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Vorrichtung und Verfahren zur mengenmässigen Ermittlung einer
Materialkomponente in einer Messprobe
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für welche die zu bestimmende Materialkomponente ein besonders hohes Streu- und Absorptionsvermö- gen (Resonanz) besitzt. i Als ein Beispiel und eine besonders wichtige Anwendung der beschriebenen Anordnung ist die Be- stimmung von Plutonium 239 in einem Kernbrennstoffelement anzusehen. Für diesen Fall kann man vorteilhaft die bevorzugten Absorptions- und Streueigenschaften von Plutonium für eine Neutronenener- gie von 0, 296 eV benutzen. Für diese Neutronenresonanzenergie des Plutoniums239lässtsichin vor- teilhafter Weise ein Filter aus den Materialien Samarium und Indium zusammenstellen.
Eine Kombi- nation dieser beiden Materialien in geeigneter Dicke in einen Neutronenstrahl kontinuierlicher Ener- gieverteilung gebracht, lässt einen Energiebereich von Neutronen in der Umgebung der Plutonium-Re- sonanz bevorzugt passieren.
Die durch die beschriebene Messung festgestellte Durchlässigkeit der zu messenden Probe --4-- wird einerseits durch das starke Absorptions- und Streuvermögen der zu bestimmenden Materialkompo- nente in dem ausgewählten Bereich an Neutronenenergie bestimmt, anderseits tragen aber auch die an- derseits tragen aber auch die andern Materialkomponenten der Probe --4--, welche mengenmässig stark dominieren können, zur Absorption und Streuung von Neutronen in der genannten Probe bei. Um diesen
Beitrag zur gemessenen Transmission zu ermitteln, ist ein zweiter Messvorgang erforderlich. Für diesen wird eine Anordnung verwendet, welche bis auf folgende Punkte mit Fig. l übereinstimmt :
1.
Neutronenquelle-l-muss so konstruiert sein, dass die in den Kollimator-2-- eintretenden
Neutronen sehr überwiegend einer thermischen Energieverteilung der Neutronen entsprechend, d. h. ty- pischerweise bei Zimmtertemperatur ein Intensitätsmaximum bei 0,025 eV besitzen.
2. Das Filter-S-entfällt.
Die Messung wird im übrigen genau so wie die oben beschriebene Messung durchgeführt, d. h., es wird die Transmission der Probe für thermische Neutronen bestimmt. Dieser Transmissionswert der Probe bei thermischen Energien erlaubtes, die Transmissionsmessung bei der für die zu bestimmende Material- komponente charakteristischen Neutronenenergie so zu korrigieren, dass eine exakte Bestimmung der
Transmission mit Bezug auf die zu bestimmende Materialkomponente allein möglich wäre.
In einer abgeänderten Ausführungsform kann eine Anordnung nach Fig. 2 Verwendung finden.
In Fig. 2 stellt das Rohr-11-die evakuierte Stahlröhre eines Teilchenbeschleunigers dar, durch die z. B. Protonen oder Deuteronen auf ein Target --12-- geschossen werden. Dieses System stellt einen
Teil einer bekannten Anlage zur Produktion von Neutronenstrahlung dar. Dabei ist es möglich, durch eine zeitlich intermittierende Bestrahlung des Targets --12-- auch eine zeitlich gepulste Erzeugung von Neutronen an demselben Target zu erzielen. Diese mit hoher Energie erzeugten Neutronen werden in der Moderatorhohlkugel--13--, die um das Target angeordnet ist, verlangsamt. Die Moderatorhohl- kugel besteht vorteilhafterweise aus einem Festkörper, der zu einem hohen Prozentsatz Wasserstoff ent- hält.
Die von der Moderatorkugel austretenden Neutronen werden durch den Kollimator-] 4-gebün- delt und treffen auf die Messprobe-15-. Diese ist mit der in Fig. 1 gekennzeichneten Messprobe-4- identisch und enthält die zu bestimmende Materialkomponente. Der Kollimator --16-- hält die in der Messprobe --15-- gestreuten Neutronen von dem Detektor --17-- ab, so dass bevorzugt nur jene Neu- tronen den Detektor erreichen, welche die Messprobe --15-- durchsetzt haben. Die Messeinheit -- J 8-- registriert die im Detektor --17-- nachgewiesenen Neutronen.
Die Tatsache, dass die Neutronen am Target-12-- in kurzen Zeitintervallen (typisch : Impulslänge
1 psec, Impulsabstand] m/sec) gebildet werden und auch der Verlangsamungsprozess in dem Moderator - eine mit 1 psec vergleichbare Zeitspanne benötigt, bewirkt, dass von der Moderatorkugel Neu- tronenimpulse ausgesendet werden, welche eine breite Energieverteilung besitzen. Die Zeit, welche die Neutronen von der Moderatorkugel-12-- bis zum Detektor --17-- benötigen, ist ein Mass für ihre
Geschwindigkeit und damit Energie.
Die Messung der Transmission der Probe --15-- kann nun in vor- teilhafter Weise wie folgt durchgeführt werden :
Ein Zeitstartimpuls wird entweder vom Beschleunigersystem selbst elektrisch abgenommen oder durch ein in der unmittelbaren Umgebung der Moderatorkugel angebrachtes Neutronen-Detektorsystem - erzeugt. Mit dieser Zeitmarkierung wird eine Zeitmessung eingeschaltet, z. B. eine elektronische Uhr-20-. Diese bewirkt, dass die Messsignale des Detektors --17-- nur in bestimmten Zeitabständen von dem Zeitmesssignal des Detektors --19-- die Registriereinheit --18-- erreichen können.
Die Einheit --21-- kann z. B. in Form eines elektronischen Impuls-Tores in bekannter Weise ausgeführt sein. Ebenfalls ist es möglich, den Detektor :) 7- auf elektrischem Wege nur innerhalb der gewünsch-
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ten Zeitintervalle zu aktivieren. In diesem Falle würde die Einheit --21-- entfallen und statt dessen eine Einheit --22--, die den Detektor mit Spannung versorgt, gesteuert werden. Die Wahl des Zeitabstandes zwischen dem Startimpuls der Einheit --19-- und der tatsächlichen Registrierung der Neutronen im Detektor --17-- besimmt den Energiebereich der Neutronen, welche tatsächlich zur Registrierung gelangen.
Vorteilhafterweise werden zwei Energieintervalle der Neutronen durch die Einstellung der Zeitmesseinheit-20-ausgewählt : I. Neutronen jener Energie, welche von der zu bestimmenden Materialkomponente in der Probe -] bevorzugte gestreut und absorbiert werden.
2. Neutronen thermischer Energie.
Die Messung kann nunmehr in folgender Weise durchgeführt werden. Zuerst wird ohne Vorhandensein der Probe --15-- die Anzahl der im Detektor --17-- festgestellten Neutronen der ausgewählten Resonanzenergie innerhalb einer bestimmten Zeit gemessen. Dabei erfolgt die Messung gesteuert durch die Zeiteinheit --20-- für jeden Neutronenimpuls in einem der gewünschten Neutronenenergie entsprechenden kurzen Zeitintervall nach dem Auftreten der Neutronen an der Quelle --13--. Hierauf wird die Probe--1. 5-- in den Gang des Neutronenstrahles gebracht und für dieselbe Zeit die Anzahl der Neutronen registriert. Das heisst, es wird die Transmission der Probe --15-- für Neutronen der ausgewählten Resonanzenergie ebenso wie in Anordnung 1 bestimmt.
Die Messung für thermische Neutronen, welche in gleicher Weise wie bei der erstbeschriebenen Anordnung zum Zwecke der Korrektur erforderlich ist, wird durch eine andere Einstellung der Zeitmess- einheit --20-- durchgeführt. Diese entspricht nunmehr der Flugzeit thermischer Neutronen von der Quelle --13-- zum Detektor --17--. Auf diese Weise erlaubt die in Fig. 2 dargestellte Anlage die Messung der Transmission der Probe --15-- für die charakteristische Resonanzenergie und die Messung der Transmission für thermische Neutronenenergie ebenso wie die in Fig. l beschriebene Anordnung. Im De-
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der thermischen Neutronen 100 ilsec lang sein, wenn der gesamte Flugweg zwischen Moderator-13- und Detektor --17-- zwischen 1/2 und] m liegt.
Ferner ist es natürlich möglich, für jeden die Moderatorkugel --13-- verlassenden Neutronenimpuls sowohl die Resonanz-Neutronen und etwas später die thermischen Neutronen in der Detektor- und Registriereinheit zu speichern. In diesem Fall muss eine Umschaltung zwischen zwei Registriereinheiten, welche die Einheit-18-- ersetzen, vorgenommen werden.
Die in Fig. 2 beschriebene Messanordnung, welche die Neutronenenergie durch eine Flugzeitmessung festlegt, kann prinzipiell auch bei einer kontinuierlichen Neutronenquelle, wie z. B. einem Reaktor, Anwendung finden. In diesem Falle würde der Neutronengenerator --11-- mit Target --12-- und Modera torkugel --13-- ersetzt werden durch die kontinuierliche Neutronenquelle (z. B. Reaktor) und einen Neutronenstrahl-Unterbrecher, der in bekannter Weise konstruiert werden kann. Im übrigen kann die in Fig. 2 beschriebene Anordnung Anwendung finden.
Die Erfindung kann insbesondere dazu verwendet werden, in bestrahlten oder unbestrahlten Kernbrennelementen oder Teilen von solchen den Gehalt an spaltfähigen Materialien einzeln festzustellen.
So besitzen U-235, U-233 und Pu-239 als wichtigste Spaltmaterialien jeweils ausgeprägte Resonanzen und durch Auswahl des Neutronenenergiewertes bei der Messung kann der betreffende Gehalt an diesen Isotopen nebeneinander ermittelt werden. Dabei findet keine Zerstörung der Messprobe statt.
PATENTANSPRÜCHE : ]. Vorrichtung zur mengenmässigen Ermittlung einer Materialkomponente in einer Messprobe, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang (3,6) einer Neutronenquelle (1) die Messprobe (4) angeordnet ist, hinter der zur Messung der durchtretenden Neutronen ein Detektor (8) vorgesehen ist.