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Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Lokalisierung geladener
Teilchen mit einer Funkenkammer, zwischen deren Elektroden eine unter der Durchschlagspannung
liegende Gleichspannung angelegt ist, und mit einem Impulsgenerator, der bei Auslösung
durch den Durchgang eines Teilchens durch die Anordnung einer der Kammerelektroden
einen zur Funkenbildung ausreichenden Zündimpuls zuführt.
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Anordnungen dieser Art dienen dem Nachweis von korpuskularer Kernstrahlung,
z. B. von ß-Strahlen oder auch von Röntgen- oder y-Strahlen. In jedem Falle wird
an der Stelle, an der ein Teilchen bzw. ein Quant der nachzuweisenden Strahlung
in die Funkenkammer eintritt, ein Funken ausgelöst.
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Ein Beispiel für eine bisher für diesen Zweck eingesetzte Anordnung
findet sich in der Zeitschrift »Proceedings of the IEE«, Bd. 109, TeilB, 1962, S.
360. Bei dieser Anordnung, die in ihrem Aufbau dem obenerwähnten allgemeinen Prinzip
entspricht, sind zur Auslösung des zur Funkenbildung benutzten Zündimpulses zwei
in Koinzidenz geschaltete Szintillationszähler vorgesehen, die bei Durchtritt eines
Teilchens durch die Funkenkammer die Zuführung eines Hochspannungsimpulses zu den
Kammerelektroden auslösen. Außerdem ist in der Zeitschrift »Atomkernenergie', Bd.
4, 1959, S. 169 und 170, eine weitere Anordnung dieser Art beschrieben, bei der
die Auslösung des Zündimpulses mit Hilfe der beim Durchtritt eines Teilchens durch
Funkenkammern in diesen entstehenden schwachen primären Funkens erfolgt, wobei die
durch diese Funken bewirkten Primärimpulse einem Koinzidenzverstärker zugeführt
werden, der seinersseits das Anlegen eines Hochspannungsimpulses an die Elektroden
der Funkenkammern zur Funkenaufhebung veranlaßt.
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Ziel der Erfindung ist es, nun ausgehend von diesem bekannten Stand
der Technik eine Anordnung der eingangs erwähnten Art in der Weise weiterzuentwickeln,
daß einerseits auf zusätzliche, die Auslösung des Zündimpulses veranlassende Bauelemente
verzichtet werden kann und andererseits das Auflösungsvermögen der gesamten Meßanordnung
erhöht und die Fehlerquote verringert wird.
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Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung der eingangs genannten Art
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Anode der Funkenkammer mit dem Eingang eines
Verstärkers hoher Ansprechgeschwindigkeit und großer Verstärker verbunden ist, der
den bei Durchgang eines Teilchens durch die Funkenkammer auftretenden primären Ionisationsimpuls
verstärkt, und daß an dessen Ausgang einerseits eine Sperrschaltung, die den Verstärker
während einer entsprechend der Totzeit der Funkenkammer gewählten Zeitdauer sperrt,
und andererseits der Steuereingang des ausgangsseitig mit der Kathode der Funkenkammer
verbundenen Impulsgenerators angeschlossen sind.
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Das Grundprinzip der Anordnung nach der Erfindung besteht also darin,
daß der bei Durchtritt eines geladenen Teilchens vor der Zündung des Funkens an
der Anode der Funkenkammer auftretende Impuls nach seiner Verstärkung einerseits
zur Auslösung des mit der Kathode verbundenen Zündimpulsgenerators und andererseits
zur Sperrung des Verstärkers für die Dauer der Totzeit der Funkenkammer dient. Der
primäre Ionisationsimpuls wird also in doppelter Weise ausgenutzt, wodurch außer
der
Steuerung des Impulsgenerators zugleich auch ein Schutz der Funkenkammer gegen das
Anlegen weiterer Zündimpulse während ihrer Totzeit erreicht wird.
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Eine erste Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß zwischen
dem Ausgang des Verstärkers und dem Verbindungspunkt der Sperrschaltung und des
Impulsgenerators ein Diskriminator eingefügt ist, der von den von der Funkenkammer
gelieferten und verstärkten Impulse nur diejenigen durchläßt, deren Amplitude zwischen
zwei einstellbaren Schwellenwerten liegt.
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Dabei ist es weiterhin günstig, entweder den Gasdruck in der Funkenkammer
zwischen 76 und 760 Torr zu wählen oder aber zwischen dem Diskriminator und dem
Impulsgenerator eine Verzögerungseinrichtung vorzusehen, deren Verzögerungsdauer
so bemessen werden kann, daß der Sekundärimpuls die Kathode gleichzeitig mit den
durch die Elektronenvervielfachung in der Funkenkammer erzeugten Ionen erreicht,
wobei dann der Gasdruck in der Funkenkammer am besten zwischen 8 10-2 und 8 Torr
gewählt wird.
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Schließlich läßt sich gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung
die Empfindlichkeit der Anordnung gegenüber der einfallenden Strahlung noch dadurch
weiter steigern, daß man die Kathode der Funkenkammer als Photokathode ausführt
und mit einem Szintillator aus einem mit Thallium aktivierten Natriumjodidkristall
kombiniert. Dadurch führt der beim Durchtritt eines Teilchens durch den Szintillator
an einer bestimmten Stelle darin entstehende Lichtblitz an der entsprechenden Stelle
der Photokathode zur Auslösung von Photoelektronen, die ihrerseits durch die Gleichspannung
zwischen der Photokathode und der Anode der Funkenkammer in Richtung auf letztere
zu beschleunigt werden und dabei eine Ionisierung in der Gasfüllung der Funkenkammer
veranlassen, die dann den Hochspannungsimpuls und dadurch einen Funken auslöst.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung sollen nunmehr Aufbau und
Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Anordnung an Hand eines Ausführungsbeispiels
näher beschrieben werden, wobei auf die Zeichnung bezug genommen wird. Es zeigt
Fig. 1 ein Blockschaltbild der gesamten erfindungsgemäßen Anordnung, F i g. 2 eine
graphische Darstellung des Verlaufs des von der Funkenkammer 1 nach F i g. 1 abgegebenen
Impulses mit der Zeit als Abszisse und F i g. 3 einen Schnitt durch eine in Verbindung
mit der Anordnung nach Fig. 1 verwendbare Funkenkammer.
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Die Anordnung nach F i g. 1 enthält eine Funkenkammer 1, deren Anode
2 einerseits mit einer konstanten Gleichspannungsquelle 3 und andererseits über
einen Koppelkondensator 5 mit dem Eingang eines Verstärkers 4 verbunden ist. Der
Verstärker 4 besitzt eine hohe Ansprechgeschwindigkeit und eine große Verstärkung.
Die Größe der durch die Gleichspannungsquelle 3 erzeugten Spannung ist so gewählt,
daß ein Teilchen, das die Kathode 6 der Funkenkammer 1 durchsetzt und in deren Inneres
eintritt, in dessen Gasfüllung eine Elektronenvervielfachung und infolgedessen das
Auftreten eines Elektronenstromes an der Anode 2 bewirkt. Andererseits reicht die
Stärke des elektrischen Feldes zwischen der Anode 2 und der Kathode 6 jedoch nicht
aus,
um das Zünden eines Funkens zwischen diesen Elektroden zu bewirken.
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F i g. 2 zeigt als Ordinate den Verlauf des von der Funkenkammer
1 abgegebenen Impulses in Abhängigkeit von der als Abszisse aufgetragenen Zeit.
Der von den Elektronen herrührende Impuls 7 ist sehr kurz; daran schließt sich eine
im wesentlichen horizontale Stufe 8 von wesentlich längerer Zeitdauer (in der Größenordnung
von einigen zehn Mikrosekunden) an, die durch die im Gas der Funkenkammer entlang
der Bahn eines einfallenden ß-Teilchens oder Röntgen- bzw. y-Strahles erzeugten
Ionen entsteht. Dabei erklärt die gegenüber den Ionen wesentlich größere Beweglichkeit
der Elektronen die Kürze des Impulses 7 im Vergleich zu der Zeitdauer der Stufe
8, die auf die langsame Bewegung der Ionen zurückzuführen ist.
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Ein Impulsgenerator 9, der durch das Auftreten eines elektrischen
Impulses an der Anode 2 der Funkenkammer 1 ausgelöst wird, führt deren Kathode 6
einen negativen Spannungsimpuls zu. Ein Amplitudendiskriminator 11, der mit dem
Ausgang des Verstärkers 4 verbunden ist, liefert an seinem Ausgang 12 einen elektrischen
Impuls, wenn der Wert der Amplitude der von dem Diskriminator 11 aufgenommenen Impulse
zwischen zwei gesondert einstellbaren Schwellenwerten liegt; dieser Impuls gelangt
gleichzeitig an den Impulsgenerator 9 und an eine Sperrschaltung 13. Durch entsprechende
Wahl der Diskriminatorschwellenwerte kann mit dem Diskriminator 11 einen Teil der
von der Funkenkammer 1 gelieferten Impulse eliminieren. Die Sperrschaltung 13, die
von dem Diskriminator 11 einen Impuls erhält, liefert einen Impuls, der den Verstärker
4 während einer Zeit, die beispielsweise gleich der Totzeit der Funkenkammer 1 ist,
etwa in der Größenordnung von einigen Millisekunden, sperrt.
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Will man, daß die Verzögerung des der Kathode 6 zugeführten Impulses
gegenüber dem an der Anode 2 auftretenden Impuls zwischen 200 und 1000 ns liegt,
braucht man keine besondere Verzögerungseinrichtung vorzusehen, da die Schaltungsteile
4 und 11 allein schon eine hinreichende Verzögerung bewirken. Will man jedoch, daß
der vom Generator 9 gelieferte Hochspannungsimpuls der Kathode 6 mit einer größeren
Verzögerung zugeführt wird, beispielsweise gleichzeitig mit der Ankunft der bei
der Elektronenvervielfachung erzeugten Ionen an dieser Kathode, so ist eine besondere
Verzögerungsvorrichtung 10 erforderlich. Man ordnet diese Verzögerungsvorrichtung
10 zwischen dem gemeinsamen Punkt 12 des Diskriminators 11 und der Sperrschaltung
13 und dem Generator9 an. Der Hochspannungsimpuls, der der Kathode 6 zugeführt wird,
vergrößert die elektrische Feldstärke, die zuvor zwischen dieser Kathode 6 und der
Anode 2 herrscht, bis auf einen solchen Wert, daß ein Funken, der an der Auftreffstelle
des Teilchens auf die Kathode lokalisiert ist, zwischen der Kathode und der Anode
zündet, und zwar längs der beim Durchtritt des Teilchens durch den Detektor 1 ionisierten
Bewegungsbahn. Nach einer Zeitdauer, die gleich der Totzeit der Funkenkammer 1 ist,
beendet die Sperrschaltung 13 ihre Einwirkung auf den Verstärker 4, der dann von
neuem auf Impulse anspricht, die von der Anode 2 der Funkenkammer 1 geliefert werden.
Das Vorhandensein der Sperrschaltung 13 und des Diskriminators 11 gewährleistet,
daß in der Funken-
kammerl nur dann ein Funken zündet, wenn der Verstärker 4 einen
elektrischen Impuls mit geeigneter Amplitude empfängt.
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Die Funkenkammer 1 selbst ist in F i g. 3 im einzelnen veranschaulicht.
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Sie ist als Rotationskörper mit vertikaler Achse ausgebildet und
weist ein metallisches Gehäuse 14 auf, das an seiner Oberseite durch eine durchsichtige
Glasplatte 15 abgedeckt ist; die Glasplatte 15 wird mittels eines metallischen Ringes
17 gegen eine elastische Ringdichtung 16 auf dem oberen Rand des Gehäuses 14 gedrückt.
Der untere Teil des Gehäusesl4 wird durch eine dünne metallische Kathode 18 abgeschlossen,
die plattenförmig ausgebildet ist, koaxial zum Gehäuse 14 liegt und durch einen
Ring 19 elektrisch dagegen isoliert ist. Eine gitterförmige Anode 20, die aus Metalldrähten
besteht, die längs zweier senkrecht aufeinanderstehender Richtungen in einer Ebene
gespannt sind, ist gegenüber der Kathode 18 mit einem Abstand von 3 bis 10 mm von
derselben angeordnet. Die Kathode 18 und die Anode 20 besitzen gleiche Durchmesser,
die in der Größenordnung von 15 bis 20 cm liegen. Eine Halterung 21, die gegen das
Gehäuse 14 elektrisch isoliert ist und sich auf einer Muffe 22 aus Isolierstoff
abstützt, hält die Anode 20.
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Der Wirkungsgrad der Anordnung für den Nachweis von die Funkenkammer
1 durchsetzender Strahlung läßt sich vergrößern, wenn man statt einer metallischen
Kathode 18 eine Photokathode 23 vorsieht, mit der ein Szintillator verbunden ist
(insbesondere ein mit Thallium aktivierter Natriumjodidkristall), der eine Form
entsprechend der der Kathode 18 aufweist. In diesem Fall ist noch ein der Photokathode
23 gegenüber angeordnetes Gitter 24 vorgesehen, das auf einem einige Volt über dem
der Photokathode 23 liegenden Potential gehalten wird.
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Die an die Anode 20 gelegte Gleichspannung liegt 50 bis 100 Volt
unter der Durchbruchsspanung.
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Der Innenraum des Gehäuses 14 ist mit einem Edelgas oder mit einer
Edelgasmischung gefüllt, und zwar bei einem Druck, der zwischen 76 und 760 Torr
liegt, wenn die Auslösung mit einer minimalen Verzögerung erfolgen soll und zwischen
8 10-2 und 8 Torr, wenn die Auslösung mit einer gewissen Verzögerung erfolgen soll.
Die Kathode 18 oder der Szintillator nimmt die einfallende Strahlung mit der Unterseite
auf; die Glasplatte 15 ermöglicht die optische Beobachtung oder die Photographie
der in der Kammer 1 auftretenden Funken.
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Die erfindungsgemäße Anordnung, die mit einem Kollimator, z. B. mit
einem solchen mit zahlreichen Löchern, verbunden werden kann, ermöglicht die Erzeugung
eines Bildes, das die tatsächliche Verteilung eines radioaktiven Strahlers zeigt.
Ihr Hauptanwendungsgebiet liegt insbesondere bei der Gamma-Szintigraphie zu medizinischen
Zwecken.