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Vorrichtung zum Messen von Kernstrahlen mit einem Photoverstärker
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen von Kernstrahlen mit einem Photoverstärker,
der mit einem die zu messende Strahlungsenergie in Lichtenergie umwandelnden Meßleuchtkörper
und einem eine radio aktive Strahlungsquelle enthaltenden Eichleuchtkörper gekoppelt
ist.
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Meßleuchtkörper sind dabei organische und anorganische Kristalle,
die Kernstrahlungsenergie in Lichtenergie umwandeln können, sowie organische und
anorganische in organischen, polymeren, harzartigen Bindemitteln dispergierte Stoffe,
die dieselbe Fähigkeit besitzen.
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Solche Meßkörper werden mit Photoverstärkern gekoppelt und als sogenannte
Szintillationszähler verwendet. Bei einem Szintillationszähler fällt die von einer
Strahlenquelle ausgehende Energie auf den Meßkörper auf, wodurch in diesem Lichtblitze
erzeugt werden. Die Lichtblitze oder Szintillationen treffen auf den Photoverstärker
auf, indem sie einen elektrischen Strom erzeugen, der verstärkt wird. Die Ausgangssignale
des Photoverstärkers werden mit elektronischen Geräten verwertet.
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Gewöhnlich werden die Frequenz und die Amplitude gemessen. Die Frequenz
entspricht der mittleren Anzahl der in der Sekunde auftretenden Szintillationen.
Die Amplitude entspricht dem Energiebetrag der einzelnen Szintillationen der in
manchen Fällen ein Maß für die Energie der Kernstrahlung sein kann. Die Leistungsfähigkeit
des Geräts ist abhängig von seinem Auflösungsvermögen.
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In den mit Szintillationszählern erhaltenen Messungen sind bestimmte,
veränderliche Größen enthalten, wodurch die Verwendung eines Eichmaßes erforderlich
ist. Es wurde beispielsweise festgestellt, daß die durch Szintillationszähler erhaltenen
Messungen durch elektronische Störungen, wie die Ermüdung der Photoverstärker oder
durch schwankende Versorgungsspannungen beeinflußt werden.
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Es wurde bereits versucht, Szintillationszähler mit einem elektrischen
Blitzlicht oder dem Licht einer Gasentladung zu eichen. Die Nachteile einer solchen
Anordnung sind darin zu sehen, daß es schwierig ist, Lichtblitze mit genau gleicher
Intensität zu erzeugen, und daß das Gerät durch Energiequellen zur Erzeugung der
Lichtblitze, beispielsweise durch schwere Akkumulatorenbatterien, beschwert wird.
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Bei einer anderen bekannten Anordnung werden radio aktive Strahlungsquellen
außerhalb des Gerätes angeordnet. Zum Beispiel wird eine Menge eines elementare
a-Teilchen emittieren den Stoffes dem Meßkörper benachbart an einer Stelle direkt
entgegengesetzt der optischen Kopplung des Meßkörpers mit dem Photoverstärker oder
dem Fenster angeordnet, welches sich zwischen dem Meßkörper und dem Photoverstärker
befindet. Bei dieser Anordnung wurde beobachtet, daß die Impulse von dem außerhalb
angeordneten radioaktiven Stoff dadurch schwanken, daß ein unterschiedlicher Energieverlust
der a-Teilchen beim Eintritt in den Meßkörper stattfindet, wodurch das Auflösungsvermögen
nicht konstant bleibt.
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Bei einem weiteren bekannten Eichmaß sind die a-Teilchen emittierenden,
radioaktiven Stoffe über den ganzen Meßkörper verteilt. Eine solche Anordnung besitzt
jedoch infolge der Schwankungen im Lichtsammelwirkungsgrad über das ganze Volumen
des Meßkörpers ein sehr schlechtes Auflösungsvermögen.
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Das heißt, obwohl die Erzeugung von Szintillationsblitzen über das
gesamte Volumen konstant ist, schwankt jedoch die Lichtmenge, welche auf den Photoverstärker
fällt, in Abhängigkeit von dem Ort, an dem der Szintillationsvorgang stattfindet.
Diese Schwankung führt zu einer unerwünschten Variation des Auflösungsvermögens.
Außer diesen Nachteilen optischer Art hat sich auch die Herstellung eines solchen
Meßkörpers mit definierten Eichwerten aus einem großen Gießling als sehr schwierig
herausgestellt.
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Schließlich ist es bekannt, zum Kalibrieren des Szintillationszählers
zusätzlich zu einem Meßkörper ein Eichmaß vorzusehen, in dessen Innerem eine Strahlungsquelle
angeordnet ist. Dabei ist das Eichmaß über einen Lichtleiter mit dem Photoverviel-
facher
gekoppelt. Auch diese bekannte Anordnung besitzt die Nachteile aller getrennt von
dem Meßkörper und dem Szintillationszähler angeordneten Eichmaße.
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Eiflndungsgemäß werden die Nachteile bekannter Anordnungen beseitigt,
indem der Eichleuchtkörper optisch mit dem Meßleuchtkörper gekoppelt und gegen diesen
so abgeschirmt ist, daß die radioaktive Strahlung des Eichleuchtkörpers nicht in
den Meßkörper übertritt, das in dem Eichleuchtkörper erzeugte Licht jedoch in den
Meßkörper übertreten kann.
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Durch die erfindungsgemäße direkte Kopplung des Eichleuchtkörpers
mit dem Meßkörper wird ein von den bekannten Anordnungen ganz verschiedenes System
geschaffen, bei dem die Strahlungsquelle nur in dem Eichleuchtkörper dispergiert
ist, um Lichtblitze in diesem zu erzeugen. Diese Lichtblitze treten durch den Meßkörper
hindurch und fallen auf die Photokathode des Photoverstärkers. Die erfindungsgemäße
Anordnung liefert ein absolutes Maß hinsichtlich der Frequenz. Hinsichtlich der
Amplitude und des Auflösungsvermögens ist die Anordnung von der Betriebstemperatur
abhängig.
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Der Eichleuchtkörper ist ein Leuchtkörper, in dem sich ein a-Teilchen
emittierender, radioaktiver Stoff befindet. Der für die Zwecke der Erfindung geeignete
rr-Teilchen emittierende radioaktive Stoff ist irgendein a-Teilchen emittierender
radioaktiver Stoff mit einer Halbwertzeit von etwa einem Jahr bis unendlich. Beispiele
geeigneter a-Teilchen emittierender radioaktiver Stoffe oder Muttersubstanzen von
u-Teilchen emittierenden Stoffen sind Po239, Ac227, Ru226, Ph230 und Pb210, wobei
der bevorzugte radioaktive Stoff Po2'0 ist, der eine Muttersubstanz des a-Strahlers
po210 ist. Der Eichleuchtkörper selbst kann ein organischer oder anorganischer kristalliner
Stoff oder ein plastischer Phosphor sein. Der bevorzugte Eichleuchtkörper ist ein
durch Thallium aktivierter Natriumjodid-Szintillationskristall. Die Mittel, durch
welche der radioaktive Stoff dem Eichleuchtkörper zugesetzt wird, sind für die Zwecke
der Erfindung unwichtig, solange der radioaktive Stoff über den ganzen Eichleuchtkörper
dispergiert ist.
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Der Meßkörper der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann ein organisches
oder anorganisches Kristalluminophor oder ein plastischer Phosphor sein. Der Meßkörper
und der Eichleuchtkörper können aus den gleichen Stoffen oder aus verschiedenen
Stoffen bestehen, wobei natürlich der Eichleuchtkörper und der Meßkörper immer insofern
voneinander verschieden sind, als der Eichleuchtkörper den radioaktiven Stoff enthält
und der Meßkörper nicht.
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Der Eichleuchtkörper wird aus einer großen Masse vorgeformten Materials,
beispielsweise aus einem Kristallblock, herausgeschnitten und optisch mit dem Meßkörper
gekuppelt. Der Eichleuchtkörper kann auf eine Größe geschnitten werden, die eine
gewählte P=requenz der «-Teilchenemanationen ergibt. Die nachfolgende Vereinigung
des Eichleuchtkörpers und des Meßkörpers ermöglicht ein geeichte Anordnung von gewählter
Zählrate und Größe. Es wurde festgestellt, daß die geeignetste Lage für die Anordnung
des Eichleuchtkörpers ein Hohlraum vorzugsweise an derjenigen Fläche des Meßkörpers
ist, welche der mit der Photovervielfacherröhre zu kuppelnden Fläche direkt entgegengesetzt
ist. Die Anordnung des Eich-
leuchtkörpers an dieser Stelle ist vorzuziehen, da eine
solche Anordnung dazu führt, daß die Szintillationen, welche vom Eichleuchtkörper
ausgehen, gleichmäßiger über den gesamten Flächenbereich der Photokathode der Photovervielfacherröhre
verteilt sind.
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Der optisch mit dem Meßkörper gekuppelte Eichleuchtkörper ist gegen
die a-Teilchen des Eichleuchtkörpers durch eine geeignete transparente Kupplungsmasse
abgeschirmt, welche die erforderlichen Abschirmungseigenschaften aufweist, beispielsweise
ein Epoxyharz oder eine Silikonmasse. Alle für die Zwecke der Erfindung geeigneten
Silikonverbindungen müssen eine gute thermische Stabilität und eine ausreichende
Elastizität haben, um eine feste optische Kupplung selbst dann aufrechtzuerhalten,
wenn sich der Eichleuchtkörper infolge der Temperaturveränderungen ausdehnt oder
zusammenzieht. Unter der Bezeichnung »Epoxyharz« ist hier jedes optisch klare Epoxyharz
zu verstehen, das für Laminierzwecke geeignet ist. Das bevorzugte Epoxyharz wird
durch die Shell Chemical Corporation unter dem Warenzeichen Epon 815 in den Handel
gebracht. Es hat sich erwiesen, daß Epon 815 eine Kupplung zwischen dem Eichleuchtkörper
und dem Meßkörper liefert, die ausreichend starr ist. um ohne zusätzliche Abstützung
aufrechterhalten zu werden, jedoch elastisch genug, um die Expansion des Leuchtkörpers
zu kompensieren. Die Epoxyharzkupplung für einen Eichleuchtkörper, bei welchem Pb210
als a-Teilchen emittierender radioaktiver Stoff verwendet wird, hat eine Dicke größer
als etwa 0,127 mm. Diese Dicke wurde gewählt, damit der Meßleuchtkörper vollständig
gegen den Eintritt der a-Teilchenemanationen aus dem Eichleuchtkörper abgeschirmt
ist. a-Teilchen haben bekanntlich eine bestimmte maximale Weglänge, die von der
Energie der a-Teilchen und von dem Medium abhängt, innerhalb welchem das a-Teilchen
wandert. Durch die Anwendung der Bragg-Kleeman-Regel wurde für ein aus Pb210 austretendes
a-Teilchen festgestellt, daß die maximale Weglänge, die ein solches Teilchen durch
ein Epoxyharzmaterial zurücklegen kann, 45,72. 1O- mm beträgt. Hierbei ist zu erwähnen,
daß diese Zahl eine Schätzung für Pb2lo allein ist, da die aus der Bragg-Kleeman-Regel
abgeleiteten Messungen von der Art des a-Teilchen emittierenden radioaktiven Materials
abhängen. Entsprechend der Bragg-Kleeman-Regel, die innerhalb t 15 +15°/o genau
ist, wurde ein Sicherheitsfaktor durch Erhöhung der Dicke des verwendeten Epoxyharzes
auf 0,127 mm vorgesehen. Die maximale Dicke dieses Epoxyharzes ist natürlich durch
die Eigenschaft dieses Materials beschränkt, daß es die Übertragung von Licht bei
Verwendung in großer Dicke verhindert.
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Die Eponharze und besonders Epon 815 sind hervorragend für die optische
Kupplung zwischen dem Meßkörper und dem Eichleuchtkörper geeignet und liefern eine
ausgezeichnete mechanische Kupplung und Abschirmung gegen die Aussendung von a-Teilchen
in den Meßkörpern, jedoch können auch andere Harze verwendet werden. Die Haupterfordernisse
sind Transparenz, ein ausreichender Grad an Plastizität zum Ausgleich für den hohen
Ausdehnungskoeffizienten bestimmter Leuchtkörper, die Fähigkeit, den Leuchtkörper
zu benetzen, und die Fähigkeit zur Bildung eines verhältnismäßig dünnen Films für
die Absorption der a-Teilchen.
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Der Meßkörper, mit dem der Eichleuchtkörper optisch und mechanisch
gekuppelt ist, ist in einem Metallgehäuse, beispielsweise in einem Aluminiumgehäuse,
eingeschlossen, das an einem Ende ein Glasfenster aufweist und bei dem ein reflektierendes
Überzugsmatertal zwischen dem Leuchtkörper und den Wänden des Gehäuses angeordnet
ist. Der reflektierende Überzug ist vorzugsweise ein Oxydüberzug in Pulverform oder
ein aufgedampfter Oxydüberzug, welcher aus der aus Magnesiumoxyd und Aluminiumoxyd
bestehenden Gruppe ausgewählt ist. In das Gehäuse können mehrfache Gruppen von Photovervielfacherröhren
eingebaut sein, das Gehäuse kann auch eine Photovervielfacherröhre und einen Leuchtkörper
als einteiliges Gebilde einschließen.
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Die verschiedenen Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben
sich aus der näheren Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen, und zwar zeigt
Fig. I eine nicht maßstäbliche Seitenansicht der Vorrichtung nach der Erfindung
im Schnitt, F i g. II eine nicht maßstäbliche Seitenansicht einer Ausbildungsform
im Schnitt, wobei der Meßkörper mit mehreren Photovervielfacherröhren gekuppelt
ist, F i g. III eine nicht maßstäbliche Seitenansicht einer weiteren Ausbildungsform
im Schnitt, bei der der Meßkörper und die Photovervielfacherröhre zu einem einteiligen
Gebilde zusammengebaut sind.
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Nach F i g. I ist der Eichleuchtkörper 2 mit einem Meßkörper 1 mittels
eines Epoxyharzüberzuges 3 gekuppelt. Die gekuppelten Körper sind in einem mit einem
Flansch versehenen Gehäuse 4 eingeschlossen, das mit einem reflektierenden Überzugsmaterial
5 versehen ist, welches zwischen dessen Innenwänden und den Außenflächen der Körper
1 und 2 angeordnet ist. Ein Glasfenster 7 ist optisch mit dem Meßkörper 1 gekuppelt
und in seiner Lage mittels einer Verbindung mit einem Halteglied 6 abgedichtet,
das mit dem Gehäuse 4 gekuppelt ist. Die Photovervielfacherröhre 9 ist mit dem Glasfenster
7 mittels einer optischen Kupplung 10 gekuppelt. Die Photovervielfacherröhre 9 wird
durch einen sie umgebenden Mantel 8 in ihrer Lage gehalten, der mit dem Halteglied
6 verbunden ist.
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Im Betrieb sendet die innerhalb des Eichleuchtkörpers 2 enthaltene
Strahlenquelle a-Teilchen von einer unterschiedlichen Energie aus. Wenn die a-Teilchen
ihre Energie an den Eichleuchtkörper verlieren, verursachen sie Lichtimpulse oder
Szintillationen von unterschiedlicher Intensität. Diese Lichtimpulse werden durch
das Epoxyharz 3 und durch den Meßkörper 2, das Glasfenster 7 und die optische Kupplung
10 auf die Photovervielfacherröhre 9 übertragen, durch welche die Szintillationen
in elektrische Impulse von unterschiedlicher Größe umgewandelt werden. Die vom Eichleuchtkörper
2 ausgehenden Szintillationen, die das Einstrahlungsfenster 10 nicht direkt treffen,
werden durch das reflektierende obere zugsmaterial 5 reflektiert, so daß sie schließlich
zur Photokathode der Photovervielfacherröhre gelangen.
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Da das Volumen, in welchem diese Eichungsszintillationen stattfinden,
im Vergleich zum Lichtsammelvolumen des Meßkörpers klein ist, sind die vorerwähnten
Schwankungen in der Lichtsammlung vernachlässigbar.
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Nach F i g. II ist der Eichleuchtkörper 2' mit einem Meßkörper 1'
mittels eines Epoxyharzüberzuges 3' gekuppelt. Die gekuppelten Körper 1' und 2'
sind
von einem mit einem Flansch ausgebildeten Gehäuse 4' eingeschlossen, das einen reflektierenden
Überzug 5' aufweist, welcher zwischen seinen Innenwänden und den Außenflächen der
Körper 1' und 2' angeordnet ist. Die Glasfenster 7' sind mit dem Meßkörper 1' gekuppelt
und in ihrer Lage mittels eines Haltegliedes 6' abgedichtet, das mit dem Gehäuse
4' gekuppelt ist. Die Photovervielfacherröhren 9' sind mit den Glasfenstern 7' durch
optische Kupplungen 10' gekuppelt. Die Röhren 9' sind durch Mäntel 8',. die mit
dem Halteglied 6' verbunden sind, in ihrer Lage gehalten.
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Im Betrieb arbeitet die Vorrichtung nach F i g. II weitgehend in
der gleichen Weise wie die nach F i g. I, mit der Ausnahme, daß sowohl die vom Meßkörper
1' als auch vom Eichkörper 2' ausgehenden Lichtimpulse in jeder der mehreren Röhren
in elektrische Impulse umgewandelt werden.
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Nach Fig. III ist der Eichleuchtkörper 12 mit einem Meßkörper 11
mittels eines Epoxyharzüberzuges 13 gekuppelt. Die gekuppelten Körper sind in einem
Gehäuseteil 14 eingeschlossen, der an seiner Innenwand mit einem reflektierenden
tlberzugsmaterial 15 versehen ist. Eine Photovervielfacherröhre 17 ist mit dem Meßkörper
11 mittels eines optischen t Überzuges 16 optisch gekuppelt. Das reflektierende
Überzugsmaterial 15 erstreckt sich von den Außenflächen der Körper 11 und 12 an
den Wänden der Röhre 17 nach oben bis zu einer Stelle weit über die Photokathode
der Photovervielfacherröhre hinaus. Die Röhre 17 ist mit dem Meßkörper 11 mittels
eines Gehäuseteils 18 mechanisch gekuppelt, das mit dem Gehäuseteil 14 verbunden
ist. Ein Überzug aus einer Einbettungsmasse 19 ist zwischen der Röhre 17 und dem
Gehäuseteil 18 angeordnet.
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Hierbei ist zu erwähnen, daß Szintillationen, welche reflektiert
werden müssen, damit sie die Photokathode der Röhre 17 erreichen, durch eine Verlängerung
des reflektierenden Überzugsmaterials 15 reflektiert werden können, die sich längs
der Wandung der Röhre 17 erstreckt. Der verlängerte reflektierende Überzug 15 hat
den Vorteil, daß er nicht nur Lichtimpulse zur Photokathode der Röhre 17 lenkt,
sondern auch dasjenige Licht umlenkt, das nicht durch die Photokathode bei seinem
anfänglichen Durchgang umgewandelt wird. Die zu messende Kernstrahlung tritt durch
den Gehäuseteil 14 und das reflektierende Überzugsmaterials 15 zum Körper 11 oder
12 hindurch, wo sie in unterschiedlichem Grade in Lichtimpulse oder Szintillationen
umgewandelt wird.
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Diese Szintillationen werden dann in der gleichen Weise in elektrische
Energie umgewandelt, wie die Szintillationen des Eichleuchtkörpers.