DE102011080547B4

DE102011080547B4 - Erhöhung des Neutronenflusses durch Gamma-Abschirmung

Info

Publication number: DE102011080547B4
Application number: DE102011080547.8A
Authority: DE
Inventors: Alexander Joseph Esin; Nikolay Baturin; Alex Kulik; Michael G. Brosseau
Original assignee: Thermo Fisher Scientific Inc
Current assignee: Thermo Fisher Scientific Inc
Priority date: 2010-08-06
Filing date: 2011-08-05
Publication date: 2019-09-05
Anticipated expiration: 2031-08-06
Also published as: CN102374999B; GB2486294B; CN102374999A; US20120032091A1; GB2486294A; US8384018B2; DE102011080547A1; GB201113366D0

Abstract

Verfahren zum Messen von Neutronensignalen, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Detektieren eines Hintergrundes in einem Detektorsystem (10), wobei das Detektorsystem (10) aufweist:
einen Detektor (14); und
eine Neutronenquelleneinheit (20) angrenzend an den Detektor (14), wobei die Neutronenquelleneinheit (20)
aufweist:
eine Neutronenquelle (11); und
einen abschirmenden Quellenhalter (15), der so zwischen der Neutronenquelle (11) und dem Detektor (14) positioniert ist, dass die Neutronenquelleneinheit (20) in einer die Neutronenquelleneinheit (20) und den Detektor (14) schneidenden Ebene von dem Detektor (14) umgeben ist;
Anordnen eines Targets (13) innerhalb des Detektorsystems (10) nach dem Detektieren des Hintergrundes;
Messen eines Gesamtsignals für das Detektorsystem (10) mit dem Target (13) darin; und
Bestimmen des Neutronensignals für das Detektorsystem (10);
wobei das Verfahren weiter aufweist:
das Messen von Neutronensignalen für das Detektorsystem (10) ohne den abschirmenden Quellenhalter (15), aufweisend:
Detektieren von Hintergrund in dem Detektorsystem (10), wobei der abschirmende Quellenhalter (15) entfernt ist;
Anordnen eines Targets (13) innerhalb des Detektorsystems (10) ; Messen des Gesamtsignals für das Detektorsystem (10) mit darin angeordnetem Target (13); und Bestimmen des Neutronensignals für das Detektorsystem (10), wobei das Bestimmen das Abziehen des Hintergrundes, der durch das Detektorsystem (10) detektiert wird, von dem Gesamtsignal, das durch das Detektorsystem (10) gemessen wird, umfasst.

Description

Gebiet der Erfindung
Hier offenbarte Ausführungsformen betreffen allgemein die Detektierung hochenergetischer Strahlung. Insbesondere beziehen sich hier offenbarte Ausführungsformen auf die Abtrennung eines Neutronensignals vom Gammasignal. Insbesondere wurde herausgefunden, dass bestimmte Materialien, die dazu verwendet werden, Gammastrahlen zu stoppen, auch den Neutronenfluss zum Detektor erhöhen können.
Hintergrund
Neutronenfluss wird typischerweise durch den Effekt von Wechselwirkungen zwischen Neutronen und ihrer Umgebung gemessen. Beispielsweise können Neutronen mit einem Material wechselwirken, um detektiert zu werden, und somit einen messbaren Effekt schaffen. Detektoren können dazu verwendet werden, solche Effekte zu detektieren, welche hochenergetische und ionisierte Strahlung umfassen können, die beispielsweise aus Absorptionsreaktionen, Aktivierungsprozessen und elastischen Streureaktionen resultiert. „Hochenergetische Strahlung“ bezieht sich nach ihrer Verwendung hier auf Strahlung von Neutronen, Röntgenstrahlen, Gammastrahlen, α-Teilchen und β-Teilchen.
Detektoren hochenergetischer Strahlung können beispielsweise Ionenkammern, Proportionalzähler, Geiger-Müller-Zähler und Szintillationszähler umfassen. 1 zeigt einen exemplarischen Detektor des Standes der Technik, der dazu verwendet werden kann, den Wasserstoffgehalt zu messen, indem thermische Neutronen detektiert werden, die von einem Target aus zurück reflektiert werden. Wie dies gezeigt ist, umfasst ein Basissystem 10 für Neutronendetektierung eine Targetkammer 13, eine Ionenkammer 14 und Elektronik (nicht unabhängig veranschaulicht). Schnelle Neutronen 12 werden von einer Neutronenquelle 11 erzeugt. Diese schnellen Neutronen 12 wechselwirken mit Wasserstoffkernen H in der Targetkammer 13, bis ihre Geschwindigkeit auf die durchschnittliche thermische Geschwindigkeit des Targets durch einen Prozess reduziert ist, der als Neutronenmoderation bekannt ist. Insbesondere beinhaltet Neutronenmoderation eine Kollision und eine Energieübertragung von einem schnellen Neutron auf einen Targetkern, wodurch die Geschwindigkeit des schnellen Neutrons auf diejenige eines langsamen Neutrons nach der Kollision und der Energieübertragung absinkt. Die thermischen (langsamen) Neutronen werden dann von der Targetkammer 13 zur Ionenkammer 14 gestreut.
Im Beispiel eines herkömmlicherweise verwendeten Neutronendetektors, der in 1 gezeigt ist, kann die Ionenkammer 14 mit einem Gas (wie beispielsweise He-3) gefüllt sein, das mit den thermisierten Neutronen wechselwirken kann, um Ionen zu erzeugen. Wenn ein He-3-Atom ein thermisiertes Neutron absorbiert (einfängt), tritt eine Kernreaktion auf und die resultierenden Produkte sind ein positiv ionisiertes Tritium (H-3)-Atom und ein Proton. Die positiv ionisierten H-3-Atome und Protonen wandern durch das Gas, wobei sie Elektronen in ihre Wolke ziehen und somit eine gleiche Anzahl an positiven Ionen und Elektronen schaffen. Wenn ein Potential über den Elektroden 40, 45 in der Ionenkammer 13 angelegt wird, werden die positiven Ionen zur negativ geladenen Elektrode bewegt und die Elektronen werden zur positiv geladenen Elektrode bewegt, wodurch Ströme erzeugt werden, die direkt proportional zur Anzahl der übertragenen Ionen sind. Die Anzahl an übertragenen Ionen hängt von den Geschwindigkeiten ihrer Bildung und somit vom Neutronenfluss ab. Somit können die Ionenströme, die durch die Ionenkammer gemessen werden, dazu verwendet werden, die Größe des Neutronenflusses herzuleiten, welcher dazu verwendet werden kann, die Menge an Wasserstoff im Targetmaterial zu bestimmen.
Jedoch sind die Ionenströme, die in diesen Prozessen erzeugt werden, extrem klein (in der Größenordnung von 10^-12 A), wodurch es schwierig ist, den Neutronenfluss genau zu bestimmen. Zusätzlich können Temperatur- und Feuchtigkeitsveränderungen in verschiedenen elektronischen Komponenten, Kabeln usw. darüber hinaus die Genauigkeit der Messungen beeinträchtigen. Die Situation ist unter Feldbedingungen, welche häufig breite Variationen der Temperatur und Feuchtigkeit umfassen, sogar noch schlimmer.
Die US 2002/0175288 A1 offenbart ein Neutronendetektorsystem mit einer Neutronenquelle, einem Target und einem Detektor, wobei die Neutronenquelle teilweise von einer Abschirmung umgeben ist.
Die DE 25 39 446 A1 offenbart eine Neutronenreflexions-Messvorrichtung mit zwei Detektoren, zwischen denen eine Neutronenquelle angeordnet ist, die teilweise von einem abschirmenden Strahlenschutzmaterial umgeben ist.
Die US 2002/0170348 A1 offenbart ein Analysewerkzeug, das in Längsrichtung eine Neutronenquelle und einen Neutronendetektor sowie einen Neutronenschild dazwischen aufweist.
Obgleich Detektoren für hochenergetische Strahlung des Standes der Technik zufriedenstellende Messungen liefern können, verbleibt ein Bedarf an Detektoren, welche zuverlässigere und genauere Messungen hochenergetischer Strahlungen liefern können.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem Aspekt betreffen hier offenbarte Ausführungsformen ein Verfahren zum Messen von Neutronensignalen mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Andere Aspekte und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen hervor.
Figurenliste

1 zeigt eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Neutronendetektionssystems.
2 zeigt eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen Feuchtigkeitsanalysators.
3 zeigt eine Querschnittsansicht eines Feuchtigkeitsanalysators gemäß Ausführungsformen dieser Offenbarung.
4 zeigt eine Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform eines Feuchtigkeitsanalysators gemäß dieser Offenbarung.
5A und 5B zeigen eine Querschnittsansicht bzw. eine perspektivische Ansicht einer Neutronenquelleneinheit gemäß Ausführungsformen dieser Offenbarung.
6 ist ein Graph der Größe des Signals und des Hintergrundes, welche in Feuchtigkeitsanalysatoren gemäß Ausführungsformen dieser Offenbarung detektiert werden.
7 ist ein Graph der Größe eines Neutronensignals, das in Detektorsystemen gemäß Ausführungsformen dieser Offenbarung detektiert wird.

Detaillierte Beschreibung
Ausführungsformen der Offenbarung betreffen allgemein Detektorsysteme zum Messen hochenergetischer Strahlung und insbesondere zum Erhöhen und Messen des Neutronenflusses. Ein Neutronenfluss, wie er hier beschrieben wird, bezieht sich auf die Menge an Neutronen, welche über eine Zeitperiode durch eine Fläche hindurch treten. Detektorsysteme, die für das Messen des Neutronenflusses eingesetzt werden, können auf Neutronenmoderation basieren, d.h. einem Prozess des Bringens schneller Neutronen in ein thermisches Gleichgewicht. Insbesondere werden, wenn Neutronen aus einer Neutronenquelle erzeugt werden, die Neutronen mit hoher kinetischer Energie freigesetzt, wobei sie hier als „schnelle Neutronen“ bezeichnet werden. Gemäß Energieerhaltungssätzen kann die hohe kinetische Energie schneller Neutronen durch Kollision mit Moderatormaterial und Übertragung von Energie auf dieses reduziert (moderiert) werden. Nach dem Übertragen von kinetischer Energie auf ein Moderatormaterial verringert sich die Geschwindigkeit, mit der sich schnelle Neutronen fortbewegen, weswegen den Neutronen nach der Kollision der Name „langsame Neutronen“ gegeben wird. Aufgrund des Verhältnisses zwischen der kinetischen Neutronenenergie und der Neutronentemperatur können langsame Neutronen auch als „thermische Neutronen“ nach Moderation schneller Neutronen bezeichnet werden.
Darüber hinaus kann der Einsatz von Moderatormaterial mit einer niedrigen Atomzahl eine effizientere Energieübertragung ermöglichen. Beispielsweise kann die Kollision eines schnellen Neutrons mit einem Wasserstoffkern, welcher im Wesentlichen eine ähnliche Atommasse wie ein Neutron aufweist, zu einer wesentlichen Reduktion der Energie des schnellen Neutrons führen, wodurch langsamere, detektierbare Neutronen mit einer höheren Rate gebildet werden. Dementsprechend können Detektorsysteme wasserstoffhaltige Moderatormaterialien (wie Wasser) für die Moderation und Detektierung von Neutronen verwenden. Zusätzliche Beispiele von Moderatormaterialien umfassen Graphit, Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol und andere Kunststoffe, Alkohol, Öl und andere organische Materialien, Koks, Eisenpellets, Kohlenwasserstoffmaterial und andere Materialien mit einer niedrigen Atomzahl, einem hohen Streuungsquerschnitt und einem niedrigen Absorptionsquerschnitt. Der Ausdruck „wasserstoffhaltiges Material“, wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf eine Art von Moderatormaterial. Wie auch immer ermöglichen hier offenbarte Ausführungsformen unabhängig vom Targetmaterial erweiterte Messungen des Neutronenflusses, während auch eine Gamma-Abschirmung geschaffen wird.
Solche Detektionsverfahren können auf ähnliche Weise für die Feuchtigkeitsanalyse verwendet werden. Beispielsweise können Ausführungsformen dieser Offenbarung mathematische Korrelationen zwischen der Menge an detektierten langsamen Neutronen (d.h. dem Neutronenfluss) aus der Neutronenmoderation mit einem wasserstoffhaltigen Material, wie beispielsweise Wasser, dazu verwenden, Information bezüglich der vorhandenen Menge an Wasserstoffkernen zu liefern und somit Mittel für die Analyse bezüglich der Menge an vorhandener Feuchtigkeit schaffen.
2 zeigt einen herkömmlichen Feuchtigkeitsanalysator 10 mit einem Detektor 14 in Toroidform (Donut-Form), wobei eine Neutronenquelle 11 innerhalb des Detektors 14 vorhanden ist. Wie dies gezeigt ist, erzeugt die Neutronenquelle 11 schnelle Neutronen 12 und Gammastrahlen γ. Beispielsweise kann eine herkömmlich verwendete Neutronenquelle, Americium-Beryllium (AmBe), zusammen mit der Emission schneller Neutronen etwa 4,43 MeV γ-Strahlung emittieren. Andere Neutronenquellen können beispielsweise Americium-Lithium (AmLi), Radium-Beryllium (RaBe) oder Plutonium-Beryllium (PuBe) umfassen. Andere industrielle Neutronenquellen umfassen einen Neutronengenerator, welcher ein direkt wirkender elektrostatischer Beschleuniger (Ionenspritze) ist. In einem Neutronengenerator können Deuteronen, welche auf etwa 80 keV beschleunigt worden sind, auf ein Deuteron- oder Tritiumtarget auftreffen, wobei die Kollision Neutronen erzeugen kann. Diese Quellen können leistungsstärker sein als Isotopenquellen, jedoch teurer und kurzlebiger als Am/Be. Somit kann ein Neutronengenerator üblicherweise verwendet werden, wenn der gewünschte hohe Neutronenfluss nicht mit Isotopenquellen erreicht werden kann. Zusätzlich kann ein Neutronengenerator in einem Impulsmodus betrieben werden.
Ein Bruchteil der schnellen Neutronen 12, die aus der Neutronenquelle emittiert werden, streuen in die Targetkammer 13, die mit Wasserstoff enthaltenden Materialien (wie Wasser) gefüllt sein kann. Die schnellen Neutronen 12 kollidieren mit den Wasserstoffkernen in der Targetkammer 13. Wasserstoffkerne, die eine ähnliche Masse wie ein Neutron aufweisen, sind sehr effizient darin, die schnellen Neutronen abzubremsen und sie schließlich in ein thermisches Gleichgewicht mit der Umgebung zu bringen (Neutronenmoderation). Als Ergebnis der Wechselwirkungen mit Wasserstoffkernen verlieren schnelle Neutronen kinetische Energie und werden zu langsameren (thermischen) Neutronen. Beispielsweise können thermische Neutronen nach Wechselwirkungen mit Wasserstoffkernen eine durchschnittliche Energie aufweisen, die gleich der Energie der thermischen Bewegung bei Raumtemperatur ist (25 meV). Thermische Neutronen können dann einer Diffusion ähnlich der Gasdiffusion unterliegen und einige der thermischen Neutronen können zurück zum Detektor 14 kehren, um als Neutronenfluss gemessen zu werden.
Der Detektor 14 ist eine Ionenkammer, die mit einem Gas gefüllt ist, welches Kerne aufweist, die thermische Neutronen einfangen können und nach dem Neutroneneinfang nukleare Reaktionen eingehen können. Solche Kerne umfassen: Bor (B-10, z.B. BF₃ ), Lithium (Li-6), Helium (He-3), Uran-233, Uran-235 und Plutonium-239. Unter diesen weist He-3-Gas den Vorteil auf, dass es einen großen thermischen Neutronenquerschnitt (5330 barn) aufweist, und deshalb wird es üblicherweise in der Ionenkammer verwendet. Obwohl B-10 (verwendet in BF₃ -Reaktionen mit Neutronen) einen niedrigeren thermischen Neutronenquerschnitt (3840 barn) als He-3 aufweist, kann üblicherweise auch BF₃ aufgrund seiner Verfügbarkeit in der Ionenkammer eingesetzt werden. Jedoch erkennt der Fachmann, dass Ausführungsformen der Offenbarung nicht darauf beschränkt sind. Tatsächlich können Ausführungsformen der Offenbarung jegliches Gas oder andere Medium verwenden, das Ionen transportieren kann und das Ionen durch die interessierende hochenergetische Strahlung erzeugen kann.
Der Detektor 14 ist hauptsächlich für thermische Neutronen empfänglich und in viel geringerem Maße für schnelle Neutronen 12 und Gammastrahlen γ. Jedoch kann der detektierte thermische Neutronenfluss geringer sein, da nur einige Neutronen aufgrund von Diffusion zurück zum Detektor gelangen. Das Ergebnis relativ hoher Gammadetektierung wird als „Gammahintergrund“ bezeichnet, welcher zum gesamten Hintergrundrauschen beitragen kann, das heißt zu Detektorsignalen, die mit dem Vorhandensein von Wasserstoff zusammenhängen. Hintergrundrauschen ist bei Detektoren, die mit BF₃ gefüllt sind, typischerweise stärker als bei Detektoren, die mit He-3 gefüllt sind.
Der Neutronenfluss kann in einem Ionenkammerdetektor gemessen werden, indem ein elektrisches Potenzial über einem Paar Elektroden in der Ionenkammer angelegt wird. Beispielsweise können in einem mit He-3 gefüllten Detektor zwei Elektroden parallel zum Detektor positioniert werden, um Strom zu messen, der in dem He-3-Gas fließt, wenn ein Potenzial zwischen den Elektroden angelegt ist. He-3-Gas wirkt typischerweise als ein Isolator und deshalb ist kein Strom zwischen den beiden Elektroden detektierbar (mit Ausnahme eines kleinen Leckstroms). Wenn jedoch ein He-3-Atom ein thermisches Neutron absorbiert (einfängt), tritt folgende nukleare Reaktionen auf: ${}_{2}^{3}H e + {}_{0}^{1}n \to {}_{1}^{3}H + {}_{1}^{1}p$
Diese nukleare Reaktion erzeugt ein Tritiumatom (H-3) und ein Proton. He-3 und H-3 sind Isotope von Helium bzw. von Wasserstoff. Diese Reaktion setzt auch eine Energie von etwa 764 keV (d.h. Q-Wert = 764 keV) frei und deshalb werden das Tritium und das Proton mit hoher kinetischer Energie erzeugt. Das Tritium und das Proton bewegen sich mit hoher Geschwindigkeit durch das Gas, wobei sie Elektronen in ihrem Einfluss anziehen, um eine gleiche Anzahl an positiven Ionen und Elektronen zu erzeugen. Die positiven Ionen und Elektronen dienen als Ladungsträger im Gas, das ansonsten ein Isolator ist.
Wenn eine Spannung über ein Paar Elektroden innerhalb eines Ionenkammerdetektors angelegt wird, wird in dem Raum zwischen den Elektroden ein elektrisches Feld erzeugt. Die Ionen bewegen sich als Antwort auf dieses elektrische Feld mit den positiven Ionen und Elektronen, die in entgegengesetzte Richtungen zu den entgegengesetzten Elektroden gezogen werden. Die Ionen werden schließlich an den Elektroden neutralisiert, was zu einem Ionenstrom führt, der direkt proportional zur Anzahl an positiven Ionen ist, die zu den Elektroden bewegt werden. Ein solcher Ionenstrom kann gemessen werden. Darüber hinaus ist die Anzahl an positiven Ionen, die zu den Elektroden bewegt werden, wiederum proportional zum thermischen Neutronenfluss. Deshalb kann der Ionenstrom, der an den Elektroden gemessen wird, dazu verwendet werden, die Größe des thermischen Neutronenflusses durch die Ionenkammer herzuleiten.
Die positiven Ionen und die Elektronen, die in der Ionenkammer vorhanden sind, können auch kollidieren und dann rekombinieren, um ein neutrales Atom zu bilden. Diese Rekombination steht in Wettbewerb zu dem Ionen- und Elektronentransport zu den Elektroden und verringert somit die messbaren Größen der Ionenströme.
Bei Fehlen einer angelegten Spannung über der Ionenkammer gibt es keinen Ionentransport und die positiven Ionen und Elektronen rekombinieren schließlich. Wenn eine Spannung über den Elektroden angelegt wird, werden die positiven Ionen zur negativ geladenen Elektrode gezogen und die Elektronen werden zur positiv geladenen Elektrode gezogen, was die Wahrscheinlichkeit einer Rekombination verringert. Wenn die über den Elektroden angelegte Spannung zu klein ist, wandern die positiven Ionen und Elektronen langsam zu den Elektroden, was zu mehr Rekombination führt. Wenn die Spannung hoch genug ist, um die Elektronen- und Ionenwolken auseinander zu reißen und Rekombination unbedeutend zu machen, beginnt sich ein „Plateau“ (welches auch „Ionenplateau“ oder „erstes Plateau“ genannt wird) zu bilden. Das Plateau endet, wenn die Spannung hoch genug ist, um Gasatome nach Kollision (sekundäre Ionisation) zu ionisieren. Dieser Prozess ist als „Proportionalbereich“ bekannt und kann in Proportionalzählern verwendet werden. Jedoch weisen Ionenkammerdetektoren allgemein keinen Proportionalbereich auf und arbeiten auf dem Plateau mit dem von der Spannung unabhängigen Strom, da primäre Ionisation ohne Rekombination gezählt werden kann.
Vorteilhafterweise haben die Verfasser dieser Offenbarung herausgefunden, dass durch Verwenden eines Abschirmungsmaterials, insbesondere eines abschirmenden Quellenhalters, zwischen einer Neutronenquelle und einem Detektor der Detektor gegen Gammastrahlen abgeschirmt werden kann (wodurch der Gamma-Hintergrund verringert wird) und der Neutronenfluss verbessert werden kann. Beispielsweise können, zusammen mit dem Unterdrücken des Gamma-Hintergrundes, abschirmende Quellenhalter aus Blei (Pb) und Wolfram (W) auch das Neutronensignal (Neutronenfluss) auf bis zu 20 % bzw. 40 % erhöhen.
Die Verfasser vertreten die Theorie, dass die Zunahme des Neutronensignals mit der Eigenschaft der Neutronenstreuung des Abschirmungsmaterials eines Quellenhalters in Zusammenhang stehen kann. In Bezug auf Wolfram als ein exemplarisches Abschirmungsmaterial eines Quellenhalters in einem Neutronendetektor kann Wolfram sowohl als Abschirmung gegen Gammastrahlung und als ein Verfahren zum Streuen schnelle Neutronen, die andernfalls nicht das Targetmaterial treffen würden, wirken.
Insbesondere zeigt 3 eine Querschnittsansicht eines Feuchtigkeitsanalysators 10 gemäß Ausführungsformen dieser Offenbarung, welcher einen toroidförmigen (donutförmigen) Detektor 14 aufweist, so dass ein Loch im Zentrum des Detektors 14 ist. Eine Neutronenquelle 11 ist teilweise von einem abschirmenden Quellenhalter 15 umgeben und im Zentrum des Detektors 14 positioniert. Der abschirmende Quellenhalter 15 ist aus einem abschirmenden Material, wie beispielsweise Wolfram, hergestellt. Wie gezeigt ist, umgibt der Quellenhalter 15 alle Seiten der Neutronenquelle 11 mit Ausnahme einer Seite, die zum Target 13 gerichtet ist, so dass der abschirmende Quellenhalter 15 schließlich zwischen der Neutronenquelle 11 und dem Detektor 14 ist.
Die Neutronenquelle 11 emittiert schnelle Neutronen 12a, 12b. Insbesondere werden schnelle Neutronen 12a von der Neutronenquelle 11 in eine Richtung direkt gegen das Target 13 emittiert. Schnelle Neutronen 12b werden anfangs von der Neutronenquelle 11 in eine Richtung weg vom Target 13 und in das abschirmende Material des abschirmenden Quellenhalters 15 emittiert. In Abhängigkeit von den Eigenschaften der Neutronenstreuung des abschirmenden Materials des abschirmenden Quellenhalters 15 kann die Wahrscheinlichkeit, dass schnelle Neutronen 12b gegen das Target 13 umgelenkt werden, zunehmen. Obwohl der abschirmende Quellenhalter 15 die schnellen Neutronen 12a, die anfangs gegen das Target 13 gerichtet sind, nicht beeinflusst, ermöglicht der abschirmende Quellenhalter 15 einen anderen Mechanismus der Neutronenstreuung, was die Menge an schnellen Neutronen 12b, die auf das Target 13 treffen, erhöhen kann und somit die Gesamtmenge an schnellen Neutronen 12a, 12b, welche zur Neutronenmoderation fähig sind, erhöhen kann.
4 zeigt eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform eines Feuchtigkeitsanalysators gemäß dieser Offenbarung. Der Feuchtigkeitsanalysator 10 von 4 weist einen Ionenkammerdetektor 14 und eine Neutronenquelle 11 angrenzend an den Detektor 14 auf. Die Neutronenquelle 11 weist einen abschirmenden Quellenhalter 15 auf, welcher die Neutronenquelle umgibt, welche zusammen als eine Neutronenquelleneinheit 20 bezeichnet werden können. Die Neutronenquelleneinheit 20 ist in das Zentrum des Detektors 14 eingeführt (wodurch die Neutronenquelle 11 im Zentrum des Detektors 14 positioniert ist) und wird durch eine Quellengriffeinheit 16 am Platz gehalten. Der Ionenkammerdetektor 14 wird von einer Ionenkammerabdeckung 17 bedeckt, welche auch dazu dient, die Quellengriffeinheit 16 zu unterstützen. Der Feuchtigkeitsanalysator 10 ist zu einem Target 13 hin gerichtet, so dass die Neutronenquelle 11 dem Target 13 am nächsten ist. Wie gezeigt ist, kann das Target 13 ein Material oder mehrere Materialien 13a und 13b umfassen.
Perspektivische Nahansichten und Querschnittsansichten von Komponenten einer exemplarischen Neutronenquelleneinheit 20 sind in den 5A und 5B gezeigt. Insbesondere zeigt 5A eine Querschnittsansicht und 5B zeigt eine perspektivische Ansicht einer Neutronenquelleneinheit 20, welche eine Neutronenquelle 11 aufweist, die von einem abschirmenden Quellenhalter 15 umgeben ist. Der abschirmende Quellenhalter 15 ist aus einem Gammastrahlen abschirmenden Material, wie beispielsweise Wolfram, hergestellt. In der gezeigten Ausführungsform ist der abschirmende Quellenhalter 15 von zylindrischer Form, wobei er ein erstes Ende 26, ein zweites Ende 27 gegenüber dem ersten Ende 26 und eine im Wesentlichen umlaufende Seitenwand 28 aufweist. Ein Griffaufnehmer 25 ist im ersten Ende 26 ausgebildet und ein Neutronenquellenaufnehmer 24 ist im zweiten Ende 27 ausgebildet, gegenüber dem Griffaufnehmer 25. Der Neutronenquellenaufnehmer 24 ist dafür konfiguriert, die Neutronenquelle 11 aufzunehmen, und der Griffaufnehmer 25 ist dafür konfiguriert, eine Quellengriffeinheit (in 4 gezeigt) aufzunehmen.
Andere Größen und Formen von abschirmenden Quellenhaltern können verwendet werden, um eine Neutronenquelle gegenüber einem Detektor abzuschirmen. Beispielsweise kann ein abschirmender Quellenhalter als ein Toroid, als rechteckiger Rahmen oder in einer beliebigen anderen Form ausgebildet sein, welche zumindest teilweise die Neutronenquelle umgeben kann. Darüber hinaus kann ein abschirmender Quellenhalter 15 eine einheitliche Dicke oder keine einheitliche Dicke aufweisen. Beispielsweise weist, wie dies in den 5A und 5B gezeigt ist, der abschirmende Quellenhalter 15 eine nicht einheitliche Dicke t auf, wobei die Dicke t von dem Neutronenquellenaufnehmer 24 zur äußeren Oberfläche des abschirmenden Quellenhalters 15 gemessen ist. Insbesondere weist das erste Ende 26 des abschirmenden Quellenhalters 15 eine größere Dicke auf als die Seitenwand 28. Alternativ dazu können andere Ausführungsformen eines abschirmenden Quellenhalters 15 eine im Wesentlichen einheitliche Dicke aufweisen.
Mit erneutem Bezug auf die 5A und 5B ist eine Neutronenquelle 11 in eine Kapsel 29 aus rostfreiem Stahl eingekapselt, welche eine Oberseite 29a, einen im Wesentlichen umlaufende Seite 29b und eine Bodenseite 29c gegenüber der Oberseite 29a aufweist. In anderen Ausführungsformen kann die Kapsel aus anderen Materialien als rostfreiem Stahl sein, beispielsweise aus Wolfram, Blei und so weiter. Eine Federscheibe 21 kann an der Oberseite 29a der Kapsel 29 zwischen der Kapsel 29 und dem abschirmenden Quellenhalter 15 positioniert sein. Ein Federring 22 kann an der Bodenseite 29c der Kapsel 29 positioniert sein, um die Neutronenquelle 11 am Platz zu halten. Die Oberseite 29a und die Bodenseite 29c sind relativ zu ihren Positionen in den 5A und 5B markiert, wobei jedoch die Bodenseite und die Oberseite an verschiedenen Positionen innerhalb eines Detektors in Abhängigkeit von der Richtung des Detektors sein können. Eine Abdeckung 23 mit Druckpassung kann innerhalb des Neutronenquellenaufnehmers 24 angeordnet sein, um die Neutronenquelle 11 und den Federring 22 zu bedecken.
Der Fachmann wird erkennen, dass die Komponenten des abschirmenden Quellenhalters in Abhängigkeit von der Größe und der Form der Neutronenquelle und des Detektors variieren können. Beispielsweise können abschirmende Quellenhalter, die gemäß dieser Offenbarung ausgeführt sind, verschiedene Formen und Größen aufweisen, welche ein abschirmendes Material zwischen die Neutronenquelle und den Detektor positionieren. Zusätzlich können einige Ausführungsformen von abschirmenden Quellenhaltern zusätzliche Komponenten, weniger Komponenten oder unterschiedliche Konfigurationen in Bezug auf die exemplarischen Komponenten aufweisen, die in den 5A und 5B beschrieben sind, welche dazu verwendet werden können, den abschirmenden Quellenhalter zwischen der Neutronenquelle und dem Detektor zu positionieren.
Die Verfasser dieser Offenbarung haben durch Versuche herausgefunden, dass abschirmende Quellenhalter gemäß Ausführungsformen dieser Offenbarung Ergebnisse gemäß der vorstehenden Theorie liefern. Insbesondere führten die Erfinder Experimente durch, in denen eine Detektorauslesung für Detektorsysteme, welche verschiedene Targetmaterialien, gasgefüllte Ionenkammern und abschirmende Materialien verwenden, und für Kontrolldetektorsysteme, welche keine Target oder kein abschirmendes Material verwenden, erzeugt wurde. Die Experimente zeigen, dass die Detektorsysteme, welche abschirmende Quellenhalter gemäß dieser Offenbarung verwenden, einen niedrigen Hintergrund (durch die Gammastrahlenabschirmung) sowie verbesserte Neutronensignale aufweisen. Ein Neutronensignal, wie es hier definiert ist, ist das resultierende Signal, das durch Abziehen (Subtrahieren) des Hintergrunds von der gesamten Signalauslesung bestimmt wird. In einem exemplarischen Kontrolltest unter Verwendung eines Targetmaterials aus Polytetraflurethylen, einem Kunststoff ohne Wasserstoff, wurde ein Nullsignal erzeugt, wodurch gezeigt wird, dass Neutronensignale durch Wasserstoff in Targetmaterialien erzeugt werden. Da das Signal, das von einem Detektorsystem erzeugt wird, welches kein Target aufweist, ebenfalls in einem Neutronennullsignal resultiert, resultiert ein Targetmaterial ohne Wasserstoff in einem Neutronensignal gleich demjenigen ohne Target. Ein Target aus einem Material ohne Wasserstoff wird hier als „Leertarget“ bezeichnet.
Mit nunmehrigem Bezug auf 6 sind Detektorauslesungen (erzeugt in Form von Strom) für einen Feuchtigkeitsanalysator gezeigt, welcher eine mit He-3 gefüllte Ionenkammer und ein Target aus Polyethylen aufweist. Detektorauslesungen, die sich nicht auf das Target beziehen, werden als Hintergrund betrachtet, während Detektorauslesungen, die durch das Vorhandensein des Targets aus Polyethylen erhalten werden, als das Gesamtsignal betrachtet werden. Eine Auslesung wurde unter Verwendung eines abschirmenden Quellenhalters aus Wolfram gemacht; eine Auslesung wurde unter Verwendung eines abschirmenden Quellenhalters aus Blei gemacht; und eine andere Auslesung wurde ohne abschirmenden Quellenhalter gemacht. Wie gezeigt ist, unterdrücken abschirmende Quellenhalter aus Blei und insbesondere aus Wolfram den Hintergrund und erhöhen gleichzeitig das Gesamtsignal.
Die Stärke der Verringerung des Hintergrundes und der Verbesserung des Neutronensignals in Ausführungsformen dieser Offenbarung wurden weiter analysiert und mit herkömmlichen Detektorsystemen verglichen. Daten, welche die Verringerung des Hintergrunds zeigen, sind in der nachstehenden Tab. 1 gezeigt und Daten an, welche die Verstärkung des Neutronensignals zeigen, sind in 7 und in nachstehender Tab. 2 gezeigt.
Insbesondere ist, wie im Tab. 1 gezeigt ist, die Menge an Hintergrund von Gammastrahlung in einem Detektorsystem gezeigt, welches eine mit He-3 gefüllte Ionenkammer aufweist, und in einem Detektorsystem, welches eine mit BF₃ gefüllte Ionenkammer aufweist, wobei jedes Detektorsystem mit einem abschirmenden Quellenhalter aus Wolfram, aus Blei und ohne abschirmenden Quellenhalter getestet wurde. Tabelle 1

Gas ohne Abschirmung Blei Wolfram

He-3 2,339 pA 2,083 pA 1,971 pA

BF₃ 6,227 pA 3,791 pA 3,29 pA
Wie in Tab. 1 gezeigt ist, wurde der Gammastrahlen-Hintergrund um etwa 16 % verringert, wenn ein abschirmender Quellenhalter aus Wolfram in einer mit He-3 gefüllten Ionenkammer verwendet wurde, und um etwa 47 %, wenn ein abschirmender Quellenhalter aus Wolfram in einer mit BF₃ gefüllten Ionenkammer verwendet wurde. Der Gammastrahlen-Hintergrund wurde um etwa 11 % reduziert, wenn ein abschirmender Quellenhalter aus Blei in einer mit He-3 gefüllten Ionenkammer verwendet wurde, und um etwa 39%, wenn ein abschirmender Quellenhalter aus Blei in einer mit BF₃ gefüllten Ionenkammer verwendet wurde.

Mit nunmehrigem Bezug auf 7 wird ein Neutronensignal durch Einsatz abschirmender Quellenhalter gemäß Ausführungsformen dieser Offenbarung verstärkt. Insbesondere zeigten Detektorsysteme mit unterschiedlichen gasgefüllten Ionenkammern und unterschiedlichen Targetmaterialien jeweils erhöhte Neutronensignale, wenn abschirmende Quellenhalter aus Blei und insbesondere aus Wolfram verwendet wurden. Die Werte der Neutronensignale, die durch jedes Detektorsystem von 7 erzeugt wurden, sind in der nachstehenden Tab. 2 gezeigt. Tabelle 2

Gas	Target	ohne Absch.	Blei	Blei Verhältnis	Wolfram	Wolfram Verhältnis
He-3	PE mittel	2,684	3,109	3,109/ 2,648 = 1,17	3,435	3,435/ 2,648 = 1,3
He-3	PE klein	0,383	0,468	1,22	0,547	1,43
BF₃	PE mittel	1,004	1,157	1,15	1,296	1,29
BF₃	PE klein	0,165	0,179	1,085	0,225	1,36
BF₃	PE extra klein	0,058	0,062	1,069	0,076	1,31
BF₃	Wasser	0,028			0,039	1,39

Wie in Tab. 2 gezeigt ist, werden die Stromauslesungen (gemessen in pA) für Detektorsysteme gezeigt, welche mit He-3 und mit BF₃ gefüllte Ionenkammern und Targets unterschiedlicher Größen und Materialien mit und ohne abschirmende Quellenhalter aufweisen. Insbesondere wurden drei Größen von Targets aus Polyethylen, mittel, klein und extra klein, getestet und es wurde ein Target aus Wasser getestet. Die größeren Targets aus Polyethylen, welche mehr Wasserstoff aufweisen, erzeugten größere Neutronensignale. Darüber hinaus wurden als Neutronensignale, die im Detektorsystemen erzeugt worden waren, welche abschirmende Quellenhalter aus Blei verwendeten, jeweils Neutronensignale erzeugt, die stärker waren als in ähnlichen Detektorsystemen, welche keine abschirmenden Quellenhalter verwendeten. Auf ähnliche Weise wurden als Neutronensignale, die in Detektorsystemen erzeugt worden waren, welche abschirmende Quellenhalter aus Wolfram verwendeten, jeweils Neutronensignale erzeugt, die stärker waren als in ähnlichen Detektorsystem, welche abschirmende Quellenhalter aus Blei verwendeten. Somit haben die Erfinder dieser Offenbarung herausgefunden, dass Neutronensignale bei Verwendung von abschirmenden Quellenhaltern aus Blei und insbesondere aus Wolfram verstärkt werden können.
Das Verhältnis Blei und das Verhältnis Wolfram zeigen die Stärke der Zunahme des Neutronenflusses bei Verwendung eines abschirmenden Quellenhalters im Vergleich zu Detektorsystemen, welche keine Abschirmung verwenden. Diese exemplarischen Ergebnisse zeigen eine Zunahme des Neutronenflusses in Detektorsystemen, die abschirmende Quellenhalter aus einem Abschirmungsmaterial gemäß dieser Offenbarung verwenden.

Die Neutronensignale für jede Fallstudie, die vorstehend in Tab. 2 gezeigt sind, wurden errechnet, indem das Signal, das ohne Target (oder mit einem Leertarget) erhalten wurde, von dem Gesamtsignal, das unter Verwendung eines Target aus moderierendem Material detektiert wurde, abgezogen wurde. Tab. 3 zeigt exemplarische Berechnungen für das Detektorsystem, bei dem eine mit BF₃ gefüllte Ionenkammer und ein Target aus Polyethylen mittlerer Größe eingesetzt wurden. Tabelle 3

	ohne Abschirmung	Wolfram	Verhältnis
ohne Target	6,227 pA	3,29 pA
PE mittel Gesamtsignal	7,231 pA	4,586 pA
PE mittel Neutronensignal	7,231 - 6,227 = 1,004 pA	4,586 - 3,29 = 1,296 pA	1,29

Wie in der Tab. 3 gezeigt ist, wurde das Neutronensignal für ein Target aus Polyethylen mittlerer Größe in einem Detektorsystem ohne Abschirmung und mit einer Abschirmung aus Wolfram berechnet. Insbesondere wurden die Neutronensignale in jedem Fall errechnet, indem das Signal, das ohne Target (oder mit einem Leertarget) detektiert wurde, von dem Signal abgezogen wurde, das unter Verwendung eines Targets aus einem moderierenden Material detektierte wurde. Die Auslesung für das Detektorsystem ohne abschirmenden Quellenhalter (1.004 pA) war niedriger als die Auslesung für das Detektorsystem, welches einen abschirmenden Quellenhalter aus Wolfram hatte (1.296 pA). Darüber hinaus zeigen die Auslesungen, dass die Anzahl an Neutronen, die den Detektor treffen, mit einer Abschirmung aus Wolfram 1,29-mal höher ist als ohne. Die exemplarischen Ergebnisse zeigen erhöhte Hintergrundauslesungen in Detektorsystemen ohne abschirmenden Quellenhalter und verstärkte Neutronensignale in Detektorsystemen mit abschirmenden Quellenhaltern gemäß dieser Offenbarung.
Verfahren zum Messen von Neutronensignalen unter Verwendung von abschirmenden Quellenhaltern, wie den vorstehend beschriebenen, fallen ebenfalls in den Schutzbereich dieser Offenbarung. Insbesondere können Verbesserungen beim Erzeugen von Neutronensignalen, während gleichzeitig der Gammastrahlen-Hintergrund verringert wird, was durch abschirmende Quellenhalter verwirklicht wird, unter Verwendung eines dreiphasigen Experiments gemessen werden. In der ersten Phase wird für ein Detektorsystem mit einem abschirmenden Quellenhalter und ohne einen abschirmenden Quellenhalter der Hintergrund detektiert. Insbesondere kann der Hintergrund in einem Detektorsystem ohne Target oder alternativ mit einem Leertarget (d.h. ein Target aus einem Material ohne Wasserstoff) und mit einem abschirmenden Quellenhalter, der einen Abschnitt der Neutronenquelle umgibt, detektiert werden. Der abschirmende Quellenhalter kann dann entfernt werden und das Detektorsystem kann gereinigt werden. Der Hintergrund kann dann im gereinigten Detektorsystem, das keinen abschirmenden Quellenhalter aufweist, der die Neutronenquelle umgibt, detektiert werden. Es ist anzumerken ab, dass der Hintergrund in einem Detektorsystem mit einem abschirmenden Quellenhalter detektiert werden kann, bevor oder nachdem der Hintergrund in dem Detektorsystem ohne abschirmenden Quellenhalter detektiert wird/wurde.
In der zweiten Phase wird ein Targetmaterial aus einem Wasserstoff enthaltenden Material innerhalb des Detektorsystems angeordnet und das Gesamtsignal wird für das Detektorsystem mit und ohne den abschirmenden Quellenhalter gemessen. Insbesondere wird das Gesamtsignal für das Detektorsystem mit dem abschirmenden Quellenhalter gemessen, welcher in Phase eins verwendet wurde. Es ist anzumerken, dass das Gesamtsignal in dem Detektorsystem mit einem abschirmenden Quellenhalter gemessen werden kann, bevor oder nachdem das Gesamtsignal in dem Detektorsystem ohne einen abschirmenden Quellenhalter gemessen wird/wurde.
In der dritten Phase kann das Neutronensignal für das Detektorsystem mit und ohne einen abschirmenden Quellenhalter durch Subtrahieren des Hintergrundes vom Gesamtsignal bestimmt werden, welche in den Phasen eins beziehungsweise zwei gemessen wurden. Insbesondere kann das Neutronensignal für das Detektorsystem mit einem abschirmenden Quellenhalter durch Subtrahieren des Hintergrundes, der durch das Detektorsystem mit dem abschirmenden Quellenhalter in Phase eins gemessen wurde, vom Gesamtsignal, das durch das Detektorsystem mit dem abschirmenden Quellenhalter in Phase zwei gemessen wurde, bestimmt werden. Das Neutronensignal für das Detektorsystem ohne abschirmenden Quellenhalter kann durch Subtrahieren des Hintergrundes, der durch das Detektorsystem ohne abschirmenden Quellenhalter in Phase eins gemessen wurde, vom Gesamtsignal, dass durch das Detektorsystem ohne abschirmenden Quellenhalter in Phase zwei gemessen wurde, bestimmt werden.
Ein Detektorsystem, das für die vorstehend beschriebenen Verfahren verwendet wird, kann beispielsweise einen Ionenkammerdetektor, Proportionalzähler, Spaltkammern oder Szintillationsdetektoren umfassen. Insbesondere kann ein Detektorsystem oder ein Analysator Detektorsysteme umfassen, die zu verwendet werden, den Wasserstoffgehalt (d.h. die Feuchtigkeit) in einer Probe (Target) zu messen. Ein abschirmender Quellenhalter gemäß dieser Offenbarung aus einem abschirmenden Material, wie beispielsweise Blei oder Wolfram, kann ein unerwünschtes Hintergrundsignal unterdrücken und gleichzeitig den Neutronenfluss erhöhen, wodurch das nützliche Signal verstärkt wird.
Verstärkte Neutronensignale und somit ein höherer Neutronenfluss können es ermöglichen, dass weniger Zeit für die Detektierung und für die Feuchtigkeitsanalyse verwendet werden muss. Die Erfinder dieser Offenbarung haben herausgefunden, dass durch Verwenden von abschirmenden Quellenhaltern aus Wolfram verstärkte Neutronensignale erhalten werden können, während auch die Stärke des detektierten Hintergrundes verringert wird. Insbesondere umgeben abschirmende Quellenhalter teilweise eine Neutronenquelle, so dass Gammastrahlung, die aus der Neutronenquelle freigesetzt wird, vom Detektor abgehalten wird.

Claims

Verfahren zum Messen von Neutronensignalen, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Detektieren eines Hintergrundes in einem Detektorsystem (10), wobei das Detektorsystem (10) aufweist: einen Detektor (14); und eine Neutronenquelleneinheit (20) angrenzend an den Detektor (14), wobei die Neutronenquelleneinheit (20) aufweist: eine Neutronenquelle (11); und einen abschirmenden Quellenhalter (15), der so zwischen der Neutronenquelle (11) und dem Detektor (14) positioniert ist, dass die Neutronenquelleneinheit (20) in einer die Neutronenquelleneinheit (20) und den Detektor (14) schneidenden Ebene von dem Detektor (14) umgeben ist; Anordnen eines Targets (13) innerhalb des Detektorsystems (10) nach dem Detektieren des Hintergrundes; Messen eines Gesamtsignals für das Detektorsystem (10) mit dem Target (13) darin; und Bestimmen des Neutronensignals für das Detektorsystem (10); wobei das Verfahren weiter aufweist: das Messen von Neutronensignalen für das Detektorsystem (10) ohne den abschirmenden Quellenhalter (15), aufweisend: Detektieren von Hintergrund in dem Detektorsystem (10), wobei der abschirmende Quellenhalter (15) entfernt ist; Anordnen eines Targets (13) innerhalb des Detektorsystems (10) ; Messen des Gesamtsignals für das Detektorsystem (10) mit darin angeordnetem Target (13); und Bestimmen des Neutronensignals für das Detektorsystem (10), wobei das Bestimmen das Abziehen des Hintergrundes, der durch das Detektorsystem (10) detektiert wird, von dem Gesamtsignal, das durch das Detektorsystem (10) gemessen wird, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der abschirmende Quellenhalter (15) ein Material aufweist, das aus Blei und Wolfram ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Detektor (14) eine Ionenkammer umfasst, die mit einem Gas gefüllt ist, das aus He-3 und BF₃ ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Target (13) aus Wasser, Graphit, Alkohol, Öl, Koks, Eisenpellets, Kohlenwasserstoff, Polyethylen, Polypropylen und Polystyrol ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Detektieren des Hintergrundes im Detektorsystem (10) das Anordnen eines Leertargets in dem Detektorsystem (10) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5, weiter aufweisend das Entfernen des Leertargets.