DE1060017B - Elektronisches Zeitrelais - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Es sind Strahlungsmeßgeräte und insbesondere Anzeigegeräte zur Überwachung vorhandener Gammastrahlung bekannt, bei welchen ein die Strahlung messendes Zählrohr in Reihe mit einer Ionisationskammer an einer Gleichspannungsquelle liegt. Die Ionisationskammer dient dabei als Vorschaltwiderstand. Ferner sind Strahlungsdosimeter und besonders Röntgendosimeter vorgeschlagen worden, in welchen die zu dosierende Strahlung auf eine Ionisationskammer fällt, vermittels welcher ein Kondensator aufgeladen wird. Die am Kondensator auftretende Spannung wird mittels einer Hochvakuumtriode verstärkt. Sobald die verstärkte Spannung einen bestimmten Sollwert erreicht, wird durch dieselbe eine Gastriode gezündet. Ein im Hauptentladungsstromkreis der Gastriode befindliches Relais schaltet dann die Strahlungsquelle bzw. die Röntgenröhre ab.

In den nicht an einen besonderen Verwendungszweck gebundenen elektronischen Zeitrelais wird die Verzögerungszeit durch die Lade- oder Entladezeit eines Kondensators bestimmt, der mit Hilfe eines geeigneten Vorschaltwiderstandes geladen oder entladen wird. Um die Verzögerungszeit regelbar zu machen, wird meistens der Vorschaltwiderstand stufenlos einstellbar gewählt; dabei ergeben sich aber gewisse Beschränkungen, da regelbare ohmsche Widerstände kaum größer als 10⁷ Ohm gemacht werden können, sofern man an die Genauigkeit und Konstanz derselben einige Anforderungen stellt. Um Verzögerungszeiten von der Größenordnung nur einer Minute zu erhalten, benötigt man dementsprechend bereits einen Kondensator von etlichen Mikrofarad. Es ist versucht worden, den regelbaren Widerstand durch eine Glühkathodenröhre zu ersetzen, deren Anodenstrom entweder durch Regelung der Vorspannung eines Steuerelementes oder durch Regelung der Temperatur der Glühkathode einstellbar gemacht wird. Derartige Anordnungen haben zwar den Vorteil, daß man mit kleineren Kondensatoren auskommen kann, um größere Verzögerungszeiten zu erhalten. Dafür müssen zusätzliche Schaltelemente angebracht werden, deren Zweck es ist, die Betriebsbedingungen der den Lade- oder Entladewiderstand bildenden Glühkathodenröhre konstant zu halten. Derartige elektronische Zeitrelais benötigen daher eine größere Anzahl von Elektronenröhren und einen dementsprechenden Aufwand an elektrischen Einzelteilen.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektronisches Zeitrelais, bei welchem in einem i?C-Kreis (Widerstands-Kondensator-Kreis) zur Zeitbemessung als Widerstand eine unter Strahleneinwirkung stehende Ionisationskammer verwendet wird und der Schaltvorgang beim Erreichen eines vorgegebenen Ladungszustandes des Kondensators mit Hilfe eines

Anmelder:

ELESTA A. G._r

Elektronische Steuerapparate,
Bad Ragaz, St. Gallen (Schweiz)

Vertreter: Dipl.-Ing. A. Wedde, Patentanwalt,
München 27, Schumannstr. 2

Beanspruchte Priorität:
Schweiz vom 20. Juni 1955

Dr. Hans L. v. Gugelberg, Maienfeld (Schweiz),
ist als Erfinder genannt worden

Schaltelementes ausgelöst wird, das im Hauptentladungsstromkreis einer mit einem Steuerelement versehenen Gasentladungsröhre liegt. Die Erfindung besteht darin, daß die Ionisationskammer unter dem Einfluß einer im Zeitrelais angebrachten radioaktiven Strahlungsquelle steht, und mechanisch verstellbare Mittel vorhanden sind, mit denen die in die Ionisationskammer eindringende Strahlungsmenge steuerbar gemacht ist. Die radioaktive Strahlungsquelle enthält vorzugsweise Plutonium, Radium oder Actinium und kann entweder auf einem verschwenkbaren Träger oder auch feststehend angeordnet sein, wobei im letztgenannten Fall zwischen der Ionisationskammer und der Strahlungsquelle eine verstellbare Blende angeordnet ist. Eine sehr einfache und betriebssichere Ausführung des erfindungsgemäßen elektronischen Zeitrelais ergibt sich, wenn der Kondensator zwischen der kalten Kathode und der Starterelektrode einer Glimmröhre eingeschaltet ist und die eine Elektrode der Ionisationskammer an der Starterelektrode und die andere Elektrode der Ionisationskammer am positiven Pol einer Gleichspannungsquelle liegt. Die die Ladungsänderung des Kondensators bewirkende Ionisationskammer wird dabei zweckmäßig im Bereich ihres Sättigungsstromes betrieben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt, und zwar zeigt

Fig. 1 das Schaltbild eines für Netzanschluß ausgebildeten elektronischen Zeitrelais und

Fig. 2 eine besondere Ausführungsform der Mittel zur Steuerung der in die Ionisationskammer eindringenden Strahlungsmenge.

909 558/349

Das elektronische Zeitrelais gemäß der Fig. 1 wird unmittelbar von dem an die Klemmen 1 angeschlossenen Wechselstromnetz gespeist, wobei mittels der Trockengleichrichterelemente 2 die erforderliche Gleichspannung von etwa 200 bis 300 Volt erzeugt wird. Ein Kondensator 3 von wenigen Mikrofarad dient wie üblich zur Filterung und Beruhigung der erzeugten Gleichspannung. Der Schalter 4 dient zum In- und Außerbetriebsetzen des Zeitrelais. Aus später noch zu erläuternden Gründen ist eine Glimmröhre 5 vorgesehen, welche außer ihrer Anode 6 eine kalte Kathode 7 und eine Starterelektrode 8 aufweist. Die Anode 6 ist über die als Strombegrenzungswiderstand dienende Erregerwicklung 9 eines elektromechanischen Relais und über den Schalter 4 mit dem positiven Pol der Gleichrichteranordnung 2 verbunden. Die voneinander gut isolierten Kontaktpaare 10 und 11 des elektromechanischen Relais sollen bei stromloser Erregerwicklung 9 geöffnet sein. Die Erregerwicklung 9 kann einen ohmschen Widerstand von einigen tausend Ohm haben, so daß bei gezündeter Glimmröhre 5 der gewünschte Entladungsstrom fließt. An den zu den Kontaktpaaren 11 führenden Klemmen 12 kann der nicht näher veranschaulichte Arbeitsstromkreis angeschlossen werden, der nach Ablauf der gewünschten Verzögerungszeit geschaltet werden soll. Das andere Kontaktpaar 10 dient dazu, den Kondensator 13 über einen ohmschen Widerstand 14 von einigen hundert Ohm zu entladen, sobald die Glimmröhre 5 gezündet hat. Der für die Zeitbemessung maßgebende Kondensator 13 hat beispielsweise eine kapazität von nur 10000 Pikofarad und liegt unmittelbar zwischen der kalten Kathode 7 und der Starterelektrode 8.

Die Ladungsänderung am Kondensator 13 wird mit einer Ionisationskammer bewirkt, deren eine Elektrode 15 mit dem Schalter 4 und deren andere Elektrode 16 mit der Starterelektrode 8 verbunden ist. Die Elektroden 15,16 sind in der freien Atmosphäre innerhalb des Gehäuses des Zeitrelais feststehend angeordnete Metallplatten λόπ einigen Quadratzentimetern Oberfläche, die sowohl voneinander als auch gegenüber dem Gehäuse des Zeitrelais elektrisch gut isoliert sind. Ihr mittlerer Plattenabstand kann etwa zwischen 1 und 5 Zentimetern betragen. Um den Raum zwischen den Elektroden 15, 16 der Ionisationskammer elektrisch leitend zu machen, ist eine radioaktive Strahlungsquelle 17 auf einem innerhalb des Gehäuses des Zeitrelais angeordneten Träger 18 angebracht. Der Träger 18 kann aus Metall oder Isolier-Stoff bestehen, und die radioaktive Strahlungsquelle weist am besten Plutonium, Radium oder Actinium auf. Diese Stoffe senden α-Strahlen (zweifach positiv geladene Heliumatome) aus, welche in Luft von Atmosphärendruck nur eine beschränkte Reichweite von einigen Zentimetern haben. Unter diesen Umständen ist es mit einfachen Mitteln möglich, die von der Strahlungsquelle 17 ausgehende und in den Raum zwischen den Elektroden 15,16 gelangende Strahlungsmenge und damit den zwischen den Elektroden 15,16 fließenden elektrischen Strom steuerbar zu machen.

Bei der in der Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist zu diesem Zweck der Träger 18 auf einer drehbaren Welle 19 befestigt, so daß die radioaktive Strahlungsquelle 17 von der Ionisationskammer 16,17 mehr oder weniger weit weggeschwenkt werden kann. Infolge der beschränkten Reichweite der α-Strahlen wird mit zunehmender Entfernung der radioaktiven Strahlungsquelle 17 die Ionisation im Raum zwischen den Elektroden 15,16 schwächer, so daß sich auch der elektrische Strom, der zwischen den Plattenelektroden 15,16 fließt, dementsprechend vermindert. Bei der in der Fig. 2.dargestellten Abwandlung ist hingegen der Träger 18 feststehend angeordnet; dafür sitzt auf der drehbaren Welle 19 eine aus Metall oder Isolierstoff bestehende Kurvenscheibe 20, welche die Strahlungsquelle 17 wahlweise mehr oder weniger von der Ionisationskammer 15, 16 abschirmt. Da α-Strahlen gegenüber festen Körpern nur ein geringes Durchdringungsvermögen haben, wirkt die Kurvenscheibe 20 als verstellbare Blende, mittels welcher die Menge der in die Ionisationskammer eingespeisten radioaktiven Zerfallprodukte steuerbar gemacht ist. Bei beiden Ausführungen kann die Welle 19 noch mit einer Skala versehen sein, welche unmittelbar in Einheiten der gewünschten Verzögerungszeit des Zeitrelais geeicht sein kann.

Die erzielbare Verzögerungszeit, d. h. der Zeitabschnitt, welcher nach dem Schließen des Schalters 4 bis zur Zündung der Glimmröhre 5 verstreicht, ist nun ohne weitere Hilfsmittel praktisch unabhängig von Spannungsänderungen des speisenden Wechselstromnetzes. Zunächst ist die Zündspannung, bei welcher von der Starterelektrode 8 aus der Zündfunken zur Kathode 7 überspringt, bei einer Glimmröhre 5 mit kalter Kathode 7 unabhängig von dem jeweils zwischen Kathode 7 und Anode 6 vorhandenen Potential. Aber auch der durch die Ionisationskammer fließende schwache elektrische Strom kann unabhängig von Schwankungen der Speisespannung gemacht werden, wenn nämlich die Ionisationskammer im Sättigungsgebiet ihrer Strom-Spannungs-Charakteristik betrieben wird. Zu diesem Zweck ist nur erforderlich, daß die zwischen den plattenförmigen Elektroden 15. 16 jeweils vorhandene Gleichspannung während der ganzen Aufladezeit des Kondensators 13 stets so hoch bleibt, daß das Sättigungsgebiet nicht verlassen wird. Liegt zwischen den plattenförmigen Elektroden 15,16 und bei mittleren Plattenabständen von etwa 1 bis 2 Zentimetern eine etwa 150 Volt übersteigende Spannung, so fließt im wesentlichen nur der Sättigungsstrom, dessen Größe nicht mehr von der genannten Spannung, sondern lediglich von der Stellung der Welle 19 bzw. von der jeweils eingestellten Einspeisung von α-Strahlen abhängt. Bei gleichbleibender Stellung der Welle 19 ist der zwischen den Elektroden 15,16 fließende elektrische Strom sodann zeitlich konstant, und die Spannung am Kondensator 13 steigt proportional mit der Zeit an. Der Proportionalitätsfaktor dieses Spannungsanstieges hängt daher bei gegebener Strahlungsquelle 17 nur von der jeweiligen Stellung der Welle 19 ab.

Ferner ist es möglich, durch geeignete Formgebung und Anordnung der Elektroden 15, 16 das zwischen ihnen vorhandene elektrische Feld in der Weise unhomogen zu machen, daß unter Berücksichtigung der Eigenschaften der von der radioaktiven Strahlungsquelle 17 ausgehenden Strahlung der zwischen den Elektroden 15,16 fließende elektrische Strom auch innerhalb gewisser Grenzen weitgehend unabhängig von Temperatur- und Druckschwankungen der Atmosphäre wird. An Stelle von planparallelen Elektroden 15,1& können für diesen Zweck gewölbte Elektroden oder zueinander winklig aufgestellte Elektroden verwendet werden.

Je nach der Ergiebigkeit der radioaktiven Strahlungsquelle 17 kann man in der Ionisationskammer zwischen ihren Elektroden 15, 16 fließende elektrische Ströme von 10—⁷ bis 10~^u Ampere erzeugen. Ströme

Claims (6)

dieser Größe vermögen einen Kondensator von 10000 Pikofarad innerhalb einer Zeit von 101 bis 105 Sekunden auf rund 100 VaIt aufzuladen. Damit ergeben sich Verzögerungszeiten des beschriebenen elektronischen Zeitrelais von einigen Sekunden bis über 1 Tag, und dies unter Verwendung eines noch außerordentlich kleinen und billigen Kondensators 13. Die Erzielung kleinerer Verzögerungszeiten bietet keinerlei Schwierigkeiten, da man hierzu nur einen Kondensator 13 von entsprechend geringerer Kapazitat einsetzen wird. Die für die Verzögerungszeit maßgebenden Schaltelemente müssen hingegen einen geeignet großen Isolationswiderstand haben, der je nach der gewünschten Verzögerungszeit zwischen 1010 und 1014 Ohm betragen sollte. Dies gilt insbesondere für den Isolationswiderstand des Steuerlementes 8 der Elektronenröhre 5. Stellt man die weitere Forderung, daß die Elektronenröhre 5 an die Relaiswicklung 9 eine elektrische Leistung von wenigstens hundert Milliwatt abgeben soll, dann lassen sich die angegebenen hohen Isolationswiderstände nur mit Glimmentladungsröhren erzielen, die eine kalte Kathode 7 aufweisen. Röhren mit Glühkathoden haben entweder eine zu geringe Ausgangsleistung oder zu hohe Gitterströme. Die Verwendung nur einer einzigen Glimmröhre, die ohne irgendwelche Vorverstärkung direkt vom Kondensator 13 aus gezündet wird, hat den weiteren Vorteil, daß der totale Stromverbrauch des Zeitrelais während der ganzen Verzögerungszeit vernachlässigbar klein ausfällt. Patentansprüche:

1. Elektronisches Zeitrelais, bei welchem in einem i?C-Kreis (Widerstands-Kondensator-Kreis) zur Zeitbemessung als Widerstand eine unter Strahleneinwirkung stehende Ionisationskammer verwendet wird und der Schaltvorgang beim Erreichen eines vorgegebenen Ladungszustandes des Kondensators mit Hilfe eines Schaltelementes ausgelöst wird, das im Hauptentladungsstromkreis einer mit einem Steuerlement versehenen Elektronenröhre liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionisationskammer unter dem Einfluß einer im Zeitrelais angebrachten radioaktiven Strahlungsquelle steht und mechanisch verstellbare Mittel vorhanden sind, mit denen die in die Ionisationskammer eindringende Strahlungsmenge steuerbar gemacht ist.

2. Zeitrelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die radioaktive Strahlungsquelle auf einem verstellbaren Träger angeordnet ist.

3. Zeitrelais nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der radioaktiven Strahlungsquelle und der Ionisationskammer eine verstellbare Blende angeordnet ist.

4. Zeitrelais nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Plutonium, Radium oder Actinium enthaltende radioaktive Strahlungsquelle.

5. Zeitrelais nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine derartige Ausbildung, daß die die Ladungsänderung des Kondensators bewirkende Ionisationskammer während der ganzen Verzögerungszeit im Bereich ihres Sättigungsstromes betrieben wird.

6. Zeitrelais nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenröhre eine Glimmentladungsröhre ist, welche außer der Anode eine kalte Kathode und eine Starterelektrode aufweist, der Hauptentladungsstromkreis der Glimmröhre über einen Strombegrenzungswiderstand von einer Gleichspannungsquelle gespeist wird, der Kondensator zwischen der kalten Kathode und der Starterelektrode der Glimmröhre eingeschaltet ist, und daß ferner eine Elektrode der Ionisationskammer an der Starterelektrode der Glimmröhre und die andere Elektrode der Ionisationskammer am positiven Pol der Gleichspannungsquelle liegt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 421 954;
USA.-Patentschrift Nr. 2 700 110;
»Fortschritte auf dem Gebiet der Röntgenstrahlen¹«, 1949, S. 994 bis 1002.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 909 558/349 6.59