DE102013004616A1

DE102013004616A1 - Verfahren zur minimalinvasiven Messung einer Strahlintensität

Info

Publication number: DE102013004616A1
Application number: DE102013004616.5A
Authority: DE
Inventors: Michael Monkenbusch; Olaf Holderer
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2013-03-15
Publication date: 2014-09-18
Anticipated expiration: 2033-03-16
Also published as: DE102013004616B4; WO2014139493A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Intensität eines Strahls unter geringer Beeinflussung desselben. Dabei wird ein im Strahlengang des Primärstrahls befindliches Targetmaterial durch den Primärstrahl zur Emission einer Sekundärstrahlung angeregt. Mit einem außerhalb des Strahlengangs des Primärstrahls angeordneten Detektor wird die Intensität dieser Sekundärstrahlung gemessen. Es wurde erkannt, dass durch die räumliche Trennung von Targetmaterial und Detektor eine hohe Genauigkeit und Effizienz der Messung einerseits und eine geringe Beeinflussung des Primärstrahls andererseits keine gegenläufigen Ziele mehr sind. Jedes Material, das zusätzlich in den Strahlengang des Primärstrahls eingebracht wird, beeinflusst den Primärstrahl und beeinträchtigt möglicherweise seine Verwendbarkeit für die eigentliche Anwendung. Indem nun der Detektor nicht mehr in diesem Strahlengang angeordnet sein muss, ist die Beeinflussung des Primärstrahls vorteilhaft minimiert. Die Freiheit bei der Platzierung des Detektors ist umso größer, je ungerichteter die Sekundärstrahlung emittiert wird. Durch die Anordnung des Detektors außerhalb des Strahlengangs des Primärstrahls kann vorteilhaft auch die Sensitivität der Messung, also der Messbereich, ohne Eingriff in den Strahlengang des Primärstrahls angepasst werden. Dazu muss lediglich der Detektor für die Sekundärstrahlung unempfindlicher gemacht werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Intensität eines Strahls unter geringer Beeinflussung desselben.
Stand der Technik
Strahlungsquellen, insbesondere Quellen für Teilchenstrahlen oder andere nicht-optische Strahlen, können in ihrer Intensität schwanken. Wenn mit der Strahlung Messungen durchgeführt werden, muss jedoch in der Regel die verwendete Intensität genau bekannt sein, um ein korrektes Ergebnis zu erzielen. Daher wird die Intensität der Strahlung kontinuierlich überwacht.
Hierzu kann beispielsweise mit einem Strahlteiler ein Teil der Strahlung aus dem Strahlengang ausgekoppelt und auf einen Detektor geleitet werden. Für optische Strahlung sind derartige Strahlteiler mit Teilungsverhältnissen bis zu 99:1 am Markt verfügbar. Damit lässt sich unter nur geringfügiger Beeinflussung des Primärstrahls dessen Intensität überwachen. Für Neutronenstrahlung ist die Überwachung der Intensität mit einem Strahlteiler nicht praktikabel, da viel zu viel Intensität verlorengeht.
Für die Überwachung der Intensität eines Neutronenstrahls werden daher üblicherweise Neutronenmonitore verwendet, in denen ein Teil der durchlaufenden Neutronen entweder direkt durch Einfangreaktionen ein Zählgas ionisiert oder Kerne, etwa Urankerne, spaltet, so dass die Spaltprodukte wiederum das Zählgas ionisieren. Die Ionisation wird elektrisch gemessen.
Nachteilig beanspruchen derartige Neutronenmonitore zuviel Platz im Strahlengang; dieser Platz ist an Messaufbauten für Neutronenstrahlung regelmäßig knapp. Zudem wird der primäre Neutronenstrahl durch Absorption, Streuung und Produktion von Gammaquanten beeinflusst.
Aufgabe und Lösung
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem die Intensität des Primärstrahls unter geringerer Beeinflussung des Primärstrahls und mit geringerem Platzverbrauch im Strahlengang des Primärstrahls gemessen werden kann als nach dem bisherigen Stand der Technik.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß Hauptanspruch. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Unteransprüchen.
Gegenstand der Erfindung
Im Rahmen der Erfindung wurde ein Verfahren zur Messung der Intensität eines Primärstrahls abseits der Strahlrichtung dieses Primärstrahls entwickelt. Dabei wird ein im Strahlengang des Primärstrahls befindliches Targetmaterial durch den Primärstrahl zur Emission einer Sekundärstrahlung angeregt. Mit einem außerhalb des Strahlengangs des Primärstrahls angeordneten Detektor wird die Intensität dieser Sekundärstrahlung gemessen.
Es wurde erkannt, dass durch die räumliche Trennung von Targetmaterial und Detektor eine hohe Genauigkeit und Effizienz der Messung einerseits und eine geringe Beeinflussung des Primärstrahls andererseits keine gegenläufigen Ziele mehr sind. Jedes Material, das zusätzlich in den Strahlengang des Primärstrahls eingebracht wird, beeinflusst den Primärstrahl und beeinträchtigt möglicherweise seine Verwendbarkeit für die eigentliche Anwendung. Indem nun der Detektor nicht mehr in diesem Strahlengang angeordnet sein muss, ist die Beeinflussung des Primärstrahls vorteilhaft minimiert. Die Freiheit bei der Platzierung des Detektors ist umso größer, je ungerichteter die Sekundärstrahlung emittiert wird. Vorteilhaft wird daher das Targetmaterial zur Emission einer isotropen Sekundärstrahlung angeregt.
Nach dem bisherigen Stand der Technik bestanden beispielsweise Neutronenmonitore aus einem Targetmaterial, das bei Neutronenbeschuss entweder direkt ionisiert wurde oder nach einer Kernreaktion ein Zählgas ionisierte, und einem elektrischen Detektor für die Ionisation. Targetmaterial und Detektor ließen sich hier nicht trennen, so dass eine gute Effizienz zwangsläufig mit einer größeren Baugröße und damit einer größeren Beeinflussung des Neutronenstrahls einherging.
Durch die Anordnung des Detektors außerhalb des Strahlengangs des Primärstrahls kann vorteilhaft auch die Sensitivität der Messung, also der Messbereich, ohne Eingriff in den Strahlengang des Primärstrahls angepasst werden. Dazu muss lediglich der Detektor für die Sekundärstrahlung unempfindlicher gemacht werden, beispielsweise indem zwischen das Targetmaterial und den Detektor ein Absorber für die Sekundärstrahlung eingebracht wird. Neutronenmonitore nach dem bisherigen Stand der Technik waren in ihrer Empfindlichkeit, beispielsweise durch den Druck des Zählgases, im Wesentlichen werksseitig festgelegt und konnten nur noch geringfügig angepasst werden, indem die Detektionsschwellen für die Signalauswertung oder die Versorgungshochspannung variiert wurden.
Die Beeinflussung des Primärstrahls und damit der nachgeschalteten Einrichtungen (etwa Versuchsaufbauten), die diesen Primärstrahl nutzen, kann vorteilhaft weiter verringert werden, indem das Targetmaterial zur Emission einer Sekundärstrahlung mit einer anderen Strahlungsart als die Strahlungsart des Primärstrahls angeregt wird. Wird etwa ein Neutronenstrahl als Primärstrahl gewählt, kann das Targetmaterial, beispielsweise Aluminium, zur Emission von Gammastrahlung angeregt werden. Indem Neutronen mit Materie anders wechselwirken als Gammaquanten, wird eine nachgeschaltete Einrichtung, die auf die Nutzung von Neutronen ausgelegt ist, in aller Regel nur sehr viel schwächer auf Gammaquanten sensitiv sein. Zudem wird die Gammastrahlung, insbesondere prompte Gammastrahlung, vom Targetmaterial isotrop in alle Richtungen emittiert. Damit ist die Intensität der Sekundärstrahlung in Richtung des Primärstrahls verschwindend gering gegenüber der Intensität des Primärstrahls.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Primärstrahl gewählt, der im Targetmaterial eine Ionisation und/oder eine Kernreaktion zu bewirken vermag. Ionisation bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Strahl aus Atomen oder Molekülen ein oder mehrere Elektronen entfernen kann, so dass ein positiver Rest zurückbleibt. Der Primärstrahl kann insbesondere ein Röntgenstrahl, ein Gammastrahl oder ein Teilchenstrahl sein. Je höher die Strahlenergie, desto schwieriger sind sowohl die Erzeugung einer hohen Strahlintensität als auch die Fertigung von Strahlteilern. Somit wird mit zunehmender Strahlenergie das Auskoppeln eines Teils des Primärstrahls mit einem Strahlteiler zu einer immer schlechteren Alternative. Gleichzeitig kann gerade höherenergetische Strahlung das Targetmaterial gut zu einer Sekundärstrahlung einer anderen Strahlungsart anregen. Insbesondere kann gerade die im Targetmaterial bewirkte Ionisation und/oder Kernreaktion das Targetmaterial zur Emission der Sekundärstrahlung anregen.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird Strahlung, die von der gleichen Strahlungsart ist wie die Sekundärstrahlung, aber nicht von der Einwirkung des Primärstrahls auf das Targetmaterial herrührt, durch ein Energiefilter vom Detektor ferngehalten. Insbesondere an einem mit Neutronenstrahlung betriebenen Versuchsaufbau gibt es viele Störquellen, die Gammastrahlung emittieren und das Messergebnis verfälschen könnten. Indem jedoch etwa die prompte Gammastrahlung, die beim Neutronenbeschuss von Aluminium entsteht, eine deutlich größere Energie aufweist als die Gammastrahlung aus den Störquellen, kann Letztere durch eine Filterung und Abschirmung des Detektors, etwa mit Blei, ausgeblendet werden. Blei zeichnet sich dadurch aus, dass sein Wirkungsquerschnitt für die Absorption von Gammastrahlung mit zunehmender Energie der Gammaquanten abnimmt. Es ist daher ein Energiefilter in dem Sinne, dass es die hochenergetische prompte Gammastrahlung deutlich besser durchlässt als die niederenergetische Gammastrahlung aus den Störquellen.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Messung ohne Eingriff in den Strahlengang des Primärstrahls durchgeführt, indem ein bereits aus anderen Gründen in diesem Strahlengang befindliches Material als Targetmaterial gewählt wird. Dann kann die Messung auch dann durchgeführt werden, wenn im Strahlengang des Primärstrahls überhaupt kein zusätzlicher Einbauraum für ein zusätzliches Messinstrument mehr frei ist. Beispielsweise sind die Strahlengänge von Versuchsaufbauten, die mit einem Neutronenstrahl als Primärstrahl betrieben werden, häufig extrem beengt, so dass ein Neutronenmonitor nach dem bisherigen Stand der Technik nicht verwendet werden kann. Im Strahlengang befinden sich jedoch häufig Komponenten, die unter Neutronenbeschuss zur Emission von Gammastrahlung angeregt werden, beispielsweise Aluminiumfenster. Indem die von diesen Komponenten ausgehende Gammastrahlung als Sekundärstrahlung verwendet wird, muss am Strahlengang des Primärstrahls nichts geändert werden. Er muss nicht einmal neu justiert werden.
Falls der Strahlengang keine Aluminiumfenster enthält, kann alternativ eine dünne Aluminium-Platte, beispielsweise von einigen 0,1 mm bis zu einigen mm Dicke, als Targetmaterial in den Strahlengang geschoben werden. Das ist dann zwar eine Beeinflussung des Primärstrahls, aber diese ist minimal.
Vorteilhaft wird mit einem zweiten Detektor für die Sekundärstrahlung, der von dem ersten Detektor und vom Strahlengang des Primärstrahls beabstandet ist, ein Untergrundsignal gemessen und das Messergebnis des ersten Detektors um dieses Untergrundsignal korrigiert. Insbesondere in Messhallen für Neutronenexperimente ist ein Untergrund an Gammastrahlung vorhanden, der das Messergebnis verfälschen könnte. Indem dieser Untergrund herauskorrigiert wird, beispielsweise indem das Signal des zweiten Detektors vom Signal des ersten Detektors abgezogen wird, wird die Genauigkeit verbessert.
Eine spezielle Ausführung der Messvorrichtung umfasst einen Rollwagen, auf dem der gesamte Messaufbau (1–2 Szintillationsmonitore mit zugehöriger Bleiabschirmung gegen Untergrund-Gammastrahlung sowie variabler Bleiabschirmung als Energiefilter für die prompte Gammastrahlung, mit der die Strahlintensität überwacht wird) untergebracht ist. Die variable Bleiabschirmung kann aus mehreren 2 cm dicken Bleiplatten bestehen, die einzeln vor das Eintrittsfenster des Szintillationsdetektors geschoben werden können. Bei 10 cm Abschirmungsdicke wiegt die Messvorrichtung insgesamt ca. 200–300 kg.
Spezieller Beschreibungsteil
Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung an Hand einer Figur erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung hierdurch beschränkt wird. Es ist gezeigt:
1: Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die durch den Neutronenleiter 1 fließende Neutronenintensität ist zu überwachen. Der Neutronenleiter enthält ein Aluminiumfenster 2. Dieses wird durch den Neutronenstrahl als Primärstrahl zur Emission sekundärer Gammastrahlung angeregt, die isotrop in alle Richtungen emittiert wird, so auch in Richtung des Detektors 3. Optional kann die Gammastrahlung in andere Richtungen durch eine in 1 nicht eingezeichnete zusätzliche Abschirmung absorbiert werden, damit sie nicht unkontrolliert ins Labor emittiert wird.
Der Detektor 3 enthält einen ersten Natrium-Iodid(Nal)-Kristall 31 mit 76 mm Durchmesser und 102 mm Höhe. Dieser wandelt eintreffende Gammaquanten in Lichtblitze um, die wiederum von einem Photomultiplier in elektrische Signale umgewandelt werden. Der Photomultiplier, dessen Hochspannungsversorgung und der Messverstärker für die Signale des Photomultipliers sind der Übersichtlichkeit halber nicht eingezeichnet. Der Nal-Szintillator 31 ist von einer Bleiabschirmung umgeben. Im dem Aluminiumfenster 2 unmittelbar zugewandten Bereich 32 ist diese 5 cm dick, so dass sie im Wesentlichen nur hochenergetische prompte Gammastrahlung, die durch den Neutronenbeschuss des Aluminiums angeregt wurde, passieren lässt. Dabei ist der Strahlengang für die prompte Gammastrahlung zwischen dem Aluminiumfenster 2 und dem Bereich 32 durch eine Kollimatorstruktur 33 aus Blei mit einer Dicke von günstigerweise 10 cm oder mehr eingefasst, damit keine Gammastrahlung aus Störquellen durch den vergleichsweise dünn abgeschirmten Bereich 32 zum Nal-Detektor 31 gelangt.
Der Detektor 3 enthält noch einen zweiten Nal-Kristall 34, der mit dem ersten Nal-Kristall 31 baugleich ist und von diesem durch eine Bleiwand 35 mit einer Dicke von günstigerweise 10 cm oder mehr getrennt ist. Die Kristalle 31 und 34 sind ringsum bis auf den Bereich der dünnen Abschirmung 32 und der Kollimatorstruktur 33 mit einer dickeren Abschirmung (günstigerweise 10 cm oder mehr) 36 umgeben, die als Schutz gegen Störstrahlung dient. Durch diese Abschirmung hindurch sind die Signalleitungen von den Kristallen 31 und 34 zum Zähler 37 geführt. Jedes vom Kristall 31 registrierte Ereignis erhöht dessen Zählerstand um 1. Jedes vom Kristall 34 registrierte Ereignis vermindert dagegen den Zählerstand um 1, da es nur von Gammastrahlung aus Störquellen herrühren kann.
Diese Ausführungsform des Detektors wurde am J-NSE-Instrument am Forschungsreaktor FRM-II in Garching getestet und erreichte ohne Eingriff in den Strahlengang eine Zählstatistik einschließlich Schwankungen, die der eines konventionellen Neutronenmonitors mit BF₃ als Zählgas entsprach.

Claims

Verfahren zur Messung der Intensität eines Primärstrahls abseits der Strahlrichtung dieses Primärstrahls, dadurch gekennzeichnet, dass ein im Strahlengang des Primärstrahls befindliches Targetmaterial durch den Primärstrahl zur Emission einer Sekundärstrahlung angeregt wird und die Intensität dieser Sekundärstrahlung mit einem außerhalb des Strahlengangs des Primärstrahls angeordneten Detektor gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Targetmaterial zur Emission einer Sekundärstrahlung mit einer anderen Strahlungsart als die Strahlungsart des Primärstrahls angeregt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Primärstrahl gewählt wird, der im Targetmaterial eine Ionisation und/oder eine Kernreaktion zu bewirken vermag.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Targetmaterial zur Emission einer isotropen Sekundärstrahlung angeregt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Neutronenstrahl als Primärstrahl gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Aluminium als Targetmaterial gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Targetmaterial zur Emission von Gammastrahlung angeregt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Strahlung, die von der gleichen Strahlungsart ist wie die Sekundärstrahlung, aber nicht von der Einwirkung des Primärstrahls auf das Targetmaterial herrührt, durch ein Energiefilter vom Detektor ferngehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung ohne Eingriff in den Strahlengang des Primärstrahls durchgeführt wird, indem ein bereits aus anderen Gründen in diesem Strahlengang befindliches Material als Targetmaterial gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem zweiten Detektor für die Sekundärstrahlung, der von dem ersten Detektor und vom Strahlengang des Primärstrahls beabstandet ist, ein Untergrundsignal gemessen und das Messergebnis des ersten Detektors um dieses Untergrundsignal korrigiert wird.