DE1589583C - Gasdurchfluß Ionisationskammer mit einer mit Gaseintntts Lochern versehenen Elektrode - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gäsdurchfluß-Ionisationskammer zum Messen der Ionenkonzentration eines durch die Kammer fließenden Gases mit einem leitenden Kammergehäuse und zwei im Gehäuse durch isolierende Träger gehaltene Elektroden, deren eine den zwischen den Elektroden liegenden Meßraum gegen die Gaseintritts-Seite der Kammer hin abschließt und mit Löchern versehen ist, durch die das Gas in den Meßraum zwischen den Elektroden eintritt, wobei eine der Elektroden eine gegenüber dem Kammergehäuse auf höherem Potential liegende Hochspannungselektrode und die andere Elektrode eine im wesentlichen auf Gehäusepotential liegende Meßelektrode ist.

Mit. einer solchen Ionisationskammer kann die Ionenkonzentration eines Gases gemessen werden, das durch die Kammer hindurchtritt und dessen Ionen innerhalb der Kammer selbst erzeugt werden oder bereits vor dem Eintritt in die Kammer vorhanden sind. ■ .' . ao

Durchfluß-Ionisationskammern werden insbesondere zur ständigen Überwachung der Verseuchung der Atmosphäre durch radioaktive Gase, wie Tritium, verwendet. Die Kammer begrenzt dabei ein Volumen, in dem die Ionen erzeugt werden; die bei Eintritt in die Kammer vorhandenen Ionen werden durch eine besondere Vorrichtung (Ionenfilter) eingefangen oder einfach durch die am Eintritt der' Kammer bestehenden elektrischen Felder abgetrennt (ein bei geringen Durchsätzen wirksames Verfahren).

Zur Steigerung der Empfindlichkeit bei Verwendung einer Ionisationskammer von geringem Rauminhalt wird ein sogenanntes »VorionisierungSÄ-Volumen vorgesehen, das in Strömungsrichtung betrachtet vor der Kammer angeordnet ist und in dem die nachzuweisenden Ionen im wesentlichen erzeugt werden. Die Kammer selbst dient dann praktisch hauptsächlich als Ionenkollektor. Eine solche Anordnung ist z. B. aus der USA.-Patentschrift 3 084 255 sowie aus »Nucleonics«, Bd. 17 (1959), Nr. 2, S. 76 und 78, bekannt. Die Ionisationskammer selbst wird in diesem Falle durch einen stirnseitig offenen an Masse liegenden Zylinder und eine dazu koaxiale stabförmige Hochspannungselektrode gebildet, die zugleich als Meßelektrode dient.

Ähnlich einfach ausgebildet ist die im »Journal of Scientific Instruments«, Bd. 32 (1955), Nr. 5, S. 178 und 179, beschriebene Ionisationskammer, bei der allerdings der die Kammer begrenzende, die geerdete Elektrode bildende äußere Zylinder an beiden Enden durch konisch zur Gasein- bzw. -auslaßöffnung zulaufende Teile verlängert ist. Die innere Meßelektrode ist zur Verminderung ihres Gewichts perforiert.

Auch bei der aus der französischen Patentschrift 1 332 343 bekannten Ionisationskammer mit zylindrisehen oder plattenförmigen Elektroden dient die innere Elektrode als Meßelektrode und der Gaszutritt erfolgt über eine mehr oder minder große öffnung der gegebenenfalls noch von einer äußeren Wand umschlossenen äußeren Elektrode. Bei der zylindrischen Anordnung ist die Meßelcktrode glockenförmig ausgebildet und liegt innerhalb der Hochspannungsclektrode.

Eine besondere Art von ionisationskammer ist aus der deutschen Patentschrift 1 123 409 zu entnehmen: Hier wird die Kammer durch zwei im wesentlichen geschlossene konzentrische Zylinder gebildet und das zu überprüfende Gas wird mit Hilfe entsprechender Zuleitungen durch den Innenraum des dünnwandigen inneren Zylinders geleitet, dessen Wand zur Diskriminierung gegen Teilchen mit geringer Reichweite, wie α-Strahlen, dient. Hier gelangt also das untersuchte Gas selbst nicht in das empfindliche Volumen der Kammer.

Schließlich ist aus der deutschen Patentschrift 1 089 193 eine Gasdurchfluß-Ionisationskammer der eingangs genannten Art bekannt, die vor allem als Gasanalyse- und Gaswarngerät eingesetzt werden soll und bei der innerhalb einer auf Erdpotential befindlichen zylindrischen Kammerwand, die praktisch einen Strömungskanal verlängert, quer zur Strömungsrichtung zwei siebartige Elektroden (Kathode· und Sperrgitter) angeordnet sind, zwischen denen sich die vom Gas umströmte etwas kleinere Meßanode befindet. Innerhalb des von den Siebelektroden begrenzten Meßraumes wird das Gas durch einen festen radioaktiven Strahler ionisiert. Die Elektroden sind dabei eben ausgebildet und parallel zueinander angeordnet.

Abgesehen von den beiden zuletzt genannten Typen, die Spezialzwecken dienen, erfolgt bei den bekannten Durchfluß-Ionisationskammern der Gas-' zutritt in das eigentliche Meßvolumen über eine mehr oder minder große Öffnung der äußeren Elektrode. Das in die Kammer eintretende Gas durchläuft dabei verschiedene elektrische Felder, die sich zwischen der Hochspannungselektrode und den diversen an Masse liegenden Teilen (wie Kammergehäuse, Schutz- bzw. Abschirmringe usw.) ausbilden oder von Ladungen herrühren können, die sich auf der Isolation ansammeln. Diese elektrischen Felder verursachen eine parasitäre Ionenkollektion, die von der Geometrie der Kammer, der Durchtrittsgeschwindigkeit des Gases an den jeweiligen Stellen, dem Wert der Hochspannung und den weiter oben genannten elektrischen Ladungen abhängt: Der Anteil der parasitären Ionenkollektion kann sehr erheblich werden, und er ist auf alle Fälle wenig definiert und seinem Wesen nach variabel.

Di^ Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Durchfluß-Ionisationskammer mit einer Meßelektroae, deren Potential sehr nahe am Massepotential liegt, so auszubilden, daß der Anteil der parasitären Ionenkollektion stark vermindert und weniger variabel ist und daß sie daher besser als die derzeit bekannten Kammern den Erfordernissen der Praxis gerecht wird.

Diese Aufgabe wird bei einer Ionisationskammer der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die mit den Gaseintritts-Löchern versehene Elektrode die Meßelektrode ist und daß die Abmessungen der Löcher klein genug sind, daß das zwischen den Elektroden herrschende elektrische Feld durch die Löcher nicht wesentlich in den in Strömungsrichtung vor der Meßelektrode liegenden Gaszufluß-Raum hineingreift.

Mit dieser Anordnung wird eine parasitäre Ionenkollektion außerhalb des Meßvolumens weitgehend unterdrückt und damit eine verläßlichere und durch äußere Bedingungen weniger beeinflußbare Arbeitsweise der Kammer erreicht.

Die in den Unteransprüchen angegebenen Weiterbildungen der Erfindung betreffen insbesondere den Einbau der Isolationen und die Anordnung von elektrostatischen Abschirmungen.

Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Beschreibung bezieht sich auf die Zeichnungen. In diesen zeigt

Fig. 1 das Schema einer erfindungsgemäß ausgebildeten Ionisationskammer mit Zylinder-Geometrie in einem Axialschnitt und nur partieller Darstellung,

F. i g. 1 a eine tatsächliche Ausführung der Kammer nach Fig. 1,

F i g. 5 einen Axialschnitt durch eine Ionisationsgemäß ausgebildeten Kammer, ebenfalls nur im Schema,

F i g. 3 und 4 Varianten mit ähnlichem Aufbau und in ähnlicher Weise dargestellt wie nach Fig. 1 und

F i g. 5 einen Axialschnitt durch eine Ionisationskammer mit ebener Geometrie als weitere Ausführungsart gemäß der Erfindung. .

Die in F i g. 1 gezeigte Ionisationskammer A gehört zum Typ mit Zylinder-Geometrie. Sie umfaßt ein rohrförmiges Gehäuse 6, das die Masse bildet, mit einem Innenvorsprung 8, an dem über einen Isolierring 10 mit hohem Isolationsvermögen der Fuß der Meßelektrode 12 befestigt ist, die glockenförmig ausgebildet und mit ihrem Mantelteil 14 koaxial zum Gehäuse 6 angeordnet ist. Der Innenvorsprung 8 wird zur Gehäuseachse hin durch eine Reihe von Ansätzen 16 verlängert, die untereinander Durchtrittsöffnungen bilden bzw. frei lassen. Diese Ansätze 16 sind auf einer Art Nabe 18 miteinander verbunden, an der unter Zwischenschaltung eines zweiten Isolierringes 20 die in Richtung der Achse des Gehäuses 6 angeordnete Hochspannungselektrode 22 befestigt ist.

Ein Leiter 24 verbindet die Hochspannungselektrode 22 mit einer üblichen Hochspannungsversorgung, die nicht dargestellt ist. Ebenso ist die Meßelektrode 12 durch einen Leiter 26 mit einem, ebenfalls nicht dargestellten, Gleichstromverstärker verbunden.

Für den Eintritt des zu untersuchenden Gases in die Kammer weist die Stirnseite der Meßelektrode 12 (d. h. der vom Isolierring 10 am weitesten entfernte Teil) eine Reihe von .Gaseintrittsöffnungen 28 auf, deren Abmessungen im Vergleich zum Durchmesser des Mantelteils 14 gering sind und deren Anzahl den Durchtritt des Gases längs der Pfeile / ohne übermäßigen Druckverlust ermöglicht.

Zur weiteren Verminderung einer parasitären lonenkollektion durch auf dem Isolierring 10 abgeschiedene Ladungen ist das Mantelteil 14 mit einem Ansatz 29 versehen, der eine elektrostatische Abschirmung bildet und dessen Funktion durch eine rohr- oder kreisringartige Verlängerung 30 des Innenvorsprungs 8 ergänzt wird, wodurch gleichzeitig der Oberflächenkriechstromweg der Isolation 10 zur Verminderung von Kriechströmen lang genug ist. In dieser Beziehung ist im übrigen auf die besondere Anordnung in der Reihenfolge: Meßelektrode, Isolierring 10, an Masse liegende Teile 30, 16 und 18, Isolierring 20 und Hochspannungselekfrode 22 hinzuweisen, durch welche die Kriechströme begrenzt werden..

Die F i g. 1 a mit den gleichen Bezugszeichen wie F i g. 1 zeigt eine Ionisationskammer, die dem in Fig.. 1 gezeigten Schema entspricht, wobei der einzige wesentliche Unterschied in der Anordnung des Isolierringes 10 aus Polytetrafluorüthylen besteht.

Der Einbau der Kammer A hängt selbstverständlich von der Funktion ab, die sie zu erfüllen hat. Fig. 2 zeigt sehr schematisch einen Einbau der Kammer, der für die Überwachung des Gehaltes einer Atmosphäre an radioaktiven Gasen brauchbar ist; die Kammer A ist entgegengesetzt zur Strömungsrichtung durch einen Kasten verlängert, der mit der zu überwachenden Atmosphäre über ein Filter 32 für die Zurückhaltung von Staubteilchen und ein Ionenfilter bzw. Entionisierungsfilter in der durch. die Fig. 2 angedeuteten Anordnung bzw. Reihenfolge in Verbindung steht. Das Ionenfilter soll selbstverständlich derart ausgebildet sein, daß sich das elektrostatische Feld nicht in das Innere des Kastens hinein fortsetzt. Um- bzw. Ablenkplatten können vorgesehen sein, damit der Kasten gleichmäßig durchspült wird,

ίο was notwendig ist, um sein Volumen insgesamt auszunutzen -bzw. Toträume zu vermeiden. Ein hinter der Kammer angeordneter Ventilator 34 saugt das Gas durch dieselbe hindurch und gibt es dann nach außen ab. Die Leiter 24 und 26 führen zu einem Vorverstärker 35.

Wie man sieht, wird das Gas auf seinem Weg durch die Kammer längs der Pfeile / in dem gesamten empfindlichen Volumen (zwischen Meß- und Hochspannungselektrode) keinem elektrischen Feld ausgesetzt, das eine parasitäre lonenkollektion verursachen könnte, abgesehen von einem sehr geringen Vo'umen in der Nähe des Isolierringes 10, auf dem sich Ladungen abscheiden können. Jedoch vermindern einerseits die elektrostatischen Abschirmungen diesen Vorgang, und andererseits wird der Bereich in der Nähe des Ringes 10 praktisch nur von stagnierendem Gas eingenommen.

Masse und Meßelektrode sind nicht notwendigerweise genau auf dem gleichen Potential, so daß ein geringes elektrisches Feld in Strömungsrichtung vor den Gaseintrittsöffnungen 28 existieren kann. Die Geschwindigkeit des Gasdurchtritts ist jedoch stets so groß, daß dieser Effekt vernachlässigbar wird.

F i g. 3 zeigt eine Ausführungsvariante der Kammer, bei der die Hochspannungselektrode 22' statt innerhalb der Meßelektrode 12' angeordnet zu sein, diese umgibt: Der Einfachheit halber sind die den Fig. 1 und 2 entsprechenden Teile.mit den gleichen Bezugszeichen versehen, tragen jedoch in F i g. 3 einen zusätzlichen Index (').

Der Vorsprung 8' des rohrförmigen Gehäuses 6' wird hier durch einen Rohransatz 38 verlängert, durch den das zu überwachende Gas eintritt. Dieser Rohransatz wird selbstverständlich auf Mässepotential gehalten, d. h. auf einem Potential sehr in der Nähe desjenigen der Meßelektrode 12'. Die Meßelektrode 12' ist wieder glockenförmig ausgebildet, und ihr Mantelteil 14' umgibt den Rohransatz 38 und ist von ihm nur durch einen geringen Abstand getrennt.

Das Gas dringt durch eine Reihe von öffnungen 28' mit kleinen Abmessungen in das empfindliche Volumen zwischen den Elektroden ein und entweicht durch einen zweiten Rohransatz 40 aus isolierendem Material, der mit dem Fuß bzw. »unteren« Teil der Hochspannungselektrode 22' verbunden ist, die ebenfalls glockenförmig ausgebildet ist; wie man sieht, gelangt das längs der Pfeile /' zirkulierende Gas praktisch nicht in die Gegenden in Nähe des Isolierringes 10', auf dem sich Ladungen abscheiden könnten. Man sieht ebenso, daß das Gas nur über eine sehr kurze Strecke in dem Volumen zwischen dem Rohransatz 38 und der dagegen leicht unterschiedliches Potential aufweisenden Meßelektrode 14' strömt.
Bei der in F i g. 4 gezeigten Variante, bei der entsprechende Teile wiederum das gleiche Bezugszeichen haben, wie in Fig. 1, jedoch mit einem zusätzlichen Doppelindex ("), ist die Hochspannungselcktrode 22"

wiederum um die Meßelektrode 12" herum angeordnet. Das Gas gelangt bei dieser Anordnung in das empfindliche Volumen durch eine Reihe von Öffnungen 28" mit geringen Abmessungen, die in den Fuß der Meßelektrodc eingearbeitet sind und entweicht durch das dem Eintritt gegenüberliegende Ende der Kammer.

Die in Fig. 5 gezeigte Ionisationskammer gehört zu einem Typ mit ebener Geometrie, bei dem die Meßelcktrode und die Hochspannungsclektrode durch parallele Platten gebildet werden. Auch in dieser Figur tragen entsprechende Teile die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1; sie sind jedoch zusätzlich mit einem Dreifachindex ('") versehen.

Die IonisationskammerA'" umfaßt ein Gehäuse 6'" mit einem ebenen Boden 42, der mit einem Rohransatz 38'" für den Eintritt des Gases versehen ist. Die Meßelektrode 12'" wird durch eine am Boden 42 über einen Isolierring 10'" befestigte ebene Platte gebildet.' Die zylindrischen bzw. zylinderringförmigen Vorsprünge 30'" und 29'" des Bodens 42 und der Mcße'.ektrode 12'" übernehmen die Funktion von elektrostatischen Abschirmungen und begrenzen die Wirkung der auf dem Isolierring 10'" abgeschiedenen Ladungen, wodurch das auf die Meßelektrode auftrelTende Gas gegen elektrostatische Störfelder geschützt wird.

Das Gas tritt in das empfindliche Volumen der Kammer, das durch die Meßelektrode 12'" und die Hoehspannungselektrode 22'" begrenzt wird, durch eine Reihe von Öffnungen 28'" mit geringem Durchmesser ein. die im mittleren Teil der Meßelektrode vorgesehen sind, wo die Wirkung des Feldes auf Grund der gegebenenfalls vorhandenen PotentialdÜTerenz zwischen dem Gehäuse und der Meßelektrode sich wenig bemerkbar macht. Das Gas strömt dann in das empfindliche Volumen und entweicht radial längs des Gehäuses 6'".

Wie man sieht, werden die Mängel der bekannten· Durchfluß-Ionisationskammern durch die Erfindung sehr merklich verringert und eine ausgezeichnete Ansprechtreue sichergestellt. Neben der schematisch in Fig. 2 gezeigten sind selbstverständlich zahlreiche andere Anwendungen möglich. Beispielsweise kann mit der erfindungsgemäß ausgebildeten Kammer die radioaktive Kontamination einer Oberfläche durch Ansaugen der Ionen aus deren Nachbarschaft überwacht werden.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Gasdurchfluß-Ionisationskammer zum Messen der Ionenkonzentration eines durch die Kammer fließenden Gases mit einem leitenden Kammergehäuse und zwei im Gehäuse durch isolierende Träger gehaltenen Elektroden, deren eine den zwischen den Elektroden liegenden Meßraum, gegen die Gaseintritts-Seite der Kammer hin abschließt und mit Löchern versehen ist, durch die das Gas in den Meßraum zwischen den Elektroden eintritt, wobei eine der Elektroden eine gegen·«· über dem Kammergehäuse auf höherem Potential liegende Hochspannungselektrode und die andere Elektrode eine im wesentlichen auf Gehäusepotential liegende Meßelektrode ist, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Gaseintritts-Löchern (28) versehene Elektrode die Meßelektrode (12) ist und daß die Abmessungen der Löcher (28) klein genug sind, daß das zwischen den Elektroden (12, 22) herrschende elektrische Feld durch die Löcher nicht wesentlich in den in Strömungsrichtung vor der Meßelektrode (12) liegenden Gaszufluß-Raum hineingreift.

2. Gasdurchfhiß-Ionisationskammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaseintritts-Löcher (28) in demjenigen Teil der Meßelektrode (12) vorgesehen sind, der von den die Meßelektrode tragenden Isolatoren (10) und den anderen Isolationen am weitesten entfernt ist.

3. Gasdurchfluß-Ionisationskammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Meßelektrode (12) tragenden Isolatoren (10) entweder in einem von der Gaszirkulation nicht berührten toten Raum oder in der Nähe des Gasausgangs der Kammer angeordnet sind.

4. Gasdurchfluß-Ionisationskammer nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (6) der Kammer und/oder die Meßelektrode (12) mit elektrisch leitenden Ansätzen (29, 30,38) versehen sind, die an die die Meßelektrode (12) tragenden Isolatoren (10,10') angrenzen und elektrostatische Abschirmungen für diese Isolatoren bilden.

5. Gasdurchfluß-Ionisationskammer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektrode (12) glockenförmig ausgebildet ist und die Hochspannungselektrode (22) umgibt (Fig. 1 und 1 a).

6. Gasdurchfluß-Ionisationskammer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektrode (12') innerhalb der Hochspannungselektrode (22') angeordnet ist und beide Elektroden glockenförmig ausgebildet sind (Fig. 3).

7. Gasdurchfluß-Ionisationskammer nach, einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektrode (12"') und die Hochspannungselektrode (22"') eben ausgebildet und beide parallel zueinander'angeordnet sind (F i g. 5).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen