DE1473714A1 - Manometer mit radioaktiver Strahlungsquelle - Google Patents

Description

Dfpl.-Ing. R. Beetz u.
Dipl.-!ng. Ur.iprüeht

München 2i, oioinoctorfstr. 10 1 / »7-> π « /

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410-10.780P_- ._— J 2.8.1965

Commissariat a 1'Energie Atomique, Paris (Frankreich)

Manometer mit radioaktiver Strahlungsquelle

Die Erfindung bezieht sich auf eine Druckvorrichtung in einem Bereich zwischen Atmosphärendruck und Hochvakuum (Molekulardruck), d.h. zwischen etwa 0,75 . 10 und 0,75 . 1Ö mm Quecksilbersäule.

Bei sehr niedrigen Druckwerten verwendet man ein Ionisations-

manometer mit heißer Kathode, das den Bereich von 0,75 · 10 bis 0,75 . 10 mm Quecksilbersäule erfaßt.

Pur den Bereich von 0,75 . 10"⁴ bis 0,75 . 10⁵ mm Queoksilberaäule verwendet man dagegen Ionisationsvorrichtungen mit kalter Ionisationsquelle. Zur Ionisation dient dabei die cc -Strahlung einer radioaktiven Strahlungsquelle, die eine große Periode (Zerfallzeit) besitzt, so daß sich über eine lange Untersuchungsdauer eine praktisch konstante Emission ergibt. Diese Strahlungsquelle wird im Innern einer metallischen Ionisationskammer angeordnet, die mit dem Behälter verbunden ist, in dem man den Druck messen will.

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Die von der Strahlungsquelle ausgesandten oc -Teilchen ionisieren das in der Kammer enthaltene Gas. Ionen werden unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes, das durch eine Potentialdifferenz von einigen zehn YoIt erzeugt wird, auf einen Kollektor geführt, der mit einem Gleichstromverstärker verbunden ist, der die Potentialdifferenz mißt, die der Ionenstrom an den Klemmen des Eingangswiderstandes erzeugt. Diese Potentialdifferenz ist proportional zur Zahl der durch die OC-Strahlung ionisierten Teilchen, demgemäß auch proportional zum Druck des Gases im Behälter. Die Messung dieser Potentialdifferenz gibt somit nach einer vorherigen Eichung den Druck an.

Derartige Manometer besitzen jedoch eine Anzahl von Nachteilen:

1. Die Geräte sind mit radioaktiven Strahlungsquellen, beispielsweise Radium 226 oder seinen Verbindungen versehen, die ein radioaktives Gas (radon) erzeugen, dessen Evakuierung Schwierigkeiten aufwirft.

2. Die genannten Strahlungsquellen emittieren nicht nur oC -Strahlen, sondern auch ^-Strahlen, die so durchdringend sind, daß ein Bleischutz erforderlich ist.

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3. Um den Bereich von 0,75 . 10 * - 0,75 . 10 mm Quecksilbersäule zu erfassen, müssen mehrere Geräte dieser Art

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oder ein mit mehreren Ionisationskammern versehenes Gerät vorgesehen werden, wobei beispielsweise ein Gerät bzw. eine Kammer den Bereich von 0,75 . 10 - 0,75 mm und die andere Kammer den Bereich von 0,75 - 0,75 . 10~⁴ mm Quecksilbersäule erfaßt. Diese Notwendigkeit ist darauf zurückzuführen, daß die Ionisationskammer genügende Abmessungen besitzen muß, damit die cc- -Strahlen selbst in verdünnter Atmosphäre auf eine hinreichende Zahl von Molekülen treffen können, so daß sioh ein leioht meßbarer Ionenstrom ergibt. In einer derartigen Kammer haben die Ionen bei höherem Druck dagegen einen Weg zu durab laufen, dar länger als ihre freie Weglänge ist, was zu Rekombinationen führt: bei Atmosphärendruck rekombinieren sioh beispielsweise Ionen, die einer Potentialdifferenz von einigen zehn Volt unterliegen, eohon nach dem Durohlaufen einer Strecke von wenigen Millimetern.

4. Die bekannten Geräte messen eine Summe von zwei Strömen, nämlich einen auf die aufgefangenen et -Strahlen zurückzuführenden Strom von festem Wert und einen veränderlichen Strom, der eine Punktion des Druckes darstellt. Wenngleich nun der auf die OC -Strahlen zurückzuführende Stromanteil bei hohen Drüoken vernaohläseigbfcr ist, so kann er doch bei niedrigen Druckwerten sehr störend sein, da er hier in die gleiche Größenordnung wie der Ionenstrom kommt.

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5. Derartige bekannte Geräte besitzen ferner den weiteren Nachteil, daß sie in Trocknungsvorrichtungen oder ähnlichen mit hohen Temperaturen arbeitenden Anlagen nicht benutzt werden können, da die Strahlungsquelle im allgemeinen mit ,einem organischen Lack geschützt wird, der keine Temperaturen über etwa 120 C verträgt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung dieser Mängel der bekannten Ausführungen ein Manometer mit radioaktiver Strahlungsquelle zu entwickeln, das einelineare und kontinuierliche Druckmessung im Bereich zwischen 0,75 . 10""⁴" und 0,75 . 10⁵ mm Quecksilbersäule ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß einerseits koa ial zum Gitter ein auf dem Potential der Ionisationskammer liegender Metalldraht' angeordnet ist, der auch im

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Druckbereich zwischen 0,75 · 10 und 0,75 * 10 mm Quecksilbersäule eine Proportionalität zwischen dem in der Meßkammer herrschenden Gasdruck und dem vom Verstärker gelieferten Strom bewirkt, und daß andererpeits zwischen der Ionisationskammer und der Gleichstromquelle ein Umschalter vorgesehen ist, durch dessen Betätigung das elektrische Feld in der Ionisationskammer kurzzeitig aufhebbar ist, so daß der Verstärker derart geeicht und abgestimmt werden kann, daß auch in einem Druckbereich

—4.

zwischen 0,75 . 10 und etwa 0,75 mm Quecksilbersäule Proportionalität zwischen dem Gasdruck in der Kammer und dem vom

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Verstärker gelieferten Strom besteht.

Einzelheiten der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung einiger in der Zeichnung veranschaulichter Ausführungsbeispiele hervor. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Gesamtansicht der Meßvorrichtung;

Fig. 2 ein Detail, das die Ionenkollektorelemente veranschaulicht;

Fig. 3 einen Schnitt in vergrößertem Maßstab durch die radioaktive Strahlungsquelle;

Fig. 4 eine Variante der Behalterausführung;

Fig. 5 ein Diagramm, das die Sättigungskurve eines bekannten Ionisationsmanometers und des erfindungsgemäßen Manometers gegenüberstellt (in der Abszisse ist dabei der Gasdruck in der Meßkammer in mm Quecksilbersäule und in der Ordinate der vom Verstärker gemessene Strom in Ampere aufgetragen).

Bei dem erfindungsgemäßen Manometer wird die radioaktive Strahlungsquelle durch einen Niederschlag von Plutonium auf einem beispielsweise aus Bronze hergestellten Träger gebildet. Dieser Niederschlag ist durch einen Brand bei 400 C stabilisiert und dann mit einer Aluminiumfolie bedeckt, deren Stärke hinreichend klein ist, um cC -Strahlen hindurchzulassen. Die Stärke wird beispielsweise mit 9 /u gewählt und läßt £t -Strahlen mit einer Energie von 4 MeV hindurchtreten. Der Meßbehälter ist ein Zylinder aus nichtrostendem Stahl, der an jedem Ende abge-

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dichtete, hochisolierte Durchführungen für die Anschlüsse aufweist. Die im Inneren dieses Behälters angeordnete, gegenüber dem Pumpenanschluß labyrinthartig versetzte Meßkammer wird durch die Strahlungsquelle begrenzt, die den Boden der Kammer bildet, ferner durch das die Wände der Kammer bildende und zur Halterung der Aluminiumauskleidung dienende Befestigungsrohr sowie durch einen oberen Deckel, der beispielsweise aus eine/er Nickelplatte besteht, die über Isolierteile das Ionensammelgitter und einen als Abstoßdraht wirkenden zentralen Draht trägt. Der Deckel ist von den Wänden durch einen kleinen Zwischenraum getrennt, durch den eine Verbindung zwischen der Kammer und dem Behälter hergestellt wird, der jedoch zu rasche Druckänderungen verhindert. Dieser Zwischenraum ist hinreichend klein, um ein genau definiertes Ionisationsvolumen zu gewährleisten und die Einführung eines Fremdkörpers in die Ionisationskammer zu verhindern.

Das Sammelgitter ist um den Abstoßdraht angeordnet, der auf demselben Potential wie der Träger der Strahlungsquelle, die Wände und der Deckel liegt.

Gemäß einer Variante kann man das elektrische Feld im Innern der Meßkammer (Ionisationskammer) mit Hilfe eines auf der Gleichspannung squeHe angeordneten Unterbrechers kurzzeitig unterdrükken, was die alleinige Messung des auf die oc -Strahlen zurückzuführenden Stromes ermöglicht. Eine geeignete Null-Regelung des Verstärkers, mit der man diesen auf die OC-Strahlen zurückzu-

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führenden Stromanteil berücksichtigt, ermöglicht dann nach Wiederherstellung des elektrischen Feldes die alleinige Messung des Ionenstromes mit dem Verstärker. <3^f

Bas erfindungsgemäße Manometer besitzt im wesentlichen somit folgende Vorteile:

1. Es erfordert keinen Bleischutz, da Plutonium oC-Strahlen aussendet, ohne gleichzeitig A - oder /"-Strahlen zu emittieren.

2. Die Stabilität des Gerätes wird durch die Emissionskonstanz der Strahlungsquelle gewährleistet, da Plutonium eine Periode von 6600 Jahren besitzt.

3. Da Plutonium in großer Menge in Reaktoren mit natürlichem Uran erzeugt wird, bereitet seine Beschaffung keine Schwierigkeiten, zumal für das erfindungsgemäße Manometer nur eine sehr geringe Menge benötigt wird.

4. Die Vorrichtung ist in Anlagen einsetzbar, die unter Vakuum Temperaturen bis zu 300⁰C aufgesetzt sind, da eile Elemente der Vorrichtung aus Metall bestehen und der Niederschlag bei einer Temperatur über 400⁰C gebrannt ist.

5. Mit dem erfindungsgemäßen Manometer kann man durch

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Kompensation des auf die X -Strahlung zurückzuführenden Stromanteiles und durch Begrenzung des Ionenweges eine lineare Kurve für den Ionenstrom zwischen 0,75 . 10"^ und 0,75 . 10 mm Quecksilbersäule erzielen.

6. Die Nulleinstellung des Verstärkers und ihre Prüfung läßt sich bei dem erfindungsgemäßen Manometer unter Meßbedingungen durchführen.

Das in Fig. 1 veranschaulichte Gesamtschema enthält einen Meßbehälter 1, einen Gleichstromverstärker 2 und eine Spannungsquelle 3· Der Behälter 1 wird im wesentlichen durch einen aus nichtrostendem Stahl bestehenden Zylinder 4 gebildet, der an seinen beiden Enden Plansche 5,6 aufweist, an denen Versohlußplatten 7,8 befestigt sind.

Die im Innern des Behälters 1 angeordnete Ionisationskammer 9 wird von der Strahlungsquelle 10, den Ringen 11 und 12, dem Befestigungsstopfen 13 für die Aluminiumauskleidung und dem oberen Deckel 15 gebildet. Der Deckel 15 trägt das Sammelgitter 16 und den zentralen Draht 17 über Isolierhalterungen 18 und 19· Die Ionisationskammer 9 eteht mit dem Anschluß 25 des Behälters 1 über einen durch Zwischenwände 26 gebildeten Labyrinthweg in Verbindung. Das Sammelgitter 16 ist über eine Isolierdurchführung 20 mit dem Verstärker 2 verbunden. Der Träger 21 der Strahlungsquelle 10, der zentrale

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Draht 17 und der Deckel 15 sind über eine Isolierdurchführung 22 und einen Umschalter 23 mit einem Widerstand 24 verbunden, der an die Spannungsquelle. 3 angeschlossen ist.

In Pig. 2 ist in vergrößertem Maßstab ein Teil der Ionisationskammer veranschaulicht.

Fig. 4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel des Meßbehälters 1, bei dem die Verschlußplattai7 und 8 mit dem Zylinder 4 verschweißt sind und der Weg des Gases im Innern des Meßbehälters 1 durch labyrinthartig angeordnete zylindrische Zwischenwände 26 vergrößert ist, wobei benachbarte Zwischenwände 26 über eingeschweißte Querwände 27 miteinander verbunden sind. Durch diesen Labyrinthweg werden rasche Druckänderungen gedämpft und zugleich das Eindringen von Fremdkörpern in die Ionisationskammer verhindert.

Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist folgendermaßen:

Der zu messende Druck wird im Meßbehälter 1 über den Anschluß 25 hergestellt. Die von der Strahlungsquelle 10 emittierten <x-Teilchen ionisieren das in der Kammer 9 befindliche Gas, wobei die Zahl der ionisierten Teilchen dem Gasdruck proportional ist. Die so gebildeten Ionen werden durch das elektrische Feld zum Sammelgitter 16 geführt.

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Im Hinblick auf die Feldverteilung haben die Ionen unabhängig davon, wo sie sich in der kreisförmigen Ionisations-

,16 kammer bilden, zum Erreichen des Sammelgitters nur eine kleine Strecke zu durchlaufen, die kleiner als ihre freie Weglänge bei AtmosphärendruGk ist. Rekombinationen können demgemäß nicht auftreten.

. Die bei den bekannten Manometern vorhandene Sättigung des Ionenstromes bei Atmosphärendruck (vgl. den oberen Teil der gestrichelten Kurve in Pig. 5) erscheint infolgedessen beim erfindungsgemäßen Manometer nicht. Der obere Teil der Kurve (in Pig. 5 voll ausgezogen) ist vielmehr geradlinig.

Das Sammelgitter 16 nimmt gleichfalls eine Anzahl von oC-Teilchen auf, was einen Nachteil darstellt. Damit durch den Verstärker lediglich der Ionenstrom gemessen wird, genügt es, das elektrische Feld in der Ionisationskammer mittels des Umschalters 23 kurzzeitig aufzuheben und daujit ö.en auf die oC-Strahlung zurückzuführenden 3ü::'onantell allein zu messen. Hierbei wird dann der Verstärker 2 auf Null geregelt, so dai3 der auf die OC -Strahlung zurückzuführende Stromanteil eliminiert . ist. Wird dann das elektrische Feld in der Ionisationskammer wieder hergestellt, so erhält man auch bei kleinen Druckwerten (unterer Teil der Kurve in Fig. 5) eine lineare Änderung des Stromes. Bei dem erfindungsgemäßen Manometer ist somit der vom Verstärker gelieferte Strom proportional dem Druck in der Ionisationskammer in einem Druckbereich zwischen 0,75 · 10 und 0,75 . 10 mm Quecksilbersäule.

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Claims (6)

1. Patentaneprflohe

   1· Manometer nit radioaktiver Strahlungsquelle zur Messung eines Gasdruckes Im Bereioh swlsohen Atmosphärendruok und Hoohvakuua (Melekulardruok), alt einer einsigen stromleitenden Ionisationskammer, die alt den MeBbehälter, In dem der Druok gesessen werden soll, und einer Gleichstromquelle in Verbindung steht ferner mit einer durch einen Plutoniumnledersohlag gebildeten Strahlungsquelle, deren emittierte Teilchen das in der Ionisationskammer enthaltene Oaβ ionisieren, ferner mit einem als Sanmelelektrode für die Ionen dienenden, schraubenförmig gewickelten und elek trisch Ton der Ionisationskammer isolierten Gitter, das mit einem Verstärker rerbunden 1st, dadurch gekenneeiohn e t , da· einerseits koaxial sum (litter (16) ein auf dem Potential der Ionisationskammer (9) liegender Metalldraht (17) angeordnet 1st, der auch im Druokbereioh swisohen 0,75 · 10 und 0,79 · 10* mm Queoksllbersäule «ine Proportionalität zwlsohen dem in der MeSkammer herrschenden Gasdruck und dem vom Verstärker (2) gelieferten Strom bewirkt, und daß andererseits swisohen der Ionlsatienskamaer und der Gleichstromquelle (3) ein Umschalter (23) Torgesehen ist, duroh dessen Betätigung das elektrische Feld In der Ionisationskammer kurzzeitig aufbebbar ist, so daß der Verstärker derart geeloht und abgestimmt werden kann, daß auoh in einem Druckbereich zwischen 0,73 · 10"** und etwa 0,75 mm Quecksilbersäule Proportionalität mwisehen dem Gasdruck in der Kammer und dem vem Verstärker gelieferten Strom besteht·

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   BAD ORIGINAL

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2. 2. Xanoaeter nach Anspruch 1, daduroh gekennzeichnet, daß der Plutoniuaniedervohlag der Strahlungsquelle (10) durch Erhitzung auf etwa 400%! stabilisiert 1st.
3. 3· Haneaeter nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennseioh-Hat, dafl dit IoaiMtlttatikMOMr (9) durch ·1η·η ätn Traf er dtr Str»hlttOfeqtt«ll· (10) bildend«» Iy lind tr und «inen ran d«n Wimdtn die··· Zylinder· duych ·1ηβ& kleinen Xwieohenrau» getrennten «eeren Deekel (15) begrenzt wird.
4. 4· Kanoneter naoh den Aneprttohen 1 »i· 3« dad«roh gekennseioli· net, da* die lonlMtlonekejner (9) la einen Kelbenälter (1) «ntergebmoht ist« der einen Ärmkuieraneahlui (25) aufweist.
5. 5· Hikttoaeter naoh Anapruoh 4, dadurch geketnnselohnet, AeJ der ¥eg dee ease· τββ Bereich der Ienieatieaaekaeier (9) sun BnücuieransoliluB (25) ·■*· ungekehrt durch labyrinthartig ange«r4nete Zvieohenvände (26) rerlangert ist·
6. 6. Maneaeter nach den Ansprttonen 1 bis 5_t dadurch gekennse lohnet, daS tor koaxial sua aitter (16) angeeronete Metalldraht (17) an «beren Beekel (15) der I«nleati«nekanner (9) befestigt iet.

   ORiGIMAL

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