Strahlungsmesser
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Strahlungsmesser mit einem Zählelement, einem Impulsverstärker und einer Mittelwertschaltung zur kontinuierlichen Anzeige der Strahlungsintensität.
Solche Strahlungsmesser werden heute vorzugsweise mit Halbleitersch altelementen, also Transistoren und Dioden, ausgerüstet, in welchem Falle jedoch die Temperaturunabhängigkeit dieser Schaltelemente die Stabilität und Messgenauigkeit in Frage stellt. An sich sind verhältnismässig temperaturstabile, transistorisierte Im pulsverstärker bekannt, und es wäre auch theoretisch nicht ausgeschlossen, eine mit Dioden ausgerüstete Mit teiwertschaltung zu stabilisieren, doch wäre der Aufwand in beiden Fällen erheblich.
Um diese Schwierigkeit zu umgehen, geht nun die vorliegende Erfindung von der Idee aus, weder den Impulsverstärker noch die Mittelwertschaltung an sich temperaturstabil auszuführen, sondern den Temperaturgang der beiden Schaltungsteile derart aufeinander abzustimmen, dass eine Kompensation eintritt. Der er findungsgemässe Strahlungsmesser ist demgemäss dadurch gekennzeichnet, dass der impulsverstärker einen solchen Temperaturgang aufweist, dass dadurch der Temperaturgang der unstabilisierten Mitteiwertschal- tung kompensiert wird. Die Mittel zur Erzielung des gewünschten Temperaturganges des Verstärkers sind in der nachfolgenden Beschreibung beispielsweise erläutert.
Zur Erzielung möglichst geringer Temperaturabhängigkeit der Schaltung ist es vorteilhaft, den Eingang des impulsverstärkers transformatorisch an den das Zählelement, beispielsweise ein Zählrohr, enthaltenden Zählstromkreis anzukoppeln und auch den Ausgang des Impulsverstärkers transformatorisch an die Mittelwertschaltung anzukoppeln. Die transformatorische Ankoppelung hat zugleich den Vorteil, dass durch Impedanzanpassung eine möglichst günstige Ausnützung der verfügbaren Leistungen zur Aussteuerung des Impulsverstärkers bzw. zur Aussteuerung der Mitteiwertschaltung erzielt wird.
Eine weitere Massnahme zur Kompensation von Temperatureinflüsslen besteht zweckmässig darin, dass alle vorhandenen Transistoren sowohl des Impulsgebers als auch des Hochspannungsgenerators für den Zählstromkreis während der Impulsübertragung bzw. Impulserzeugung im Sättigungsgebiet arbeiten. Es ist dabei möglich und vorteilhaft, bei einer Betriebsspannung unterhalb 1 Volt zu arbeiten, bei welcher die stark übersteuerten Transistoren nicht beschädigt werden können und welche durch ein einziges Primär- und Sekundärelement geliefert werden kann.
Es ist dabei auch möglich, dem Strahlungsmesser eine Photozellenbatterie zuzuordnen, mittels welcher beim Ausfallen anderer Stromquellen ein Akkumulator genügend nachgeladlen werden kann, um täglich mehrere stichprobenartige Messungen vornehmen zu können.
In der Zeichnung ist das Schaltschema eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemässen Strahlungsmes- sers dargestellt. Der Strahlungsmesser weist ein Zählrohr 1 auf, dessen Anode über einen Kondensator 2 und einen Widerstand 3 mit der Primärwicklung 4 eines Eingangstransformators 5 verbunden ist. Die Sekundärwicklung 6 des Eingangstransformators 5 liegt im Basisstromkreis eines Verstärkertransistors 7. Die Basisvorspannung des Transistors 7 wird durch einen Spannungsteiler mit zwei veränderbaren Widerständen 8 und 9 und einem in den dem Emitter des Transistors 7 anliegenden Zweig des Spannungsteilers geschalteten Heissleiter 10 bestimmt. Den Widerständen 9 und 10 ist ein Kondensator 11 parallel geschaltet. Im Kollektorstromkreis des Transistors 7 liegt die Primärwicklung 12 eines Ausgangsübertragers 13.
An einen Tell dieser Primärwicklung 12 ist ein Lautsprecher 14 angeschaltet.
Die Sekundärwicklung 15 des Ausgangsübertragers 13 ist über eine Diode 16 mit drei Ladekondensatoren 17 bis 19 einer Mittelwertschaltung verbunden. Der gemeinsame Anschluss der Kondensatoren 17 bis 19 steht anderseits über eine zweite Diode 20 mit Widerständen 21 bis 23 in Verbindung, von welchen jeder an einen Kontakt eines Wählschalters 24 angeschlossen ist. Die Kondensatoren 17 bis 19 sind an die gegenüberliegenden Kontakte eines zweiten Pols desselben Wählschalters 24 angeschlossen.
Ein Messinstrument 25 ist mit den beiden Segmenten eines zweipoligen, mit dem Wählschalter 24 auf derselben Achse liegenden Wählschalters 26 verbunden.
Über diesen Wählschalter kann das Messinstrument 25 bei der dargestellten Prüfstellung über einen Vorwiderstand 27 mit den Betriebsstromzuleitungen 28 und 29 verbunden werden, um die Betriebsspannung zu prüfen. In den übrigen Schaltstellungen ist das Instrument 25 zwischen die Sekundärwicklung 15 und einen der Widerstände 21 bis 23 geschaltet.
Der Wählschalter weist ausser den Segmenten 24 und 26 ein Segment 30 auf, durch welches bei der dargestellten Prüfstellung die Kathode des Zählrohrs 1 vom Hochspannungsgenerator getrennt ist, während sie für die übrigen Schaltstellungen mit der Hochspannungsquelle verbunden ist.
Der Hochspannungsgenerator weist einen Transistor 31 auf, welcher mit den Wicklungen 32 und 33 einen Sperrschwinger bildet. Die Wicklungen 32 und 33 befinden sich auf einem gemeinsamen Kern 34 ohne Luftspalt, welcher auch die Sekundärwicklung 35 trägt.
Mit der Sekundärwicklung 35 liegt ein Gleichrichter 36 in Serie, welcher am Ladekondensator 37 die erforderliche Hochspannung erzeugt. Die Spannung wird durch zwei in Serie geschaltete Zenerdioden 38 begrenzt.
Zur Speisung des Strahlmessers kann wahlweise eine Primärzelle 39, eine Sekundärzelle 40 oder eine an die Klemmen 46 anschliessbare fremde Quelle dienen. Die Sekundärzelle 40 ist über eine Diode 41 mit einer Photozellenbatterie 42 verbunden. Mittels eines Wählschalters 43 kann das Gerät ausgeschaltet oder aber wahlweise an eine der vorhandenen Stromquellen angeschaltet werden. Bei jedem Ubergang von einer Schaltstellung in die andere berührt der bewegliche Kontakt des Schalters 43 kurzzeitig zugleich den mit einer Ener- giequelle verbundenen festen Kontakt und einen der zwischen je zwei benachbarten Kontakten liegenden schmalen Hilfskontakt 44. Alle Kontakte 44 sind gemeinsam mit der Basis des Transistors 31 verbunden.
Der Schalter 43 ist über ein Potentiometer 45 mit der Zuleitung 29 verbunden.
Im folgenden ist zunächst die Bedienung und allgemeine Arbeitsweise des Gerätes erläutert, worauf die spezielle Wirkungsweise einzelner Schaltungslteile eingehender beschrieben wird.
Zur Einschaltung des Gerätes wird der Schalter 43 vorerst aus der Ausschaltstellung, beispielsweise in die dargestellte Stellung gebracht, in welcher das Gerät aus der Primärzelle 39 gespeist wird. Beim Umschalten des beweglichen Kontakts des Schalters 43 aus der Ausschaltstellung in die dargestellte Stellung ist unmittelbar vor Erreichen der dargestellten Stellung der mit der Zelle 39 verbundene feststehende Kontakt vorübergehend mit dem rechts davon liegenden Hilfskontakt 44 verbunden worden, womit die Basis des Transistors 31 mit dem negativen Pol der Spannungsquelle direkt verbunden wurde. Dadurch wurde im Transistor 31 ein sehr starker Anfangsstromstoss erzeugt, welcher das richtige Anschwingen des Hochspannungsgenerators sicherstellt.
Bei schwingendem Hochspannungsgenerator wird nun der Bereichschalter 24, 26, 30 in die dargestellte Prüfstellung gebracht, in welcher das Messinstrument 25 über den Widerstand 27 zwischen die Zuleitungen 28 und 29 geschaltet wird. Das Instrument 25 zeigt in diesem Falle die zwischen den Leitungen 28 und 29 herrschende Spannung, und das Potentiometer 45 wird nun so eingestellt, dass ein vorgeschriebener Spannungswert, beispielsweise 0,8 Volt, eingestellt ist.
Der Bereichschalter 24, 26, 30 wird nun beispielsweise um einen Schritt auf den ersten Empfindlichkeitsbereich geschaltet. Damit wird über das Segment 30 des Bereichschalters die Kathode des Zählrohrs 1 mit dem Hochspannungsgenerator verbunden, so dass das Zählrohr zu arbeiten beginnt. Die Impulsfrequenz wird dabei durch das RC-Glied 2, 3 auf einen gewünschten Wert begrenzt. Die Impulse gelangen über den Transformator 5 in geeigneter Polarität an die Basis des Transistors 7, so dass in diesem Transistor ein Stromstoss auftritt, welcher den Lautsprecher 14 erregt und der zugleich über den Transformator 13 an die Mittelwertschaltung übertragen wird.
Jeder Impuls bewirkt dabei über die Diode 16 eine Aufladung des eingeschalteten Kondensators 17, welcher sich über die Diode 20, den ihm zugeordneten eingeschalteten Widerstand 21, das Instrument 25 und die Sekundärwicklung 15 des Transformators 13 allmählich entlädt. Das Instrument 25 zeigt daher einen der Impulsfolge entsprechenden Mittelwert an. Ist der Messwert bei dem zuerst eingeschalteten Messblereich nicht ablesbar, so wird der Bereichschalter 24, 26, 30 weitergeschaltet, bis das Instrument 25 einen gut ablesbaren Ausschlag zeigt.
Bei ansteigender Temperatur neigt die Mittelwertschaltung an sich zu einem sogenannten Vorlaufen der Messwerte infolge Anstieg der Restströme in den Dioden.
Dieser Temperaturgang der Mittelwertschaltung wird nun erfindungsgemäss durch eine entsprechende gegensätzliche Beeinflussung des Temperaturganges des Transistors 7 erzielt. Infolge des Heissleiters 10 wird die Basisvorspannung im Transistor 7 ! entsprechend der Temperatur verändert, und zwar in dem Sinne, dass der Verstärkungsgrad des Transistors mit steigender Temperatur abnimmt. Der Einfluss des Heissleiters 10 kann dabei in gewissen Grenzen eingestellt werden, indem auch die Widerstände 8 und 9 verändert werden.
Es ist ohne weiteres ersichtlich, dass bei hochohmigem Spannungsteiler der Einfluss des Heissleiters 10 geringer ist als bei niederohmigem Spannungsteiler. Auch der Arbeitspunkt hängt etwas vom Gesamtwiderstand des Spannungsteilers ab. Es ist daher möglich, den Temperaturgang des Impulsverstärkers optimal so zu wählen, dass der entgegengesetzte Temperaturgang der Mittel wentschalbung kompensiert wird.
Die Möglichkeit einer solchen Kompensation der Temperaturgänge zweier mit Halbleiterelementen bestückten Schaltungsteile hängt weitgehend von der transformatorischen Koppelung dieser Teile ab. Ebenso wesentlich ist für diesen Erfolg die transformatorische Ankoppelung des impulsverstärkers an den Zählstromkreis mittels des Transformators 5. Von Bedeutung für die Erzielung leiner praktisch vollständigen Temperaturkompensation ist auch die Tatsache, dass der Transistor 7 infolge der niedrigen Betriebsspannung von 0,8 Volt durch die Zählimpulse vollständig übersteuert werden kann, so dass für alle Impulse gleiche Bedingungen bestehen. Durch ein Steuersignal an der Basis des Transistors 7 von 0,15 bis 0,6 Volt ist dieser Transistor ausgesteuert.
Von Bedeutung ist weiter die Tatsache, dass der Ausgangstransformator 13 bei einem tJbersetzungsver- hältnis von beispielsweise 1 : 5 am Ausgang Impulse verhältnismässig hoher Spannung erzeugt, welche die Diode 16 im geraden Teil Ihrer Charakteristik voll aussteuern, so dass auch hier für alle Impulse gleiche Bedingungen herrschen.
Der Transistor 31 des Hochspannungsgenerators wird durch die harte Rückkoppelung über die Spulen 32 und 33 ebenfalls stark übersteuert, indem die rückgekoppelten Steuerimpulse Spitzenwerte von etwa 8 Volt erreichen. Es ergibt sich dabei ein Wirkungsgrad des Hochspannungsgenerators von ungefähr 50 %. Auch diese Möglichkeit hängt an sich eng zusammen mit der niedrigen Betriebsspannung von 0,8 Volt, welche ohne Gefahr eine vollständige Übersteuerung des Transistors 3 1 gestattet.
Die Photozellenbatterle 42 weist beispielsweise eine totale Fläche von 175 cm2 auf. Damit ist bei 3000 Lux in drei Stunden eine Aufladung möglich, welche für eine Messdauer von 5 Min. genügt.
Der dargestellte Strahlungsmesser kann für Alpha-, Beta- und Gammastrahlen verwendet werden. Dem Gerät kann hierzu je eine besondere Gammablende und Betablende zugeordnet sein, deren Färbung einer Skala in entsprechender Farbe auf dem Instrument entsprechen kann.
Im folgenden sind einige der wesentlichsten Betriebswerte der Schaltung angegeben.
Betriebsspannung 0,8 V.
Betriebsstrom max 85 mA.
Stromverbrauch Hochspannungs generator 60 mA.
Kollektorstrom Transistor 7 17 mA.
Basisvorspannung Transistor 7 0,18 V.
Steuerspannung Transistor 7 6 V.
Impulsamplitude am Zählrohr 400 V.
Impuls amplitude primär Eingangs transformator 30 V.
Amplitude primär Ausgangs transformator 1,5 V.
Amplitude sekundär Ausgangs transformator 6 V.
Amplitude über Lautsprecher 0,75 V.
Ladestrom bei 1000 Lux 0,5 mA.
Ladestrom bei 3000 Lux 1,1 mA.
Impulsfrequenz 1000 p/Sekunde Hoch spannung stabilisiert 440 V.
Transistoren 7 und 31, Typ AC 153, VII Dioden 16 und 20 OA 85 Wicklung 4 12000 Windungen Wicklung 6 300 Windungen Wicklung 12 300 Windungen Wicklung 15 1500 Windungen Windung 32 60 Windungen Windung 33 50 Windungen Windung 35 4000 Windungen