DE1233500C2 - Vorrichtung zum Messen eines Neutronenflusses - Google Patents

Description

nach außen hin eine Moderatorschicht für schnelle Neutronen anschließt. Die Absorberschicht ist mit radialen Bohrungen versehen. Da nach diesem älteren Vorschlag nur zwei Schichten, nämlich eine Absorberschicht und eine Moderatorschicht vorgesehen sind, ist die Zahl der variablen Parameter für eine geeignete Anpassung an eine gewünschte beliebige Charakteristik kleiner.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine richtungsunabhängige Vorrichtung zum Messen von Neutronen zu schaffen, die die in allen Richtungen auf die Vorrichtung auftreffenden Neutronen messen kann und die im wesentlichen proportional zu der schädlichen Wirkung einer auftretenden Neutronenstrahlung auf den menschlichen Organismus reagiert. Zur Darstellung der Empfindlichkeit des menschlichen Organismus wird eine Kurve verwendet, die von der Internationalen Kommission für Strahlenschutz empfohlen wird und im folgenden als ICRP-Kurve bezeichnet wird. Zur Messung solcher für den menschlichen Organismus schädlichen Strahlung konnte bisher kein unmodifizierter, für langsame Neutronen empfindlicher Detektor verwandt werden, da solch ein Detektor schnelle Neutronen überhaupt nicht bzw. unvollständig erfaßt, während der menschliche Organismus gegenüber diesen schnellen Neutronen am empfindlichsten ist. Es wurde früher versucht, diese Schwierigkeit durch Kombination zweier Detektoren zu lösen, von denen einer im wesentlichen langsame Neutronen und der andere im wesentlichen schnelle Neutronen nachweist. Gegenüber diesen bekannten Detektoren bedeutet die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung mit einem einzigen für langsame Neutronen empfindlichen Neutronendetektor eine wesentliche Vereinfachung.

Dieses Neutronendosimeter zum Messen eines Neutronenflusses über praktisch den gesamten Neutronenenergiebereich mit einem Neutronendetektor, dessen höchste Empfindlichkeit im Bereich langsamer Neutronen liegt und der zentral angeordnet und von einer mit durchgehenden Löchern versehenen Absorberschicht für langsame Neutronen umgeben ist, an die sich nach außen hin eine Moderatorschicht für schnelle Neutronen anschließt, ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Absorberschicht und dem Neutronendetektor eine weitere Moderatorschicht angeordnet ist, daß die Löcher in der Absorberschicht gleichmäßig über deren Oberfläche verteilt sind und zusammen 1 bis 40% der Gesamtfläche dieser Schicht ausmachen und daß die Absorberschicht und die Moderatorschichten derart ausgebildet und bemessen sind, daß der Verlauf der Nachweisempfindlichkeit als Funktion der Neutronenenergie im wesentlichen mit einer biologisch wirksamen Kurve, insbesondere der ICRP-Kurve, übereinstimmt.

Der Moderator vermindert die Geschwindigkeit einfallender langsamer Neutronen nicht, reduziert aber die Geschwindigkeit schneller Neutronen, so daß diese durch den Detektor registriert werden. Das Absorptionsmittel absorbiert im wesentlichen langsame Neutronen und nur in einem viel geringeren Ausmaß auch schnelle Neutronen. Daher vermindert die gleichzeitige Anwesenheit eines Moderators und eines Absorptionsmittels die Empfindlichkeit der Vorrichtung gegenüber langsamen Neutronen, während die Empfindlichkeit gegenüber schnellen Neutronen anwächst. Folglich besitzt die Vorrichtung ihre größte Empfindlichkeit im Bereich der schnellen Neutronen, was der Empfindlichkeit des menschlichen Organismus entspricht.

Im Prinzip kann jeder bekannte Moderator, z.B. Graphit, Beryllium oder schweres Wasser, benutzt werden, aber vorzugsweise wird gewöhnlicher (leichter) Wasserstoff verwendet, da er die größte Moderationsfähigkeit pro Volumeinheit besitzt. Es wurde gefunden, daß gebundenen Wasserstoff enthaltende Materialien von der Art polymerisierter Kohlenwasserstoffe, wie z.B. Polyäthylen, besonders geeignet sind, erstens, da sie einen hohen Wasserstoffgehalt pro Volumenemheit besitzen, und zweitens, da sie verformt werden können, so daß kein weiteres Behältnis zum Einschluß des Moderators benötigt wird.

Als Absorptionsmittel kann ein Material mit einer Energieschwelle der Absorptionsfähigkeit verwendet werden, wie z. B. Kadmium. Vorzugsweise wird jedoch eine Substanz benutzt, deren Absorptionsfähigkeit im wesentlichen umgekehrt proportional zu der Neutronengeschwindigkeit ist, wie z. B. Bor.

Durch Variieren der Beschaffenheit und Dicke des Moderators und des Absorptionsmittels kann man der Vorrichtung nach der Erfindung eine Empfindlichkeitskurve geben, die mehr oder weniger genau mit einer biologisch wirksamen Kurve, insbesondere der ICRP-Kurve, übereinstimmt.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung eine Ausführungsfonn beschrieben, die eine sorgfältige Anpassung an die ICRP-Kurve ermöglicht. In der Zeichnung bedeutet

F i g. 1 einen senkrechten Schnitt durch die Vorrichtung nach der Erfindung und

F i g. 2 die biologische Wirksamkeit von Neutronen (gestrichelte ICRP-Kurve) in mrem/n · cm-² bzw. die Nachweisempfindlichkeit der Vorrichtung nach der Erfindung (ausgezogene Kurve) in Impulsen/n · m~² in Funktion zur Neutronenenergie in MeV. Die Ordinate in F i g. 2 gibt lediglich einen relativen Maßstab an.

Die Vorrichtung nach F i g. 1 enthält einen sogenannten Proportionalzähler 1, der mit Bortrifluorid gefüllt ist. Es muß jedoch noch darauf hingewiesen werden, daß die Erfindung nicht auf die Verwendung eines solchen Detektors beschränkt ist. Im Prinzip kann jede Art eines Detektors für langsame Neutronen verwendet werden. Der Detektor kann von der Art einer Ionenkammer, eines Impulszählers oder Halbleiters sein oder aus einem Szintillator in Verbindung mit einem lichtempfindlichen Detektor bestehen. Durch eine Verbindung 2 kann der Detektor mit einem Meß- und möglicherweise auch Registriergerät verbunden sein, das an sich bekannt ist und daher hier nicht beschrieben wird.

Um den Detektor 1 ist eine Polyäthylenschicht 3 angebracht. Über dieser Schicht ist eine relativ dünne Kunststoff schicht 4 angeordnet, die eine Borverbindung enthält. In dieser Kunststoffschicht 4 ist eine Vielzahl von Löchern 6 eingearbeitet, die über der Oberfläche der Kunststoffschicht gleichmäßig verteilt sind. Ganz außen befindet sich eine dicke Polyäthylenschicht 5.

Die Vorrichtung nach F i g. 1 funktioniert in der folgenden Weise. Langsame Neutronen werden in der äußeren oder in der inneren Polyäthylenschicht nicht merklich verlangsamt. Ein Teil der langsamen Neutronen tritt durch die Löcher 6 in der Absorp-

tionsmittelschicht, ein relativ großer restlicher Teil der langsamen Neutronen wird in der borhaltigen Kunststoffschicht jedoch absorbiert. Neutronen mit einer mittleren Geschwindigkeit werden relativ stärk in der äußeren Polyäthylenschicht verlangsamt, worauf ein Teil von ihnen in der borhaltigen Kunststoffschicht absorbiert wird. Der Prozentsatz der Neutronen mit mittlerer Geschwindigkeit, der den Detektor erreicht und registriert wird, ist größer als der der langsamen Neutronen. Es ist selbstverständlich, daß die schnellen Neutronen in der äußeren Polyäthylenschicht relativ stark verlangsamt werden, doch wenn sie die borhaltige Kunststoffschicht erreichen, ist ihre Geschwindigkeit noch so groß, daß der Hauptteil von ihnen durch die borhaltige Kunststoffschicht durchtritt. Während ihres Durchtrittes durch die innere Polyäthylenschicht werden diese Neutronen weiter verlangsamt, so daß der Prozentsatz, der den Detektor erreicht und von diesem registriert wird, höher ist als der der Neutronen mit mittlerer Geschwindigkeit.

Bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1 wurde als zweckmäßig ermittelt, wenn der Neutronendetektor 1 allseitig von einer inneren Moderatorschicht 3 aus Polyäthylen mit einer Dicke von 5 bis 50 mm, vorzugsweise iO bis 20 mm, einer Bor in einer Flächendichte von 50 bis 500 mg/cm², vorzugsweise 100 bis 300 mg/cm², enthaltenden Absorberschicht 4 mit mit Löchern 6, die eine ausgesparte Fläche von insgesamt 5 bis 30% der Gesamtfläche umfassen und einen Durchmesser von 3 bis 15 mm, vorzugsweise 5 bis 10 mm, besitzen, und einer äußeren Moderatorschicht 5 aus Polyäthylen mit einer Dicke von 20 bis 150 mm, vorzugsweise 50 bis 70 mm, umgeben ist. Nach einer ersten bevorzugten Aüsführüngsform dieser Vorrichtung besitzt die innere Moderatorschicht 3 eine Dicke von etwa 16 nun, die Absorberschicht 4 enthält Bor in einer Flächendichte von etwa 200 mg/cm² und weist eine ausgesparte Fläche der Löcher 6 von etwa 11 °/6 der Gesamtfläche auf, und die äußere Moderatorschicht S hat eine Dicke von etwa 65 mm. Die Empfindlichkeitskurve dieser Ausführungsform ist in F i g. 2 als ausgezogene Linie gezeigt.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform, die ähnlich der oben geschilderten ist und sich speziell für den Gebrauch in transportablen Instrumenten eignet, besitzt der Neutronendetektor 1 eine empfindliche Länge von 60 mm, einen inneren Durchmesser von 29 mm und einen äußeren Durchmesser von 30 mm. Die innere Moderatorschicht 3 weist dabei eine Dicke von etwa 16 mm, die Absorberschicht 4 Bor in einer Flächendichte von 200 mg/cm² Und eine ausgesparte Fläche der Löcher 6 von etwa 22 % der Gesamtfläche auf, wobei die Löcher 6 einen Durchmesser von 10 mm besitzen, und die äußere Moderatorschicht 5 hat eine Dicke von etwa 65 mm entlang der Zylinderfläche und von 46 mm an den Endwähden. Die Empfindlichkeitskurve dieser Ausführungsform ist im wesentlicher! derjenigen der oben beschriebenen Ausführürigsform gleich.

Die Dimensionen des Proportionalzählers sind so gewählt, daß mail eine Vorrichtung mit niedrigem Gewicht und einer Neutronenempfindlichkeit erhält, die so unabhängig von der Richtung des Neutroneneinfalls wie möglich ist. Die Künststoffschichten können durch aufeinanderfolgendes Gießen der Schichten um den Detektor erhalten werden, wobei die Löcher in die B or-KUnststoffschicht gebohrt werden, bevor die äußere Schicht angefertigt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1 2 einem Neutronendetektor, dessen höchste Empfind- Patentansprüche: lichkeit im Bereich langsamer Neutronen liegt und der zentral angeordnet und von einer mit durchge-

1. Neutronendosimeter zum Messen eines Neu- henden Löchern versehenen Absorberschicht für tronenflusses über praktisch den gesamten Neu- 5 langsame Neutronen umgeben ist, an die sich nach tronenenergiebereich mit einem Neutronendetek- außen hin eine Moderatorschicht für schnelle Neutor, dessen höchste Empfindlichkeit im Bereich tronen anschließt.

langsamer Neutronen liegt und der zentral an- Aus W. J. Price, »Nuclear Radiation Detection« geordnet und von einer mit durchgehenden Lö- (1958), S. 260 bis 269, ist ein sogenannter »Long ehern versehenen Absorberschicht für langsame io Counter« bekannt, bei dem der Neutronendetektor Neutronen umgeben ist, an die sich nach außen von zwei Moderatorschichten umgeben ist, die durch hin eine Moderatorschicht für schnelle Neutro- eine Neutronen absorbierende Schicht voneinander nen anschließt, dadurch gekennzeich- getrennt sind. Der »Long Counter« dient jedoch net, daß zwischen der Absorberschicht (4) und dazu, einen gerichteten Neutronenfluß, der axial auf dem Neutronendetektor (1) eine weitere Modera- 15 den Detektor auf trifft, zu messen, weswegen der torschicht (3) angeordnet ist, daß die Löcher (6) Neutronendetektor hier lediglich auf drei Seiten von in der Absorberschicht gleichmäßig über deren einer nach außen durch eine Absorberschicht abge-Oberfläche verteilt sind und zusammen 1 bis 40% schirmten Moderatorschicht umgeben ist. Dabei ist der Gesamtfläche dieser Schicht ausmachen und lediglich die innere Moderatorschicht des »Long daß die Absorberschicht (4) und die Moderator- 20 Counters« für die Neutronendetektierung wirksam, schichten (3; 5) derart ausgebildet und bemessen während der Absorber und die äußere Moderatorsind, daß der Verlauf der Nachweisempfindlich- schicht ausschließlich als Abschirmung gegen den keit als Funktion der Neutronenergie im wesentli- Einfall von Neutronen wirken, die in anderen Richchen mit einer biologisch wirksamen Kurve, ins- tungen als von der offenen Frontseite her auftreffen, besondere der ICRP-Kurve, übereinstimmt. 25 Somit dienen die letztgenannten Schichten aus-

2. Neutronendosimeter nach Anspruch 1, schließlich dem Ausblenden eines in Richtung der dadurch gekennzeichnet, daß der Neutronen- Detektorachse verlaufenden Neutronenflusses. Der detektor (1) allseitig von einer inneren Modera- »Long Counter« besitzt also nicht die Merkmale der torschicht (3) aus Polyäthylen mit einer Dicke vorliegenden Vorrichtung und kann daher auch nicht von 5 bis 50 mm, einer Bor in einer Flächen- 30 für den gleichen Zweck wie diese benutzt werden, da dichte von 50 bis 500 mg/cm² enthaltenden Ab- er von den aus allen Richtungen auf die Vorrichtung sorberschicht (4) mit Löchern (6), die eine ausge- auftreffenden Neutronen lediglich einen ausgeblendesparte Fläche von insgesamt 5 bis 30% der Ge- ten, in bestimmter Richtung verlaufenden Neutrosamtfläche umfassen und einen Durchmesser von nenfluß mißt.

3 bis 15 mm besitzen, und einer äußeren Mode- 35 Weiterhin sind aus den USA.-Patentschriften

ratorschicht (5) aus Polyäthylen mit einer Dicke 2 752 505 und 3 022 424 Detektoren für Röntgen-

von 20 bis 150 mm umgeben ist. und Gammastrahlen bekannt, die einen an sich stark

3. Neutronendosimeter nach Ansprach 2, da- energieabhängigen Empfindlichkeitsverlauf aufweidurch gekennzeichnet, daß die innere Moderator- sen und bei denen die Empfindlichkeit dadurch an schicht (3) eine Dicke von etwa 16 mm besitzt, 40 eine gewünschte Dosisempfindlichkeitskurve angeglidie Absorberschicht (4) Bor in einer Flächen- chen wird, daß man den Detektor mit einem Filter dichte von etwa 200 mg/cm² enthält, die ausge- von energieabhängiger Absorptionsfähigkeit umgibt sparte Fläche der Löcher (6) etwa 11% der Ge- und die dadurch bewirkte zu starke Unterdrückung samtfläche ausmacht und die äußere Moderator- der stark absorbierten Spektralanteile dadurch ausschicht (5) eine Dicke von etwa 65 mm besitzt. 45 gleicht, daß man das Filter mit einer Vielzahl von

4. Neutronendosimeter nach Ansprach 2 mit Löchern geeigneter Größe versieht. Diese bekannten zylindrischem Detektor und zylindrisch angeord- Vorrichtungen können jedoch nicht für die Messung neten Moderator- und Absorberschichten, da- eines Neutronenflusses verwandt werden.

durch gekennzeichnet, daß der Neutronendetek- Ferner sind Anordnungen mit einem von Moderator (1) eine empfindliche Länge von 60 mm, 50 torschichten umgebenen Neutronendetektor bekannt, einen inneren Durchmesser von 29 mm und bei denen die Dicke der Moderatorschichten so geeinen äußeren Durchmesser von 30 mm besitzt, wählt ist, daß für bestimmte Neutronenenergien eine daß die innere Moderatorschicht (3) eine Dicke maximale Nachweisempfindlichkeit erreicht wird, von etwa 16 mm aufweist, die Absorberschicht (4) Mit diesen Anordnungen ist jedoch eine Anpassung Bor in einer Flächendichte von etwa 200 mg/cm² 55 des Verlaufs der Nachweisempfindlichkeit als Funkenthält und eine ausgesparte Fläche der Löcher tion der Neutronenenergien an einen vorgegebenen (6) von etwa 22 % der Gesamtfläche hat, wobei Verlauf dieser Funktion nicht möglich,
die Löcher (6) einen Durchmesser von 10 mm Schließlich ist auch bereits aus »Nuclear Science besitzen, und daß die äußere Moderatorschicht Abstracts« (1960), S. 1607, bekannt, Polyäthylen als (5) eine Dicke von etwa 65 mm entlang der Zy- 60 wasserstoffhaltige Moderatorsubstanz in Neutronenlinderfläche und von 46 mm an den Endwänden detektoren vom Typ eines »Long Counter« zu veraufweist, wenden.

Es wurde bereits mit dem älteren deutschen Patent

1 639 539 ein Gerät zum Messen einer Neutronendo-

65 sis vorgeschlagen, das ein Meßelement aufweist, des-

Die Erfindung geht aus von einem Neutronendosi- sen höchste Empfindlichkeit im Bereich langsamer

meter zum Messen eines Neutronenflusses über prak- Neutronen liegt und das von einer Absorberschicht

tisch den gesamten Neutronenenergiebereich mit für langsame Neutronen umgeben ist, an die sich