-
Die Erfindung betrifft ein Messsystem zur Online-Messung und Spektralanalyse von ionisierender Strahlung, insbesondere Gammastrahlung, mit Hilfe spektroskopischer Detektoren.
-
Radioaktive Messsonden zur Erfassung ionisierender Strahlung werden beispielsweise in landesweiten Messnetzen oder in Messringen um kerntechnische Anlagen eingesetzt. Sie wurden nach den Reaktorunfällen der vergangenen Jahre sowohl seitens der Kernkraftwerksbetreiber wie auch seitens staatlicher Behörden immer weiter ausgebaut, um nach einem kerntechnischen Störfall die nukleare Gefährdung schnell und präzise erfassen zu können. Bei den bekannten Messsystemen handelt es sich in der Regel um stationäre oder semistationäre Online-Messsysteme, die autonom unter nahezu allen Umweltbedingungen arbeiten. Die Messdaten sind in der Regel online abrufbar.
-
Radioaktive Messsysteme für die Überwachung kerntechnischer Störfälle müssen in der Lage sein, Strahlungswerte zu messen, die weit über denen der Umgebungsstrahlung liegen. Die aus dem Stand der Technik bekannten γ-spektroskopischen Messsysteme erfüllen diese Anforderungen nicht, da ihr Messbereich bei Werten von rund 1 mSv/h endet. Im Stand der Technik werden daher meist reine ODL-Messsysteme (ODL: Ortsdosisleistung) eingesetzt, die die Gammastrahlung integral messen und einen akkumulierten Gesamtwert für die Strahlungsdosis liefern. Es ist jedoch nicht möglich, wie bei spektroskopischen Messsystemen, eine Information über die Energieverteilung der Gammastrahlung zu erhalten und insbesondere einen Nuklid-Vektor zu bestimmen. Gerade bei einem kerntechnischen Störfall wäre aber die Kenntnis des Nuklid-Vektors wichtig, um bereits geringe aus künstlichen Nukliden resultierende Strahlungswerte vor dem Hintergrund der stark schwankenden Strahlungswerte von natürlichen Ursprungs erkennen zu können, Prognosen über die weitere Strahlungsentwicklung erstellen und fundierte Entscheidungen über die einzuleitenden Maßnahmen treffen zu können.
-
Bekannte γ-Spektrometer, die aktuell in der Umweltüberwachung eingesetzt werden, haben einen Messbereich von bis zu etwa 1 mSv/h. Bei kerntechnischen Unfällen können aber Dosisleistungswerte von 10 mSv/h und mehr erreicht werden, so dass gerade in solchen Fällen keine Informationen über die Nuklidverteilung der Strahlung erfasst werden können, da der Detektor gesättigt ist.
-
Die US 2015 / 0 041 651 A1 offenbart ein Messsystem zum Messen von Gammastrahlung mit mehreren Strahlungsdetektoren, die verschiedene Messbereiche abdecken. Ein Niederdosis-Detektor, der einen niedrigen Messbereich aufweist, ist dabei als γ-Spektrometer und ein Hochdosis-Detektor, der einen höheren Messbereich aufweist, als Geiger-Müller-Zähler ausgeführt.
-
Aus der US 2007 / 0 045 546 A1 ist ebenfalls ein Messsystem zum Messen ionisierender Strahlung bekannt, das einen Niederdosis-Detektor und einen Hochdosis-Detektor aufweist, die verschiedene Messbereiche abdecken. Das Messsystem umfasst außerdem eine Umschalteinheit, mit der zwischen dem Niederdosis-Detektor und dem Hochdosis-Detektor umgeschaltet werden kann, wenn bestimmte Schwellenwerte über- oder unterschritten werden.
-
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein spektroskopisches Messsystem zum Messen ionisierender Strahlung zu schaffen, das einen wesentlich höheren Messbereich aufweist und das insbesondere auch für die autonome Umweltüberwachung bei kerntechnischen Störfällen eingesetzt werden kann. Das vom erfindungsgemäßen Messsystem gelieferte Spektrum sollte dabei über den gesamten Messbereich auf Nuklide analysierbar sein, möglichst mit einer Energieauflösung von 8% bei 662 keV oder besser.
-
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
-
Gemäß der Erfindung wird ein Messsystem zum Messen ionisierender Strahlung, insbesondere Gammastrahlung, vorgeschlagen, das einen spektroskopischen Niederdosis-Detektor, der einen niedrigeren Messbereich aufweist, und einen spektroskopischen Hochdosis-Detektor, der einen höheren Messbereich aufweist, umfasst, wobei sich die Messbereiche beider Detektoren überlappen und der Niederdosis-Detektor und der Hochdosis-Detektor jeweils elektrische Pulse erzeugen, die proportional zur Energie der absorbierten Photonen sind. Das erfindungsgemäße Messsystem umfasst ferner einen Vielkanalanalysator, dessen Eingang wahlweise zwischen dem Niederdosis-Detektor oder dem Hochdosis-Detektor umschaltbar ist, sodass wahlweise die vom Niederdosis-Detektor oder die vom Hochdosis-Detektor erzeugten Pulse verarbeitet werden. Eine Umschalteinheit schaltet den Eingang des Vielkanalanalysators vom Niederdosis-Detektor auf den Hochdosis-Detektor, wenn die gemessene Strahlendosis einen ersten, höheren Schwellenwert überschreitet, und schaltet den Eingang vom Hochdosis-Detektor auf den Niederdosis-Detektor, wenn die gemessene Strahlendosis oder ein dazu proportionaler Wert einen zweiten, niedrigeren Schwellenwert unterschreitet. Ein solches Messsystem mit wenigstens zwei spektroskopischen Detektoren, die jeweils einen unterschiedlichen Messbereich aufweisen, kann optimal für die Umweltüberwachung kerntechnischer Anlagen eingesetzt werden. Aufgrund der spektroskopischen Detektoren bietet das System sämtliche Vorteile einer spektroskopischen Auswertung für einen weiten Messbereich beginnend bei Werten deutlich unterhalb der natürlichen Umgebungsstrahlung bis zu Werten von 100 mSv/h.
-
Die genannten spektroskopischen Detektoren können z. B. Halbleiter-Detektoren oder Szintillatoren sein. Bei einem Halbleiter-Detektor wird die vom Detektormaterial absorbierte Energie der γ-Photonen direkt in elektrische Pulse gewandelt. Bei einem Szintillator regt die absorbierte Energie der γ-Photonen das Material zur Lumineszenz an. Diese Lumineszenz kann mit lichtempfindlichen Detektoren, wie z. B. Photomultipliern oder Photodioden in elektrische Pulse gewandelt werden. Bei beiden Detektorarten ist das erzeugte Signal proportional zur absorbierten Energie der γ-Photonen.
-
Das Ausgangssignal des Niederdosis- oder des Hochdosis-Detektors wird, wie vorstehend erwähnt, mit Hilfe eines Vielkanalanalysators verarbeitet. Bekannte Vielkanalanalysatoren haben in der Regel etwa 2000 bis 8000 Kanäle zum Aufzeichnen eines γ-Spektrums von z. B. 30 keV bis 3000 keV, so dass die spektrale Auflösung durch die Auflösung des Detektors und nicht durch den Vielkanalanalysator bestimmt wird.
-
Die eingangs genannten Schaltschwellen, bei denen der Eingang des Vielkanalanalysators vom Niederdosis-Detektor auf den Hochdosis-Detektor bzw. umgekehrt, umgeschaltet wird, liegen wenigstens 50 µSv/h auseinander. Dadurch wird vermieden, dass die Messsonde bei Strahlungsdosen, die im Bereich eines der Schwellenwerte liegen, ständig zwischen den beiden Detektoren hin und her schaltet.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden der Niederdosis- und der Hochdosis-Detektor so ausgewählt, dass sich deren Messbereiche um wenigstens 10% bezogen auf den Messbereich des Niederdosis-Detektors überlappen. Die Messbereiche der beiden Detektoren können sich aber auch um 40% oder 50% überlappen.
-
Wahlweise kann das Messsystem auch mit mehr als zwei spektroskopischen Detektoren ausgestattet sein. In diesem Fall gelten die vorstehend genannten Maßnahmen und Einstellungen sinngemäß.
-
Spektroskopische Detektoren zeigen üblicherweise ein temperaturabhängiges Verhalten. Daher ist es gerade beim Einsatz in der Umweltüberwachung unumgänglich, die auftretenden Temperaturschwankungen zu kompensieren. Da die Messsysteme in der Regel autark, d. h. ohne Anschluss an ein Stromnetz arbeiten, soll keine aktive Heizung oder Kühlung der Detektoren verwendet werden. Gemäß der Erfindung wird daher vorgeschlagen, die Detektoren anhand von Temperaturtabellen zu kalibrieren und das Messergebnis entsprechend zu korrigieren. Alternativ oder zusätzlich kann das gemessene Spektrum auch auf bekannte Referenz-Peaks abgeglichen werden, wie z. B. auf Peaks, die durch bekannte Nuklide in der natürlichen Umgebungsstrahlung erzeugt werden.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Hochdosis-Detektor, nachdem das Messsystem vom Niederdosis-Detektor auf den Hochdosis-Detektor umgeschaltet hat, unter Berücksichtigung einer spektralen Information kalibriert, die aus der vorhergehenden, mit dem Niederdosis-Detektor durchgeführten Messung, bekannt ist. Bei der spektralen Information kann es sich z. B. um einen Messwert, insbesondere einen Peak, handeln, der bei einem bestimmten Energiewert auftritt. Diese Maßnahme beruht auf der Überlegung, dass das vom Hochdosis-Detektor gemessene Spektrum beim Energiewert eines bestimmten Peaks, der zuvor vom Niederdosis-Detektor gemessen wurde, ebenfalls einen Peak anzeigen sollte. Diese Art der Kalibrierung kann grundsätzlich unabhängig von oder zusätzlich zu den vorstehend genannten Kalibriermaßnahmen verwendet werden.
-
Der Messbereich des Niederdosis-Detektors kann beispielsweise zwischen 1 nSv/h und 100 µSv/h betragen. Der Messbereich des Hochdosis-Detektors kann z. B. zwischen 50 µSv/h und 100 mSv/h liegen. Die Messbereiche der beiden Detektoren überlappen sich in diesem Beispiel um etwa 50% des Messbereichs des Niederdosis-Detektors.
-
Figurenliste
-
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine beispielhafte Architektur eines erfindungsgemäßen spektroskopischen Messsystems für die Messung von Gammastrahlung mit einem Niederdosis-Detektor und einem Hochdosis-Detektor;
- 2 ein typisches Energiespektrum, wie es von dem in 1 dargestellten Messsystem gemessen wird;
- 3 ein schematisches Flussdiagramm zur Darstellung der Betriebsweise des spektroskopischen Messsystems von 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
- 4a, 4b eine zeitliche Darstellung des Schaltverhaltens des spektroskopischen Messsystems von 1.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Messsystems 1 für die Messung ionisierender Strahlung, insbesondere Gammastrahlung, wie es beispielsweise für die Umweltüberwachung verwendet werden kann. Das dargestellte Messsystem 1 umfasst hier zwei spektroskopische Detektoren, nämlich einen Niederdosis-Detektor 2 mit einem niedrigeren Messbereich und einen Hochdosis-Detektor 3 mit einem höheren Messbereich. Alternativ könnten natürlich auch mehr als 2 Detektoren am Vielkanalanalysator (MCA) 4 angeschlossen sein.
-
Bei den Detektoren 2, 3 handelt es sich in diesem Beispiel um Szintillatoren 8. Wird ein Photon von einem der Szintillatoren 8 absorbiert, regt die absorbierte Energie des γ-Photons das Material zur Lumineszenz an. Diese Lumineszenz wird dann mittels eines lichtempfindlichen Detektors 9, wie z. B. eines Photomultipliers in elektrische Pulse gewandelt. Das von den Detektoren 2, 3 erzeugte Signal ist dabei proportional zur absorbierten Energie des γ-Photons.
-
Der Niederdosis-Detektor 2 und der Hochdosis-Detektor 3 sind mit einem Vielkanalanalysator 4 verbunden, der die von den Detektoren 2, 3 erzeugten elektrischen Pulse verarbeitet und aufzeichnet. Der Vielkanalanalysator 4 kann beispielsweise 2000 Kanäle aufweisen, um ein γ-Spektrum von 30 keV bis 3000 keV aufzuzeichnen.
-
Außerdem ist eine Umschalteinheit 6 vorgesehen, mit der der Eingang des Vielkanalanalysators 4 zwischen dem Niederdosis-Detektor 2 und dem Hochdosis-Detektor 3 hin und her geschaltet werden kann. Je nach Einstellung verarbeitet der Vielkanalanalysator 4 wahlweise nur die elektrischen Ausgangspulse des Niederdosis-Detektors 2 oder nur diejenigen des Hochdosis-Detektors 3.
-
Die genannte Umschalteinheit 6 wird von einer dem Vielkanalanalysator 4 nachgeordneten Auswerteeinheit 5 in Abhängigkeit von der Strahlendosis gesteuert. Im dargestellten Beispiel schaltet die Einheit 6 den Eingang des Vielkanalanalysators 4 vom Niederdosis-Detektor 2 auf den Hochdosis-Detektor 3, wenn die gemessene Strahlendosis einen ersten, höheren Schwellenwert SW1 überschreitet. Sobald die Strahlendosis einen zweiten, niedrigeren Schwellenwert SW2 unterschreitet, wird der Eingang des Vielkanalanalysators 4 wieder auf den Niederdosis-Detektor 2 umgeschaltet. Zum Zwecke der Detektorauswahl bzw. des Umschaltens wird vorzugsweise die Dosisleistung herangezogen (gemessen in Sv/h). Wahlweise könnte aber auch eine andere Messgröße herangezogen werden, wie z. B. die von den Detektoren 2 oder 3 gelieferte elektrische Pulsrate, eine Totzeit des Vielkanalanalysators 4 oder eine andere Messgröße die proportional zur Dosisleistung ist.
-
Die vom Vielkanalanalysator 4 aufgezeichneten Energiewerte werden schließlich von einer Auswerteeinheit 5 verarbeitet, die z. B. eine Dosisleistung, eine Hüllkurve oder eine andere Kenngröße ermitteln kann.
-
Zur Kalibrierung der Messwerte der beiden Detektoren 2, 3 ist ferner eine Kalibriereinheit 7 vorgesehen. Die Kalibrierung kann z. B. mit Hilfe von Temperaturtabellen oder bekannten Referenzwerten von Nukliden aus der natürlichen Hintergrundstrahlung erfolgen.
-
2 zeigt ein typisches Spektrum, wie es von einem Messsystem entsprechend 1 erzeugt wird. In dem dargestellten Spektrum sind Zählwerte (genauer die Wurzel der Zählwerte) über der Photonenenergie in keV aufgetragen. Wie zu erkennen ist, zeigt das Spektrum an mehreren Energiewerten ausgeprägte Peaks, die von bestimmten Nukliden erzeugt werden.
-
3 zeigt ein schematisches Flussdiagramm verschiedener Verfahrensschritte im Betrieb des Messsystems von 1. Dabei wird in Schritt S1 das Messsystem eingeschaltet und mittels des Niederdosis-Detektors 2 eine Messung der Radioaktivität durchgeführt. In Schritt S2 wird der Anodenstrom des Niederdosis-Detektors 2 gemessen und in Schritt S3 überprüft, ob sich der Niederdosis-Detektor 2 in der Sättigung befindet oder nicht. Anstelle der Messung des Anodenstroms könnte auch die Dosisleistung oder eine andere proportionale Größe überwacht und mit einem entsprechenden Schwellenwert verglichen werden.
-
Falls sich der Niederdosis-Detektor 2 nicht in der Sättigung befindet (linker Pfad „Nein“), wird der Niederdosis-Detektor 2 in Schritt S4 initialisiert und für die weitere Strahlungsmessung verwendet. Der Vielkanalanalysator 4 von 1 verarbeitet in diesem Fall ausschließlich die Ausgangspulse des Niederdosis-Detektors 2. In Schritt S5 wird der Niederdosis-Detektor 2 dann Energiekalibriert; in Schritt S6 folgt die Auswertung des Spektrums mittels der Auswerteeinheit 5.
-
Während die Strahlungsmessung mit dem Niederdosis-Detektor 2 durchgeführt wird, wird in Schritt 7 regelmäßig überprüft, ob die Dosisleistung der Strahlung einen vorgegebenen ersten Schwellenwert SW1 überschreitet. Solange der Schwellenwert SW1 nicht überschritten wird (linker Pfad „Nein“), verzweigt das Verfahren zurück zu Schritt S4 und die Strahlungsmessung wird mittels des Niederdosis-Detektors 2 fortgeführt. Sobald die Strahlendosis den Schwellenwert SW1 überschreitet, schaltet die Umschalteinheit 6 den Eingang des Vielkanalanalysators 4 um auf den Hochdosis-Detektor 3 (Schritt S8).
-
Die Strahlungsmessung erfolgt nun mittels des Hochdosis-Detektors 3 in Schritt S10. Im nachfolgenden Schritt S11 wird der Hochdosis-Detektor 3 kalibriert. Hierzu können in bekannter Weise Temperaturtabellen oder Referenzpeaks bekannter Nuklide aus der natürlichen Hintergrundstrahlung herangezogen werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird zusätzlich eine spektrale Information, wie z. B. der Energiewert eines oder mehrerer Peaks, die aus der vorhergehenden, mit dem Niederdosis-Detektor 2 durchgeführten Messung bekannt sind, für die Kalibrierung des Hochdosis-Detektors 3 genutzt.
-
Die genannten Informationen werden an eine Kalibriereinheit 7 übertragen (siehe gestrichelte Linie zwischen Schritt S8 und S11), die dann die Kalibrierung in Schritt S11 durchführt. Die Kalibriereinheit 7 kann z. B. als Software ausgeführt sein, die auf einem Mikrocontroller läuft. Nach erfolgreicher Kalibrierung sollte das vom Hochdosis-Detektor 3 gemessene Spektrum einen Peak bei demselben Energiewert zeigen, wie das zuvor mittels Niederdosis-Detektor 2 gemessene Spektrum. In Schritt S12 folgt dann die Auswertung und ggf. die Anzeige des Spektrums.
-
Die Messung mit Hilfe des Hochdosis-Detektors 3 wird so lange durchgeführt, bis die Dosisleistung oder eine dazu proportionale Größe einen vorgegebenen zweiten Schwellenwert SW2 unterschreitet. Die Überwachung der Dosisleistung erfolgt in Schritt S12. Falls die Dosisleistung den zweiten Schwellenwert SW2 unterschreitet, schaltet die Schalteinrichtung 6 den Eingang des Vielkanalanalysatro 4 zurück auf den Niederdosis-Detektor 2 (Schritt S14). Das Verfahren verzweigt dann zurück zu Schritt S4, und das Spektrum wird vom Niederdosis-Detektor 2 gemessen. Falls die Dosisleistung in Schritt S13 den zweiten Schwellenwert SW2 nicht unterschreitet, verzweigt das Verfahren zurück zu Schritt S10, und das Spektrum wird vom Hochdosis-Detektor 3 gemessen.
-
Sofern der Anodenstrom bereits nach dem Einschalten des Messsystems oberhalb der vorgegebenen Schwelle liegt (Abfrage in Schritt S3), wird unmittelbar auf den Hochdosis-Detektor 3 umgeschaltet, wie in Schritt S9 gezeigt ist. In Schritt S10 wird dann das Spektrum mit Hilfe des Hochdosis-Detektors 3 gemessen. In diesem Fall liegt dann allerdings noch keine spektrale Information aus der Messung mit dem Niederdosis-Detektor 2 vor, so dass die Kalibrierung ohne diese Information erfolgen muss. In Schritt S12 wird schließlich das gemessene Spektrum analysiert, nach Nutzervorgaben aufbereitet und kann schließlich auf einer Anzeigeeinrichtung angezeigt werden.
-
In Schritt S13 wird überprüft, ob die Dosisleistung einen zweiten Schwellenwert SW2 unterschreitet. Falls ja, wird der Eingang des Vielkanalanalysators 4 wieder auf den Niederdosis-Detektor 2 umgeschaltet (Schritt S14). Danach erfolgt wiederum eine Messung des Spektrums mit Hilfe des Niederdosis-Detektors 2 in Schritt S4, gefolgt von den Schritten S5 und S6.
-
Die 4a und 4b zeigen schließlich noch das Umschaltverhalten zwischen dem Niederdosis-Detektor 2 und dem Hochdosis-Detektor 3 in Abhängigkeit von der gemessenen Dosisleistung D. 4a zeigt dabei das Umschalten vom Niederdosis-Detektor 2 auf den Hochdosis-Detektor 3, und 4b das Umschalten vom Hochdosis-Detektor 3 auf den Niederdosis-Detektor 2.
-
Zum Zeitpunkt t0 wird der Niederdosis-Detektor 2 eingeschaltet (entsprechend Schritt S1 von 3) und das Spektrum aufgrund einer relativ niedrigen Dosisleistung D mittels des Niederdosis-Detektors 2 gemessen (Schritt S4). Ab dem Zeitpunkt t1 steigt die Dosisleistung an und überschreitet zum Zeitpunkt t2 eine erste Umschaltschwelle SW1. Entsprechend Schritt S7 von 3 wird in diesem Fall festgestellt, dass die Dosisleistung D den oberen Schwellenwert SW1 überschritten hat, und in Schritt S8 wird der Eingang des Vielkanalanalysators 4 dann auf den Hochdosis-Detektor 3 umgeschaltet. Die Dosisleistung D bleibt danach konstant bis zum Zeitpunkt t3, wonach sie leicht abfällt und den oberen Schwellenwert SW1 unterschreitet. Sie sinkt allerdings nicht unter den unteren Schwellenwert SW2 (Abfrage in Schritt S13 von 3). Der Vielkanalanalysator 4 wird daher noch nicht auf den Niederdosis-Detektor 2 umgeschaltet. Erst zum Zeitpunkt t4 unterschreitet die Dosisleistung D auch den unteren Schwellenwert SW2. Dies wird wiederum in Schritt S13 von 3 erkannt, wonach der Eingang des Vielkanalanalysators 4 auf den Niederdosis-Detektor 2 umgeschaltet wird (Schritt S14).
-
4b zeigt das Umschalten vom Hochdosis-Detektor 3 auf den Niederdosis-Detektor 2 bei einer anfangs hohen Dosisleistung. In diesem Fall wird wiederum zum Zeitpunkt t0 das Messsystem eingeschaltet (Schritt S1) und in Schritt S2 überprüft, ob sich der Niederdosis-Detektor 2 in der Sättigung befindet. Im Beispiel von 4b ist die Dosisleistung D so hoch, so dass sich der Niederdosis-Detektor 2 in der Sättigung befindet. Das Messsystem schaltet daher auf den Hochdosis-Detektor 3 um. Im Folgenden wird dann die Messung mit Hilfe des Hochdosis-Detektors 3 durchgeführt.
-
Im Zeitpunkt t1 unterschreitet die Dosisleistung den oberen Schwellenwert SW1, bleibt aber oberhalb des zweiten Schwellenwerts SW2. Erst zum Zeitpunkt t2 unterschreitet die Dosisleistung D auch den unteren Schwellenwert SW2. Dies wird wiederum in Schritt S13 von 3 erkannt und entsprechend auf den Niederdosis-Detektor 2 umgeschaltet. Im weiteren Verlauf wird dann die Messung des Spektrums mit Hilfe des Niederdosis-Detektors 2 durchgeführt.
-
Das Umschalten zwischen den einzelnen Detektoren macht das vorstehend beschriebene Messsystem sehr energieeffizient, so dass es auch für eine autarke Umweltmessung eingesetzt werden kann.
