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Strahlungsanzeiger Die Erfindung betrifft dns Anzeigen und Messen
von Strahlungen und insbesondere eine Vorrichtung des Zählrohrtyps zum Messen der
Stärke von Strahlungen, wie z. B. Gammastrahlen.
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Für Stärkemessungen von Strahlungen, wie z. B. Gammastrahlen, benutzt
man häufig das Geiger-Müllersche Zählrohr. Das übliche Geiger-Müllersche Zählrohr
besteht gewöhnlich aus einem Metallzylinder als Kathode, der in eine Glashülle oder
einen Glasbehälter eingeschmolzen ist und durch dessen Mitte ein feiner, die Anode
bildender Draht angeordnet ist. Die Hülle enthält gewöhnlich ein geeignetes Gas
unter unteratmosphärischem Druck, und die Vorrichtung ist mit einem elektrischen
Stromkreis derart verbunden, daß der Anodendraht gegenüber der zylindrischen Kathode
unter einem positiven Potential gehalten wird. Im Regelfall ist der Potentialunterschied
zwischen Kathode und Anode fast, aber doch nicht ganz hoch genug, um zu einer Entladung
zu führen. Wenn jedoch ein Teilchen oder Strahl, der das Gas zu ionisieren vermag,
in den Anzeiger hineingerät, wird das Gas ionisiert, und es tritt eine Entladung
ein. Die Leistung der Vorrichtung wird gewöhnlich zu einem geeigneten Verstärker
geleitet und dann zu einem Schreibgerät, das die Anzahl von Entladungen des Zählrohres
aufzuzeichnen vermag. Diese Art von Strahlungsstärkemeßinstrument ist
in-
vielen Fällen nützlich, aber zum Anzeigen des Vorhandenseins von Gammastrahlen ist
seine Leistung recht gering.
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Das Hauptziel der vorliegenden Erfindung. ist eine Vorrichtung vom
Zählrohrtyp, deren Leistung viel höher ist als die des üblichen Zählrohres..
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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung,
die kräftig genug gebaut ist, daß man sie bei verhältnismäßig starken Beanspruchungen,
wie z. B. zum Tiefenmessen von Brunnen und Bohrlöchern verwenden kann, wo sie durch
das Loch viele hunderte Meter tief herabgelassen werden müssen; sie ist betriebssicher
und erfordert keine komplizierte und teure Zusatz= ausrüstung.
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Entladungsvorrichtung
zur Verwendung als Strahlungsanzeiger, bei der erfindungsgemäß mehrere in einem
kleinen Abstand übereinanderliegende, miteinander zu einer Kathode verbundene dünne
Metallbleche, die jeweils ein oder mehrere Löcher besitzen, einen oder mehrere sich
durch diese Löcher erstreckende Anodendrähte aufweisen. Diese Anodendrähte sind
etwa quer zur Haupterstreckung der Bleche und so angeordnet, daß zwischen jedem
Draht und den Metallblechen ein nicht homogenes elektrostatisches Feld erzeugt wird.
Bei dieser Anordnung der Kathode wird z. B. einfallenden Gammastrahlen eine weit
größere Oberfläche geboten, als in. den üblichen Zählern, wodurch die Erzeugung
von Elektronen durch diese Strahlen erleichtert wird.
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Es ist zwar schon bekanntgeworden, in Zählrohrgeräten zum Messen kurzwelliger
Strahlungen das Rohrinnere in mehrere in gemeinsamer Gasfüllung voneinander -unabhängig
arbeitende, elektrisch parallel und vorzugsweise unmittelbar -zusammengeschaltete
Zählkammern zu unterteilen. Hierbei werden jedoch zur Unterteilung scheibenähnliche
Teile benutzt, die keine Kathodenplatten sind, sondern lediglich Zwischenwände aus
elektrisch isolierendem Werkstoff zu dem Zweck der Unterteilung des Rohres, um so
sein Auflösungsvermögen zu erhöhen.
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Es ist auch schon vorgeschlagen worden, Zählrohre in der Weise Taufzubauen,
daß man parallele, in geringem Abstand voneinander angeordnete platten- oder scheibenförmige
Elektroden anordnete, zwischen denen quer zur Rohrachse Anodendrähte gespannt werden
sollten. Gegenüber diesen Anordnungen zeichnen sich diejenigen nach vorliegender
Erfindung durch besonders große Leistungsfähigkeit aus, die noch durch die Möglichkeit
erhöht wird, durch besondere Maßnahmen die Empfindlichkeit zu steigern und die Lebensdauer
zu erhöhen. Bei den vorliegenden Entladungsvorrichtungen ist die Wuhrscheinlichkeit
des Auftretens der Strahlung besonders hoch und nähert sich fooo/o, und gleichzeitig
wird eine sehr gute Durchdringung erreicht. Die Wirkung der neuen Vorrichtung ist
etwa ebenso stark wie diejenige von gewöhnlichen Zählrohren erheblich größeren Durchmessers.
Zweckmäßig . wird das Strahlungsanzeigegerät dieser Art in einem Gehäuse eingeschmolzen,
in dem Kathoden- und Anodenteile liegen und an eine Hochspannungsquelle angeschlossen
werden können. Diese Röhren können mit einer. Gasfüllung versehen werden, die aus
einem Gemisch von wasserfreiem Ammoniak und einem Edelgas (Argon, Neon und/oder-Krypton)
besteht.
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Die genannte Vorrichtung wird meist in einem Metallgehäuse untergebracht,
das bei der letztgenannten, besonders vorteilhaften Ausführungsform das erwähnte
Gasgemisch bei einem Druck von etwas unter Atmosphärendruck aufnimmt. Wie weiter
unten noch näher erklärt werden wird, hat ein mit einem solchen Gasgemisch gefülltes
Zählrohr vom Geiger-Müller- oder .einem anderen Typ eine praktisch unbegrenzte Lebensdauer,
und wenn die Füllung bei der weiter unten beschriebenen, erfindungsgemäß verbesserten
Zählrohrform verwendet wird, ist das entstehende Instrument auch viel leistungsfähiger
als die bis jetzt verwendeten.
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Um die Erfindung besser verständlich zu machen, wird sie im folgenden
unter Hinweis auf die Zeichnungen beschrieben.
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Fig. i ist eine schematische Darstellung eines Geiger-Zählrohres üblicher
Bauart; Fig.2 ist eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der
Erfindung; Fig. 3 ist ein senkrechter Schnitt und Fig.4 ein Grundriß der Ausführungsform
der Fig. z; Fig. 5 ist eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform
der Erfindung; Fig. 6 und 7 sind schematische Ansichten zweier anderer Kathodenformen;.
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Fig.8 ist eine Ansicht (teilweise im Schnitt) einer weiteren Ausführungsform;
Fig. 9 ist eine schematische Ansicht einer Ausführungsform, bei der die Platten
mit einem lichtempfindlichen Material überzogen sind; Fig. fo ist eine teils schematische,
teils perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung, bei der
die Kathodenplatten konisch geformt -sind; Fig. 1 i ist eine perspektivische Ansicht
einer anderen Ausführungsform der Erfindung, bei der die Platten wie gewellte Scheiben
ausgebildet sind; Fig. 12 ist eine schematische Ansicht eines Schnittes durch einige
der in Fig. i i gezeigten Platten; Fig. 13 ist eine perspektivische Ansicht einer
weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der die Kathodenplatten aus Ringen bestehen;
Fig. 14 ist ein perspektivischer Schnitt durch einige der in Fig. 13 gezeigten Platten
oder Ringe; Fig. 15 ist eine Kurve, die die Druck-Anfangsspannung-Kennlinien eines
Zählrohres zeigt, wie es in den Fig. 2, 3 und 4 gezeigt, und das mit Argon und wasserfreiem
Ammoniak in verschiedenen Mengenverhältnissen gefüllt ist; Fig. 16 ist eine schematische
Skizze des Apparates zum Mischen der Gase und Füllen der Zählrohre, und
Fig.
17, 18 und i9 sind Kurven, die die Ergebnisse zeigen, die man bei Verwendung von
Gemischen von Argon, Krypton oder Neon und Ammoniak in verschiedenen Prozentsätzen
erhält.
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Das in Fig. i dargestellte übliche Geigersche Zählrohr besteht aus
einem dünnwandigen Metallrohr io mit einem sehr dünnen, die Anode 12 bildenden Draht,
der in der Achsenrichtung gespannt und von dem die Kathode bildenden Metallrohr
isoliert ist. Diese Elektroden sind in einem Gehäuse 1q. eingeschlossen, gewöhnlich
einem Glasrohr, das ein geeignetes Gas, z. B. Argon, bei einem ziemlich niedrigen
Druck von etwa 5o bis ioo mm Hg enthält. Der zentrale Draht i2 wird gegenüber dem
Zylinder unter positiver Spannung gehalten, und ein ziemlich hoher Widerstand Rist
in den Stromkreis eingeschaltet. Normalerweise ist die Potentialdifferenz zwischen
der Kathode io und dem Draht i2 fast, aber doch nicht ganz, hoch genug, daß eine
Entladung stattfindet. Wenn ein Teilchen, das das Gas zu ionisieren vermag, durch
den Zylinder io hindurchgeht, tritt eine Entladung ein, und zwar mit einem Stromfluß
von einigen Mikroampere. Dies führt zu einem starken Spannungsabfall in R, und die
Entladung hört nach einer sehr kurzen Zeitspanne auf. Durch geeignete Verstärkung
des plötzlichen Spannungsabfalles in R, wie z. B. durch eine Verstärkervorrichtung
16, kann eine mechanische Aufzeichnungsvorrichtung 18 oder ein anderes Gerät zur
Aufzeichnung der Entladung des Zählrohres betätigt werden. Bei geeigneter Behandlung
der Oberfläche des Zylinders io und geeigneter Wahl des Gases oder der Gase zur
Füllung des Zählrohres hört die Entladung schneller und verläßlicher auf. Wenn die
Entladung aufgehört hat, ist das Zählrohr wieder bereit zur Aufzeichnung des Durchganges
eines ionisierenden Teilchens.
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Wegen der großen Ionisierung pro Einheit der Bahnlänge von Strahlungen
wie der kosmischen oder Betastrahlen ist, selbst bei der verhältnismäßig geringen
Dichte des Gases in dem Zähler, die Leistung des üblichen Zählrohres für solche
Strahlen sehr nahe an loo°/o. Jedoch ist die Wahrscheinlichkeit, daß ein Gammastrahl
die Ionisierung in dem Gas verursacht, sehr gering, und praktisch alle Zählungen
auf Grund des Durchganges von Gammastrahlen sind rauf die Elektronen zurückzuführen,
die von der Kathodenwand io durch Einwirkung des Gammastrahles auf die Atome des
Kathodenmaterials ausgeschleudert werden. Die Wahrscheinlichkeit, daß ein solches
Zusammenwirken sattfindet, nimmt natürlich mit steigender Kathodenwandstärke zu,
aber da in dem Kathodenmaterial der Bereich eines von dem Gammastrahl Energie empfangenden
Elektrons selten größer ist als ein oder zwei Zehntel eines Millimeters, wird damit
nichts gewonnen, daß man die Wand io stärker als etwa das Doppelte der mittleren
Eindringungstiefe der Teilchen ausführt. Bei dieser Stärke wird etwa einer von hundert
Gammastrahlen, die durch die Kathode hindurchgehen, ein Elektron abschleudern und
so den Zähler auslösen oder entladen. Diese Leistungswahrscheinlichkeit hängt etwas
von dem als Kathode io verwendeten Material und von der Größe der ausgesetzten Oberfläche
ab, aber alle diese Faktoren verursachen keinerlei Änderung um mehr als einen Faktor
von etwa zwei, gegenüber der Leistung eines einfachen Zählrohres mit der optimalen
Wandstärke. Es muß betont werden, daß die Leistung von der Zählrohrgröße praktisch
unabhängig ist, da ein sehr kleines Zählrohr beinahe dieselbe optimale Leistung
hat wie ein sehr großes.
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Die Leistung eines Zählrohres kann definiert werden als- Verhältnis
der Anzahl von Zählungen zur Anzahl von Strahlen, die durch den Kathodenbereich
hindurchgehen. Für ein paralleles Gammastrahlenbündel kann man natürlich dieses
Verhältnis dadurch erhöhen, daß man mehrere, hintereinander und parallel geschaltete
Zählrohre verwendet. Wenn man N Zählrohre mit je einer Leistung E hat, so wäre die
Leistung der Kombination fast N - E. Ein paralleles Gammastrahlenbündel ist jedoch
eine praktische Unmöglichkeit und kommt in der Natur nicht vor.
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Ein anderer naheliegender Weg zur Erzielung einer höheren Leistung
in einem gegebenen Zählrohrvolumen ist der, das einzelne große Zählrohr durch ein
Bündel kleiner Zählrohre zu ersetzen, wobei die Rohre elektrisch so miteinander
verbunden sind, daß sie die Kathode bilden, während die Drähte elektrisch miteinander
verbunden die Anode bilden. Wenn jedoch der Querschnitt des zur Verfügung stehenden
Zählrohrvolumens sehr groß ist, erzielt man keinen sehr großen Leistungsgewinn,
falls man nicht eine große Anzahl sehr kleiner Zählrohre verwendet. Für einen Querschnitt
von 7,5 cm im Durchmesser könnten z. B. sieben Zählrohre von je 2,5 cm Durchmesser
verwendet werden, die eine Leistungssteigerung um einen Faktor von sieben Dritteln
ergeben würden. Um eine Leistungssteigerung um einen Faktor von io zu erzielen,
wäre es nötig, über einhundertzwanzig Zählrohre zu verwenden, von denen jedes kleiner
als o;6 cm im Durchmesser wäre. Es ist bei einer so großen Zahl dünnwandiger Rohre
außerordentlich schwer, die nötige Betriebseinheitlichkeit zu gewährleisten, und
mit der wachsenden Länge des Zählrohres erhöhen sich natürlich auch rasch die auftretenden
Schwierigkeiten.
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Man sollte meinen, daß ein Zählrohr aus dicht beieinander angeordneten
parallelen Platten, von denen abwechselnd die eine Anode und die folgende Kathode
ist, ähnlich der Bauart des üblichen Luftkondensators, eine sehr leistungsfähigeVorrichtung
wäre. Solche Zählrohre wurden in der Literatur besprochen und auch tatsächlich ausprobiert,
aber Erfolge damit wurden niemals verzeichnet oder berichtet. Für eine derartige
Bauweise ist das Feld wahrscheinlich durchweg zu einheitlich, und eine Kaskaden-(Stufen-)
oder Multiplikationsionisierung findet nicht statt. Bei der in den Fig. 2, 3 und
q. gezeigten Ausführungsform der Erfindung ist das üblicheZählerkathodenrohr elektrisch
durch sauber in einer Linie liegende Plattenlöcher 22 ersetzt,
die
in mehreren Platten 24 vorgesehen sind; die Figuren zeigen, daß letztere praktisch
parallel zueinander und getrennt voneinander angeordnet sind. Die Platten 24 sind
elektrisch so miteinander verbunden, daß sie die Kathode. bilden, während die durch
die Löcher 22 gehenden Drähte 26 so miteinander verbunden sind, daß sie die Anode
bilden. Daß das normale Kathodenrohr durch die Plattenlöcher ersetzt werden kann,
ist augenscheinlich, wenn man. in Betracht zieht, daß, wenn kein Platz zwischen
den Platten gelassen wird, dieses Zählrohr zu einer Gruppe üblicher Zählrohre mit
sehr dicken Wänden wird. Es ist auch einleuchtend, daß bei im Vergleich mit dem
Durchmesser der Löcher 22 kleinem Abstand nur ein sehr geringer elektrischer Unterschied
zwischen ihm und dem üblichen Zählrohr sein wird. Es hat sich-jedoch tatsächlich
herausgestellt, daß das Zählrohr zufriedenstellend arbeitet, wenn nur eine Platte
vorhanden ist. Die elektrischen Eigenschaften eines solchen mit mehreren Platten
arbeitenden Zählers sind denen. eines üblichen Zählrohres sehr ähnlich;-dessen Durchmesser
gleich dem der Plattenlöcher und dessen Gasfüllung die gleiche ist. Vom Leistungsstandpunkt
aus stellt jedoch diese neue Art Zählrohr eine erhebliche Verbesserung gegenüber
dem üblichen Zählrohr dar, wie aus Fig. 12 und der nachfolgenden Beschreibung hervorgeht.
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Wie bereits oben gesagt würde, ist die Wahrscheinlichkeit, daß ein
Gammastrahl in der Gasfüllung des Zählrohres eine Ionisierung verursacht, a.üßerordentlich
gering, und wenn ein Gammastrahl den Zähler auslösen soll, ist es praktisch immer
notwendig, daß er auf die Kathodenmasse einwirkt und infolgedessen ein Elektron
abgeschleudert wird. Die Wahrscheinlichkeit einer solchen° Einwirkung wächst mit
steigender Dicke der Kathodenwand; aber infolge des kurzen Bereiches der abgeschleuderten
Elektronen im Kathodenmaterial eines üblichen Zählers ist man auf eine Kathodendicke
von weniger als r mm beschränkt. Bei vorliegender Erfindung können jedoch, wie aus
Fig. 3 ersichtlich ist; die Gammastrahlen 28 durch viel Kathodenmaterial gehen,
und es besteht daher eine hohe Wahrscheinlichkeit für eine Einwirkung. Ferner ist
auch eine hohe Wahrscheinlichkeit dafür vorhanden, daß das abgeschleuderte Elektron
3o keine zu große Entfernung in der Kathode 24 zu durchlaufen braucht, ehe es-herausgelangt.
Der Gammastrahl hat also eine Bahn mit viel Material zu durchlaufen, während das
abgeschleuderte Elektron nur eine kurze Bahn zu durchlaufen braucht. Infolgedessen
wirkt jede Vorrichtung, die als ein Anodendmht angesehen werden kann, der durch
eine Reihe von Löchern hindurchgeht, vom Leistungsstandpunkt -aus wie ein übliches
Zählrohr, dessen Durchmesser ein- Vielfaches von dem der Löcher ist. Es hat sich
in der Tat erwiesen, daß ein Zähler dieser Art, bei- dem jede Kathodenplatte von
25 mm Außendurchmesser ein einziges Loch von 8 mm Durchmesser bei einem Plattenabstand
von etwa 2,5 mm hat, dieselbe Anzahl von Zählungen pro Sekunde ergibt wie ein üblicher
Zähler mit einem Durchmesser von 35 mm, wenn beide der gleichen Strahlung ausgesetzt
werden. Wenn man daher eine verhältnismäßig kleine Zahl ziemlich kleiner Löcher
in den Platten anbringt, hat das :entstehende Zählrohr eine -Leistung, die in der
gleichen Form durch ein Bündel üblicher Zählrohre nur dann erreicht werden könnte,
wenn man eine außergewöhnlich große Zahl sehr kleiner Zählrohre. verwendet.
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Für bestimmtePlattenabstandsbedingungen, oder falls es aus verschiedenen
Gründen wünschenswert ist, die Kathodenplatten aus nichtleitenden Stoffen herzustellen,
kann die in Fig.5 gezeigte Ausführungsform der Erfindung verwendet werden. Hier
besteht der Zähler aus vielen elektrisch nichtleitenden Platten 32, in denen Löcher
34 angebracht worden sind. Durch diese Löcher gehen sehr dünnwandige elektrisch
leitende Kathodenröhren, von denen zwei. bei 36 gezeigt sind. Die Wände dieser Rohre
sind dünn genug (d. h. einen kleinen Bruchteil eines mm stark), daß die von den
Platten 32 durch .die Gammastrahlen abgeschleuderten Elektronen mit geringem Energieverlust
durch sie hindurchgehen können. Die Funktion dieser Rohre 36 ist es in erster Linie,
ein geeignetes. elektrisches Feld zu erzeugen, da fast alle abgeschleuderten Elektronen
aus den Platten kommen, durch die die Rohre hindurchgeleitet worden sind.
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Statt viele im Abstand voneinander stehende, praktisch parallele Platten
zu verwenden, die so miteinander verbunden sind, daß sie eine Kathode bilden, kann
die Kathode zur Ersparung von Konstruktionskosten auch in anderer Weise hergestellt
werden. Fig. 6 zeigt eine einzige Kathodenplatte 38; sie hat die Form einer Wendel
und ist mit vielen Löchern 40 versehen, die so angeordnet sind, daß Drähte q.2 durch
die in einer Reihe liegenden Löcher hindurchgeleitet werden können. Die Drähte 42
sind natürlich miteinander derart verbunden, daß sie die Anode bilden.
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In Fig. 7 ist eine einzige Kathodenplutteq4 dargestellt; sie hat Zickzack-
oder Faltenform; Löcher 46 liegen in einer Linie, so daß in der dargestellten Weise
die Anodendrähte 4.8 durch sie geleitet werden können.
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Eine weitere Abänderung oder Ausführungsform ist in Fig. 8 veranschaulicht:
Bei dieser sind eine Reihe elektrisch nichtleitender Scheiben 5o, die z. B. aus
einem. geeigneten Phenolkondensationsproduktbestehen können, praktisch parallel
im Abstand voneinander innerhalb eines Metallzylinders oder -rohres-52 angeordnet.
Die Scheiben 5o sind mit kleinen Löchern 54 versehen, durch die ein Anodendraht
56 geführt ist. Das Rohr 52 dient zur Erzeugung eines geeigneten elektrischen Feldes,
und die Gammastrahlen treffen die Isolierscheiben 5ö; Elektronen werden abgeschleudert
und lösen den Zähler aus.
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Es ist gefunden worden, daß man die Leistung eines aus mehreren Platten
bestehenden Anzeigers dadurch erhöhen kann, daß man -auf die Kathodenplatten eine
lichtempfindliche Oberfläche aufbringt. In Fig. 9 ist eine einfache Anzeigevorrichtung
mit drei Kathodenplatten 6o und einem Anodendraht
62 dargestellt.
Die Oberflächen der Kathodenplatten sind mit einem lichtempfindlichen Material 64
bedeckt. Ein Gammastrahl66, der die Bodenplatte 6o durchdringend dargestellt ist,
kann zur Abschleuderung eines primären Elektrons 68 in einer solchen Richtung führen,
daß das Elektron die mittlere Kathodenplatte 6o trifft und seine Bewegung beendet,
ohne eine Ionisierung des Gases in dem Zähler hervorzurufen. Wenn das primäre Elektron
68 jedoch die lichtempfindliche Oberfläche 64 trifft, entstehen eine Vielzahl sekundärer
Elektronen 70, wobei es leicht möglich ist, daß eines der Elektronen die Ionisierung
verursacht, die den Zähler auslöst.
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Für gewisse Anwendungszwecke, wie z. B. Bohrungstiefenmessungen, kann
es wünschenswert sein, eine Strahlung aufzuspüren, die an sich gewöhnlich nicht
ionisierend ist wie langsame Neutronen. Hierzu verwendet man gewöhnlich einen Zähler,
dessen Kathode aus einem Material besteht, das bei Beschuß mit langsamen Neutronen
unter Austritt ionisierender Teilchen zerfällt oder radioaktiv wird. Ein solcher
Stoff ist Bor, das gewöhnlich in Form von Borax vorkommt. Es ist ganz offensichtlich,-
daß die in der vorliegenden Erfindung beschriebene Zählvorrichtung zu diesem Zweck
verwendet werden kann; man benutzt dabei Platten aus einem geeigneten Material oder
überzieht die Platten mit einer geeigneten Substanz, wie z. B. mit einer Lithium-
oder Borverbindung. Es muß betont werden, daß erhebliche Betriebsschwierigkeiten
entstehen können, wenn man die übliche Zählrohrkathode mit einem solchen Überzug
versieht, besonders wenn letzterer nichtleitend oder nicht glatt ist. Bei dem in
Fig. i i bis 17 dargestellten Zähler ist das aktive Feld auf einen sehr kleinen
Bezirk um die Löcher herum beschränkt, so daß jede Art Material oder Überzug außerhalb
dieses Bezirkes seine Wirkungsweise nicht beeinträchtigt. Diese Zähler können gegebenenfalls
bei einer etwas unter der normalen liegenden Spannung betrieben werden und reagieren
dann entsprechend der Ionisierung, die das den empfindlichen Bezirk passierende
Teilchen hervorruft. Hierdurch können z. B. Alphateilchen festgestellt werden, die
bei dem durch langsame Neutronen erzeugten Zerfall abgeschleudert werden, und zwar
selbst beim Vorhandensein eines breiten Gammastrahlenhintergrundes, da ja ein Alphateilchen
eine viel größere lonisierung hervorruft als die durch die Gammastrahlen entstehenden
Betateilchen.
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Bei der in Fig: io gezeigten Ausführungsform der Erfindung haben mehrere
dünne Metallplatten 116 die Form von Kegeln; diese Kegel sind ineinandergesteckt
oder greifen so ineinander, daß die Oberflächen parallel liegen, wobei ein Zwischenraum
118 die einander benachbarten Kegel trennt. Der Einfachheit halber sind in Fig.
io nur zwei konische Platten dargestellt, jedoch kann jede beliebige Anzahl dieser
Platten verwendet und wie bei i2o elektrisch miteinander -verbunden werden, um so
die Kathode des Gerätes zu bilden. Die Platten können durch Streifen 122 gestützt
sein, und jeder Kegel ist mit mindestens einem, zweckmäßig aber mit mehreren Löchern
124 versehen, wobei die Löcher in benachbarten Platten so ausgerichtet sind, daß
ein Draht r26 durch jede Lochreihe gezogen werden kann. Die Drähte 126 sind in geeigneter
Weise befestigt und sind wie bei 128 elektrisch miteinander verbunden, so daß sie
die Anode des Gerätes bilden. Vorzugsweise hat jedes der Löcher r24 die Form einer
Ellipse, wenn man in normaler Weise auf die Oberfläche des Kegels sieht, so daß
der Draht beim Durchgang durch eine Lochreihe von den Rändern der Platten gleichweit
entfernt ist. Wie ersichtlich, wäre es infolge der konischen Form der Kathodenplatten
für einen Gammastrahl schwer, wenn nicht gar unmöglich, in oder durch das Gerät
zu gelangen, ohne wenigstens eine der Platten zu treffen, und da letztere aus dünnem
Material bestehen, wird ein in der Platte erzeugtes Elektron leicht herausgeschleudert,
wodurch das Gas ionisiert und die Anzeigevorrichtung ausgelöst oder betätigt wird.
Die Teile 116 können voll konisch sein; gegebenenfalls können auch die Spitzen wegfallen,
so daß also kegelstumpfförmige Gebilde entstehen.
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Fig. i i und 12 zeigen eine abgeänderte Form des Anzeigegerätes, bei
der die Kathode aus mehreren Scheiben 13o besteht, die ineinandergesteckt, aber
im Abstand voneinander angeordnet und durch geeignete Streifen 132 befestigt sind.
Aus Fig. 12 geht vielleicht noch klarer hervor, daß jede Platte ringförmig gewellt
ist, wobei, wie aus der gestrichelten Linie 134 ersichtlich, die Wellenberge in.
einer Linie und dementsprechend, wie durch die gestrichelte Linie 136 angegeben,
auch die Wellentäler in einer Linie liegen. Jede der Scheiben 13ö ist mit mehreren
Löchern 138 versehen, wobei die Löcher in benachbarten Scheiben derart ausgerichtet
sind, daß durch die Mitte einer jeden Reihe oder Gruppe von Löchern ein Draht i4o
laufen kann. Die Scheiben 130 sind durch Streifen 132 elektrisch miteinander
zur Kathode verbunden, während die Drähte i4o ebenfalls miteinander verbunden sind
und die Anode des Gerätes bilden. Zweckmäßig werden die Platten 13o derart angebracht,
daß der untere Teil der einen Platte niedriger liegt als der obere Teil der Barunterliegenden
Platte und, wie aus Fig. i2 ersichtlich ist, wäre es einem Gammastrahl 142 praktisch
unmöglich, zwischen der Plattengruppe hindurchzugehen, ohne in eine oder mehrere
der Platten einzudringen. Wie bei Fig. io bereits erklärt wurde, sind die Scheiben
13o dünn genug, daß Elektronen in das umgebende Gas abgeschleudert werden können,
und zahlreich genug, um der Bahn der Gammastrahlen eine ziemlich große Metallmenge
zu bieten.
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Fig. 13 und 14 zeigen eine andere Ausführungsform, bei der die Kathodenplatten
als Ringe 144 ausgebildet sind, die, wie in Fig. 13 gezeigt, ringförmig gewellt
sind; die Platten sind so angeordnet, daß ein Gammastrahl die Plattengruppe nicht
passieren kann, ohne in eine oder mehrere Platten einzudringen. Jeder Ring ist mit
mehreren Löchern
146 versehen, die in einer Reihe angeordnet sind,
so daß durch die Mitte jeder Reihe oder Gruppe von Löchern Drähte 148 gezogen werden
#können, die wie bei 15o miteinander verbünden sind und die Anode des Gerätes bilden,
und die Kathodenplatten sind etwa durch Schrauben oder Bolzen 152 so miteinander
verbunden, daß sie die Kathode des Gerätes bilden. Dadurch, daß man den `aus dünnem
Metall bestehenden Platten oder Ringen die gewellte Form gibt, werden sie beträchtlich
verstärkt und, wie bereits oben ausgeführt wurde, müßte bei dieser Anordnung ein
Gammastrahl in einen oder mehrere Ringe eindringen, wenn er eine solche Gruppe passieren
will.
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Die in den Fig. 13 und 14 gezeigte Ausführungsform eignet sich hervorragend
für gewisse Zwecke, bei denen man einen Zugang zum inneren Teil des Gerätes haben
will. So könnte das Gehäuse für das in Fig. 13 gezeigte .Gerät ringförmig sein,
so daß durch die gesamte Plattengruppe eine zentrale Öffnung läuft. Eine Kernprobe
könnte dann in diese Öffnung gebracht werden, um so die Strahlungsmenge in der Probe
zu bestimmen, oder man könnte eine Flüssigkeits- oder Gasmenge durch die zentrale
Öffnung fließen lassen, wobei das Gerät dann dazu - dient, die Strahlungsmenge aus
der Flüssigkeit oder dem Gas festzustellen.
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Bei allen in den Fig. 2 bis 14 gezeigten Ausführungsformen der Erfindung
ist der Übersichtlichkeit halber das Gehäuse nicht dargestellt. Die Kathoden- und
Anodenelemente können in einer geeigneten Metall- oder Glashülle untergebracht sein,
wie es in Fig. 1 dargestellt ist, und die Hülle -ist mit einem geeigneten Gas, wie
z. B. Argon, unter einem bestimmten Druck gefüllt. Andererseits ist es gewöhnlich
vorteilhaft, ein'Gemisch von wasserfreiem Ammoniak mit einem Edelgas wie Argon,
Neon und/oder Krypton zu verwenden.
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Es sind bereits Zählrohre verwendet worden, die eine Füllung von Argon
und Petroläther enthielten. Mit dieser Füllung sind zufriedenstellende Ergebnisse
erzielt worden, doch hat es sich herausgestellt, daß die Lebensdauer dieser- Zählrohre
etwas begrenzt ist. Es ist dies wohl auf eine Veränderung in dem Gas unter den elektrischen
Entladungen des Zählrohres zurückzuführen. Eine solche Veränderung kann entweder
durch die Bildung freien Kohlenstoffes oder durch Auf- oder Abbau der Kohlenwasserstoffmoleküle
verursacht werden. Bei bestimmten Prüfungen hat sich herausgestellt, daß die Lebensdauer
dieser Zählrohre bei Verwendung mit Löschkreisen vom Nehertyp zwischen 5o bis 8oo
Stunden bei einer Zählhäufigkeit von etwa looo pro Sekunde schwankte. Ferner nahmen
die Anfangsspannungen bei diesen Zählwerken während ihrer Lebensdauer um 5o bis
Zoo Volt zu.
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Versuche haben gezeigt, daß da, wo die Zählgeräte der beschriebenen
Art mit technisch reinem Argon, Neon oder Krypton mit einem Gehalt von o,r bis io%
an wasserfreiem Ammoniak gefüllt sind, die Lebensdauer praktisch unbegrenzt-ist;
es ist dies wohl darauf zurückzuführen, daß bei den elektrischen Entladungen die
Ammoniakmoleküle in Stickstoff und Wasserstoff gespalten werden. Diese letzteren
können sich dann wieder zu Ammoniak vereinigen; und- es ist daher zu erwarten, daß
ein Gleichgewichtszustand von Stickstoff, Ammoniak und Wasserstoff erreicht wird,
so daß keine anderen Moleküle entstehen können. Bei einem mit einem Gas wie Argon,
Neon oder Krypton und wasserfreiem Ammoniak gefüllten Zählrohr sind zwei veränderliche-
Größen zu berücksichtigen, nämlich der Gesamtgasdruck und der in dem Gemisch enthaltene
Prozentsatz an Ammoniak. Die Eigenschaften des Zählrohres, an denen Interesse besteht,
sind die Anfangsspannung, der horizontale Auslösebereich und die- Leistung. Es ist
gefunden worden, daß mit technisch reinem Argon, Neon oder Krypton und etwa 2 °/a
wasserfreiem Ammoniak gefüllte Zählrohre bei praktisch Atmosphärendruck nicht nur
eine praktisch unbegrenzte Lebensdauer haben, sondern auch zu horizontalen Auslösebereichen
führen, die praktisch genau so gut sind wie diejenigen, die man mit irgendeinem
anderen Gasgemisch erhält, und die eine Ausgangsspannung von etwa looo Volt besitzen,
und daß diese Zählrohre weiterhin eine ebenso hohe Leistung besitzen wie die mit
Argon und Petroläther gefüllten Zählröhre.
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Zur Bestimmung der Lebensdauer von einerseits mit Argon und Petröläther
und andererseits mit Argon und Ammoniak gefüllten Zählrohren wurde ein »konzentrierter«
Lebensdauerversuch durchgeführt. Die Zählrohre wurden unter eine Spannung gebracht,
die weit über das Ende des horizontalen Auslösebereiches hinausging, und unter solchen
Umständen gingen die Zähler in dauernde Entladung. Dieses Verfahren ist mit Argon
und Petroläther gefüllten Zählrohren schädlich, denn nachdem die ungewöhnlich hohe
Spannung nicht länger als 5 Minuten angewandt und dann auf den normalen Betriebswert
zurückgesetzt worden war, hatte das Zählrohr völlig seinen horizontalen Auslösebereich
verloren. Dasselbe Verfahren, bei mit technisch reinem Argon und wasserfreiem Ammoniak-
gefüllten Zählrohren angewendet, schadete jedoch überhaupt nicht. In einem Fall
wurde die abnorm hohe Spannung 2o Stunden lang auf dem Zählrohr gelassen, das die
ganze Zeit hindurch ununterbrochen Funken gab;` nachdem die Spannung auf ihren normalen
Betriebswert vermindert worden war, arbeitete das-Z4hlrohr ebenso gut wie vor der
Anwendung der :abnorm hohen Spannung. Dies zeigt, daß die vermutete Zersetzung des
Gases bei Füllung mit Argon und Ammoniak nicht eintritt.
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Fig. 15 ist eine Kurve, oder vielmehr eine Reihe von Kurven, die 'mit
einem besonderen Zählrohr erhalten wurden, Die Kurven zeigen die Beziehung zwischen
der Anfangsspannung und dem Gesamtdruck der Gasfüllung mit Ammoniak und Argon bei
einem Ammoniakgehalt von 1/2, 1, 2 und 40/0. Es ist daraus zu ersehen, daß das Anfangspotential
etwa linear mit dem Druck und die Kurvensteigung mit steigendem Ammoniakgehalt zunimmt.
Bei der Untersuchung der Breite des horizontalen Auslösebe-reiches für diese Mischungen
hat sich herausgestellt,
daß die besten Ergebnisse mit einem 98
% Argon und 2 %i Ammoniak enthaltenden Gemisch erhalten wurden. Aus Fig. 15 ist
zu ersehen, daß bei dieser Füllung ein Druck von 685 mm Quecksilber nötig war, wo
das Anfangspotential 95o Volt betrug.
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Vor der Füllung eines Zählrohres wird, zweckmäßig mittels eines geeigneten
Lösungsmittels, wie Tetrachlorkohlenstoff, alles Fett von den verschiedenen Teilen
entfernt. Das Zählrohr wird dann unter einhalb- bis mehrstündigem Erhitzen rauf
etwa ioo° luftleer gemacht. Während dieses Vorganges wird eingeschlossenes Gas aus
den verschiedenen Teilen entfernt. Durch wiederholtes Durchspülen des Zählrohres
mit Argon wird etwa zurückbleibendes anderes Gas verdünnt. Nach dem Erkalten wird
das -Zählrohr zweckmäßig nur mit wasserfreiem Ammoniak gefüllt, das 15 bis
30 Minuten lang in dem Zählrohr gelassen wird. Während dieser Zeit stellt
sich ein Gleichgewichtszustand zwischen dem Ammoniak und den Metalloberflächen ein.
Das Zählrohr wird dann wieder gasfrei gemacht; das Gasgemisch wird in der nachstehend
beschriebenen Weise eingeführt, und das Zählrohr wird verschlossen.
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Anfangsspannung, horizontaler Auslösebereich, Gasgemischdruck und
Ammoniakgehalt in dem Gemisch werden mit Bauart und Abmessungen des Zählrohres schwanken,
und für jede Bau- und Anwendungsart müssen die geeignetsten Werte gewählt werden.
Man kann z. B. eine verhältnismäßig kleinereAnfangsspannung dadurcherhalten, daßman
von dem horizontalen Auslösebereich etwas opfert.
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Argon ist zwar in der vorstehenden Beschreibung besonders erwähnt;
doch haben Versuche erwiesen, daß auch Neon oder Krypton im Gemisch mit wasserfreiem
Ammoniak ebenso gut wie Argon für Füllungen verwendet werden können, mit denen ein
Zählrohr einen genügend flachen Auslösebereich über einen rausreichenden Spannungsbereich
zeigt.
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Im Hinblick auf die ziemlich hohen Kosten einiger der Edelgase hat
sich eine bestimmte Anordnung zum Mischen der Gase und zur Füllung des Zählrohres
bewährt. Fig. 16 ist eine schematische Darstellung dieses Systems, das ganz aus
Pyrexglas hergestellt ist. Es besteht aus einer waagerechten Hauptleitung 8o, an
die mit Sperrhähnen angeschlossen sind: der Edelgasbehälter 82, ein Ammoniakbehälter
84, ein Vorratsbehälter 86, ein Quecksilbermanometer 88, eine Quecksilberpumpe 9o
und eine Vakuumpumpe mit einem Kühlende 92. Die Edelgase sind in Pyrexflaschen mit
doppeltem Verschluß erhältlich. Die Außenrohrleitung dieses Verschlusses wird zunächst
mit dem Glassystem verbunden. Dann wird der zu einer feinen Spitze angezogene innere
Verschluß dadurch abgebrochen, daß man eine Stahlkugel auf die Spitze fallen läßt.
Man hebt diese Stahlkugel innerhalb des Rohres mit einem Magnet und läßt sie alsdann
auf die Spitze fallen.
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Der Behälter für den Ammoniak wird zunächst luftleer gemacht; dann
wird er durch die Einlaßöffnung 94 aus einer im Handel erhältlichen, j wasserfreien
Ammoniak enthaltenden Stahlflasche gefüllt. Der Ammoniakbehälter ist mit dem Füllsystem
durch zwei Sperrhähne 96 und 98 verbunden. Durch Öffnen des Sperrhahnes 96 wird
der kleine Raum zwischen den beiden Sperrhähnen mit Ammoniak gefüllt. Dann wird
der Sperrhahn 96 geschlossen und der andere Sperrhahn 98 geöffnet, und die kleine
Ammoniakmenge wird in die Füllvorrichtung eingelassen. So können kleine Mengen Ammoniak
leicht eingeführt werden. Der Vorratsbehälter ist zur Lagerung der Ammoniak-Edelgas-Gemische
bestimmt.
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Die Quecksilberpumpe 9o besteht aus zwei Glasbehältern ioo und rot,
die durch Gummischlauch verbunden sind. Der ortsfeste Behälter ioo ist durch einen
Sperrhahn 10q. mit der Füllvorrichtung verbunden. Der andere Behälter rot kann frei
auf und ab bewegt werden; das Quecksilber kann daher von einem in den anderen Behälter
übertragen und diese Anordnung als Pumpe.verwendet werden.
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Zum Mischen der Gase- Lind Füllen eines Zählrohres wird zunächst die
ganze Vorrichtung evakuiert. Dann wird bei abgesperrtem Vorratsbehälter. 86, und
während das Quecksilber in der Pumpe das feststehende Gefäß ioo völlig ausfüllt,
Gas aus dem Reingaszufuhrgefäß 82 bis zu einem Druck zugelassen, der am Manometer
88 abgelesen werden kann. Dann wird Ammoniak eingeleitet, dessen Menge an dem Druckanstieg
gemessen werden kann. Der nächste Schritt ist das gründliche Mischen des Ammoniaks
mit dem reinen Gas; es geschieht dies dadurch, daß man die Gase in das feststehende
Gefäß ioo durch Senkung des Glaskolbens zog einsaugt. Das Gasgemisch in dem Gefäß
wird dann in die Glasapparatur durch Heben des beweglichen Glaskolbens io2 zurückgepreßt.
Dieser Vorgang wird mehrere Male wiederholt, wodurch die Gase durch die Apparatur
hin und her bewegt werden und innerhalb ziemlich kurzer Zeit ein homogenes Gemisch
entsteht. Ohne diese Maßnahme würden sich die Gase nur durch Diffusion mischen,
und dies nähme einige Stunden in Anspruch. Nachdem die Gase miteinander gemischt
sind, wird das Ventil io6 geöffnet und das Zählrohr gefüllt.
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Ein geeigneter Frequenzvervielfacher-Stromkreis dient als Vorverstärker.
Die Stromstöße aus dem Zählrohr gehen durch einen Verstärker 16; dann werden sie
mit einem elektrischen Zähler registriert, und die Zeit wird mit einer Stoppuhr
beobachtet. Für alle Messungen wurde die Zeit für i6oo Zählungen beobachtet,- und
daraus wird die Zählgeschwindigkeit pro Sekunde abgeleitet. Die Fehlergrenze für
i6oo ist ± 40 oder ± 2,5 %. Die Durchschnittszählgeschwindigkeiten haben daher eine
Fehlergrenze von
Zählungen pro Sekunde.
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Eine etwa 6 Mikrogramm Radium enthaltende Radiumquelle wurde in einer
konstanten Entfernung von io,5 cm von der Achse des Zählrohres aufgestellt.
Die
Ergebnisse mehrerer Versuche sind auf den Kurvenbildern der Fig. 17 und i9 eingetragen.
Für mehrere Füllungen ist die Zählgeschwindigkeit in Zählungen pro Sekunde im Vergleich
mit der Spannurig angegeben.
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Zur Prüfung des Gerätes und zur Erzielung von Vergleichsdaten. wurden
zunächst Gemische von Argon und Ammoniak verwendet, und die Ergebnisse sind in Fig.
17 gezeigt. Die verschiedenen Kurven beziehen sich auf die Prozentsätze an Ammoniak,
wie sie über den Kurven angegeben sind. Über jeder Kurve ist ferner der Gesamtdruck
des Gemisches in cm Quecksilbersäule angegeben. Die Flachheit und Breite des horizontalen
Auslösebereiches nimmt mit steigendem Ammoniakgehalt zu, und zu gleicher Zeit erhöht
sich die Ausgangsspannung (die Ausgangsspannung ist der auf der Achse eingezeichnete
Punkt, d. h. bei 30 Zählungen pro Sekunde). Die 41/o-Kurve wurde wiederholt,
nachdem m-an das Zählrohr 24 Stunden lang stehen gelassen hatte. Es geschah dies
zur Prüfung des vorschriftsmäßigen Funktionierens des oben beschriebenen Mischverfahrens.
Die Kurve änderte sich, wie aus der punktierten Linie ersichtlich, nur sehr. wenig
gegenüber der unmittelbar nach der Füllung aufgetragenen.
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Die Ergebnisse für Krypton-Füllungen sind in Fig. 18 eingetragen,
die mit der Fig. 17 für Argon vergleichbar ist: Die horizontalen. Auslösebereiche
sind recht wesentlich, und ihre Qualität steigt mit steigenden Ammoniakmengen. Bei
gleichem Gesamtdruck und gleicher Ammoniakkonzentration ist die Ausgangsspannung
bei Krypton etwa i5o Volt höher als bei Argon. Zur Herabsetzung. der Ausgangs- und
der Betriebsspannung des Zählrohres müssen bei Krypton niedrigere Gesamtdrucke als
bei Argon angewendet werden. -Der Gesamtdruck wurde so' eingestellt, daß die Ausgangsspannung
unabhängig vom Ammoniakgehralt etwa 98o Volt beträgt.
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Die Ergebnisse für Neon-Füllungen sind in Fig. 19 angegeben, die Kurven
bei Drucken zeigt, die mit den bei Argon verwendeten vergleichbar sind. Die Ausgangsspannung
bei gleichem Druck und gleicher Ammoniakkonzentrationist bei Neon etwa igo Volt
niedriger als bei Argon.
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In der vorstehenden Beschreibung ist zwar ein Strahlungsanzeiger vom
Mehrplattenzählrohrtyp im einzelnen beschrieben. Eine Gasfüllung aus technisch reinem
Argon, Neon oder Krypton und wasserfreiem Ammoniak kann aber auch mit Vorteil bei
Strahlungsanzeigern anderer Typen verwendet . werden, z. B. bei dem im USA.-Patent
2 397 073 beschriebenen, -oder bei den gebräuchlicheren Typen, wie z. B.
dem Geiger-Müller-Zählrohr.