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Gerät zum Nachweis ionisierender Strahlung mit einem Parallelplatten-Funkenzähler
Die Erfindung beschreibt eine Anordnung, mit der es möglich ist, gasionisierende
Strahlung nachzuweisen.
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Bekanntlich dient bisher vorwiegend das Geiger-Müller-Zählrohr zum
Nachweis gasionisierender Strahlung. Alle bisher bekannten anderen Ionisationsmeßgeräte
weisen :gegenüber dem Geiger-Mü'll'er-Zähler den Nachteil eines komplizierten, teueren
Aufbaus des Zählers oder der elektrischen Zu;s.atzgeräte auf, soweit es sich nicht
um sehr ungenaue und ;grob anzeigende Instrumente handelt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Teilchenzähler anzugeben,
der die Eigenschaft des Geiger-Müller-Zählrohrs, relativ hohe Teilchenintensitäten
quantitativ zu registrieren, ohne das Ansprec'hvermögen gegenüber einzelnen ionisierenden
Teilchen zu verlieren, be(si.tz@t, aber wesentlich geringere Anforderungen an die
Stabilität der Zählrohrspannung und an die Empfindlichkeit der Registriergeräte
stellt.
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Es sind Parallelplatten-Funkenzähler bekannt, mit denen es möglich
ist, hohes zeitliches Koinzidenzauflösungsvermögen zu erreichen, d. h. in ihnen
ist die Verzugszeit zwischen dem Durchgang eines gasianisierend@en Teilchens und
dem Auftreten eines meßbaren elektrischen Impulses an den Zählerelektroden extrem
niedrig gehalten (etwa ro-8 Sekunden).
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Diese Zähler haben den Nachteil, d.aß ihre Ansprec'hempfindl'ichkeit
nach Durchgang des Impulses durch besondere von außen anzubringende Schaltmittel
für eine Zeit (Löschzeit) von ro-3 bis ro-1
Sekunden unterbunden
werden muß, .da die durch den Funken verursachten und zu, Nachentladungen führenden
Nacheffekte erst nach einer ;gewissen Zeit (Nachwirkungszeit) abgeklungen sind.
Die Löschzeit muß also durch geeignete bekannte Schaltmittel stets etwas größer
als die Nachwirkungszeit gewählt werden. Die entscheidende Begrenzung des Auflösungsvermögens
(der reziproken Löschzeit) ist daher durch die Nachwirkungszeit gegeben. Beim Geiger-Müller-Zähfrohr
beträgt die Löschzeit etwa 5 - 1o-5 Sekunden.
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Im Gegensatz zu Geiger-Müller-Zählern können Paraflelplatten-Funkenzähler
mit Spannungen betrieben werden, die großen Schwankungen unterliegen dürfen, denn
sie haben ein P@fateau von 3oo bis iooo Volt (je nach Füllung), .d. h. einen Spannungsbereich
dieser Größe, innerhalb dessen jedes ionisierende Teilchen, das nicht :in die Löschzelt
fällt, :registriert wird (M ad an s k y und P i d d , Phys. Rev., 75 [1945], S.
1145, und Rev. Sc. Instr., Mai 1950; Keuffel, Rev. Sc. Instr., 2o [1949], S. 2o2;
Suzkin, Zeitschrift für Physik, 138 [i951]) Überdies liefert der Paralle!lpl'atten-Funkenzähler
in seinem Arbeitsbereich Impulse größer als 140 Volt und bedarf daher keiner Verstärkereinrichtung.
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Die in den Ansprüchen im einzelnen gekennzeichnete Erfindung nimmt
nun an den Parallelplatten-Funkenzählern und an den bekannten Schaltmitteln derart
Veränderungen vor, daß ihre Löschzeit auf die des Geiger-Müller-Zählers heruntergedrückt
wird und damit die Vorteile der bisher bekannten Parallelplatten=Funkenzähler mit
den Vorteilen des Gelger-Müller-Zälzlers verknüpft werden.
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Hierzu wird von fofgenden Tatsachen ausgegangen: Legt man an zwei
hochglanzpolierte Metallplatten, die sich .in einem mit bestimmten Gasen, Dämpfen
oder Gas-Dampf-Gemischen gefüllten Gefäß befinden, eine Spannung, die größer ist
als die elektrische Durchschlagsspannung, so erhält man bei Einstrahlung einen Funkenüberschlag
und an einem zu einer Elektrode führenden Widerstand einen elektrischen Impuls,
Zum nachwirkungsfreien Löschen der Entfadung .ist es erforderlich, daß die Spannung
nach dem Überschlag eine bestimmte Zeit unter die Einsatzspannung herabgedrückt
wird. Die Löschzeit ist dannnachwirkung.sfrei, wenn nach der Löschzeit die von dem
Funken verursachten Nacheffekte., die zu einer nochmaligen Funkenbildung Arilaß
geben könnten, abgeklungen sind, d. h. wenn die Nachwirkungszeit kleiner als die
Löschzeit :ist.
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Die Nachwirkungszeit ist abhängig von i. dem Plattenmaterial, 2. der
Oberflächenbeschaffenheit des Plattenmaterials, 3. der Füllung des Zählers sowie
4. der Größe der Funkenentladung.
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Der Einfluß der Punkte i und 2 ist bei Parallelpl.atten-Funkenzählern
bekannit. Eine besondere Berücksielhtigung der Punkte 3 und 4 gestaittet, die Aufgabe,
die sich die Erfindung gestellt hat, zu lösen. Verwendet man nämlich in Paralilelplatten-Funkenzählern
statt der .bisher üblichen Füllungen, die als wesentlichen Bestandtei!f immer ein
anorganisches Gas enthielten, Gase, Dämpfe oder Gas-Dampf-Gemische, die hochprozentig
organische Bestandteile enthalten (cinsch'ließlich Methan und Ammoniak), z. B. etwa
30% Amyl'acetat un.d etwa 70% Äthylalkohol mit etwa i % Verunreinigungen, oder technisches
Methan., oder technisches Ammoniak, so läßt .sich die erforderliche Löschzeit bereits
wesentlich herabdrücken.
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Dieser Effekt ist durchaus überraschend, denn bisher erreichte man
mit vollständiger oder teilweiser Füllung von Zählrohren aller Art mit organischen
Gasen allein eine verstärkte innere Löschung der Entladung, nicht aber eine Unterdrückung
der Nacheffekte (Nat. Wiss., 37 [195o], S. 2o und 21; Zeitschrift für angew. Physik,
2 [195o], S. 2241 bis 249; USA.-Patentschrift 2 59o 925). Parallelplatten-Fuakenzähler,
die ohne Löschdampfzusatz, also mit anorganischen Gasen, betrieben werden, bilden
im allgemeinen eine kontinuierlich brennende Glimmentladung aus .oder eine Kippentladung,
die ebenfalifs Glimmcharakter besitzt. Die »Einschnürun.g« der Entladungsform zu
einem Funkenüberschlag wird in reproduzierbarer Weise überhaupt erst durch den bekannten
Löschdampfzusatz bewirkt. Diese Funktion des Löschdampfzusatzes wird als innere
Löschung bezeichnet. Die -teilweise Füllung von Pa@rallelplatten-Fu-nkenzähle:rn
nach Phys. Rev., 73 (1948), S. 1215 und 1216, diente ebenfalls diesem Zweck.
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Ein Einfluß .der organischen Bestandteile der Füllungen auf die bei
Paralleilplatten-Funkenzählern vorhandenen Nachwirkungseffekte, insbesondere auf
die Nachwirkungszeit, war nicht bekannt und macht sieh auch nicht bemerkbar, wenn
nur geringe Konzentrationen verwendet werden. Dies ergibt sich aus den bei den bekannten
Anordnungen erforderl'ic'hen großen Löschzeiten von 1o-1 bis 1o-3 Sekunden. Eine
entscheidende Verminderung der Nachwirkungszeit und damit der Löschzeit durch Erhöhung
der Konzentration der organischen Anteile der Füllung war demnach nicht zu erwarten.
Dennoch wird bei einer mehr als go%gen Füllung von Parallelplatten-Funkenzählern
mit organischen Gasen, Dämpfen oder Gas-Dampf-Gemischen fast sprunghaft die Nachwirkungszeit
um ein bis zwei Zehnerpotenzen bis zu 5 - 1o-5 Sekunden herabgedrückt und damit
Löschzeiten ebenfalls dieser Größe ermöglicht. Es handelt sich hierbei nicht um
die kontinuierliche Steigerung der bekannten inneren Löschung, welche auf die Nachwirkungszeit
keinen Einfluß hat, sondern um eine fast diskontinuierliche Veränderung der Nachwirkungszeit.
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Die physikalischen Ursachen dieser Erscheinung sind noch ungeklärt.
Daß durch die erfindungsgemäße Veränderung der Füllung ein wesentlicher Eingriff
in den physikalischen Ablauf der Entladung geschieht, wird dadurch. unterstrichen,
daß die Helligkeit der Funken um ein Vielfaches geringer ist als .bei den bekannten
Füllgemischen. Bei
Plattenkapazitäten kleiner als i pF sind die
Funken überhaupt unsichtbar, während bei Füllung der gleichen Zähler mit bekannten
Gemischen in gleicher Schaltung der Überschlag noch deutlich erkennbar ist. Daß
es sich hierbei trotzdem um den phy s-ikal;ischen Vorgang eines Funkenüberschlags
handelt, geht dann nur noch aus dem Oszillogramm der Entladung hervor.
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Die Herabsetzung der Helligkeit der Funken dürfte .bei der erfindungsgemäßen
Füllung von der gleichen Größenordnung wie die Verminderung der Nachwirkungszeit
sein, so :daß die Vermutung naheliegt, daß der Nacheffekt durch energiereiche Lichtquanten
bewirkt wird,, deren Ausbildung bei Fehlen anorganischer Bestandteile in der Füllung
nicht erfolgen kann.
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Eine Ausnahme bildet eine Füllung mit reinem Alkohol', bei der keine
Verbesserung der Zählcharakteristik gegenüber den bisher bekannten auftritt.
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Eine weitere Verminderung der Löschzeit erhält man durch Ausnutzung
folgender Tatsache: Es -neigt sich, daß die Löschzeit proportional zur gesamten
zwischen den Platten liegenden Kapazität ist. Bisher wurden nur Zähler mit Kapazitäten
verwendet, die zum Teil wesentlich größer als 5 pF @varen. Bei einer Gesamtkapazität
(Kapazität der Platten, schädliche Kapazitäten und Röhrenkapazitäten) von
0,3 pF und unter Verwendung der angegebenen Füllungen erhält man eine Löschzeit
von 2 - 1o-5 Sekunden bei einer Neher-Harper-Schaltung und 5 - i0-5 Sekunden bei
.gewöhnlicher RC-Anordnung, d, @h. wenn man zur Löschung einen Widerstand nimmt.
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Zusammenfassend erweist sich also die die Löschzeit bestimmende Nachwirkungszeit
nicht nur als vom Plattenmaterial und seiner Oberflächenbeschaffenheit ,abhängig,
sondern auch von der Füllung des Zählvolumens und der durch die Kopplungskapazität
bestimmten Größe der Funkenentladung. Dies wurde erfindungsgemäß zur Erhöhung des
Auflösungsvermögens (Erniedrigung der Löschzeit) des Parallelplatten-Funkenzählers
ausgenutzt.
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Die Gesamtkapazität von 0,3 pF kann man auf Grund folgender
Überlegung realisieren: Der Parallelplatten-Funkenzähler liefert in seinem Arbeitsbereich
Impulse größer als 15o Volt mit einer Anstiegzeit von etwa 1o-7 Sekunden. Die Impulshöhe
steigt dabei nur unwesentlich mit der Spannung an (im Gegensatz zum Geiger-Müller-Zähler).
Der Zähler kann daher mit einer extrem kleinen Kapazität an das Anzeigegerät gekoppelt
werden, z. B. mit o,o5 pF. Man unterdrückt dadurch praktisch jegliche schädliche
Zusatzkapazität (Zuleitung, Röhreneingang usw.). Dennoch erhält man am Eingang des
Anzeigegeräts Impulse; die immer noch wesentlich größer als beim Zählrohr sind.
Man braucht keine Impulsverstärkerschaltungen, sondern kann wegen der Größe der
Impulse direkt oder an eine den Impuls anzeigende Röhre (Verstärkerröhre, Doppeldiode,
Glimmlampe oder gittergesteuerte Gasentladun.gsröhre) ankoppeln.
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Wegen der Konstanz der Impulshöhe und der Impulsform im Arbeitsbereich
des Zählers kann man die Impulse direkt einem integrierenden Meßgerät (das ist z.
B. eine von den Impulsen gesteuerte Röhre mit einem RC-Glied und einem Strommeßgerät
im Anodenkreis) ohne vorherige Schaltmittel zur Angleichung der Impulse zuführen.
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Die Funktions"veise der Paral'lelplatten-Funkenzähler ändert sich
nicht, wenn man von dem homogenen elektrischen Feld zwischen den parallelen Platten
zu sehwach irihomogenen Feldern - etwa zwischen. zwei ineinanderge.schobenen koaxialen
Rohren, deren Durchmesser nicht wesentlich voneinander abweichen - übergeht.