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Beschreibung - zu der Patentanmeldung betreffend Einrichtung zum
Nachweisen und Messen von Signalen, weiche aus der Ionisation eines gasförmigen
Mediums abgeleitet sind Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Nachweisen und
Messen von aus der Ionisation eines gasförmigen Mediums abgeleiteten Signalen mit
zwei in Serie an eine Spannung quelle angeschlossenen Ionisationskammern, welche
jeweils zwei Elektroden-und eine ionisierende Strahlungsquelle aufweisen und von
denen die eine als Mess- und die andere als Referenzkammer. arbeitet, wobei ein
spannungsempfindlicher Detektor mit seiner Steuerelektrode an den Verbindungspunkt
der Serienschaltung aus den beiden Kammern angeschlossen ist0 Die Anforderungen
der Industrie an Steuereinrichtungen, Analysegeräte und Sicherheitsmal3nahmen bei
der Erzeugung und Verarbeitung von komprimiertem oder verflüssigtem Gas, zB.
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in der Erdölindustrie oder der chemisch verarbeitenden Erdölindustrie,
haben im Laufe der letzten Jahre zur Entwicklung
von Geräten beigetragen,
die zum Nachweisen und Messen der Konzentrationoder des Reinheitsgrades- von Gasen,
Dämpfen oder Rauch dienen Jedoch waren die angewandten Verfahren so verschiedenartig
und komplex, daß.eine dauernde und automatische Überwachung der Kennzeichen oder
Parameter, anhand deren sich die physikalischen Zustände gasförmiger Medien bestimmen
lassen, nur sehr schwierig durchführbar war, Erst nach 1939 wurde eine mögliche
Lösung für das Problemdes ständigen Messens bei Gasphasen vorgeschlagen. Die Grundlage
des Verfahrens, im vorliegenden Fall die Messung der elektrisehen Ströme, welche
durch die Ionisation einer einfachen oder zusammengesetzten Atmosphäre durch OC-Teilchen
des Elementes Radium-entstehen, war der Gegenstand des belgischen Patents Nr. 393
t34, das dem französischen Physiker P. Malsallez erteilt wurde, welcher sein Verfahren
in Zusammenarbeit mit L. Breitmann verbesserte und eine sehr ausführliche Beschreibung
seiner Arbeiten in der "Revue General de 1'Electricite vom 26. Februar 1938 (Band
XLIII, Seite 279 -<284) veröffentlichte.
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Eine Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens umfaßt zwei in Reihe
geschaltete Ionisationskammern und eine Glühkathodenröhre, deren Steuergitter an
den Verbindungspunkt zwischen den beiden Kammern angeschlossen war. Beide Kammern
besaßen gleiche Abmessungen, wobei aber eine der Kammern hermetisch abgeschlossen
war und als Bezugskammer diente, während die andere, die Meßkammer, zur freien Zirkulation
des gasförmigen Umgebungsmediums offen war. Jede Änderung, die in der Zusammensetzung
dieses Mediums auftrat, oder jede Änderung des Druckes in der offenen Kammer hatte
eine Änderung des ursprünglic-hen die
beiden Kammern durchfließenden
Stromes zur Folge, so daß die resultierenden Änderungen der am Gitter der Glühkathodenröhre.
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auftretenden Spannung eine Anzeige der aufgetretenen Änderungen ermöglichten.
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Die Einrichtung hat indessen den Nachteil, daß zum Heizen der Kathode
ein.ständiger Strom notwendig ist, der außerdem bei Verwendung der Einrichtung für
kontinuierliche Messungen sorgfältig stabilisiert sein muß. Auch beeinflussen Änderungen
der elektrischen Parameter der Elektronenröhre, welche aus der fortschreitenden
Erschöpfung der Kathode im Laufe der Zeit resultieren, die Messung. Falls dazu die
spezifischen Instabilitäten der Glühkathodenröhren aufgrund der statistischen Natur
der Kathodenemission berücksichtigt werden, versteht man den geringen industriellen
Erfolg des Verfahrens.
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Eine andere Einrichtung, die Gegenstand des deutschen Patentes Nr.
1 079 351 ist, greift das obige Verfahren auf, verwendet jedoch eine Kaltkathodenröhre
oder ein Thyratron anstelle der Glühkathodenrö.hre, wobei in den Anodenkreis des
Thyratrons ein Relais eingeschaltet ist. Diese vorrichtung vermeidet die weiter
oben angegebenen Nachteile, hat aber folgende Mängel: l.Die Einrichtung arbeitet
im UEinAusBetriebu und kann somit nicht für kontinuierliche Messungen verwendet
werden.
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2. Die Thyratrons und andere Kaltkathodenröhren erfordern hohe Betriebsspannungen,
im allgemeinen zwischen 250 und 350 Volt.
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3. Zur Zündung des Stromflusses zwischen Kathode und Anode des Thyratrons-sind
an der Steuerelektrode Potentialänderungeil
von mehreren zehn Volt
erforderlich, was Ionisationskammern mit relativ großem Volumen und mit relativ
viel radioaktiver Substanz voraussetzt.
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4. Das Thyratron kann von außen entsprechend dem sogenannten Geigereffekt
gezündet werden, und zwar durch kosmische Strahlung, die damit Vorgänge zum falschen
Zeitpunkt auslösen.
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4. Die periodische Erneuerung der Kaltkathodenröhre ist aufgrund
der sich ändernden Röhrendaten erforderlich.
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Im praktischen Einsatz werden an Vorrichtungen, mit denen eine ständige
Ü.berwachung-durchgeführt werden soll, hohe Anforderungen in bezug auf Empfindlichkeit,
Zuverlässigkeit und stabilen Betrieb gestellt. Auf3erdem soll in den Vorrichtungen
ein ständiger Ruhestrom fliei3en, um eine automatische Funktionskontrolle der gesamten
Installation durchführen zu können, was mit Vorrichtungen, in denen eine Kaltkathodenröhre
verwendet ist, nicht möglich ist. Im übrigen legen internationale Bestimmungen eine
relativ niedrige Höchstgrenze für die Aktivität ionisierender Strahlungsquellen
fest. Um die Bestimmungen einzuhalten, müssen Kammern mit kleinem Volumen und mit
sehr schwachen radioaktiven Quellen verwendet werden, Aufgabe der Erfindung ist
die Schaffung einer-Einrichtung zum Nachweisen und Messen von aus der Ionisation
eines gasförmigen Mediums abgeleiteten Signalen, welche den oben niedergelegten
Anforderungen genügt.
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Die Aufgabe löst eine Einrichtung der eingangs genannte Art, die
sich erfindungsgemäß dadurch kennzeichnet, daß die Aktivität der Strahlungsquelle
in der esskammer 7 Mikrocuries und die Aktivität der Strahlungsquelle in der Referenzkammer
3,-5 Mikrocuries nicht übersteigt, und daß der Detektor
eine Eingangsimpedanz
von mindestens 1013 Ohm hat.
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Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung werden die den bekannten Einrichtungen
eigenen Nachteile und Beschränkungen vollkommen vermieden. Die Einrichtung arbeitet
äußerst empfindlich und kommt mit niedrigen Speisespannungen aus.
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Es werden so geringe Mengen radioaktiven Materials verwendet, daß
die oben erwähnten internationalen Bestimmungen eingehalten sind.
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Vorzugsweise ist der Detektor ein Metalloxid-Halbleiterelement mit
einer Steuerelektrode sowie mit einer Speise-und einer Saugelektrode, wobei die
beiden zuletzt genannten Elektroden über einen Lastwiderstand an eine Spannungsquelle
angeschlossen sind. Unter dem Begriff Metalloxid-Halbleiterelement wird ein neuartiges
Halbleiterelement verstanden, das auch unter dem Namen MOS-Feldeffekttransistor
bekannt geworden ist. Dieses neuartige Halbleiterelement umfaßt im wesentlichen
ein hochohmiges Substrat, in welches zwei halbleitende Zonen eindiffundiert sind,
sowie eine metallische Schicht, welche von der Oberfläche des Substrates durch eine
Isolierschicht aus Siliciumdioxid getrennt ist. An den beiden eindiffundierten Zonen
sind Kontakte angebracht, die sogenannten Saug- und Quell elektroden. Mit der isolierten
Metallschicht ist ebenfalls ein Kontakt verbunden, welcher Steuer-oder Gateelektrode
genannt wird.
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Die Arbeitsweise dieses Halbleiterelementes unterscheidet 'sich erheblich
von der eines Transistors. Sie beruht auf der Tatsache, daß die S-teuerelektrode,
die isolierende Schicht und die Oberfläche des Substrates einen Kondensator bilden.
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Durch eine an die Steuerelektrode angelegte Vorspannung wird dieser
Kondensator geladen und induziert eine Ladung im
leitenden Kanal
zwischen der Saug- und der Steuerelektrode, unmittelbar unterhalb der Oxidschicht.
Bei einer bestimmten Mindest-Vorspannung, der sogenannten Zündspannung, fließt Strom
von der Quell- zur Saugelektrode oder in umgekehrter Richtung, was von der jeweiligen
Polarität der beiden Elektroden abhängt.
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Dieses Halbleiterelement besitzt eine charakteristisch hohe Eingangsimpedanz
von der Größenordnung von 1013 bis 1018 um. Es ist nahezu temperaturunempfindlich
und besitzt eine symmetrische, lineare Ansprech-Charakteristik. Es ist außerdem,
auch im Vergleich mit anderen Feldeffekttransistoren, empfindlicher, da es eine
sehr niedrige.Eingangskapazität hat.
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Die Verwendung dieses Halbleiterelementes ergibt einen sehr empfindlichen
und genauen Detektors Neben den spezifischen, bekannten Vorteilen von Halbleiterelementen
erhält man durch seine Anwendung den besonderen Vorteil, daß die Aktivität der ionisierenden
Strahlungsquellen, das Volumen der Ionisationskammern und der Raumbedarf der ganzen
Einrichtung beträchtlich reduziert werden kann. Aufgrund der möglichen starken Reduzierung
der Aktivität der ionisierenden Strahlungsquellen können auch, wie bereits erwähnt,
die internationalen Bestimmungen (-Euratom, 19. Februar 1959) ohne weiteres eingehalten
werden. Mit keinem der zur Zeit bekannten Einrichtungen werden alle die aufgeführten
Vorteile, die die erfindungsgemäße Einrichtung hat, gleichzeitig erzielt.
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Vorteilhafterweise werden als ionisierende Strahlungsquellen radioaktive
Elemente oder Isotope gewählt, welche fast ausschließlich cr;-Strahlung bzw. 3.;Teilchen
aussenden.
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Es läßt sich z,B. Anmericium 241 verwenden.
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Die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten ist im folgenden
anhand einer schematischen Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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Die Zeichnung zeigt das Schaltbiid einer erfindungsgemäßen Einrichtung.
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Zwei Ionisationskammern 1 und 2 sind in Serie liegend an eine Spannungsquelle
3 mit vernachlässigbarem Innenwiderstand angeschlossen, welche eine konstante Spannung
V liefert.
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Der Verbindungspunkt 4 zwischen den beiden Kammern ist mit der Steuerelektrode
8 eines Metalloxid-Halbleiterelementes 9 verbunden, das auf Spannungsänderungen
anspricht und eine Eingangsimpedanz von mindestens 1013 Ohm besitzt. Das Metalloxid-Halbleiterelement
wird im folgenden kurz MOS-Feldeffekttransistor genannt. Dieser besitzt außer der
Steuerelektrode 8 eine Saugelektrode D, welche über einen Lastwiderstand 10 und
einen weiteren Widerstand 14 mit dem einen Pol der Spannungsquelle 3 verbunden ist,
sowie eine Quellelektrode S, welche über ein Meßinstrument 11 mit dem anderen Pol
der Spannungsquelle 3 verbunden ist. Der Lastwiderstand 10 könnte auch an die Saugelektrode
angeschlossen sein, ohne daß dadurch die Arbeitsweise der Anordnung verändert würde.
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Ein Widerstand 12 und ein Widerstand 13 mit negativem 'l'emperaturkoeffizient
dienen zusammen mit dem Widerstand 14-zur Temperaturkompensation der Schaltung.
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Die Ionisationskammer 2 dient als Meflkammer und besitzt den üblichen
Aufbaut Ihr Inneres steht mit dem umgebenden Medium in Verbindung, so daß dieses
ungehindert in die Kammer eindringen kann. Die Meßkammer besitzt ein Volumen von
einigen Kubikzentimetern und weist als ionisierende Strahlungs quelle eine bestimmte
Menge radioaktiven Materials auf, dessen Aktivität nicht gröber als 7 MiRros:uries
ist.
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Die Ionisationskammer 1 arbeitet als Referenzkammer und besitzt ein
sehr geringes effektives Volumen in der Größenordnung von einigen Kubikmillimetern.
Sie ist als hermetisch abgeschlossene Kammer ausgebildet, sodaß sie einen festen
Innenwidersta;nd aufweist. Die Referenzkammer enthält als ionisierende Strahlungsquelle
eine bestimmte Menge radioaktiven Materials, dessen Aktivität nicht größer als 3,5
Mikrocuries ist, Die Kammer umfaßt zwei zueinander parallele Tellerscheiben 5 und
6 von sehr geringen Abmessungen. Der Abstand zwischen den-als Elektroden wirkenden
Tell-erscheiben ist durch eine Koaxialverschiebung der Scheibe 5 relativ zur Scheibe
6 veränderbar. Die verschiebbare Scheibe kann mittels einer Klemmschraube 7 festgestellt
werden. Die Schicht ionisierter Luft zwischen den beiden Elektroden bildet einen
hochohmigen Widerstand, welcher von der Stärke der Schicht abhängt und das totential
am Punkt 4 bestimmt, Die lonisierenden Strahlungsquellen sind durch radioaktive
Elemente oder Isotope gebildet, welche fast ausschliel3-lich ffi -Teilchen aussenden.
Ein bevorzugtes Ionisationsmaterial ist Anmericium 241, das einen vernachlässigbar
geringen Anteil von unerwünschten Teilchen aussendet.
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Die beiden Kammern bilden einen Spannungsteiler Ihr Verbindungrssunkt
besitzt daher ein Potential, welches sich aus dem Verhältnis der inneren Widerstände
der teiden Kammern bestimmte Das Potential wird so eingestellt, daß der Arbeitspunkt
des lVioSFeldeffekttransistors in der Mitte des linearen Bereiches seiner Kennlinie
liegt.
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Das Meßinstrument 11 mi3t dann den durch den Quell-Zweig des Elementes
9 flie.Senden Stroms Alle Veränderungen, denen das Medium in der Kammer 2 unterliegt,
führen zu einer Veränderung
des Potentials am Punkt 4 und entsprechend
zu einer Änderung des im Instrument 11 gemessenen Transistorstromes, Die Stromstärke
durch das Instrument 11 wird größer, wenn sich der Druck oder die Dichte des.umgebenden
Mediums erhöhen, und wird kleiner, wenn der Druck oder die Dichte des umgebenden
Mediums abnehmen.
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Unter der Voraussetzung einer geeigneten Anpassung an die Schaltung
kann der Lastwiderstand 10 durch eine Alarmschaltung, durch eine über Leitungen
oder drahtlos angeschlossene, ferngesteuerte Kontrollschaltung oder durch irgendeine
andere, aus den Anforderungen des Benutzers sich ergebende elektrische Last gebildet
sein0 Als Meßinstrument 11 kommt ein Galvanometer, ein Galvanometer mit Zeigerkontakt
oder ein Relais, das bestimmte gewünschte automatische Anordnungen schaltet, in
Frage.
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Ein wesentliches Kennzeichen der Erfindung ist die Kombination eines
Detektors mit einer Eingangsimpedanz von mindestens 1013 Ohm und zwei Ionisationskammern
mit ionisierenden Strahlungsquellen, deren Aktivität unter den vorgeschriebenen
Werten liegt, Diese Kombination ergibt eine sehr empfindliche und genau arbeitende
Nachweisanordnung, wie sie mit den zur Zeit bekannten Anordnungen nicht erreicht
werden kann0 Patentansnrüc he