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Funkenzähler zum Nachweis energiereicher Strahlung, insbesondere zum
Nachweis schneller Neutronen Bekanntlich geschieht der Nachweis schneller Neutronen
mit Hilfe von Rückstoßteilchen dadurch, daß die Neutronen durch Stoß einen Teil
ihrer Energie an Atomkerne abgeben. Diese Rückstoßkerne können ionisieren. Mit Hilfe
der direkt oder indirekt durch den lonisierungsprozeß hervorgerufenen Wirkungen
wird das Vorhandensein der Neutronen nachgewiesen. Ein derartiger Nachweis geschah
bisher einmal durch die direkte Messung der bei der lonisation frei werdenden Elektronen
(lonisationskammer), wobei in den meisten Fällen noch eine zusätzliche Verstärkung
des Elektronenstroms durch Lawinenbildung hinzutritt (Proportionalzählrohr). Eine
andere Nachweismöglichkeit besteht in der Messung der Lichtblitze, die durch Anregung
oder Wiedervereinigung der freien Elektronen mit ionisierten Atomen entstehen (Szintillationszähler).
Diese beiden Möglichkeiten haben bisher technische Bedeutung gewonnen.
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Rückstoßprotonenzähler und Szintillationszähler erfordern aber einen
beträchtlichen Aufwand, so daß diese Geräte recht kostspielig sind. Das gilt auch
für die unbedingt notwendigen Zusatzgeräte. So ist beim Szintillationszähler neben
dem Meßkristall die Benutzung eines Sekundärelektronenvervielfachers notwendig.
Dazu treten noch einige elektronische Geräte, die zur Spannungsstabflisierung und
zur Verstärkung der Meßhnpulse dienen. Bei beiden angeführten Geräten muß außerdem
- z. B. bei der Messung einer Neutronenstrahlung - sorgfältig gegen
die y-Strahlung diskriminiert werden, die den Neutronenstrahl begleitet und die
den Meßvorgang stört. Dazu ist in allen Füllen ein spezieller Diskriminator erforderlich.
Ebenso erweist sich in vielen Fällen der Nulleffekt, d. h. ein Auftreten
von Störimpulsen ohne Einstrahlung von Neutronen, als störend.
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, Aus wissenschaftlichen Arbeiten sind ferner sogenann Funkenzähler
bekannt. Die Elektroden eines Funkenzählers bestehen aus einer ebenen Metalltte
und einem oder mehreren Drähten. Die dünnen pla Drähte bilden die Anode, an ihr
liegt eine Hochspannung von einigen 1000 V. Im Gegensatz zu den üblichen
Zählrohren ist beim Funkenzähler der Ab-
stand zwischen den beiden Elektroden
so gering, daß bei einer bestimmten Spannung Funkenentladungen auftreten. Beirn
Funkenzähler wird nun die Spannung so gewählt, daß keine spontanen Funken auftreten.
Tritt aber ein Teilchen mit genügendem Ionisierungsvermögen durch das empfindliche
Volumen zwischen Draht und Platte, dann erfolgt an dieser Stelle ein Fankendurchbruch.
Ein solcher Zähler spricht somit nur auf stark ionisierende Teilchen an. Man verwendet
ihn zur Messung von a-Teilchen, wobei selbst ein sehr starker fl- oder y-Strahlungsanteil
keine zusätzlichen Funken hervorruft.
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Mit den Funkenzählern wurden auch bereits langsame Neutronen nachgewiesen,
es werden dazu die a-Teilchen durch die BI()-(n, a)-Li7-Reaktionen erzeugt. Es ist
auch bekannt, einen großflächigen Funkenzähler als Bildverstärker für langsame
Neutronen zu verwenden.
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Bei dem bekannten Funkenzähler ist infolge einer Koronaentladung ein
Stromdurchgang zwischen Draht und Platte vorhanden, den man als Ruhestrom
bezeichnet. Die Gasfüllung dieser Zähler besteht aus Wasserstoff, Luft, Stickstoff
oder Edelgasen.
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Dieser Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der genannte Ruhestrom
das physikalische Verhalten der bekannten Funkenzähler bestimmt. Insbesondere steht
das geringe. Ansprechvermögen dieser Ruhestromzähler beim Nachweis schneller Neutronen
- deren Nachweis wegen ihrer starken biologischen Wirksamkeit sehr bedeutungsvoll
ist einer praktischen Verwendung entgegen.
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Die genannten Nachteile bzw. Schwierigkeiten werden bei einem Funkenzähler
zum Nachweis euergiereicher Strahlung, insbesondere zum Nachweis schneller Neutronen
bei Anwesenheit einer y-Strahlung, dessen Elektroden aus einer Metallplatte und
einem oder mehreren Drähten bestehen, erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß als
Gasfüllung des Funkenzählers nur solche mehratomige Gase - vorzugsweise Kohlenwasserstoffe
- Verwendung finden, mit denen ohne Bestrahlung kein Stromdurchgang
erfolgt,
und daß die am FunkenZähler angelegte Spannung mindestens so hoch ist, daß beim
Durchgang von Protonen oder a-Teilchen Funken auftreten, andererseits aber höchstens
so hoch ist, daß der vorgegebene Wert des Verhältnisses der Anzahl von ;-Quanten
zur Anzahl der schnellen Neutronen, die jeweils einen Funken auslösen, nicht überschritten
wird.
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Besondere Vorteile - des ruhestroinlosen Funkenzählers nach
der Erfindung bestehen darin, daß sein Ansprechvermögen für schnelle Neutronen bis
zu hundertraalgrößer ist als das Ansprechvermögen bekannter Ruhestromzähler. Außerdem
läßt sich sein Ansprechvermögen gegen schnelle Neutronen durch Änderung der angelegten
Spannung stark variieren. In einem Spannungsbereich von einigen 100 V werden
praktisch nur Neutronen gezählt. Bei hohen Spannungen zeigt der ruhestronilose Funkenzähler
eine zunehmende Empfindlichkeit gegen y-Strahlung. Bezeichnet man das Verhältnis
der Anzahl von y-Quanten zur Anzahl der schnellen Neutronen, die jeweils einen Funken
auslösen, als Diskriminierungsverhältnis, so läßt sich dieses Verhältnis durch Wahl
der an den ruhestromlosen Funkenzähler angelegten Hochspannung in weiten Grenzen
variieren (von über 106 : 1 bis 1 : 1). Zusätzliche elektronische
Geräte sind dazu nicht notwendig. Der Aufwand an Zusatzgeräten beschränkt sich auf
ein gut stabilisiertes Hochspannungsgefät und eine Zähleinheit. Es ist somit möglich,
mit einem Meßinstrument und einem Funkenzähler gemäß der Erfindung durch zwei Messungen
bei verschiedener Spannung die Intensität der Neutronen- oder der y-Strahlungen
durch Differenzbildung zu messen. Dies ist insofern von Bedeutung, als bei Kernreaktoren
stets ein gemischtes Strahlenfeld vorliegt, wobei oftmals sowohl die Intensität
der Neutronen als auch der y-Strahlung interessiert.
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Wie bereits oben erwähnt wurde, ist der Nachweis schneller Neutronen
sehr wichtig. Er bereitet jedoch in der Strahlendosimetrie beträchtliche Schwierigkeiten,
weil zum Beispiel in der Reaktortechnik schnelle Neutronen fast immer zusammen mit
starker --Strahlung auftreten. Der Funkenzähler spricht gut auf schnelle Neutronen
an, ist einfach aufgebaut und stellt keine großen Ansprüche an die Zusatzgerätz;
seine konstruktive Ausführung kann sehr -vielfältig sein, außerdem läßt sich das
Ansprechvermögen von Neutronen- und y-Strahlung in weiten Grenzen vaxiieren. Er
kann deshalb beim Nachweis schneller Neutronen in der Dosimetrie vorteilhaft- verwendet
werden.
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. Im folgenden werden einige spezielle Ausführungsbeispiele
des Funkenzählers nach der Erfindung beschrieben, und zwar ruhestromlose Funkenzähler
mit starker bzw. mit schwacher Richtungsabhängigkeit.
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Der stark richtungsabhängige FunkenZähler besitzt eine ebene Grundplatte.
Auch die gekrümmten Gegenelektroden, vorteilhaft in Form von Drähten oder auch in
Form von Kanten oder Spitzen usw. auszuführen, liegen in einer oder mehreren Ebenen,
Die Richtungsabhängigkeit solcher Anordnungen äußert sich darin, daß besonders Teilchen
gezählt werden, welche die Entladungsstrecke unter einem Winkel durchlaufen, der
nur wenig von der Normalrichtung der Grundebene abweicht. Ein solcher Funkenzähler
zeigt also in einer bestimmten Richtung eine hohe Empfindlichkeit. In allen anderen
Richtungen, die merkbar von der Vorzugsrirhtung abweichen, ist die Empfindlichkeit
dagegen gering. Das ist von praktischer Bedeutung, weil man mit einem solchen Funkenzähler
genau die Richtung bestimmen kann, aus der ein Neutronenstrahl einfällt. Ebenso
kann man die Richtungsverteilung eines räumlichen Strahlungsfeldes bestimmen. Der
Funkenzähler mit schwacher Richtungsabhängigkeit besteht z. B. aus zwei zylindrischen
Elektrodenanordnungen, die später im einzelnen erlautert werden sollen.
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Fig. 1 zeigt einen Funkenzähler mit starker Richtungsabhängigkeit,
bei dem wenige Drähte und großer Drahtabstand vorgesehen sind. Der Funkenzähler
besitzt einen geschlossenen Gasraum. Er wird durch einen Füllstutzen 7 mit
Gas gefüllt. Er besteht aus einer ebenen Grundplatte 1 und mehreren parallelen
Drähten 2 in größerem Abstand voneinander, so daß die Drähte sich nicht merklich
beeinflussen. Die Platte 1 läßt sich mit Hilf-- eines Gewindes
8 in jeden beliebigen Abstand von den Drähten bringen. Die Drähte, werden
über einen Distanzrahmen 4 justiert und auf einem Spannring 3 einzeln aufgezogen
und gespannt. Die Grundplatte 9 und die Deckplatte 10
bestehen aus
Plexiglas. Bei Bedarf kann ein Kunststoffring 20 mit einer Plexiglasplatte 21 in
den Zähler eingesetzt werden, der das Zählvolumen begrenzt. Kunststoffring und Plexiglasplatte
sind gestrichelt gezeichnet. Der ZähIermantel 11 besteht aus Metall. Wichtige
Metallteile sind in den Zeichnungen schraffiert. Der Anschluß für die Hochspannung
H an die Drähte 2 und der Ausgang zum Löschkreis L, an dem auch der Impuls abgenommen
wird, sind durch die Grundplatte herausgeführt. Eine derartige Anordnung ist besonders
für Teilchenortung wichtig, bei der das Rückstoßteilchen in unmittelbarer Nähe des
Durchgangs des Neutrons den Funken auslösen muß. Man kann so den Ort des Neutronendurchgangs
ermitteln. Zähler zur Teilchenortbestimmung sind zweckmäßigerweisc mit vielen Drähten
auszurüsten, um ein höheres räumliches Auflösungvermögen zu erreichen.
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Fig. 2 zeigt einen Funkenzähler mit starker Richtungs abhängigkeit,
bei dem viele Drähte mit geringem Drahtabstand vorgesehen sind. Er besteht aus einem
Kunststoffkörper 9, der die Grundplatte 1 und die Zähldrähte 2 trägt.
Distanzrahmen 4 und Spannstück 3 dienen wieder zur einwandfreien Justierung
der Drähte 2. Bei der Wahl anderer Drahtabfände wird nur das Spannstück -ersetzt.
Die Gesamtzahl der Drähte 2 ist hoch (10 bis 20 Drähte), ihr Abstand voneinander
ist gering. Für Präzisionsmessungen wird man das Zählgas durch die Stutzen
5, 6 laufend erneuern, um die Reproduzierbarkeit für jeden Zeitraum zu gewährleisten.
Da bei diesem Zähler die Drähte nicht voneinander unabhängig sind, nehmen ,die nur
auf der Innenseite beeinflußten Außendrähte eine Sonderstellung ein. Sie äußert
sich darin, daß bei gleichem Durchmesser aller Drähte nur die Außendrähte funktionstüchtig
sind. Dieser Mangel wird dadurch behoben, daß die Außendrähte einen größeren Durchmesser
bekommen (Beispiel: Innendrähte 0,1 mm Durchmesser, Außendfähte
0,15 mm Durchmesser). Durch Variation der Funkenzählerspannung, es steht
z. B. bei Methan ein Meßbereich von über -1000volt zur Verfügung, kann man das Diskriminierungsverhältnis
zwischen y-Quanten und schnellen Neutronen in weiten Grenzen ändern. Das läßt sich
bei allen hier beschriebenen Ausführungsbeispielen durchführen. Die Stabilität des
Funkenzählers ist gut. Selbst wenn bei zu hohen Spannungen ein Durchbruch
aufgetreten
ist, bleiben die Zähleigenschaften unverändert. Als gasdichte Hülle dient bei der
zweiten Ausführungsform ein Plexiglasrohr 12, das an beiden Enden 13 verschlossen
ist. Hier befinden sich auch die Gasdurchlässe 5, 6 und die Verbindungen
zu den innenliegenden Elektroden (H = Hochspannung, L = Löschkreis).
Der Aufbau des beschriebenen Modells ist einfach, robust und übersichtlich. Bei
niedrigen Spannungen, bei denen fast ausschließlich Neutronen gezählt werden, haben
die beschriebenen Zähler keinen Nulleffekt.
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Für manche Untersuchungen, z. B. bei der Neutronendosimetrie, benötigt
man Zähler mit geringer Richtungsabhängigkeit. Die Forderung lautet hier, daß die
Zählung der schnellen Neutronen von der Einfallsrichtung der Teilchen weitgehend
unabhängig sein soll. Solche Funkenzähler sind bisher für keine Kernstrahlung beschrieben
worden. Es sollen hier zwei Ausführungsbeispiele mit einer Spezialanwendung beschrieben
werden.
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Fig. 3 zeigt einen Funkenzähler mit schwacher Richtungsabhängigkeit
mit frei gespannten Drähten. Die ebene leitende Grundplatte der bisher beschriebenen
Zähler ist zu einem Zylinder 18 umgeformt worden. Die Zähldrähte 2,
je nach den Erfordernissen breit oder dicht gespannt, sind im gleichen Abstand
um den Zylinder herumgespannt. Der Ab-
stand von der Zylinderüberfläche beträgt
zweckmäßigerweise 1 bis 3 mm. In einem geringen Abstand von den Zähldrähten
befindet sich ein Hohlzylinder 19 aus wasserstoffhaltigem Material, der so
angeordnet werden kann (z. B. durch Variation der Dicke), daß die Änderung des Ansprechvermögens
des Funkenzählers in Abhängigkeit von der Energie der einfallenden Neutronen dem
Verlauf der biologischen Wirkdosis der schnellen Neutronen im menschlichen Körper
entspricht. Damit läßt sich der Funkenzähler für die Zwecke des Strahlenschutzes
und der Neutronendosimetrie einsetzen. Bei Verwendung gasförmiger Kohlenwasserstoffe
werden die Rückstoßteilchen (hauptsächlich Rückstoßprotonen) sowohl im Zählgas als
auch im Kunststoffzylinder erzeugt. Die Justierung der Drähte wird wieder mit Spannschrauben
3 vorgenommen. In der gasdichten Hülle 16 sind Durchlässe für den
Füllstutzen 7, die Hochspannung H und den Ausgang zum Löschkreis L angebracht.
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Fig. 4 zeigt einen zylindrischen Funkenzähler mit fest aufgespannten
Drähten. Dieser zylindrische Funkenzähler besitzt eine umgekehrte Elektrodenanordnung.
Die positiven Anodendrähte 2 sind auf einen Kunststoffzylinder 14 fest aufgespannt,
während die Kathode ein geschlitzter Hohlzylinder 15 ist. Durch die Schlitze
strömt das Zählgas in den Entladungsraum. Ein spezieller äußerer Mantel
16 ist stets notwendig, da während der Dauer des Funkendurchbruchs die Hochspannung
an der Kathode liegt. Dieser Mantel ist gleichzeitig als gasdichte Hülle ausgeführt.
Der Zähler kann mit fester Füllung oder im Durchfluß mittels der Gasein-
und -auslässe 5 und 6
betrieben werden. Die Hochspannung H und der
Ausgang zum Löschkreis L werden wieder getrennt herausgeführt.
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Fig. 5 zeigt eine spezielle Ausführung eines zylindrischen
Funkenzählers mit schwacher Richtungsabhängigkeit. Diese Ausführung des zuvor beschriebenen
Zählers eignet sich zum Vergleich von Neutronenquellen, in denen schnelle Neutronen
durch die Kernreaktionen (a, n) und (X, n) erzeugt werden. Um verschiedene
Quellen miteinander vergleichen zu können, benötigt man ein Meßgerät, das einen
möglichst großen Teil der emittierten Strahlung erfaßt und zu-
sätzlich eine
stabile geometrische Anordnung besitzt. Diese Forderungen lassen sich mit dem Funkenzähler
nach Fig. 5 erfüllen. Dabei ist der massive Kunststoffzylinder des Funkenzählers,
der an Hand von Fig. 4 beschrieben wurde, aufgebohrt. Die Quellen werden in dieses
Rohr 17 eingeführt und an einer festgelegten Stelle plaziert. Die Neutronenstrahlen
durchdringen den Kunststoffzylinder und lösen Rückstoßprotonen aus. Die in den äußersten
Schichten entstehenden Protonen erreichen das Zählvolumen zwischen den Drähten 2
und dem geschlitzten Hohlzylinder 15 und lösen Funken aus. Man
kann so Neutronenquellen des gleichen Typs miteinander vergleichen bzw. ihre
absolute Stärke mit Hilfe eines Eichpräparates bestimmen. Der nicht ebene Funkenzähler
läßt sich in vielen Formen, auch über die hier im einzelnen erläuterte zylindrische
Form hinaus, ausführen. Man kann z. B. Funkenzähler konstruieren, die eine komplizierte,
vorher genau festlegbare Form der Richtungsabhängigkeit aufweisen.
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Zusammenfassend läßt sich sagen, daß der Funkenzähler ohne Ruhestrorn
gemäß der Erfindung einen wesentlichen Fortschritt gegenüber den bisher benutzten
Methoden des Neutronennachweises bringt. Sein Ansprechvermögen gegen schnelle Neutronen
ist sehr gut. Es ist mit den bekannten Methoden vergleichbar, dabei ist der Zähler
aber viel einfacher herzustellen, billiger und robuster. Es können Materialien verwendet
werden, die einen geringen Aktivierungsquerschnitt für langsame Neutronen haben.
Diese Funkenzähler lassen sich in vielen Formen und Abmessungen herstellen.
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Schließlich sei noch erwähnt, daß die beschriebenen Funkenzähler nicht
lichtempfindlich sind. Man kann also die gasdichten Hüllen aus durchsichtigem Stoff
herstellen und so die deutlich sichtbaren Funken beobachten. Damit ist der Funkenzähler
sehr gut für Demonstrationszwecke geeignet. Wegen der Gefährlichkeit der Neutronen
kann man für diese Zwecke auch die y-Empfindlichkeit bei hohen Spannungen ausnutzen.
Die durch y-Quanten hervorgerufenen Funken unterscheiden sich nicht von den Funken,
die durch Neutronen hervorgerufen werden.