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Anordnung zum messen des Zeitintegrals veränderlicher schwacher Gleichströme,
besonders in der Röntgendosimetrie In der neueren und neuesten - Zeit hat sowohl
bei Laboratoriumsarbeiten als auch in der praktischen Technik, besonders auch in
der Röntgendosimetrie, sehr oft die Aufgabe vorgelegen, das Zeitintegral= außerordentlich
schwächer, veränderlicher Ströme, worunter Ströme der Größenordnung ro-lo Amp. und
darunter zu verstehen sind, mit sehr großer Genauigkeit zu messen.
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Dafür ist es bereits bekannt, bei Röntgendosimetern, die auf der Bestimmung
des Ionisationsstromes einer bestrahlten Ionisationskammer beruhen, den Ionisationsstrom
durch Drei-Elektroden-Röhren zu verstärken, Zählwerke vorzusehen und den verstärkten
Strom mittels eines Gleichstrominstrumentes zu messen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ausführung solcher
Messungen. Die Anordnung nach der Erfindung besteht aus einem großen Ohmschen Widerstand,
in welchem der Strom, dessen Zeitintegral gemessen werden soll, einen Spannungsfall
erzeugt, der ein Röhrenvoltmeter= in Kompensationsschaltung beeinflußt, dessen Kompensationsspannung
oder eine hiermit proportionale Spannung einen Gleichstromzähler beeinflußt, so
daß dieser eine mit dem gesuchten Zeitintegral proportionale Größe registriert.
Unter einem Röhrenvoltmeter versteht man eine Anordnung, die aus einer Drei- und
Mehr-Elektroden-Röhre, in deren Gitterkreis die unbekannte Spannung in Serie mit
einem zu ihrer Kompensierung dienenden Potentiometer geschaltet wird, und einem
in den Anodenkreis geschalteten, bei der Kompiensierung als Nullinstrument dienenden
Galvanometer besteht.
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Auf der Zeichnung zeigt: Abb. t ein Schema für das an sich bekannte
R@öhrenvöltmeter mit Kompensationsschaltung, Abb. z ein Schema für eine besonders
in der Röntgendosimetrie .anwendbare Ausführungsform der vorliegenden Anordnung.
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In Abb. z bezeichnet L, L eine Leitung, in welcher der schwache
Strom i fließt, der gemessen werden soll, und in welchem ein Ohmscher Widerstand
R eingeschaltet ist, in welchem der Strom i einen Spannungsfall erzeugt, der mittels
des Röhrenvoltmeüers kompensiert werden soll. Dieses letztere besteht aus einer
Drei- und Mehr-Elektroden-Röhre, in deren Gitterkreis zwischen den Klemmen a und
b der Widerstand I? in Serie mit einem Teil !( der Potentiometerschaltung
geschaltet ist, die aus einem Widerstand P mit Gleitkontakt besteht und an eine
Batterie
angeschlossen ist. Die Kompensationsspan-, nung kann an
einem zwischen den Klemmen b und c des Potentiometerwiderstandes eingeschalteten
Voltmeter V abgelesen werden. Zeigt das Voltmeter die Spannung E, wenn die Kompensation
erreicht ist, d. h. wenn der Spannungsunterschied zwischen den Punkten a und
b Null ist, so ist E=Ri, so daß man i finden kann, wenn R bekannt ist.
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Die Klemmen a und b sind mit je einer Klemme x bzw: y verbunden, die
wieder mit dem Glühdraht i bzw. dem Gitter a in der Röhre, deren Anode mit 3 bezeichnet
ist, verbunden sind. Von der Anode geht der Anodenstrom durch ein Galvanometer G
mit veränderlichem Nebenschlußwiderstand S und eine Batterie q. zurück zum Glühdraht
i, dessen Heizbatterie nicht dargestellt ist. In den Gitterkreis ist eine Spannungsquelle
e geschaltet, die dem Gitter eine negative Vorspannung gibt, so daß das Gitter während
der Messung soweit wie möglich stromlos ist. Die Kompensation selbst geht in folgender
Weise vor sich: Man bringt die Punkte x und y auf das gleiche Potential, z. B. dadurch,
daß man sie mittels eines zwischen ihnen eingeschalteten Schalters A kurzschließt
und am Galvanometer Q abliest. Mittels des veränderlichen Nebenschlußwiderstandes
kann man den Ausschlag auf einen bestimmten, evtl. besonders gekennzeichnetes. Teilstrich
einstellen. Man unterbricht nun den Kurzschluß bei A und verschiebt den Potentiometerkontakt,
bis das Galvanometer wieder den gleichen Ausschlag wie vorher zeigt. Der Spannungsunterschied
zwischen x und y ist dann Null, und die Kompensation ist erreicht. An Stelle einer
einzelnen Röhre kann das Röhrenvoltmeter zur Erreichung größerer Empfindlichkeit
zwei oder mehrere Röhren in Kaskade enthalten, indem in den Anodenstrom der ersten
Röhre ein Ohmscher Widerstand geschaltet ist und der Spannungsfall an diesem Widerstand
die Gitterspannung in der nächsten Röhre beeinflußt usw.
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Zum Messen des Zeitintegrals des Stroms i werden die Klemmen b und
C des Potentiometerwiderstandes mit einem geeigneten Gleichstromzähler verbunden,
so daß dieser eine mit
Edt proportionale Größe registriert, welche unter der Voraussetzung, daß die Kompensation
ständig aufrechterhalten wird, also auch mit dem gesuchten Integral
idt proportional ist.
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Eine besondere Form der Anordnung zum Gebrauch in der Röntgentherapie
zum Messen der erteilten Dosis ist schematisch in Abb. z gezeigt.
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In dieser Abbildung ist J eine Ionisationskammer aus leitendem, von
den Röntgenstrahlen leicht durchdringbareni Material, z. B. dünnem Aluminium. Die
Ionisationskammer, welche mit Luft oder mit anderen Gasen gefüllt ist, wird von
der Röntgenröhre 7 bestrahlt. Die innere Platte der Ionisationskammer, zu welcher
eine isolierte Leitung durch die ;äußere Wandung führt, wird durch eine Batterie
5 auf einer konstante. Spannung gegen die ,äußere Wandung gehalten., so daß, wenn
der Luftinhalt der Kammer mehr oder .minder unter der Beeinflussung der Röntgenstrahlen
ionisiert ist, ein Ionisationsstrom i entsteht, der den Widerstand R durchströmt,
der in gleicher Weise, wie in Abb. r gezeigt, zu dem Gitterkreis des Röhrenvoltmeters
gehört.
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An die Kompensationsspannung ist der Gleichstromzähler M angeschlossen,
indem er einerseits über einen der Widerstände r1, r2, r3 oder r4 mit der Klemme
e, anderseits ummittelbar mit der Klemme b verbunden ist. Wird einer der Widerstände,
z. B. r2, fest eingeschaltet gehalten, so wird die Angabe des Zählers sowohl mit
der Kompensationsspannung, und dadurch mit dem Ionisationsstrom i, als auch mit
der Zeit proportional sein; die Angabe des Zählers ist daher proportional mit Strahlenintensität
mal Zeit, also mit der Röntgendosis, unter der Voraussetzung, daß der Ionisationsstrom
und die Strahlenintensität proportional sind, welches annähernd erreicht werden
kann. Da die Strahlenintensität sich meistens während der in der Röntgentherapie'angewendeten,
recht langwierigen Bestralilungen ändert, da ferner der Härtegrad der Röntgenröhre
sowie die zum Betrieb der Röntgenröhre ,angewendete Spannung sich ändern können,
muß man während der Bestrahlung ständig am Kontakt des Potentiometerwiderstandes
stellen, damit das Galvanometer ständig Kompensation zeigt. Der Zähler M wird dann
beim Abschluß. der Bestrahlung die gesamte erteilte Dosis angeben. Weiter kann man
mittels bekannter Hilfsmittel den Zähler M periodisch nach Durchgang einer gewissen
Elektrizitätsmenge (bei Motorzählern nach einer gewissen Anzahl Ankerdrehungen)
ein optisches oder aku-. stisches Signal auslösen oder eine elektrische Kontaktanordnung
beeinflussen lassen, welch letztere wiederum ein Signal auslöst, die angeben, daß
eine gewisse Dosis D erteilt worden ist. Schaltet man nun den Widerstand r3 in den
Zählerkreislauf an Stelle r2 und ist r3 so viel größer als r2, daß der Zähler M
bei der gleichen Kompensationsspannung nur halb so schnell wie vorher
geht,
so wird das Signal erst ausgelöst werden, nachdem die Dosis z D erteilt ist. An
dem Rheostaten mit den Widerständen r1, r2 usw. kann man also bei einer derartigen
Einrichtung am Anfang der Behandlung die gewünschte Dosis einstellen. Der Zähler
M wird dann ein Signal auslösen, wenn diese Dosis erteilt ist.
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An Stelle der Auslösung eines Signals kann man den Zähler M die Stromzufuhr
zur Röntgenröhre unterbrechen lassen, wenn die gewünschte Dosis gegeben ist, so
daß eine Überdosierung auf Grund von Irrtümern in größtmöglichem Grade ausgeschlossen
ist. Die veränderliche Geschwindigkeit des Zählers M kann außer durch Einschaltung
von Serienwiderständen ri, -r2 ganz oder teilweise auch durch Nebenschluß.widerstände
erreicht werden.
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Anstatt dem Zähler verschiedene Geschwindigkeiten mittels veränderlicher
Widerstände zu geben, kann man die Zählergeschwindigkeit für eine gegebene Kompensationsspannung
konstant halten und die Auslösung eines Signals oder eines Relaisstromes nach der
gewünschten Dosis durch mechanische Einstellung des Auslösemechanismus im Zähler
auf beliebige, bekannte Weise erreichen, beispielsweise dadurch, daß ein vom Zähler
bewegter Kontakt erst einen Lokalstromkreis nach Zurücklegung einer gewissen einstellbaren
Weglänge schließt.
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Der Vollständigkeit halber wird bemerkt, daß die den Zähler durch
einen Widerstand beeinflussende Spannung nicht die Kompensationsspannung selbst
zu sein braucht, sondern eine andere hiermit proportionale Spannung sein kann.
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Eine sehr wesentliche Eigentümlichkeit bei der vorliegenden Anordnung
besteht darin, daß der Widerstand R, im Gegensatz zu den bisher bekannten Meßanordnungen
mit Röhrenvoltmeter, fest in den Gitterkreis eingeschaltet ist, so daß er auch bei
Bestimmung der Anfangsstellung des Anodengalvanometers zum Gitterkreis gehört, in
diesem Falle natürlich jedoch ohne den Strom, der gemessen werden soll, zu führen.
Hierdurch wird es möglich, den Einfluß zu eliminieren, den der Gitterstrom der Röhre
und gewisse Ableitungsströme auf das Meßresultat haben können, so daß es möglich
wird, selbst außerordentlich schwache Ströme korrekt zu messen, d. h. ohne das Resultat
des genannten Einflusses korrigieren zu müssen.
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Die nähere Erklärung dieses Verhaltens geht aus folgender Beschreibung
des Verfahrens beim Messen mit der in Abb. z gezeigten Anordnung hervor.
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Vor Bestrahlung der Ionisierungskammer wird der bewegliche Kontakt
des Spannungsteilers auf die Spannung Null (in der Abbildung ganz links) eingestellt,
so daß der Spannungsteiler keine Spannung in den Gitterkreis einführt. Im Widerstand
R tritt dann ein Spannungsfall auf, der in erster Linie von dem Gitterstrom der
Röhre herrührt. Dieser Spannungsabfall ist bei dieser Schaltung im allgemeinen nicht
unbedeutend, selbst wenn das Gitter mittels der konstanten Spannung e negativ gehalten
wird, da der Widerstand R so groß gewählt werden muß, daß der schwache Ionisierungsstromeinen
erkennbaren Spannungsfall darin hervorrufen kann, so daß also auch der schwache
Gitterstrom im allgemeinen einen :erkennbaren Spannungsfall an R hervorrufen wird.
In zweiter Linie werden gegebenenfalls auch Strömei, die von Isolationsfehlern in
-der Anordnung herrühren, einen gewissen Spannungsfall an R erzeugen. Unter diesen
Verhältnissen wird das Anodengalvanometer G einen gewissen Ausschlag zeigen, den
man mit Vorteil bei Regelung an dem veränderlichen Nebenschluß S so ändert, daß-
der Zeiger des Galvanometers auf einen besonders markierten Teilstrich zeigt, so
daß die Anfangsstellung des Galvanometers leicht erkennbar ist. Wird nun die Ionisationskammer
bestrahlt, so ruft der Ionisationsstrom einen weiteren Spannungsfall an R hervor,
so daß die Gitterspannung und damit der Anodenstrom sieh ändert. Mittels des Spannungsteilers
führt man nun eine solche Zusatzspannung (Kompensationsspannung) in den Gitterkreis
ein, daß: das Anodengalvanometer wieder seine Anfangsstellung .einnimmt. Dann muß
die Gitterspannung (gegenüber der Kathode) und daher auch der Gitterstrom derselbe
sein wie vor der Bestrahlung; die zugeführte Kompensationsspannung ist also gerade
gleich mit dem Teil dies Spannungsfalles in R, der allein durch den Ionisationsstrom
erzeugt ist. Der Ausschlag am Voltmeter V, der die - Kompensationsspannluig angibt,
ist daher genau proportional mit dem Ionisationsstrom, und dieses Instrument kann
daher mit Skalenteilungen entsprechend den Einheiten des Ionisationsstromes versehen
werden, da die Abhängigkeit des Instrumentausschlages vom Ionisationsstrom durch
die Größe des Widerstandes R vollständig bestimmt ist und von der Charakteristik,
dem Gitterstrom und den übrigen Eigenschaften der verwendeten Röhre unabhängig ist.