DE1039143B

DE1039143B - Kompensierte Ionisierungskammer

Info

Publication number: DE1039143B
Application number: DEC15247A
Authority: DE
Inventors: Jacky Weill
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1956-08-02
Filing date: 1957-07-31
Publication date: 1958-09-18
Also published as: FR1157113A; CH345083A; GB821188A; US2962614A; BE559516A

Description

Die Erfindung betrifft eine kompensierte Ionisierungskammer zur Feststellung und/oder Messung des Neutronenflusses, insbesondere in Kernreaktoren, in Gegenwart anderer ionisierender Strahlen, z. B. y-Strahlen.

Derartige Kammern weisen wenigstens zwei von dem zu untersuchenden Fluß durchströmte getrennte Hauptvolumina auf, von denen nur eines für den Neutronenfluß empfindlich ist, während das andere, das sogenannte Kompensationsvolumen nur für die anderen Strahlungen empfindlich und so ausgebildet ist, daß es die störende Wirkung dieser anderen Strahlungen kompensiert.

Die Erfindung bezweckt, derartige Kammern so auszubilden, daß die Kompensation dieser Störwirkung verbessert wird.

Hierfür enthält eine derartige Kammer außer den obigen Hauptvolumen erfindungsgemäß wenigstens ein weiteres Hilfskompensationsvolumen, dessen Größe leicht und genau so einstellbar ist, daß die von dem Aufbau oder von während des Betriebs möglichen teilweisen Beschädigungen der Kammer herrührende Unvollkommeriheit der Kompensation der Störwirkung beseitigbar ist.

Es sei zunächst daran erinnert, daß zur Überwachung des Neutronenflusses von Kernreaktoren im allgemeinen Ionisierungskammern benutzt werden, deren Wände mit einem Stoff überzogen sind, welcher unter der Einwirkung der Bestrahlung sich umwandelt und eine ionisierende Strahlung liefert, welche durch die Kammer registriert werden kann.

So erfolgt z. B. die Überwachung der Reaktoren mit thermischen Neutronen mit Hilfe von mit Bor 10 überzogenen Kammern. Unter der Einwirkung der Neutronenstrahlung erzeugt die Borschicht eine α-Strahlung entsprechend der Gleichung:

¹¹^B + Jn + j Ii + iUe

Das α-Teilchen wird in der Kammer gemäß dem üblichen Verfahren registriert.

Gleichzeitig mit den Neutronen ist insbesondere in dem Meiler eine ^'-Strahlung vorhanden, welche von den in ihm enthaltenen Produkten herrührt, insbesondere den Spaltprodukten. Diese /-Strahlung erzeugt in der Kammer einen Ionisierungsstrom, welcher bei einem Betrieb mit hoher Leistung in einem Verhältnis von 10—² bis 10~³ zu dem von den Neutronen herrührenden Ionisierungsstrom stehen kann.

Bei einer bedeutenden Leistungsabsenkung und beim Anlassen ändert sich dieses Verhältnis, da die ^-Aktivität ziemlich lange bestehenbleibt. Es kann in gewissen Fällen in die Nähe von eins kommen. Es entsteht dann ein bedeutender Fehler bei der Bestimmung der Neutronenleistung des Meilers.

Kompensierte Ionisierungskammer

Anmelder:
Commissariat a l'Energie Atomique, Paris

Vertreter: Dr. phil. W. P. Radt, Patentanwalt,
Bochum, Heinrich-König-Str. 12

Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 2. August 1956

Jacky Weill, Saint-Cloud, Seine-et-Oise (Frankreich), ist als Erfinder genannt worden

Es sind bereits mehrere Lösungen vorgeschlagen worden, um diesem Nachteil abzuhelfen.

So sind z. B. Impulskammern vorgeschlagen worden, welche entweder mit Zerfall (z. B. mit Bor 10 für die thermischen Neutronen) oder mit Spaltung (z. B. mit L^Tran 235) arbeiten und mit Amplitudendiskriminatoren kombiniert sind, welche vor der Zählung die von den y-Strahlen herrührenden Impulse eliminieren. Diese beiden Methoden sind wirksam, erfordern aber eine umfangreiche heikle Apparatur und die Entfernung der Detektoren während des Betriebes des Reaktors mit voller Leistung, um ihre Aktivierung und sogar ihre Zerstörung zu verhindern.

Gemäß einem anderen Vorschlag werden die mit Bor 10 versehenen Kammern mit Wismutschirmen ausgerüstet, welche einen großen Wirkungsquerschnitt für die 7-Strahlen und einen kleineren Wirkungsquerschnitt für die Neutronen haben.

Schließlich werden noch kompensierte Kammern verwendet, welche im wesentlichen durch als Elektroden dienende parallele Platten gebildet werden, deren Prinzipschema in Fig. 1 dargestellt ist.

Die Platten 1, 2, 3, 4, 5. 6, 7 sind so angeordnet, daß die mit der Sammelelektrode 10 verbundenen, nämlich die Platten 2, 4 und 6 je zwischen zwei anderen Platten liegen, von denen die eine, 3 und 7, eine positive Hochspannungselektrode ( + ) bildet, welche mit einer nicht dargestellten Spannungsquelle durch einen Leiter 8 verbunden ist, während die andere, 1 und 5, eine negative Hochspannungselektrode ( —) bildet, welche mit der nicht dargestellten Spannungsquelle durch den Leiter 9 verbunden ist.

809 638/328

So liegt in Fig. 1 die Platte 2 zwischen der mit der negativen Hochspannung verbundenen Platte 1 und der mit der positiven Hochspannung verbundenen Platte 3: die Platte 4 liegt zwischen den Platten 3 ( + ) und 5 (—), und die Platte 6 liegt zwischen dt π Platten 5 (—) und 7 ( + ).

Die mit der positiven Hochspannung bzw. mit der negativen Hochspannung verbundenen Platten bestimmen zusammen mit der zwischen ihnen angeordneten Sammelplatte zwei Volumina oder EIementarionisierungskammern. in welchen die Ionisierungsströme entgegengesetzte Vorzeichen haben. Der an der Sammelplatte aufgefangene Strom stellt die Differenz zwischen den Ion.isierungsströmen der beiden Elemetarkammern dar.

Da die einander gegenüberliegenden Flächen der Platten 2 und 3. 3 und 4. 6 und 7. welche die Hälfte der Elementarkammern I, II, III bilden, mit gestrichelt dargestelltem Bor 10 ül>erzogen sind, erhält man an der Sammelelektrode 10 einen Strom, welcher die Summe des zu der Zahl der Zerf al !vorgänge, d. h. dem Neutronenfluß, proportionalen Stroms /„ und des zu der ,—Strahlung proportionalen Stroms /.. ist, d. h.:

I_n +1₇.

Die andere Hälfte dieser Kammern, welche kein Bor enthält, ergibt nur einen Strom /...
Der aufgefangene Strom ist daher:

vorausgesetzt, daß sich die Ströme /_;. der l>eiden Hälften der Kammern genau ausgleichen.

Zwei Elementarionisierungskammern oder Elementarvolumen, welche die gleiche Sammelplatte enthalten, bilden eine kompensierte Elementarkammer der bei I, II oder III dargestellten Art.

Die gesamte in Fig. 1 dargestellte Kammer besteht aus drei ü1>ereinanderliegenden kompensierten Elementarkammern I, II, III, wobei nur die dritte Kammer unmittelbar dem durch parallele Pfeile an dem unteren Teil der Fig. 1 angegebenen Neutronenfluß ausgesetzt ist. Infolge der Absorption der Neutronen in den aufeinanderfolgenden Borschichten ist es nicht zweckmäßig, die Zahl der Elementarkammern noch weiter zu vergrößern, da die Rechnung und Versuche zeigen, daß ein siebenter Überzug nur einen Beitrag von 4% zu dem lonisierungsstrom liefern würde.

Das Bor 10 wird nur durch die Wirkung der thermischen Neutronen umgewandelt. Für die Feststellung von Neutronenflüssen anderer Energien werden Überzüge aus geeigneten Stoffen benutzt.

Die Kompensation ist vollständig, wenn die von den /-Strahlen herrührenden Stromanteile einander gleich und entgegengesetzt sind. In Wirklichkeit ist diese Kompensation selten vollkommen. Sie hängt hauptsächlich ab:

a) von der Genauigkeit der ionisierten Gasvolumen,

b) von der Absorption der ^-Strahlen durch die verschiedenen Sammelplatten,

c) von der Verteilung des Füllgases.
A) von den Wandeffekten.

Gewisse dieser Parameter können einen Einfluß auf die Kompensation haben, und zwar entweder weil sie bei der Herstellung des Apparates unvollkommen berichtigt wurden, oder hauptsächlich weil der Apparat im Betrieb teilweise Beschädigungen erfahren hat, welche eine Störung der Abgleichung eines dieser Parameter zur Folge hal>en.

Zur genauen Abgleichung der von anderen Strahlen als Neutronenstrahlen herrührenden Wirkungen ist bereits vorgeschlagen worden, die Größe des Hauptkompensationsvolumens im ganzen zu verändern, was die Empfindlichkeit des Apparats für Neutronen nicht verändert, aber einen komplizierten, schwer zu regelnden Aufbau erfordert, was für die Genauigkeit der erhaltenen Kompensation schädlich ist. Außerdem kann ein derartiger Aufbau nicht an die anderen

ίο üblichen kompensierten Ionisierungskammern angepaßt werden.

Um diesen verschiedenen Nachteilen abzuhelfen, wird mit dem Hauptkompensationsvolumen wenigstens ein Hilfskompensationsvolumen kombiniert, dessen geringer Wert unabhängig, leicht und genau so eingestellt werden kann, daß die Kompensation verbessert wird. Dieses Hilfskompensationsvolumen ist dabei auch auf den Wert Null einstellbar.

Anders ausgedrückt, die erfindungsgemäße Regelung ist eine Feinregelung, welche nur mit geringen Volumenänderungen arbeitet, wodurch die Genauigkeit und die Einfachheit der Einstellung erheblich gesteigert werden.

Eine vorteilhafte Verwirklichung dieses Hilfskompensationsvolumens besteht in weiterer Ausbildung der Erfindung darin, dieses durch die Zonen zu bilden, welche zwischen den einander gegenüberliegenden Oberflächenabschnitten von mehreren vorzugsweise parallelen Platten liegen, wol>ei die Ausdehnung dieser Abschnitte leicht und genau eingestellt werden kann, insbesondere durch Verdrehung einer der Platten um eine zu ihr senkrechte Achse.

Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber erläutert.

Fig. 2 zeigt schematisch das Prinzip, auf welchem die Erfindung beruht;

Fig. 3 zeigt schaubildlich eine mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hilfsvolumen zur Verbesserung der Kompensation;

Fig. 4 zeigt schaubildlich eine auf dem Prinzip der Fig. 2 beruhende verbesserte Ionisierungskammer;

Fig. 5 zeigt das Benutzungsgebiet einer erfindungsgemäßen kompensierten Kammer in einem Fluß von /-Strahlen, der einem Neutronenfluß beigemischt ist.

In der Zeichnung sind nur die für das Verständnis der Erfindung erforderlichen Teile dargestellt.

In Fig. 2 finden sich die Teile der Fig. 1 wieder, nämlich die Platten 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, welche die Kammern I, II, III bilden, wobei die Platten 2, 3, 4, 6, 7 in der angegebenen Weise mit Bor 10 ü1>erzogen sind (diese Borüberzüge sind gestrichelt angegeben).

Außerhalb des gestrichelt dargestellten Gehäuses 16

der Kammer befinden sich die Hilfskompensationsvolumina. Sie bestehen aus einer von einer elektrisch mit der Sammelelektrode 10 verbundenen Achse angetriebenen l>eweglichen Platte 12 und vier festen Platten, von denen die Platten 11 und 13 mit der Klemme 8 der positiven Hochspannung ( + ) und die Platten 14 und 15 mit der Klemme 9 der negativen Hochspannung ( —) verbunden sind.

Hierdurch entstehen zwei Hilfsvolumen, welche nur für die /-Strahlen empfindlich sind, deren Ionisierungsströme sich voneinander abziehen. Dieser Differenzstrom wird je nach seinem Vorzeichen zu dem von der ursprünglichen kompensierten Ionisierungskammer gelieferten Strom hinzugefügt oder von diesem abgezogen.

Zur Einstellung des Apparats bringt man diesen z. B. in einen unreinen, d. h. mit einem Fluß von /-Strahlen gemischten Neutronenfluß, wie er z. B. in

einem Kanal eines Kernreaktors auftritt. In den Weg dieses Flusses wird am Eingang des Apparates ein Schirm angebracht, welcher selektiv die Neutronen absorbiert, aber nicht die 7-Strahlen (z. B. ein Schirm mit Bor oder Kadmium). Der Apparat ist dann nur für die j'-Strählen empfindlich. Man verdreht dann die Platte 12 so lange, bis die Anzeige an dem Meßgerät durch ein Minimum geht. Diesem Minimum entspricht die beste Kompensation der ^'-Störstrahlung.

Es ist zu bemerken, daß dieses Minimum im allgemeinen für positive Werte der abgelesenen Stromstärke erreicht wird, wenn das erste von dem in die Kammer eintretenden Neutronenfluß beaufschlagte Volumen mit der positiven Elektrode ( + ) verbunden ist, wie dies in Fig. 2 der Fall ist.

In Fig. 3 ist eine mögliche Anordnung der Platten 11 bis 15 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Form der den Kompensator bildenden Elektroden kann natürlich nach Belieben abgeändert und der gewählten Art der Einstellung der Kompensation angepaßt werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 wird außer den z. B. durch einen keramischen Stoff der Art des Steatit gebildeten Isolierteilen und den zur Anzeige dienenden Überzügen innerhalb der Kammer nur eine unter dem Namen Duralumin bekannte Legierung benutzt, deren mechanische Eigenschaften denen des Aluminiums überlegen sind. Es muß jedoch ein Duralumin mit weniger als 0,3 %> Mangan benutzt werden, dessen Wirkungsquerschnitt verhältnismäßig groß ist.

Die Hochspannungselektroden (+) und (—) einer jeden Elementarkammer werden je durch zwei Platten von 1 mm Dicke und 80 mm Durchmesser gebildet. Die Platten 3 und 7 sind mit dem positiven Pol der Spannungsquelle durch den Leiter 8 verbunden, wahrend die Platten!und5 durch einen nicht dargestellten Leiter mit dem negativen Pol der Spannungsquelle verbunden sind. Zwischen den vier Spannungsplatten 1, 3, 5, 7 sind drei Sammelplatten 2, 4, 6 angeordnet, welche den gleichen Durchmesser wie die obigen Platten und eine Dicke von 0,5 mm haben und mit der Sammelelektrode 10 verbunden sind.

Alle diese Platten sind starr an Haltesäulen angebracht, von denen nur eine, nämlich die Säule 17, dargestellt ist, wobei alle Säulen elektrisch voneinander und von der Masse des Gerätes durch geformte und geschliffene Steatitteile 18 isoliert sind, welche mit Schutzringen 19 versehen sind, um in an sich bekannter Weise Kriechströme zwischen den Hochspannungsplatten und den Sammelplatten zu verhindem. Der Abstand zwischen den Platten beträgt 6 mm. Für die Elektroden sind drei mit Steatit isolierte Ausgänge vorgesehen, von denen nur zwei Ausgänge, nämlich 20 und 21, dargestellt sind. Das Bor 10 wird in die Kammer in Form eines festen Oberflächenüberzugs aus pulverförmigem Bor eingeführt. Die Oberfläche eines jeden Borüberzugs beträgt etwa 50 cm² und ihre mittlere Dichte 0,8 mg/cm². Entsprechend der Prinzipanordnung der Fig. 2 sind sechs gleiche Überzüge in der Kammer vorhanden. Das Füllgas ist Argon unter Atmosphärendruck.

Der aus den Hilfskompensationsvolumen bestehende Kompensator wird zusammen mit dem Vorverstärker 22 in die Kammer eingebaut. Er weist im wesentlichen einen Kreissektor 12 aus Aluminium mit einer Oberfläche von einigen Quadratzentimetern auf, welcher um eine an der Ausgangsklemme 20 der Sammelelektrode 10 befestigte Achse schwenkbar ist und sich zwischen zwei Plattenpaaren 11, 13 und 14, 15 verstellt. Die Platten 11 und 13 sind mit Hilfe von Steatitisolatoren an der Haltesäule 23 angebracht und durch nicht dargestellte Verbindungen mit dem positiven Ausgang 21 verbunden. Die Platten 14 und 15 sind in gleicher Weise an der Haltesäule 24 angebracht und durch nicht dargestellte Verbindungen mit dem nicht dargestellten negativen Ausgang verbunden.

Bei Anbringung der verbesserten kompensierten Kammer nach Fig. 4 am Ausgang des Reflektors eines Atommeilers, was ihre normale Betriebsstellung ist, wurde das Kompensationsverhältnis um einen Faktor Zwei gegenüber der früheren Ausbildung verbessert.

Fig. 5 gibt die Kurven der größten y-Flüsse in Abhängigkeit von den Neutronenflüssen an, für welche die kompensierte Kammer Messungen gestattet (bei Argonfüllung mit einem Druck von 76 cm Hg), wobei die Kurve ^i einer Genauigkeit von 10% und die Kurve B einer Genauigkeit von 1 % entspricht.

Als Abszisse ist die Neutronenzahl/cm²/sec und als Ordinate die Zahl der Röntgen/Stunde aufgetragen.

Die anderen Kenngrößen der kompensierten Kammer wurden nicht verändert, nämlich

a) die Sättigungsspannung der Kammer für die verschiedenen Werte des Neutronenflusses, welche so klein wie möglich sein soll;

b) der van der Kammer gelieferte Strom, welcher zu dem Neutronenfluß proportional sein soll;

c) die Empfindlichkeit der Kammer für Neutronen, welche bei dem angeführten Beispiel 2 · 10~¹⁴ A je n/cm²/sec beträgt;

d) der Nutzungsbereich der Einheitskammer, welche in fester Stellung und ohne Schirm zur Abschwächung des Flusses die Messung der Leistung des Meilers in einem Flußbereich von sechs Dekaden gestattet.

Claims

P A T E N T A N S P R 0 C H E:

1. Kompensierte Ionisierungskammer zur Anzeige oder Messung eines Neutronenflusses in Gegenwart anderer ionisierender Strahlen, z. B. /-Strahlen, mit wenigstens zwei getrennten, von dem zu untersuchenden Fluß durchströmten Hauptvolumen, von denen nur eines für den Neutronenfluß empfindlich ist, wofür wenigstens ein Teil der es begrenzenden Wände mit Bor überzogen ist, während das andere Volumen, das sogenannte Kompensationsvolumen, nur für die anderen Strahlungen empfindlich und so ausgebildet ist, daß es die von den anderen Strahlungen herrührende Wirkung ausgleicht, gekennzeichnet durch wenigstens ein weiteres Hilfskompensationsvolumen, dessen Größe leicht und genau so einstellbar ist, daß die von dem Aufbau oder von während des Betriebes möglichen teilweisen Beschädigungen der Kammer herrührenden Unvollkommenheiten der Kompensation der Störwirkung beseitigbar ist.

2. Ionisierungskammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfskompensationsvolumen durch die Zonen gebildet wird, welche zwischen den einander gegenüberliegenden Oberflächenabschnitten von mehreren vorzugsweise parallelen Platten liegen, wobei die Ausdehnung dieser Abschnitte leicht und genau durch eine Verstellung, insbesondere eine Verdrehung wenigstens einer der Platten regelbar ist.

3. Ionisierungskammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Platte (12) gegen wenigstens zwei weitere Platten (11, 13 und/oder 14, 15) verstellbar ist, von denen die eine ein höheres Potential und die andere ein tried-

rigeres Potential als die bewegliche Platte hat, wobei die Ausbildung so getroffen ist, daß die von der Ionisierung der beiden zwischen der beweglichen Platte und jeder der anderen Platten liegenden Zonen herrührenden Ströme, welche gleichzeitig mit dem von der kompensierten Hauptkammer gelieferten Strom an einer mit der beweg-

liehen Platte verbundenen Elektrode (10) aufgefangen werden, sich bei einer genau bestimmbaren Stellung der beweglichen Platte ausgleichen.

4. Ionisierungskammer nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Platte (12) im wesentlichen die Form eines Kreissektors hat.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen