges von Flansch 28 stehen. Jede Zelle kann jeweils durch
eine Glühbirne 22 und 24 durch Löcher 23 und 25 im Flansch 28 belichtet werden.
In der in F i g. 2 dargestellten Lage fällt Licht auf die Zelle 20 von der Glühbirne
22 durch die Öffnung 23. Nach einer Vierteldrehung der Scheibe 16, deren Drehsinn
durch einen Pfeil 30 angedeutet ist, kann die Glühbirne 24 die Zelle 21 durch das
Loch 23 belichten. Nach einer weiteren Vierteldrehung wird die Zelle 20 wieder belichtet,
dieses Mal durch das Loch 25. Auf diese Weise empfängt bei jeder Vierteldrehung
der Scheibe 16 die eine oder andere der Zellen 20 und 21 einen Lichtimpuls von der
Lampe 22 oder 24.
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Die Photozellen 20 und 21 bestehen aus einer dünnen Schicht von sensibilisiertem
Cadmiumsulfid auf einer isolierenden Grundplatte, die zwischen metallischen Elektroden
liegt. Diese Zellen haben eine Spektralempfindlichkeit ähnlich der des menschlichen
Auges, und ihr Widerstand nimmt ab, wenn sie belichtet werden.
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In dem Kreis von Fig. 3 ist die Infrarotzelle 19 über einen Ballastwiderstand
40 an eine geeignete Gleichspannungsquelle 41 angeschlossen. Ein von dieser Detektorzelle
abgegebenes Signal wird über den Gleichstromisolations-Kondensator 42 erhalten und
durch den Verstärker 43 geschickt, der zwei Signale in entgegengerichteten Phasen
von einem Ausgangstransformator 44 liefert, der als Phasenteiler wirkt. So werden
von Potentiometern 62 und 63 Ausgänge mit entgegengerichteter Phase erhalten, die
jeweils über die Ausgangswindungen des Transformators 44 durch Kondensatoren 46
und 47 verbunden sind. Auf jeden Kondensator folgt ein hochohmiger Ableitwiderstand
48 und 49, von denen jeder mit einer gleichrichtenden Diode 50 und 51 im Nebenschluß
liegt. Der Ausgang von dem einen oder dem anderen der Kondensatoren 46 oder 47 wird
abwechselnd von dem sich bewegenden Kontakt 52 eines Relais 53 mit einem Pol und
zwei Schaltstellun-
gen ausgewählt, welches von den Photozellen 20 und 21 in einer
noch zu beschreibenden Weise betätigt wird. Die Gleitkontakte 60 und 61 der Potentiometer
62 und 63 sind miteinander gekuppelt und werden durch die Welle 67 eines Motors
64 angetrieben, so daß beim Ansteigen des Ausgangs am Kontakt 60 der Ausgang von
61 abnimmt, und umgekehrt. Es wird ein Stromstoßmotor verwendet, in dem der Anker
um einen besonderen kleinen Winkel jedesmal geschwenkt wird, wenn eine seiner Arbeitswicklungen
gespeist wird. In dem Kreis von F i g. 3 wird ein Stromstoß durch seine Wicklung
58 die Welle in einer Richtung und ein Stromstoß durch 60a in der anderen Richtung
bewegen. Zwei Kontaktarme werden von der Welle getragen; sie wirken mit getrennten
isolierten Kontakten zusammen, die im Abstand um die Wege herum angeordnet sind,
die die Kontaktarme bestreichen. Zwischen benachbarten Kontakten in jedem Kontaktarmweg
liegen besondere Widerstandselemente. Damit bilden diese in Serie geschalteten Elemente
die Widerstandsteile der Potentiometer 62 und 63, und die Kontaktarme stellen die
Gleitkontakte dar, die mechanisch mit der Welle des Motors gekuppelt sind. In vielen
Fällen wird es genügen, nur einen Gleitkontakt mit der Welle 67 zu kuppeln, während
der andere Gleitkontakt von Hand vorher eingestellt wird. Als Alternative kamt der
manuell zu betätigende Gleitkontakt ein Steckkontakt sein, der in eine Reihe von
Buchsen eingesteckt werden kann. Auf diese Weise wird eine grobe Voreinstellung
bewirkt.
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Der Kontakt 52 speist einen Integrierkreis, der einen Widerstand
54 und einen Verstärker 55 mit hoher Verstärkung umfaßt, wobei negative Rückkopplung
über den Kondensator 56 erfolgt und der Punkt 66 virtuelle Erde ist. Der Verstärker
55 speist am Ausgang 61 a einen Gleichrichter 57, der in Serie zu der Vorschubwicklung
58 des Motors geschaltet ist, und einen Gleichrichter 59, der mit der Umkehrwicklung
60a in Serie liegt. Da die Gleichrichter 57 und 59 in entgegengesetztem Sinn geschaltet
sind, steht Strom zur Verfügung, um den Motor in einer Richtung zu bewegen, wenn
das Potential von 58 positiv wird, oder in der entgegengesetzten Richtung, wenn
es negativ wird. Der Motor ist ferner so konstruiert, daß bei jeder seiner durch
ein ausreichendes Potential bei Punkt 61 a hervorgerufenen Bewegungen der Kondensator
56 durch einen Schalter 65 kurzgeschlossen ist, so daß die Integration von neuem
beginnen kann, ohne daß sich eine Restladung auf dem Kondensator 56 befindet.
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In F i g. 4 liegt das Relais 53 zwischen dem Verbindungspunkt70 der
Photozellen 20 und 21 und dem Verbindungspunkt 71 der beiden Elektrolytkondensatoren
72 und 73. Die Zelle 20 und der Kondensator 72 werden von einem Punkt positiven
Potentials gespeist, zweckmäßigerweise mit 15 Volt gegenüber dem Erdungspunkt75.
Die Arbeitsweise dieses Kreises wird nun an Hand von F i g. 5 beschrieben.
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F i g. 5 a zeigt die Amplitude der abwechselnd auf die Photozellen
20 und 21 auftreffenden Lichtstrahlen. F i g. Sb zeigt die Spannung am Verbindungspunkt
70 zu den gleichen Zeiten wie Fig.Sa.
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Fig. 5c zeigt den Strom durch das Relais 53, wiederum zu den gleichen
Zeiten, und F i g. 5 d schließlich zeigt die Stellung des Kontaktes 52. Die für
20 und 21 gewählten Zellen sind für die Zwecke der Erfindung besonders brauchbar,
da eine erregte Zelle
noch beträchtliche Zeit nach dem Empfang eines
Lichtimpulses weiter leitet. Dies führt zu einer Sperrwirkung, die die Neigung des
Relais verstärkt, in dem Zustand zu beharren, in den es versetzt worden ist.
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Bei einer typischen Zelle ist die Leitfähigkeit nach Belichtung mit
59,75 Hefnerlux 50 Millisekunden nach Ende der Beleuchtung noch 25 O/o des Anfangswertes.
Es ist jedoch eine schnelle Schaltwelle vorhanden, wie die Steigung der Kurven in
den Bereichen 80 und 81 zeigt, weil die Leitfähigkeit bei Belichtung schneller ansteigt.
Das Potential von Punkt 71 wird auf einem Wert zwischen den Potentialen der Punkte74
und 75 gehalten und verändert sich kaum, da der Stromfluß durch das Relais 53 wirksam
gebremst wird durch die Kapazität des Kondensators 73 (zur Erde75) und (über die
niedrige Impedanzquelle zwischen 74 und 75) durch den Kondensator 72. Das tatsächliche
Potential von Punkt 71 richtet sich nach dem Verhältnis der Zellen 20 und 21. Im
allgemeinen sind die Zellen nicht ganz gleich, und das Potential wird einen solchen
Wert haben, daß dasZeitintegral des Relaisstromes in der positiven Richtung gleich
dem in der negativen Richtung ist, so daß die Flächen unter den positiven und negativen
Kurven in Fig. 5 c gleich sind. Es ergibt sich deshalb, daß der Bewegungskontakt
52 abwechselnd in der in F i g. 5 d gezeigten Weise mit den Kondensatoren 46 und
47 verbunden ist. Die Öffnungen 23, 24, 25, 26 sind so angeordnet, daß die Umschaltung
während der Zeit eintritt, während der die Strahlung von der Zelle 11 durch die
undurchsichtigen Teile der Scheibe 16 zwischen den Filterfenstern 12, 13, 14 oder
15 unterbrochen ist.
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In den F i g. 6 und 7 ist die Struktur einer Infrarotstrahlungsquelle
11 dargestellt. Diese umfaßt ein Metallgehäuse 120 mit einem Hohlraum 121. In diesem
Hohlraum ist eine flache Spirale 122 aus Widerstandsband angebracht, das nicht leicht
schmilzt, verdampft oder korrodiert, z. B. Nichrom; sie sitzt auf isolierten Leitstiften
123. Die Stifte 123 sind durch die Rückseite des Gehäuses 120 mit einer Stromquelle
verbunden, und der Hohlraum ist durch ein Quarzfenster 124 verschlossen und durch
Dichtungsmaterial 125 abgedichtet.
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Einzelheiten der Zelle, die die Probe schweres Wasser aufnimmt, sind
in den F i g. 8 und 9 gezeigt.
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Wie aus Fig. 8 ersichtlich, sind zwei Quarz- oder Saphir-Fensterscheiben
130 und 131 durch einen Distanzring 132 aus Blei oder anderem geeignetem weichem
Material getrennt, das keine Verunreinigungen einführt. Die beiden Fensterscheiben
sind an ihren äußeren Rändern durch Material 133 und 134 innerhalb eines ringförmigen
Trägergliedes 135 angekittet. Eine Öffnung 136 und eine entsprechende Öffnung 137
(nicht dargestellt) sind auf gegenüberliegenden Seiten des Trägergliedes 135 vorgesehen,
um Flüssigkeit oder Gas in die zwischen den Quarzplatten, der Bleidichtung und der
Außenfläche 139 des ringförmigen Hohlraumes in dem Glied 135 gebildete Kammer 138
einzuleiten, so daß Wasser für die Analyse in den Proberaum 140 der Zelle gelangt.
Wie aus F 1 g. 9 ersichtlich, wird dieser Proberaum 140 durch den Distanzring 132
definiert, wobei das Wasser durch die Öffnung 141 eintreten und über die Leitung
142 abfließen kann, die an den hufeisenförmigen Hohlraum 143 angeschlossen ist.
Alle zufällig durch die Öffnung 136 eintretenden Luftblasen neigen dazu, nicht in
die Öffnung 141 zu gelangen, son-
dem werden von der höchsten Stelle des Hohlraumes
139 über eine Leitung 144 abgeblasen. Die in den Zellenraum 140 eintretende Flüssigkeit
wird über die Leitung 142 entfernt.
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Es sei nun angenommen, daß Probenwasser in die Zelle 11 geleitet
und die Scheibe 16 gedreht wird.
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Die am Gleitkontakt 60 auftretende Wellenform ist in Fig. 10a gezeigt
und die am Gleitkontakt 61 in Fig. 10b (vgl. Fig. 3). Die gleichrichtenden Dioden
50 und 51 sind so geschaltet, daß sie eine Basis für diese Stromstöße ergeben, und
somit sind Wellenformen, wie sie in den F i g. 10 c und 10d dargestellt sind, für
eine Auswahl durch den beweglichen Kontakt 52 verfügbar. In diesem Fall sei angenommen,
daß die Impulse 150 und 151 von der Wellenform in Fig. 10 c und die Impulse 152
und 153 von der Wellenform in Fig. 10 d gewählt sind.
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Der deshalb an dem Kontakt 52 erscheinende Ausgang, der dem integrierenden
Kreis zugeführt wird, hat deshalb die Wellenform von F i g. 10 e.
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Das Vorzeichen des Zeitintegrals der in Fig. 10 e wiedergegebenen
Kurve bestimmt den Drehsinn des Motors 64, der somit stets einen Ausgleich zwischen
den Stromstößen einzuhalten versucht, die durch den Strahlendurchgang durch die
Probe 11 bei 3 F bzw. des mittleren Strahlendurchgangs bei 2,5 F und 3,5 c erzeugt
werden. Die Stellung der Welle 67 des Motors 64 ist ein direktes Maß für die Verunreinigung
der Probe in der Zelle 11. Wenn die Verunreinigung zunimmt, wird die Amplitude der
Stromstöße 152 und 153, verglichen mit denen der Stromstöße 150 und 151, abnehmen,
die Motorwelle 67 sich somit drehen, um den Ausgang am Gleitkontakt 61 zu erhöhen
und den am Gleitkontakt 60 zu senken. Ein digitaler Ausgang kann von dem Motor entnommen
werden, um positive Stromstöße bei jeder Stufe des Gleitkontaktes in der einen Richtung
und einen negativen Stromstoß bei jeder Stufe in der anderen Richtung hervorzubringen.
Diese Ausgänge können somit ein digitales Anzeigegerät speisen. Die Potentiometer
62 und 63 brauchen nicht linear zu sein. Sie können so gewickelt sein, das große
Veränderungen des Ausgangs an den Gleitkontakten 60 und 61 an den Grenzen des zu
erwartenden Bereichs der Fremdstoffkonzentration erhalten werden und kleine Veränderungen
in der Mitte des Bereichs. Auf diese Weise wird die Motorwelle 67 schnell in die
angenäherte endgültige Anzeigestellung gebracht, und sie wird über den in Frage
kommenden Bereich empfindlicher sein, da kleine änderungen der Fremdstoffkonzentration
große Bewegungen der Welle 67 hervorrufen werden. Man kann auch, wie bereits gesagt,
eines der Potentiometer 61 und 62 von Hand als Nulleinstellungskontrolle betätigen,
wenn man den Apparat einstellt. Die Welle 67 wird dann lediglich den Gleitkontakt
des anderen Potentiometers bewegen.
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Eine andere Möglichkeit für den Schaltkreis, der dem Transformator
von Fig. 3 zugeordnet ist, wird in F i g. 11 gezeigt. In diesem Kreis sind Widerstände
163, 161 und 162, 164 in Serie über die Ausgangswicklung 165 des Transformators
44 geschaltet. Die Wicklung 165 ist in der Mitte an die Verbindungsstelle der Widerstände
161 und 162 angeschlossen.
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Diese Widerstände 161 und 162 werden gebildet aus einer Mehrzahl von
in Serie geschalteten Widerständen von relativ niedrigem Wert zwischen benachbarten
isolierten Kontakten des Motors, und sie werden
ihrerseits von
einem Kontaktarm 160 geerdet und mit der Welle 67 verbunden. Durch einen variablen
Widerstand 166 werden die in Reihe geschalteten Widerstände 161 und 162 nebengeschlossen.
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Ein Widerstand 167 und ein variabler Widerstand 168 liegen zwischen
den äußeren Enden der Wicklung 165 und den Kondensatoren 46 bzw. 47. Das Netz der
Widerstände 163, 161, 162, 164 und 166 bildet einen Teiler, dessen Effekt ähnlich
ist der Erdung einer beweglichen Abzweigung auf der Wicklung 1165, und da diese
»effektive Erdung« durch die Stellung des Kontaktarmes 160 bestimmt wird, variiert
das Verhältnis der den Kondensatoren 46 und 47 zugeführten Signale entsprechend.
Der Widerstand 166 kontrolliert den Bereich von Verhältnissen, die von dem Kontaktarm
160 eingestellt werden, und der Widerstand 160 ist eine Nulleinstellung.
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Dieser Kreis hat den Vorteil, daß die Ausgangsspannung von dem Transformator
ohne Dämpfung benutzt wird; die Kondensatoren 46 und 47 haben eine niedrige Ausgangsimpedanz,
und die Bereichs-und Nullkontrollen 166 und 168 sind im wesentlichen unabhängig
voneinander.
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Obwohl nur besondere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gerätes
beschrieben worden sind, kann dieses bei jedem Infrarot-Überwachungsproblem eingesetzt
werden, bei dem a) die Resonanzen bei weniger als 4,5 W auftreten und b) relativ
breit sind, beispielsweise 0,1 Z oder mehr.
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Die Gegenwart von schwerem Wasser in leichtem Wasser kann durch Auswechseln
der Filter und Arbeiten im Bereich der 4 -Absorption festgestellt werden, die charakteristisch
ist für Wassermoleküle mit der OD-Bindung. Insbesondere wären die Filter 12 und
14 zu ersetzen durch Filter, die bei 4 ffi durchlässig sind, Filter 13 durch ein
Filter, das bei 3,5 a durchlässig ist, und das Filter 15 durch ein Filter, das bei
beispielsweise 4,3 Z durchlässig ist.
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Die Wellengrenze bei 4,5 W wird durch die gegenwärtig leicht zur Verfügung
stehenden Interferenzfilter und photoleitenden Detektoren gesetzt. So würde die
Welle des Motors 64 die Absorption bei 4 Lt anzeigen. Wenn ein Betrieb bei größeren
Wellenlängen in Betracht gezogen wird, können andere Typen von Filtern und eine
gekühlte Detektorzelle 19 erforderlich sein.
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Bei den meisten mit schwerem Wasser moderierten Reaktoren ist das
Auftreten von Tritium, dem dritten Wasserstoffisotop, in der Luft verbunden mit
dem Ausfließen von schwerem Wasser in die Atmosphäre.
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Die Überwachung der Luft auf Dampf von schwerem Wasser ist ein guter
Weg, sowohl den Verlust des wertvollen Wassers als auch die Verunreinigung der Luft
durch ein radioaktives Gift zu entdecken. Die durch Komprimieren und Kühlen der
Luft extrahierte Flüssigkeit kann auf ihren Gehalt an schwerem Wasser untersucht
werden. Die Menge an Tritium in der Luft kann auf diesem Wege gemessen werden, da
das Tritium-Deuterium-Verhältnis des Moderators im Reaktor bekannt ist. Dieses System
kann viel weniger als den zulässigen Höchstbetrag an Tritium feststellen. Er hat
gegenüber anderen Verfahren, die die Radioaktivität von Tritium benutzen, den Vorteil,
daß schwankende oder hohe Umgebungsaktivität seinen Betrieb nicht stört.
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Die Drehgeschwindigkeit der Scheibe 16 ist nicht kritisch. Sie betrug
bei einem Prototyp des Gerätes
etwa 280 U/min. Im allgemeinen könnte dieser Wert
um eine Größenordnung erhöht oder vermindert werden, jedoch würden höhere Geschwindigkeiten
Veränderungen für das Kontrollsystem des Relais 53 bedingen und die Lebensdauer
des Antriebsmotors für die Scheibe verringern, während bei niedrigeren Geschwindigkeiten
der Verstärker 43 und sein Ausgangstransformator 44 mit unangenehm niedrigen Frequenzen
ohne Verzerrung zu tun hätten.
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Das Relais 53 und sein I(ontrollsystem kann durch einen beweglichen
Kontakt ersetzt werden, der durch Drehen der Scheibe 16 betätigt wird, so daß bei
jeder Vierteldrehung der Scheibe der Kontakt abwechselnd den von den Kondensatoren
46 und 47 gelieferten Ausgang aufnimmt. Ein solcher Kontakt, der den Kontakt 52
ersetzt, könnte auf bekannte Weise durch einen Nocken auf der Achse 17 bewegt werden.
Es ist jedoch nicht anzunehmen, daß ein mechanisch betätigter Schalter sich in Kosten
oder Verläßlichkeit mit dem Relais und dem Kreis von F i g. 4 messen könnte.
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Bisher richtete sich die Beschreibung auf Substanzen, die im infraroten
Teil des Spektrums Durchlässigkeit zeigten, jedoch kann die Verwendung des Gerätes
in bestimmten Fällen ausgedehnt werden auf die Messung der Durchlässigkeit in dem
sichtbaren und sogar in dem ultravioletten Spektrum, vorausgesetzt, daß der Fremdstoff
Absorption über dem Teil des Spektrums zeigt, in dem die Hauptsubstanz oder das
Lösungsmittel durchlässig ist. Es ist nur notwendig, die Filter 12, 13, 14 und 15
geeignet zu wechseln. Ferner ist sicherzustellen, daß die Zelle 19, die, falls notwendig,
durch Filter, z. B. 18, abgeschirmt wird, auf die verwendeten Wellenlängen anspricht.
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Die verunreinigte Substanz braucht nicht notwendigerweise flüssig
zu sein, und die Probenzelle 11 könnte durch einen Träger für dünne Platten aus
solcher Substanz mit einer Durchlässigkeit über wenigstens einem Teil des ultravioletten,
sichtbaren oder infraroten Spektrums ersetzt werden, so daß Verunreinigungen in
der Substanz festgestellt werden können, die Absorption in einem Teil des durchgelassenen
Spektrums zeigen. Die analysierte Substanz kann auch ein Gas sein- oder ein Mischung
von Gasen und Dämpfen bilden, vorausgesetzt, daß sie charakteristische Transmissionsspektren
haben.
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Ein besonderer Vorteil der Analyse mit drei Wellenlängen gegenüber
einer Analyse mit zwei Wellenlängen ist bei Anwendungen gegeben, wo es nötig ist,
Substanzen zu analysieren, die Hohlräume, z. B. Löcher oder Blasen, enthalten. In
praktisch allen anderen bekannten - Infrarot-Analysengeräten verursachen solche
Hohlräume große Fehler, da die spektrale Verteilung und Intensität, die durch die
Hohlräume hindurchgelassen wird, erheblich von dem Spektrum abweicht, daß die Substanz
ohne solche Hohlräume passiert. Da der erfindungsgemäß ausgebildete Analysenapparat
Intensitäten bei mehr als zwei Wellenlängen durchlassen und messen kann, ist es
leicht, eine Wellenlänge zu wählen, die normalerweise durch die Lösungsmittelsubstanz
vollkommen absorbiert wird. Dann sind die Gegenwart und die Intensität dieser Strahlung
an dem Detektor ein Maß für die Löcher oder Blasen in der Substanz und können dazu
benutzt werden, deren Effekt zu kompensieren. Dieses Verfahren ist in einem Analysengerät
benutzt worden, bei dem schweres Wasser
als Lösungsmittelsubstanz
benutzt wurde, wobei es nicht schädlich war, wenn die Zelle nicht vollständig gefüllt
war oder wenn Luftblasen in ihr auftraten.
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In diesem Fall wurde die Durchlässigkeit einer Probe von schwerem
Wasser, das mit leichtem Wasser verunreinigt war, bei einer Wellenlänge von 3 µ
verglichen mit der Summe der Durchlässigkeiten bei 2,6 µ und 4,0 . Wenn die Zelle
gefüllt war, trat kein Licht der Wellenlänge 4 aus, und die Analyse richtete sich
nach dem Ausgleich zwischen den beiden Stromstößen bei 3 F und dem bei 2,6 . Die
Gegenwart einer Blase erhöhte die 3-µ-Intensitäten, beeinflußte jedoch den 2,6-µ-Impuls
nicht, da das Wasser bei 2,6 ffi relativ transparent ist. Die Blase ließ auch etwas
4 -Strahlung durch, und das System wurde so eingestellt, daß dieser Beitrag, zu
dem 2,6-R-Impuls addiert, gerade die erhöhten 3->-Impulse kompensierte. Das Analysengerät,
das somit für Blasen unempfindlich gemacht worden war, ergab weiterhin die korrekte
Analyse.
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In dem Analysengerät, das die Wellenlängen 2,5 µ, 3,0 ffi und 3,5
µ benutzte und das oben beschrieben ist, ermöglichte die dritte Wellenlänge den
Vergleich der Durchlässigkeit bei der Absorptionswellenlänge des Fremdstoffes mit
der Durchlässigkeit zu beiden Seiten dieser Absorption. Die Abhängigkeit des Gerätes
von dem Spektrum der Strahlenquelle, der Spektralempfindlichkeit des Detektors und
den Veränderungen der Durchlässigkeitseigenschaften der Probe wurde auf diese Weise
vermindert, da die Intensität bei der Absorptionswellenlänge verglichen wurde mit
einem ausgewogenen Mittel der Intensitäten bei zwei anderen Wellenlängen, von denen
die eine kürzer, die andere länger war als die absorbierte Wellenlänge.
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Um dies näher zu untersuchen, sei die Intensität der Strahlungsquelle
innerhalb schmaler Wellenlängenbänder, deren Mitte bei der Absorptionswellenlänge
des Fremdstoffes, der kürzeren Wellenlänge bzw. der längeren Wellenlänge liegt,
mit Ia, Is bzw. 1g bezeichnet. Man kann den von dem Detektor aufgefangenen Fluß
beispielsweise durch Veränderung der Öffnung des Filters für die betreffende Wellenlänge
oder durch Veränderung seiner Bandbreite oder durch Einsetzen eines Metalldrahtsiebes
in den Strahlengang einstellen. Dann sind die auf den Detektor auftreffenden Flüsse
AsIs, AgIg und AiAaIa wobei Aan As und Ag Filterfaktoren sind, die beispielsweise
durch die Filteröffnungen kontrolliert werden, während Ai die auf die Fremdstoffe
der Zelle zurückzuführende Absorption ist.
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Die Spannungsstöße am Integrator sind dann Vg, Va und Vg, proportional
zu AAsIs, A'A iAala und AAglg.
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Die Faktoren A und A' werden dann durch einen servobetriebenen Dämpfer
eingeführt, so daß Vs+ Vg2Va=0 (1) wird.
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Aus der Planckschen Strahlungsformel folgt, daß, wenn die Temperatur
T der Strahlungsquelle sich um A T ändert, sich jede Intensität I um A 1 ändern
wird, wobei T #I=I # (1- ex) T
ist. In dieser Gleichung ist ch = 104 Ä.kT =14388
wobei c die Lichtgeschwindigkeit, h das Plancksche Wirkungsquantum, k die Boltzmannsche
Konstante und A die Wellenlänge der betreffenden Strahlung in cm ist.
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Für T= 10000 C, einer typischen Strahlertemperatur, und für eine
Wellenlänge von mehr als 1 tt erhält man #I 14 388 #T.
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I # T (2) Die Spannungsstöße ändern sich also um Bruchteile, die
umgekehrt proportional sind den Wellenlängen, die sie verursachen, Da diese Veränderungen
nicht den Gleichgewichtszustand verändern sollen, müssen die Spannungsstöße ebenso
wie der Gleichung (1) der Gleichung Vs + Vg = 0 2 Va = (3) #s #g #a genügen.
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Beispielsweise wären also in dem beschriebenen Analysengerät für
leichtes Wasser, wenn = = 2,5 ft, Ag = 3,5 µ und Äa = 3 1t sind, die Werte As und
Ag so einzustellen, daß Vs: Vg und Va im Verhältnis 5: 7: 6 stehen. Wenn dagegen
#s = 2 , Åg= 4 µ und = = 3 Ft gewählt wurde, sind As und Ag so einzustellen, daQ
V5, Vg und Va im Verhältnis 2 : 4: 3 stehen. Statl dessen könnten auch die Spannungen
sämtlich gleich sein, wenn die Wellenlängen so gewählt würden, daf sie der Bedingung
1 1 2 #s #g #a genügen.
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In den meisten praktischen Fällen werden die Wellenlängen so gewählt
werden, daß γs undγ@ nahe Äa sind, jedoch Strahlung dieser Wellenlänger
leicht von der Probe durchgelassen wird und geger die Verunreinigung relativ unempfindlich
ist. Ir diesem Fall werden die Filter dann so eingestellt daß die Gleichungen (1)
und (3) erfüllt sind.
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Um das Analysengerät für Blasen unempfindlich zu machen, wie beispielsweise
in dem beschriebener Analysengerät für schweres Wasser, wird eine Wellenlänge ib
gewählt, bei der die Probe undurchlässiE ist. Bei schwerem Wasser ist = = 4 Ft gut
geeignet, wobei #a = 3 µ und #s = 2,6 µ ist.
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Die Analyse wird durchgeführt mit Vs = 2 pa, Vb = 0.
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Eine Blase wird dann Va, Es und Vb um Beträge verändern, die von der
Undurchlässigkeit der Probe bei diesen Wellenlängen ahängen. Die Einstellung von
Ab erfolgt empirisch, so daß der Servomotor bei seinem normalen Arbeitspunkt mit
der leeren Zelle ins Gleichgewicht kommt, wobei Ab ein Faktor ist ähnlich Aa As
und Ag bei der Undurchlässigkeitswellenlänge der Probe. Es trifft zu, daß eine genaue
Kompensation von Blasen nur bei einem Wert des Fremdstoffes erreicht werden kann.
Dies ist für viele Überwachungsanlagen nicht kritisch, bei denen die Fremdstoffkonzentration
normalerweise fast konstant bleibt, und in anderen Fällen ist das Verfahren sehr
wertvoll zur Verminderung des unerwünschten Effektes der Blasen.
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Bei manchen Anwendungen, bei denen Wasserproben von Hand eingesetzt
werden, ist die Gefahr einer unvollständig gefüllten Zelle groß. In solchen Fällen
können die Impulse auf einem Oszillographen sichtbar gemacht werden, wenn die Gegenwart
eines Vb-Impulses die Gegenwart von Hohlräumen oder Blasen anzeigt.
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Wenn es nötig ist, das Analysengerät sowohl gegen Blasen als auch
gegen Temperatureinflüsse unempfindlich zu machen, können zusätzliche Wellenlängen
nötig werden. Das bisher beschriebene Instrument kann mit vier Wellenlängen arbeiten,
und durch Erhöhung der Zahl der Filter und der Fenster in der Scheibe 16 von F i
g. 2 können sogar noch mehr Wellenlängen bei nur unerheblicher Kostensteigerung
erreicht werden. Eine typische Anordnung könnten sechs Fenster und Filter haben,
die wie 12, 13, 14 und 15 angeordnet sein können, und drei Löcher ähnlich 23 und
25, die ein Drittel des Umfanges vom Flansch 28 auseinander liegen. Die beiden Cadmiumsulfidzellen
wären dann in einem Abstand von einem Sechstel des Umfanges anzuordnen statt in
einem Abstand von einem Viertel, wie in F i g. 2 gezeigt.