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Verfahren und Einrichtung zur Bestimmung von in geringen Mengen bis
Spuren in Metallkörpern oder in Schmelzen befindlichen Elementen Die Erfindung betrifft
ein auf dem Prinzip der Spektralanalyse einer durch Neutronenbestrahlung ausgelösten
:,-Strahlung beruhendes Verfahren zur Bestimmung von Elementen in Metallkörpern
oder in Schmelzen.
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Zur Bestimmung von Elementen in Metallen kennt man, abgesehen von
den chemischen Analysenverfahren sowie der lichtoptischen, Röntgenfluoreszenz-und
der Massenspektralanalyse auch schon die Aktivierungsanalyse, die darauf beruht,
daß insbesondere durch Neutronenbestrahlung aktivierte Elemente eine charakteristische
Strahlung aussenden.
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Abgesehen von der letzten Analysenmethode beziehen sich diese Analysenverfahren
tatsächlich nur auf ganz kleine Bereiche des Prüfmaterials, was insofern unbefriedigend
ist, als grundsätzlich kein homogenes Material vorliegt. Bei der Aktivierungsanalyse
geht man bislang so vor, daß man die Probe in einem Reaktor mit langsamen, sogenannten
thermischen Neutronen bestrahlt und einige darin enthaltene Elemente radioaktiv
macht. Die aktivierten Elemente senden sodann nach charakteristischen Gesetzen eine
radioaktive Wellen- und/oder Korpuskelstrahlung aus, die gemessen und ausgewertet
werden kann.
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Diesem letzten Verfahren haften trotz der großen Vorzüge, die es
von den klassischen Verfahren abhebt, noch eine Reihe von Nachteilen an. So mußten
bisher die Proben im allgemeinen in einem Reaktor bestrahlt werden, da die üblichen
laboratoriumsgerechten Neutroneaquellen, die z. B. auf einer Po-Be-Umsetzung beruhen,
eine im allgemeinen zu geringe Neutronenflußdichte besitzen. Zum anderen werden
einige für die Stahlanalyse sehr wichtige Elemente, vor allem Sauerstoff, durch
langsame Neutronen nur im beschränkten Umfang aktiviert. Schließlich bleibt die
bestrahlte Probe bzw. der Metallkörper noch über einen längeren Zeitraum radioaktiv;
dabei ist besonders zu berücksichtigen, daß aus mit langsamen Neutronen bestrahltem
Eisen ein Manganisotop mit mehrjähriger Halbwertszeit entsteht.
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Man hat allerdings Metallkörper auch schon außerhalb eines Reaktors
mit langsamen Neutronen bestrahlt, wobei man vor allem von einer Deuterium-Tritium-Reaktion,
kurz d-t-Reaktion, ausging. Durch diese d-t-Reaktion werden schnelle Neutronen erzeugt,
und diese schnellen Neutronen werden bislang bewußt, z. B. mittels einer Bremsschicht
aus Paraffin, in langsame Neutronen umgewandelt. Bei diesem Verfahren treten grundsätzlich
dieselben Nachteile auf wie bei der Reaktorbestrahlung.
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Weiterhin ist auch schon bekanntgeworden - bei der Erdölmutung -,
mit Hilfe einer durch schnelle Neutronen ausgelösten und anschließend gemessenen
und ausgewerteten prompten :,-Strahlung das Vorhandensein bestimmter Elemente im
Erdinnern festzustellen. Dabei herrschen allerdings ganz andere Bedingungen als
im vorliegenden Anwendungsfall.
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Die zu untersuchenden Formationen weisen regelmäßig Mächtigkeiten
von einigen Metern bis zu vielen hundert Metern auf. Entsprechend umfangreich sind
die zu ermittelnden Einlagerungen. Demzufolge steht zur Elementenbestimmung jeweils
ein, bezogen auf die mittlere freie Weglänge der Neutroneu, unendlich großes Untersuchungsgebiet
ein und desselben Materials mit in entsprechendem Umfang vorliegenden charakteristischen
Elementen zur Verfügung. Dank dessen ist die Gewähr gegeben, daß charakteristische
Kernreaktionen in einem für die Identifizierung ausreichenden Umfang ausgelöst werden.
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Demgegenüber haben Metallkörper, im Extremfall Feinblech bzw. Metallbäder
eine endliche, geringe Ausdehnung, und nur ein Bruchteil der von der Neutronenquelle
ausgesandten Neutronen gelangt überhaupt in das zu untersuchende Metall. Hinzu kommt,
daß die interessierenden Elemente, beispielsweise Sauerstoff, in dem Metall nur
in geringen Mengen enthalten sind. Unter Berücksichtigung dessen erschien es zunächst
unwahrscheinlich, daß die Aktivierungsanlage für die Bestimmung von geringen Mengen
bis Spuren von Elementen in Metallen würde nutzbar gemacht werden können. Die Aktivierungsanalyse
wurde demzufolge bislang auch nicht für die Bestimmung von Elementen in Metallen
herangezogen.
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Unter Außerachtlassung bestehender Bedenken und Vorurteile wird nunmehr
ein auf dem Prinzip
der Spektralanalyse beruhendes Verfahren zur
Bestimmung von in geringen Mengen bis Spuren in Metallkörpern oder in Schmelzen
befindlichen Elementen, insbesondere Sauerstoff, vorgeschlagen, bei dem erfindungsgemäß
der Metallkörper oder die Schmelze mit schnellen Neutronen beaufschlagt und die
durch die Neutronen ausgelöste prompte ;-Strahlung gemessen und ausgewertet wird.
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Dieses neue Verfahren, das überraschenderweise zu befriedigenden
Ergebnissen führt, weist gegenüber dem bekannten auf dem Prinzip der Spektralanalyse
einer durch langsame oder gebremste Neutronen ausgelösten radioaktiven Strahlung
beruhenden Analysenverfahren mehrere Vorteile auf. Vor allen Dingen ist die für
den Metallurgen sehr wesentliche Erfassung von Sauerstoff möglich. Überdies tritt
bei diesem Verfahren fast keine Aktivierung des Prüfmaterials und demzufolge auch
fast keine Radioaktivität auf. Weiterhin ist es auf Grund der großen Eindringtiefe
der schnellen Neutronen in Verbindung mit dem Durchdringungsvermögen der zugeordneten
prompten Strahlung möglich, nach diesem Verfahren auch Analysen von Proben mit größerer
Dicke zu nehmen. Schließlich ermöglicht dieses Verfahren eine Elementenbestimmung
in der Schmelze selbst, was bislang überhaupt noch nicht möglich war.
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Um insbesondere die Sauerstoffbestimmung vornehmen zu können, empfiehlt
es sich, eine d-t-Reaktion zur Erzeugung schneller Neutronen zu verwenden, da von
den bekannten Reaktionen zur Erzeugung schneller Neutronen im wesentlichen allein
durch diese Reaktion Neutronen mit der erforderlichen Energie zur Auslösung der
prompten -Strahlung bei Sauerstoff erzeugt werden. Man kann natürlich auch von einer
anderen Kernreaktion ausgehen, bei der so schnelle Neutronen entstehen, daß die
charakteristische -Strahlung der zu analysierenden Elemente angeregt wird. Als Vorrichtung
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient zweckmäßigerweise eine eine
Strahlungsrichtung auf das zu untersuchende Material aufweisende Quelle schneller
Neutronen, insbesondere eine d-t-Quelle, in Verbindung mit einem Strahlungsdetektor,
z. 13. einem Scintillationszähler, mit Meßrichtung auf das von den Neutronen beaufschlagte
Material.
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Zur Identifizierung und/oder quantitativen Erfassung der einzelnen
Elemente ist es erforderlich, die Strahlung nach Energien aufgeschlüsselt zu messen.
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Es kann unter Umständen aber auch angebracht sein, die Strahlung nach
Emissionsgruppen aufgeschlüsselt zu messen, z. B. zur Bestimmung der gesamten nichtmetallischen
Bestandteile des Prüfmaterials, für die gegebenenfalls die gewichtete Intensitätssumme
gebildet wird. Die aufgeschlüsselte Messung der yStrahlung wird beispielsweise durch
einen dem Strahlungsdetektor nachgeschalteten Impulshöhenanalysator ermöglicht.
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Bei der Analysierung bestimmter Bereiche des Prüfmaterials kann es
erforderlich sein, die in den anderen Bereichen entstehende y-Strahlung, insbesondere
aber auch die gegebenenfalls in zwischen dem Meßsystem und dem Prüfmaterial befindlichen
Medien entstehende r-Strahlung auszublenden. Das kann zweckmäßig mit auf einen oder
mehrere Strahlungsdetektoren aufgesetzten Kollimatoren und/oder Blendensystemen
durchgeführt werden. Es ist jedoch auch möglich, einer Neutronenquelle zwei oder
mehrere Strahlungsdetektoren in Teleskopanordnung
und Koinzidenzschaltung zuzuordnen,
so daß nur die strahlung gemessen wird, die gleichzeitig auf die verschiedenen Strahlungsdetektoren
auftrifft. Die räumlichen Schnitte der gedachten Neutronensender-und Strahlenempfängerkegel
bestimmen dabei den analysierbaren Bereich des Prüfmaterials.
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Für großflächige Analysen kann es zweckmäßig sein, von einer Neutronenquelle
auszugehen, die einen die ganze Prüffläche überstreichenden Ausstrahlungskegel aufweist.
Der Strahlungsdetektor kann entsprechend ausgebildet sein, er kann aber auch, einen
kleineren Empfängerkegel aufweisend, vorzugsweise kontinuierlich, z. B. rasterförmig,
über die zu prüfenden Flächen geführt werden. Auch die umgekehrte Anordnung von
Neutronenquelle und Strahlungsdetektor ist möglich. Ebenso ist es möglich, ein Neutronenquelle-Strahlungsdetektor-System
mit kleinem Meßbereich gleichsinnig und vorzugsweise auch kontinuierlich eine größere
Prüffläche überstreichen zu lassen. Schließlich ist es auch möglich, eine Mehrzahl
von Neutronenquellen und Strahlungsdetektoren nebeneinander anzuordnen. Gegebenenfalls
kann die Möglichkeit vorgesehen sein, die Größe des Strahlungs- wie auch des Empfängerkegels
zu variieren, so daß die Kegel der jeweiligen Größe der Prüffläche angepaßt werden
können.
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Bei der Analyse von Schmelzen, z. B. im metallurgischen Ofen oder
in der Pfanne, kann es von Interesse sein, die Gehalte an bestimmten Elementen im
Metallbad wie auch in der Schlacke zu ermitteln. Das kann durch Höhenverstellung
des Meßsystems oder aber seine Verschwenkung um eine waagerechte Achse erfolgen,
so daß der Meßort von dem Metallbad in die Schlackenzone bzw. umgekehrt wandert.
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Auch in diesem Fall ist es möglich, lediglich die Neutronenquelle
oder den Strahlungsdetektor beweglich auszugestalten und den anderen, einen entsprechend
großen Strahlungs- bzw. Empfängerkegel aufweisenden Teil des Meßsystems unbeweglich
anzuordnen. Eine Möglichkeit der unmittelbaren Vergleichsmessung ist dann gegeben,
wenn der zumindest Teile vom Metallbad und Schlacke gemeinsam beaufschlagenden Neutronenquelle
je ein auf das Metallbad und auf die Schlackenzone gerichteter Strahlungsdetektor
zugeordnet ist.
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Die große Eindringtiefe der schnellen Neutronen sowie das Durchdringungsvermögen
der zugeordneten prompten y-Strahlung gestatten es ohne weiteres, das Meßsystem
außerhalb des metallurgischen Ofens, z. B. eines S-M-Ofens, aufzustellen.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung eignet sich, da die Analysenwerte
nach einer erstmaligen Eichung stets sofort abgelesen werden können, ganz besonders
für eine Analyse im laufenden Betrieb. Auf Hüttenwerken ist seine Anwendung praktisch
in allen Fertigungsstufen, angefangen von der Schmelzanalyse über eine Analyse des
Vorproduktes bis zu der des Fertigproduktes, und zwar auch während der einzelnen
Fertigungsprozesse selbst, denkbar. Grundsätzlich kann das Verfahren auch kontinuierlich
bzw. quasi-kontinuierlich durchgeführt werden.
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Es folgt ein auf Sauerstoff abgestelltes Analysenbeispiel: Eine Stahlprobe
von 100g Gewicht wird mit aus einer d-t-Quelle stammenden schnellen Neutronen beaufschlagt.
Der Impulshöhenanalysator wird zur Messung der bei der Wechselwirkung dieser Neutronen
mit Sauerstoff entstehenden charakteristischen prompten strahlung von etwa 6,7 MeV
Energie
auf die dieser Energie zugehörige Kanallage eingestellt. Der Strahlungsdetektor
zählt in der Meßzeit von beispielsweise 10 Sekunden 500 Nutzimpulse, d. h. bereits
hinsichtlich der Fremdstrahlung korrigierte Impulse. Aus einer durch Vergleichsanalysen
bzw. -messungen ermittelten Eichkurve wird auf eine Sauerstoffmenge von 50 mg, entsprechend
0,05erz geschlossen.
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Es erscheint möglich, noch Sauerstoffwerte in Höhe von 0,001 °/o
mit etwa 10 Relativ-Prozent Genauigkeit zu erfassen.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung kann darüber hinaus aber auch in
vorteilhafter Weise bei der zerstörungsfreien Prüfung von Metallen auf nichtmetallische
Einschlüsse bzw. auf die Lunkerbeschaffenheit Anwendung finden. Gegenüber den bekannten
Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Metallkörpern, wie z. B. dem Ultraschallprüfverfahren
und den auf der Durchstrahiung mit Röntgen- oder ,-Strahlen beruhenden Prüfverfahren,
zeichnet es sich dadurch aus, daß es auf Grund derErmittlungbestimmter Elemente
und gegebenenfalls deren Konzentration eine Aussage über Inhomogenitäten und vor
allem über deren chemische Beschaffenheit zuläßt. Nach dem neuen Verfahren ist z.B.
ohne weiteres eine Aussage darüber möglich, ob ein etwa vorhandener Lunker blank
ist oder aber die Verschweißung unterbindende Einschlüsse, wie z. B. Oxyde, Sulfide
oder Silikate, enthält.
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Die in einem Blockbrammengerüst ausgewalzte heiße Stahlvorbramme
mit den Abmessungen 1050 mm Breite, 150 mm Dicke und etwa 6000 mm Länge wird, bevor
sie an Kopf und Fuß sauber geschnitten wird, in einer Meßanlage mit schnellen Neutronen
beaufschlagt. Die Vorrichtung gestattet es, kontinuierlich die Werte von Sauerstoff,
Schwefel und Silizium zu ermitteln. Dazu wird beispielsweise ein Meßvolumen von
100 mm Dicke, 20 mm Breite und 20 mm Länge ausgeblendet, und dieses Meßvolumen wandert
rasterförmig über etwa 700wo der Bramme, bezogen auf deren Breite.
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Ein Vielkanalimpulshöhenanalysator gibt im Fußteil der Vorbramme
Zählraten für Sauerstoff, Schwefel und Silizium, die über entsprechende Eichkurven
normalen Prozentsätzen dieser Elemente in Stahl zugeordnet werden können. Diese
Zählratenwerte schwanken beim Abtasten der Vorbramme nur unwesentlich, bis das Meßvolumen
in etwa 1000 m Entfernung vom Kopfende der Vorbramme eine Zone überstreicht, deren
Sauerstoff-Strahlungsintensität sprungartig auf den etwa 3fachen Betrag des normalen
Wertes ansteigt. Diese Zone verbreitert sich bis zum Kopfende der Vorbramme, während
die Intensität der Sauerstoffstrahlung zwischen dem 3- und 10fachen Wert der normalen
Intensität schwankt. Für das Ansteigen der Schwefel- und Siliziumwerte gilt entsprechendes.
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Der Überschuß an Sauerstoff, Schwefel und/oder Silizium ist ein Beweis
für das Vorliegen eines mit Oxyden, Sulfiden und/oder Silikaten angefüllten Kopfiunkers,
der auf Grund dieser Schlackeneinschlüsse auch bei weiterem Auswalzen nicht mehr
verschweißt wird und zweckmäßigerweise alsbald abgetrennt wird.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Vorrichtungen gemäß
der Erfindung in schematischer Weise dargestellt. Es zeigt Fig. 1 eine von einer
Strahlungsquelle beauf-
schlagte Probe, auf die ein Strahlungsdetektor gerichtet
ist, F i g. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung mit einem dem Strahlungsdetektor
nachgeschalteten Impulshöhenanalysator, F i g. 3 eine der F i g. 1 entsprechende
Darstellung mit einem einen Kollimatoraufsatz aufweisenden Strahlungsdetektor, F
i g. 4 eine der F i g. 1 entsprechende Darstellung mit mehreren Strahlungsdetektoren
in Teleskopanordnung und Koinzidenzschaltung, F i g. 5 eine der F i g. 1 entsprechende
Darstellung mit einer Strahlungsquelle und einem Strahlungsdetektor, deren Strahlungs-
bzw. Empfängerkegel der Größe der Probe entspricht, F i g. 6 eine der F i g. 1 entsprechende
Darstellung mit einer Strahlungsquelle, deren Strahlungskegel der Größe der Probe
entspricht, und einem über die Probe bewegbaren Strahlungsdetektor mit normalem
Empfängerkegel, F i g. 7 eine der F i g. 1 entsprechende Darstellung mit einer bewegbaren
Strahlungsquelle normaler Größe und einem bewegbaren Strahlungsdetektor normaler
Größe, F i g. 8 eine der F i g. 1 entsprechende Darstellung mit einer Mehrzahl von
Strahlungsquellen und Strahlungsdetektoren, F i g. 9 einen aufgebrochenen metallurgischen
Ofen mit der Schmelze, die von einer bewegbaren Strahlungsquelle beaufschlagt wird
und auf die ein bewegbarer Strahlungsdetektor gerichtet ist, F i g. 10 eine der
F i g. 9 entsprechende Darstellung mit einer das Metallbad und die Schlacke gleichzeitig
beaufschlagenden Strahlungsquelle und einem bewegbaren Strahlungsdetektor normaler
Größe, Fig. 11 eine der Fig. 9 entsprechende Darstellung mit einer das Metallbad
und die Schlacke gleichzeitig beaufschlagenden Strahlungsquelle und je einem auf
das Metallbad und die Schlacke gerichteten Strahlungsdetektor.
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In den Fig. 1 bis 8 bedeuten 11 die zu untersuchenden Probe, 12 den
analysierten Bereich der Probe 11, 13 die Strahlungsquelle normaler Größe, 113 eine
Strahlungsquelle mit großem Strahlungskegel, 213 eine bewegbare Strahlungsquelle,
14 den Strahlungsdetektor, 114 einen Strahlungsdetektor mit großem Empfängerkegel,
214 einen bewegbaren Strahlungsdetektor, 16 einen Impulshöhenanalysator, 17 einen
Kollimator und 18 ein Anzeige- bzw. Registriergerät.
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In den Fig. 9 bis 11 ist mit 9 der metallurgische Ofen, mit 111 die
Schlacke und mit 211 das Metallbad bezeichnet.
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Die einzelnen an sich bekannten Elemente der Vorrichtung sind ganz
schematisch, teilweise auch durch ihre Symbole wiedergegeben. Von der Strahlungsquelle
und dem Strahlungsdetektor sind teilweise nur die wirksamen Querschnitts- bzw. Strahlungs-und
Empfängerkegel dargestellt.