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Verfahren zum Messen statischer Ladungen von kleinen Kapazitäten mit
Hochvakuumverstärkerröhren Es s ist bereits ein Verfahren zur Messung statischer
Ladungen von kleinen Kapazitäten, insbesondere solchen, die durch Röntgen-, Radium-
oder ähnliche Strahlen erzeugt oder abgeleitet werden, vermittels Hochvakuumverstärkerröhren
beschrieben worden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das Gitter der Röhre mit
Hilfe einer negativen Spannung zunächst auf eine gegebene, durch einen bestimmten
Anodenstrom festgelegte Arbeitsspannung gebracht wird, bei der noch kein Gitterstrom
fließt, daß sodann das Gitter von dieser Spannung abgeschaltet und der zu messende
Kondensator nunmehr zwischen das Gitter und eine zusätzliche höhere negative veränderbare
Spannung geschaltet wird und daß alsdann die veränderbare Spannung so weit gesenkt
wird, bis das Gitter wieder die gegebene Arbeitsspannung annimmt, so daß die Größe
der jetzt eingestellten Gegenspannung ein Maß für die Kondensatorladung ist.
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Bei diesem Verfahren wird also eine Spannung, die an die zu messende
Kapazität gelegt wird, durch ein Potentiometer langsam gesenkt, bis an diesem Potentiometer
die gleiche Spannung vorhanden ist wie an der zu messenden Kapazität. Diese Schaltung
kann vereinfacht werden, wenn die Absenkung dieser Spannung nicht durch Bewegen
eines Potentiometers geschieht, sondern durch Entladen eines Kondensators. Dabei
treten aber gewisse Schwierigkeiten auf. In dem bekannten Verfahren muß bei Erreichen
des Meßwertes die Weiterbewegung des Potentiometers unterbrochen werden. An dem
Potentiometer bleibt bei dieser Anordnung unverändert der Spannungswert bestehen,
der gemessen werden soll. Das ist aber nicht mehr der Fall, wenn das Potentiometer
durch einen Kondensator ersetzt wird. Wenn das Meßinstrument weiterhin parallel
zum Kondensator angeschlossen bleibt, würde sich der Kondensator weiter entladen,
so daß man den Meßwert nicht festhalten kann. Es würde zwar keine großen technischen
Schwierigkeiten bereiten, die Zeitkonstante, die sich aus der Größe des Kondensators
und dem Gesamtwiderstand ergibt, so groß zu machen, daß bei sehr geschickter Bedienung
der Meßwert schnell abgelesen werden kann, sobald durch ein vom Verstärker ausgelöstes
Zeichen das Erreichen des Meßwertes angezeigt wird.
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Auch wäre es möglich, durch mechanische Hilfsmittel, den Zeiger des
Meßinstruments in der Lage festzuhalten, in der er sich befindet,
wenn
der Meßwert erreicht ist. Schließlich käme auch die Benutzung eines elektrostatischen
Spannungsmessers in Betracht.
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Solche Anordnungen halten aller doch offensichtilich erhebliche Nachteile.
Um diese zu vermeidun, wird die nachstehend beschriebene selbsttätige Arbeitseise
des Meßverfahrens gewählt.
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Erfindungsgeäß wird nun die Entladung eines Kondensators benutzt,
der in den Anodenstromkries der Röhre derart eingeschaltet ist. daß die Entladung
über einen Widerstand dann unterbrochen wird, wenn die Verstärkerröhre von der hohen
negativen Gitterspannung in den Arbeitspbereich zurückkehrt, so daß durch en Anodenstrom
der Röhre oder bei mehrstufigen Verstärkern durch den Anodenstrom der Endröhre dem
Kondensator ein entsprechender Ladestrom zugeführt wird.
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Von der Schaltung sind zwei Aufgaben zu erfüllen, Es muß erstens
bei Erreichen des Meßwertes die weitere Kondensatorientladung verhindert werden
und zweitens umß die Möglichkeit vorliegen, mit einem Drehpulinstrument den Meßwert
beliebig lange sichtbar zu machen. In Abb. 1 ist eine derartige Schaltung dargestellt.
Zunächst ist der Schalter 1 geschlossen, und die Schalter II und III sind geöffnet.
Das Gitter erhält damit von der Spannungsquelle A eine Spannungswert, der in der
mitte der Charakteristik der Röhre liegt und mit Arbeitspannung bezeichnet wird.
Diese Arbeitsspannung ist, wie spätet erläutert. nicht ganz identisch mit dem gleieben
Ausdruck in dem Hauptpatent. Es fließt dabei ein gewisser Anodenstrom. der den Kondensator
C l>is auf einen Wert, der sich dem der zwischen + und - vorhandenen Anodenspannung
nähert. auflädt. Die mit der Kathode verbundene Belegung von C hat Positive Spannung
erhalten. Dann wird der Schalter I wider geöffnet und der Schalter 11 gesclossen.
Der Meßkondensator M sei z. B. so aufgeladen. daß seine innere Belegung eine Ladespannung
von + 300 Volt gegen die äußere Belegung hat. Der Kondensator C möge eine Spannung
von 500 Volt erhalten haben. Infolgedessen kommt das Gitter der Verstärkerröhre
auf eine negative Vorspannung von - 200 Volt. Es kann in der Verstärkerröhre kein
Anodenstrum mehr flißen.
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Nun wird der Schalter III geschlossen, mit dem an C ein Entladewiderstand
angeschlossen wird, Dieser Entladewiderstand besteht am einfachsten in dem Eigenweiderstand
des Spannungsmessers V. Jetzt sinkt dlr Spannung von C ab bis auf - 300 Volt. Dann
ist nämlich die negative Spannung am Gitter der Verstärkerröhre bis auf die Arbeittspannung
vermindert, so daß wieder ein Anodenstrom fließt. Die Spannung sinkt genau bis auf
einen solchen Wert ab, bei dem ein Gleichgewicht besteht zwischen der Gröme des
Anodenstromes und der Größe des Stromes im Voltumeter V. Damit ist die beabsichgigte
Eigenschaft erreicht. nämlich. daß nicht nur die weitere Entladung von C unterbrochen
wird. sondern es bleibt auch die Anzeige des Voltmeters V belicbig lange erhalten,
bis der Meßwert abgelesen ist und durch weiteres Betätigen der Schlater eine neue
Messung eingeleitet wird.
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Für den prakischen Betrieb sieht der Aufbau allerdins etwas umfangreicher
aus, weil in folgenden Tatsachen eine gewisse Ungenanigkeit begründet ist; wenn
der Meßert sehr groß ist, ist die Spannungsdifferenz zwischen der Kathode und dem
Pluspol der Anordnung verhältnismäßig gering. Bei dieser geringen Anodenspannung
ist aber der Strom im N'oltmeter am größten. Das Gleichgewicht zur Aufrechterhaltung
des Meßwertes tritt also erst ein, wenn die negative Gitterspannung scher klein
geworden ist. Wenn umgekehrt der Meßwert sehr klein ist, ist die Anodenspannung
an der Verstärkerröhre bei Erreichen des Meßwertes sehr groß gweorden. und der Strom
im Voltmeter ist verhältnismäßig sehr klein. Das Gleichgewcht wird also schon bei
einer ziemlich hohen negativen Gitterspannung einteten. Insofern findet keine Rückkehr
auf einen festen Wert der Arbeitsspannung statt. Der Unterschied des tatsächlichen
Gitterspannungswertes, bei dem das Gleichgewicht sicht einstellt, zu dem Wert der
Arbeitsspannung bildet einen Fehler in der Ermittlung des Meßwertes. Man könnte
diesen Fehler in der Ablesung des voltumeters leicht ausgleichen, weil er sich linear
mit dem Meßwert ändert. Es würde genügen, das Voltmeter unter Berücksichtigung dieses
Fehlers zu eichen oder einen entsprechenden Korrekturfaktor einzuführen.
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In dem bekannten Verfahren ist bereits die Tatsache benutzt. daß
die Eigenkapazität des Gitters im Verhältnis zu der Kapazität des NIeßkondensators
unherücksichtigt bleiben kann, weil das Gitter während des gesamten Meßvorganges
sich von der Arbeitsspannung um einen gewissen Betrag entfernt, aber am Ende des
Meßvorganges wieder ganau auf den ursprünglichen Wert der Arbeistsspannung zurückkehrt.
Dieser Ausgleich des Ladungstransportes vom und zum Gitter wird unvollständig, wenn
das Gitter, wie es soeben beschrieben wurde, nicht mehr auf den genauen Betrag der
Arbeitsspannung zurückkehrt. Der Unterschied zwischen dem am Ender der Messung erreichten
Giterspannangswert und der Arbeitspannung ist aber im Verhältnis zum Meßwert nur
gering. Das
Verhältnis zwischen der Abweichung und dem Meßwert hängt
dabei vom Verstärkungsfaktor der Rohre ab. Bei einem Verstärkungsfaktor von 20 würde
deswegen der Fehler in dem Ladungstransport vom und zum Gitter sich nur mit 2O der
Gittereigenkapazität auswirken. Hieraus ergibt sich, daß es zur Vermeidung der Ungenauigkeiten
wünschenswert ist, den Verstärkungsgrad durch Verwendung eines mehrstufigen Verstärkers
zu erhöhen, dies ist aber auch aus folgendem Grunde zweckmäßig.
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Die Verstärkerröhren, die für sehr kleine Gitterströme und sehr hohe
Gitterisolation gebaut sind, müssen zur Vermeidung von Sekundärelektrnnen mit ganz
kleinen Spannungen betrieben werden, möglichst unter 10 Volt). Abb. 2 zeigt nun
eine Anordnung, in welcher die erste Verstärkerröhre nur zum Aus steuern von zwei
weiteren Verstärkerstufen benutzt wird, welche in Gleichstromkoppelung die gleichen
Eigenschaften ergeben, wie die der Röhre V in Abb. I. Es muß nämlich bei Erreichen
des Meßwertes am Gitter der ersten Verstärkerröhre ein Anodenstrom in der Endröhre
einsetzen, der den beschriebenen Einfluß auf den Kondensator C und das Meßinstrument
V ausübt.
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Bei Benutzung eines dreistufigen Verstärkers ist es die Aufgabe der
ersten Röhre, bei kleinstem Gitterstrom eine noch verhältnismäßig kleine Spannungsänderung
auf das Gitter der zweiten Röhre zu geben. Bei Verwendung einer Schirmgitterröhre
kann man eine mehrhundertfache Verstärkung erreichen, welche das Gitter der dritten
Röhre so beeinflußt, daß dieses im Verhältnis zu den Spannungsänderungen am Gitter
der ersten Röhre sehr steil arbeitet. Die Aufgabe der dritten Röhre ist es nun,
den Anodenstrom entweder ganz zu sperren oder in dem Umfange freizugeben, wie es
die oben beschriebenen Bedingungen erfordern. Es ist zweckmäßig, auch als dritte
Röhre eine Schirmgitterröhre-zu verwenden, nicht nur, weil deren Charakteristik
meistens steiler ist, sondern vor allem, weil die Lage der Charakteristik von Schirmgitterröhren
durch die Höhe der Anodenspannung nur sehr wenig beeinflußt-wird. Mit dieser Erweiterung
des Verstärkeraufbaues wird der Verstärkungsfaktor so groß, z. B. Iooo, daß die
oben beschriebenen Fehler, nämlich die Abweichung der Gitterspannung am Ende des
Meßvorganges von der Arbeitsspannung und die dadurch verursachte Unrichtigkeit im
Ausg, der-Eigenkapazität des Gitters, zu vernachlässigen sind. Wir können dann vereinfachend
annehmen, daß das Gitter in allen Fällen auf die Arbeitsspannung zurückkehrt, wodurch
die in dem bekannten Verfahren für diese Bedingung beschriebenen Vorteile für die
Meßgenauigkeit und die Unabhängigkeit von den Kapazitätswerten hier in gleicher
Weise erzielt werden.
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Bei Benutzung eines mehrstufigen Verstärkers kann man sich noch andere
Vorteile zunutze machen. Der Schalter III in Abb. t kann in der Schaltung nach Abb.
2 durch einen Umschalter IV ersetzt werden, über den das Gitter der letzten Verstärkerröhre
versorgt wird. Zu Beginn der Messung muß maximaler Strom durch das Meßinstrument
fließen, damit die Messung bei hoher negativer Gitterspannung beginnt. Dafür verbindet
der Schalter IV zunächst das Gitter der letzten Verstärkerröhre mit der Kathode.
Es kann dann der volle Anodenstrom fließen, so daß das Meßinstrument auf die höchste
Spannung gebracht wird. Dann wird der Schalter IV auf den freien Kontakt gelegt,
so daß der Verstärker jetzt unbehindert die Einstellung auf den Meßwert in der beschriebenen
Weise durchführen kann. Mit diesem-Umschalter wird noch ein anderer Zweck erreicht.
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Wenn man nach Bestimmung der Ladung des Ateßkondensators+TI diesen
wieder auf eine bestimmte Spannung aufladen will, kann man dies auf einfache Weise
in der gleichen Apparatur vornehmen. Es wird dazu gleichzeitig der Schalters und
der Schalter II geschlossen, so daß am Meßkondensator diejenige Spannung liegt,
welche das Meßinstrument anzeigt. Es ist wünschenswert, die Meglichkeit zu haben,
den Meßkondensator auf verschieden hohe Spannung aufzuladen. Dazu dient der Regeiwiderstand
R und die Stellung des Schalters IV, die das Gitter der letzten Röhre mit dem Regler
verbindet. Man kann dann die Gitterspannung und damit den inneren Widerstand dieser
Verstärkerröhre so verändern, daß am Spannungsmesser V'jeder beliebige Wert einzustellen
ist. Man kann also die Aufladung des Meßkondensators llI mit jeder beliebigen Spannung,
die durch das Voltmeter angezeigt wird, durchführen. Diese Wiederaufladung muß man
z. B. vornehmen, wenn man den, Meßkondensator entweder in Verbindung mit der Meßanordnung
oder getrennt von dieser einer Bestrahlung durch Radium- oder Röntgenstrahlung aussetzt
und den durch die Bestrahlung erfolgenden Ladungsverlust erfassen will. Schließlich
bestände noch die Möglichkeit, mit einer vierten Stellung des Schalters IV das Gitter
der letzten Verstärkerröhre auf eine so hohe negative Spannung zu bringen, daß der
Anodenstrom völlig abgesperrt wird. Dann wird auch das Voltmeter spannungsfrei und
damit auch der Meßkondensatör. Dies ist wünschenswert, wenn man zum Abnehmen des
Meßkondensators die Anordnung spannungsfrei machen will. Wenn auf dem Meßkondensator
eine
bestimmte Ladung erhalten bleiben soll, muß der Schalter II geöffnet werden, bevor
mit dem Umschalter IV die Anordnung in der oben beschriebenen Weise spannungsfrei
gemacht wird.
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Weil die Vorgänge an den Verstärkerröhren sich praktisch trägheitslos
abspielen, kann der Kondensator C sehr klein sein. Es ist sogar möglich, daß ein
besonderer Kondensator C gänzlich fortfällt, wobei nur noch Eigenkapazitäten des
Verstärkers gegen den Minuspol der Hauptanodenspannung wirksam wären, Diese Tatsache
ermöglicht es, den Meßwet augenblicklich zu erhalten.
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Deise Eigenschaft ist noch in anderer Beziehung wertvoll, wenn nämlich
die Spannung des Meßkondensators während der Messung veränderungen unterworden ist,
können diese Veränderungen ebenfalls mit dieser Anordnung naturgetreu erfaßt werden.
Das gilt nicht nur bei Absinken der Spannung am Meßkondensator 11, wodurch die Gitterspannung
negativer werden würde, so daß der ins Voltmeter 1 fließende Strom entsprechend
kleiner werden müßte, sondern es gilt auch bei Änderungen in umgekehrter Richtung.
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Bei Ansteingen der Spannung an M wird die negative Gitterspannung
kleiner, der Anoden strom wird größer, so daß die Spannung am Voltmeter i so lange
ansteigt, bis wieder das Gleichgewicht hergestellt ist. Es ist also auch möglich,
oscillographische Aufanhmen auf diese Weise mit diesem Meßverfahren vorzunehmen.
Wenn man sonst mit Verstärkern -Spannungen messen will. ist der WIeßbereich beschränkt
durch die Länge der Charakteristik. Das ist bei dem vorliegenden enden verfahren
keineswegs der Fall; sondern es ist möglich. Spannungsänderungen beliebiger Größe
fortlaufend zu messen oder zu oscillographieren mit der Einschränkung, daß sie nicht
ihr Vorzeichen ändern dürfen. In einem solchen Falle müßte man vor den Meßkondensator
eine so große Vorspannung schalten, daß die größte vorkommende Spannung mit umgekehrtem
Vorzeichen durch die eingefügte Vorspannung noch ausgeglichen wird.
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Diese Eigenschaft der Trägheitslosigkeit wirkt sich auch in anderer
Beziehung günstig aus. Wenn nämlich die Spannung an den Klemmen positiven und negativen
Anderungen unterworfen ist-. wie sie bei Entnahme aus einem Netzanschlußgerät durch
Änderungen der Netzspannung hervorgerufen werden können, wird die Anzeige des Voltmteters
V dadurch nicht beeinflußt, weil die Spannung V nur gegeben ist durch die Spannung
des Meßkondensators ill.
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Die im vorstehenden beschriebene Schaltung war dafür eingerichtet,
die Ladung kleiner Kondensatoren zu messen, bei denen die innere Belegung eine positive
Spannung gegen die äußere hat. Wenn aber die innere Belegung eine negative Spannung
hat gegen die äußere, muß eine andere Schaltung angewendet werden, wenn man nicht
durch eine entspredend hohe Gegenspannung sie mit ihrem Vorzeichen umkehren will.
Für negative Innenladungen käme eine Schaltung nach Abb. 3 in Betracht, die auf
einer Umkehrung des vorstehenden Mßverfahrens beruht. Das Voltmeter V und ein Kondensator
C liegen zweischen Anode und Kathod der Verstärkerröhre oder der Verstärkeranordnung.
Der Meßkondensator wird mit seiner äußeren Belegung mit der Anode verbunden. so
daß sich für das Gitter eine hohe negative Vorspannun ergibt, wenn der Scalter VI
geöffnet ist, wordurch and der anode, am Voltmeter V und am Kondensator C keine
Spannungsdifferenz gegen die Kathode gestellt. Wenn jetzt der Schalter NTI geschlossen
wird. kommt die anode auf positive Spannung. verzögert durch die Aufladung des Kondensators
C über den Widerstand W. Die Spannung steigt so lange an, bie die negative Spannung
am Meßkondensator ausgeglichen ist. dann fließ t nämlich ein Anodenstrom in der
Verstärkerröhre, und es tritt wiedereum ein Gleichgewicht ein, indem der Strom durch
W sich genau auf den Wert einstellt, daß an der Anode unter Berücksichtigung des
Anodenstromes und des Stromes durch das Voltmeter eine solche positive Spannung
bestehen bleibt, daä die Spannung des Meäkondensators, M f2r das Gitter aufgehoben
wird, Auch in dieser Anordnung kann der Kondensator C schr klein sein oder ganz
fortfallen, wenn man Spannungen messen will. die starken Anderungen unterworfen
sind. Wenn die Kapazität sehr klein ist, kann auch noch ine Drosselspule D, wie
in Abb. 3 gekennzeichnet, in Serienschaltung im Andodenkoreis vorgesehen werden.
um eine geringe Verzögerung in der Einstellung des Meßwertes zu bewirken.
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Auch hier kann der Verstärkerteil mehrstufig sein.
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Es ist ein besonderer Vorteil dieses Meßverfahrens. daß es ohne große
Änderungen für verschiedne Empfindlichkeitsbereiche benutzt werden kann. Der Widerstand
des Spannungsmessers V ist nur von sehr geringem Einfluß auf den Mcßvorgang. Wenn
bei sehr kleinen Spannungen der Meßwert angezeigt wird, bei 1/5 des vollen Instrumentausschlages
mit z. B. 6,6 m. kann man den Vorwiderstand des Spannungsmessers auf 1/5 verringern.
Man erhält dann den vollen ausschlag hei einer Stromstärke von etwa 3 mA.
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Durch diese Umschaltung tritt ein geringer WIeßfehler ein, der aber
bei einem mehrstufigen Verstärkeraufbau sehr gering ist, weil
am
Gitter der ersten Röhre nur eine geringe Spannungsänderung notwendig ist, um den
Anodenstrom der letzten Röhre von o, 6 mA auf 3 mA ansteigen zu lassen. Natürlich
könnte man diesen Fehler durch eine geringe Abweichung des theoretisch richtigen
Vorwiderstandes oder durch eine geringe Verschiebung des Instrumentennulipunktes
ausgleichen.
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Es ist schließlich wichtig zu betonen, daß die Messung vom kleinsten
bis zum größten Meßwert mit völliger Proportionalität erfolgt.
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Bei den üblichen Röhrenvoltmetern muß die Krümmung der Charakteristik
berücksichtigt werden, und diese Unproportionalität ist außerdem bei den verschiedenen
Meßbereichen sehr verschieden.