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Neutronendetektor für Leistungskernreaktoren mit hoher Neutronenflußdichte
und Schaltungsanordnung für diesen Neutronen detektor Die Erfindung betrifft einen
Neutronendetektor mit einer bei Neutroneneinfang infolge innerer Umwandlung Gamma-Strahlung
und/oder Elektronen aussendenden Emitterelektrode, die über ein aus einem Oxyd bestehendes
Dielektrikum in fester Phase von einer Kollektorelektrode getrennt ist.
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Zur Messung des Neutronenflusses in Kernreaktoren sind verschiedene
Neutronendetektoren entwickelt worden. Für diese Detektoren ist jedoch erforderlich,
in der biologischen Abschirmung des Kernreaktors eine dehnung vorzusehen, durch
welche der Neutronenstrahl zu dem außerhalb des Reaktors angeordneten Detektor zu
gelangen vermag. Die Anbringung solcher Uffnungen ist aber nachteilig.
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Diese außerhalb des Reaktors angeordneten Detektoren sind ferner insofern
nachteilig, als eine äußere Energie- oder Spannungsquelle für ihren Betrieb erforderlich
wird.
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Es ist auch bekannt, verkleinerte, nicht kompensierte lonenkammern
innerhalb des Kernreaktors zu verwenden, jedoch ist für solche Kammern eine äußere
Spannungsquelle gleichfalls erforderlich, und sie sind nicht geeignet, den ständig
hohen -Drücken, Temperaturen und Strahlungsfeldern innerhalb des Reaktorkernes zu
widerstehen.
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Zwar ist ein Neutronendetektor bekannt, der mit einer bei Neutroneneinfang
Elektronen ausstoßenden Emitterelektrode versehen ist (»Atomnaya Energiya«, Bd.
10, 1961, Heft Nr. 1, S. 72 und 73). Die Emitterelektrode ist über ein Dielektrikum
von der Kollektorelektrode getrennt. Hierbei besteht der Emitter aus einem nach
Neutroneneinfang augenblicklich energiereiche Gamma-Strahlung und/oder Elektronen
ausstoßenden Werkstoff, nämlich Rhodium'03. Allerdings treten bei Verwendung der
bekannten Emittersubstanz schädliche Nebenwirkungen auf. nämlich im Falle von Rhodium103
langlebige sekundäre radioaktive Isotope. Im einzelnen rührt dies davon her, daß
die Elektronen oder die Beta-Strahlung, die von Rhodium'04 mit einer radioaktiven
Halbwertzeit von 42 Sekunden herrühren, diejenige Komponente unterdrücken, die nach
Neutroneneinfang in Rhodium103 augenblicklich ausgesandt wird. Die schädliche Komponente
hat hierbei eine etwa 20fach größere Intensität, so daß die Verwendung von Rhodium
als Emitterwerkstoff für solche Detektoren nicht möglich ist, die sofort, aber auch
einwandfrei und eindeutig ansprechbar sein müssen, nämlich beim Einsatz in einem
Leistnngsreaktor hoher Neutronenflußdichte.
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Ferner ist die bekannte Ausführung für diesen Zweck deshalb nicht
geeignet, weil der Isolatorwerkstoff aus Polyäthylen besteht, der bei den in Leistungsreak-
toren
auftretenden, relativ hohen Temperaturen innerhalb kurzer Zeit zerstört wird bzw.
schmilzt.
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Zwar ist noch eine Einrichtung zur Messung der Intensität von Neutronen
bekannt, mit einem als Neutronenauffänger dienenden Körper, der unter dem Einfluß
von Neutronen Elektronen aussendet (deutsche Patentschrift 691575). Der als Emitter
dienende Neutronenauffänger, der von Glas, Quarz oder Glimmerplatten als Isolator
umgeben sein kann, kann aus Silber, Chlorsilber, Rhodium oder Indium bestehen. Allerdings
ist die bekannte Meßeinrichtung nicht für den Einsatz in einem Leistungsreaktor
hoher Neutronenflußdichte vorgesehen, und die bekannte Einrichtung ist insbesondere
nicht geeignet, augenblicklich auf Neutronenflußerhöhungen u. dgl. anzusprechen,
denn die verwendeten Emitterwerkstoffe stoßen, nach dem Neutroneneinfang, nicht
augenblicklich Gamma-Strahlung und/oder Elektronen aus,
sondern
erst nach einer endlichen Zerfallszeit Dies ist insofern nachteilig, als ein Eingriff
am Leistungsreaktor, wie eine Steuerung, zu spät erfolgen kann, was gerade bei Leistungsreaktoren
hoher Neutronenflußdichte nicht zulässig ist.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, daß der in einem Leistungsreaktor
hoher Neutronenflußdichte angeordnete Detektor Gadolinium"55, Gadolininin'57 und/oder
Kadmium33 als Emittersubstanz aufweist und als Dielektrikum mindestens teilweise
Aluminiumoxyd, Magnesiumoxyd und/oder Zirkonoxyd verwendet wird. Bei solcher Ausbildung
des Detektors ist eine augenblickliche Ansprechbarkeit sichergestellt, ohne daß
schädliche Nebenwirkungen auftreten. Ferner eignet sich dieser Detektor gerade in
Leistungsreaktoren hoher Neutronenflußdichte, wo ein starkes Strahlungsfeld herrscht,
d. h eine hohe Temperatur und ein hoher Druck, denen dieser Detektor aber in vorteilhafter
Weise widersteht. Trotzdem ist der Detektor relativ einfach, hat eine kompakte Gestalt
und es werden nur feste Werkstoffe für die drei Hauptteile des Detektors verwendet
Ferner eignet sich dieser Neutronendetektor außerordentlich gut als Kleinstdetektor
mit Miniaturmaßen, was einen grundsätzlichen Vorteil aller im Reaktorkern benutzten
Vorrichtungen ausmacht.
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Der Erfindungsgegenstand wird an Hand der nachfolgenden Zeichnung
edäutert, die schematische Ausfiihrungsbeispiele darstellt. Es zeigt F i g. 1 einen
Querschnitt durch eine prinzipielle Ausbildung des Neutronendetektors, F i g. 2
einen Querschnitt durch einen anderen Neutronendetektor und Fig.3 eine schematische
Ansicht einer Apparatur, die zur Kompensierung von Untergrundsignalen dient.
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F i g. 1 zeigt das allgemeine Arbeitsprinzip des Neutronendetektors.
Der Detektor weist drei Teile auf: einen Emitter 11, einen Isolator 12 und einen
Kollektor 13. Diese drei Teile können als koaxiale Zylinder oder als flache, parallele
Platten angeordnet werden. F i g. 1 ist für beide Anordnungen anwendbar.
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Der Emitter 11 besteht aus leitendem oder halbleitendem Werkstoff,
der augenblicklich energiereiche, bei Neutronenabsorption auftretende Elektronen
aussendet; der Isolator 12 besteht aus festem dielektrischem WerkstoR, der einen
hohen elektrischen Widerstand beibehält, sogar nach einer Exposition starken Strahlungsfeldern,
während der Kollektor 13 aus einem Lfiterwerkstoff besteht, der in einem Neutronenflußj
im-Vergleich zum Emitterwerkstoff, wenige Elektronen erzeugt.
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Der-Emitterll kann die Zentralelelçtrode einer koaxialen Anordnung
sein und mit einem Mittelleiterl5 eines gleichachsigen Kabels 14 verbunden werden;
Kollektor 13 kann die Außenelektrode der gleichachsigen Anordnung sein und ist mit
dem Außenleiter 16 des Kabels verbunden Ein Meßgerät 17 für den Elektronenstrom
ist zwischen den Innen- und Außenleitern des Kabels 16 ; vorhanden.
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Ankommende Neutronen werden leicht die äußere Abschirmung oder den
Kollektor 13 und den Isolatorl2 durchsetzen, um vorzugsweise durch den Emitter 11
absorbiert zu werden. Atome des Emitterwerkstoffes werden nach der Neutronenabsorption
angeregt bzw. radioaktiv und senden augenblicklich energiereiche Elektronen aus,
wenn sie in die stabile
Lage zurückkehren. Viele Elektronen durchdringen den Isolator
12 und kommen zuletzt in dem geerdeten Kollektor 13 oder seiner Umgebung zur Ruhe.
Der Elektronendefizit im Emitter 11 ergibt eine positive Ladung für den Mittelleiter
15 des koaxialen Kabels 14. Wenn die Bildungsgeschwindigkeit dieser positiven Ladung
kontinuierlich mit Hilfe eines Strommeßgerätes 17 ermittelt wird, ist'das festzustellende
Signal unmittelbar proportional der Neutronenabsorptionsgeschwindigkeit in dem Emitter.
Mit anderen Worten, der Detektorstrom ist direkt dem durchschnittlichen Neutronenfluß,
genommen über die Oberfläche des Emitters, proportional.
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Wenn 1o der Nullstrom der vom Emitter 11 abgegebenen energiereichen
Elektrode, V0 die Gleichgewichts- bzw. Ausgangsspannung der Mittelelektrode 11 in
bezug auf die Erde, R1 der effektive Leckwiderstand (Isolatorwiderstand) zwischen
dem Emitter (Innen- bzw. Mittelelektrode) 11 und der äußeren geerdeten Elektrode
13 und RM der effektive Widerstand des Strommeßgerätes 17 ist, dann gilt io = R
+ RL RM RM für den Fall, daß RL » Ru rist (Gleichung 1). Für einen gegebenen Emitter
folgt, daß die gemessene Ausgangsspannung VO proportional dem Neutronenfluß und
unabhängig von R, ist, so lange die Bedingung RM «RL gilt Man kann beispielsweise
den Neutronen absorbierenden Werkstoff, der Elektronen emittiert, für die Außenelektrode
statt für die Innenelektrode verwenden. In diesem Falle bekommt die Innenelektrode
11 eine negative statt einer positiven Ladung. Jede Anordnung der drei grundlegenden
Apparaturteile, welche es ermöglichen, daß energiereiche, primäre Elektronen spontan
vom Emitter zum Kollektor durch den Isolator hindurchwandern, - können für die mit
eigener Energiequelle versehenen Neutronendetektoren verwendet werden.
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Die Größe der Emitterelektrode ist lediglich aus praktischen Gründen
beschränkt. Es kann im einzelnen angebracht sein, einen gleichachsigen Kabeldetektor
um ein Vielfaches von 30 m dadurch auszubilden, daß lediglich ein geeigneter Emitterwerkstoff
für den Mittelleiter des Kabels auf seiner ganzen Länge verwendet wird. Der Detektor
mit parallel angeordneten Platten kann eine besonders große Fläche durch Krümmen
der Platten zu einem eng gewickelten Zylinder erfahren.
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Die keruphysikalischen Eigenschaften des für die drei Detektorteile
ausgewählten Werkstoffes sind wichtig für die praktische Ausführung des Neutronendetektors
und hängen von den jeweiligen einzelnen Arbeitsbedingungen des Detektors ab. Geeignete,
für die Konstruktion verwendete Materialien sind nachfolgend aufgeführt: Emitter:
Gadolinium, Kadmium, Vanadium, Aluminium, im Einzelfall Rhodium; Kollektor : Magnesium,
Titan, Nickel, rostfreier Stahl; Isolator: Aluminiumoxyd, Magnesiumoxyd, Zir--donoxyd.
Eigenschaften
der Emitterwerkstoffe:
| Neutronenabsorbierendes Isotop |
| Ausbrenngeschwindigkeit |
| Radioaktive Halbwertzeit |
| in einer Neutronenstrom- |
| Einfangquer- des Einfangerzeugnisses |
| Ordnungszahl Häufigkeit dichte von 1013 n/cm2 Sek |
| schnitt # 10-24 cm2 |
| Gadolinium155 14,73 56,200 sofort Zerfall 4,9% pro Tag |
| Gadolinium157 15,68 242,000 sofort Zerfall 21% pro Tag |
| Kadmium113 12,26 20,000 sofort Zerfall 1,7% pro Tag |
| Vanadium51 99,76 4,5 3,8 Minuten 0,012% pro Monat |
| Aluminium27 100 0,21 2,3 Minuten 0,006% pro Jahr |
Die von Vanadium und Aluminium emittierten Elektronen rühren vom Zerfall her und
werden durch die radioaktive Halbwertzeit des durch Einfang gebildcten Kernes verzögert,
während die von Gadolinium und Kadmium emittierten Elektronen von der inneren Umwandlung
herrühren und sofort vom angeregten Kern nach Neutroneneinfang emittiert werden.
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Eine vorteilhafle, im Reaktorkern verwendete Detektorkonstruktion
ist in F i g. 2 gezeigt. Diese nicht maßstabgerechte Zeichnung stellt einen Emitter
11 aus Vanadium mit einem Außendurchmesser von etwa 0,52 mm dar, mit einem Aluminiumoxyd-Isolator
und einem aus rostfreiem Stahl bestehenden Kollektor 13, der in Form eines geschlossenen
Röhrchens von etwa 23 mm Länge und etwa 15,9 mm Außendurchmesser ausgebildet ist.
Der Detektor ist mit einem gleichachsigen Kabel von etwa 1 mm Außendurchmesser verbunden,
wobei der Emitter 11 mit dem Mittelleiter 15 durch Stumpfschweißung verbunden und
der Kollektor 13 an den äußeren Leiter 16 des Kabels 14 angelötet ist. Der Mittelleiter
15 besteht aus Chrom, Nickel und ist über einen Magnesiumoxydlsolator vom Außenleiter
16 abisoliert. Der Außenleiter 16 hat einen Außendurchmesser, wie bereits angegeben,
von etwa 1 mm. Die Außenhülle kann aus Stahl, der Mittelleiter aus Nickel oder Chrom-Nickel
bestehen. Der Isolator besteht aus zusammengepreßtem Magnesiumoxyd. Das in F i g.
2 gezeigte Kabel hat einen Chrom-Nickel-Kern. Die Daten des Lieferanten über die
Abmessungen dieses Kabels sind die folgenden: Kern: 34% vom Außendurchmesser Hülle:
12% des Außendurchmessers (eh. 2) Isolation: 21% des Außendurchmessers (e. h. 2)
Bei Verwendung eines Kabels mit etwa 1 mm Außendurchmesser ist die Hüllenstärke
etwa 1,12 mm und die Isolationsstärke etwa 0, 21 mm.
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Die gewählten Werkstoffe eignen sich zur Anwendung bei hohen Temperaturen:
Für mehrere Anwendungen im Kern ist der Vanadium-Emitter länger als erforderlich,
was aber zeigen soll, daß solche Detektoren in leichter Weise in beliebiger Länge
hergestellt werden können.
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Der in F i g. 2 gezeigte Prototyp arbeilet in einem Bereich hohen
Neutronenflusses erfolgreich in dem NRX-Reaktor zu Chalk-River seit dem 20. November
1963. Die durchschnittliche Neutronenstromdichte längs des Vanadium-Emitters ist
1,1 # 1014n/cm2 Sek.,
wenn der Reaktor im normalen Betrieb mit maximaler Leistungsabgabe
arbeitet. Der Strom vom Vanadium wurde unter diesen Bedingungen zu 0, 19 Mikroampere
gemessen.
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Der beobachtete Detektorstrom rührt vom ß-Zerfall des Vanadium52
her und hat keine andere Ursache.
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Unmittelbar nach Abschalten des Reaktors beobachtet man nämlich, daß
dieses Signal mit einer Halbwertzeit von 3,8 Minuten abfällt. Man kann den exponentiellen
Abfall während zweier Dekaden oder länger beobachten, was von der Größe des Untergrundsignals
(Rauschens) abhängt.
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Die zu messenden Ströme liegen im Bereich von im allgemeinen 10-6
bis 10-12 Ampere, so daß es eine ganze Anzahl handelsübliche Verstärker, wie Keithley-Geräte,
Modell 410, gibt, die vollkommen zufriedenstellend arbeiten. Der gemessene Strom
ist so lange von Leckerscheinungen (Leckstrom) unabhängig, als der effektive Eingangswiderstand
des Strommeßgerätes klein im Vergleich zum Leckwiderstand ist. Aus diesem Grunde
ist es zweckmäßig, ein Gerät mit niedrigem Eingangswiderstand zu verwenden.
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Ein linearer Verstärker mit der Verstärkung G und mit einem rückgekoppelten
Widerstand Rf hat einen effektiven Eingangswiderstand von R1/G. Es ist deshalb im
allgemeinen möglich, einen so niedrigen effektiven Einga ngswiderstand, wie erforderlich,
zu erreichen, indem einfach ein rückgekoppelter Verstärker mit einer genügend hohen
Verstärkung verwendet wird. Wenn beispielsweise der Leckwiderstand RL 108 Ohm beträgt,
Rf 109 Ohm, sollte die Verstärkung G mindestens 1000 sein.
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Ist der Detektorstrom größer als 0,1 Mikroampere, kann ein übliches
Millivoltmeter oder ein Registriergerät als Strommeßgerät verwendet werden, wenn
ein geeigneter Widerstandswert quer zu den Eingangsklemmen geschaltet wird. Wenn
beispielsweise der Bereich des Registriergerätes 0 bis 10 Millivolt ist, ergibt
sich bei Verwendung eines 10 OOO-Ohm-Widerstandes an den Eingangsklemmen ein Strombereich
von 0 bis 1,0 Mikroampere. In der Praxis können die meistens bei den Thermoelementen
benutzten Geräte der Messung von Neutronendetektorsignalen leicht angepaßt werden.
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Die Größe des Belastungswiderstandes hängt von der Größe des erhaltenen
Signals und von der Art des benutzten Strommeßgerätes ab. Nach einem typischen Beispiel
wird ein Detektor für hohen Neutronenfluß, der 0,5 Mikroampere erzeugt, durch einen
Meß widerstand von 10000 Ohm abgeschlossen. Ein 0,5 10-11 Ampere abgebender Niederflußdetektor
wird
mit einem Verstärker verbunden, der einen effektiven Eingangswiderstand von 109
Ohm hat.
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Wenn erforderlich, kann der Belastungswiderstand immer herabgesetzt
werden, indem die Verstärkung des Strommeßgerätes erhöht wird. Für jeden praktisch
verwendbaren Neutronendetektor ist es zweckmäßig, einen Belastungswiderstand zu
verwenden, der kleiner als 1°/0 des Leckwiderstandes ist.
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Die wichtigste Anzeige für einen Schwund oder eine Zerstörung des
Neutronendetektors ist eine Verkleinerung des Leckwiderstandes RL. Dieser Parameter
kann periodisch so gemessen werden, daß man den selbsterzeugten Detektorstrom benutzt,
während der Reaktor unter voller Belastung arbeitet.
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Indem man den Meßwiderstand RM so lange vergrößert, bis der durch
R,,, fließende Strom geringfügig kleiner wird. kann RL leicht aus der Gleichung
1 errechnet werden. In dieser Rechnung wird angenommen, daß der Quellstrom 1o nur
vom Neutronenfluß abhängt und unabhängig sowohl von RL als auch RAF ist.
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Als typisches Beispiel soll der in F i g. 2 dargestellte Prototypdetektor
angezogen werden. Nach einer Exposition von 6 Monaten einer thermischen Flußdichte
von 1,1 10-l4nz'cm2 Sek., war der gemessene Leckwiderstand RL immer noch größer
als 2 Io8 Ohm. Da der normale Meßwiderstand R" 104 Ohm ist, lag cin Grenzbereich
nach wie vor weit entfernt, bevor der durch RM fießende Meßstrom von in KL stattfindenden
Anderungen abhängig geworden wäre. Tatsächlich kann RL bis zu 106 Ohm abfallen.
bevor der Strom sich mehr als um loo ändert.
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Es ist festgestellt worden, daß die Gesamtlänge eines gleichachsigen.
im Reaktorkern einer Strahlung ausgesetzten Kabels ein sogenanntes »Untergrundsignal«
erzeugt, welches dem »Neutronensignal« vom Emitter überlagert ist. Ein Teil dieses
Untergrund-bzw. Rauschsignals entsteht durch Compton-Photoelektronen. die vom Mittelleiter
des Kabels ausgestoßen werden. Einige dieser Elektronen durchsetzen die Magnesiumoxyd-Isolation
und werden in der äußeren geerdeten Hülle absorbiert. so daß der Mittelleiter eine
positive Ladung erhält. Der gemessene Strom hat die gleiche Polarität wie der Detektorstrom.
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Ein anderer möglicher Grund für das Rauschsignal kann von dem Fluß
energiereicher Elektronen in den benachbarten Materialien im Reaktorkern herrühren.
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Jegliche naheliegenden (1-Strahler, wie Aluminium. erzeugen ein beachtliches
Rauschsignal im isolierten Zentralleiter. Die Polarität dieses Signals ist entgegengesetzt
dem Detektorsignal, und seine Höhe hängt natürlich von dem äußeren Elektronenfluß
entlang des ganzen Kabels ab.
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F i g. 3 veranschaulicht, wie das Rauschsignal vom Gesamtstrom abgezogen
werden kann. damit der wahre Emitterstrom angezeigt wird. Ein zweites gleichachsiges
Kabel 18 ist unmittelbar neben dem ursprünglichen Detektorkabel 14 installiert.
Das zusätzliche Kabel 18 hat keinen Detektor an der Spitze. ist aber in jeder anderen
Beziehung gleich dem Detektorkabel 14. Die Mittelleiter 15 und 19 der beiden Kabel
sind quer zu den Eingangsklemmen eines Millivoltregistriergerätes. wie in F i g.
3 gezeigt, verbunden. Da die beiden Mittelleiter über identische Belastungswiderstände
21 und 22 geerdet sind. ist die gemessene Potentialdifferenz unmittelbar proportio-
nal
der Differenz zwischen den Eigenströmen der beiden Kabel: Diese Kompensationsmethode
ist erfolgreich dargestellt worden, indem das Kabel des Vanadiumprototyp- Neutronendetektors
und ein zweites »Rauschkabel« benutzt wurden. In dem NRX-Reaktorkern wurden identische
Längen installiert und die beiden Ströme unabhängig ausgemessen, bevor die beiden
Kabel, wie in F i g. 3 gezeigt, verbunden wurden. Der abgelesene Ausgangswert des
Registriergerätes gleicht genau die algebraische Differenz zwischen den beiden unabhängigen
Eingangssignalen aus.
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Ein Vorteil des Neutronendetektors gemäß der Erfindung besteht darin,
daß das Eigensignal in Flußdichten von 10t3n/cm2 Sek. und größer groß genug ist,
um direkt durch ein Millivoltregistriergerät gemessen werden zu können, genau wie
man den Strom eines Thermoelementes mißt. Ferner ist das Arbeitsprinzip dieses Detektors
unabhängig von der Gasionisation oder von irgendeiner Art der Elektronenvervielfachung.
Es ist zu beachten, daß in dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 2 der Detektor mit
seinem gleichachsigen Verbindungskabel aus einem Stück besteht und leicht auf ein
Miniaturmaß von etwa 1,59 mm Außendurchmesser gebracht werden kann, so daß die parasitäre
Neutronenabsorption niedrig ist. Der Detektor kann eine kontinuierliche biegsame
Form haben und ist leicht in jeder Länge herstellbar. indem der Emitterwerkstoff
für den Mittelleiter des handelsüblichen gleichachsigen Kabels verwendet wird. Ferner
ist festgestellt worden, daß die Ausbrenngeschwindigkeit in Detektoren, die einen
der ersten vier in der Tabelle 1 angegebenen Emitterwerkstoffe verwenden, wesentlich
niedriger als z. B. diejenige der Uran235-Detektoren ist, da der Nachteil der abfallenden
Empfindlichkeit wesentlich ungefährlicher ist. Der Prototypdetektor hat 6 Monate
in einem Neutronenstrahlungsfeldvon los n'cm2 Sek. im Reaktorkern gearbeitet. Darüber
hinaus kann der Detektor in vorteilhafter Weise zur kontinuierlichen Uberwachung
des Neutronenflusses. zur Herstellung von Neutronenflußdiagrammen oder Karten usw.
verwendet werden. Die Anwendung des Neutronen detektors ist nicht nur auf Reaktorkerne
beschränkt.