-
Die
Erfindung bezieht sich auf eine Detektoreinrichtung zum Überwachen
von Metallschrott auf radioaktive Bestandteile, wie sie in Lastaufnahmemitteln,
insbesondere in Mehrschalengreifern zum Einsatz gelangt.
-
Metallschrott
ist wichtiger Rohstoff zur Erzeugung von Stahl und Nichteisen-Metallen
und stammt zum großen
Teil aus sogenanntem Altschrott, d. h. gesammelten und nicht mehr
verwendbaren Metallerzeugnissen, wie sie beispielsweise beim Abbau industrieller
Anlagen anfallen. Dieser Altschrott kann erheblich radioaktiv belastet
sein, da entweder die Anlagenteile selbst radioaktiv kontaminiert
oder aktiviert sein können,
beispielsweise Anlagenteile aus zivilen oder militärischen
kerntechnischen Anlagen, oder aber gekapselte radioaktive Quellen
enthalten können,
die in den abgebauten Anlagen, beispielsweise medizintechnische
Einrichtungen, zum Einsatz gelangt sind und deren Existenz in Vergessenheit
geraten ist. Vor dem Einschmelzen des Metallschrottes und dessen
weiterer Verwertung muss dieser daher auf das Vorhandensein von
radioaktiven Bestandteilen überwacht
werden. Bei diesen radioaktiven Bestandteilen handelt es sich in
der Regel um Gammastrahler, insbesondere Co-60, Cs-137, Ir-192 und Am-241.
Die Überwachung
auf solche radioaktiven Bestandteile erfolgt sowohl mit stationären Messanlagen,
beispielsweise sogenannte Portalmonitore, durch die mit Metallschrott
beladene Transportfahrzeuge hindurchfahren, als auch durch Handmessgeräte oder
durch Detektoreinrichtungen, die an Lastaufnahmemitteln zum Verladen
des Metallschrotts, beispielsweise Mehrschalengreifer, angeordnet
sind.
-
Ein
mit einer solchen Detektoreinrichtung zum Überwachen von Metallschrott
auf radioaktive Bestandteile versehenes Lastaufnahmemittel, im Beispiel
ein Mehrschalengreifer, wie er im Stand der Technik zum Einsatz
gelangt, ist in der 1 dargestellt. Ein solcher Mehrschalengreifer
umfasst eine Mehrzahl von schalenförmig ausgestalteten Greifarmen 4,
die schwenkbar an einer Basis 6, dem sogenannten Schalenträger, angeordnet
sind. Am Lastaufnahmemittel 2 ist auf einer einem zum Aufnehmen des
Metallschrotts dienenden Aufnahmeraum 8 zugewandten Seite,
im Beispiel an der Basis 6 des Mehrschalengreifers, eine
Detektoreinrichtung 10 zum Nachweis von Gammastrahlung
angeordnet. Die Detektoreinrichtung 10 umfasst einen in
einem Schutzgehäuse 12 angeordneten,
in der Figur gestrichelt angedeuteten Gammadetektor 14 mit
einem Szintillator als gammasensitives Element. Am Lastaufnahmemittel 2 ist
außerdem
außerhalb
des Aufnahmeraums 8 eine Versorgungseinheit 16 angeordnet,
die den Gammadetektor 14 mit Spannung versorgt und die
vom ihm erfassten Messsignale über Funk
an eine in der Figur nicht dargestellte Bedien- und Anzeigeeinheit übermittelt.
-
Das
in der Regel aus Stahl bestehende Schutzgehäuse 12 ist massiv
ausgeführt,
um den Detektor vor einer Beschädigung
durch die vom Lastaufnahmemittel 2 aufgenommenen Schrottteile
zu schützen.
Um eine hohe Nachweisempfindlichkeit zu erzielen, werden im Stand
der Technik Gammadetektoren eingesetzt, deren Szintillatoren ein
möglichst großes Volumen
haben. Der Einsatz solcher großvolumigen
Gammadetektoren erfordert jedoch entsprechend große Schutzgehäuse 12,
die dementsprechend zum Erzielen der erforderlichen Stabilität zumindest
in dem dem Aufnahmeraum 8 zugewandten und mit Metallschrott
in Kontakt geratenden Bereichen eine große Wandstärke aufweisen müssen, die üblicherweise
in der Größenordnung
von 20 mm liegt.
-
Eine
solche im Stand der Technik bekannte Detektoreinrichtung 10 ist
schematisch in 2 dargestellt. In dem massiven
Schutzgehäuse 12 befindet
sich der Gammadetektor 14 mit großem sensitivem Volumen V. Um
in das sensitive Volumen V des Gammadetektors 14 einzudringen,
müssen
die aus unterschiedlichen Richtungen α auf das Schutzgehäuse 12 auftreffenden
Gammastrahlen γ zunächst die
Wand des Schutzgehäuses 12 durchdringen,
wobei die innerhalb dieser Wand zurückgelegte Wegstrecke s mit
zunehmendem Einfallswinkel α zunimmt.
Bei den nachzuweisenden Gammastrahlen γ handelt es sich sehr häufig um
niederenergetische Gammaquanten mit Energien, die typisch kleiner
als 200 keV betragen. Ursache hierfür ist, dass selbst dann, wenn
es sich bei den im Metallschrott enthaltenen Strahlern beispielsweise
um Cäsium
137 handelt, das hauptsächlich
Gammaquanten mit einer Energie von 662 keV emittiert, diese Gammaquanten durch
mehrfache Comptonstreuung entweder bereits innerhalb des einen gekapselten
Gammastrahler umgebenden Abschirmgehäuses oder innerhalb des ihn umgebenden
Metallschrotts in den niederenergetischen Bereich verschoben werden.
Derart niederenergetische Gammastrahlen werden jedoch größtenteils
bereits in der Wand des Schutzgehäuses absorbiert. Die von Am-241
emittierten Gammaquanten mit einer Energie von etwa 60 KeV sind
mit einer Detektoreinrichtung, deren Gammadetektor in einem Schutzgehäuse aus
Stahl mit einer Wandstärke
von 20 mm angeordnet ist, praktisch nicht mehr nachweisbar, da die
Halbwertsschicht bei dieser Photonenenergie für Stahl lediglich etwa 1 mm
beträgt. Eine
Schichtdicke von 20 mm führt
demgemäß zu einer
Intensitätsreduktion
auf etwa ein Millionstel des Ausgangswerts.
-
Um
dennoch derart niederenergetische Gammastrahlung nachweisen zu können, wird
im Stand der Technik häufig
die dem Aufnahmeraum des Lastaufnahmemittels zugewandte Deckplatte 18 mit
einer Mehrzahl von Öffnungen 20 versehen.
Der Durchmesser dieser Öffnungen 20 und
deren Anzahl sind zum einen begrenzt, um nach wie vor eine hinreichende
Stabilität
des Schutzgehäuses 12 sicherzustellen.
Andererseits können
durch zu große Öffnungen 20 Schrottteile
in das Innere des Schutzgehäuses 12 gelangen,
die zu einer Zerstörung
des Gammadetektors 14 führen
können.
Der 2 ist deshalb zu entnehmen, dass nur solche niederenergetische
Gammastrahlen γ,
die senkrecht auf die Deckplatte 18 des Schutzgehäuses 12 auftreffen,
in das Innere des Schutzgehäuses 12 gelangen
können.
Eine konische Form der Öffnungen 20 mit
nach außen
zunehmendem Durchmesser würde
es zwar grundsätzlich
ermöglichen,
dass auch Gammastrahlen γ mit
anderen Einfallswinkeln α durch
die Öffnung passieren
können,
ist aber durch seine Trichterwirkung mit einem großen Risiko
verknüpft,
dass sich Schrottfragmente in den Öffnungen 20 verkeilen
können.
-
Im
Nomogramm der 3 ist das Verhältnis I(α)/I(α = 0°) der Intensität I(α) der bei
einem Einfallswinkel α und
der Intensität
I(α = 0°) der bei
einem Einfallswinkel α =
0° durch
eine Stahlplatte transmittierten Gammastrahlung mit einer Energie
von 100 keV gegen den Einfallswinkel α aufgetragen. Kurven a, b, c
und d geben die Verhältnisse
für eine
Stahlplatte mit 2 mm, 5 mm, 10 mm bzw. 20 mm Dicke wieder. Dem Nomogramm
ist zu entnehmen, dass bei der Stahlplatte mit einer Dicke von 20
mm und einem Einfallswinkel α =
45° der
Anteil der die Stahlplatte durchdringenden Gammaquanten etwa nur
noch 15% des Anteils der bei einem Einfallswinkel α = 0° durch die
Stahlplatte hindurchtretenden Gammaquanten, das sind etwa 0,4% der
auf das Schutzgehäuse
auftreffenden Gammaquanten, beträgt.
Dieser Effekt ist umso ausgeprägter,
je niederenergetischer die Gammastrahlung ist.
-
Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, eine für den Einsatz
in einem Lastaufnahmemittel geeignete Detektoreinrichtung zur Überwachung
von Metallschrott auf radioaktive Bestandteile anzugeben, die gegenüber bekannten
Detektoreinrichtungen eine erhöhte
Nachweisempfindlichkeit hat.
-
Die
genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung
gelöst
mit einer Detektoreinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches
1. Gemäß diesem Merkmal
umfasst die Detektoreinrichtung einen Gammadetektor zum Nachweis
von Gammastrahlung, der in einem Schutzgehäuse angeordnet ist, das in
den Aufnahmeraum eines den Metallschrott aufnehmenden Lastaufnahmemittels
hineinragend montierbar ist, und der als gammasensitives Element einen
Szintillator enthält,
dessen sensitives Volumen kleiner als 20 cm3 ist.
-
Durch
die Verwendung eines Gammadetektors mit einem solch kleinen sensitiven
Volumen kann dieser in einem relativ kleinen Schutzgehäuse gekapselt
werden, das aufgrund seiner kleinen Abmessungen bei signifikant
geringerer Wandstärke,
als dies bei dem im Stand der Technik verwendeten Schutzgehäusen der
Fall ist, eine hinreichende mechanische Stabilität gegenüber den innerhalb des Lastaufnahmemittels
beim Aufnehmen von Metallschrott auftretenden Kräften aufweist. Durch die auf diese
Weise mögliche
verringerte Wandstärke
wird die Nachweisempfindlichkeit trotz des verringerten sensitiven
Volumens gegenüber
dem im Stand der Technik bekannten Detektoreinrichtung signifikant verbessert.
-
Die
Erfindung beruht demgemäß auf der Überlegung,
dass die im Stand der Technik übliche Verwendung
von Gammadetektoren mit großem gammasensitivem
Volumen aus zwei Gründen
kontraproduktiv ist.
-
Zum
einen geht mit einer Erhöhung
der Größe dieses
Volumens unweigerlich eine diesem Volumen nahezu proportionale Erhöhung des
in Abwesenheit von künstlicher
radioaktiver Strahlung gemessenen Nulleffekts (Hintergrundstrahlung)
einher, da dieser im wesentlichen auf hochenergetischer Strahlung
der in der Umgebung befindlichen natürlichen Radioaktivität z. B.
im Erdreich oder in Baumaterialien beruht, die auch massive Schutzgehäuse durchdringen.
Der Nachweis niederenergetischer Gammastrahlung künstlicher,
ggf. gekapselter Strahler erfolgt hingegen im wesentlichen in den
ersten wenigen Millimetern des in der Regel als gammasensitives
Element verwendeten anorganischen Szintillators (z. B. NaI(Tl)-Kristall)
und ist somit der Oberfläche
und nicht dem Volumen proportional.
-
Zum
anderen wird durch die bei großem
Volumen erforderliche hohe Wandstärke die Intensität der in
das Schutzgehäuse
eindringenden künstlichen Gammastrahlung
signifikant verringert. Beide Effekte addieren sich und führen bei
Vergrößerung des Gammadetektors
zu einer signifikanten Verschlechterung des Signal-Rauschverhältnisses
und damit zu einer deutlichen Verschlechterung der Nachweisempfindlichkeit.
-
Die
bei einer Detektoreinrichtung gemäß der Erfindung verbesserte
Nachweisempfindlichkeit ist auch im Zusammenhang mit der regelmäßigen Funktionsprüfung mit
Hilfe eines radioaktiven Prüfstrahlers
von Vorteil, da dessen Aktivität
durch die verbesserte Nachweisempfindlichkeit wesentlich geringer gewählt werden
kann, als bei den im Stand der Technik verwendeten räumlich ausgedehnten
Szintillatoren. Dies ist von besonderer Bedeutung, da es sich bei
dem Bedienpersonal in der Regel um Personen handelt, die keiner
strahlenschutzmäßigen Überwachung
unterliegen und somit strenge Freigrenzen für die Prüfstrahler beachtet werden müssen.
-
Da
aufgrund der geringen Wandstärke
auch niederenergetische Gammaquanten mit einer deutlich größeren Wahrscheinlichkeit
in das Innere des Schutzgehäuses
gelangen, ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
das Schutzgehäuse
zumindest in seinem frei in den Aufnahmeraum hineinragenden Teil
vollständig
geschlossen, d. h. weist keine Öffnungen
auf, wie sie bei den im Stand der Technik bekannten Schutzgehäusen zum
Nachweis niederenergetischer Gammaquanten erforderlich sind. Auf
diese Weise ist der Detektor vollständig gekapselt und das Eindringen
von Fremdteilen in das Innere des Schutzgehäuses ist verhindert.
-
Wenn
das Schutzgehäuse
in dem in den Aufnahmeraum hineinragenden Teil eine konvexe Gestalt
hat, ist die mechanische Stabilität des Schutzgehäuses auch
bei geringer Wandstärke
dieses Teils, die vorzugsweise bei einem aus Stahl bestehenden Schutzgehäuse kleiner
als 8 mm ist, zusätzlich
erhöht.
Außerdem
wird die Empfindlichkeit gegenüber seitlich
einfallende Gammaquanten erhöht,
wobei eine zentrale Positionierung des Szintillators innerhalb des
konvexen Gehäuses
zu einer minimalen Weglänge
der einfallenden und auf den Szintillator auftreffenden Strahlung
innerhalb der Wand des Schutzgehäuses
führt.
-
Zur
weiteren Erläuterung
der Erfindung wird auf das Ausführungsbeispiel
der Zeichnung verwiesen. Es zeigen:
-
1 einen
Mehrschalengreifer mit einer darin montierten Detektoreinrichtung
zur Überwachung
von Metallschrott auf radioaktive Bestandteile gemäß dem Stand
der Technik,
-
2 eine
Detektoreinrichtung zur Überwachung
von Metallschrott auf radioaktive Bestandteile, wie sie im Stand
der Technik zum Einsatz gelangt in einem schematischen Querschnitt,
-
3 ein
Nomogramm, in dem die Transmission von Gammastrahlen mit einer Energie
von 100 keV durch eine Stahlplatte in Abhängigkeit von der Dicke der
Stahlplatte und vom Einfallswinkel dargestellt ist,
-
4 und 5 eine
Detektoreinrichtung gemäß der Erfindung
in zueinander senkrechten Querschnitten jeweils in einer schematischen
Prinzipdarstellung.
-
Gemäß 4 und 5 umfasst
die Detektoreinrichtung 10 gemäß der Erfindung ein Schutzgehäuse 102,
das auf seiner Montageseite 104, mit der es an einem Lastaufnahmemittel
in unmittelbarer Nähe
zu dessen Aufnahmeraum oder in dessen Aufnahmeraum hineinragend
angeordnet und fixiert werden kann, eine an das Lastaufnahmemittel
angepasste Basis 106 aufweist. Das Schutzgehäuse 102 besteht
aus Stahl, der aus Gründen
der mechanischen Festigkeit in der Regel gehärtet ist. Im Beispiel ist als
Basis 106 eine plane Platte für die Montage an der ebenfalls
planen Unterseite der Basis eines Mehrschalengreifers dargestellt.
Auf der der Montageseite 104 abgewandten Seite hat das
Schutzgehäuse 102 eine
konvexe, d. h. nach außen
gekrümmte
Gestalt in Form einer Kuppel, beispielsweise einer Kugelkalotte.
Mit diesem konvexen Bereich, der vollkommen geschlossen ist, d.
h. keine Öffnungen
aufweist, ragt das Schutzgehäuse 102 im
montierten Zustand frei in den Aufnahmeraum des Lastaufnahmemittels
hinein.
-
Innerhalb
des Schutzgehäuses 102 ist
ein Gammadetektor 140 angeordnet, der als gammasensitives
Element einen Szintillator 142, vorzugsweise ein anorganischer
NaJ(Tl)- oder CsJ(Tl)-Einkristall, umfasst.
Der Szintillator 142 ist zylindrisch und an einer seiner
Stirnflächen
an einen Fotomultiplier 144 angekoppelt. Das Volumen des
Szintillators 142, d. h. das eigentliche sensitive Volumen
des Gammadetektors 140, ist kleiner als 20 cm3,
wobei sich insbesondere für
NaJ(Tl)-Detektoren Volumina zwischen 5 und 10 cm3 als
besonders vorteilhaft herausgestellt haben. Bei derart kleinen Szintillatorvolumina
kann die Wandstärke
des als Strahleneintrittsfläche
dienenden, frei in den Aufnahmeraum hineinragenden Teils des Schutzgehäuses 102 auf
Werte kleiner als 8 mm begrenzt werden.
-
Der
Szintillator 142 ist an einer möglichst zentralen Position
im Inneren des konvexen Schutzgehäuses 102 angeordnet.
Durch die konvexe Gestaltung des Schutzgehäuses 102 auf der der
Montageseite 104 abgewandten Seite und die möglichst zentrale
Position des Szintillators 142 ist die in der Wand des
Schutzgehäuses 102 von
den auf die konvexe Oberfläche
auftreffenden Gammastrahlen γ zurückgelegte
Wegstrecke nahezu unabhängig
von der Richtung, aus der die Gammaquanten auf das Schutzgehäuse 102 auftreffen.
Da bei einer solchen zentralen Positionierung – im Idealfall fallen der Schwerpunkt
des Szintillators 142 und der Mittelpunkt eines als Kugelkalotte
gestalteten Schutz gehäuses 102 zusammen – die Gammastrahlung γ die Wand
nahezu radial durchqueren, ist auch die innerhalb der Wand zurückgelegte
Wegstrecke minimal. Eine solche konvexe Gestaltung, die mit dem
Vorteil einhergeht, dass auch seitlich auf das Schutzgehäuse 102 einfallende
und auf den Gammadetektor 140 gerichtete Gammastrahlung γ noch mit
hoher Nachweisempfindlichkeit detektiert werden kann, ist möglich, da
das Gesamtvolumen der Detektoreinrichtung entsprechend gering ist,
so dass auch ein konvexes Schutzgehäuse 102 nicht tiefer
sondern i. A. meist deutlich weniger tief in den Aufnahmeraum hineinragt als
die bekannten flachen Schutzgehäuse
mit den großvolumigen
Gammadetektoren.