DE1218626B - Verfahren zur gamma-Kompensation einer Ionisations-kammer fuer den Nachweis eines Neunen-stromes in Kernreaktoren - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

G21d

Deutschem.: 21g-21/31

Nummer: 1218 626

Aktenzeichen: G 39746 VIII c/21 g

Anmeldetag: 31. Januar 1964

Auslegetag: 8. Juni 1966

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur /-Kompensation einer Ionisationskammer, die zur Messung eines Neutronenstromes in einem Kernreaktor dienen soll.

In bekannter Weise enthält die Ionisationskammer mindestens eine Meßelektrode und mindestens zwei Polarisationselektroden, von denen die eine als Kompensationselektrode dient. Eine Strommeßvorrichtung ist an die Meßelektrode angeschlossen. Ferner sind zwei Spannungsquellen vorhanden, die einerseits an die Polarisationselektroden und andererseits an die Strommeßvorrichtung angeschlossen sind. Die mit der Kompensationselektrode verbundene Spannungsquelle liefert eine als Kompensationsspannung dienende Polarisationsspannung.

Bisher wurde die Polarität der einen Polarisationselektrode positiv und jene der anderen Polarisationselektrode negativ gemacht. In einer Anordnung dieser Art ist der durch das /-Feld erzeugte Meßstrom um so kleiner, d. h. die Güte der /-Kompensation um so größer, je besser die Beträge der Ströme zwischen der positiven Polarisationselektrode und der Meßelektrode einerseits und der Meßelektrode und der negativen Polarisationselektrode andererseits übereinstimmen. In einem Kernreaktor ist das /-Feld nicht homogen. Das /-Spektrum und damit die Gradienten des Dosisleistungsfeldes variieren mit Geschichte und Betriebszustand des Reaktors. Deshalb ist es nötig, die Ionisationskammer in zeitlichen Abständen immer wieder neu zu kompensieren. In einem vorliegenden y-Feld läßt sich die /-Kompensation durch Volumenänderung des der Kompensation dienenden Kammerteiles einstellen. Zu diesem Zweck sind schon Ionisationskammern mit mechanisch verstellbarem Kompensationsvolumen gebaut worden. Diese haben aber den Nachteil, verhältnismäßig kompliziert und dementsprechend teuer zu sein, vor allem dann, wenn die /-Kompensation in einer auf die Ionisationskammer bezogenen Richtung unabhängig vom /-Feldgradienten sein soll.

Auch ist schon bekanntgeworden, den Abgleich durch Variation der Polarisationsspannung an der Kompensationselektrode herbeizuführen. Diese Art der Kompensation ist aber unzulänglich, da der Kompensationsgrad von der Intensität des /-Feldes abhängig wird.

Eine andere bekannte Lösung zum elektrischen Herbeiführen der Kompensation macht von einer Brückenschaltung mit zwei Widerstandszweigen Gebrauch, welche Brückenschaltung durch Veränderung mindestens eines Widerstandes abgleichbar ist. Da die Polarisationsspannung und die Kompensations-Verfahren zur /-Kompensation einer Ionisationskammer für den Nachweis eines Neutronenstromes in Kernreaktoren

Anmelder:

Gesellschaft zur Förderung der Forschung

an der Eidgenössischen Technischen Hochschule, Zürich (Schweiz)

Vertreter:

Dr.-Ing. E. Maier, Patentanwalt,

Stuttgart 1, Werastr. 24

Als Erfinder benannt:

Dr. Paul Schmid, Effingen, Aargau;

Dr. Angeolo Comunetti, Binningen, Basel;

Dr. Theodor Huerlimann,

Würenlingen, Aargau (Schweiz)

Beanspruchte Priorität:

Schweiz vom 1. März 1963 (2690)

Spannung zwischen den einander gegenüberstehenden Elektroden immer im Bereich der Sättigungsspannung bleiben können, ist das Verfahren korrekt. In diesem Fall muß jedoch die Ionisationskammer anders aufgebaut sein und mindestens zwei Meßelektroden haben, denen mindestens eine gemeinsame Polarisationselektrode gegenübersteht. Daher müssen mindedestens zwei Elektroden der Ionisationskammer hochohmig isoliert sein und diese durch zwei hochohmige und abgeschirmte Meßleitungen mit den Widerstandszweigen der Brückenschaltung verbunden werden. Beides bedingt einen erheblichen technischen Aufwand. Des weiteren ist diese Art der Kompensation für die allgemein gebräuchlichen Ionisationskammern mit nur einer Meßelektrode nicht anwendbar.

Die geschilderten Nachteile werden dadurcfTBeseitigt, daß erfindungsgemäß an der im herkömmliehen Sinne überkompensierten Ionisationskammer die Kompensationsspannung periodisch umgepolt wird, daß die Kompensationsspannung während eines Zeitintervalls Δ T, das kleiner oder gleich ist der

Zeitdauer -=- der Periode T, die gleiche Polarität hat

wie die Spannungsquelle, die nicht an die Kompensationselektrode angeschlossen ist, und daß die

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y-Kompensation durch Änderung des Verhältnisses —ψ- geregelt wird.

Zweckmäßig wird dafür gesorgt, daß die Kompensationsspannung vor jedem Polaritätswechsel während einer vorgegebenen Zeitdauer, die mindestens gleich der Ionenlaufzeit zwischen den Elektroden ist, auf einem konstanten Wert gehalten wird, der im Bereich der Sättigungsspannung liegt.

Der hauptsächliche Vorteil des neuen Verfahrens liegt darin, daß es für die gebräuchlichen und weitverbreiteten Ionisationskammern mit einer einzigen Meßleitung anwendbar ist, keiner mechanischen Volumenverstellung bedarf und eine von der Intensität des y-Feldes unabhängige Kompensation ermöglicht.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles sowie den Zeichnungen.

Fig. 1 zeigt schematisch die übliche Anordnung zur /-Kompensation einer Ionisationskammer, wie sie auch zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens benutzt wird;

Fig. 2 veranschaulicht den idealen zeitlichen Verlauf der verwendeten Kompensationsspannung;

F i g. 3 veranschaulicht den zeitlichen Verlauf des so hervorgerufenen Kompensationsstromes für den Fall, daß das Kammergas Elektronen und einheitliche positive Ionen als Ladungsträger liefert;

Fig. 4 stellt ein elektrisches Ersatzschema der Anordnung nach F i g. 1 dar;

Fig. 5 zeigt die Strom-Spannungs-Charakteristik einer Ionisationskammer für den Fall konstanter Ionisation;

F i g. 6 stellt einen möglichen Spannungsverlauf der Kompensationsspannung U₂ (t) dar.

Die in Fig. 1 ersichtliche Ionisationskammer 10 enthält drei voneinander isoliert montierte Elektroden, nämlich eine Meßelektrode 11 und zwei Polarisationselektroden 12 und 13, von denen die letztere als Kompensationselektrode dient. Die Kammer 10 ist mit einem Gas gefüllt, z. B. Wasserstoff. Die einander zugekehrten Seiten der Meßelektrode 11 und der Polarisationselektrode 12 sind mit einer Schicht Bor belegt, damit das zwischen diesen Elektroden liegende Gas durch die von den Neutronen am Bor hervorgerufenen Kernreaktionen ioniersiert wird. Die im Reaktor in variabler Stärke immer vorhandene /-Strahlung ionisiert das Kammergas ebenfalls. Diese /-Ionisation findet im ganzen Kammerinnern statt, insbesondere auch im Raum zwischen der Meßelektrode 11 und der Kompensationselektrode 13, wo keine Neutronenreaktion stattfindet. Man nennt den Raum zwischen den Elektroden 11 und 13 daher /-Raum. Die Neutronenreaktion ionisiert nur im Raum zwischen den Elektroden

11 und 12, wo aber ebenfalls eine Ionisation durch die /-Strahlung auftritt. Der Raum zwischen den Elektroden 11 und 12 wird daher (n+y)-Raum genannt.

Zwischen der Meßelektrode 11 und einem Potentialbezugspunkt 17 (Erde) ist eine elektrische Strommeßvorrichtung 14 angeschlossen, die meistens einen Verstärker aufweist und empfindlich genug ist, um einen Gleichstrom von der Größenordnung 10 ~¹⁰ bis 10~⁴ Ampere messen zu können. Eine Gleichspannungsquelle 15 ist zwischen die Polarisationselektrode

12 und den Potentialbezugspunkt 17 angeschlossen.

Sie liefert eine Spannung U₁ von beispielsweise 500 V und bringt die Elektrode 12 auf ein positives Potential gegenüber der Meßelektrode 11. Zwischen die Kompensationselektrode 13 und den Potentialbezugspunkt 17 ist eine zweite Spannungsquelle 16 eingeschaltet, die eine Kompensationsspannung U₂ liefert.

Während bei den bisher bekannten Ausführungen die Kompensationsspannungsquelle eine Gleichspannungsquelle war, so ist sie bei der neuen Ausführung ein Oszillator mit dem in F i g. 2 dargestellten Spannungsverlauf U_z(t). Die Polarität der Spannung U₂ wird in regelmäßiger Folge mit der Periode T während eines kurzen Zeitintervalls Δ Τ positiv; wogegen sie im übrigen Zeitintervall jeder Periode Γ negativ ist. Der absolute Betrag der Spannungsamplitude ± U₂₀ ist in beiden Fällen gleich groß. Das Ver-Δ T

hältnis -=- muß kleiner als 0,5 sein, damit der zeitliche Mittelwert der Spannung U₂ und des Potentials an der Kompensationselektrode 13 negativ ist. Die Periode T ist von der Größenordnung 10~² bis 10~⁴ ~ - '■ . Δ Τ

Sekunden. Es ist vernünftig, -=- in den Grenzen 0,1

bis 0,4 zu wählen. Durch Variation dieses Verhältnisses kann die angestrebte /-Kompensation erreicht werden.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise wird zunächst angenommen, die Kompensationsspaiinung U₁ sei konstant und negativ, die Polarisationsspannung U₁ ebenfalls konstant, aber positiv. Ist das Kammergas ionisiert, dann fließt von der Polarisationselektrode 12 ein Strom I₁ zur Meßelektrode 11 und von der Meßelektrode 11 ein Strom Z₂ zur Kompensationselektrode 13. Die Strommeßvorrichtung 14 wird die Differenz Z₁-Z₂ der beiden Ionisationsströme anzeigen. Ist die Kammer 10 keiner Neutronenstrahlung ausgesetzt, so soll der Differenzstrom I₁-I₂ möglichst Null sein, d. h.

\h-hl<\h\-

Die »Güte« der /-Kompensation wird definiert durch

Z₁ Z₂

In der Praxis wurde bisher darauf geachtet, daß Z₂ nicht größer wurde als Z₁; andernfalls sprach man von einer überkompensierten Ionisationskammer.

Für das erfindungsgemäße Verfahren wird nun die Ionisationskammer bewußt so gebaut, daß sie im herkömmlichen Sinn überkompensiert ist. Da die Kompensationsspannung an Stelle der bisher üblichen Gleichspannung den in Fig. 2 gezeigten zeitlichen Verlauf hat, wechselt der Ionenstrom Z₂ (t) gemäß F i g. 3 gleichsinnig mit der Polarität von U₂ (f) seine Richtung, so daß der verbleibende Mittelwert T₁ im wesentlichen gegeben ist zu:

L = Z₂ 1-2

AT

Der resultierende Kammerstrom Z₁- Z₂ (t) ist dadurch zu einem pulsierenden Gleichstrom geworden; sein Mittelwert ist bei idealer Kompensation proportional dem mittleren Neutronenfluß in der Kammer.

Bei jedem Polaritätswechsel der Kompensationsspannung U₂ treten unvermeidbar Rekombinations-

Verluste auf. Sorgt man dafür, daß sich innerhalb des Zeitintervalls Δ T das neue Ionengleichgewicht einstellen kann, so sind die Rekombinationsverluste beim positiven und negativen Spannungssprung gleich groß, und sie heben sich bei der Mittelwertsbildung des Stromes I₂ (i) exakt heraus, wenn die zeitlichen Spannungsverläufe beim positiven und negativen Sprung gleich sind.

Beachtet man diesen Umstand nicht und erzwingt man den Kompensationsabgleich mittels Ionenrekombination, so ist der Abgleich nicht mehr unabhängig von der Stärke des y-Feldes.

Voraussetzung für den in F i g. 3 gezeigten Stromverlauf I₂ (i) ist, daß das Potential der Meßelektrode gegenüber dem Bezugspunkt 17 zu jedem Zeitpunkt praktisch Null ist, d. h. klein bleibt gegenüber den Amplituden der Spannung U₂ (t).

Die Meßelektrode 11 ist oft hochohmig an die Meßvorrichtung 14 angeschlossen. Durch die Kapazität C₂ (F i g. 4) des von den Elektroden 11 und 13 gebil- ao deten Kondensators wird dann das Spannungssignal EZ₂(O auf die Meßelektrode 11 übertragen, so daß das Potential der Meßelektrode 11 weitgehend dem Spannungsverlauf U₂ (t) folgen würde, wenn nicht besondere Gegenmaßnahmen ergriffen würden.

Im gewünschten Sinne stabilisierend wirkt bereits die Kabelkapazität C_Si der abgeschirmten Meßleitung, welche die Meßelektrode 11 mit der Strommeßvorrichtung 14 oder mit einem der Vorrichtung 14 vorgeschalteten Tiefpaßfilter 18 verbindet, wie in F i g. 4 gezeigt ist. Die noch vorhandenen Spannungssprünge, deren zeitlicher Mittelwert exakt verschwindet, werden durch das für die Strommittelung vorhandene Tiefpaßfilter 18 eliminiert und von der Meßvorrichtung 14 ferngehalten.

Die an das Filter 18 gestellten Forderungen sind: hohe Isolationsfähigkeit und Unempfindlichkeit gegen äußere elektromagnetische Felder. Es ist deshalb vorteilhaft, nicht höhere Abschwächungsanforderungen an das Filter zu stellen als erforderlich, d. h. Vorkehrungen zu treffen, daß das Spannungssignal der Kompensationselektrode 13 nicht auf die Meßelektrode 11 übergreifen kann. Eine künstliche Vergrößerung der stabilisierend wirkenden Kabelkapazität C_{5 x} ist unerwünscht, da dadurch die Ansprechzeit für das an der Meßelektrode 11 durch die Neutronen hervorgerufene Signal ebenfalls vergrößert wird.

Der Spannungsdurchgriff von der Kompensationselektrode 13 auf die Meßelektrode 11 wird am besten dadurch verringert bzw. kompensiert, daß ein genau gegenphasiges Signal der Polarisationselektrode 12 zugeführt und der positiven Gleichspannung überlagert wird, jedoch so, daß kein Polaritätswechsel stattfindet. Exakte Spannungskompensation ist dann erreicht, wenn die Größe der Spannungssprünge an den beiden Polarisationselektroden 12 und 13 im umgekehrten Verhältnis zu den zugehörigen Interelektrodenkapazitäten C₁ bzw. C₂ stehen.

In F i g. 2 ist ein rechteckförmiger Spannungsverlauf dargestellt. In Wirklichkeit benötigt ein Spannungssprung eine endliche Zeit, wie beispielsweise in F i g. 6 veranschaulicht ist. Der apparative Aufwand für die Impulserzeugung wächst mit zunehmender Flankensteilheit, d. h. abnehmender Sprungdauer. Es ist deshalb von nicht minderem Interesse, zu wissen, welche Anforderungen zu stellen sind an Flankensteilheit, Sprungverlauf und Sprungamplitude.

Zur Beantwortung dieser Fragen ist von der Strom-Spannungs-Charakteristik einer Ionisationskammer auszugehen, wie sie in F i g. 5 für den Fall konstanter Ionisation dargestellt ist. Bei linear zunehmender Polarisationsspannung U nähert sich der Ionisationsstrom/ allmählich einem Sättigungswert/_S, welcher bei der Spannung U_2min annähernd, z. B. bis auf 1 Vo, erreicht ist. Steigt die Spannung EZ weiter, so bleibt der Strom konstant auf dem Wert/_S. Erst wenn die Spannung einen Wert U_{2 max} überschreitet, nimmt der Strom / weiter zu.

Soll der durch Ionenrekombination hervorgerufene Stromverlust vernachlässigbar sein, so muß die Spannung EZ₂ nach erfolgtem Sprung mindestens den Betrag EZ_{2 min} erreichen, d. h.

1 EZ₂ I ^ U_2min I.

Um über den zeitlichen Verlauf des Spannungssprunges Angaben machen zu können, ist es notwendig, das Auf- und Abbauen der Raumladung zu studieren.

Der in F i g. 3 dargestellte Stromverlauf I₂ (i) weist nach erfolgtem Spannungssprung jeweils eine Spitze und einen Buckel auf. Die Flächen unter diesen Buckeln bzw. Spitzen, d. h. die Integrale

- /20) dt,

stellen Raumladungen dar; die Spitzen entsprechen den Elektronen; die Buckel den positiven Ionen.
Verlangt man, daß der Strom T₂ nur vomVerhält-

Δ T
nis -=- abhängen soll, so müssen die Raumladungen

vor dem positiven wie auch vor dem negativen Sprung gleich sein, d. h., die Spannungsamplituden + U₂₀ und -U₂₀ sollen gleiche Beträge aufweisen.

Benötigt der Sprung von -U₂₀ oder +U₂₀ bis Null eine Zeitspanne, die nicht sehr klein ist gegenüber der Ionenlaufzeit v, so ist außer Amplitudengleichheit auch ein bis auf das Vorzeichen gleicher Spannungsverlauf vom negativen und vom positiven Amplitudenwert bis zum Nulldurchgang zu fordern.

Ist | EZ₂(O |<| EZ_{2 m/}„|, dann gibt es Rekombinationsverluste; diese werden um so größer, je langsamer das Spannungsgebiet von +U_2min bis —U_2min oder umgekehrt überstrichen wird. Damit die entstehenden Stromverluste sich wegkompensieren, muß abgesehen vom Vorzeichen gleicher Spannungsverlauf von +U₂₀ bis -U_2min und von -U₂₀ bis +U_2min gefordert werden.

In Fig. 6 sind die vorstehend erwähnten kritischen Strecken des Kompensationsspannungsverlaufes U₂ (t) durch fettere Linien dargestellt. Man sieht deutlich, daß die fetter ausgezogenen Strecken beim Polaritätswechsel von der negativen zur positiven Amplitude und von der positiven zur negativen Amplitude gleichen zeitlichen Verlauf haben.

Nach erfolgtem Polaritätswechsel [Nulldurchgang von EZ₂(O] beginnt der Abbau der ehemaligen und der Aufbau der neuen Raumladungsverteilung.

Die für den Abbau erforderliche Umpoldauer A T ergibt sich aus der Bedingung:

AT I = O

|df>

Dabei bedeutet:

t die vom Nulldurchgang an gerechnete Zeit, D den Abstand zwischen den Elektroden 11 und 13,

μ die Ionenbeweglichkeit.

Bildlich heißt diese Bedingung, daß die in Fig. 2

schraffierte Fläche > — sein soll.

Für den Aufbau der neuen Raumladung, d. h. des neuen Ionengleichgewichtes, ist es erforderlich, daß ίο vom Zeitpunkt des Erreichens der Amplitude + U₂₀ oder — U₂₀ eine gewisse Zeitdauer

D²

verstreicht, ehe U₂(t) wieder kippt (vgl. Fig. 6). Diese zweite Bedingung folgt aus der ersten, wenn U₂ (t) = U₂₀ gesetzt wird.
Im allgemeinen wird man interessiert sein, A T

klein zu halten, damit die Impulsfrequenz — möglichst groß gewählt werden kann. Das optimale Verhältnis ~ liegt bei einer Parallelplattenkammer bei

16,7«/o, was einem Verhältnis des Volumens des y-Raumes zum Volumen des (n + y)-Raumes von 1,5 entspricht. Das genannte Volumenverhältnis soll bei einer Parallel- oder Quasiparallelplattenkammer in den Grenzen 1,3 bis 2 liegen.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur ^-Kompensation einer Ionisationskammer für den Nachweis eines Neutronenstromes in Kernreaktoren mit mindestens einer Meßelektrode und mindestens zwei Polarisationselektroden, von denen die eine als Kompensationselektrode dient, unter Verwendung einer . an die Meßelektrode angeschlossenen Strommeß-Vorrichtung und zwei Spannungsquellen, die einerseits an die Polarisationselektroden und andererseits an die Strommeßvorrichtung angeschlossen sind, wobei die mit der Kompensationselektrode verbundene Spannungsquelle eine als Kompensationsspannung dienende Polarisationsspannung liefert, dadurch gekennzeichnet, daß an der im herkömmlichen Sinne überkompensierten Ionisationskammer die Kompensationsspannung (U₂) periodisch umgepolt wird, daß die Kompensationsspannung während eines Zeitintervalls A T, das kleiner oder gleich ist der

Zeitdauer γ der Periode T, die gleiche Polarität hat wie die Spannungsquelle, die nicht an die Kompensationselektrode angeschlossen ist, und daß die y-Kompensation durch Änderung des

Δ Τ
Verhältnisses -ψ gereglt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsspannung (U₂) vor jedem Polaritätswechsel während einer vorgegebenen Zeitdauer, die mindestens gleich der Ionenlaufzeit zwischen den Elektroden ist, auf einem konstanten Wert (+ U₂₀) gehalten wird, der im Bereich der Sättigungsspannung liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß, falls die für den Polaritätswechsel der Kompensationsspannung benötigte Sprungzeit von der Größe der Ionenlaufzeit beim Amplitudenwert (U₂₀) der Kompensationsspannung ist, dafür gesorgt wird, daß sich die zeitlichen Spannungsverläufe bei allen Polaritätswechseln vom Sprungbeginn über den Nullwert hinaus bis wenigstens annähernd zur Erreichung der Sättigungsspannung abgesehen von ihren Vorzeichen gleich sind.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung (U₁) der nicht der Kompensation dienenden Polarisationselektrode bzw. -elektroden (12) ohne Wechsel der Polarität gegenphasig zur Kompensationsspannung (U₂) pulsiert wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Periode T der aufeinanderfolgenden Polaritätsurnkehrungen der Kompensationsspannung (U₂) zwischen 10~² und 10-* Sekunden gewählt wird.

ö.Parallelplatten-Iomsationskammer zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Volumens des y-Raumes zwischen der Meß- und Kompensationselektrode und des Volumens des (η + γ)-Raumes zwischen der oder den übrigen Polarisationselektroden und der Meßelektrode zwischen 1,3 und 2 liegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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