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Entladungsrohr zum Nachweis und/oder zur Messung von sichtbarer und/oder
ultraroter Strahlung Die Erfindung bezieht sich auf Entladungsrohre zum Nachweis
undloder zur Messung von Strahlungsenergie. Derartige Entladungsrohre sind als Zählrohre
bekanntgeworden und bereits mit Erfolg im ultravioletten Spektralbereich (<
3000 ÄE) angewandt worden.
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Diese bekannten Zählrohre weisen, wie in Abb. i schematisch dargestellt,
folgenden grundsätzlichen Aufbau auf In einem gasgefüllten, z. B. mit Wasserstoff
von einigen Zentimeter Flg S-Druck, Gefäß i befindet sich ein Zylinder 2, in .dessen
Achse ein dünner Metalldraht 3 .angebracht ist. Zwischen Zylinder :2 und Draht 3
ist eine Spannungsquelle q. über einen hohen Widerstand 5, z. B. io9 ,Q, und einen
kleineren Widerstand 6 angeschlossen. Die bei Einstrahlung erfolgenden Entladungsstöße
zwischen z und 3 erzeugen an dem Widerstand 6 Spannungsstöße, die mittels des Elektrometers
7 nachgewiesen werden können. Hierbei ist die Zahl der pro Zeiteinheit erfolgenden
Stromstöße proportional der einfallenden Strahlungsintensität.
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Es hat sich herausgestellt, daß derartige Zählrohre im violetten,
sichtbaren und ultraroten Spektralbereich versagen. Denn versieht man etwa den Kathodenzylinder
2 mit einer lichtelektrisch wirksamen Schicht, so daß bei Bestrahlung mit unsichtbarem
Licht Elektronen ausgelöst werden, so tritt zwar ein Effekt auf, jedoch ist das
Rohr in hohem Maße eigenerregt, d. h. es zeigt auch im Dunkeln, besonders aber nach
erfolgter Belichtung, derart viele Stöße, daß eine weitere Messung unmöglich gemacht
wird.
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Umfangreiche Versuche führten zu der der Erfindung zugrunde liegenden
Erkenntnis, daß die Eigenerregung durch die in der Zählrohrentladung entstehenden
positiven Ionen, z. B. Protonen, hervorgerufen wird, die sich auf der lichtempfindlichen
Kathode als Ionen
ansiedeln und dadurch die Austrittsarbeit an einzelnen
Stellen ganz wesentlich heruntersetzen. Die Folge davon ist, daß der Elektronenaustritt
an diesen Stellen derart begünstigt wird, daß auch im Dunkeln Elektronen emittiert
werden. Jedes dieser im Dunkelft emittierten Elektronen zündet nun genau so: wie
ein durch die eingestrahlte Energie ausgelöstes Photoelektron eine Entladung. Die
Folge davon ist, daß eine Eigenerregung einsetzt und die Entladung nicht mehr abreißt.
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_ Wie festgestellt wurde, .tritt der Effekt der l?igenerregung besonders
intensiv bei Kathodenmaterialien kleiner Austrittsarbeit auf, wie sie für den Nachweis
der Strahlungsenergie des sichtbaren Spektralgebietes erforderlich sind. also wenn
z. B. als Photokathode eine an sich bekannte Cäsiunikathode benutzt wird, bei der
eine hauchdünne Cäsiumschicht auf einer Oxvdzwischenschicht adsorbiert ist.
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Erfindungsgemäß wird zum Nachweis und( oder zur Messung von sichtbarer
und/oder ultraroter Strahlung, d.li. einer Strahlung (las Zählrohr so ausgerröller
als 3000 -#E, bildet, daß es in einen Zählrohrentladungsrauin und einen Rauni, in
dein die die Entladung zündenden Elektronen durch die Strahlung ausgelöst «-erden,
räumlich oder elektrisch derart getrennt ist, daß die eigenerregendeWirkung der
aus der Zählrohrentladung stammenden Ionen verhindert wird.
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Es sind bereits lichtelektrische Einrichtungen zuni Nachweis von Lichtschwankungen
bekanntgeworden, bei denen der in einer I-loclivakuunipliotozelle ausgelöste und
beschleunigte Elektronenstrom, nachdem er durch ein Lenardfenster getreten ist,
zur Steuerung eines hohen Entladungsstromes in einer anschließenden gasgefüllten
Kammer ausgenutzt wird. Auf diese Weise wird erreicht, daß die zu einer starken
Elektronenbeschleunigung nötige hohe Saugspannung in der Hochvakuuinphotozelle angewendet
werden kann und doch ini Füllgas das Einsetzen einer selbständigen Entladung vermieden
ist. In der Gaskammer kann inan nämlich die Entladespannung so weit begrenzen, daß
eine selbständige Entladung nicht eintritt, jedoch durch die mit der hohen Beschleunigung
eintretenden Elektronen sehr starke, von der Belichtung abhängige Ströme ausgelöst
werden können.
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Ini Gegensatz dazu bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein
Zählrohr, bei dein anclere Betriebsbedingungen und eine andere Art des Steuermechanismus
vorliegen als bei einer Photozelle finit Gasverstärkung. Während bei einer gasgefüllten
Photozelle die an der Zelle wirksame Beschleunigungsspannung nicht Tiber einen gewissen
Wert gesteigert werden kann. der durch das Einsetzen einer selbständigen, durch
.Licht nicht mehr steuerbaren Glimmentladung gegeben ist, d: h. bei einer gasgefüllten
Photozelle der sichere Betrieb der '..,Zelle davon abhängt, daß die Zündung einer
,...elbständigen Entladung unter allen Umstän-&n vermieden wird, liegen bei
einem Zählrohr, auf das sich die Erfindung bezieht, volle kommen andere Verhältnisse
vor. Bei einem Zählrohr werden die Betriebsbedingungen (Spannung, Füllgag und die
räumliche Feldverteilung) so gewählt, daß jedes einzelne Elektron, das von der Kathode
ausgeht, mit Sicherheit eine Zündung der Entladung hervorruft, die dann selbsttätig
wieder abreißt. Die gemäß der Erfindung bei einem Zählrohr vorgeschlagenen Maßnahmen
haben deshalb auch nicht den Zweck, eine Zündung zu vermeiden, wie dies bei den
bekannten Photozellen durch Verwendung eines Lenardfensters erreicht werden soll,
sondern sollen vielmehr die regelmäßige Zündung der Entladung lediglich durch jedes
einzelne durch die zu messende Strahlung an der Kathode ausgelöste Elektron sicherstellen.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung ist es möglich, Lichtintensitäten
zu messen, die mehrere ehnerpotenzen unter' der Reizschwelle der empfindlichsten
Photozellenanordnung liegen. Während sich bei Photozellen mit Gasverstärkung bestenfalls
Verstärkungsfaktoren von der Größenordnung von io' erreichen lassen, können bei
dem Zählrohr gemäß der Erfindung durch ein Photoelektron mehr als io'° Entladungselektronen
ausgelöst werden.
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Der Erfindungsgedanke kann in verschiedener Form ausgeführt werden.
Die einzelneu Ausführungsformen sollen unter Zuhilfenahme der Abb. 2 bis 5 ini folgenden
näher erläutert werden.
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Eine Ausführungsform des Erfindungsgedankens besteht darin, daß, wie
in Abb.2 dargestellt ist, der Zählrohrentladungsraum und der Raum, in dem die die
Entladung zündenden Elektronen durch die Strahlung ausgelöst werden, voneinander
getrennt sind, so <laß die Ionen der Entladung die Photokathode nicht mehr erreichen
können.
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Gemäß Abb.2 fällt das nachzuweisende Licht von rechts auf die durchsichtige
Kathode 8, die mit Hilfe der Durchführung 9 auf eine negative Spannung von einigen
Kilovolt gegen den auf dem ultraviolettdurchlässigen Fenster io niedergeschlagenen,
elektrisch leitenden, jedoch nahezu durchsichtigen Silberspiegel gebracht ist. Auf
diesem Silberspiegel ist eine dünne Fluoreszenzschicht, z. B. Zinksulfid, aufgebracht.
Lösen die auftreffenden Photoelektronen nun eine Fluores- i zenz in Zinksulfid aus,
so vermag der ultraviolette Anteil derselben das Fenster io zu
durchdringen.
Er gelangt auf die Innenwand des Zylinders ii, z. B. aus Kupfer, wo er wiederum
Photoelektronen auslöst. Der Zylinder liegt auf gleichem Potential wie der dasZinksulfid
tragende Silberspiegel, während der Zähldraht 12, z. B. ein Wolframdraht von o,
i mm -0', etwa auf plus qoo Volt gegen den Zylinder aufgeladen ist. Jedes Photoelektron
löst dann zwischen Zylinder und Draht eine Entladung aus (als Füllgas kann z. B.
Wasserstoff von i5 mm I1gS-Druck dienen), die infolge des Widerstandes 13 (etwa
iol Ohm) sofort wieder abreißt.
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An den Widerstand 13 ist das zum Zählen dienende Elektrometer 14 bzw.
der Eingangskreis einer für Zählrohre bekannten Verstärkeranordnung angeschlossen.
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Der Fluoreszenzschirm (Fenster) ist so geformt, daß ein möglichst
großer Teil des Fluoreszenzlichtes in den Zylinder hineingelangt.
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Abb. 3 zeigt eine Ausführungsform -des Erfindungsgedankens, bei der
die beiden Räume durch eine elektronendurchlässige, jedoch für Ionen undurchlässige
Scheidewand getrennt sind, und zwar ist der Kathodenraum und der Zählrohrentladungsraum
durch eine nichtmetallische Folie getrennt, und die Photoelektronen werden durch
elektronenoptische Mittel auf dem Zähldraht gebündelt.
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Eine solche Anordnung erweist sich besonders dann als zweckmäßig,
wenn aus technischen .oder .anderen Gründen eine ausgedehnte Photokathode verwendet
wird.
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Die Anordnung ist folgende: Das nachzuweisende Licht trifft von rechts
durch das Fenster 15, durch die Bohrungen 16 und 17 des Zählrohrzylinders 18, durch
die Glasfolie ig auf die Photokathode 2o, die aus einer planen, unmagnetischen Metallplatte,
z. B. aus Silber, Kupfer oder Molybdän, besteht. Diese Metallplatte kann durch den
Ansatz 21 mit einer entsprechenden lichtelektrischen Substanz, z. B. Cäsium, verdampft
werden, nachdem sie vorher in bekannter Weise mit einer geeigneten Oberflächenschicht,
z. B. Oxydschicht, versehen ist.
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Die durch das Licht an der Photokathode ausgelösten Photoelektronen
werden dann durch das Netz 22 homogen und parallel beschleunigt, durchlaufen die
drei eine elektrische Sammellinse bildenden Lochblenden 23, 24., 25, die .auf ein
solches Potential gebracht sind, daß alle von der Kathode 2o kommenden Elektronen
praktisch den Zähldraht 27 erreichen. Das mit 25 verbundene Schutznetz26 schirmt
das schädliche Feld der Aufladungen der Glaswand nach innen ab. Damit man mit einer
Beschleunigungsspannung von nur einigen iooo Volt, z. B. 2ooo Volt, auskommt, ist
es notwendig, daß die Glasfolie nur eine -geringe Stärke von etwa 0,5 [c
besitzt. Da der Kathodenraum, um von der Pumpe entlüftet werden zu können, weitgehend
.durch Ausheizung entgast werden muß, so muß die Glasfolie mit den Wänden verschmolzen
werden und darf nicht verkittet sein.
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Die Herstellung einer extrem dünnen Glasfolie, die mit der Glaswand
verschmolzen ist, kann erfindungsgemäß folgendermaßen geschehen (vgl. Abb. 6a und
6b).
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Man erweitert ein Glasrohr 47 (Innendurchmesser z. B. io mm) an einem
Ende zu einer Kugel 48, die auf der Stirnfläche nur einige hundertstel Millimeter
stark ist. Ein zweites Rohr 49 verjüngt man auf ,der einen Seite auf einen Innendurchmesser
von i bis 2 mm. Die äußeren Enden von 4.7 und 49 verbindet man derart mit Blaseschläuchen,
daß man kommunizierend in beide Rohre hineinblasen kann.
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Erwärmt man nun den schraffiertdn Teil 51 (Abb. 6 a) auf helle Rotglut
unter gleichmäßigem Drehen beider Rohre, setzt die Stirnfläche der Kugel auf die
Öffnung des Rohres 49 und bläst sodann kurz und kräftig hinein, so erweitert sich
das Mittelstück, wie in Abb. 6b gezeigt, zu einer Folie 52, deren Wandstärke um
so geringer ist, je kleiner der Ausgangsdurchmesser So, je dünner die Stirnfläche
der Kugel 48 und je weiter das Rohr aufgeblasen wurde.
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Auf diese Weise lassen sich bei Durchmessern von 15 bis So mm Folien
bis herunter zu Stärken von o,i ,cc herstellen, die ohne Gefahr thermisch entgast,
d. h. ausgeheizt werden können.
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Bei der Anordnung nach Abb. 3 kann ebenso wie im Zusammenhang mit
Abb.2 beschrieben ein geeignetes Füllgas für den Entladungsraum benutzt werden.
Z. B. eignet sich hierzu Wasserstoff von einem Druck von 5 bis 15 mm HgS. Die in
18 ausgelösten Entladungsstöße können in bekannter Weise am Widerstand 28 in Form
von Spannungsstößen mit dem Elektrometer beobachtet werden bzw. über einen Verstärker
zur Steuerung mechanischer Zählwerke benutzt werden.
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Die Anordnung gemäß Abb. 3 kann, wie in Abb. 3 a dargestellt, derart
abgeändert werden, daß die Verwendung einer Elektronenoptik entbehrlich ist.
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Die Anordnung, die besonders für das sichtbare Spektralgebiet brauchbar
ist, ist folgende: Das Licht trifft von oben durch den Rohransatz 29 :auf die inwendig
aufgedampfte, durchsichtige Photokathode 30, welche mit einer nach außen geführten
Stromzuführung 31 versehen ist. Die Glasfolie 32, welche beiderseitig durch Aufdampfen
versilbert ist (schwach blau durchscheinend), ist durch die Durchführung 33 nach
außen geführt und auf einige Kilovolt gegen die Photokathode aufgeladen,
so
daß die Photoelektronen die Folie durchdringen können. Sie treffen sodann auf den
Zähldraht 34 und zünden zwischen der Platte 35, die mit der Folie 3.2 auf
gleichem Potential liegt. und den Zä hldralit 34. Entladungen. An dein Widerstand
36 treten alsdann Spannungsstöße auf, die. wie bereits früher beschrieben, in bekannter
Weise registriert werden können.
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Eine weitere Ausführungsform des Erfindungsgedankens zeigt Abb..l.
Es ist hier ini Zäh.lrohrentladungsraum eine Hilfselektrode vorgesehen, die gegenüber
der negativen Zählrohrelektrode auf einem derartigen Potential ,rehalten wird, daß
die in der Zählrohrentladung entstandenen Ionen von der Photol:atliode ferngehalten
werden.
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Die Wirkung der Hilfselektrode kann in der in Abb..I dargestellten
Weise ausgenutzt werden. Es bedeutet 37 einen Widerstand von z. B. ; X 1o" Olim.
38 einen solchen von z. B. io" Ohni, 39 einen solchen von z. B. io'
Ohni. Der Zählrohrzvlinder .4o ist an seiner Innenfläche mit einer liclitelel:trisch
wirksamen Substanz in bekannter Weise versehen, während das Hilfsgitter 41 eine
möglichst hohe Austrittsarbeit besitzen möge, z. B. aus in bekannter Weise Mit Sauerstoff
behandeltem Wolfram bestehen mögt.
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Die Wirkungsweise der Anordnung ist fol-"ende: Löst das von rechts
kommende Licht an der Innenwand des Zylinders 4.o ein Photoelektron aus, so gelangt
dieses durch das Gitter .1.i zuni Zähldraht 4.2 ("Zylinder und Gitter liegen zunächst,
da sie durch den Widerstand 37 miteinander verbunden sind, auf gleichem Potential)
und zündet eine Entladung zwischen dein Zähldraht einerseits und der Kathode und
dem Hilfsgitter andererseits. Das hat zur Folge, daß das Potential am Gitter und
an der Kathode absinkt, und zwar zuerst das an der Kathode liegende, so dali der
Hauptteil der Entladung zum Gitter und nicht zur Kathode brennt.
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Wählt man atil.ie rdem die Spannung .4,; ouieinige zehntel Volt über
der Zündspannw g Ales Rohres, so erreicht man, daß nur sehr wenige Ionen der Zählrohrentladung
auf die Kathode treffen. Die Eigenerregung kann auf diese Weise, insbesondere bei
'Verwendung eines hochmolekularen Füllgases, z. B. Alkoholdampf (kleine Ionengeschwindigkeiten
), weitgehend heruntergesetzt werden, so daß eine störende Eigenerregung nicht mehr
auftritt.
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Abb. 5 zeigt eine Ausführungsform des Erfindungsgedankens, bei der
durch Einbau eines Bremsgitters in das Zählrohr erreicht ist. claß das Zählrohr
ausschließlich auf Licht eines bestimmten Wellenlängenbereiches, der sehr eng begrenzt
sein kann, anspricht. Die Anordnung ist folgende: Das Licht trifft von oben durch
den Rohreinsatz auf die Photokathode 44. an der es Photoelektronen auslöst, wie-dies
im Zusammenhang Mit Abb.3a beschrieben ist. Die Photoelektronen müssen, um die Folie
:46 zu durchdringen, -zunächst durch das Gitter .I5 hindurchkominen. Da letzteres
ein wenig negativ gegen die Kathode aufgeladen ist, so müssen die Elektronen eine
gewisse Mindestenergie besitzen, um durch das Gitter gelangen zu können. Das bedeutet,
daß nur Licht von einer bestimmten Wellenlänge ab, die durch die an 45 gelegte negative
Vorspannung bestimmt ist, die Anordnung zum Ansprechen bringt. Ini übrigen arbeitet
die Anordnung wie im Zusammenhang Mit Abb. 3 a beschrieben ist.
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Eine w=eitere Ausführungsform des Erfindungsgedankens besteht darin,
daß das Füllgas für den Ilntladtingsrauni eine derartige Zusammensetzung aufweist,
daß es gegenüber der Kathode inert ist. Auch hierdurch kann eine Eigenerregung des
Rohres vermieden werden. Es empfiehlt sich beispielsweise folgende Kombination von
Füllgas und Kathodenmaterial. Füllgas: reinster Wasserstoff von 15 nun Il:g
S-Druck, reinster Sauerstoff von io-' inni Druck, 3 # 1o-4 mm Quecksilber, Kathode:
Kaliuni aiif Kupfer niedergeschlagen.
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Nach einem weiteren Erfindungsgedanken kann das Füllgas für die Entladungskammer
zum mindesten teilweise aus einem elektronegativen Gas, z. B. Brom, bestehen. Die
Anwendung der an sich bekannten Methode, eine Zä hlrohrentladung auch ohne äußeren
Widerstand durch ein elektronegatives Füllgas nach kürzester Zeit abreißen zu lassen,
bei der erfindungsgemäß Aufteilung bzw. Trennung von Kathoden und Entladungsraum,
ergibt die Möglichkeit, das Entladunggrohr als Photozelle für Strahlung aller Wellenlängen.
z. B. für Tonfilm und Fernsehen, zu benutzen. Die erreichbaren Photoströme betragen
ohne äußere Verstärkung etwa das i oNfache der Mit gewöhnlichen Photokathoden erreichbaren
Photozellenströme.