DD252920B3 - Alpha-kammer zur messung der radonaktivitaet - Google Patents

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine α-Meßkammer, die zur Bestimmung der Radon-Aktivität bei verminderter Wirksamkeit der Nachfolgenuklide anwendbar ist.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Zum schnellen und empfindlichen Nachweis des radioaktiven Edelgases Radon (Rn) in einem Gasgemisch (meist Luft) werden geschlossene Gefäße benutzt, an deren Innenwandung Detektoren zum Nachweis von α-Teilchen, die bei der Radon-Umwandlung abgestrahlt werden, angebracht sind. Einige der bei der Radon-Umwandlung entstehenden Nachfolgenuklide geben bei ihrer eigenen Umwandlung ebenfalls α-Teilchen ab. Der Teilchenfluß der Nachfolger addiert sich zum Teilchenfluß des Radons, so daß z. B. beim ²IeRn nach etwa zwei Stunden fast die dreifache a-Teilchendichte, bezogen auf das ²URn ohne Nachfolger, vorhanden ist. Im Gegensatz zum Radon, welches Edelgascharakter hat und keine chemischen Bindungen eingeht, setzen sich die Nachfolgennuklide durch Anlagerung an Festkörperoberflächen, durch Implantation oder chemische Bindung an der inneren Kammerwand und an den α-Detektoren ab und verbleiben auch nach Entfernen des Radon-Gasgemisches in der Kammer. Die α-Aktivitäten der Nachfolgenuklide, die zeitlich stark veränderlich sind, werden mit großer Wahrscheinlichkeit nachgewiesen. Bei Folgemessungen von Gasgemischen mit unterschiedlichen Aktivitätskonzentrationen an Radon erschweren die Nachfolge-Aktivitäten des 1. Gases die Bestimmung der Radonkonzentration des 2. Gases. Im ungünstigen Fall kann das dazu führen, daß die Zahl der α-Teilchen aus dem Folgegas kleiner ist als die Zahl, die durch den statischen Fehler der Nachfolger-Zählraten aus dem Vorgängergas gegeben ist. In solchen Fällen ist die Messung des Folgegases fehlerhaft oder sogar unmöglich. Praktisch kommen solche Meßsituationen bei Langzeitmessungen der Radonaktivität aus der Bodenluft vor, wo sich die Radonkonzentration in kurzer Zeit um den Faktor 100 ändern kann. Bei der punktweisen Vermessung von Bodenluft zur flächenhaften geophysikalischen Erkundung ändern sich die Radonaktivitäten in noch höherem Maße in einer meist nicht vorhersehbaren Weise. Eine energiespektrometrische Trennung von α-Teilchen aus der Radon-Umwandlung von solchen aus der Umwandlung der Nachfolge-Nuklide ist in Gasgemischen nicht möglich, da ein Teil der Energie der α-Teilchen an das Trägergas (Ionisierung) abgegeben wird und im Detektor nur eine verminderte α-Energie wirksam wird, deren Größe von der Weglänge und dem Trägergasdruck im wesentlichen abhängt. Die Weglänge ist aber ganz unterschiedlich, da die Orte von α-Umwandlungen regellos im Kammerinneren verteilt sind.

Kommerziell werden deshalb Geräte gebaut, bei denen die Meßkammern ausgewechselt werden können. So ist das Emanometer, Modell 222 der kanadischen Firma Mc Phas Geophysics, Toronto, mit acht auswechselbaren Meßkammern ausgerüstet.

Nachteile dieser Technik sind: Zeitverluste, Verlust des Meßgases, unterschiedliche Empfindlichkeiten der Kammern, Kammerfenster zum SEV kann nicht ausgewechselt werden, so daß ggf. das Auswechseln wirkungslos ist. Bei kontinuierlichen Langzeitmessungen der Radonaktivität von Bodengasen ist die o.g. Technik nur mit fehlerbehafteten Korrekturen einsetzbar. Bereits seit 1900 ist bekannt, daß sich die Radon-Nachfolger aus der Atmosphäre an negativ geladenen Drähten (Sammlern) abscheiden, Elster, J. und Geitel, H., Phys.Z., 5 (1904), 11. Es sind auch Lösungen, z. B. US-PS 4.297.574, bekannt, bei denen die Nachfolger mittels eines elektrischen Feldes gesammelt werden, um daraus den Radongehalt von Luft zu bestimmen. In der US-PS 4.299.574 ist eine Vorrichtung zum Radon-Nachweis beschrieben, die eine Ag-aktivierte mit ZnS beschichtete Zelle aufweist.

Bei allen diesen Geräten werden die Radon-Nachfolger abgeschieden, und deren Aktivität wird bestimmt. Unter Beachtung der radioaktiven Gleichgewichtsstellung und der unterschiedlichen Zerfallskonstanten der Nuklide ist dabei die Aktivität proportional zur Radonaktivität.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine Radonmeßkammer zu schaffen, die eine Messung der Radonaktivität erlaubt und die durch Vermeidung bzw. starke Verminderung der Memory-Effekte, die durch die α-Aktivität von Nachfolgern entstehen, eine ausreichende Meßgenauigkeit bei schnellen Änderungen des Radongehaltes gewährleistet.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, eine Radonmeßkammer zu entwickeln, die gewährleistet, daß die Nachfolgenuklide durch elektrische Feldkräfte auf eine Elektrode abgesaugt werden und die α-Teilchen, die bei der Umwandlung der Nachfolger entstehen, den Detektor nicht erreichen können.

Die Aufgabe wird durch eine Alpha-Kammer zur Messung der Radonaktivität, wobei an der Innenwandung des Gehäuses Alpha-Detektoren angebracht sind, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im abgeschlossenen und evakuierbaren Innenraum rotationssymmetrisch zur Innenwandung eine Elektrode (E), die elektrisch isoliert vom Gehäuse (G) und mit einer elektrischen Spannung betreibbar ist, zur Ablagerung der Nachfolgenuklide der Radon-Umwandlung angeordnet ist, wobei der Abstand der Alpha-Detektoren zur Elektrode (E) größer ist als die Reichweite der energiereichsten Alpha-Teilchen aus der Umwandlung der Nachfolgenuklide.

Das Gehäuse der Kammer und die Elektrode können aus Metall oder aus elektrisch nichtleitendem Material bestehen, dessen Oberflächen mit geeigneten metallischen Belägen versehen sind. Als α-Detektoren sind szintillierende Schichten mit SEV oder Halbleiterdetektoren einsetzbar. Die Elektrode ist so elektrisch zu isolieren, daß sie zum Nachweis des bei der α-Umwandlung des Radons im Trägergas entstehenden lonenstroms geeignet ist.

Das zu messende Radongas wird mit dem Trägergas in die Meßkammer eingelassen. Die bei der Umwandlung der Radon-Nuklide entstehenden α-Teilchen werden mittels Halbleiterdetektoren oder Szintillatorschicht mit SEV als elektrische Impulse nachgewiesen und gezählt. Das bei der Radon-Umwandlung ebenfalls entstehende Nachfolge-Nuklid (Polonium) bleibt, nachdem es seine Bewegungsenergie an das Trägergas abgegeben hat, als positives lon in der Kammer.

Zwischen einer Elektrode und den inneren Kammerwänden herrscht ein elektrisches Potential, was ein elektrisches Feld aufbaut.

Ist die Elektrode negativ geladen, so wird das lon auf die Elektrodenoberfläche hin bewegt und lagert sich an der Oberfläche an.

Die elektrische Feldstärke ist so zu bemessen, daß möglichst viele Ionen der Nachfolger auf die Elektrode abgesaugt werden, Trägergase und das Radon aber nicht ionisiert werden. Die α-Detektoren zum Radon-Nachweis sind so anzuordnen, daß α-Teilchen aus der Umwandlung der auf der Elektrode abgelagerten Radon-Nachfolger die Detektoren nicht erreichen können und damit nicht registriert werden. Dies wird erreicht, indem man die Kammer z. B. mit Luft unter Normalbedingungen als Trägergas füllt und der Durchmesser einer zylindrischen Kammer so groß gemacht wird, daß der minimale Abstand zwischen den α-Detektoren und der Elektrode größer als die Reichweite der energiereichsten α-Teilchen im Trägergas ist.

Eine Ionenfalle um die Elektrode, bei der die bewegten Ionen durch magnetische Felder in einen Topf gesaugt und abgelagert werden, der einen Austritt von α-Teilchen zum α-Detektor hin verhindert, ist mit Permanentmagneten zu realisieren.

Ausführungsbeispiel

Eine rotationssymmetrisch, hier zylindrisch aufgebaute Radon-Meßkammer zeigt die Abbildung im Seiten- und Grundriß. Das Gehäuse G besteht aus Metall (V2-A-Stahl) ebenso wie die Elektrode E (Messing). Die Isolierteile I sind aus Hart-PVC, der Lichtleiter LL aus Piacryl gefertigt.

Die Energien der α-Teilchen von den Radon-Nachfolgern liegen unter 9MeV. Ihre maximale Reichweite in Normalluft beträgt 87 mm. Es wurde ein Abstand a = 100 mm zwischen zylindrischer Kammerwand und Elektrodenoberfläche realisiert. Mit diesem großen Abstand a ist gewährleistet, daß auch bei verringertem Luftdruck die α-Teilchen aus den Nachfolge-Umwandlungen den α-Detektor nicht erreichen können. Die Hähne zum Gaswechsel in der Kammer sind mit Lichtschutz versehen und an der Stirnseite S der Kammer angebracht. Der α-Detektor ist ein Leuchtstoff (ZnS:Ag), der an den inneren Mantelflächen M der Kammer aufgebracht ist. Die Beschichtung von M erfolgt in der Weise, daß eine Szintillator-Klebstoff-Lösungsmittel-Suspension hergestellt wird. Diese wird portionsweise auf die innere Mantelfläche M gegossen und durch Drehen der Kammer verteilt. Durch gravitatives Absetzen läßt sich beim Verdunsten des Lösungsmittels eine gleichmäßige, gut haftende Szintillatorschicht erzeugen, die praktisch kein Pb-210/Po-210 enthält.

Die axial angeordnete Elektrode E wird an der Stirnfläche S in einem Isolator I gehaltert, so daß beim Anlegen einer elektischen Spannung zwischen E und dem metallischen Kammermaterial ein elektrisches Feld aufgebaut wird, dessen Kraftlinien in erster Näherung radial verlaufen.

Die Feldstärke soll möglichst homogen sein -> Elektrode E mit möglichst großem Durchmesser soll so bemessen sein, daß eine Ionisierung der Kammergase bei dem jeweiligen Gasdruck in der Kammer mit Sicherheit vermieden wird. Wird ein Radon-Gasgemisch in die Kammer eingelassen, so verteilen sich alle nichtionisierten Gase auch bei angelegtem elektrischen Feld gleichmäßig in der Kammer. Bei der Radon-Umwandlung entsteht das positiv geladene α-Teilchen und das nach Wechselwirkung mit dem Trägergas ebenfalls positiv geladene Polonium-Ion. Auf beide, das α-Teilchen und auf das lon, wirken elektrische Feldkräfte. Während das α-Teilchen aber infolge seiner hohen Bewegungsenergie von diesen Kräften praktisch nicht beeinflußt wird und innerhalb der statistischen Richtungsverteilung den α-Detektor auf M erreichen kann, wird das lon nach dem Verlust seiner Rückstoßenergie auf die Elektrode E gezogen und lagert sich auf der Oberfläche von E ab. Die bei den Wechselwirkungsprozessen frei werdenden Ionen des Trägergases werden ebenfalls zur Elektrode E bzw. zum Gehäuse G bewegt und ergeben einen elektrischen Strom.

Die Stromimpulse entstehen unmittelbar nach dem Lichtblitz, den das α-Teilchen im Szintillator erzeugt. Der dabei vom SEV abgegebene Stromimpuls ist mit einer Koinzidenzschaltung mit dem Impuls der Elektrode E korrelierbar. Damit wird ein sehr geringer Eigeneffekt der Kammer erreicht.

Claims (2)

1. Alpha-Kammer zur Messung der Radonaktivität, wobei an der Innenwandung des Gehäuses α-Detektoren angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß im abgeschlossenen und evakuierbaren Innenraum rotationssymmetrisch zur Innenwandung eine Elektrode (E), die elektrisch isoliert vom Gehäuse (G) und mit einer elektrischen Spannung betreibbar ist, zur Ablagerung der Nachfolgenuklide der Radon-Umwandlung angeordnet ist, wobei der Abstand der α-Detektoren zur Elektrode (E) größer ist als die Reichweite der energiereichsten α-Teilchen aus der Umwandlung der Nachfolgenuklide.

2. Alpha-Kammer, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (G) und die Elektrode (E) aus elektrisch nichleitendem Material bestehen, wobei das Gehäuse (G) im Inneren und die Elektrode (E) an ihrer Oberfläche mit elektrisch leitenden Belägen versehen sind.