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Verfahren zur Unterscheidung radioaktiver Isotope und Anordnung zur
Durchführung dieses Verfahrens Bei der Überwachung von Oberflächenwasser, Meerwasser,
Milch, Luft und anderen Medien auf radioaktive Verunreinigung ist die diesen Medien
eigentümliche natürliche Radioaktivität sehr störend, weil sie die meist schwächere
künstliche Radioaktivität, welche festgestellt werden soll, überdeckt.
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Umständliche chemische und physikalische Abtrennungsverfahren, welche
die natürlichen radioaktiven Isotope von den künstlichen Isotopen trennen, sind
deshalb heute allgemein üblich.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Unterscheidung
radioaktiver Isotope mit Hilfe zweier von der zu untersuchenden Strahlung durchsetzter,
durch eine Absorptionsfolie getrennter und in Koinzidenz geschalteter Zähler, sowie
Anordnungen zur Durchführung dieses Verfahrens. Damit ist es möglich, das Auftreten
künstlicher Isotope ohne chemisch-physikalische Abtrennungsverfahren sofort messend
zu erkennen, weil die Art der natürlichen Radioaktivitäten in den meisten Fällen
bekannt ist oder ermittelt werden kann.
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Als Detektoren werden dazu Zähler, bei welchen die Meßstrahlung durch
Ionisierung elektrische Impulse erzeugt, benutzt.
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In bekannter Weise wird zwischen zwei Zählern bzw. Zählsystemen,
welche von der Strahlung des Isotopengemischs geradlinig durchsetzt werden, eine
Absorptionsfolie angebracht. Ihr optimales Flächengewicht wird nach der mittleren
Energie der Strahlung bestimmt. Die von beiden Zählern abgegebenen Impulsraten (Zahl
der Impulse pro Zeiteinheit) stehen dann in einem bestimmten Verhältnis, welches
von der mittleren Energie eines Isotopengemischs, von der Größe der Absorption und
der Geometrie der Zählsysteme abhängt. insert sich die mittlere Energie, d. h. tritt
im Isotopengemisch ein neuer Strahler anderer Energie zusätzlich auf, so ändert
sich das Verhältnis der von den Zählsystemen abgegebenen Impulsraten. Die Erfindung
besteht darin, daß die Impulse des einen Zählers in ihrer Amplitude oder Zeitdauer
so eingestellt werden, daß für das einer vorgegebenen mittleren Strahlungsenergie
entsprechende Verhältnis der Zählraten in den beiden Zählern der zeitliche Mittelwert
der Impulse in den beiden Zählkanälen gleich wird und daß mit Hilfe einer an sich
bekannten integrierenden Differenzschaltung die Differenz der Mittelwerte gebildet
wird, so daß das Auftreten eines von Null verschiedenen Differenzwertes das Vorhandensein
eines Isotopes mit einer von der vorgegebenen mittleren Strahlungsenergie abweichenden
Energie anzeigt, während die Anzeige bei einem Isotop mit der vorgegebenen mitt-
leren
Strahlungsenergie unabhängig von dessen absolutem Aktivitätspegel stets Null ist.
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Die genaue Verhältnismessung der beiden Impulsraten setzt voraus,
daß der sogenannte Nulleffekt in den Zählsystemen bzw. Zählern möglichst klein ist.
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Außer der bekannten Abschirmung der Zähler mit Blei oder Stahl gegen
die Umgebungsstrahlung, wird deshalb bei einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens
gemäß der Erfindung eine Koinzidenz schaltung zur Verringerung des Nulleffekts vorgesehen,
welche bewirkt, daß nur die von dem hinter der Absorptionsfolie liegenden Zähler
abgegebenen Impulse, welche gleichzeitig auch im anderen Zähler auftreten, zur Differenzmessung
benutzt werden.
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Auch die Höhenstrahlung verursacht jedoch in beiden Zählern gleichzeitig
auftretende, durchAbschirmung nicht zu beseitigende Impulse. Sie werden erfindungsgemäß
dadurch beseitigt, daß ein Antikoinzidenzzähler über den beiden Zählern angeordnet
wird, welcher mittels einer Antikoinzidenzschaltung die von der Höhenstrahlung in
den beiden Zählern ausgelösten Impulse unwirksam macht.
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Zur Bildung bzw. Messung eines Differenzwertes tragen damit nur die
allein vom Isotopengemisch in beiden Zählern hervorgerufenen Impulse bei. Wird die
Absorptionsfolie weggelassen, so ist deshalb mittels des Zählers, welcher hinter
der Absorptionsfolie liegt, eine praktisch nulleffektfreie Messung der Brutto aktivität
des Isotopengemischs möglich.
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Um höchste spezifische Empfindlichkeiten bei der Verhältnismessung
zu erreichen, werden gemäß eines weiteren Erfindungsgedankens die Zähler als großflächige
Proportionalzähler, wie sie in jüngster Zeit bekanntgeworden sind, ausgeführt.
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Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel zur Erfindung. In der
Meßschale 1 befindet sich das zu untersuchende Isotopengemisch. Seine Strahlung
durchsetzt geradlinig die beiden großflächigen Zähler 2 und 3. Zwischen den beiden
Zählern ist eine Absorptionsfolie 4 angebracht. Sie ist so bemessen, daß bei bekannter
mittlerer Energie des Isotopengemischs seine Strahlung durch Absorption etwa auf
die Hälfte verringert wird. Die von den beiden Zählern 2 und 3 abgegebenen Impulsraten
stehen damit in einem bestimmten, für das Isotopengemisch bzw. für seine mittlere
Energie charakteristischen Zahlenverhältnis.
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Um die von den Zählern 2 und 3- herrührenden Impulse weitgehend vom
Nulleffekt zu befreien, ist über den beiden Zählern ein allseits geschlossener Schirmzähler
5 angebracht; alle drei Zählsysteme sind mit einem abschirmenden Blei- bzw. Stahlmantel
6 umgeben, welcher die Umgebungsstrahlung abschirmt.
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Die von den drei Zählsystemen 2 3 und 5 abgegebenen Impulse werden
von den Verstärkern 7, 8 und 9 verstärkt. Zur Befreiung von störenden Impulsen durchlaufen
die vom Zähler 3 herrührenden Impulse eine Koinzidenzschaltung 10, derart, daß nur
die in 2 und 3 gleichzeitig auftretenden, also die vom Isotopengemisch herrührenden
Impulse zur Differenzmessung gelangen. Da auch die Höhenstrahlung, welche die Abschirmung
6 durchdringt, in 2 und 3 gleichzeitig auftretende Impulse verursacht, werden diese
mittels der Antikoinzidenzschaltungen 11 und 12 unwirksam gemacht, d. h., jeder
im Schirmzähler 5 von der Höhenstrahlung verursachte Impuls mit dem gleichzeitig
auch in den Zählern 2 und 3 Impulse erzeugt werden, unterdrückt diese in den Schaltungen
11 und 12 in bebekannter Weise.
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Die die Antikoinzidenzschaltungen 11 und 12 verlassenden und zur
Differenzmessung gelangenden Impulse sind weitgehend von jeder Störstrahlung befreit;
damit ist eine genaue Differenzmessung möglich. Da praktisch kein Nulleffekt vorhanden
ist, können so Messungen mit höchster Empfindlichkeit ausgeführt werden.
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Zur Differenzmessung werden die 11 und 12 verlassenden und zum Teil
gleichzeitig auftretenden Impulse mittels der Verzögerungsleitung 13 zeitlich gegeneinander
verschoben, so daß am Eingang der Impulsformer 14 und 15 gleichzeitig Impulse praktisch
nicht mehr vorhanden sind. Es läßt sich zeigen, daß dies für die richtige Wirkungsweise
der aus den Röhren 16 und 17 gebildeten Differenzschaltung erforderlich ist. An
den Klemmen a und b können bei Vorliegen sehr kleiner Impulsraten digitale Zähler
angeschlossen werden.
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Die vom Zähler 2 herrührenden Impulse gelangen über eine Schaltung
23 an das Gitter der Differenzröhre 16, die des Zählers 3 an das Gitter der Differenzröhre
17. In bekannter Wirkungsweise geben die beiden Röhren positive bzw. negative Ladungsstöße
auf den Kondensator 18. Seine Spannung ist Null, wenn das Verhältnis der positiven
Ladungsmenge pro Impuls aus -dem einen Kanal zur negativen La-. dungsmenge pro Impuls
aus dem anderen umgekehrt gleich dem Verhältnis der Impulsraten aus beiden Kanälen
ist Diese Einstellung erfolgt in der Schaltung 23, welche die zeitliche Dauer oder
die Amplitude der einzelnen Impulse zu verändern gestattet.
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Bei Abweichung von einem eingestellten fest vorgegebenen Verhältnis
der Impulsraten überwiegt entweder die dem Kondensator 18 zugeführte positive oder
negative Ladungsmenge, und die Spannung am Kondensator wird positiv oder negativ
und mittels eines Gleichstromverstärkers 20 verstärkt mit dem Instrument 21 oder
dem Schreiber 22 zur Anzeige gebracht. Die Abweichung von Null in der Anzeige kann
bei jedem eingestellten Verhältnis als in Impulsen geeichte Differenz gegen Null
zur Anzeige gebracht werden. Wie gezeigt werden kann, erleichtert dies in bestimmten
Fällen die Identifizierung künstlicher Strahler gegenüber natürlichen Strahlern.
Die -Polar-ität-der--A-bweichung gegen Null gibt an, ob der unbekannte Strahler
eine größere oder kleinere mittlere Energie hat, als die, für welche die Differenzmessung
auf Anzeige Null gestellt wurde.
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Zum besseren Verständnis sei an einem Beispiel eine Anwendung des
Erfindungsgedankens beschrieben. Bekanntlich bereitet die Messung von Milch auf
Verseuchung durch künstliche radioaktive Isotope (Sr90, Sr89, Cs137, J131 USW.)
aus dem sogenannten fall-out große Schwierigkeiten und bedarf umfangreicher und
zeitraubender Arbeiten (Dauer bis zu 14 Tagen). Sie sind erforderlich, weil das
in der Milch enthaltene Kalium40 meist eine stärkere natürliche Radioaktivität darstellt
und eine direkte Messung unmöglich måcht. Wird durch Anwendung einer Absorptionsfolie
die Strahlung des Kaliums etwa zur Hälfte absorbiert und dann gemäß der Erfindung
für das der Kaliumstrahlung entsprechende Zählratenverhältnis die Differenzanzeige
auf Null eingestellt, so kann sofort bei Auftreten von künstlicher Radioaktivität
aus dem fall-out eine Aussage über die Stärke desselben gemacht werden, da die Absorptionsfolie
wegen der verschiedenen mittleren Energien (K40 bei 1,46 meV und fall-out bei 0,7
meV) eine klare Unterscheidung ermöglicht. Bei einer eventuell noch folgenden Strontiumabtrennung
kann wiederum ohne Wartezeit sofort der Strontium90-Anteil gemessen werden, da Sr90
und Sr89 sich wesentlich in ihrer mittleren Energie unterscheiden.
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Die vorliegende Erfindung bedeutet für die Überwachung auf Radioaktivität
einen wesentlichen Fortschritt. Die bekannten natürlichen, der bisherigen Meßtechnik
hinderlichen Strahler können meßtechnisch eliminiert werden, die zeitraubenden und
aufwendigen Aufbereitungsverfahren entfallen in vielen und wichtigen Fällen. Die
kontinuierliche Messung von Flüssigkeiten ist mit höchster Empfindlichkeit auf bestimmte
mittlere Energien bzw. Isotopen hin möglich.