DE3637276A1 - Verfahren und vorrichtung zum messen von gaskonzentration - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasge­ misch, das aus bekannten Gaskomponenten besteht mit Ordnungs­ zahlen, die sich in ihrer Größe durch eine bestimmte Zahl un­ terscheiden, und zwar auf der Basis der beim Durchtritt durch die zu messende Gaskomponente geschwächten Strahlung.

Bisher ist zur Messung von Gaskonzentrationen vorgeschlagen worden, Konzentrationsmeßinstrumente mit Wärmesensoren oder Massenspektrometer zu benutzen.

Im ersten Fall wird der Unterschied der spezifischen Wärme der verschiedenen Gaskomponenten in einem Gasgemisch benutzt, das durch Wärmesensoren erfaßt wird, die in ihrer Anzahl der An­ zahl der zu messenden Gaskomponenten entspricht, um so die Konzentration jeweils einer Gaskomponente zu bestimmen. Aus diesem Grund ist diese Messung unzureichend vielseitig im Ein­ satz und in der Meßgenauigkeit unterlegen. Noch schwerer wiegt, daß, wenn die Anzahl der Gaskomponenten größer als die der ver­ fügbaren Wärmesensoren ist, es unmöglich wird, eine zu messende Gaskomponente nach ihrer Konzentration zu bestimmen, da die Be­ stimmung mindestens einer Gaskomponente unmöglich wird, so daß es insgesamt unmöglich wird, die zu erfassende Gaskomponente zu messen.

Bei dem Verfahren mit Massenspektrometer wird eine hohe Meß­ genauigkeit erzielt; ein Magnetfeld wird benutzt, und es wer­ den die Anzahl von geladenen Teilchen gezählt, die jeder Gas­ komponente entsprechen, und dadurch wird die Konzentration ir­ gendeiner Gaskomponente, deren Konzentration zu bestimmen ist, errechnet. Nun bedarf ein derartiges Massenspektrometer jedoch einer genauen Einstellung der jeweiligen Magnetfelder und einer Einstellung oder Messung des Unterdruckwertes in einer Meßkam­ mer, und diese Messungen müssen vor der Konzentrationsmessung ausgeführt werden, so daß die Messung selbst zeitraubend und mühevoll ist. Damit ist ein Massenspektrometer kompliziert auf­ gebaut, baut meistens sehr groß und ist teuer in der Herstel­ lung.

Durch die vorliegende Erfindung sollen die eben besprochenen Nachteile beseitigt werden; so ist das hauptsächliche Ziel der Erfindung, ein Verfahren (und eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens) zu schaffen, mit dem (bzw. der) die Konzentra­ tionsmessung für einen Gasbestandteil eines Gasgemisches leicht und mit hoher Präzision durchgeführt werden kann, wobei Aufwand und Mühe gering sein sollen.

Als Lösung der Aufgabe bietet sich die Messung von Strahlungs­ schwächung an.

Es wird so erfindungsgemäß ein Verfahren zum Messen der Konzen­ tration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch geschaffen, das aus Gaskomponenten mit bekannten Ordnungszahlen zusammengesetzt ist, die sich durch eine bestimmte Zahl in ihrer Größe unter­ scheiden, und es wird die Gaskomponente mit einer keine α-Strah­ lung enthaltenden Strahlung bestrahlt, wobei die Strahlung über einen vorgeschriebenen Weg durch die Gaskomponente geschickt wird, es wird ein Strahlungsdetektor mit Energie-Diskriminie­ rungsfunktion benutzt, um eine Strahlungszählung in dem vorbe­ stimmten Abstand vorzunehmen, und die Konzentration der Gaskom­ ponente wird auf Grundlage der Strahlungsschwächung infolge des Durchtrittes durch die Gaskomponente gemessen.

Weiter wird eine Vorrichtung zum Messen der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch geschaffen, das aus bekannten Gaskomponenten mit unterschiedlichen Atomzahlen besteht, wobei die Vorrichtung eine mit einem Einlaß und einem Auslaß für die Gaskomponente versehene Kammer umfaßt, die mit dem Gasgemisch gefüllt ist, eine Strahlungs-Erzeugungseinheit zur Bestrahlung des Gasgemisches mit nicht α-Strahlen enthaltender Strahlung, einem mit einem vorgeschriebenen Abstand von der Strahlungser­ zeugungseinheit angeordneten Strahlungsdetektor, der der Strah­ lungserzeugungseinheit zugewendet ist, eine Energie-Diskrimi­ nierungsfunktion besitzt und zum Erfassen der durch die Gas­ komponente geschwächten Strahlung ausgelegt ist, und mit einer Konzentrations-Anzeigeeinheit zum Wandeln der durch den Strah­ lungsdetektor erfaßten Strahlung in Konzentrationswerte und Anzeigen der so erhaltenen Konzentrationswerte.

Die in den Ausführungsbeispielen ersichtlichen Meßprinzipien werden als erfindungswesentlich angesehen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispiels­ weise näher erläutert; in dieser zeigt:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild, daß das der Erfin­ dung zugrundeliegende Prinzip darstellt,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Ausführung einer erfindungsgemäßen Gas-Konzentrations-Meßvorrichtung,

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Anzahl gezählter Strahlungswerte und der Konzen­ tration von Xenon-Gas, mit der Vorrichtung nach Fig. 2 erhalten,

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführung einer erfindungsgemäßen Gaskonzentrations-Meßvorrich­ tung,

Fig. 5 einen Schnitt durch eine zur Verwendung in der erfin­ dungsgemäßen Gaskonzentrations-Meßvorrichtung verwend­ bare Kammer,

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausfüh­ rung einer erfindungsgemäßen Gaskonzentrations-Meßvor­ richtung mit der Kammer nach Fig. 5, und

Fig. 7(I) u. (II) graphische Darstellungen, die α-Strahlen, in Abhängig­ keit von der Gaskonzentration verändert, zeigen, wie sie durch Versuche mit der Vorrichtung nach Fig. 6 er­ halten und durch einen Oszillographen angezeigt wurden.

In der Fig. 1 ist ein Blockschema des Grundgedankens der Er­ findung gezeigt. Es ist eine Strahlungs-Erzeugungseinheit 1, eine Meßkammer 2, ein Strahlungsdetektor 3 und eine Konzentra­ tions-Anzeige 4 vorgesehen. Die Meßkammer 4 ist mit dem Gasge­ misch gefüllt, das der Konzentrationsmessung unterworfen wird. Eine Strahlung mit Ausnahme von α-Strahlen, die von der Strah­ lungserzeugungseinheit 1 an einer Seite der Kammer 2 ausgesen­ det wird, wird in die Kammer 2 eingeführt und durchläuft das Gasgemisch innerhalb der Kammer. Die Strahlungserzeugungsein­ heit 1 kann entweder ein Strahlungsgenerator oder eine radio­ aktive Substanz sein. Der Strahlungsdetektor 3 ist an der ande­ ren Seite der Kammer 2 mit einem vorgeschriebenen Abstand von der Strahlungserzeugungseinheit 1 angeordnet. Die Strahlung außer α-Strahlen, die das Gasgemisch in der Kammer 2 durchlau­ fen hat, kann den Strahlungsdetektor 3 erreichen. Der Strahlungs­ detektor 3 kann je nach der von der Strahlungserzeugungseinheit 1 ausgesendeten Strahlungsart ausgesucht werden, es kann also bei­ spielsweise ein Gas-, ein Flüssigkeits- oder ein Feststoff-Szin­ tillator sein mit einer Photoelektronen-Vervielfacherröhre, eine Ionisationskammer, ein Proportionalzählrohr oder ein Geigermül­ lerzähler usw. Die von der Strahlungserzeugungseinheit 1 in die Kammer 2 eingestrahlte Strahlung kollidiert mit den Molekülen des Gasgemisches und wird durch diese absorbiert und gestreut, so daß ein Teil der Strahlung den Strahlungsdetektor 3 nicht erreichen kann. Der Anteil der Strahlung, der den Strahlungs­ detektor 3 nicht erreicht, hängt von der Konzentration des zu messenden Gasgemisches ab. Deshalb kann die Konzentration des in der Kammer 2 vorhandenen Gasgemisches durch Auszählen oder Bestimmen der durch den Strahlungsdetektor 3 erfaßten Strahlung und Anzeigen an der Konzentrationsanzeige 4 bestimmt werden.

Fig. 2 zeigt eine Ausführung einer erfindungsgemäßen Gaskonzen­ trations-Meßvorrichtung unter Benutzung von Röntgen- oder γ-Strahlen (in diesem Fall sind es Röntgenstrahlen). Es ist eine Röntgenstrahlungsquelle 5 in einer Kammer 6 vorgesehen, und ein Natriumjodidszintillator 7 mit nachgeschalteter Photo­ elektronenvervielfacherröhre 8 dient als Strahlungsdetektor.

Das Gas wird durch ein Einlaßrohr 9 in die Kammer 6 gebracht und verläßt diese durch ein Auslaßrohr 10. Das Ergebnis der Konzentrationsmessung wird an einer Konzentrationsanzeige 11 ausgewiesen. Die in der Kammer 6 untergebrachte Röntgenstrahl­ quelle 5 strahlt ihre Röntgenstrahlen zu dem Szintillator 7 hin ab und hält dabei einen vorgeschriebenen Abstand ein. Von der Röntgenstrahlungsquelle 5 abgegebene Röntgenstrahlen er­ reichen den Szintillator 7 nach Absorption und Streuung durch das in der Kammer 6 als Meßobjekt vorhandene Gas.

Wenn die Röntgenstrahlen durch eine Substanz hindurchtreten, werden sie durch diese geschwächt. Der Schwächungsanteil wird durch die Energie der Röntgenstrahlung und die Masse der Substanz, durch die die Röntgenstrahlung hindurchtritt, bestimmt. Wenn Rönt­ genstrahlen mit einer Energie E eine Strecke von d cm in einem Gas zurücklegen, wird die Intensität I der Röntgenstrahlen an der Stelle mit dem Abstand d durch folgende Formel bestimmt:

I=I _O e ^-µd ,

wobei I _O die Anfangsintensität der Röntgenstrahlen, e die Basis der natürlichen Logarithmen und µ der Schwächungskoeffizient ist. Damit wird der Anteil der im Abstand d cm durch das Gas ge­ schwächten Röntgenstrahlen durch die Formel 1 - I/I _O gegeben. Das erwähnte Schwächungsverhältnis wird durch die ein Gas bil­ dende Substanz bestimmt. Im Fall eines Gasgemisches mit bekann­ ten Gasbestandteilen kann deswegen, wenn die Anzahl von Röntgen­ strahlphotonen bei einer Anfangsintensität I _O gleich N _O ist, die Konzentration irgendeines Gasbestandteiles aus der Photo­ nenzahl N bestimmt werden, die durch die nach Konzentration bestimmende Gaskomponente geschwächt wurden. Im Falle von Rönt­ genstrahlen gilt, daß, je geringer die Energie E der Röntgen­ strahlen ist, um so höher das Schwächungsverhältnis µ wird. Unter der Annahme, daß die Röntgenstrahlenergie gleich E und die Ordnungszahl oder Atomzahl einer das Gas bildenden Substanz gleich Z ist, ergibt sich bei geringer Energie E, daß die Schwächung der Röntgenstrahlen sich aus dem photoelektrischen Effekt ergibt und das Schwächungsverhältnis dann proportional zur fünften Potenz der Ordnungszahl Z und umgekehrt proportio­ nal zu 7/2 der Energie E ist. Wenn die ein Gasgemisch bilden­ den Gaskomponenten Ordnungszahlen haben, die sich um eine be­ stimmte Zahl voneinander unterscheiden, werden die Röntgen­ strahlen mehr von der Gaskomponente mit der größeren Ordnungs­ zahl Z als von den Gaskomponenten mit kleineren Ordnungszahlen beeinflußt. Aus diesem Grund kann die Konzentration der Gaskom­ ponente mit der Ordnungszahl Z in dem Gasgemisch gemessen wer­ den.

Die Röntgenstrahlquelle 5 sendet jederzeit Röntgenstrahlen aus und, wenn das aus den Gaskomponenten mit unterschiedlichen Ord­ nungszahlen zusammengesetzte und in die Kammer 6 eingeführte Gas beispielsweise eine konstante Zusammensetzung besitzt, reicht eine konstante Anzahl von Photonen entsprechend der kon­ stanten Zusammensetzung den Szintillator 7, der mit einem Ab­ stand von d cm von der Röntgenstrahlenquelle 5 dieser zugewen­ det angebracht ist. Da jedoch die Röntgenstrahlenquelle 5 Rönt­ genstrahlen in Zufallsfolge aussendet, entstehen statistische Schwankungen, deren Breite umgekehrt proportional zu ist. Die Photonen, die den Szintillator 7 erreicht haben, werden in Lichtstrahlen mit höheren Wellenlängen an dem jeweiligen Auf­ treffort gewandelt. Die Lichtstrahlen werden in der Photoelek­ tronen-Vervielfacherröhre 8 in elektrische Signale gewandelt und die elektrischen Signale vorteilhafterweise durch einen ladungsempfindlichen Verstärker oder eine Linear-Verstärker­ einheit o.ä. verstärkt und einer Zählschaltung zugeführt, so daß schließlich die den Szintillator 7 erreichenden Photonen einzeln gezählt sind.

Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispieles be­ schrieben, bei dem die Kammer 6 mit einem Gasgemisch aus Xenon (Xe) und Sauerstoff (O₂) gefüllt ist, deren Konzentration be­ stimmt werden soll. Da die Ordnungszahl des Xenon (54) viel größer als die des Sauerstoffs ist, wird die Schwächung der Röntgenstrahlen durch den photoelektrischen Effekt viel grö­ ßer beim Durchstrahlen von Xenon als beim Durchstrahlen von Sauerstoff. Je höher die Konzentration des Xenons in dem Gas­ gemisch ist, um so höher ist der Anteil der geschwächten Rönt­ genstrahlen und so geringer die Anzahl der den Szintillator 7 erreichenden Photonen. Damit wird die Konzentration des Xenons im Gasgemisch in der Kammer 6 umgekehrt proportional den von der Photoelektronenvervielfacherröhre 8 abgegebenen elektrischen Signalen. Unter Benutzung der so erhaltenen umgekehrten Propor­ tionalität werden die elektrischen Signale einer entsprechenden Signalverarbeitung unterworfen und das Ergebnis als Xenon-Kon­ zentration an der Konzentrationsanzeige 11 angezeigt.

Fig. 3 zeigt die Anzahl von Röntgenstrahlphotonen, die in der Zählschaltung während 10 s in der Konzentrationsanzeige 11 ge­ zählt werden, bei Verwendung der radioaktiven Substanz Fe 55 als Röntgenstrahlungsquelle 5, mit einer Röntgenstrahlenabgabe von etwa 0,925 MBq (25 µCi), einem Abstand d zwischen der Rönt­ genstrahlenquelle 5 und dem Szintillator 7 von ca. 1,3 cm und mit veränderlichem Anteil von Xenon in dem Gasgemisch aus Xenon und Sauerstoff. Wie sich aus Fig. 3 ergibt, hängt das Zählergeb­ nis von dem Xenonanteil ab, d.h. je höher der Xenonanteil, um so geringer ist die Anzahl der den Szintillator 7 erreichenden Pho­ tonen.

Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht das in die Kammer 6 ein­ geführte Gasgemisch aus Xenon und Sauerstoff. Natürlich ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Die Konzentration irgendei­ ner Gaskomponente in einem Gasgemisch kann gemessen werden, falls das Gasgemisch sich aus bekannten Gaskomponenten zusammen­ setzt, deren Ordnungszahlen sich um eine bestimmte Zahl voneinan­ der unterscheiden. Wenn beispielsweise Luft als Referenzgas ge­ nommen wird, kann irgendein Gas mit einer Ordnungszahl, die nicht unter 10 liegt (Ordnungszahl 10 entspricht Neon), in sei­ ner Konzentration bestimmt werden. Umgekehrt kann z.B. bei Was­ serstoff mit der Ordnungszahl 1, die also um 6 oder 7 unter den Ordnungszahlen von Stickstoff bzw. Sauerstoff liegt, die Haupt­ bestandteile des Referenzgases bilden, die Konzentration von Wasserstoff im Referenzgas durch den Anstieg des gezählten Wertes gemessen werden.

Fig. 4 gibt eine schematische Darstellung einer anderen Aus­ führung einer erfindungsgemäßen Gaskonzentrations-Meßvorrich­ tung. Diese Ausführung ist auch zum Messen der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch geeignet, das aus be­ kannten Gaskomponenten mit Ordnungszahlen zusammengesetzt sind, die sich voneinander um eine bestimmte Zahl unterscheiden. Die Vorrichtung in dieser Ausführung besteht aus einer Kammer 21 mit einem Gasströmungs-Einlaßrohr 27 und einem Gasströmungs- Auslaßrohr 28, gefüllt mit einem Gas, dessen Konzentration zu bestimmen ist, einer Strahlungserzeugungseinheit 22, die mit einem Kollimator 23 und einer Strahlungsquelle 24 versehen, so angeordnet ist, daß sie Röntgenstrahlen (oder γ-Strahlen) zu dem Gas in der Kammer 21 hin aussendet, einem Strahlungsde­ tektor mit einer Energie-Erkennungsfunktion aus einem Szintil­ lator 25 und einer Photoelektronen-Vervielfacherröhre 26, die so angebracht sind, daß sie keine von der Strahlungserzeugungs­ einheit 22 ausgesendeten Primär-Röntgenstrahlen erhält, sondern charakteristische Röntgenstrahlen erfaßt, die für die Gaskom­ ponente innerhalb der Kammer 21 bezeichnend sind und sich aus den von der Strahlenquelle 22 erzeugten Röntgenstrahlen ergeben, und einer Konzentrationsanzeige 29 zum Wandeln der durch den Strahlungsdetektor erfaßten Strahlung in Konzentrationswerte und Anzeigen des erhaltenen Wertes, wodurch die Konzentration der Gaskomponente in dem Gasgemisch auf Grundlage der charakte­ ristischen Röntgenstrahlen gemessen wird, die von der mit Rönt­ genstrahlen von der Strahlenquelle 24 bestrahlten Gaskomponente ausgesendet werden.

Die in Fig. 4 dargestellte Ausführung wird nun im einzelnen be­ schrieben. Die Strahlungseinheit 22 besteht aus dem Kollimator 23 aus Blei und der Strahlenquelle 24, die eine innerhalb des Kollimators 23 eingesetzte radioaktive Substanz ist, und ist an der Kammer 21 so angebracht, daß Röntgen- oder γ-Strahlen von der Strahlenquelle 24 zu dem in die Kammer 21 eingelei­ teten Gas ausgesendet werden. Es kann auch statt der Strah­ lenerzeugungseinheit 22 ein anderer Röntgen- oder γ-Strah­ lengenerator verwendet werden. Wenn die von der Strahlungs- Erzeugungseinheit 22 ausgesendeten Röntgen- oder γ-Strahlen in die mit einem zu messenden Gas gefüllte Kammer 21 eintreten, werden die das Gasgemisch bildenden Gaskomponenten zur Erzeu­ gung gleichmäßiger nach allen Seiten gerichteter charakteristi­ scher Röntgenstrahlen mit der Energie E angeregt, die für diese Gasbestandteile eigentümlich sind. Das Verhältnis der erzeugten charakteristischen Röntgenstrahlen hängt von der Gaskonzentration ab, wenn angenommen wird, daß die von der Strahlungserzeugungs­ einheit 22 ausgesendeten Röntgen- oder γ-Strahlen konstante Intensität besitzen. Wird angenommen, daß die Kammer 21 mit einem Gasgemisch z.B. aus Xenon (Xe) und Sauerstoff (O₂) gefüllt ist, so erzeugt aufgrund der von der Strahlungserzeugungseinheit 22 ausgesendeten Röntgen- oder γ-Strahlen die Xenon-Komponente charakteristische Röntgenstrahlen mit einem Energieband von 30 bis 35 keV,während die Sauerstoff-Gaskomponente charakteristi­ sche Röntgenstrahlen mit einem Energieband von 0,5 keV erzeu­ gen. Ein Teil der zwei Arten von charakteristischen Röntgenstrah­ len erreicht den Szintillator 25, der an einer Seite ein Band der Kammer 21 angebracht ist. Der Szintillator 25 ist ein Strah­ lungsdetektor mit einer Energie-Unterscheidungsfunktion. Wenn der Szintillator so eingestellt wird, daß er Strahlung mit ei­ nem Energieband von 30 bis 35 keV erfaßt, so kann er nur die von dem Xenongas erzeugten charakteristischen Röntgenstrahlen erfassen. Unter der Annahme, daß die Konzentration des Xenons in dem Gasgemisch I′ _O beträgt, wird die Photonenzahl N der charakteristischen, durch das Xenongas erzeugten Röntgenstrah­ len durch die Formel N=N _O (I′ _O ) wiedergegeben, wird folglich in einen Lichtstrahl längerer Wellenlänge im Szintillator ge­ wandelt, der dann in der Photoelektronen-Vervielfacherröhre 26 in ein elektrisches Signal gewandelt wird. Das elektrische Signal wird durch die Konzentrationsanzeigeeinheit verstärkt (z.B. einem ladungsempfindlichen Verstärker, einer Linearver­ stärkereinheit usw.) und dann der Zählschaltung weitergereicht. Damit werden die charakteristischen, durch die Xenongaskompo­ nente erzeugten und bei dem Szintillator 25 aufgetroffenen Rönt­ genstrahlen-Photonen einzeln gezählt.

Wie sich aus dieser Beschreibung ergibt, wird die Anzahl der durch die Xenongaskomponente erzeugten Röntgen-Photonen anstei­ gen, je höher die Konzentration des Xenons in dem in die Kammer 21 eingeleiteten Gasgemisch ist, und um so größer wird auch die Anzahl der auf den Szintillator 25 auftreffenden charakteri­ stischen Röntgenphotonen. Mit anderen Worten, die Konzentration des Xenons in dem Gasgemisch in der Kammer 21 und das elektrische, von der Photoelektronen-Vervielfacherröhre 26 ausgegebenen elek­ trischen Signal besitzen eine direkte Proportional-Beziehung. Diese Beziehung wird auf ein entsprechendes Signal angewendet, um damit das sich ergebende Signal an der Konzentrationsanzeige 29 als Konzentration des Xenongases anzuzeigen.

Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführung besteht das in die Kam­ mer 21 eingeleitete Gasgemisch aus Xenon und Sauerstoff. Auch hier ist das keineswegs eine Begrenzung, ähnlich wie bei dem vorher besprochenen Ausführungsbeispiel nach Fig. 2. Falls das Gasgemisch aus bekannten Gaskomponenten besteht, deren Ordnungs­ zahlen sich um eine bestimmte Zahl voneinander unterscheiden, werden charakteristische Röntgenstrahlen mit unterschiedlichen Energiebändern durch die Gaskomponenten erzeugt. Deshalb kön­ nen die Anteile von irgendwelchen Gaskomponenten in Gasgemi­ schen gemessen werden. Weiter ist in dieser Ausführung die Strahlungserzeugungseinheit 22 mit einem Kollimator 23 verse­ hen, so daß Röntgen- oder γ-Strahlen aus der Strahlungserzeu­ gungseinheit 22 indirekt zum Szintillator 25 gelangen. Auch die Verwendung des Kollimators 23 ist keineswegs obligatorisch. Irgendein Aufbau kann statt des Kollimators 23 verwendet wer­ den, wenn er nur die Primärstrahlen von der Strahlungserzeu­ gungseinheit 22 nicht direkt auf den Szintillator 25 auftref­ fen läßt.

Die Fig. 5 und 6 zeigen eine weitere Ausführung der erfin­ dungsgemäßen Gaskonzentrations-Meßvorrichtung. Die Vorrichtung besteht in dieser Ausführung aus einer Kammer 31 mit einem Gas­ strömungseinlaß 35 und einem Gasströmungsauslaß 36, die das zu messende Gas enthält, einer in der Kammer 31 aufgenommenen Plattenelektrode 37, einer Vielzahl von mit gleichem Abstand in Längsrichtung der Plattenelektrode 37 innerhalb der Kammer 31 angebrachten leitenden Drähten 38, die jeweils einem Kondensator 39 (Fig. 6) zugeordnet sind, einer Strahlungserzeugungseinheit 32, die zum Aussenden von α-Strahlen zwischen die Platten­ elektrode 37 und die leitenden Drähte 38 ausgelegt und mit einem Kollimator 33 und einer Strahlungsquelle 34 versehen ist, einer Spannungsquelle 40 zur Erzeugung einer Hochspannung zwi­ schen der Plattenelektrode 37 und jedem der leitenden Drähte 38, einem Multiplexer 41 zum aufeinanderfolgenden Ansteuern der Leitdrähte 38 zum Messen der elektrischen Ladung jedes Kon­ densators 39 der Leitdrähte 38, einem Verstärker 42 und einer Anzeigeeinheit 43 zum Anzeigen der elektrischen Ladung jedes Kondensators 39; dadurch wird die Gaskonzentration auf Grund­ lage des Bereiches von α-Strahlen gemessen, die zwischen die Plattenelektrode 37 und die leitenden Drähte 38 ausgesendet sind.

Die in den Fig. 5 und 6 dargestellte Ausführung wird nun be­ schrieben. Die Strahlungserzeugungseinheit 32 kann α-Strahlen in einer bestimmten Richtung durch das in die Kammer 31 einge­ führte Gas aussenden, sie ist an einem Ende der Kammer 31 ange­ bracht und enthält, wie Fig. 5 zeigt, den aus Blei oder gleich­ artigem Material gefertigten Kollimator 33 und die zum Aussen­ den von α-Strahlen geeignete Strahlungsquelle 34, die im Kollimator 33 sitzt. Die Strahlungsquelle 34 kann entweder eine α-Strahlen aussendende radioaktive Substanz oder ein α-Strah­ lengenerator sein. Innerhalb der Kammer 31 ist die Platten­ elektrode 37 parallel zur Ausstrahlungsrichtung der α-Strahlen von der Strahlungserzeugungseinheit 32 aufgenommen, und es sind ebenfalls eine Vielzahl von Drähten 38 vorhanden, die mit einem bestimmten Abstand von der Plattenelektrode 37 jeweils in glei­ cher Entfernung voneinander in Längsrichtung der Platten­ elektrode 37 aufgespannt sind. Damit laufen die von der Strah­ lungserzeugungseinheit 32 emittierten α-Strahlen zwischen der Plattenelektrode 37 und den Drähten 38 durch. Die Drähte 38 bestehen aus einer leitfähigen Substanz, können aber auch aus einer mit einem leitfähigen Material beschichteten Faser gebildet sein. Die Kondensatoren 39 sind einzeln mit den zu­ gehörigen Drähten 38 verbunden und am anderen Ende geerdet. Das nichtgeerdete Ende jedes Kondensators 39 ist über den Draht 38 mit dem Multiplexer 41 verbunden. Der Abfragebetrieb des Multiplexers 41 gibt die Ladungen der jeweiligen Konden­ satoren 39 nacheinander in den Verstärker 42 ein. Zwischen der Plattenelektrode 37 und den Drähten 38 ist die Spannungsquelle 40 für Hochspannung angeschlossen, so daß eine solche Spannung herrscht, daß die Drähte als Anode und die Plattenelektrode 37 als Kathode dienen können. Die Drähte 38 als Anode werden auf Pegel Null gehalten, während die Plattenelektrode als Kathode z.B. bei -3kV gehalten wird.

Wenn von der Strahlungserzeugungseinheit 32 ausgesendete α-Strahlen in die Kammer 31 eintreten, d.h. wenn sie in ei­ nem Gasgemisch zwischen der Plattenelektrode 37 und den Dräh­ ten 38 durchlaufen, verbrauchen sie allmählich ihre Energie, und verlieren ihre Energie, so daß sie nicht weiter eindringen. Der Abstand zwischen der Stelle, an der die a-Strahlen emit­ tiert werden, und der Stelle, an der die α-Strahlen infolge verbrauchter Energie nicht weiterkommen, d.h. der Bewegungs­ bereich der α-Strahlen hängt von der Masse der das Gasge­ misch bildenden Gaskomponenten ab. Falls das Gasgemisch aus bekannten Gaskomponenten gebildet ist, kann deshalb die Kon­ zentration einer Gaskomponente in dem Gasgemisch auf Grundlage der Wegstrecke oder Entfernung der α-Strahlen gemessen wer­ den.

Die durch das Gas zwischen der Plattenelektrode 37 und den Dräh­ ten 38 in der Kammer 31 hindurchtretenden α-Strahlen kolli­ dieren mit den Molekülen des Gases und verlieren bei jedem Stoß etwas von ihrer Energie. Durch die verlorene Energie wird das Gas ionisiert, erzeugt dadurch Anionen und Kationen an der Stelle, an der der Zusammenstoß mit den a-Strahlen erfolgte, und infolge der hohen Spannung der Plattenelektrode 37 als Kathode gegenüber den Drähten 38 als Anode werden die Anionen zu den Drähten 38 beschleunigt, während die Kationen zu der Platten­ elektrode 37 hin gezogen werden. Da die Kondensatoren 39 ein­ zeln an den Drähten 38 angeschlossen sind, wird jeder Konden­ sator 39 mit den Anionen aufgeladen, die den zugeordneten Draht 38 erreicht haben. Die elektrische Ladung innerhalb jedes Kon­ densators 39 wird dann unabhängig voneinander durch den Multi­ plexer 41 an den Verstärker 42 angelegt und in entsprechender Weise verstärkt. Die Anzeigeeinheit 43 zeigt die elektrischen Ladungswerte an, die den Kondensatoren 39 bei den einzelnen Drähten entsprechen. Die Laufstrecke oder der Bereich der α-Strahlen kann dann aus den an der Anzeigeeinheit 43 ange­ zeigten elektrischen Ladungen entnommen werden und damit kann die Konzentration der jeweiligen zu messenden Gaskomponente in der Kammer 31 gemessen werden.

Die Fig. 7(I) und 7(II) zeigen Wellenformen, die bezeichnend für die α-Strahlenbereiche durch einen Oszillographen ausge­ worfen werden, wobei das Gas innerhalb der Kammer 31 der Vor­ richtung nach Fig. 6 geändert wurde, und zwar wurden -2,5 kV zwischen der Plattenelektrode 37 und den Drähten 38 angelegt, es wurde eine Integration mit 1s vorgenommen, und es wurde Am 241 als Strahlungsquelle 34 verwendet.

In Fig. 7(I) zeigt die Punktreihe A eine Referenzmessung, die als Hintergrundmessung ohne Verwendung einer Strahlenquelle erhalten wurde. Die Anzeige B wurde mit luftgefüllter Kammer 31 erhalten, und die mit C bezeichnete Linie mit einem Propor­ tionalgas aus 90 % Ar und 10 % CH_4. In Fig. 7(II) ist die Punktreihe D die gleiche wie die Punktreihe C in Fig. 7(I), und die Punktreihe E wurde mit einem Gasgemisch enthalten, das 26,6 % Ar, 10,5 % CH₄ und 62,9 % He enthielt. Dabei sind die einzelnen Punkte der Fig. 7(I) und 7(II) entsprechend den Drähten 38, und so kann die von den α-Strahlen zurückgelegte Weglänge gesehen werden. Wie sich aus den Fig. 7(I) und 7(II) ergibt ändert sich die Bewegungslänge der α-Strahlen in Ab­ hängigkeit von der Gaskonzentration, und durch Messen der Weg­ längenänderungen der α-Strahlen kann die Gaskonzentration be­ stimmt werden. Damit ist gezeigt, daß es auf ein bestimmtes Gas nicht ankommt.

So ist einzusehen, daß durch die Erfindung eine sofortige Mes­ sung der Konzentration irgendeines Gases mit hoher Genauigkeit durch einen einfachen Aufbau unter Benutzung von Strahlung möglich ist.

Claims (2)

1. Verfahren zum Messen der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch aus bekannten Gaskomponenten mit Ord­ nungszahlen, die sich um eine bestimmte Zahl unterscheiden, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaskomponente mit einer Strahlung ausschließlich α-Strahlen bestrahlt wird, wobei der Strahlung das Hindurchtreten durch die Gaskompo­ nente in einem vorbestimmten Abstand zugelassen wird, daß mit einem Strahlungsdetektor mit Energie-Unterscheidungs­ funktion eine Messung der Strahlung vorgenommen wird, die den vorgeschriebenen Abstand durchlaufen hat, und daß die Konzentration der Gaskomponente auf Grundlage der Strahlungsschwächung während des Durchlaufes durch die Gas­ komponente gemessen wird.

2. Vorrichtung zum Messen der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, das aus bekannten Gaskomponenten mit sich durch eine bestimmte Zahl unterscheidenden Ordnungszah­ len zusammengesetzt ist, dadurch gekennzeich­ net, daß eine Kammer (2; 6; 21; 31) vorgesehen ist mit Einlässen (9; 27; 35) und Auslässen (10; 28; 36) für die Gaskomponente und gefüllt mit dem Gasgemisch, daß eine Strahlungs-Erzeugungseinheit (1, 5, 22, 32) zur Be­ strahlung des Gasgemisches mit einer keine α-Strahlen ent­ haltenden Strahlung vorgesehen ist, daß ein Strahlungsdetektor (3; 7, 8; 25, 26; 37, 38, 39) mit vorgeschriebenem Abstand von der Strahlungserzeugungs­ einheit (1; 5; 22; 32), der Strahlungserzeugungseinheit zuge­ wendet, vorgesehen ist, der eine Energieunterscheidungsfunk­ tion besitzt, und zum Erfassen der durch die Gaskomponente ge­ schwächten Strahlung ausgelegt, und daß eine Konzentrations-Anzeige (4; 11; 29; 43) zum Wandeln der durch den Strahlungsdetektor (3; 7, 8; 25, 26; 37,38, 39) erfaßten Strahlung in Konzentrationswerte und zum Anzeigen der gewandelten Konzentrationswerte vorgesehen ist.