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Schaltungsanordnung zum Gleichrichten von Photonen oder Korpuskularteilchen
mit einer Ionisationsröhre Vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung
und eine Vorrichtung zum Gleichrichten von Photonen und Korpuskularteilchen. bei
der eine lonisationsröhre verwendet wird.
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Unter Ionisationsröhre wird nachstehend eine Vorrichtung verstanden
l)Ci der die Ionisierfähigkeit von Teilchen oder Photonen zum Einleiten einer Gasentladung
zwischen zwei Elektroden benutzt wird, zwischen denen ein Spannungsunterschied vorliegt.
Dazn gehören unter anderem die Geiger-Müller-Röhren.
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ISekanntlich weisen mehrere dieser Ionisationsröhren, häufig durch
Zusatz organischer Dämpfe, die Eigenschaft auf. daß eine einmal eingeleitete Entladung
selbsttätig abbricht; bei anderen, den Gasionisationsröhren, ist eine äußere Schaltung
erwünscht, die beim auftreten einer Entladung die Spannung an der Röhre derart verringert,
daß die Entladung erlischt. Solche Röhren haben eine Schwellenspannung, unterhalh
der keine selbsttätige Entladung möglich ist.
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Die Speisespannung für diese Ionisationsröhren, die bei verschiedenen
Arten dieser Röhren zwischen einigen hundert und einigen tausend Volt schwankt,
wird oft einem Regelgerät entnommen, das eine Spannung liefert, die genau einstellbar
und von Netzspannungsänderungen unabhängig ist. Dies ist erforderlich, weil sowohl
die Größe als auch die Zahl der auftretenden Entladung bei einer gleichbleibenden
Anzahl eingehender Teilchen mehr oder weniger von der Speisespannung abhängig ist.
Ein solches Regelgerät ist jedoch, besonders für hohe Spannung, teuer und verwickelt.
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Wird eine nicht selbstelöschende Röhre mit einer
Schwellenspannung
von z. B. goo V verwendet und wird eine Speisespannung von IOOO V angewendet, so
werden gewöhnlich etwa 1 ooV von der Löschschaltung entnommen. Bei einer Netzspannungsschwankung
von etwa 5 O/o wird die Speisespannung zwischein 950 und IosoV schwanken und es
müssen also 50 bzw. I50 V von der Löschschaltung entnommen werden. Wird nun ein
Impuls dieser Löschschaltung entnommen, z. B. zur Zuführung zu einer Impulszählschaltung,
so wird die Amplitude dieses Impulses also um einen Faktor 3 wachsen können, was
Schwierigkeiten bereiten kann. Noch schlimmer wird es, wenn in die Löschschaltung
ein Strommeßgerät eingefügt wird. Bei gleichbleibender Speisespannung ist der Ausschlag
dieses Meßgerätes ein Maß der Zahl der Entladungen und somit der Anzahl eingehender
Teilchen. Andert sich jedoch die Speisespannung, so nimmt nicht nur der Strom während
des Impulses zu, sondern auch im allgemeinen die Impulsdauer. Der mittlere Strom
bei einer konstanten Anzahl von Teilchen kann dann sogar bis quadratisch von dem
Unterschied zwischen Speisespannung und Schwellenspannung abhängig sein.
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Noch größere Schwierigkeiten ergeben sich jedoch, wenn sich die Schwellenspannung,
die stark von der Gasfüllung der Ionisationsröhre abhängig ist, ändert.
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Im allgemeinen wird in diesem Fall die Speisespannung nachträglich
abgeglichen werden können, aber es liegen auch Fälle vor, z. B. wenn ein auf Radioaktivität
zu prüfendes Gas als Gasfüllung für eine Ionisationsröhre verwendet wird, indem
bewirkt wird, daß es die Ionisationsröhre durchströmt.
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Zwar ist es bekannt, in diesem Fall einen selbsttätigen nachträglichen
Abgleich der Speisespannung zu sichern, aber dies bedingt recht verwickelte Anordnungen.
Es wird z. B. eine zweite Ionisationsröhre vorgesehen, die von demselben Gas durchströmt
wird und die außerdem ein radioaktives Präparat enthält.
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Die Erfindung schafft nun einfache Mittel, durch welche die Impulshöhe,
die Impulsbreite und die Anzahl erzeugter Impulse von der Speisespannung unabhängig
gemacht werden. Außerdem wird es bei Anwendung der Erfindung in manchen Fällen nicht
erforderlich sein, beim Anbringen einer anderen Ionisationsröbre oder einer anderen
Vorrichtung zum Detektieren von Teilchen oder Photonen, die Einstellung zu ändern,
auch nicht, wenn ihre etwaige Gasfüllung sich ändert oder geändert wird.
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Obgleich der Gedanke, der der Erfindung zugrunde liegt, der gleiche
ist, führt seine Anwendung zu etwas verschiedenen Ausführungen, je nachdem die Photonen
oder die Teilchen mittels einer Vorrichtung detektiert werden, in der oberhalb einer
bestimmten Schwellenspannung eine selbsttätige Entladung möglich ist und bei der
also eine äußere Löschschaltung erforderlich ist, oder mittels Vorrichtungen, bei
denen jedes Teilchen ohne weitere Maßnahmen nur einen vorübergehenden Impuls hervorruft.
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Im ersteren Fall ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß außer
der Löschschaltung eine zweite Schaltung vorgesehen ist, welche die Spannung an
der Detektionsröhre verringert und die nur wirksam wird, wenn der Impuls einen bestimmten
Wert überschreitet.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform dieser Schaltung ist in diese
zweite Schaltung ein Kondensator eingefügt, durch den die Spannung am Ende des Impulses
sich nicht sofort wiederherstellt.
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Im ersten Fall ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß eine
Schaltung verwendet wird, welche die Spannung an der Röhre verringert, wenn der
Impuls einen bestimmten Wert übersteigt, wobei diese Schaltung einen Kondensator
enthält, dessen Spannung am Ende des Impulses sich nur in einer Zeit wiederherstellt,
welche die Zeit innerhalb der die Vorrichtung nach Detektion eines Impulses zum
Detektieren eines neuen Impulses ungeeignet ist, vielmals übersteigt.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung nachstehend näher erläutert.
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Die Fig. I und 2 stellen Ausführungsbeispiele der Schaltung nach
der Erfindung dar, die zeigen sollen, wie die Impulshöhe unabhängig von der Speisespannung
wird.
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Die Fig. 3, 4 und 5 stellen Schaltungen nach der Erfindung dar, bei
denen auch die Impulsbreite unabhängig von der Speisespannung ist. An Hand dieser
Figuren wird außerdem angegeben werden, auf welche Weise die Schaltung angewendet
werden muß, wenn eine Detektionsröhre verwendet wird, bei der die Anzahl detektierter
Impulse stark von der Speisespannung abhängig ist.
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Fig. 6 stellt eine Schaltung dar, die bei einer Detektionsröhre verwendet
wird, bei der keine äußere Löschschaltung erforderlich ist.
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Fig. 7 stellt eine bequeme Ahart der Schaltung nach der Erfindung
dar.
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In Fig. I bezeichnet I eine Ionisationsröhre; als Löschröhre ist
eine Röhre 2 verwendet; die Löschschaltung ist die bekannte Neher-Harpersche Schaltung,
bei der ein Strom im Widerstand 4 erzeugt wird, wenn die Röhre leitend wird, indem
ein positiver Impuls im Widerstand 3 erzeugt wird, wodurch die Spannung der Batterie
8 ausgeglichen wird.
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Am Widerstand 3 ist nun ein Verstärker 5 angeordnet, der einen positiven
Ausgangsimpuls liefert, der die Röhre 7 öffnet, wenn die Amplitude dieses Impulses
annähernd ebenso groß ist, wie die der Batterie 6, welche die Röhre 7 sperrt. Öffnet
sich die Röhre 7, so wirkt sich eine besonders geringe Zunahme der Spannung am Widerstand
3 in einen besonders großen Spannungsfall am Widerstand 4 aus, wodurch die Spannung
am Widerstand 3 verringert wird. Die Impulshöhe am Widerstand stellt sich nunmehr
auf einen Wert ein, der nahezu gleich der Spannung der Batterie 6, geteilt durch
die Verstärkung des Verstärkers 5, ist. Je größer die Verstärkung des Verstärkers
5 und der Röhre 7, um so geringer wird der Impuls am Widerstand 3 von dem angegebenen
Wert abweichen.
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Bei der Schaltung nach Fig. 2, in der entsprechende Elemente die
gleichen Bezugziffern haben wie in Fig. I, ist der Verstärker 5 aus Fig. I in Wegfall
gekommen.
indem die in der Löschröhre 2 auftretende Vrstärkung benutzt wird. Dem Widerstand
4 wird nun die verstärkte Spannung entnommen. Wenn die Spannung des Impulses am
Widerstand 4 el'enso groß ist wie die Spannung der Batterie 6, wird die Röhre 7
leitend, wodurch ein Spannungsfall am Widerstand 9 eintritt, der nunmehr einen besonders
hohen Wert haben kann, weil es nicht erforderlich ist. daß nach Ablauf des Impulses
die Spannung sich schnell wiederherstellt, was doch bei der Spannung am Löschwiderstand
erwünscht ist. Die Spannung an der Ionisationsröhre l wird auf diese Weise niemals
niedriger als die Löschspannung der Ionisationsröhre zuzüglich der Spannung der
Batterie 6. Wenn ja die Spaniling an der Detektionsröhre niedriger würde, köniiteii
die Röhre 7 und der Widerstand g nicht mehr von Strom durchflossen werden. infolge
des hohen Wertes des Widerstandes 9 ist die Verstärkung der röhre 7 besonders groß.
Der Impuls am Widerstand 4 hat nun, unabhängig von der Spannung der lSatterien 10
und i 1, stets die gleiche Hihe die nahezu gleich der Spannung der Batterie 6 ist.
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Obgleich die Schaltungen nach den Fig. t und 2 Impulse voll besonders
konstanter Höhe erzeugen können, ist die Impulsform noch von der Spannung der Batterie
10 al,hiingig.
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Is hat sich ergeben, daß, wenn der Einfluß des 1 mloulses auf die
Sl>annung der Ionisationsiöhre äl>er <lie Röhre 7 nach Ablauf dieses Impulses
nicht zu plötzlich eitigestellt wird, auch die Impulsform unabhängig von der Spannung
der Batterie 10 wird.
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In Fig. 3. die im übrigen praktisch ganz der Fig. 1 entspricht, sind
eiiie l)iode 12, ein Kondensator 13 nlld eill Widerstand 14 einander zugeordnet.
Ein Impuls lädt nun den Kondeusator 13 bis praktisch zniii Scheitelwert des 1 lollinlses
auf. die Diode 12 cerliütet dessen unmittellbare Entladung. die sich nur langsam
über den Widerstand 14 vollzieht.
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Nach Fig. 4 ist derselbe Grundgedanke zugleich mit einer Neher-l>iekeringschen
Löschschaltung angewendet, wobei sich ein negativer Impuls auf das Gitter der Löschröhre
2 überträgt. Die Spannung nm Widerstand 4 wird rd nun verringert und somit auch
die Spannung an der Ionisationsröhre 1. gleich zeitig wird nun die Spannung am Kondensator
13 von der l) iode 12 auf die Mindestspannung am Widerstand 4 während des Impulses
herabgesetzt, worauf dieser Kondensator über den Widerstand 14 nur langsan geladen
wird. Über eine Batterie 6 und einen NN'iderstand t6. der bei einer positiven Gitterspannung
die Gitterströme begrenzen soll, überträgt sich die Spannung auf das Gitter der
Röhre 7. Der diese durchfließende Strom verringert sich und somit auch die Spannung
am Widerstand 9, der auch die Spannung an der lonisationsröhre 1 bestimmt.
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111 I;ig. 5 ist das gleiche Schaltbild wie in Fig. 2 ersichtlich.
Es ist nun jedoch ein Kondensator I3 vorgesehen, der von der Röhre 7 beim Eintreten
eines Impulses schnell entlanden werden kann, jedoch nur langsam vom Widerstand
9 geladen wird. Der Anodenkreis der Triode 2 enthält ein Anzeigegerät 15. Der Ausschlag
dieses Gerätes ist nun ausschließlich von der Zahl der in der Ionisationsröhre erzeugten
Impulse abhängig und nicht von der Spannung der Batterien 10 oder 11. Zwar ist die
Impulshöhe von der Spannung der Batterie 6 abhängig, mit der die Größe des Impulses
im Widerstand 4 und somit auch der die Röhre 2 und das Gerät 15 durchfließende Strom
verglichen wird.
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Wird in den Fig. 3, 4 und 5 der Kondensator I3 besonders groß gestaltet,
derart, daß die Ladung dieses Kondensators zwischen zwei Impulsen nicht nennenswert
infolge des im Widerstand 14 fließenden Stroms geändert wird, so nimmt die Spannung
an der Zahlröhre einen verhältnismäßig gleichbleibenden Wert an. Im Schaltbild der
Fig. 5 ist diese Spannung gleich der Schwellenspannung der Gleichrichterröhre I
zuzüglich der Spannung der Batterie 6. Dieser Umstand kann nunmehr bei Gleichrichterröhren
benutzt werden, bei denen die Wahrscheinlichkeit der Erzeugung eines Impulses infolge
eines. eintreffenden Photons oder Teilchens von der Spannung abhängig ist, die bei
dessen Eintritt an der Gleichrichterröhre liegt. Bei nicht selbsterlöschenden Ionisationsröhren
hat man oft ein verhältnismäßig großes Plateau, d. h. ein praktisch waagerechtes
Stück der Kurve, welche die Beziehung zwischen der Impulszahl und der Spannung an
der Ionisationsröhre angibt. Außerdem ist dabei die Größe des Impulses im wesentlichen
von der Spannung im Augenblick des Abbrechens der Entladung abhängig, so daß bei
diesen Röhren oft ein kleinerer Kondensator I3 genügt. Selbsterlöschende Ionisationsröhren
haben meist nur ein besonders schmales Plateau und außerdem ist die Größe des erzeugten
Impulses von der Spannung im Anfangsaugenblick des Impulses abhängig.
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Die bisher angegebenen Schaltungen können in dieser Hinsicht verbessert
werden, indem dem Kondensator 13 ein solcher Wert erteilt wird, daß seine Spannung
sich kaum geändert hat, wenn der nächstfolgende Impuls eintritt.
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Bei der Schaltung nach Fig. 6 bezeichnet I eine selbsterlöschende
Ionisationsröhre.
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Der Kondensator 13 ist nun mit der oberen Seite des Widerstandes
4 verbunden, zum Unterschied gegenüber Fig. 5, weil hier die Röhre 2 keine Löschspannung
zu liefern braucht. Es hat sich ergeben, daß hierbei die Impulse in Höhe, Breite
und Form einander gleich werden, auch wenn die Speisespannung innerhalb weiter Grenzen
schwankt.
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Es ist bemerkenswert, daß in den Figuren der Einfachheit halber Batterien
zur Lieferung der Speisespannung dargestellt sind. Selbstverständlich können diese
durch die an sich bekannte Vorrichtung zur Lieferung von Speisespannungen ersetzt
werden. Da infolge der Anwendung der Erfindung Änderungen in der Speisespannung
nicht mehr hinderlich sind, können diese Vorrichtungen einfach ausgebildet sein,
z. B. als netzgespeiste Gleichrichter.
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Es ist möglich, die Spannung, mit welcher der Impuls verglichen wird
(nach Fig. 6 von der Batterie G geliefert), dem iiber die Ionisationsröhre
geschalteten
Kondensator (?3 in Fig. 6) zu entnehmen. Zu diesem Zweck wird seine Spannung mittels
eines hochohmigen Spannungsteilers geteilt und einem Cathodefollower oder einem
anderen, gut geeigneten Energieverstärker zugeführt. Die Batterie 6 kann dabei entfallen.
Eine Schaltung von dieser Art ist in Fig. 7 dargestellt. Der Spannungsteiler ist
hier mit 20, die Kathodenverstärkerschaltung mit 21 bezeichnet Am Widerstand 22
entsteht nun eine Spannung mit der in der Figur angegebenen Polarität, welche die
Spannung der Batterie6 ersetzt.
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Die Erfindung kann auch angewendet werden, wenn die Gleichrichtervorrichtung
(Ionisationsröhre) als Photozelle oder Sekundäremissionsröhre ausgebildet ist.
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Wird in Fig. 7 der Widerstand 4 durch einen Kondensator überbrückt,
so bleibt die Impulsgröße unabhängig von der Speisespannung. Sie wird dann jedoch
von der Geschwindigkeit abhängig, mit welcher die Impulse aufeinander folgen, so
daß die Anzeige des Meßgerätes 15 nicht mehr direkt proportional mit der Zahl der
Impulse in der Zeiteinheit ist. Dies ist manchmal erwünscht, z. B. wenn ein großer
Meßbereich umfaßt werden soll.
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Selbstverständlich können an Stelle der in den Figuren der Einfachheit
halber dargestellten Triodenröhren Mehrgitterröhren verwendet werden.
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Fig. 8 stellt eine Schaltung dar, die sich besonders gut für diejenigen
Fälle eignet, in denen je Minute nur einige Impulse zählbar sein sollen. In gewissen
Fällen ist es dabei ein Nachteil, daß sich die Spannung an der Gleichrichterröhre
dann bis zu praktisch der vollständig hohen Speisespannung steigern kann. Bei der
Schaltung nach Fig. 8 wird dieser Nachteil vermieden. Der Teil der Schaltung zur
rechten der gestrichelten Linie ist als ein übliches Spannungsregelgerät wirksam,
so daß die Spannung am Kondensator I3 sich auf einen Wert einstellt, der annähernd
gleich R17R18 Volt R, 8 ist, wobei R17 und R18 die Widerstandswerte der Widerstände
I7 und I8 und B die Spannung der Batterie 19 sind. Die Werte der Widerstände R17
und Rjs werden derart bemessen, daß die Spannung am Kondensator I3 gerade etwas
größer wird als die Spannung, die während der Zählung einer genügenden Anzahl von
Impulsen am Kondensator I3 auftreten soll. Wird nunmehr die linke Hälfte der Schaltung
angebracht, so wird beim Leitendwerden der Ionisationsröhre 1 ein Spannungsimpuls
am Widerstand 4 erzeugt. Diese Spannung wird mit der Spannung B der Batterie 19
verglichen und der Kondensator 13 entlädt sich über die Röhre, bis diese Spannungen
praktisch einander gleich geworden sind.