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Strahlungsanzeiger Die Erfindung bezieht sich auf einen Strahlungsanzeiger
von der Art eines Geiger-Müller-Zählers, wie er beispielsweise in der USA.-Patentschrift
2 397 071 beschrieben ist.
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Bei mit Platten arbeitenden Zählrohren dieser Art sind mehrere im
wesentlichen gleich große leitende Kathodenplatten vorgesehen, die voneinander getrennt
sind und im wesentlichen parallel zueinander stehen. Jede Platte besitzt eine oder
mehrere gleichmäßig verteilte Öffnungen, die in Längsrichtung fluchtfecht ausgerichtet
sind und durch die sich gegenüber den Platten isolierte Anodendrähte in im wesentlichen
senkrecht auf den Plattenebenen stehender Richtung erstrecken. Fig. i der Zeichnung
ist eine perspektivische Ansicht einer solchen Platte, die in einem Zählrohr vom
Plattentyp mit nur einem Anodendraht verwendet wird; Fig. 2 ist eine perspektivische
Ansicht des Plattenaufbaus eines Zählrohres mit mehreren Anodendrähten; Fig. 3 ist
eine perspektivische Ansicht eines mit vielen Platten arbeitenden Zählrohres, das
in getrennte Kammern unterteilt ist, und wobei in der Darstellung ein Teil des Zählrohres
weggelassen ist, um sein Inneres zu zeigen.
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Der Plattenaufbau, der »Kathode« genannt werden kann, und die Anodendrähte
sind in einem Gehäuse
aus Glas, Metall oder anderem geeigneten Material
untergebracht; diese Gehäuses ist vorzugsweise mit einem geeigneten Gas gefüllt.
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In Fig. 2, die einen Plattenaufbau, wie er sich im Innern eines Zählrohres
befindet, zeigt, ist der Aufbau aus den Platten ii mit Löchern 12, durch die die
Anodendrähte 13 geführt sind, gewöhnlich in einem (nicht gezeigten) Glasgehäuse
eingeschlossen. Das Gehäuse. enthält ein geeignetes Gas oder Gasgemisch, wie z.
B. Argon und Alkohol, das einen geeigneten Druck im Bereich von i2 bis
50 nun Qu. S. besitzt. Der Anodendraht bzw. die Anodendrähte werden unter
einem positiven Potential in bezug auf die Platten gehalten; ein Widerstand R ist
in dem Stromkreis angeordnet. Normalerweise ist die Potentialdifferenz zwischen
dem Anodenaufbau und den Kathodenplatten fast hoch genug, aber doch nicht ganz so
hoch, um zu bewirken, daß eine Entladung stattfindet. Wenn ein Teilchen, -das das
Gas in dem Gehäuse zu ionisieren vermag, durch das Zählrohr hindurchgeht, tritt
eine Entladung ein, die mit einem Stromfluß in der Größenordnung von einigen Mikroampere
verbunden ist. Dies führt zu einem Spannungsabfall in dem Widerstand R, und die
Entladung hört nach einer verhältnismäßig kurzen Zeitspanne auf. Durch geeignete
Verstärkung des plötzlichen Spannungsabfalls in R auf an sich bekannte Weise kann
eine mechanische Aufzeichnungsvorrichtung oder ein anderes Gerät zur Aufzeichnung
der Entladung des Zählrohres betätigt werden. Wegen der in dem Zählrohr stattfindenden
Ionisierung-die sich bei der Entladung in Form einer Hülle um den Anodendraht bildet,
und wegen der Neigung dieser Ionenhülle, an dem Draht entlang zu wandern, kann das
Zählrohr während einer nennenswerten Zeit unempfindlich werden, während der keine
Zählung erfolgen kann. So kann die unbegrenzte Wanderung dieser Ionenhülle einen
Leistungsverlust verursachen.
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Wegen der starken Ionisierung pro Einheit der Bahnlänge von Strahlungen,
wie kosmischer Strahlung oder Betastrahlen, ist selbst bei der verhältnismäßig geringen
Dichte des Gases in dem Zählrohr der Leistung des üblichen Zählrohres für solche
Strahlen sehr nahe an ioo°/o. Jedoch ist die Wahrscheinlichkeit, daß ein Gammastrahl
Ionisierung in dem Gas verursacht, merklich geringer, und praktisch sämtliche Zählungen
auf Grund des Durchganges von Gammastrahlen sind auf die Elektronen zurückzuführen,
die aus der Kathodenplatte durch die Einwirkung des Gammastrahls auf die Atome des
Kathodenmaterials ausgeschleudert werden.
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Die Wahrscheinlichkeit, daß eine solche Wechselwirkung stattfindet,
nimmt natürlich mit steigender Kathodenwandstärke zu. Aber da in dem Kathodenmaterial
der Bereich eines von den Gammastrahlen Energie empfangenden Elektrons beschränkt
ist, wird damit wenig gewonnen, daß 'man die Platten stärker als etwa das Doppelte
der mittleren Eindringungstiefe der Teilchen ausführt.
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Bei mit Platten arbeitenden Zählrohren, wie z. g. in Fig_ 2 gezeigt,
wurde gefunden, daß die Stärke des elektrischen Feldes, d. h. des Feldes, das auf
'Grund der Potentialdifferenz zwischen dem Anodendraht oder den Anodendrähten und
den diese umgebenden Kathodenplatten entsteht, verhältnismäßig gering oder schwach
an denjenigen Stellen ist, die zwischen den Kathodenplatten abseits von dem Anodendraht
bzw. den Anodendrähten und nahe der Zählrohrwand liegen. Eine solche Verteilung
des Feldes ist unerwünscht, da eine wirksamere Zählung durch eine gleichmäßigere
Feldstärkeverteilung über das gesamte Zählrohrvolumen hinweg erzielt werden kann.
Wenn es Gebiete gibt; in denen die Feldstärke nicht genügend groß ist, wie z. B.
in den Gegenden nächst der Zählrohrwand, . können die ausgeschleuderten Elektronen
die Anodendrähte nicht erreichen und kein Signal auslösen. Sie können statt dessen
ziellos treiben. Sie können verlorengehen oder. später zu einem falschen Zeitpunkt
auftauchen und zu unechten Zählungen Anlaß geben. Diese Möglichkeit, daß ein Zählrohr
falsche Zählungen vornimmt, ist wichtig, da dies die Stabilität des -Zählrohres
bestimmt.
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Alle obigen Angaben einschließlich der räumlichen Verhältnisse des
Zählrohres, der in den Zählrohren enthaltenen Materialien und der Art der. angezeigten
Strahlungen sind mitbestimmend für die Leistung des Zählrohres, die als die Zahl
von Zählungen pro Sekunde pro Volumeinheit des Zählrohres in einem gegebenen Gammastrahlenfeld
definiert werden kann.
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Was die Verteilung des elektrischen -Feldes weiterhin anlangt, so
ist es offensichtlich, daß bei einer Kathode mit Platten von verhältnismäßig großem
Durchmesser die Verwendung von nur einem Anodendraht in dem Zentrum des Plattenaufbaus
ein starkes Feld um das Zentrum herum und - ein schwaches Feld an und nahe der äußeren
Peripherie jeder der Platten-ergibt,- - '---@ Bei einer kleinen Kathodenplatte,
wie z. B. einer mit einem -Durchmesser von -etwa--2, ö cm -(zl/a Zoll) und
einem Anodenlochdurchmesser von 1,25 cm (1/2 Zoll) ist die Uneinheitlichkeit des
Feldes nicht so offensichtlich, aber bei großen Kathodenplatten mit Durchmessern
im Bereich von 7,6 cm (3 Zoll) bis io cm (q. Zoll) ist das Gebiet des »schwachen«
Feldes groß: Um eine solche ungleiche Verteilung zu überwinden, werden die Kathodenplatten
mit einer Anzahl fluchtrechter Öffnungen ausgebildet, in denen die Anodendrähte
angeordnet werden. Auf diese Weise wird eine Anzahl von Gebieten mit »starkemcc
elektrischem Feld errichtet und die Gesamtfeldverteilung einheitlicher gestaltet,
so daß irgendwo in dem Zählrohr ausgeschleuderte Elektronen eine Anode erreichen
und ein Signal auslösen. Obgleich es scheinen möchte, daß die Anzahl von Anodendrähten
bis ins Unendliche gesteigert werden könnte, um das, Feld einheitlicher zu gestalten,
würde dies die Plattenfläche verringern und die Leistung des Zählrohres entsprechend
vermindern.
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Es wurde nun gefunden, daß ein optimales Verhältnis zwischen der Zahl
der Anodendrähte und der Plattenfläche besteht; 'im Bereich dieses Verhältnisses
werden eine gute Feldstärke und Feldverteilung. sowie eine erwünscht große Plattenfläche
erzielt.
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In dieses Verhältnis sind einbezogen: der Plattenabstand S in Fig.
2, die Fläche der Platten A in Fig. 2 und ein empirischer Faktor K. Unter Zugrundelegung
der
Platte 14 von Fig. x, die eine Öffnung 15 mit einem Durchmesser von 425 cm (1/2
Zoll) und einen Außendurchmesser von 2,8 cm (i1/8 Zoll) besitzt, wurde für K der
Wert 4 bis 8 und vorzugsweise etwa 6 gefunden. Dieser Wert K beruht auf einem Plattenabstand
von etwa 0,3 cm (1/8 Zoll) bis o,6 cm (1/4 Zoll) und vorzugsweise o,47 cm
(3/l8 Zoll) sowie einem Plattenloch für die Durchführung des Anodendrahtes
mit- einem Durchmesser, der mindestens das Doppelte des Wertes S und vorzugsweise
das Dreibis Vierfache des Wertes S beträgt. Ein hier nicht besonders zu beachtender
Faktor ist der Durchmesser des Anodendrahtes, der, gewöhnlich- zwischen 0,0254 bis
0,2540 mm beträgt: Mit den oben angegebenen Faktoren kann die optimale Zahl (n)
von im wesentlichen einheitlich in einer Kathodenplatte verteilten Löchern erfindungsgemäß
nach der nachstehenden Formel errechnet werden
A = Plattenfläche, S = Abstand zwischen den Platten, K = Konstante.
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Bei ringförmigen Platten mit einem Innendurchmesser D2 und einem Außendurchmesser
Da kann die Formel genauerhin wie folgt abgeändert werden:
Wendet man die erste Formel auf die Platte von Fig. i mit einem Außendurchmesser
von i1/8 Zoll (2,857 cm) an, so kann n wie folgt bestimmt werden:
Bei einer Platte mit einem Außendurchmesser von 2 Zoll (5,o79 cm)
Bei einer Platte mit einem Außendurchmesser von 21/2 Zoll (6,349 cm)
Bei einer Platte mit einem Außendurchmesser von 3 Zoll (7,6r9 cm)
Bei einer Platte mit einem Außendurchmesser ' von 4 Zoll (i0,159 cm)
Wenn man berücksichtigt, däß eine Platte= von 2,8 cm Durchmesser einen Flächeninhalt
von etwa 6,5 cm2 (i Quadratzoll) besitzt und n für diese Platte = i ist, so wird
ersichtlich, daß n etwa gleich der Fläche der Platte in Quadratzoll ist. Dies wird
durch die nachstehende Tabelle bestätigt, die den Wert von n für die obigen Platten
zeigt.
| Tabelle I |
| Annähernde Fläche |
| Platten-Durchmesser n (A) |
| in .Quadratzoll @ (in qcm) |
| 2 Zoll (5,o8 cm) 3 3,1 (20,o) |
| 21/2 Zoll (6,35 cm) 5 4,9 (3i,7) |
| 3 Zoll (7,b2 cm) . 7 7,1 (45,8) |
| 4 Zoll (io,o6 cm) 13 12,6 (8i,3) |
| Die öbigen Verhältnisse ergeben den optimalen |
| TZ--- |
| . r."wig zwischen der Plattenfläche, die wegen |
| der Auffängung der Strahlen ein Höchstwert sein soll, |
und der Verminderung dieser Plattenfläche wegen der Zahl der darin enthaltenen Öffnungen
und der entsprechenden Zahl von Anodendrähten, -die nötig sind, um dem Feld die
erforderliche einheitliche Stärke zu verleihen.
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Die Erfindung richtet sich weiterhin auf eine Verbesserung an einem
derartigen Zählrohr, wodurch dessen Leistung bei hohen Zählgeschwindigkeiten erhöht
wird. Bei Zählern vom Geiger-Müller-Typ erfolgt die Ionisierung hauptsächlich in
einer Hülle um den Anodendraht und verbreitet sieh, wenn sie einmal eingeleitet
ist, längs des Drahtes. Besitzt der Draht eine nennenswerte Länge, so ist es erwünscht,
die Länge der Wanderung der Ionenhülle zu begrenzen, da diese das Zählrohr unempfindlich
macht. Diese Begrenzung ist besonders da erwünscht, wo das Zählrohr mit hohen Zählgeschwindigkeiten
arbeiten soll. Im anderen Fall hätte die ziemlich lange Dauer der Unempfindlichkeit
des Zählrohres zur Folge, daß das Zählrohr beim Zählen einer größeren Menge Strahlen
versagen würde.
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Die weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht in .einer zwischen
mindestens zwei der Kathodenplatten angeordneten Vorrichtung, die dem Anodendraht
benachbart, aber durch einen Abstand von ihm getrennt ist, ein anderes Potential
als der Anodendraht
und die Kathodenplatte besitzt und einen Potentialwert
aufweist, der eine lokale Feldstärke bewirkt, die nicht ausreicht, um eine fortschreitende
Ionisierung längs des Anodendrahtes zu. unterhalten.
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Auf welche Weise die Wanderung der Ionenhülle begrenzt wird, läßt
sich an Hand von Fig. 3 erklären. In Fig: 3 enthält der dort gezeigte Strahlungsanzeiger
ein Gehäuse 2i aus geeignetem Material, eine Reihe Kathodenplatten 22, eine Reihe
getrennt angeordneter leitender Platten oder Leiter 23 von ziemlicher Dicke, d.
h. von der Größenordnung der doppelten --oder dreifachen Dicke der Kathodenplatten.
Diese zweckmäßig als Ringleiter ausgebildeten Leiter sind zwischen Gruppen von Kathodenplatten
angebracht und stehen zu diesen im wesentlichen parallel, besitzen aber, wie gezeigt,
einen kleineren Durchmesser als diese. Ein Anodendraht 24 ist in den fluchtrecht
ausgerichteten Öffnungen 25 der Platten 22 und in den Öffnungen 2,6-der Platten
23 angeordnet; hierbei ist zu bemerken, daß die Öffnungen 26 einen merklich kleineren
Durchmesser als die Öffnungen 25 besitzen. Eine Sammelschiene 27, die in den Platten
22 vorgesehene fluchtrecht ausgerichtete Öffnungen durchläuft, ist mit den Platten
23 verbunden. Das -Zählrohr ist, wie vorstehend beschrieben, mit Gas gefüllt, das
einen verringerten Druck besitzt. Bei diesem Zähliohrtyp wird die- Wanderung der
Ionen längs des Anodendrahtes durch eine Änderung der Stärke des in dem den Draht
umgebenden Gase - herrschenden elektrischen Feldes'aufgehalten; diese Änderung ist
von solcher Größe, daß die Feldstärke an den Platten 23 unter derjenigen liegt,
die eine fortschreitende--Ionisierung bewirken würde. Angenommen, der Anodendraht
24 steht unter 'dem Betriebspotential Ei des Zählrohres und die Kathodenplatten
22 stehen unter normalem Betriebspotential, so erhalten die Platten 23 ein Potential
E2, so daß-die Potentialdifferenz zwischen Anodendraht 24 und jeder der Platten
23 , in den Öffnungen 26 ein elektrisches Feld: mit einer Stärke erzeugt, die die.
Ionisierung längs des Anodendrahtes nicht unterhält und die Wanderung der Ionenhülle
aufhält: Somit kann man sagen, daß die Abschnitte 3=, 32 und 33 des Zählrohres voneinander
-getrennt sind, was die. Wanderung der Ionen längs des . Anodendrahtes anlangt.
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Selbstverständlich kann der Zähler durch Einsetzen einer entsprechenden
Zahl von- Platten-23 in so viele Abschnitte unterteilt werden, wie gewünscht wird.
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Die die Platten 23 verbindende Sammelschiene 27 hat solche Ausmaße,
daß sie zwischen sich und irgendeiner der Kathodenplatten kein -elektrisches Feld
von großer Stärke aufkommen läßt. # Sämtliche Platten können durch geeignete, nicht
gezeigte Isolatoren in ihrer, Stellung gehalten werden.
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Während Fig. 3 eineu Strahlungsanzeigermit nureinem Anodendraht erläutert;
versteht es sich doch, daß diese Steuervorrichtung für, die-:,Elektronen-Wanderung
ebenso auf Strahlungsanzeiger-mit mehreren Anoden, wie in -Fig. 2. gezeigt, anwendbar
ist.
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Aus- dem ;obigen- ergibt sich, daß-durch die vor= liegende Erfindung
ein optimaler Kompromiß zwischen Plattengröße: und Feldverteilung ,in Zählrohren
vom Plattentyp . erreicht wird. Durch die Hinzunahme der Begrenzung der Wanderung-
der Ionenhülle entlang den Anodendrähten wird die Empfindlichkeit und Leistung des
Zählrohres sogar noch weiter zu einem erwünschten Maximum gebracht.