DE2129304A1 - Device for measuring an electrical current - Google Patents

Description

FHN. 4969/ Dr. Herbert Sefc»Ii FHN. 4969 / Dr. Herbert Sefc »II

N. Y. Philips' Gloeilampenfabrieken
Ak* N₀*¹ p_H1T_ 4969NY Philips' Gloeilampenfabrieken
Ak * N ₀ * ¹ p _H1T _ 4969

vom, _{11# Junl} from, _{11 # Junl}

Vorrichtung zum Messen eines elektrischen Stromes.Device for measuring an electrical current.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen eines elektrischen Stromes.The invention relates to a device for measuring an electric current.

Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf-eine Vorrichtung zum Messen sehr kleiner Ströme in der Grössenordnung von 10~ A und kleiner. Zum Messen derartiger kleiner Stromstärken wird vielfach ein sogenanntes Elektrometer verwendet. Dieses Instrument hat jedoch den Nachteil einer geringen Nullpunktstabilität. Wenn der zu messende Strom durch ein Bündel geladener Teilchen, z.B. Elektronen im Vakuum, gebildet wird, kann auch ein Elektronenvervielfacher verwendet werden. Letzterer hat den Nachteil, dass seine Abmessungen für gewisse Anwendungen zu gross sind» Letzteres ist z.B. in einem Massenspektrometer der Fall, in dem ein Bündel von Ionen nach dem Verhältnis ihrer Ladung und Masse getrennt wird. Der Mindestabstand zwischen Kollektor-Elektroden zum gleichzeitigenIn particular, the invention relates to a device for measuring very small currents in the order of magnitude of 10 ~ A and smaller. A so-called electrometer is often used to measure such small currents. However, this instrument has the disadvantage a low zero point stability. If the current to be measured is formed by a bundle of charged particles, e.g. electrons in a vacuum, an electron multiplier can also be used. The latter has the disadvantage that its dimensions are too large for certain applications » The latter is the case, for example, in a mass spectrometer, in which a bundle of ions is separated according to the ratio of their charge and mass. Of the Minimum distance between collector electrodes for simultaneous

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von Ionen mit verschiedenen Verhältnissen ihrer Ladung und Masse ist dann von den Abmessungen der Elektronenvervielfacher abhängig.of ions with different ratios of their charge and mass is then depends on the dimensions of the electron multiplier.

Die Erfindung bezweckt, eine Vorrichtung zu schaffen, mit deren Hilfe ein sehr kleiner in einem Leiter fliessender Strom mit einer sehr befriedigenden Nullpunktstabilität gemessen werden kann.The invention aims to provide a device with the help of which a very small current flowing in a conductor with a very satisfactory zero point stability can be measured.

Nach der Erfindung enthSlt eine Vorrichtung zum Messen eines elektrischen Stromes eine evakuierte Umhüllung mit einer Kathode, einer Steuerelektrode und einem Elektronenvervielfacher, und fliesst der zu ψ messende Strom in einem Kreis, der mit der Kathode und der Steuerelektrode in Heihe angeordnet ist.According to the invention an apparatus enthSlt for measuring an electric current, a evacuated envelope having a cathode, a control electrode and an electron multiplier, and flows of the measured to ψ current in a circuit which is arranged to the cathode and the control electrode in Heihe.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass vorteilhafterweise das grosse Signal-Bausch-Verhältnis und der grosse Verstärkungsfaktor eines Elektronenvervielfachers benutzt.werden können, wenn ea gelingt, den in einem Leiter fliessenden zu messenden Strom in einen diesem Strom proportionalen Elektronenstrom im Vakuum umzuwandeln, welche Elektronen mit genügender Energie auf den Elektronenvervielfacher auftreffen, um Sekundärelektronen auszulösen. Nach der Erfindung sind zu k diesem Zweck eine Kathode und eine Steuerelektrode vorgesehen, welche letztere z.B. als ein Gitter ausgebildet sein kann. Der Strom, der in der durch die Kathode und die Steuerelektrode gebildeten Diode fliesst, wird durch den zu messenden Strom bestimmt, der in einem mit der erwähnten Diode in Reihe geschalteten Kreis fliesst. Die Spannung über der Diode stellt sich dabei automatisch auf den richtigen Wert ein, weil eine Stromquelle einen durch diese Quelle bestimmten Strom liefert, unabhängig von der äusseren Belastung. Dabei wird vorausgesetzt, dass die Kathode eine genügende Menge Elektronen liefern kann, was für bestimmte Kathodenmaterialien wegen der kleinen zu messenden Stromstärke bereits bei Zimmer-The invention is based on the knowledge that advantageously the large signal-to-bulk ratio and the large gain factor an electron multiplier can be used if ea succeeds in converting the current to be measured flowing in a conductor into an electron current proportional to this current in a vacuum, which Electrons hit the electron multiplier with enough energy to trigger secondary electrons. According to the invention are to k for this purpose a cathode and a control electrode are provided, which the latter can be designed as a grid, for example. The current that flows in the diode formed by the cathode and the control electrode is determined by the current to be measured, which flows in a circuit connected in series with the mentioned diode. The voltage across the diode automatically adjusts itself to the correct value because a current source supplies a current determined by this source, regardless of the external load. It is assumed that the cathode can deliver a sufficient amount of electrons, which is the case for certain cathode materials due to the small current to be measured, even with room

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temperatur der Fall ist. Ein fester Bruchteil des von der Kathode gelieferten Stromes passiert die Steuerelektrode und wird dem Elektronenvervielfacher zugeführt, der für die Verstärkung sorgt. Auf diese Weise kann ein einziges Elektron bereits dem Ausgang eines Elektronenvervielfachers einen zu unterscheidenden Impuls liefern.temperature is the case. A fixed fraction of that supplied by the cathode Current passes the control electrode and becomes the electron multiplier supplied, which provides the reinforcement. In this way a single electron can already be the output of an electron multiplier provide an impulse to be distinguished.

Eine Vorrichtung nach der Erfindung ist vorzugsweise mit einem Rückkopplungskreis zur Erhöhung der Ansprechgeschwindigkeit der Vorrichtung versehen, welcher Rückkopplungskreis verhindert, dass der zu messende Strom Ladungsänderungen der Kapazität zwischen der Kathode und der Steuerelektrode herbeiführt, die auf Aenderungen des zu messenden Stromes zurückzuführen sind.A device according to the invention is preferably provided with a feedback circuit for increasing the speed of response Device provided, which feedback circuit prevents the current to be measured changes in charge of the capacitance between the cathode and of the control electrode, which can be traced back to changes in the current to be measured.

Eine Erhöhung der Ansprechgeschwindigkeit, d.h. der Geschwindigkeit, mit der die Vorrichtung auf Aenderungen der zu messenden Stromstärke anspricht oder, in anderen Worten, eine VergrSsserung der Bandbreite kann auf bekannte Weise durch Gegenkopplung erzielt werden. Dieser Aspekt der Erfindung gründet sich auf die Erkenntnis, dass Aenderungen in der Stromstärke, bei einer festen Beziehung zwischen Spannung und Strom in der durch die Kathode und die Steuerelektrode gebildeten Diode, Aenderungen in der Spannung zwischen der Kathode und der Steuerelektrode herbeiführen. Dies hat zur Folge, dass der zu messende Strom die Kapazität zwischen der Kathode und der Steuerelektrode aufladen muss. Diese Kapazität ist zwar nur gering, aber weil nur sehr kleine Ströme gemessen werden, treten dennoch besonders grosse Zeitkonstanten auf. Wenn mit Hilfe eines Gegenkopplungskreises sichergestellt wird, dass der zu messende Strom keine Ladung zu liefern braucht, kann eine sehr hohe Ansprechgeschwindigkeit erhalten werden.An increase in the response speed, i.e. the speed with which the device responds to changes in the current strength to be measured or, in other words, an increase in the Bandwidth can be achieved in a known manner by negative feedback. This aspect of the invention is based on the knowledge that changes in the current intensity, with a fixed relationship between voltage and current in that formed by the cathode and the control electrode Diode, changes in the voltage between the cathode and the control electrode bring about. As a result, the current to be measured has to charge the capacitance between the cathode and the control electrode. This capacity is only small, but because only very small currents are measured, particularly large time constants still occur. if With the help of a negative feedback circuit it is ensured that the current to be measured does not need to deliver a charge, a very high response speed can be achieved can be obtained.

Eine günstige Ausführungsform einer Vorrichtung nach derA favorable embodiment of a device according to the

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Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode eine photoelektrische Kathode ist, während der Rückkopplungskreis eine Quelle von Photonen enthält, deren Intensität der Stärke des zu messenden Stromes • nahezu proportional ist.Invention is characterized in that the cathode is a photoelectric The cathode is, while the feedback loop contains a source of photons, the intensity of which corresponds to the strength of the current to be measured • is nearly proportional.

Auf diese Weise wird die Emission der Kathode dem zu messenden Strom proportional gemacht, wodurch die Spannung zwischen der Kathode und der Steuerelektrode konstant bleibt. Die Kapazität zwischen der Kathode und der Steuerelektrode braucht daher nicht geladen oder entladen zu ψ werden, ausgenommen, wenn die Vorrichtung eingeschaltet wird.In this way, the emission of the cathode is made proportional to the current to be measured, whereby the voltage between the cathode and the control electrode remains constant. The capacitance between the cathode and the control electrode need therefore not be charged or discharged to ψ, except when the device is turned on.

Eine andere günstige Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einer Hilfselektrode versehen ist, die der von der Steuerelektrode abgekehrten Seite der Kathode gegenüber liegt und der von dem Rückkopplungskreis eine Spannung in bezug auf die Steuerelektrode zugeführt wird, welche nahezu logarithmisch von dem zu messenden Strom abhängig ist.Another favorable embodiment of the device according to the invention is characterized in that it is provided with an auxiliary electrode is provided, the side facing away from the control electrode Cathode is opposite and the feedback circuit is supplied with a voltage with respect to the control electrode, which is almost logarithmic depends on the current to be measured.

Auf diese Weise führt die Ladung der Kapazität zwischen der Hilfselektrode und der Steuerelektrode, in dem Gebiet zwischen der Kathode ^ und der Steuerelektrode, die Feldstärke herbei, die die Kathode benötigt, um einen Strom emittieren zu können, der dem zu messenden Strom gleich ist. Die dazu benotigte Ladung wird von dem Rückkopplungskreis und nicht von dem zu messenden Strom geliefert und kann also schnell hervorgerufen werden. Die von dem Rückkopplungskreis zu erzeugende. Feldstärke muss im Zusammenhang mit der logarithmischen Kennlinie einer Diode in dem sogenannten Einschwingstrombereich logarithmisch von dem zu messenden Strom abhängig sein.In this way, the charge of the capacitance between the auxiliary electrode and the control electrode, in the area between the cathode and the control electrode, brings about the field strength that the cathode needs to be able to emit a current that is equal to the current to be measured. The charge required for this is supplied by the feedback circuit and not by the current to be measured and can therefore be generated quickly. The one to be generated by the feedback loop. In connection with the logarithmic characteristic of a diode in the so-called transient current range, the field strength must be logarithmically dependent on the current to be measured.

Eine gleichfalls günstige Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Rückkopplungs- An equally favorable embodiment of a device according to the invention is characterized in that the feedback

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kreis der Kathode eine Spannung in bezug auf den Eingang des Elektronenvervielfachers zuführt, welche Spannung nahezu logarithmisch von dem zu messenden Strom abhängig ist.circle the cathode a voltage with respect to the input of the electron multiplier supplies which voltage is almost logarithmically dependent on the current to be measured.

Diese Ausführungsform ist grundsätzlich gleich der vorstehenden Ausführungsform, aber sie eignet sich insbesondere zum Messen von Strömen von Stromquellen, deren sogenannter schwebender Pol mit der Steuerelektrode verbunden werden kann. In diesem Fall muss auf der von der Kathode abgekehrten Seite der Steuerelektrode eine Hilfselektrode vorgesehen sein, zu welchem Zweck vorteilhafterweise der Eingang des Elektronenvervielfachers verwendet werden kann.This embodiment is basically the same as the one above Embodiment, but it is particularly suitable for measuring currents from current sources, their so-called floating pole with the control electrode can be connected. In this case, an auxiliary electrode must be provided on the side of the control electrode facing away from the cathode be, for what purpose advantageously the input of the electron multiplier can be used.

Es ist vorteilhaft, wenn eine Vorrichtung zum Messen eines elektrischen Stromes nach der Erfindung mit einer nahezu völlig evakuierten Umhüllung mit einer Kathode, einer Steuerelektrode und einem Elektronenvervielfacher mit einer Anzahl von Dynoden versehen ist, wobei der zu messende Strom in einem mit einer der Dynoden in Reihe geschalteten Kreis fliesst.It is advantageous if a device for measuring an electrical current according to the invention with an almost completely evacuated Enclosure with a cathode, a control electrode and an electron multiplier is provided with a number of dynodes, the current to be measured in a circuit connected in series with one of the dynodes flows.

Auf diese Weise kann mit einer derartigen Vorrichtung auch eine grSssere Stromstärke gemessen werden, wodurch der Anwendungsbereich der Vorrichtung grosser wird. Die Verstärkung eines Elektronenvervielfacher ist nämlich von der Anzahl zur Vervielfachung des zu messenden Stromes wirksamer Dynoden abhängig.In this way, a higher current intensity can also be measured with such a device, thereby reducing the scope of application the device becomes larger. The amplification of an electron multiplier is dependent on the number of dynodes effective to multiply the current to be measured.

Eine besondere vorteilhafte Ausführungsfora einer Vorrichtung gemäss der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Photovervielfacherröhre mit einer Anzahl von Dynoden enthält, wobei die erste dieser Dynoden als die Steuerelektrode geschaltet ist.A particularly advantageous embodiment of a device according to the invention is characterized in that the device is a Photomultiplier tube containing a number of dynodes, the first of these dynodes being connected as the control electrode.

Auf diese Weise kann eine bereits bekannte und geeignet gewählte Photovervielfacherröhre in einer Vorrichtung nach der ErfindungIn this way an already known and suitably chosen photomultiplier tube can be used in a device according to the invention

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verwendet werden.be used.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert, in der jede der Figuren eine mögliche Ausfiihrungsform der Vorrichtung nach der Erfindung zeigt. In den Figuren sind entsprechende Teile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.The invention is explained in more detail below with reference to the accompanying drawing, in which each of the figures shows a possible embodiment the device according to the invention shows. Corresponding parts are denoted by the same reference numerals in the figures.

In Fig. 1 bezeichnet 6 eine evakuierte Umhüllung mit einer Kathode 1, einer Steuerelektrode 2 und einer Anzahl Dynoden, die nicht alle dargestellt sind. Die Dynodenj die dargestellt sind, sind mit 3» 4»In Fig. 1, 6 denotes an evacuated envelope with a cathode 1, a control electrode 2 and a number of dynodes that are not are all shown. The dynodes that are shown are 3 »4»

W 5» 7t θ und 9 bezeichnet. Die Umhüllung 6 enthält weiter eine Anode 10. Den erwähnten Elektroden wird aus einer Spannungsquelle 11 und einem Spannungsteiler 12 eine Spannung zugeführt. W 5 »7t θ and 9 denotes. The casing 6 also contains an anode 10. A voltage is supplied to the electrodes mentioned from a voltage source 11 and a voltage divider 12.

Von der Kathode 1 emittierte Elektronen, die die Steuerelektrode 2 passieren, treffen auf die erste Dynode 4 auf. Die Dynode 4 hat, wie die anderen Dynoden, eine Oberfläche, deren Sekundäremissionskoeffizient bei der angelegten Spannung grosser als 1 ist. Der von der Dynode 4 verstärkte und emittierte Strom wird von der zweiten Dynode 3 aufgefangen. Auf diese Weise wird der Strom schrittweise verstärkt undElectrons emitted from the cathode 1 which pass the control electrode 2 impinge on the first dynode 4. The Dynode 4 Like the other dynodes, it has a surface with its secondary emission coefficient is greater than 1 at the applied voltage. The current amplified and emitted by the dynode 4 is generated by the second dynode 3 caught. In this way the current is gradually amplified and

b endgültig von der Anode 10 aufgefangen.b finally captured by the anode 10.

Eine Stromquelle 16 mit einer mit einem Pfeil 17 angedeuteten Stromrichtung ist zwischen der Kathode 1 und der Steuerelektrode 2 eingeschaltet und bei 15 geerdet. Die von der Anode 10 aufgefangenen Stromimpulse fHessen durch einen Widerstand 13· Ueber dem Widerstand 13 erzeugte Spannungsimpulse werden in einem Impulsfrequenzmessgerät 14 verarbeitet, das ein Ausgangssignal liefert, das den gemessenen Wert des Stromes auf einem Anzeige- oder Aufzeichnungsgerät 18 anzeigt. Eine Strahlungsquelle 19 liefert der Kathode 1 Energie. Die Kathode 1 ist eine Zäsium-Antimon-Photokathode. Diese kann pro Sekunde: und pro Quadratzentimeter ohne Be-A current source 16 with a current direction indicated by an arrow 17 is switched on between the cathode 1 and the control electrode 2 and grounded at 15. The current pulses f Hessen collected by the anode 10 are generated by a resistor 13 via the resistor 13 Voltage pulses are processed in a pulse frequency measuring device 14, which provides an output signal that indicates the measured value of the current a display or recorder 18. A radiation source 19 supplies the cathode 1 with energy. The cathode 1 is a cesium-antimony photocathode. This can be per second: and per square centimeter without

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lichtung bei Zimmertemperatur etwa 10 Elektronen emittieren (d.h. etwa 1,6 χ 10~ Α). Wenn dieser Strom tatsächlich emittiert wird, liefert die Kathode also den sogenannten Sättigungsstrom. Die Strahlungsquelle 19 ist zum Messen sehr kleiner Ströme also nicht unentbehrlich. Zum Messen von Str8men, bei denen die Kathode eine grössere Anzahl von Elektronen emittieren muss, wird für 19 eine Quelle von Photonen verwendet, die durch den photoelektrischen Effekt die Emission der Kathode steigert.light emitting about 10 electrons at room temperature (i.e. about 1.6 χ 10 ~ Α). When this current is actually emitted, the delivers The cathode is the so-called saturation current. The radiation source 19 is therefore not indispensable for measuring very small currents. For measuring currents in which the cathode has a larger number of electrons must emit, a source of photons is used for 19 passing through the photoelectric effect increases the emission of the cathode.

Me Kathode 1 und die Steuerelektrode 2 bilden eine Diode, die in dem sogenannten Anlaufstromgebiet arbeitet. Der Strom durch die Diode wird durch die Stromquelle 16 bestimmt. Die Strom-Spannungs-Kennlinie der Diode bestimmt also die Spannung zwischen der Kathode 1 und der Steuerelektrode 2. Ein Ueberschuss an emittierten Elektronen setzt die Spannung der Steuerelektrode 2 herab, wodurch der von der Kathode 1 emittierte Strom abnimmt, bis er gleich dem Strom der Stromquelle 16 ist. Ein fester Bruchteil der emittierten Elektronen passiert die Steuerelektrode und trifft auf die erste Dynode 4 auf. Dies hat zur Folge, dass ein fester Bruchteil von etwa 99 i° der durch die Stromquelle 16 fliessenden Elektronen einen Spannungsimpuls über dem Widerstand 13 hervorruft. Die Impulsfrequenz, die mit dem Impulsfrequenzmessgerät 14 gemessen und auf dem Instrument 18 angezeigt wird, ist also ein Mass für die Stromst&rke der Stromquelle 16.The cathode 1 and the control electrode 2 form a diode which works in the so-called starting current area. The current through the diode is determined by the current source 16. The current-voltage characteristic of the diode thus determines the voltage between the cathode 1 and the control electrode 2. An excess of emitted electrons lowers the voltage of the control electrode 2, whereby the current emitted by the cathode 1 decreases until it is equal to the current of the Power source 16 is. A fixed fraction of the emitted electrons pass the control electrode and strike the first dynode 4. This has the consequence that a fixed fraction of about 99 i ° of the electrons flowing through the current source 16 causes a voltage pulse across the resistor 13. The pulse frequency, which is measured with the pulse frequency measuring device 14 and displayed on the instrument 18, is therefore a measure of the current strength of the current source 16.

In Fig. 2 ist eine entsprechende Schaltungsanordnung dargestellt, bei der die Stromquelle 16 auf der anderen Seite (15) geerdet ist.2 shows a corresponding circuit arrangement in which the current source 16 is grounded on the other side (15).

Fig. 3 zeigt eine Schaltungsanordnung, die grundsätzlich der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 gleich ist, aber die ausserdem mit einem Rückkopplungskreis versehen ist, der aus einer Schaltung 20 und einer Gallium-Phosphid-Halbleiterdiode 21 besteht. Die Diode 21 kann bei einemFig. 3 shows a circuit arrangement which is basically the Circuit arrangement of Fig. 1 is the same, but also with a Feedback circuit is provided, which consists of a circuit 20 and a Gallium phosphide semiconductor diode 21 is made. The diode 21 can with a

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Strom von 1 mA etwa 10 ^ Photonen pro Sekunde emittieren, Die Kathode 1 ■ ist eine photoelektrische Kathode, deren Emission in dieser Schaltung nahezu völlig photoelektrisch ist. Die thermische Emission ist in bezug . auf die photoelektrische Emission vernachlässigbar, Um zu erreichen, dass die von den Photonen ausgelösten Elektronen sich nahezu in thermischem Gleichgewicht befinden, werden von einem Filter nur Photonen durchgelassen, deren Energie dem Austrittspotential der Kathode nahezu entspricht In der beispielsweise beschriebenen Schaltungsanordnung haben dieseCurrent of 1 mA emit about 10 ^ photons per second, the cathode 1 ■ is a photoelectric cathode whose emission in this circuit is almost entirely photoelectric. The thermal emission is related . on the photoelectric emission negligible, in order to achieve that the electrons released by the photons are almost in thermal Are in equilibrium, a filter only lets through photons whose energy almost corresponds to the exit potential of the cathode In the circuit arrangement described, for example, they have

| Photonen eine Energie von etwa 1 eV mit einer Toleranz von 0,025 eV. Mit Hilfe der Schaltung 20 wird die Anzahl von der Diode 21 emittierter Photonen der gemessenen Stromstärke proportional gemacht. Die Strom-Spannungs-Kennlinie der durch die Kathode 1 und die Steuerelektrode 2 gebildeten Diode kann geschrieben werden als» I = I e3cp(u/U„), wobei I den Strom durch die Diode, U die Spannung über der Diode·, I den Strom bei U * 0 und eU„ die thermische Energie eines Elektrons bei einer absoluten Temperatur T darstellt, (e ist der Absolutwert der Ladung eines Elektrons) Mit Hilfe des Rückkopplungskreisee wird auf die bereits beschriebene Weise I zu I proportional gemacht, was bedeutet, dass bei jedem Wert von| Photons have an energy of about 1 eV with a tolerance of 0.025 eV. With With the aid of the circuit 20, the number of photons emitted by the diode 21 is made proportional to the measured current intensity. The current-voltage characteristic the diode formed by the cathode 1 and the control electrode 2 can be written as "I = I e3cp (u / U"), where I den Current through the diode, U the voltage across the diode ·, I the current at U * 0 and eU “the thermal energy of an electron at an absolute Represents temperature T, (e is the absolute value of the charge on an electron) With the help of the feedback circuits, the already described Way I made proportional to I, meaning that at any value of

™ I die Spannung U gleich bleibt. Die Ladung der Kapazität zwischen der Kathode 1 und der Steuerelektrode 2 bleibt also konstant, d.h., dass der zu messende Strom keine Ladungsanderungen herbeizuführen braucht, wodurch eine hohe Ansprechgeschwindigkeit erhalten wird.™ I the voltage U remains the same. The charge of the capacity between the Cathode 1 and control electrode 2 therefore remain constant, i.e. the current to be measured does not need to bring about any changes in charge, which means that a high speed of response is obtained.

Aus der nachstehenden Berechnung geht hervor, welche grosse Zeitkonstante ohne Anwendung eines EÜckkopplungskreisas erhalten würde. Es sei angenommen, dass ein konstanter Strom I,. von 1Q^ Elektronen pro Sekunde plötzlich auf 10 Elektronen pro Sekunde herabgesetzt wird (l_) und dass die Kapazität G zwischen der Kathode 1 und der Steuerelektrode 2 einen Wert von 5 ρϊ¹ aufweist. Aus obenstehender Formel folgt, dass, U.-U_=The calculation below shows the large time constant that would be obtained without the use of a feedback loop. It is assumed that a constant current I ,. is suddenly reduced from 1Q ^ electrons per second to 10 electrons per second (l_) and that the capacitance G between the cathode 1 and the control electrode 2 has a value of 5 ρϊ ¹ . From the above formula it follows that, U.-U_ =

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ΤΓ_1η (i./lp). Bei Zimmertemperatur und bei nur thermischer Emission ist U₅ nahezu gleich 0,023 V.^/lg " ^{10# I)araus f}°lg*» ^{dass u}-j - ^u ₂ ^etwa gleich 0_t060 V ist. Die benotigte Ladungsänderung von C ist daher C χΤΓ_1η (i./lp). At room temperature and at only thermal emission U ₅ is nearly equal to 0.023 V ^ / lg ^{"10 # I) araus f} ° lg *" ^{that u} j -.. ^U ₂ is ^{approximately} equal to 0 _t 060 V The benotigte change in charge of C hence C χ

(U-U₂) oder etwa 3 x 10"" Coulomb. Pur diesen Zweck steht am Anfang(UU ₂ ) or about 3 x 10 "" coulombs. At the beginning there is purely this purpose

2
ein Stromunterschied von 9 x 10 Elektronen pro Sekunde zur Verfügung, wodurch die Zeitkonstante grosser als 2 χ 10 Sekunden wird.2
a current difference of 9 x 10 electrons per second is available, whereby the time constant is greater than 2 10 seconds.

Fig. 4 zeigt eine Schaltungsanordnung! die der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 grundsätzlich gleich ist, aber die auf gleiche Weise wie in Fig. 3 mit einem Rückkopplungskreis versehen ist.Fig. 4 shows a circuit arrangement! that of the circuit arrangement according to Fig. 2 is basically the same, but which is provided in the same way as in Fig. 3 with a feedback circuit.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Rückkopplung auf andere Weise erhalten wird. Eine Hilfsanode 22 ist angebracht, die aus einer auf die Aussenseite der Umhüllung 6 aufgedampften Schicht besteht, der mit Hilfe eines Spannungsteilers 23 und einer Schaltung 24 eine Spannung zugeführt wird, die logarithmisch von dem gemessenen Strom abhängig und also zu log (i) proportional ist, Ladungsänderungen der Hilfe- ■ anode 22 führen proportionale Feldänderungen zwischen der Kathode 1 und der Steuerelektrode 2 herbei, ohne dass jedooh Netto-Ladungsänderungen der Kathode 1 auftreten. Dadurch kann sich die Spannung zwischen der Kathode 1 und der Steuerelektrode 2 ändern, damit die bereits gegebene Beziehung I » I exp(u/u_,) erfüllt wird, in der nun exp(U) zu I proportional ist, ohne dass die Stromquelle 16 Ladungsänderungen der Kathode 1 herbeizuführen braucht. Dadurch wird eine hohe Ansprechgeschwindigkeit der Schaltungsanordnung erhalten.Fig. 5 shows an embodiment in which the feedback is obtained in other ways. An auxiliary anode 22 is attached, which consists of a layer vapor-deposited on the outside of the envelope 6, with the help of a voltage divider 23 and a circuit 24 a Voltage is supplied, which logarithmically depends on the measured current and thus proportional to log (i), changes in charge of the aid ■ anode 22 lead proportional field changes between the cathode 1 and the control electrode 2 without any net changes in charge the cathode 1 occur. As a result, the voltage between the cathode 1 and the control electrode 2 can change, so that the voltage already given Relation I »I exp (u / u_,) is fulfilled, in which exp (U) is proportional to I. without the current source 16 changing the charge of the cathode 1 needs to bring about. A high response speed of the circuit arrangement is thereby obtained.

Fig. 6 zeigt eine Schaltungsanordnung, die grundsätzlich gleich der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 ist und deren Rückkopplung grund«a*Blich auf gleiche Weise wie in Fig. 5 erhalten wird. Da in der Schaltungsanordnung nach Fig. 6 der schwebend· Pol der Stromquelle 16 mitFIG. 6 shows a circuit arrangement which is basically the same as the circuit arrangement according to FIG. 2 and its feedback reason «a * Blich is obtained in the same manner as in FIG. There in the Circuit arrangement according to FIG. 6 the floating pole of the current source 16 with

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der Steuerelektrode 2 verbunden ist, muss mit Hilfe einer Rückkopplung verhindert werden, dass die Stromquelle 16 Ladungsänderungen der Steuerelektrode 2 herbeiführen muss. Unter Verwendung des der Schaltungsanordnung nach Fig. 5 zugrunde liegenden Prinzips soll nun auf der von der Kathode abgekehrten Seite der Steuerelektrode 2 eine Hilfsanode vorgesehen sein. Zu diesem Zweck kann vorteilhafterweise die erste Dynode 4 verwendet werden. Da die Dynode 4 sine konstante Spannung aufweisen soll, .wird eine Spannung, die logarithmisch von dem gemessenen Strom abhängig und somitthe control electrode 2 is connected, must with the help of a feedback the current source 16 prevents changes in the charge of the control electrode 2 must bring about. Using the principle on which the circuit arrangement according to FIG. 5 is based, the principle of the cathode remote side of the control electrode 2 an auxiliary anode may be provided. The first dynode 4 can advantageously be used for this purpose will. Since the dynode 4 should have a constant voltage, a Voltage that is logarithmically dependent on the measured current and thus

ψ zu log (i) proportional ist, von der Schaltung 24 und dem Spannungsteiler 23 der Kathode 1 zugeführt. Ladungsänderungen der Kathode 1 erzeugen proportionale Feldänderungen zwischen der Kathode 1 und der Steuerelektrode 2, ohne dass jedoch Netto-Ladungsänderungen der Steuerelektrode 2 auftreten. Dadurch kann sich die Spannung zwischen der Kathode 1 und der Steuerelektrode 2 ändern, damit die bereits gegebene Beziehung 1*1 exp(u/U_) erfüllt wird, in der nun exp(u) zu I proportional ist, ohne dass die Stromquelle 16 Ladungsänderungen der Steuerelektrode 2 herbeizuführen braucht. Dadurch wird eine hohe Anspreehgeschwindigkeit der Schaltungsanordnung ψ is proportional to log (i), supplied from the circuit 24 and the voltage divider 23 of the cathode 1. Changes in the charge of the cathode 1 produce proportional changes in the field between the cathode 1 and the control electrode 2, but without net changes in the charge of the control electrode 2 occurring. As a result, the voltage between the cathode 1 and the control electrode 2 can change so that the already given relationship 1 * 1 exp (u / U_) is fulfilled, in which exp (u) is now proportional to I, without the current source 16 changing the charge the control electrode 2 needs to be brought about. This results in a high response speed for the circuit arrangement

^ erhalten.^ received.

Fig. 7 zeigt eine Schaltungsanordnung zum Messen des Stromes der Stromquelle 16, der derart gross ist, dass nicht die Gesamtverstärkung des Elektronenvervielfachers benötigt wird. Der schwebende Pol der Stromquelle 16 ist mit der Dynode 26 verbunden. Der Unterschied zwischen dem auf die Dynode 26 auftreffenden PrimSrelektronenstrom und dem von dieser Dynode emittierten Sekundäre1ektronenstrom wird von der Stromquelle 16 geliefert. Die Spannung der Dynode 26 stellt sich also derart ein, dass der (spannungsabhängige) SekundKreiaissionsfaktor den erforderlichen Wert aufweist» Um zu verhindern» dass die Stromquelle 16 bei StromänderungenFig. 7 shows a circuit arrangement for measuring the current of the current source 16, which is so large that not the overall gain of the electron multiplier is required. The floating pole of the power source 16 is connected to the dynode 26. The difference between the primary electron flux impinging on the dynode 26 and that of it Secondary electron current emitted by the dynode is supplied by the power source 16 delivered. The voltage of the dynode 26 is set in such a way that the (voltage-dependent) secondary emission factor has the required value has »To prevent» that the current source 16 in the event of current changes

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Ladungsänderungen der Dynode 26 herbeiführen wird, und um ein lineares Ansprechen der Schaltungsanordnung zu erhalten, ist ein Rückkopplungskreis vorgesehen, der den auf die Dynode 26 auftreffenden Primärstrom der gemessenen Stromstarke proportional macht.Charge changes of the dynode 26 will bring about, and a linear To obtain response of the circuit arrangement, a feedback circuit is provided that the primary current impinging on the dynode 26 of the measured Power proportional power.

In Fig. 8 ist dargestellt, wie die Schaltungsanordnung nach Fig. 4 zum Hessen eines Stromes verwendet werden muss, der von einer Kollektor-Elektrode 30 eines Massenspektrometer 31 aufgefangen wird. Die Schaltungsanordnung nach Fig. 4 ist in dieser Figur nur dargestellt, um die Verbindungen zwischen dem Massenspektrometer und der Vorrichtung nach der Erfindung zu zeigen. Das Massenspektrometer 31 enthält eine evakuierte Umhüllung 32 mit einer schematisch dargestellten Ionenquelle 33« Die Ionenquelle 33» in der Gas ionisiert wird, liegt an einem positiven Potential von einigen kV gegen Erde. Diese Spannung wird von einem Speisegerät 36 zugeführt. Beschleunigungselektroden 34» von denen die letzte Erdpotential aufweist, entnehmen der Ionenquelle 33 positive Ionen. Das gebildete bandförmige Bündel, dessen Achse mit 35 bezeichnet ist, passiert ein sektorfSrmiges Magnetfeld, das schematisch mit 36 bezeichnet ist, wahrend Ionen mit einem bestimmten Verhältnis zwischen Ladung und Masse von der Kollektor-Elektrode 30 aufgefangen werden. Diese Kollektor-Elektrode hat eine langgestreckte Forn und ihre Längsrichtung ist zu der Zeichnungsebene senkrecht, während diese Elektrode in der Richtung, in der das Bündel vom Magnetfeld abgelenkt wird, scheal ist. Die Stromquelle, die in den Figuren 1-7 mit 16 bezeichnet ist, hat in diesem Beispiel also einen schwebenden Pol, der durch die Kollektor-Elektrode 30 gebildet wiifd, und einen geerdeten Pol, der durch den negativen Anschluss dee Speisegerätes 36 gebildet wird. Die Spannung zwischen der Kathode 1 und der Steuerelektrode 2 ist in bezug auf die Spannung des Speisegerttee 36In Fig. 8 it is shown how the circuit arrangement according to FIG Collector electrode 30 of a mass spectrometer 31 is collected. The circuit arrangement according to FIG. 4 is only shown in this figure to establish the connections between the mass spectrometer and the device according to the invention to show. The mass spectrometer 31 contains an evacuated envelope 32 with a schematically illustrated ion source 33 ' The ion source 33 »in which the gas is ionized is due to a positive one Potential of a few kV to earth. This voltage is supplied by a supply device 36. Acceleration electrodes 34 'the last of which Has earth potential, take the ion source 33 positive ions. The band-shaped bundle formed, the axis of which is denoted by 35, happens a sector-shaped magnetic field, which is indicated schematically with 36, while ions with a certain ratio between charge and mass be collected by the collector electrode 30. This collector electrode has an elongated shape and its longitudinal direction is perpendicular to the plane of the drawing, while this electrode is in the direction in that the bundle is deflected by the magnetic field is scheal. The power source, which is denoted by 16 in FIGS. 1-7, thus has a floating pole in this example, which is formed by the collector electrode 30 wiifd, and a grounded pole passed through the negative terminal dee Feed device 36 is formed. The voltage between the cathode 1 and the control electrode 2 is related to the voltage of the feeder tea 36

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vernachlässigbar, so dass die Stromstärke des Ionenbündels von der Messung nicht beeinflusst wird. Es wird also in der Tat der Strom einer Stromquelle gemessen.negligible, so the amperage of the ion beam from the measurement is not affected. So it becomes, in fact, the current of a power source measured.

Es sei bemerkt ι dass bei einer Vorrichtung nach der Erfirtdung vorteilhafterweise eine bekannte Photovervielfacherrb'hre verwendet werden kann, die eine Anzahl von Dynoden enthält. Es ist dann möglich, die erste Dynode als Steuerelektrode zu schalten.It should be noted that in a device according to the invention a known photomultiplier tube can advantageously be used can containing a number of dynodes. It is then possible to do the first Switch dynode as a control electrode.

Veiter sei bemerkt, dass sich eine Vorrichtung nach der Erfindung nicht auf die Anwendung eines Elektronenvervielfacher mit Dynoden beschränkt, sondern dass auch ein geeignet gewählter sogenannter Kanalelektronenvervielfacher besonders gut anwendbar ist.Veiter should be noted that a device according to the Invention does not involve the application of an electron multiplier Dynodes limited, but that a suitably selected so-called channel electron multiplier can also be used particularly well.

Die Anwendung der Vorrichtung beschränkt sich naturgemäss nicht auf das Messen eines Stromes eines Massenspektrometer. Die Vorrichtung kann in allen Fällen Anwendung finden, in denen sehr kleine Ströme gemessen werden müssen, z.B. auch bei Dosimetern.The application of the device is naturally not limited to measuring a current of a mass spectrometer. The device can be used in all cases in which very small currents have to be measured, e.g. also with dosimeters.

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Claims (1)

PATENTANSPRXJCH E:PATENT APPLICATION: 21293Q421293Q4 Vorrichtung zum Messen eines elektrischen Stromes, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine evakuierte Umhüllung (6) mit einer Kathode (i), einer Steuerelektrode (2) und einem Elektronenvervielfacher (3-9) enthält, und dass der zu messende Strom in einem Kreis fliesst, der mit der Kathode (1) und der Steuerelektrode (2) in Reihe angeordnet ist.Device for measuring an electrical current, characterized in that it has an evacuated envelope (6) with a cathode (i), a control electrode (2) and an electron multiplier (3-9), and that the current to be measured flows in a circle which is arranged in series with the cathode (1) and the control electrode (2) is. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einem Rückkopplungskreis (20,24) zur Vergrösserung der Ansprechgeschwindigkeit der Vorrichtung versehen ist, welcher Rückkopplungskreis verhindert, dass der zu messende Strom Ladungsänderungen der Kapazität zwischen der Kathode (i) und der Steuerelektrode (2) herbeiführt, die auf Aenderungen des zu messenden Stromes zurückzuführen sind.2. Device according to claim 1, characterized in that it is provided with a feedback circuit (20, 24) for magnification the response speed of the device is provided, which feedback circuit prevents the current to be measured changes in charge of the capacitance between the cathode (i) and the control electrode (2) brings about, which can be traced back to changes in the current to be measured are. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (1) eine photoelektrische Kathode ist und dass der Rückkopplungskreis (20) eine Quelle von Photonen (21) enthält, deren Intensität der Stärke des zu messenden Stromes nahezu proportional iat.3. Device according to claim 2, characterized in that the cathode (1) is a photoelectric cathode and that the feedback circuit (20) contains a source of photons (21), the intensity of which corresponds to the strength of the Current almost proportional iat. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einer Hilfselektrode (22) versehen ist, die der von der Steuerelektrode (2) abgekehrten Seite der Kathode (1) gegenüber liegt und der von dem Rückkopplungskreis (24) eine Spannung in bezug auf die Steuerelektrode (2) zugeführt wird, die nahezu logarithmisch von dem zu messenden4. The device according to claim 2, characterized in that it is provided with an auxiliary electrode (22), which is opposite the side of the cathode (1) facing away from the control electrode (2) and that of the feedback circuit (24) has a voltage with respect to the control electrode (2) which is almost logarithmic from the one to be measured 109883/1592109883/1592 Strom abhängig ist.
5 · Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückkopplungskreis (2k) der Kathode ( 1) eine Spannung in bezug auf den Eingang des Elektronenvervielfachers zuführt, welche Spannung nahezu logarithmisch von dem zu messenden Strom abhängig ist.Electricity is dependent.
5. Device according to claim 2, characterized in that the feedback circuit (2k) supplies the cathode (1) with a voltage in relation to the input of the electron multiplier, which voltage is almost logarithmically dependent on the current to be measured. 6. Vorrichtung zum Messen eines elektrischen Stromes, dadui-ch gekennzeichnet, dass sie eine evakuierte Umhüllung (6) mit einer Kathode (i), einer Steuerelektrode6. Device for measuring an electric current, dadui-ch marked that it is an evacuated one Sheath (6) with a cathode (i), a control electrode W (2) und einem Elektronenvervielfacher mit einer Anzahl von Dynoden (3, 4, 5, 26, 27, 28, 8, 9) enthält und dass der zu messende Strom in einem Kreis fliesst, der mit einer (26) der Dynoden in Reihe angeordnet ist. W (2) and an electron multiplier with a number of dynodes (3, 4, 5, 26, 27, 28, 8, 9) and that the current to be measured flows in a circle that corresponds to one (26) of the dynodes in Row is arranged. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Photovervielfacherröhre mit einer Anzahl von Dynoden enthält, wobei die erste (k) dieser Dynoden als Steuerelektrode geschaltet ist.7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that it contains a photomultiplier tube with a number of dynodes, the first (k) of these dynodes being connected as a control electrode. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5» ^ dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronenvervielfacher ein Kanalelektronenvervielfacher ist.8. Device according to one of claims 1 to 5 »^ characterized in that the electron multiplier is a channel electron multiplier. 109883/1592109883/1592 1S1S LeerseiteBlank page