DE1246893B

DE1246893B - Neutron detector without an external voltage source

Info

Publication number: DE1246893B
Application number: DEU11113A
Authority: DE
Inventors: George Forrest Garlick; Wilbur Lyle Bunch
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1963-10-18
Filing date: 1964-10-10
Publication date: 1967-08-10

Description

Neutronendetektor ohne äußere Spannungsquelle Die vorliegende Erfindung betrifft ein Instrument zum Messen eines Neutronenflusses bei ungünstigen Temperaturbedingungen, bei denen jedoch große Zuverlässigkeit und eine lange nutzbare Lebensdauer von besonderer Wichtigkeit sind.Neutron detector without an external voltage source The present invention relates to an instrument for measuring a neutron flux under unfavorable temperature conditions, where, however, great reliability and a long useful life of particular Are important.

Für gewöhnlich beruhen Neutronenflußmeßvorrichtungen auf der Einwirkung eines Neutrons auf ein Isotop von großem Neutroneneinfangquerschnitt. Ordinarily, neutron flux measuring devices rely on exposure of a neutron to an isotope with a large neutron capture cross-section.

Zwangläufig werden aber Stoffe mit hohem Neutroneneinfangquerschnitt schnell aufgebraucht und haben demgemäß ein schnelles Absinken in der Empfindlichkeit des Detektors zur Folge. Diese Instrumente hängen ferner von lonisationswirkungen in einem Gas ab, die durch andere Strahlungsarten gestört werden können.Inevitably, however, are substances with a high neutron capture cross-section quickly used up and accordingly have a rapid drop in sensitivity of the detector. These instruments also depend on ionization effects in a gas, which can be disturbed by other types of radiation.

Bekannt sind bereits Neutronendetektoren ohne äußere Spannungsquelle mit einem zylindrischen Emitterkörper aus einem Stoff, der durch Neutronenabsorption einen Betastrahler kurzer Halbwertszeit bildet, mit einem Isolator, der den Emitterkörper an dessen Mantelfläche und an einem Ende umschließt, mit einem Kollektor, der aus einem den Isolator an dessen Manteifläche und geschlossenem Ende umschließenden Metallzylinder besteht, sowie mit elektrischen Verbindungen vom Emitter und vom Kollektor zu einer Einrichtung zum Messen des durch den Betazerfall erzeugten Stromes. Neutron detectors without an external voltage source are already known with a cylindrical emitter body made of a substance that is absorbed by neutrons forms a beta emitter of short half-life, with an insulator that forms the emitter body at its outer surface and at one end, with a collector that consists of one enclosing the insulator at its outer surface and closed end Metal cylinder consists, as well as with electrical connections from the emitter and from Collector to a device for measuring the current generated by the beta decay.

Mit einem solchen Gerät ist demgegenüber eine unmittelbare Messung im Gegensatz zu früheren Messungen von Sekundärwirkungen, wie z.B. in einem Gasionisationsgerät möglich, und es wird die Neigung zu äußeren Reaktionen, welche die gemessene Grundwirkung verschleiern könnten, wirksam herabgesetzt. With such a device, on the other hand, a direct measurement is possible in contrast to earlier measurements of secondary effects, e.g. in a gas ionization device possible, and it becomes the tendency to external reactions, which the measured basic effect could disguise, effectively reduced.

Die Erfindung betrifft die vorteilhafte Weiterbildung derartiger Geräte in der Weise, daß erfindungsgemäß der Emitterkörper aus mit dem Isotop Bor 11 angereichertem Bor besteht und von einer ihn von dem Isolator trennenden Metallhülle umgeben ist und daß der den Kollektor bildende Metallzylinder so bemessen ist, daß er Elektronen mit einer Energie bis zu 13,4 MeV vollständig abbremst. The invention relates to the advantageous further development of such Devices in such a way that according to the invention the emitter body with the isotope boron 11 enriched boron and a metal shell separating it from the insulator is surrounded and that the metal cylinder forming the collector is dimensioned so that he completely decelerates electrons with an energy of up to 13.4 MeV.

Der Vorteil dieser Maßnahmen besteht in der Verwendung eines Aktivierungsmaterials von extrem kleinem Wirkungsquerschnitt und dementsprechend geringem Abbrand bei großen Neutronenfiüssen sowie darin, daß die kurze Halbwertszeit von 0,02 Sekunden des aus dem Bor 11 durch die Neutronenreaktion entstehenden Bor 12 ein schnelles Ansprechen auf Neutronenflußänderungen gewährleistet. The advantage of these measures is the use of an activation material with an extremely small cross-section and correspondingly low burn-up large neutron fluids as well as the fact that the short half-life of 0.02 seconds of the boron 12 formed from the boron 11 by the neutron reaction, a rapid one Response to neutron flux changes guaranteed.

Zwar weisen die im Metall der Hülle entstehenden Störaktivitäten im allgemeinen längere Halbwertszeit auf als die des Bor 12 und könnten daher unter Umständen schnelle Reaktion des Bor im verschleiern, doch lassen sich die geometrischen Abmessungen der Anordnung so wählen, daß das durch den Stoff mit der längeren Halbwertszeit erzeugte Signal ausgeglichen und das vom Bor 11 entwickelte Signal herausgehoben wird. Auch vom Kostenstandpunkt aus bestehen gegen die als vorteilhaft erkannte Benutzung von Bor 11 gemäß der vorliegenden Erfindung keine Bedenken.It is true that the interfering activities occurring in the metal of the shell have general longer half-life on than that of boron 12 and could therefore be under Circumstances quick reaction of the boron in the disguise, but can be the geometrical Select the dimensions of the arrangement so that this is due to the substance with the longer half-life The signal generated is balanced and the signal developed by the boron 11 is emphasized will. Also from a cost point of view exist against those recognized as beneficial Use of boron 11 in accordance with the present invention is not a concern.

Die Erfindung wird an Hand der folgenden Beschreibung unter Zuhilfenahme der Zeichnung erläutert. The invention is illustrated with the aid of the following description the drawing explained.

Diese Zeichnung zeigt einen Axialquerschnitt einer Ausführungsform des Neutronendetektors. This drawing shows an axial cross-section of an embodiment of the neutron detector.

Bei diesem Detektor ist ein Zylinder 2 aus festem elementarem Bor 11 in einer leitenden Hülse 4, z. B. aus Eisen, eingeschlossen. In this detector, a cylinder 2 is made of solid elemental boron 11 in a conductive sleeve 4, e.g. B. of iron, included.

Ein fester Stopfen 6 aus einem Leiter, z. B. ebenfalls Eisen, schließt den Boden der Hülse 4 ab. Ein Bleidraht 8 ist in elektrischem Kontakt mit dem Stopfen 6. A solid plug 6 from a conductor, e.g. B. also iron, includes the bottom of the sleeve 4. A lead wire 8 is in electrical contact with the plug 6th

Ein Isolator 10 umschließt die Hülse 4 und erstreckt sich unten über den Boden des Stopfens 6 hinaus. Eine leitende Hülle 12, z. B. ebenfalls aus Eisen, umschließt den Isolator 10 an seinem Kopf und an den Seitenflächen. An insulator 10 encloses the sleeve 4 and extends over below the bottom of the plug 6 out. A conductive sheath 12, e.g. B. also made of iron, encloses the insulator 10 on its head and on the side surfaces.

Elektrische Isolatoren 14 umschließen koaxial den Bleidraht 8 im wesentlichen in seiner ganzen Länge. Electrical insulators 14 coaxially enclose the lead wire 8 in essential in its entire length.

Ein Metallschirm 16 umhüllt die Isolatoren 14. Der Zusammenbau des Schirmes 16, der Isolatoren 14 und des Bleidrahtes 8 stellt ein wirksames koaxiales Kabel dar und besitzt die üblichen elektrischen Eigenschaften eines solchen.A metal screen 16 envelops the insulators 14. The assembly of the Shield 16, the insulators 14 and the lead wire 8 sets effective coaxial cable and has the usual electrical properties one of these.

Bei dem dargestellten Instrument sind die Isolatoren 10 und 14 aus festen Blöcken von keramischem Isolationsmaterial gebildet. Dies ergibt eine starre und kräftige Vorrichtung. Es sei jedoch bemerkt, daß diese Konstruktion nicht unbedingt notwendig ist und nicht einmal in allen Fällen die wünschenswerteste sein mag. Eine geringere Absorbtion von Betateilchen und demgemäß eine noch größere Empfindlichkeit kann einfach durch Anordnung von isolierenden Zwischengliedern zwischen der Hülse 4 und der Hülle 12 erzielt werden, um diese beiden Teile z. B. nur noch einen Luftspalt oder für noch größere Empfindlichkeit durch einen Vakuumraum zu trennen. In the illustrated instrument, the isolators 10 and 14 are off solid blocks formed by ceramic insulation material. This gives a rigid one and sturdy device. It should be noted, however, that this construction is not necessarily is necessary and may not even be the most desirable in all cases. One lower absorption of beta particles and consequently even greater sensitivity can be done simply by placing insulating intermediate links between the sleeve 4 and the sheath 12 can be achieved to these two parts z. B. only one air gap or separated by a vacuum space for even greater sensitivity.

Es ist auch nicht notwendig, daß die Teile 4 und 12 aus Eisen bestehen. Andere Leiter mit geringem Neutroneneinfangquerschnitt, z. B. Titan, Zirkon oder Magnesium, können ebenfalls verwendet werden. It is also not necessary that parts 4 and 12 consist of iron. Other conductors with a small neutron capture cross-section, e.g. B. titanium, zirconium or Magnesium, can also be used.

Jedoch ist die dargestellte Konstruktion mit der Hülse 4 und der Hülle 12 aus Eisen und den Isolatoren 10 und 14 aus keramischem Material eine robuste, dauerhafte Vorrichtung, die bei hohen Temperaturen verwendbar ist. However, the construction shown with the sleeve 4 and the Sheath 12 made of iron and the insulators 10 and 14 made of ceramic material a robust, durable device that can be used at high temperatures.

Es ist nicht notwendig, daß die Glieder zylindrisch sind. Konzentrische Kugeln, parallele Platten oder andere bauliche Formen können benutzt werden, um besonderen geometrischen Anforderungen zu entsprechen. It is not necessary that the links be cylindrical. Concentric Spheres, parallel plates or other structural shapes can be used to to meet special geometric requirements.

Ein geeignetes Pico-Amperemeter (nicht dargestellt) ist zwischen dem Bleidraht und dem Schirm 16 an einer von der Stelle der Einschaltung des bortragenden Abschnittes des Instrumentes in den zu messenden Neutronenfiuß entfernten Stelle eingeschaltet. A suitable pico ammeter (not shown) is between the lead wire and the screen 16 at one of the point of activation of the borne Section of the instrument in the remote location to be measured switched on.

Bei einer Ausführungsform hat der Zylinder 2 aus Bor 11 einen Durchmesser von 5,5 mm und ist 80 mm lang. Die Hülse 4 besteht aus 0,26 mm dickem Eisen, während die Dicke des Isolators 10 etwa 3 mm beträgt. Die Hülle 12 besteht aus 3 mm dickem Eisen. Die Isolatoren 10 und 14 bestehen aus keramischem Magnesiumoxyd. In one embodiment, the cylinder 2 made of boron 11 has a diameter of 5.5 mm and is 80 mm long. The sleeve 4 is made of 0.26 mm thick iron, while the thickness of the insulator 10 is about 3 mm. The sheath 12 is made of 3 mm thick Iron. The insulators 10 and 14 are made of ceramic magnesium oxide.

Jeder Kubikmeter des Bor 11 enthält annähernd 1,36 102:3 Atome. Der (n, v)-Reaktionsquerschnitt a für dieses Isotop ist etwas weniger als 0,05 10-24 cm2. Each cubic meter of boron 11 contains approximately 1.36 102: 3 atoms. Of the The (n, v) reaction cross-section a for this isotope is a little less than 0.05 10-24 cm2.

Das Reaktionsmaß für den Neutroneneinfang pro Kubikzentimeter im Neutronenfiuß 0 ist gegeben durch das Produkt Na, worin N die Zahl der Atome von Bor 11 je Kubikzentimeter ist. Die Ladung q eines Betateilchens beträgt annähernd 1,6 i0-'9 Coulomb. Der maximal erzeugte Strom 1 als Funktion des Neutronenflußpegels ist gegeben durch I = Naq.The measure of response to neutron capture per cubic centimeter in the neutron fiow 0 is given by the product Na, where N is the number of atoms of boron 11 per cubic centimeter is. The charge q of a beta particle is approximately 1.6-10-9 coulombs. The maximum The generated current 1 as a function of the neutron flux level is given by I = Naq.

Der verschiedenen Flußpegeln entsprechende Strom ist ersichtlich aus der Tabelle I. The currents corresponding to the different river levels can be seen from table I.

Tabelle I 0 (nach2 sec) 1 I (Ampere) 1012 1,1' 1O- 1015 1,1 10Es 1014 1,1.10-7 Diese Ströme liegen recht gut im Meßbereich eines guten Pico-Amperemeters.Table I. 0 (after 2 sec) 1 I (ampere) 1012 1.1 '1O- 1015 1.1 10Es 1014 1,1.10-7 These currents are quite well in the measuring range of a good pico ammeter.

Betateilchen, die aus dem 0,020 Sekunden Halbwertszeit-Zerfall von Bor 12 entstehen, haben eine maximale Energie von 13,4 MeV. Diese hohe Energie ist vorteilhaft, da die dementsprechend lange Reichweite der Teilchen die Verwendung eines großen Meßelementes und eines verhältnismäßig dicken keramischen Isolators erlaubt, der auch im hohen Neutronenfluß eines Reaktors lange Zeit störungsfrei arbeiten kann. Beta particles resulting from the 0.020 second half-life decay of Boron 12 are formed, have a maximum energy of 13.4 MeV. This is high energy advantageous, since the use of the correspondingly long range of the particles a large measuring element and a relatively thick ceramic insulator allowed, which is trouble-free for a long time even in the high neutron flux of a reactor can work.

Bei der oben erläuterten Ausführungsform werden einige der Betateilchen im Bor 11, in der Metallhülse 4 oder im Isolator 10 absorbiert. Indessen haben die meisten Betateilchen genügend Energie, um diese Schichten zu durchdringen und werden erst in der Hülle 12 absorbiert, in welcher sie den Meßstrom erzeugen. In the above embodiment, some of the beta particles become absorbed in boron 11, in metal sleeve 4 or in insulator 10. However, they have most beta particles have enough energy to penetrate these layers and become absorbed only in the envelope 12, in which they generate the measuring current.

Die Bor 11-Atome werden entsprechend der durch das Produkt Na gegebenen Reaktionsrate zerstört. The boron 11 atoms are corresponding to those given by the product Na Reaction rate destroyed.

In einem Fluß von 10ton/cm2 sec würde Bor 11 in einem Maß von 6,8 1011 Atome/cm8. sec zerstört werden. Da 1 cm3 Bor 11 etwa 1,36 1028 Atome enthält, würde es 2-109 Sekunden (rund 63 Jahre) dauern, um 10/o der Bor 11-Atome bei diesem Flußpegel zu zerstören.In a flow of 10 tons / cm2 sec, boron 11 would be at a rate of 6.8 1011 atoms / cm8. sec to be destroyed. Since 1 cm3 of boron 11 contains about 1.36 1028 atoms, it would take 2-109 seconds (around 63 years) to make 10 / o of the boron 11 atoms in this one Destroying river levels.

Der Abbrand würde daher vernachlässigbar sein. The burn-up would therefore be negligible.

Irgendeine geeignete Strommeßvorrichtung kann verwendet werden, um den Strom entfernt vom Reaktor zu messen. Das Pico-Amperemeter muß jedoch einen Eingangswiderstand haben, der mindestens 100mal kleiner ist, als der effektive Widerstand der kombinierten Kabel-Detektor-Anordnung. Any suitable current measuring device can be used to measure the current away from the reactor. However, the pico ammeter must have one Have input resistance that is at least 100 times smaller than the effective resistance the combined cable-detector arrangement.

Dann bleibt der durch Leckströme bewirkte Fehler kleiner als 10/0. Der Untergrundstrom infolge Einfangens von außerhalb erzeugten Betateilchen wird dadurch ausgeschaltet, daß man den Kollektor als Bezugspunkt für den Stromkreis verwendet und den Außenleiter des koaxialen Kabels erdet. Then the error caused by leakage currents remains smaller than 10/0. The underground current due to trapping of beta particles generated from outside becomes turned off by having the collector as a reference point for the circuit is used and the outer conductor of the coaxial cable is earthed.

Claims

Claims: 1. Neutron detector without an external voltage source with a cylindrical emitter body made of a substance that is absorbed by neutrons forms a beta emitter of short half-life, with an insulator that forms the emitter body at its outer surface and at one end, with a collector that consists of one enclosing the insulator on its jacket surface and closed end Metal cylinder consists, as well as with electrical connections from the emitter and from Collector to a device for measuring the current generated by the beta decay, d a - characterized in that the emitter body (2) is made of boron 11 enriched with the isotope Boron and surrounded by a metal shell (4) separating it from the insulator (10) and that the metal cylinder (12) forming the collector is dimensioned so that he completely decelerates electrons with an energy of up to 13.4 MeV.

2. Detector according to claim 1, characterized in that the gs Collector forming metal cylinder (12) made of a high temperature resistant Made of metal.

3. Detector according to claim 1 or 2, characterized in that the Isolator (10) from one resistant to high temperatures ceramic material.

4. Detector according to one of claims 1 to 3, characterized in that that the insulator is a cylinder (10) made of ceramic magnesium oxide about 3 mm thick and the collector metal cylinder (12) is a hollow iron cylinder 13 mm thick and that both are in mechanical contact with each other.

5. Detector according to claim 1 or 2, characterized in that the the metal shell (4) surrounding the emitter body (2) and the collector cylinder (12) are separated by a vacuum space.

Considered publications: "Reactor Science and Technology", Vol. 16, 1962, pp. 125 and 126.