Einrichtung zur Bestimmung von kleinen Elektrizitätsmengen und Strömen, z. B. Ionisationsströmen. KleineElektrizitätsmengen werden bekannt lich dadurch bestimmt, dass man die Ände rung der Spannung einer Kapazität misst, welche durch die zu messende Elektrizitäts menge aufgeladen oder entladen wird.
In der zur Erläuterung des an sich bekannten Mess- prinzips dienenden Fig. 1 der Zeichnung sei L eine Kapazität (Leydener Flasche), ., ein Elektroskop. Die Flasche wird aufgeladen um ein gewisses am Elektroskop ablesbares Potential Vi. Die Kapazität möge nun aus irgend einer Ursache langsam entladen wer den, zum Beispiel infolge des Vorhandenseins eines Isolationsfehlers des Dielektrikums oder durch Ionisation der umgebenden Luft infolge einer Bestrahlung mit Röntgen- oder radio aktiven Strahlen.
Bei der Anordnung nach Fig. 1 kann zum Beispiel ein Ladungsverlust der Leydener Flasche einfach durch Bestrahlen der aus geeignetem Material hergestellten Platte P bewirkt und ihr dadurch eine ge wisse Elektrizitätsmenge entzogen werden.
Die Bestimmung dieser Menge ist für zahlreiche Fälle von Bedeutung und kann insbesondere zu folgenden Messungen ver wendet werden 1. Der Ladungsverlust ergibt ein Mass für die ihn hervorrufende Ursache, also zum Bei spiel für die Grösse eines Isolationsfehlers oder für die Dosis der die Leitfähigkeit der urngehenden Luft erzeugenden Strahlen.
2. Wenn man die Zeit, welche zur Her stellung einer bestimmten Differenz V?-Vi erforderlich ist; misst, erhält man ein Mass für die Stromstärke, die aus der Leydener Flasche in die Umgebung fliesst. Man ist also in der Lage, mit Hilfe dieser Methode Stromstärken zu messen, deren Kleinheit jede Messung mit den üblichen Strommessern völlig unmöglich macht (Grössenordnung 10-11 bis 10-11).
Diese Methode ist dementsprechend von jeher als wichtigste Messmethode zur Bestim mung von kleineren Elektrizitätsmengen und Strömen, insbesondere auch von solche Ströme verursachenden ionisierenden Strahlen ver wendet worden. Wenn beispielsweise durch Belichtung der Platte P ein Elektronenstrom aus der Leydener Flasche in die Umgebung fliesst, so entlädt sich die Leydener Flasche langsam, und der Ausschlag des Elektro- skops nimmt infolgedessen dauernd ab.
So bald die Spannung auf einen gewissen Wert V:2 gesunken ist, beträgt die von der Flasche verloreneElektrizitätsmerigeC(Vi-V2), worin C die Kapazität der Flasche bedeutet.
Die Bestimmung dieser Menge erfordert bei der bisherigen Aiessmethode ausser der Kenntnis dieser Grösse C die zweimalige Ab lesung des Elektroskops.
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung, die bezweckt, kleine Elektrizitätsmengen zu bestimmen, ohne diese Ableaung nötig zu machen. Sie ermöglicht dadurch die technisch wichtigen Messungen aller Grüssen, die auf die Bestimmung kleiner Elektrizitätsmengen nach dieser Methode zurückführbar sind, insbesonderedieBestimmung von Ionenströmeu und damit auch die Bestimmung der Inten sität und Dosis von Strahlen, welche Ioni- sationsströme zu erzeugen vermögen.
Dies geschieht nach der Erfindung mit Hilfe eines als Kapazität dienenden festen Leiters und eines dazu beweglichen Leiters, die von der zu messenden Elektrizität durch flossen werden und als Relais zur Betätigung einer Anzeigevorrichtung für die beim Elek- trizitätsdurchgangperiodisch erfolgenden Span nungsänderungen der Kapazität wirken. Wird zwischen den beiden Leitern eine bestimmte Potentialdifferenz erreicht, so bewegt sich der bewegliche Leiter gegen den festen Leiter, bis er ihn berührt, wodurch Potentialausgleich und Abstossung der Leiter erfolgt. Dieser Vorgang wiederholt sich, sobald die Kapazität den der gewählten Potentialdifferenz ent sprechenden Spannungszustand wieder er reicht, d. h. wieder bis auf eine bestimmte Spannung entladen oder aufgeladen ist.
Die Anzahl dieser sich wiederholenden Vorgänge bildet ein blass für die durch die Leiter ge flossene Elektrizität und lässt sich mittelst eines durch die Relaiswirkung betätigten Zähl werkes oder dergleichen bestimmen. Wenn das Relais dabei gleichzeitig eine Uhr betätigt, so ergibt sich aus der Zeitdauer, in der die jedesmalige Spannungsänderung eintrat, ein Mass für die Stromstärke.
In Fig. 2 bis 4 der Zeichnung sind mehrere beispielsweise Ausführungsformen einer Ein richtung dargestellt, die insbesondere dazu dient, das vorgenamite Prinzip zur Messung von ionisierenden Strahlen zu verwenden, also zum Beispiel die Intensität oder die Alenge einer Strahlung zu bestimmen, die ini Innern einer Kammer Ionisationsströme erzeugt.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist in einem metallischen, gegen die zu messen den Strahlen abgeschirmten, allseitig geschlos senen Gehäuse 1 ein elektrostatisches Relais untergebracht, das aus einem feststehenden Leiter 2 und einem diesem gegenüberstehen den, leicht beweglichen Leiter 3 besteht. Dieser Leiter ist an dem isoliert durch die Gehäusewand hindurchgeführten Träger 4 an gebracht und besteht aus einem dünnen Metall draht oder -band. Der Leiter 2 ist mit einem Ende der Elektrode 5 durch eine Leitung 6 stromleitend verbunden.
Die innere Elek trode 5 der Ionisierungskammer 7 ist in einem Isolierblock 8 befestigt, der die äussere, hau- benförmige Elektrode 30 trägt, deren Fuss ring 31 durch eine darüber greifende, auf das äussere Ende des den Block 8 umschliessenden Metallrohres 32 geschraubte Gewindekappe 33 gehalten wird. Das Rohr 32 ist mit einem Stutzen 34 der Wandung des Gehäuses 1 durch Verschraubung 35 verbunden und mit Isoliermasse 36 ausgefüllt. In die von der haubenförmigen Elektrode 30 gebildete Kam nier 7 ragt das freie Ende der innern Elek trode 5 hinein.
Der bewegliche Leiter 3 ist über den Träger 4 und einen Widerstand 43 mit dem einen Pol einer Batterie 9 verbunden, deren anderer gleichzeitig geerdeter Pol an das Ge häuse 1 angeschlossen ist. In der Bahn des beweglichen Leiters 3, der als Stromschliesser wirkt, ist innerhalb des Gehäuses 1 ein Gegen kontakt 10 angebracht, der mit seinem Teil 11 durch das Gehäuse 1 isoliert hindurch geführt und an das eine Ende der Wicklung eines Elektromagnetes 12 gelegt ist, deren anderes Ende an den geerdeten Pol der Stromquelle 9 angeschlossen ist.
Der Elek tromagnet 12 bildet mit dem Anker 28 und dessen Gegenkontakt 29 ein elektromagne tisches Hilfsrelais, das den Stromkreis einer Stromquelle 13 schliesst, in den beliebige Ar beitsgeräte, zum Beispiel Zählwerke 14, Schalt vorrichtungen usw., eingeschaltet sind.
Die isolierten Teile 7, 6 und 2 dieser Vor richtung besitzen eine gewisse Kapazität, die der Leydener Flasche der Anordnung nach Fig. 1 entspricht. Der bewegliche Leiter 3 entspricht den Blättchen des Elektroskops E der Fig. 1. Die Kammer 7 wird nun der Wirkung von ionisierenden Strahlen ausgesetzt.
Bei Beginn des Arbeitsvorganges sind sämtliche Teile des Relais und der Ionisie- rungskammer ungeladen; bis auf den beweg lichen Leiter 3, der infolgedessen angezogen wird, bis er den Leiter 2 berührt. Durch diese Berührung werden der Leiter 2 und die Elektrode 5 auf die Spannung des Strom schliessers 3 gebracht, so dass nunmehr zwischen diesem und dem Leiter 2 Abstossung statt findet.
Durch die Wirkung der Strahlen, zu deren Messung die ganze Vorrichtung letzten Endes dienen soll, wird in der Ionisierkammer 7 Leitfähigkeit erzeugt. Dadurch geht eine ge wisse Elektrizitätsmenge aus den isolierten Teilen heraus (die gewissermassen die innere Belegung einer Leydener Flasche darstellen). Dadurch sinkt allmählich die Spannung des Leiters 2 und der Elektrode 5, wodurch der Stromschliesser 3 wieder angezogen wird. Bei einem ganz bestimmten Wert des Spannungs- unterschiedes zwischen dem Stromschliesser 3 und dem Leiter 2 berühren sich beide, wo durch der Leiter 2 wider auf die Spannung der Stromquelle 9 aufgeladen wird.
Die Folge hiervon ist die erneute Abstossung des Strom schliessers 3.. Dieses Spiel wiederholt sich in bestimmten, von der Stärke der Ionisierung abhängigen Zeiträumen.
Bei jeder Berührung zwischen dem Strom schliesser 3 und dem Leiter 2 kommt der Stromschliesser finit dem feststehenden Gegen kontakt 10 in Berührung, so dass der Strom kreis geschlossen wird, in dem der Elektro- magnet 12 liegt. Durch das Hilfsrelais 12, 28, 29 wird daher der Stromkreis der Strom quelle 13 geschlossen, so dass die Zählwerke 14 in Betrieb gesetzt werden. Die Zählwerke zeigen unmittelbar an, welche Elektrizitäts menge von der innern Belegung des wie ein Kondensator wirkenden Instruments zur äussern hinübergeht. Da diese Menge proportional der Menge der aufgefallenen ionisierenden Strahlen ist, gibt das Zählwerk dementsprechend un mittelbar die Dosis der in der Kammer 7 zur Wirkung gelangten Strahlen an.
Eine Be stimmung der Zeit, in welcher das Zählwerk eine gewisse Zahl von periodischen Entladungen angezeigt hat, ergibt sodann die in jeder Se kunde in der Kammer zur Wirkung gelangten Strahlen, also deren Intensität.
Die Zuhilfenahme des Relais 12, 28, 29 ist nicht unbedingt erforderlich, da der Träger 4 so angeordnet sein kann, dass er als Kontakt zwischen dem Stromschliesser 3 und dem Ge genkontakt 10 den Arbeitsstrom für die Zähl werke 14 usw. unmittelbar schliessen kann. Die Einschaltung des Hilfsrelais ist indessen zweckmässig, weil der im allgemeinen sehr dünne, bewegliche Leiter 3 keine höhere Strombelastung verträgt, und bei jedem Ar beitsvorganggefährliche Unterbrechungsfunken zwischen dem Leiter 3 und dem Gegenkontakt 10 auftreten würden.
Um die bei Verwendung eines elektro magnetischen Hilfsrelais auftretenden Unter brechungsfunken zu vermeiden, ist bei der Ausführungsform nach Fig. 3 an Stelle des elektromagnetischen Hilfsrelais ein elektro statisches Hilfsrelais gesetzt.
Dieses Hilfsrelais, das im Vergleich zu dem elektrostatischen Relais 2,. 3, 10 als Grobrelais arbeitet, besteht aus zwei fest stehenden Platten 1511, 15'' und zwei leichten, diesen gegenüber beweglich angeordneten, leitenden Platten 16a, 16'', die miteinander durch eine leitende Brücke 17 verbunden sind. Die Platten 1611, 16v sind um eine zwischen ihnen liegende Achse 18 schwingbar gelagert. In der Ruhelage wird die Platte 16" durch einen nicht dargestellten kleinen Magneten gegen das Kontaktstück 19 gedrückt.
Die leitende Brücke 17 ist durch die Wicklung eines weiter unten beschriebenen Elektromag netes 26 mit dem nicht geerdeten Pol der Stromquelle 9 verbunden, an deren geerdeten Pol die Wicklung 21 eines Elektromagnetes angeschlossen ist, deren anderes Ende unter Einschaltung eines Widerstandes 20 mit dem Kontaktstück 19 verbunden ist. Der geerdete Anker 22 des Elektromagnetes steht unter der Wirkung einer Zugfeder 23, die ihn bei Unterbrechung des Ruhestromkreises in die Offenlage bringt, bei der er -auf ein Kontakt stück 25 trifft, das durch eine Leitung mit den Platten 15a, 15b verbunden ist.
Das freie Ende. des als Doppelhebel ausgebildeten Ankers 22 greift in ein Zahnrad 24 eines Zählwerkes ein, wobei das Zahnrad so ausgebildet ist, dass es bei jeder Schwingung des Ankers 22 gegen das Kontaktstück 25 um einen Zahn weitergedreht wird. Die feststehenden Platten 15a, 1511 sind durch eine Leitung mit dem Gegenkontakt 25 verbunden.
In dem Gehäuse 1 ist noch der Elektro magnet 26 untergebracht, dessen Anker 27 bei Nichterregung seiner Wicklung losgelassen wird und über seine Ruhelage hinaus gegen den Leiter 2 schnellt. Mit dem Anker des Magnetes 26 ist der bewegliche Leiter 3 strom leitend verbunden.
Bei Bestrahlung der Ionisierungskammer 7 ist das Spiel des Relais 2, 3, 10 das gleiche wie bei der Ausführungsform nach h'ig. 2. Bei jeder Berührung zwischen dem Strom schliesser 3 und dem Gegenkontakt 10 wer den die feststehenden Platten 15a, 15b des elektrostatischen Grobrelais auf die Spannung der Stromquelle 9, etwa 220 Volt gegen Erde, aufgeladen.. Da die beweglichen Platten 16a, 16b ebenfalls dauernd diese Spannung haben, werden sie abgestossen und drehen sich in die mit gestrichelten Linien gezeichnete Stel lung.
Hierdurch wird der Stromkreis des Elek tromagnetes 21 unterbrochen, so dass der Anker 22 durch die Feder 23 gegen das Kontaktstück 25 gedrückt wird. Dadurch wird einerseits das Zählwerk um einen Zahn weiter gedreht, anderseits werden durch die Berüh rung des Ankers 22 mit dem Kontaktstück 25 die Platten 15", 15b des elektrostatischen Grobrelais geerdet.
Durch die elektrostatische Abstossung zwischen dem Leiter 2 und dem Strom schliesser 3 ist inzwischen die Berührung zwischen diesen beiden Teilen wieder aufge hoben, und das Spiel beginnt von neuem, so bald durch die Bestrahlung der Kammer 7 die Spannung des Leiters 2 hinreichend ver ringert worden ist.
Bei jeder Berührung zwischen dein Leiter 2 und dein Stromschliesser 3 trifft der Anker 27 des Elektromagnetes 26 auf den Leiter 2. Da der Anker 27 durch seine stromleitende Verbindung mit dem Magneten 26 die Span nung der Stromquelle 9 hat, wird bei seinem Auftreffen auf den Leiter 2 dieser finit Sicher heit auf die Spannung der Stromquelle 9 auf geladen. Der leichte Schlag des Ankers ver hütet überdies ein etwaiges Anhaften des be weglichen Leiters 3 an den Leitern 2 und 10.
Da es unter Umständen zweckmässig sein kann, das Grobrelais zu vermeiden, so lässt sich gemäss der Abänderungsform nach Fig. 4 die Einrichtung<B>für</B> halbselbsttätigen Betrieb in folgender- Weise treffen Der leichl, bewegliche Leiter 3 arbeitet bei Wirkung der zu messenden Strahlen auf die Kammer -7, wie oben näher ausgeführt ist. Wenn er den Kontakt 10 berührt, erhält das möglichst trägheitslos zur wählende Elek- troskop 37 plötzlich die volle Spannung der Stromquelle 9 und zeigt einen rückweisen Ausschlag.
Der Beobachter hat dann sofort den über den Widerstand 38 geerdeten Hebel 39 der Taste 40 kurzdauernd gegen den Kon takt 41 herunterzudrücken, wodurch das Elek- troskop in den Anfangszustand zurückgeführt wird. Gleichzeitig öffnet die Taste den Kon takt 42 und damit den Ruhestromkreis 9 4-26-43-42-39-38-Erde kurzdauernd, so dass der Anker 27 des Magnetes 26 seine oben beschriebenen Verrichtungen erfüllt. Die Zahl der ruckweisen Ausschläge des Elek- troskops 37 kann entweder durch Abzählen oder durch ein von der Taste 40 unmittelbar mechanisch oder durch Hilfskontakt (zum Beispiel parallel oder in Reihe mit Magnet 26) elektrisch betriebenes Zählwerk ermittelt werden.
Es kann von Vorteil sein, das Relaisoder das Zählwerk der beschriebenen Einrichtung so einzurichten, dass nach einer bestimmten Anzahl von Arbeitsvorgängen Schaltorgane wirksam werden, welche die Ströme oder die sie verursachenden Wirkungen, z. B. Licht- oder Röntgenstrahlen, ab- und anstellen oder regeln.
Um Ströme verschiedener Grössenordnung benutzen zu können, ist es erforderlich, die zu beeinflussende Kapazität regelbar zu machen.
Für die Anwendung der Einrichtung zur Messung der Intensität von Strahlen ist er forderlich, dass der die Anzeigevorrichtung steuernde Elektrizitätsübergang zwischen zwei voneinander isolierten Elektroden oder Elek- trodengruppen (Ionisierungskammer, Photo zelle oder dergleichen), die mit den Elektroden der Kapazität in leitender Verbindung stehen, durch die Wirkung der zu messenden Strahlen bewirkt wird.
Die Ionisationskammer kann dabei mit dein Gehäuse, in dem die zLisam- inenwirkenden Leiter und Kontaktstücke des Relais untergebracht sind, zu einem einheit lichen Ganzen verbunden sein. Dabei braucht die Isolation der beweglichen Verbindungs leitungen zwischen dem mit der Ionisierungs- kammer verbundenen Relais und dem übrigen Teil der Einrichtung, insbesondere der An zeigevorrichtung, nicht den hohen Anforde rungen zu entsprechen, die sonst bei elektro statischen Messungen gestellt werden.
Die erforderliche geringe elektrostatische Isolierung der Verbindungsleitungen ermög licht ferner; ohne Schwierigkeit mehrere An zeigevorrichtungen an getrennten Orten auf zustellen, so dass zum Beispiel der Leiter einer Röntgentherapiestation jederzeit von einer Stelle aus alle im Gang befindlichen Bestrahlungen dosinietrisch überwachen kann.