CH428010A - Verfahren und Vorrichtung zur Messung physikalischer Eigenschaften von Röntgenstrahlen und y-Strahlen - Google Patents

Description

  
 



  Verfahren und Vorrichtung zur Messung physikalischer
Eigenschaften von Röntgenstrahlen und   Strahlen   
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung physikalischer Eigenschaften von Röntgenstrahlen und   Strahlen    und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlen einem Halbleiterdetektor zugeführt werden, dann die sich dort bildende Rückstrahlung einer oder mehreren Auffangeinrichtungen zugeleitet werden und die Impulse am Halbleiterdetektor und an den Auffangeinrichtungen in einer Koinzidenzschaltung miteinander verglichen werden.



   Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung ist gekennzeichnet durch einen Kollimator zur Auswahl eines Strahlenbündels, einen Halbleiterdetektor zum Auffangen der Strahlung und eine oder mehrere die   Rückstrahlung    vom Halbleiterdetektor auffangende Einrichtungen, wobei die Auffangeinrichtungen und der Halbleiterdetektor über eine Koinzidenzschaltung mit einer Messeinrichtung verbunden sind. Das bevorzugte Anwendungsgebiet des   erfindungsgemässen    Verfahrens liegt auf dem Gebiete der Messung von Brennstoffelementen bei Kernreaktoren, Es ist dabei in äusserst vorteilhafter Weise möglich, eine solche zerstörungsfreie Messung von Brennstoffelementen durchzuführen. Die Messung erstreckt sich dabei auf verschiedene Abbrandzustände der Brennstoffelemente wie auch auf verschiedene Abbrandvorgänge.

   Es können so beim zerstörungsfrei untersuchten Brennelement nicht nur Rückschlüsse auf den Abbrandzustand im Zeitpunkt der Messung, sondern auch Rückschlüsse auf den bisher abgelaufenen Abbrandvorgang gezogen werden.



   Bei Kernanlagen, die zur technischen Energiegewinnung benutzt werden, ist es aus wirtschaftlichen Gründen wünschenswert, den Abbrandzustand von Brennstoffelementen in verschiedenen Zeitphasen möglich genau zu kennen. Eine derartige Kenntnis erlaubt eine optimale Programmierung der   Brenn-    stoffelemente im Reaktorcore und damit eine Erzielung von höheren Energieausbeuten. Überdies ist es im Zusammenhang mit Kontrollmassnahmen   gebo -    ten, eine messtechnische unabhängige Kontrollmöglichkeit der Angaben des Reaktorbetreibers zur Verfügung zu haben. Bei   Spaltprozessen    in Kernbrennstoffen entstehen über hundert verschiedene radioaktive Isotope, die mehr oder weniger lange Halbwertszeiten und charakteristische   r-Energien    besitzen.

   Mit Hilfe von Ausführungsformen des Verfahrens der Erfindung können eine bestimmte Zahl von günstigen Spaltprodukten zur Beurteilung des Abbrandzustandes und der Abbrandgeschichte herangezogen werden. Es ist hiefür nur erforderlich,   durch y -spektroskopische    Methoden eine Auflösung der   y -Energien    der in Frage   kommenden    Spaltprodukte zu erreichen. Ist das gelungen, genügt ein Vergleich der relativen Intensitäten der gemessen y Linien, da ja aus der   Spaltausbeute    und der Betriebs- und Wartezeit des Reaktors voraus die Intensität der einzelnen y -Linien untereinander vorausgesagt werden kann. Umgekehrt gibt die Kenntnis der Intensität der verschiedenen Spaltprodukte die Möglichkeit des Rückschlusses auf den Reaktorbetriebsfall.

   Dieser kompliziertere Vorgang wird wohl nur vorwiegend für Kontrollzwecke Anwendung finden.



  Hingegen erlaubt die Messung einer einzigen Spaltproduktenlinie, wie etwa des langlebigen Cäsiums  
137, die Feststellung, wieviel Gesamtneutronendosis und damit Abbrand das Brennstoffelement ausgesetzt worden war. Schon diese Information allein ist für die Programmierung des-Brennstoffes von technischwirtschaftlich grosser Bedeutung. Bislang konnten ähnliche Informationen nur durch Zerstörung des Brennstoffelementes und radio-chemische Analyse   gewonnen werden; ein ; Verfahren, das wegen der    äusserst hohen Aktivitäten, die dabei auftreten, äusserst umständlich und auch kostspielig sowie ungenau ist Prinzipiell ist der Erfindungsgedanke auf feste, flüssige und auch gasförmige Substanzen anwendbar.



   Die Ausführungsformen des Verfahrens gemäss der Erfindung stützen sich im wesentlichen auf den bei Röntgenstrahlen   bzw. y -Strahlen    auftretenden Comptoneffekt bzw. auf den Paarbildungseffekt.



   In der Zeichnung sind erfindungsgemässe Vorrichtungen für die Durchführung von Ausführungsformen des Verfahrens der Erfindung beispielsweise dargestellt.



   Die Fig. 1 und 2 zeigen schematisch den Aufbau der erfindungsgemässen Einrichtung für verschiedene physikalische Messungen. Fig.   3    veranschaulicht eine Anordnung zur Messung der energetischen Zusammensetzung der Strahlung. Die Fig. 4 und 5 lassen in einander zugeordneten Rissen den Halbleiterdetektor erkennen. Fig. 6 zeigt die verwendete elektrische Schaltung. In den Fig. 7 und 8 sind Diagramme dargestellt, anhand derer die Wirkungsweise des Gegenstandes der Erfindung einfach erklärt werden kann.



  Fig. 9 veranschaulicht ein besonderes Anwendungsbeispiel, teilweise im Schnitt. Fig. 10- stellt eine diesbezügliche Einzelheit in vergrössertem Massstab dar.



   Aus den Fig. - 1 und 2 ersieht man, dass die von einer Strahlungsquelle 14 kommende Strahlung vorerst zur Auswahl eines Strahlenbündels 2 durch einen Kollimator 1 hindurchgeht.



   Die Strahlung 2 trifft dann auf einen Halbleiterdetektor 3. Durch diese auf den Halbleiterdetektor 3 auftreffende Strahlung wird gemäss dem Comptoneffekt ein Teil der Energie an ein Elektron weitergegeben, während der andere Teil der Energie in Form von Strahlung 4 reflektiert wird. Diese Rückstrahlung 4 gelangt dann zu einer Auffangeinrichtung 5 in Form eines Kristalles, vorzugsweise wird ein   NaJ-Kristall    verwendet Wie man aus Fig. 1 ersieht, ist die   Rückstrahlungsrichtung    der reflektierten Strahlung 4 mit Bezug zur ankommenden Strahlung 2 etwa um 1800 verschwenkt, da bei diesem Winkel der rückgestrahlte Energiebetrag nahezu konstant bleibt.

   Die in den Elementen 3 und 5 durch die Strahlungen erzeugten Impulse werden   m    einer Koinzidenzschaltung besonders zusammenwirken gelassen, so dass sich dann auf einer Messeinrichtung 7 das gesuchte Resultat ergibt
Fig. 2 zeigt praktisch die gleichen Verhältnisse.



  Abweichend beträgt hier aber der Winkel zwischen der reflektierten Strahlung 4 und der   einkommenden    Strahlung 2 etwa 900; diese   Schaltung-findet    zur Messung der linearen   Polarisation-Verwendung.    Dabei werden in erster Linie die Zählraten in Abhängigkeit von einer Rotation um die Achse der einfallenden Strahlung (zum   Beispiel y -Strahlung)    gemessen.



   In allen diesen Fällen wird jeweils durch die Verwendung des   Haibleiterdetektors    eine hohe Energieauflösung erreicht. Fig. 3 gibt den wesentlichen Messteil der Fig. 1 vergrössert wieder. Hier sind, wie man sieht, mehrere Auffangeinrichtungen 5 vorgesehen.



  Fernerhin sieht man, dass die Strahlung 2 nahe der positiven Elektrode des   Halbleiterdetektors    3 eingebracht wird.



   Ebenfalls vergrössert zeigen die Fig. 4 und 5 den Halbleiterdetektor 3 im Schnitt. Der Detektor ist in einem Bronzegehäuse 8 vorgesehen, das ein   Alu-    miniumfenster 9 aufweist, damit die Strahlung durchtreten kann. Das Gehäuse 8 ist dabei mit einem inerten Gas gefüllt, zum Beispiel getrocknetem Stickstoff. Der Halbleiterdetektor 3 wird gekühlt, vorzugsweise durch einen Kupfersockel, der in flüssige Luft getaucht ist. Eine Kühlung äquivalenter Mittel z.B. unter Verwendung des Peltier-Effektes ist ebenfalls denkbar. Die Kühlung hält den Störpegel dieses Detektors auf einem Mindestmass. Hinsichtlich verschiedener Konstruktionen derartiger Halbleiterde  telctors    3 wird nochmals auf Fig. 3 zurückgegriffen.



  Dort ist das Gehäuse 10 aus     Plexiglas)      [Methacryl-    glas] gefertigt, das ein    Mylar -Fenster    [d.h. ein Fenster aus einem Polyesterfilm3 besitzt. Im Gehäuse zirkuliert hier getrocknete Luft zwischen dem    Plexi-      glas  -gehäuse    und und dem innenliegenden Gehäuse   8    aus Bronze. Es wird dadurch jedwede Feuchtigkeitskondensation verhindert.



   Fig. 6 zeigt das Schaltbild, wo die Beschriftung dieser Fig. für sich spricht.



   Die Fig. 7 und 8 betreffen besondere Ausführungsbeispiele der Erfindung. Fig. 7 veranschaulicht ein Cobalt-60 Spektrum, wie es   direkt, von    einem Halbleiter erhalten wird. Man sieht, dass die Impulsspitzen in einem verhältnismässig hohen Untergrund versteckt sind. Im Gegensatz dazu lässt Fig. 8 eine Aufnahme erkennen, bei der eine Koinzidenzschaltung Verwendung findet.



   Fig 9 veranschaulicht eine Einrichtung mit der das erfindungsgemässe Verfahren zur Messung von   Brennstofielementen    bei Kernreaktoren Verwendung findet. Die Messeinrichtung (in der Fig. links stehend) liegt ausserhalb des Reaktortanks 21. Die Messvorrichtung ist beweglich angeordnet. Die Brennstoffelemente 22 liegen innerhalb des Tanks. Anschliessend an das Brennstoffelement 22 ist ein erster Kollimatorteil 23 vorgesehen, dann folgt bereits ausserhalb des Tanks ein zweiter Kollimatorteil 24, der in einer Abschirmung 25 vor dem Tank liegt. Endlich gelangt man zu einem dritten Kollimatorteil 26 aus  serhalb    dieser Abschirmung.

   Eine vom Brennstoffelement ausgehende Strahlung wird dann in der oben beschriebenen Weise zum Halbleiterdetektor 3 geführt und von dort (nicht dargestellt) weiterhin so gemessen, wie dies oben auseinandergesetzt ist. In Fig. 9 sieht man deutlich die Kühlung des Halbleiter  detektors 3 durch Eintauchen eines Kupferstabes 29 in ein Gefäss 30 mit flüssiger Luft. Um das von der Messeinrichtung bestrichene Gebiet in Umgebung der Brennstoffelemente 22 von Störungen freizuhalten, wird bei 27 Gas bzw. Luft eingeblasen. Im vorliegenden Fall erfolgt die Einblasung aus einem Lufttank 31, das Brennstoffelement 22 ist von Wasser umgeben. Um weiterhin Störungen nach Möglichkeit auszuschalten, ist der Abstand 28 zum Brennstoffelement 22 und dem ersten Kollimatorteil 23 klein gehalten.

   Die wesentlichen konstruktiven Teile dieser Messeinrichtung sind verstellbar und feststellbar vorgesehen, um allen denkbaren Gegebenheiten genügen zu können.



   Endlich zeigt Fig. 10 wiederum vergrössert die wesentliche Einrichtung zur Durchführung dieser Messung. Dieselben Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, so dass sich hier eine nochmalige Erklärung erübrigt.



   Die Erfindung ist auf die dargestellten Ausführungsformen nicht beschränkt. Grundsätzlich wird der Halbleiterdetektor dort verwendet, wo eine hereinkommende Strahlung, insbesondere y -Strahlung auf seine energetische Zusammensetzung analysiert werden soll. Dabei kann die Messung nicht nur auf dem Comptoneffekt, sondern auch auf dem Paarbil  dungseffekt    fussen. Biem Spektrometer wird die energetische Zusammensetzung ermittelt, beim Polarimeter primär die Polarisation   des y -Strahles.   



  Grundsätzlich kommen alle möglichen Winkel von einkommender und reflektierter Strahlung in Frage, wobei verschiedene Empfindlichkeiten Funktionen dieser Winkel sind. Besonders wird noch darauf hingewiesen, dass die technische Anwendung hauptsächlich auf dem Gebiet der zerstörungsfreien Abbrandmessung von Kernbrennstoffen gegeben ist. In diesem Fall liegt ein sehr kompliziertes Spektrum vor und die geeignete Cäsium   137 y -Linie    kann gegenwärtig nur in diesem Spektrum gemessen werden.   

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE I. Verfahren zur Messung der physikalischen Eigenschaften von Röntgenstrahlen und y -Strahlen, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlen einem Halbleiterdetektor zugeführt werden, dann die sich dort bildende Rückstrahlung einer oder mehrerer Auffangeinrichtungen zugeleitet werden und die Impulse am Halbleiterdetektor und an den Auffangeinrichtungen in einer Koinzidenzschaltung miteinander verglichen werden.

   II. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Kollimator (1) zur Auswahl eines Strahlenbündels (2), einen Halbleiterdetektor (3) zum Auffangen der Strahlung und eine oder mehrere die Rückstrahlung (4) vom Halbleiterdetektor auffangende Einrichtungen (5) umfasst, wobei die Auffangeinrichtungen und der Halbleiterdetektor über eine Koinzidenzschaltung (6) mit einer Messeinrichtung (7) verbunden sind.

   III. Anwendung des Verfahrens nach Patentanspruch I zur Messung der Strahlung von Spaltprodukten von Brennstoffelementen bei Kernreaktoren.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung nahe der positiven Elektrode des Halbleiterdetektors eingebracht wird.

   2. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass die die Rückstrahlung (4) auffangenden Einrichtungen (5) Kristalle, insbesondere Nal-Kristalle umfassen.

   3. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass die die Rückstrahlung (4) auffangenden Einrichtungen (5) Halbleitervorrichtungen umfassen (Fig. 4, 5).

   4. Vorrichtung nach Patentanspruch II und Unteransprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung der energetischen Zusammensetzung der Strahlung die Auffangeinrichtungen (5) unter einem Winkel von mindestens angenähert 1800 zum Halbleiterdetektor (3) angeordnet sind (Fig. 1, 3).

   5. Vorrichtung nach Patentanspruch II und Unteransprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung der linearen Polarisation der Winkel zwischen den Auffangeinrichtungen (5) und dem Halbleiterdetektor (3) praktisch 900 beträgt (Fig. 2).

   6. Vorrichtung nach Patentanspruch II und Unteransprüchen 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterdetektor (3) von einem oder mehreren Gehäusen umgeben ist, die Fenster aufweisen (Fig.

   3,4,5).

   7. Vorrichtung nach Unteranspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuse (8) aus Bronze mit einem Aluminiumfenster (9) vorgesehen ist, wobei das Gehäuse mit einem inerten Gas gefüllt ist.

   8. Vorrichtung nach Unteranspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuse (10) aus Methacrylglas mit einem Fenster aus einem Polyesterfilm Verwendung findet, wobei im Gehäuse getrocknete Luft zirkuliert (Fig. 3).

   9. Vorrichtung nach den Unteransprüchen 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterdetektor (3) gekühlt ist, vorzugsweise durch einen Kupfersockel, der in flüssige Luft getaucht ist.

   10. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass als Halbleiter (11) ein mit Lithium versetztes Silizium verwendet ist (Fig. 4, 5).

   11. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass die Auffangeinrichtung in der Einstrahlungsachse liegt und für die einkommende Strahlung eine abgeschirmte Durchtrittsöffnung aufweist.

   12. Anwendung nach Patentanspruch m, dadurch gekennzeichnet, dass die y -Strahlungsintensitäten von Spaltprodukten verschiedener Halbwertszeiten bestimmt und diese Intensitäten miteinander verglichen werden, woraus der zeitliche Abbrandverlauf inner halb des gemessenen Rrennstoffeiementes ermittelt wird.

   13. Anwendung nach Patentanspruch m und Unteranspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass die Y -Strahlungsintensitäten von im Vergleich zur gesamten Reaktorbetriebszeit von einem oder mehreren langlebigen Spaltprodukten zur Messung herangezogen werden und dass daraus der gesamte Abbrand ermittelt wird.

   14. Anwendung nach Patentanspruch m und Unteranspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu einer oder mehreren verwendeten langlebigen Spaltprodukten auch eine in den Halbwertszeiten abgestufte Reihe anderer Spaltprodukte zur Messung herangezogen werden, und zusätzlich eine Feinstruktur der zeitlichen Abbrandgeschichte ermittelt wird.