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Vorrichtung zur Messung schwacher elektrischer Ströme vermittels eines
als Relais ausgebildeten Elektrometers, dessen beweglicher Teil bei Erreichung einer
bestimmten Spannung gegen einen Kontakt stößt Es ist bekannt; schwache elektrische
Ströme, z. B. Ionisationsströme, wie solche in Gasstrecken unter dem Einfluß ionisierender
Strahlen, z. B. Röntgenstrahlen, hervorgerufen werden, in der Weise zu messen, daß
man ein isoliertes System sich auf- oder entladen läßt und die Anzahl der Auf- bzw.
Entladungen in der Zeiteinheit beobachtet.
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Es sind bereits Vorrichtungen bekannt (Hammerdosimeter nach Patent
366 858), bei denen der bewegliche Teil eines Elektrometersystems, z. B. ein elastischer
Draht oder ein Blättchen, der als Kontakt ausgebildet ist, beim Erreichen einer
bestimmten Spannung entweder den Stromkreis eines elektromagnetischen Relais schließt
oder ein weiteres elektrostatisches Relais steuert, das die Meßeinrichtung, z. B.
ein Zählwerk o. dgl., bedient.
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Bei Verwendung eines Kontaktelektrometers ist man gezwungen, ein verhältnismäßig
grobes Gerät zu benutzen, dessen Kontakte ohne Schaden einen verhältnismäßig starken
Strom aushalten können und auch den auftretenden Funken ertragen. Da die elektrometrischen
Kräfte, die hierbei zur Verfügung stehen, sehr gering sind, so sind die rückführenden
Kräfte entsprechend klein. Die Verschweißung, die beim Schließen des Kontaktes auftritt,
ist dann bereits so erheblich, daß das bewegliche Elektrometerblättchen nicht von
.selbst wieder in die Ruhelage zurückkehrt. Es ist viehmehr erforderlich, das Blättchen
durch eine nach jeder Kontaktgebung in Tätigkeit tretende Abstoßvorrichtung von
dem Gegenkontakt abzureißen und in die Ruhelage zurückzuführen. Das verhältnismäßig
grobe Relais besitzt eine entsprechende Trägheit. Eine weitere Verzögerung tritt
nach jedem Kontakt durch die erforderliche mechanische Abstoßung ein. Es ist daher
nicht möglich, die Kontaktzahlen stark zu steigern, und der Empfindlichkeit des
Gerätes sind verhältnismäßig enge Grenzen gesetzt.
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Es steht nun eine zweite Gruppe von Elektrometern zur Verfügung, die
höchst empfindlich und völlig trägheitslos gestaltet werden können, das sind die
Fadenelektrometer. Sie können für alle Grade der Empfindlichkeit von Bruchteilen
eines Volt bis zu mehreren zooo Volt pro Skalenteil hergestellt werden. Allerdings
erfordert die hohe Empfindlichkeit des Fadens Maßnahmen, die verhindern, daß im
Faden selbst ein Stromübergang stattfindet, da die geringste Verschweißung den Faden
zerstören würde. Es ist also nicht möglich, den anspringenden Faden unmittelbar
als Kontaktglied zu benutzen. Hier setzt nun die Erfindung ein, die durch die Kombination
eines Elektrometers mit einer Elektronenröhre die Vorteile beider Systeme miteinander
vereinigt, ohne daß hieraus irgendwelche Nachteile entstehen.
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Die Erfindung besteht in einer Vorrichtung zur Messung schwacher elektrischer
Ströme vermittels eines als Relais ausgebildeten Elektrometers, dessen beweglicher
Teil bei, Erreichung
einer bestimmten Spannung gegen einen Kontakt
stößt. Erfindungsgemäß dient als Elektrometer ein Einfadenelektrometer, dessen Faden
derart bemessen ist, daß er unter der Einwirkung einer elastischen Direktionskraft
Schwingungen von mindestens einer der technischen Wechselstromfrequenz entsprechenden
Frequenz.ausführen kann und daß durch das Anstoßen des Elektrometerfadens an den
Kontakt der mit dem Kontakt verbundene Gitterkreis einer Dreielektrodenröhre, in
deren Anodenkreis ein Anzeigeinstrument liegt, beeinflußt wird.
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Man hat bei ähnlichen Meßgeräten - bereits vorgeschlagen, als Relais
Elektronenröhren zu verwenden, 'da diese bekanntlich völlig trägheitslos arbeiten.
Die bisher bekanntgewordenen Schaltungen haben aber den erheblichen Nachteil, daß
das Gitter der Elektronenröhren unmittelbar mit dem Stift der Ionisationskammer
verbunden ist. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, das Gitter der Röhre hoch zu
isolieren, was nicht ohne weiteres möglich ist. Ein weiterer Nachteil dieser Anordnung
ist, daß durch das unstetige Verhalten der Röhre das ATeßergebnis ungenau wird.
Sämtliche Daten der Röhre gehen in die Messung ein. Bei der Anordnung nach der Erfindung
ist die Isolation des Gitters der Röhre ohne jeden Einfluß auf das Meßergebnis,
da während einer Messung das Elektrometersystem und die Röhre keine Verbindung miteinander
haben. Während also bei den bekannten Einrichtungen dieser Art die Elektronenröhre
einen Teil des Meßsystems bildet und daher mit ihrer Konstanten das Meßergebnis
beeinflußt, ist die Röhre bei der vorliegenden Erfindung nur als trägheitsloses
Relais zur Weitergabe eines Impulses verwendet.
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Durch die gemäß der Erfindung sichergestellte trägheitslose Weitergabe
der einzelnen Impulse des Elektrometerfadens läßt sich nun auch die Zahl der Impulse
so weit steigern, daß sie sich mit Frequenzmeßverfahren messen läßt. Dadurch wird
es möglich, die durch das Kontaktelektrometer hervorgerufenen Stromstöße einem Frequenzmeßgerät
zuzuführen, so daß man an dessen Skala die Intensität des zu messenden schwachen
elektrischen Stromes unmittelbar ablesen kann. Die Skala dieses Frequenzmessers
kann dann unter Berücksichtigung der Konstanten des Elektrometers unmittelbar in
Einheiten des zu messenden Stromes oder in Einheiten der Strahlung, die diesen schwachen
Strom hervorgerufen hat, geeicht werden. Im Falle von Röntgenstrahlen würde man
das Frequenzmeßgerät also zweckmäßig in internationalen Röntgeneinheiten pro Sekunde
eichen.
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Sollte die Frequenz in besonderen Fällen noch zu niedrig sein, so
könnte man sie durch die bekannten Frequenzvervielfachungsverfahren auf das gewünschte
Maß steigern, Um bei sehr schwachen elektrischen Strömen eine hinreichende Anzahl
von Kontaktgebungen des Elektrometers pro Sekunde zu erreichen, muß das Elektrometer
naturgemäß sehr empfindlich sein. Zur Steigerung der Empfindlichkeit sind erfindpngsgemäß
noch besondere Hilfselektroden im Elektrometer - angeordnet, die, ohne die sichere
Funktion des Kontakt elektrometers zu beeinträchtigen, eine wesentlich größere Empfindlichkeit
desselben herbeiführen.
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Gegenüber denjenigen Vorrichtungen, bei denen der schwache elektrische
Strom eine Potentialdifferenz eines mit dem Gitter einer Elektronenröhre unmittelbar
verbundenen Teiles bewirkt, hat die Vorrichtung gemäß der Erfindung sehr weitgehende
Vorteile. Bei den bekannten Vorrichtungen dieser Art wird das Gitter negativ aufgeladen-und
sperrt alsdann den Durchgang des Anodenstromes. Diese negative Spannung des Gitters
wird dann zum Verschwinden gebracht, und in dem Augenblick, wo diese negative Spannung
bis auf einen bestimmten Betrag abgesunken ist, setzt der Anodenstrom ein. Der Augenblick
des Einsetzens des Anodenstromes hängt von dem Knick in der' Anodenstrom-Gitterspannungsb'urve
der Röhre ab. Die Lage dieses Knickes in der Kurve wird sehr stark durch die jeweilige
Höhe der Anoden- und Heizspannung beeinflußt.
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Demgegenüber kann bei der Vorrichtung nach der Erfindung die Röhre
auf dem geraden Teil ihrer Charakteristik arbeiten; denn durch das Anspringen -des
Blektrometerfadens wird ein Absinken und Wiederansteigen der- Spannung am Gitter
der Elektronenröhre. hervorgerufen, d. h. die Röhre arbeitet im vorliegenden Falle
genau wie jede andere Versiärkerröhre. Befindet sich also der Arbeitspunkt der Röhre
einigermaßen in der Mitte der Charakteristik, so bleiben selbst noo°/oige Schwankungen
der Anoden- und Heizspannung völlig bedeutungslos für das Meßergebnis.
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Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung beschrieben.
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Fig. i bis 3 zeigen Schaltbilder solcher Ausführungsformen.
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In Fig. i ist i eine Spannungsquelle von z. B. noo Volt, deren negativer
Pol mit der Innenwand einer fingerhutförmigen, aus strahlungsdurchlässigem Material
hergestellten Kammer verbunden ist. Diese Kammer 33 ist durch ein Isolationsstück
z verschlossen, durch das der Stift 3 hindurchgeht, der mit einem Elektrometerfaden
q. leitend verbunden ist. Dieser Elektrometerfaden q. ist an seinem unteren Ende
durch eine Quarzschleife 5 gespannt. In der Mitte des Fadens q. ist in geringem
Abstand von diesem eine Schneide 6 angeordnet, die mit dem Gitter -7 einer
Elektronenröhre 8 verbunden
ist. Das Gitter dieser Elektronenröhre
ist ferner über einen Widerstand g geerdet und mit dem negativen Pol der Batterie
ii verbunden, die die Kathode io heizt. Die Anode 12 ist über die Primärwicklung
eines Transformators 16 mit dem einen Pol der Anodenbatterie 15 verbunden, deren
anderer Pol mit der Kathode der Röhre verbunden ist.
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Falls nun z. B. Röntgenstrahlen auf die Kammer 33 fallen, so durchdringen
sie diese und ionisieren die in ihr eingeschlossene Luft. Infolgedessen wird die
negative Ladung von der Innenwand der Kammer auf den Stift 3 hinübergetragen, so
daß sich dieser und der Elektrometerfaden 4 allmählich auflädt. Da die Schneide
6 geerdet ist, so tritt zwischen ihr und dem Faden eine Anziehungskraft auf, die
zunimmt, je höher die Spannung des Fadens 4 wird. Bei einer ganz bestimmten Spannung,
die von den elastischen Eigenschaften des Fadens und namentlich der Quarzschleife
5 abhängt, überwiegt die elektrische Anziehung zwischen 4 und 6 die Richtungskraft
der Quarzschleife, und der Faden 4 springt gegen die Schneide 6. In diesem -Augenblick
gibt er seine negative Ladung an die Schneide 6 und damit das Gitter 7 der Elektronenröhre
ab. Das Gitter wird also zunächst negativ; im nächsten Augenblick fließt aber diese
Spannung über den Widerstand g zur Erde ab. Dementsprechend erfolgt also eine Anodenstromschwankung,
die sich durch den Transformator 16, 17 auf die Apparate 13 und 14 überträgt und
diese betätigt. Durch das Anspringen an die Schneide 6 hat aber der Faden seine
ganze Ladung abgegeben und muß daher sofort wieder in seine Ruhelage zurückkehren.
Da die Rufladung in der Kammer 33 kontinuierlich fortgeht, so wird sich nach kurzer
Zeit das Spiel wiederholen.
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Es ist nun möglich, durch geeignete Wahl der elastischen Eigenschaften
des Elektrometersystems, der Kapazität desselben und des Abstandes zwischen Faden
4 und Schneide 6 zu erreichen, daß dieses Anspringen des Fadens z. B. 8- bis 3omal
in der Sekunde erfolgt. Das ist eine Frequenz, wie sie technischen Wechselströmen
entspricht. Es ist daher auch ohne weiteres möglich, als Instrument 13 einen der
gebräuchlichen technischen Frequenzmesser zu verwenden.
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Fig. 2 zeigt eine Abänderung der Schaltung. Der Unterschied zwischen
den beiden Schaltungen besteht darin, daß die Schneide 6 hier nicht unmittelbar
mit dem Gitter 7 der Röhre verbunden ist, sondern unter Zwischenschaltung eines
Kondensators 21. Ferner ist die Batterie i jetzt nicht mit der Xammerinnenwand,
sondern mit der Schneide 6 verbunden, und zwar ist ihr positiver Pol über einen
Widerstand 22'mit der Schneide 6 verbunden. Die Innenwand der Kammer 33 ist dabei
geerdet. Das Gitter 7 der Elektronenröhre 8 ist ebenfalls über einen Widerstand
g geerdet und mit der Kathode verbunden. Im übrigen ist in den Anodenkreis der Röhre
wieder ein Transformator 16, 17 und in dessen Sekundärwicklung wieder Zähler und
Anzeigeinstrumente 13, 14 eingeschaltet.
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Die Schneide 6 befindet sich also auf dem Potential der Batterie i,
z. B. von ioo Volt. Wenn der Elektrometerfaden 4 zunächst keine Ladung hat, so wird
er von der Schneide angezogen und lädt sich bei Berührung mit dieser positiv auf.
Sobald er sich aufgeladen hat, ,wird er von der Schneide abgestoßen und kehrt daher
in seine durch die elastischen Eigenschaften der Quarzschleife 5 bedingte Ruhelage
zurück.
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Wird nun die Kammer 33 wieder von Röntgenstrahlen getroffen, so fließt
die auf dem Stift 3 befindliche Ladung allmählich ab. Mit der Erniedrigung der Spannung
am Stift 3 sinkt auch die Spannung des Fadens 4, und damit tritt wieder eine Anziehungskraft
zwischen dem Faden 4 und der Schneide 6 auf. In einem bestimmten Augenblick ist
diese Anziehungskraft dann so groß geworden, daß der Faden 4 gegen die Schneide
6 anspringt. Hierbei ergänzt der Faden wieder seine Spannung auf die normale Höhe
und kehrt in seine Ruhelage zurück. Da in die Verbindung von der Batterie i `zur
Schneide 6 aber der hohe Widerstand 22 eingeschaltet ist,' so sinkt im Augenblick
des Anspringens des Fadens die Spannung der Schneide 6 um einen geringen Betrag.
Gleich darauf wird durch das Nachströmen der Elektrizität von der Batterie durch
den Widerstand die Spannung wieder auf ihren ursprünglichen Betrag gebracht. Es
entsteht also ein kurzes Absinken und Wiederansteigen der Spannung auf der einen
Belegung des Kondensators 21. Diese Spannungsschwankung pflanzt sich durch den Kondensator
ungehindert auf das Gitter der Elektronenröhre 7 fort, die eine entsprechende Schwankung
des Anodenstromes zur Folge hat. Diese Schwankung des Anodenstromes wird nun dazu
benutzt, die Anzeigeinstrumente 13 und 14 zu steuern. Falls sie dazu nicht ausreicht,
wird sie zunächst mit einer oder mehreren weiteren Verstärkerstufen bis auf die
gewünschte Größe verstärkt. Da diese Weiterverstärkung allgemein bekannt ist, ist
sie in der Zeichnung nicht dargestellt. Auch bei dieser Schaltung ist es ohne weiteres
möglich, die Zahl der Kontaktgebungen des Fadens 4 und der Schneide-6 so weit zu
steigern, daß sie mit den üblichen Frequenzmeßverfahren meßbar wird.
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Fig. 3 zeigt wieder eine Fingerhutkammer in Verbindung mit einem Fadenelektrometer.
Dieses Fadenelektrometer besteht z. B. aus einem am Punkt 48 eingespannten elastischen
Draht,
dessen anderes Ende frei ist. (Es läßt sich natürlich auch
die Anordnung des Elektrometerfadens gemäß Fig. i und 2 verwenden.) In der Mitte
dieses Drahtes befinden sich zwei Platten 49, 5o, die auf entgegengesetztes Potential
aufgeladen werden können. In der Nähe des freien Endes des Fadens befindet sich
ein Kontakt 51. Die Platte 5o habe nun z. B. eine Spannung von - Zoo Volt, die Platte
49 eine solche von -i- 400 Volt. Der Kontakt 51 steht nun über einen Widerstand
22 wieder mit dem positiven Pol einer Batterie i in Verbindung. Die gesamte weitere
Schaltung mit Kondensator 21 zum Gitter 7 einer Elektronenröhre entspricht genau
derjenigen der Fig.2. Auch die Arbeitsweise ist ganz ähnlich, nur daß hier durch
die beiden Platten 49, 5o die Gleichgewichtslage des Fadens 44 sehr viel labiler
ist als in dem ersten Falle, so daß bereits eine geringere Spannungsdifferenz ihn
aus seiner Ruhelage und zum Anspringen an den Kontakt 51 bringt. Der Faden habe
zunächst kein Potential. Dann wird die Anziehung gegen die Platte 49 überwiegen,
und der Faden wird mit seinem unteren Ende gegen den Kontakt 51 schlagen. Dadurch
wird er auf die Spannung ioo Volt aufgeladen, und sobald er nun durch seine Elastizität
zurückschwingt, kommt er in die Mitte zwischen beide Platten 49 und 50 zu
stehen und befindet sich dann dort im elektrischen Gleichgewicht, weil die Spannungsdifferenz
zwischen dem Faden einerseits und der li linken sowie rechten Platte andererseits
genau die gleiche, nämlich 300 Volt, ist. Damit der Faden beim Abspringen
vom Kontakt 51 nicht zu weit gegen die Platte 50 hin schwingen kann, ist
noch am Punkt 48 eine kleine Beruhigungsfeder 52 angebracht.
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Sobald sich nun durch Abfließen der Elektrizität vom Stift 3 zur geerdeten
Kammerwand 33 die Spannung des Fadens 44 vermindert, wird auch das elektrische Gleichgewicht
gestört, und die Anziehung von der Platte 49 wird größer als die Anziehung der Platte
5o. Infolgedessen springt der Faden 44 gegen den Kontakt 51. Die weiteren Folgen
dieses Anspringens an den Kontakt 51 sind bereits im Anschluß an Fig. 2 ausführlich
geschildert worden.