DE2000920C3 - Vorrichtung zum Messen des Druckes eines gasförmigen Mediums mit einer radioaktiven Strahlungsquelle - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen des Druckes eines gasförmigen Mediums mit einer Alpha-Teilchen emittierenden, stab- oder flächenförmig ausgebildeten Strahlungsquelle und einem Strahlungsdetektor, die einander gegenüberliegend in einer mit dem gasförmigen Medium in Verbindung stehenden Meßicammer angeordnet sind, sowie einer elektronischen Einrichtung zum Auswerten der von dem Strahlungsdetektor pro Zeiteinheit abgegebenen Impulse nach Anzahl oder Amplitude.

Es ist bereits bekannt, den Druck eines gasförmigen Mediums mittels eines sogenannten lonisationsmanometers zu messen, bei dem in einer mit dem gasförmigen Medium in Verbindung stehenden Kammer eine Alpha-Teilchen emittierende Strahlungsquelle mit zwei an einer Gleichspannungsquelle liegenden Elektroden angeordnet sind. Durch die von der Strahlungsquelle emittierten Alpha-Teilchen werden die Moleküle des gasförmigen Mediums ionisiert, und unter dem Einfluß des von den beiden Elektroden erzeugten elektrischen Feldes bildet sich ein lonenstrom aus, der bei konstanter Temperatur proportional dem Druck des gasförmigen Mediums ist und nach Verstärkung mittels hochempfindlicher Elektrometer- oder Schwingkondensatorverstärker zur Anzeige gebracht wird. Der lonenstrom besteht bei niederen Drücken aus Alpha-Teilchen — zweifach ionisierte Heliumatome — und den Ionen des gasförmigen Mediums und bei hohen Drükken im wesentlichen nur noch aus Ionen des gasförmi- 6g gen Mediums, wodurch bei diesen Ionisationsmanometern zusätzliche Maßnahmen zur Kompensation des von den Alpha-Teilchen herrührenden lonenstroman-

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teils erforderlich sind. Bei einer bekannten Einrichtung erfolgt die Kompensation dadurch, daß kurzzeitig die Verbindung zwischen den das elektrische Feld erzeugenden Elektroden und der Spannungsquelle unterbrochen, der auf die Alpha-Teilchen entfallende Ionenstromanteil gemessen und eine entsprechende Nullregelung des Verstärkers durchgeführt wird. Nach dieser Eichung ist die gewünschte alleinige Messung des von den Ionen des gasförmigen Mediums herrührenden Siromanteils möglich. Dies hai zur Folge, daß die Ionisationsmanometer, wenn die Kompensation manuell vorgenommen wird, in vielen Fällen nicht eingesetzt werden können, oder, wenn die Kompensation automatisch durchgeführt wird, eine aufwendige und teure elektronische Regelungseinrichtung vorgesehen werden muß, was die Anwendbarkeit von der Kostenseite her beschränkt Darüber hinaus sind lonisationsmanometer anfällig gegenüber elektromagnetischen Störfeldern, großen Temperaturschwankungen und Vibraiionsbelastungen. was ihre Anwendbarkeit weifer einschränkt Schließlich haben sie den Nachteil, daß die Meßwerte in analoger Form vorliegen und, wenn diese Meßwerte zur Ansteuerung von quantisierten Analogskalen und numerischen Anzeigen oder zur Verarbeitung in Computern herangezogen werden sollen, die Verwendung teurer Analog-Digital-Wandler erforderlich ist

bekanntlich sendet ein Alpha-Strahler ein diskretes Energie-Spektrum aus, was zur Folge hat, daß die Reichweite der einzelnen Alpha-Teilchen bei einem bestimmten Druck des gasförmigen Mediums geringfügig um einen diesem Druck zugeordneten Mittelwert schwankt, also für alle Alpha-Teilchen ein schmales Reichweitegebiet definiert werden kann. Auf diesem Effekt baut eine andere bekannte Druckmeßvorrichtung auf. die eine Alpha-Teilchen emittierende Strahlungsquelle und zwei dieser gegenüber angeordnete Strahlungsdetektoren aufweist, deren wirksamer Abstand zur Strahlungsquelle unterschiedlich ist. Die Strahlungsquelle sitzt auf einem in Richtung auf die Strahiungsdetektoren verschiebbaren Träger, der von einem Servomotor betätigt wird. Die Steuerung des Servomotors erfolgt durch die beiden Strahlungsdetektoren über eine elektronische Steuerstufe derart, daß der Träger so lange verschoben win?, bis einer der beiden Strahlungsdetektoren gerade im Reichweitegebiet und der andere außerhalb des Reichweitegebiets der Alpha-Teilchen liegt. Der Abstand zwischen der Strahlungsquelle und den Strahlungsdetektoren ist infolgedessen ein Maß für die Dichte bzw. den Druck des gasförmigen Mediums. Eine solche Vorrichtung ist bauteilaufwendig und teuer und besitzt darüber hinaus ein hohes Gewicht und ein großes Bauvolumen.

Bei einer anderen bekannten Vorrichtung, die eine Meßkammer mit einer flächenförmig ausgebildeten, Alpha- oder Beta-Teilchen emittierenden Strahlungsquelle und einem dieser gegenüberliegenden Strahlungsdetektor aufweist, wird zur Messung der Dichte bzw. des Druckes eines gasförmigen Mediums diesem jeweils so viel Wasserstoff zugemischt, daß die Zahl der den Strahlungsdetektor erreichenden Alpha-Teilchen oder Elektronen konstant ist. Die Menge des zugemischten Wasserstoffs ist dann ein Maß für die Dichte bzw. den Druck des gasförmigen Mediums. Auch diese Vorrichtung ist recht aufwendig und besitzt ein hohes Gewicht und ein großes Bauvolumen. Von besonderem Nachteil ist, daß im allgemeinen ein mit Wasserstoff gefüllter Behälter benötigt wird, der von Zeit zu Zeit wieder

gefüllt werden muß. Aus diesem Grund eignet sich eine derartige Vorrichtung nur für Laborzwecke.

Diese Schwierigkeiten und Nachteile sollen durch die Erfindung überwunden werden. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Messen des Drukkes eines Mediums zu schaffen, d^:.e einen einfachen, möglichst wenig Bauteile enthaltenden, raumsparenden Aufbau geringen Gewichts besitzt, möglichst billig ist und universell einsetzbar ist

Die Aufgabe wird ausgehend von der eingangs be- ίο schriebenen Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, da S zwischen der Strahlungsquelle und dem Strahlungsdetektor ein die Energie der Alpha-Teilchen unterschiedlich stark schwächendes Element vorhanden ist.

Durch das Element wird das normalerweise nahezu monoenergetische Spektrum der Alpha-Strahlungsquelle in ein yolyenergetisches Spektrum umgewandelt, d. h. die einzelnen Alpha-Teilchen legen unterschiedlich große Wege durch das gasförmige Medium zurück. Die ao Folge ist, daß die Breite des Reichweitegebiets erheblich vergrößert wird und somit auch bei größeren Drudiänderungen des gasförmigen Mediums das Reichweitegebiet nicht aus dem wirksamen Bereich des Strahlungsdetektors wandert. Hinzu kommt, daß sich as bei einer Druckänderung des gasförmigen Mediums die Zahl der den Strahlungsdetektor erreichenden Alpha-Teilchen und damit die Anzahl der pro Zeiteinheit vom Strahlungsdetektor abgegebenen Impulse druckänderungsabhängig ändert — dies ist bei einem monoenergetischen Spektrum nicht der Fall —, so d?Q die Auswertung der vom Strahlungsdetektor abgegebenen Impulse nach ihrer Anzahl pro Zeiteinheit vorgenommen werden kann. Damit ist beispielsweise eine digitale oder quasi-digitale Anzeige des gemessenen Druckes ohne Zuhilfenahme eines teuren Analog-Digital-Wandlers möglich. Die beim Durchlaufen der Wegstrecke von den Alpha-Teilchen erzeugten Ionen gehen, im Gegensatz zu den bekannten ionisationsmanometern, nicht in die Messung ein, so daß eine Kompensation nicht erforderlich ist.

Das Element kann aus einer auf die Oberfläche der Strahlungsquelle und/oder des Strahlungsdetektors aufgebrachten Schicht keilförmiger Dickenverteilung und/oder einer Folie bestehen, die schräg zu der Strahlungsquelle und dem Strahlungsdetektor zwischen diesen angeordnet ist, wobei die Umwandlung im zweiten Fall etwas ungünstiger ausfällt als bei der Verwendung einer keilförmigen Schicht. Die gewünschte Umwand lung kann aber auch, und dies ist besonders vorteilhaft, unabhängig von den vorigen Ausführungen oder in Kombination mit diesen dadurch erhalten werden, daß die Strahlungsquelle und/oder der Strahlungsdetektor einen keilförmigen Raum zwischen sich einschließend geneigt zueinander angeordnet werden. Das sich zwisehen der Strahlungsquelle und dem Strahlungsdetektor in dem keilförmigen Raum befindliche gasförmige Medium dient hierbei gleichzeitig als energieschwächendes Element Schließlich kann an Stelle des energieschwächenden Flementes auch eine Strahlungsquelle großer Schichtdicke vorgesehen werden.

Die Auswertung der vom Strahlungsdetektor pro Zeiteinheit abgegebenen Impulse kann in allen Fällen nach der Impulsamplitude erfolgen, und zwar am zweckmäßigsten mit Hilfe eines Impulsspitzcngleichspannungswandlers. der über einen Verstärker mit dem Strahlungsdetektor verbunden und an dessen Ausgang beispielsweise ein elektrisches Anzeigeinstrument angeschlossen ist, oder, wie bereits erwähnt, nach der Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit Im einen Fall erhält man analoge Meßwerte, im anderen Fall digitale.

Als Strahlungsdetektor kann eines der üblichen Zählrohre oder ein Halbleiter- oder Szintillationszähler verwendet werden, wobei einem Halbleiterzähler der Vorzug zu geben ist, da dieser einen sehr geringen Raumbedarf hat. Die Strahlungsquelle besteht am zweckmäßigsten aus einem radioaktiven Präparat großer Halbwertzeit, beispielsweise Americium 241, um über eine längere Zeit Messungen ohne Empfindlichkeitskorrektur durchführen zu können.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung, die in zum Teil schematischer Darstellung Ausführungsbeispiele enthält, näher erläutert.

In einer Meßkammer 1, die aus einem kartenförmigen Gehäuse 2 und einem Deckel 3 mit einer öffnung 4 besteht, über die das gasförmige Medium in die Meßkammer t gelangen kann, befindet sich eine flächenförmig ausgebildete Alpha-Strahlungsquelle S, die auf einen Trägerkörper 3 a aufgebracht ist und gegenüber dieser in einem von dem gewünschten Meßbereich abhängigen Abstand ein flächenförmiger Halbleiterdetektor 6, der unmittelbar an einer Wand des Gehäuses 2 befestigt ist. Der Ausgang des Halbleiterdetektor! 6 ist über einen Verstärker 7 und einen elektronischen ZIhler 8 mit einer digitalen Anzeigeeinrichtung 9 verbunden. Um die von den Alpha-Teilchen zn durchlaufende mittlere W;gstrecke in einfacher Weise einstellen zu können, ist die Strahlungsquelle S mittels einer in der Gehäusewand geführten Stellschraube 10 in Richtung auf den Halbleiterdetektor 6 bewegbar angeordnet. Ebenso können auch der Halbleiterdetektor 6 in Richtung auf die Strahlungsquelle S oder sowohl Strahlungsquelle 3 als auch Halbleiterdetektor β gegeneinander bewegbar in der Meßkammer 1 befestigt sein. Zur Umwandlung des monoenergetischen Spektrums der Alpha-Strahlungsquelle 5 ist diese einen keilförmigen Raum zwischen sich und dem Strahlungsdetektor 6 einschließend geneigt angeordnet, so daß der von den Alpha-Teilchen zurückzulegende Weg im oberen 3ereich der Meßkammer 1 kleiner als im unteren Bereich ist und somit die Reichweitenbreite erheblich vergrößert ist.

In F1 g. 2 ist schließlich noch eine Strahlungsquelle 5, die auf einem Träger 3 a sitzt, mit einer energieschwächenden Schicht 11 keilförmiger Dickenverteilung im Querschnitt dargestellt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche: 2

1. Vorrichtung zum Messen des Druckes eines gasförmigen Mediums mit einer Alpha-Teilchen emittierenden, stab- oder flächenförmig ausgebildeten Strahlungsquelle und einem Strahlungsdetektor, die einander gegenüberliegend in ein ^r mit dem gasförmigen Medium in Verbindung stehenden Meßkammer angeordnet sind, sowie einer elektronischen Einrichtung zum Auswerten der von dem Strahlungsdetektor pro Zeiteinheit abgegebenen Impulse nach Anzahl oder Amplitude, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Strahlungsquelle (5) und dem Strahlungsdetektor (6) ein die Energie der Alpha-Teilchen unterschiedlich stark schwächendes Element (11) vorhanden ist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element aus einer auf die Oberfläche der Strahlungsquelle (5) und/oder des Strah- »a lungsdetektors (6) aufgebrachten Schicht (11) keilförmiger Dickenverteilung besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Element aus einer Folie besteht, die schräg zu der Strahlungsquelle (5) und as dem Strahlungsdetektor (6) zwischen diesen angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (5) und/oder der Strahlungsdetektor (6) einen keilförmigen Raum zwischen sich einschließend geneigt zueinander angeordnet sind.