-
Kontrolleinrichtung für radioaktive Strahlung Die Erfindung betrifft
eine Kontrolleinrichtung für radioaktive Strahlung mit einer auf die zu überwachende
Strahlung ansprechenden Detektorvorrichtung, mit zwei der Detektorvorrichtung parallel
nachgeschalteten Integrationsschaltungen und mit einer mit den Ausgängen der Integrationsschaltungen
verbundenen Vergleichsschaltung.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung für die
Überwachung der Ein- und Ausgänge von Räumen zu schaffen, in denen ständig radioaktive
Strahlungen höherer Intensität auftreten, wie dies beispielsweise in Kernreaktoranlagen
oder in Isotopenlaboratorien der Fall ist, und die den Durchgang von mit stärkerer
Radioaktivität behafteten Personen oder Stoffen anzeigt. Voraussetzung für eine
befriedigende Erfüllung einer solchen tÇberwachungsfunktion ist also, daß die Einrichtung
auf einen gegebenenfalls starken Strahlungspegel, der zeitlich konstant vorliegt,
nicht reagiert, dagegen mit großer Empfindlichkeit auf Pegelschwankungen anspricht,
wie sie etwa beim Durchschreiten einer Person auftritt, die entweder selbst in stärkerem
Maße radioaktiv verseucht ist oder ein radioaktives Präparat mit sich führt.
-
Mit bekannter Einrichtung ist eine solche Überwachung wegen des hohen
Dauerstörpegels nicht möglich. Auch die in der USA.-Patentschrift 2 974231 beschriebene
Einrichtung ist hierfür nicht geeignet. Diese bekannte Einrichtung weist zwei Integratoren
auf. von denen der eine unmittelbar und der andere über eine Verzögerungseinrichtung
an den Ausgang eines Strahlungsdetektors angeschlossen ist und deren Ausgänge über
eine Subtraktionsschaltung zusammenwirken. Mit dieser Einrichtung läßt sich zwar
die änderung der Aktivität innerhalb der Verzögerungszeit der Verzögerungseinrichtung
feststellen, für den eingangs erwähnten Überwachungszweck wären jedoch Verzögerungszeiten
in der Größenordnung einiger Sekunden erforderlichZ die sich praktisch nicht realisieren
lassen.
-
Nicht geeignet ist auch eine in der französischen Patentschrift 1069918
beschriebene Schaltung, die eine Strahlungsquelle lokalisieren soll, indem sie durch
eine Parallelschaltung eines mit einem Kondensator in Reihe geschalteten Drehspulinstruments
zu dem die Impulsrate anzeigenden Instrument die zeitliche Änderung der Impulsrate
anzeigt. Abgesehen von dem hohen technischen Aufwand durch den Einsatz mehrerer
teurer Drehspulinstrumente ist die mit dieser bekannten Schaltung erzielbare Empfindlichkeit
für den angestrebten Überwachungszweck nicht ausreichend.
-
Ebensowenig läßt sich dafür eine auf Seite 203 der Zeitschrift »Proc.
IEE«, Part. II, vom April 1951 beschriebene Schaltung einsetzen die mittels einer
Differentiafionsschaltung die zeitliche Ablei+ullg der Anzeige eines einzelnen Detektors
gewinnt, da diese Schaltung keine Vergleichsnilessung gegenüber einem ständig vorhandenen
Strahlungspegel gestattet.
-
Die Erfindung löst die eingangs geschilderte Aufgabe einer zuverlässigen
und empfindlichen Feststellung von Aktivitätsänderungen gegenüber einem hohen ständigen
Störpegel dadurch, daß dieDetektorvorrichtung mehrere zueinander parallelgeschaltete
Detektoren aufweist, daß der De.ektola orrichtung zwei parallele Integratoren nachgeschaltet
sind und daß die Ausgänge der Integratoren in elektrischer Gegeneinanderschaltung
derart mit einer Anzeigevorrichtung verbunden und die Zeitkonstanten der beiden
Integratoren voneinander verschieden und so gewählt sind, daß die Anzeigevorrichtung
bei Anwesenheit eines beliebig starken, aber im wesentlichen konstanten Strahlungspegels
Null anzeigt, während nur dann eine nicht kompensierte Differenz zwischen den Ausgängen
der Integratoren auftritt und von der Anzeigevorriclltung an gezeigt wird, wenn
sich die Intensität der erfaßten Strahlung genügend schnell ändert.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Einrichtung an bzw.
auf einem Türgerüst oder Portal angeordnet und macht es möglich, die Radioaktivität
von Personen oder Gegenständen zu überwachen, welche durch das Türgerüst oder das
Portal hindurchgehen, wobei ein Alarm ausgelöst wird, wenn
die Änderungsgeschwindigkeit
der Zählrate der Detektoren einen vorbestimmten Wert übersteigt; die Zeitkonstanten
der Integratoren liegen in der Größenordnung einiger Sekunden, und die auf die festzustellende
Strahlung ansprechenden Organe sind Geiger-Müller-Zähler, die längs der seitlichen
Stützen des Gerüstes angebracht sind.
-
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn der Unterschied zwischen den
Zeitkonstanten der Integratoren größer als 5 Sekunden ist.
-
Die Einrichtung ist praktisch unempfindlich gegenüber dem in der
Umgebung herrschenden Strahlungsniveau; der Alarm kann beispielsweise so eingestellt
werden, daß er nur zur Auslösung kommt, wenn durch das Türgerüst oder durch das
Portal Aktivitäten von etwa 30 IlC einer Gammastrahlung von 1 MeV oder 20 pC einer
Betastrahlung von 1 MeV hindurchgebracht werden und wenn sie vor den Detektoren
mit der normalen Gehgeschwindigkeit einer Person vorbeibewegt werden.
-
Die Einrichtung kann beispielsweise eine Kontrolle von Personen sicherstellen,
die zum Personal einer »aktiven« Anlage gehören, und die Vorrichtung löst den Alarm
aus, wenn eine durch den Torbogen des Gerüstes hindurchgeführte Strahlenquelle die
oben angegebene Emissionsgrenze übersteigt.
-
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nun ein Ausführungsbeispiel
ausführlicher beschrieben; es versteht sich von selbst, daß dieses Ausführungsbeispiel
weder die Anordnung und Ausbildung noch die Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in irgendeiner Weise einschränkt.
-
Die Zeichnung, in der dieses Ausführungsbeispiel veranschaulicht
ist, zeigt in Fig. 1 eine perspektivische Darstellung des gesamten Türgerüstes oder
Portals, F i g. 2 ein Blockschaltbild der Gesamteinrichtung, F i g. 3, 4 und 5 elektrische
Einzelschaltungen der unterschiedlichen Geräte der elektronischen Apparatur, F i
g. 6A bis 6 D Ansichten der vorderen, rückwärtigen und seitlichen Wände eines Kastens,
der die elektronische Apparatur enthält.
-
In den Schemadarstellungen nach F i g. 2 bis 5 bezeichnen die Bezugszeichen
A bis J die Anschlüsse, mit denen die einzelnen Schaltbilder untereinander verbunden
sind.
-
Nach dem in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiel besteht
die Kontrolleinrichtung gemäß der Erfindung aus einem Torgerüst 1 aus miteinander
verschweißten U-Profilen, das zwei seitliche Pfostenla und lb und einen oberen Querbalken
2 besitzt. An der Innenseite jedes der Pfosten la und 1 b ist eine Reihe von zueinander
parallelgeschalteten Geiger-Müller-Zählern 3 a, 3 b angeordnet; die Zählrohre sind
gegen Stöße durch eine Abdeckung 4 a, 4 b aus Kunststoffmaterial, beispielsweise
aus Polyvinylchlorid, geschützt. Die beiden Zählrohrreihen sind über Koaxialkabel
5 a, 5 b, die mit Anschlußsteckern 6 a, 6b versehen sind, an eine elektronische
Apparatur 7 angeschlossen, die in einem Kasten 8 untergebracht und auf dem Querbalken
2 befestigt ist. Dieser Kasten enthält, wie oben bereits angegeben, zumindest den
elektronischen Teil der Gesamteinrichtung, dessen elektrisches Blockschaltbild in
der F i g. 2 dargestellt ist.
-
Die gesamte in der F i g. 2 dargestellte Anordnung umfaßt außer den
Detektoren (Zählohren) 3 a, 3 b
eine Stromversorgungseinrichtung 9 für ein elektronisches
Gerät 10, das seinerseits eine optische oder akustische Alarmeinrichtung 11 betätigt.
-
Die Stromversorgungseinrichtung 9 wird ihrerseits aus dem vorhandenen
Netz S mit einer Wechselspnung von 115 oder 220Volt gespeist und hat die folgenden
Ausgangsanschlüsse: die Klemme A mit Nieder-Gleichspannungspotential von etwa 27
V, wobei diese Spannung während des Arbeitens der Gesamteinrichtung zwischen den
Werten von 26 und 30 V schwanken kann, die Klemme B mit einem geregelten Gleichspanr
nungspotential von V, die Klemme C mit Hoch-Gleichspannungspotential von Q 400 V.
-
Die Stromversorgungseinrichtung 9 kann in die Apparatur 7 in der
Weise eingebaut sein, wie dies die F i g. 2 zeigt; sie kann jedoch auch in einem
unabhängig von dem Kasten 8 angeordneten Kasten sitzen, der selbst entfernt von
dem Türgerüst oder dem Portal angeordnet sein kann.
-
Zur Stromversorgungseinrichtung 9 gehört ein Ladegerät 12, das mit
Steckkontakten versehen ist, die seinen Anschluß an das Netz S gestatten; das Ladegerät
12 ist mit einer Akkumulatorbatterie 13 verbunden, die wiederum sowohl unmittelbar
an den Punkt A als auch an einen Spannungsregler 14 angeschlossen ist, dessen Ausgangsklemme
B auf einer Spannung von V gegenüber der Masse gehalten wird. Die Klemme B ist einerseits
mit dem Punkt D, andererseits mit einem Spannungsumsetzer 15 verbunden, der ein
Umsetzverhältnis von -24:400V hat und an dem PunktC ein hoheS Potential von 400
V liefert.
-
Die Batterie 13 hat eine so große Kapazität, daß sie im Fall eines
Ausbleibens der Netzspannung die Speisung der gesamten Einrichtung während mehrerer
Stunden sicherstellen kann. Die Klemmenspannung der Batterie schwankt während der
Entladung, zwischen 30 und 26 V. Das Potential an der Klemme A kann infolgedessen
ebenfalls innerhalb dieser Grenzen schwanken, wie dies bereits oben erwähnt wurde.
-
Das Ladegerät kann ein Gerät beliebigen Typs sein, das der Spannung
und der mittleren Leistung der Batterie angepaßt ist. Es wird zweckmäßiger weise
nur aus unbeweglichen Elementen und Halbleiterelementen aufgebaut und kann beispielsweise
einen Transformator zum Herabsetzen der Spannung, einen Gleichrichtersatz in Brückenschaltung,
eine Filter- oder Glättungszelle und zwei Transistoren in einer Schaltung mit belastetem
Emitter bzw. mit gemeinsamem Kollektor enthalten, wobei die Basisspannung des ersten
Transistors mit Hilfe eines Potentiometers derart regelbar ist, daß die Ladung der
Batterie 13 mit einer mittleren Stromstärke erfolgen kann, die ausreicht, um die
Batterie stets in geladenem Zustand zu halten. Das Ladegerät 12 hat ein Betriebsanzeige-Leuchtzeichen
16.
-
Das Ladegerät 12 ist an die Batterie 13 über eine Diode 17 angeschlossen,
die eine Entladung der Batterie in das Ladegerät verhindert, und die Batterie ist
mit dem Spannungsregler 14 über einen Ein- und Ausschalter 18 verbunden.
-
Der Spannungsregler 14 kann einRegler bekannter Bauart mit Transistoren
sein, der insbesondere einen
Spannungsstabilisator enthält und sicherstellt,
daß seine Ausgangsspannung konstant auf einem mit Hilfe eines Potentiometers genau
einstellbaren Wert bleibt.
-
Der Spannungsumsetzer 15, der mit der auf 24 V geregelten Gleichspannung
gespeist wird, kann ebenfalls ein Spannungswandler oder Umformer bekannter Bauart
sein; er liefert eine Ausgangsspannung von + 400 V. Er kann insbesondere einen bekannten
Oszillator mit einer Stromabgabeleistung von beispielsweise 10 mA enthalten, der
aus zwei Transistoren in Gegentaktschaltung zusammengesetzt ist, die mit der geregelten
Spannung von -24V be trieben werden und die Primärwicklung eines zum Herauftransformieren
dienenden Transformators speisen, der ein Übersetzungsverhältnis von 1 : 20 hat.
-
Dieser Transformator speist seinerseits einen Filterelemente enthaltenden
Gleichrichter-Stromkreis, der über einen Widerstand 19 angeschlossen ist, an einerseits
die als Detektoren verwendeten Geiger-Müller-Zählrohre 3 a und 3 b, andererseits
über eine Kapazität 20 an das elektronische Gerät 10.
-
Die Höhe der Gleichspannung, die den Detektoren 3 a und 3 b aus dem
Spannungsumsetzer 15 zugeführt wird, läßt sich durch das Potentiometer des Spannungsreglers
14 steuern. Diese Hochspannung kann optisch mit Hilfe eines Schauzeichens, beispielsweise
einer Glimmlampe 21, kontrolliert werden, die zusammen mit einem Kondensator und
einem hochohmigen Widerstand in einer Kippschwingschaltung liegt, so daß ein pulsierendes
Aufleuchten der Lampe erfolgt, solange die Hochspannung vorhanden ist.
-
Das elektronische Gerät 10, das den wesentlichen Teil der Erfindung
darstellt, umfaßt nach F i g. 2 einen Vorverstärker 22, der die Impulse der De tektoren
3 a und 3b über den Kondensator 21i erhält und mit Niederspannung vom Punkt B aus
gespeist wird, einen Univibrator-Impulsformer 23, der über den Anschluß E die aus
dem Vorverstärker 22 kommenden Impulse empfängt und zu seiner Speisung ebenfalls
an den Punkt B angeschlossen ist, eine Gruppe aus zwei parallelen Integratoren 24
a, 24 b, deren Ausgänge I, J in Gegeneinanderschaltung geschaltet sind und denen
die Impulse von dem mit dem Ausgang des Impulsformers 23 verbundenen Punkt F zugeführt
werden, ein Kontakt-Galvanometer 25, das die Erregung eines empfindlichen Relais
26 steuert, welches seinerseits die Alarmeinrichtung 11 ansprechen läßt, eine Sensibilisierungsschaltung
27, die dazu dient, die Empfindlichkeit der Einrichtung zu erhöhen.
-
Der Vorverstärker 22, der Impulsformer 23 und die Integratoren 24
a und 24b sowie die Sensibilisierungsschaltung27 sind in ihren Einzelheiten in den
F i g. 3, 4 und 5 dargestellt, in denen die technischen Kennwerte oder die üblichen
Bezeichnungen der unterschiedlichen Bauelemente angegeben sind. In diesen F i g.
3, 4 und 5 bezeichnen die eingekreisten
Zahlen und Buchstaben die Bezugszeichen,
die in der Beschreibung benutzt werden. Es ist zu beachten, daß einige der Kennwertangaben
mehreren Figuren gleich sind und dann analoge Bauelemente oder Bauteile bezeichnen.
-
Der Vorverstärker 22 (F i g. 3) erhält von den Detektoren 3 a und
3b negative Impulse, die von den Klemmen des Widerstandes 19 abgenommen werden und
eine Dauer in der Nähe von 250 Mikrosekunden (Clsec) sowie eine Amplitude von mehreren
Volt haben. Die an dem Emitter des Transistors V1 abgenommenen Impulse werden über
einen Kondensator 28 auf die Basis des Transistors V2 übertragen. Die Belastung
29 des Kollektors von V2, die etwa ein kOhm beträgt, ist durch eine Zener-Diode
30 überbrückt, welche alle auftreffenden Impulse auf einen Spannungswert von +6V
begrenzt und sie über den Kondensator 31 dem Impulsformer23 zuleitet. Die gesamte
»Totzeit« dieses Teiles der Einrichtung liegt in der Nähe von 300 psec.
-
Der Impulsformer 23 (F i g. 4) besteht aus einem »Univibrator« mit
zwei Transistoren V3 und V4 (Typ SFT 228). Die auf 6 V begrenzten positiven Impulse,
deren Dauer etwa 40 usec beträgt und die von dem Vorverstärker 22 kommen, werden
der Basis des Transistors 17s zugeführt. Die an dem Kollektor des Transistors V4
abzunehmenden Rechteckimpulse werden der Basis eines Transistors V5 (OC 141) zugeführt,
der die Beaufschlagung der Integrator-Stromkreise mit kleiner Impedanz ermöglicht.
Die Amplitude der an dem Kollektor des Transistors V abgenommenen und dem Punkt
F zugeführten Rechteckimpulse ist 18 V, und ihre Dauer liegt sehr nahe an der »Totzeit«
(300 llsec) der Detektor- und Vorverstärker-Stromkreise.
-
Die beiden Integratoren 24 a und 24 b (F i g. 4, untere Hälfte) bestehen
aus üblichen Anordnungen mit Kondensatoren und Dioden; sie sind beide an den Punkt
F angeschlossen, der seinerseits von dem Widerstand 32 gespeist wird, der in den
Kollektorkreis des Transistors Vs eingeschaltet ist. Die Zeitkonstanten der beiden
Integratoren sind wie folgt festgelegt: für den Integrator 24a durch das Produkt
des Wertes des Widerstandes 33 (120 kOhm) und des Wertes der wirksamen Kapazität
der beiden Kondensatoren 34, 35, die in Reihe liegen (Gesamtkapazität 12,5 ELF),
was eine Zeitkonstante von 1,5 Sekunden ergibt, für den Integrator 24 b durch das
Produkt des Wertes des Widerstandes 36 (120 kOhm) und des Wertes der Kapazität des
Kondensators 37 (65 uF), was einer Zeitkonstante von 7,7 Sekunden entspricht.
-
Die Ausgänge der beiden Integratoren sind in Gegeneinanderschaltung
an die Klemmen G und H des Kontakt-Galvanometers 25 angeschlossen, das ein hochempfindliches
Relais darstellt, dessen Kontakt 25 a (F i g. 2) die Erregung des Relais 26 steuert,
das mit seinem Schaltkontakt 26 a die Spannung von -24V an die Alarmeinrichtung
10 weitergibt, die beispielsweise ein Alarmleuchtzeichen 37 und eine akustische
Signalvorrichtung 38 aufweist.
-
Das Galvanometer 25 bildet außerdem ein Anzeigegerät; sein maximaler
Ausschlag entspricht einem Strom von 20 1A. Dieses Gerät ist mit einer Teilung von
0 bis 100 versehen, und sein Kontakt
kann auf einen der Werte zwischen
0 und 100 eingestellt werden.
-
Ein (nicht dargestellter) Umschalter kann vorgesehen werden, um das
akustische Signal auszuschalten und eine auf dem dem Gerätekasten angeordnete rote
Anzeigelampe einzuschalten.
-
Die Sensibilisierungsschaltung 27 (F i g. 5) ist dazu bestimmt, die
Empfindlichkeit für das Auslösen des Alarms bei kleinen Meßwerten zu steigern. Er
enthält zwei Transistoren des Typs MPH, V6 und V7 des Typs OC 141. Die erste Transistorstufe
V6 empfängt an ihrer Basis die Spannungsänderungen am Ausgang des Integrators 24a
mit kleiner Zeitkonstante. Del Transistor V6 ist mit dem Transistor 177 derart verbunden,
daß ein vom Kollektor des Transistors V6 ausgehendes positives Signal der Basis
des Transistors V7 zugeführt wird und diesen Transistor - der solange blockiert
war - freigibt.
-
Unterschiedliche Schaltelemente, Steuerelemente für das Einschalten
und das Abstellen sowie Signalelemente können auf den vorderen, rückwärtigen und
den Seitenflächen des Gehäuses in der Art angeordnet werden, wie dies die Fig. 6A
bis 6D zeigen; diese Figuren lassen erkennen: Zwei grüne Lichtzeichen »Speisung
aus dem Netz«, je eines, 41A, vorn und eines, 41B hinten, die von der Netzspannung
gespeist werden, wenn die Vorrichtung an das Netz angeschlossen ist und das Gerät
Netzspannung hat, zwei rote Lichtzeichen »Alarm«, je ein Zeichen 37A vorn und ein
Zeichen37B hinten; diese Leuchtzeichen entsprechen dem in dem Schaltbild der Fig.
2 mit 37 bezeichneten Leuchtzeichen, die Anzeigelampe »Batterieladung« 16, die an
das Ladegerät angeschlossen ist, die Anzeigelampe »Hochspannung« 21, die an den
Spannungswandler 15 angeschaltet ist, ein Schauzeichen »Läutewerk abgestellt« 42
und einen Ausschalter 43 für das Läutewerk, den Haupteinschalter 18 mit den Stellungen
»Aus« und »Ein«, die Skala des Galvanometers 25, ein Schauzeichen 44 »Läutewerk
abstellen«, die Buchsen 6a' und 6b' für das Einführen der Stecker 6 a und 6b an
den Enden der Koaxialkabel5a und 5b, eine Anschlußbuchse 45 für das Anschließen
an das Netz, eine Anschlußbuchse 46, mit der eine Ausgangsleitung zu einem Druckknopf
»Abstellen des Alarms« angeschlossen werden kann; diese Buchse liegt in dem Stromzuführungskreis
für das Speisesystem der Integratoren.
-
Die Wirkungsweise der erfindungsgemäß ausgebildeten Einrichtung ist
die folgende: Bei Vorhandensein eines dauernden Störpegels an dem Aufstellungsort
bringen die beiden Integratoren die Klemmen G und H des Galvanometers 25 auf gleiches
Potential, und der Zeiger dieses Gerätes steht auf dem Wert Null. Wenn zwischen
den beiden Reihen 3 a und 3b von Geiger-Müller-Detektoren eine Strahlungsquelle
hindurchgeführt wird, so werden die Zählimpulse nach ihrer Verstärkung und rechteckigen
Formung gleichzeitig den beiden Inte-
gratoren 24 a und 24b zugeführt; die Änderungsgeschwindigkeit
der Spannung am Ausgang des Stromkreises 24a (mit kleiner Zeitkonstante 0,) ist
fünfmal größer als die der Spannung am Ausgang des Stromkreises 24 b (mit wesentlich
größerer Zeitkonstante 02). Infolgedessen hat die Spannung Vs an den Klemmen G und
H des Galvanometers 25 die Form
Mit anderen Worten gesagt: Der Integrator 24 a hat genügend Zeit, das Galvanometer25
zu betätigen, bevor der zweite Integrator 24b in entgegengesetztem Sinne Einfluß
ausüben kann.
-
DasGalvanometer25, das nun miteinerSpannungsdifferenz beaufschlagt
wird, schlägt aus, schließt seinen Betätigungskontakt und speist so das sekundäre
Relais 26, das seinerseits das Alarmläutewerk 38 sosowie die »Alarm«-Lichtschauzeichen
37 betätigt.
-
Die Differenz zwischen den Zeitkonstanten der Integratoren 24 a und
24 b macht es also möglich, ein richtiges Ansprechen zu erzielen und dabei Auswirkungen
der langsam verlaufenden statistischen Fluktuationen der Spannung zu vermeiden,
die einen irrtümlichen Alarm auslösen könnten.
-
Nach dem Durchgang der Strahlenquelle durch die Einrichtung wirkt
der Integrator 24b nun auch seinerseits, und die Spannung an den Klemmen G und H
des Galvanometers 25 kehrt sich um. Die Diode 39 (F i g. 4), welche die Klemmen
des Galvanometers 25 überbrückt, befindet sich in leitendem Zustand, und der Zeiger
des Galvanometers kann also nicht von dem Nullpunkt nach der anderen Seite hin ausschlagen.
-
Beim Ansprechen des Integrators 24a wird auch der Transistor 177
der Sensibilisierungsschaltung 27, der durch den Transistor VG dieser Schaltung
freigegeben wurde, leitend und bewirkt eine Herabsetzung der Ausgangsspannung des
Integrators 24 b. Infolgedessen erhöht sich die Spannung an den Klemmen des Galvanometers
25 um einen zusätzlichen Wert, der sich zu demjenigen Wert addiert, den der Integrator
24 a liefert, so daß das Auslösen des Alarms bei kleinen Meßwerten der Ansprechspannung
wesentlich empfindlicher wird.