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Gerä zum Ide 9 sen von radiaktivem Fluss Die Erfindung betrifft ein
Gerät zum Beobachten oder Messen von radioaktivem Fluss und insbesondere ein Werät
zur Messung des radioaktiven Fluées, z. B. des FluBes von elektrisch geladenen Teilchen,
Neutronen. und elektromagnetisch radioaktiven Strahlen, indem die Zerfallsmenge
des in2 Probenmaterial erzeugten radioastiven Nuclids bei der radioaktiven Analyse
beobachtet wird.
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Wegen der neueren fortschreitenden technischen ntwicklung wird die
Elementaranalyse von Rohmaterialien und ähnlichem besonders wichtig, um eine bessere
Verfahrenskontrolle auf allen Produktionsgebieten zu erhalten. Bisher hat man üblicherweise
die Elementaranalyse als chemische Analyse durchgeiührt, jedoch erfordert dieses
Verfahren erheblichen Zeitaufwand und ist ungeeignet zur Anwendung auf eine Verfahrenskontrolle.
Um den Erfordernissen
einer einfachen und schnellen Analyse gerecht
zu werden, hat man Untersuchungen mit der physikalischen Analyse in ausgiebigem
Maße gemacht und f2r einen solchen Zweck die radiometrische Analyse als besonders
geeignet vorgeschlagen. Wenn die radiometrische Analyse, mit der man die Elementaeanalyse
schnell und einfach duichfuhren kann, entsprechend entwickelt wäre, wäre es möglich,
Produkte leichmässiger Qualität zu erzeugen, wenn diese bei der Verfahrenskontrolle
des Produktes angewandt würde.
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Bei der radioaktiven Analyse werden die in der Probe enthaltenen Elemente,
die analysiert werden sollen, mit radioaktivem j5LlS, z.B. Neutronenfluß, bestrahlt,
wodurch sie in radioaktive Nuklide umgewandelt werden, und anschliessend wird die
Radioaktivität der radioaktiven Nuklide gemessen, um so quantitativ diese Elemente
zu analysieren.
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Allgemein wird der Zerfallsgrad, der durch Bestrahlung mit radio~
aktivem flués, Neutronenflub beispielcweise, erzeugten radioaktiven Euklide durch
die folgende Gleichung beschrieben : dN' = Nf (t) @-@ N' (1) dt in der bedeuten
: N = Anzahl der radioaktiven Atome des Nuclids, f (t) = die NeutronenfluBdichte
# = der radioaktive "irkungsquerschnitt (sectional area) 14 die Zerfallkonstante
des radioaktiven Nuklids, t = Zeit
Durch NeutronenfluB erzeugte
radioaktive Nuklide zerfallen mit der Aeit. Insbesondere zerfällt jedes der erzeugten
radioaktiven Nuklide mit einer besonderen Zerfallskonstanten unter Aussendung von
B Teilchen, r Strahlen und dergl., entsprechend der besonderen Isotopencharakteristik
des Nuklids. So kann man ein besonderes Xuklid von dem anderen unterscheiden, indem
man die Menge der ausgesandten Strahlen während dieser Zerfallsperiode und die Halbwertzeit
mißt. Es ist so möglich, quantitativ die Anzahl der in der Probe enthaltenen Atome
der Nuklide zu bestimmen, wenn es gelingt, den Wert dieses ZYeutronenfluBes gleichzeitig
mit dem Entstehen des radioaktiven Nuklids zu messen.
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Zur Zeit ist es jedoch mit keinem Neutronen erzeugenden Gerat, dargestellt
durch einen nuclearen Reaktor, möglich, der Analyse die Gesamtzahl der ausgestrahlten
Neutronen zu&runde zu legen, d Xer Neutronenfluß nicht immer konstant ist, sondern
mit der Zeit schwankt. Bisher hat man das folgende Verfahren zur Erreichaig einer
genauen radiometrischen Analyse verwandt, die frei von dem Einfluss ist, der auf
dem Unterschied in der gemessenen gerfallsmenge des radioaktiven Nuklids beruht,
das aufgrund der Schwankung des NeutronenfluBes erzeugt wurde. Bine Vergleichsprobe
wurde getrennt vorbereitet, die einen festen Anteil des Elementes enthielt, der
gleich dem war, der quantitativ in der Probe bestimmt werden sollte ; die gemessene
Probe und die Vergleichspo wurden gleichzeitig von der gleichen Neutronenquelle
aus bestrahlt, und
die in beiden Proben erzeugte Radioaktivität
wurde verglichen, um quantitativ das in der Probe zu messende Element zu bestimmen.
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Mit diesem Verfahren kann eine verläßliche Messung durchgeführt werden,
die frei von dem Schwankungseinfluss im ausgestrahlten Neutronenfluß ist. Es war
jedoch erforderlich, wenigtens zwei Anordnungen radioaktiver Meßgeräte vorzusehen
sowie Transporteinrichtungen, z.B." pneumatische Rohre, um die radioaktiven Proben
zu transportieren, da die erzeugte Radioaktivität in der gemessenen Probe und in
der Vergleichsprobe gleichzeitig gemessen werden sollten. Dies ftihrte zu dem Nachteil,
dass sperrige Geräte erforderlich waren, die schwierig zu handhaben waren, und das
Vorsehen von getrennten Vergleichsproben für jedes zu messende Element war erforderlich.
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Mess-oder Ein Merkmal der Erfindung betrifft ein/Beobachtungsgerät
für radioaktiven Fluß zur Durchführung der radioaktiven Analyse, welches im Aufbau
und in der nandhabung einfach ist.
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Ein anderes Ziel der Erfindung betrifft ein Beobachtungsgerät fUr
radioaktiven Fluß zur Durchftihrung der radioaktiven Analyse, ohne dasa eine Vergleichsprobe
unabhängig von der Schwankung im. radioaktiven Fluß erforderlich wäre.
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Noch weiterhin betrifft die Erfindung ein Beobachungsgerät für radioaktiven
Fluß, das direkt einen Wert anzeigen kann, der proportional dem Zerfallsgrad des
untersuchten Elements in einer Probe ist.
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Kurz gesat wird uie rfindung unter Verwendung eines Beobachtungsgerätes
für radioaktiven Fluß durchgeführt, umfassend : Einrichtungen zum Bestimmen des
auf die Probe gestrahlten radioaktiven FluBes, Binrichtungen mit einem Integrationskreis,
um einen elektrischen Ausgang entsprechend der Dichte dieses radioaktiven Fluées
zu integrieren, und Einrichtungen zum Anzeigen des Ausgangs dieses Integrationskreises,
bei dem man die Zeitkonstante dieses Integrationskreises mit de. Zeitkonstante des
in der Probe aufgrund der Bestrahlung erzeugten radioaktiven Nuklids zusammenfallen
lässt, wodurch unabhängig die Zerfallmenge dieses gebildeteten radioaktiven Nuklids
gemessen wird.
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Zu einem besseren Verständnis der Erfindung gelangt man und weitere
Vorteile der Erfindung werden durch die folgende Beschreibung deutlich, in der auf
die Figuren Bezug genommen wird, in denen Fig. 1 ein Blockdiagramm einer erfindungsgemässen
Ausführungsform eines radioaktiven Analysegerätes mit einem Beobachtungskreis darstellt
; Fig. 2 ist eine Schaltung eines Integrationskreises zur Erläuterung der Erfindung
und Fig. 3 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform des Integrationskreises.
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In Fig. 1 ist ein Neutronen-erzeugendes Gerät 11 in einer Kammer gezeigt,
die mit einer Abschirmung 12 umgeben ist. Das Neutronen-Brzeugungsgerät kann ein
konventioneller nuklearer Reaktor sein oder ein Gerät, das lediglich Neutronen erzeugt.
Z.B. wird es
bevorzugt, ein Neutronenerzeugungsgerät zu verwenden,
bei dem durch Elektrolyse von schwerem Wasser gewonnener schwerer Was-(leak) serstoff
in eine Ionenquelle durch einen Palladium-Leck LUI eingeführt wird, eine elektrische
Entladung im schweren Wasserstoff durch ein Hochfrequenzfeld ausgelöst wird, um
ein Plasma Deuteronen zu schaffen, und bei dem die erzeugten
in eine Beschleunigerröhre eingeführt werden, die bis zu einem Hochvakuum evakuiert
ist und durch ein elektrisches Feld von z. B. 200 kV beschleunigt werden, so dass
ein Aufprallen auf ein am Ausgangsende dieser Beschleunigungsröhre angeordnetes
chwer-Wasserstoff-T (d ; n) target erreicht wird, wodurch Neutronen durch die
Reaktion erzeugt werden (Td reaction). Die in diesem Fall erreichbare Zahl der austretenden
Neutronen liegt in der Grössenordnung von etwa 10 n/Sek.
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Durch die Abschirmung 12 hindurch verläuft ein Lufttransportrohr 14,
das an einem Ende mit einem radioaktiven Strahl-oder Strahlungsdetektor 15 verbunden
ist, welcher elektrisch mit einem Gerät zur Ilfessung der radioaktiven Strahlung
verbunden ist. Am anaeren Ende des Lufttransportrohrs, das dem Neutronen-erzeugenden
Gerät gegenüberliegt, ist ein von Neutronen bestrahltes Teil 13 vorgesehen, und
die in den Rohrpostbüchsen enthaltenen Proben werden zwischen dem Teil 13 und dem
radioaktiven Strahlendetektor 15 durch das Lufttransportrohr 14 befördert. Die in
der Probe durch Neutronenbestrahlung gebildete Radioaktivität wird
durch
den Radioaktivitätsstrahlendetektor 15 bestimmt, der ein Szintillationszähler vom
NaI (T1)-Typ sein kann. Es ist vorteilte haft, einen radioaktiven Strahlendetektor/einzusetzen,
der den bereits ermittelten Auegang durch einen Impulshöhenanalysator z. B. analysiert
und dann das Analysenergebnis auf einem Zähgerät aufzeichnet (scaler).
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Ein Neutronenflußdetektor 17 befindet sich auch im Neutronen-bestrahlten
Teil 13. Dieser Detektor dient dazu, das Neutron nachzuweisen und in elektrische
Werte zu überführen, so dass z. B. eine Impulsanzahl proportional der Neutronenflußdichte
ist. Ein plastischer Szintillator (plastic scintillator) mit hoher Empfindlichkeit
aus einer Kombination einer plastischen, fluoreszierenden Substanz mit einem Photovervielfacher
ist für diesen Zweck geeignet. Signale von dem Detektor 17 werden durch einen Verstärker
verstärkt. Da die erhaltenen Signale in Fore von Impulsen vorliegen, so ist in dem
Verstärker 18 ein geeignetes Zähratenmeßgerät (ni¢ht gezeigt) vorgesehen, das diese
Impulse wiederholt und eine Gleichspannung proportional der Frequenz der Impulse
erzeugt. Die Ausgangsapannung aus dem Verstärker 18 hat daher einen Wert, der proportional
der Neutronenflußdichte ist. Die Ausgangsspannung wird dann an einen Integrationskreis
gelegt. Wird eine Ionisationskammer ale Detektor 17 verwandt, so ist die Ausgangsspannung
eine Gleichspannung, so dass in diesem Fall auf das Zählratenmeßgerät verzichtet
werden kann.
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Wie in Fig. 2 gezeigt, kann der Integrationskreis aus einem Widirstand
R und einer Kapazität C bestehen. Bezeichnet man die Eingangsspannung
mit
e und die Aussangsspannungc.itj V, so wird die zeitliche Spannungsanderung wie folgt
wiedergegeben: dV E V = (2) at-crcr wo r den Widerstandswert des Widerstands R bezeichnet,
c die Kapazität des Nondensators C und t die Zeit.
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Da die Eingangsspannung E proportional der nachzuweisenden Neutronenflußaichte
f (t) ist, ist E = kf (t) (3) wo k eine ProportionalitätslLonstante ist.
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Durch Binsetzen der Gleichung 3 änuert sich Gleichung 2 in dv df(t)
v = (4) dt cr cr Vergleicht man Gleichnung 4 mit Gleichung 1, so wird klar, aass
die Ausgangsspannung V der Anzahl der Atome
N' des radioaktiven Nuklids entspricht. Würde man daher die Zeitkonstante des Integrationskreises
19 gleich dem reziproken Wert der Zerfallskonstante des radioaktiven Nuklids werden
lassen, nämlich or =---(5) so wäre es möglich, auf einem MeßstreifenaufZeichner
im Indikator
20 eine proportionale Zerfallsrate des aufgrund der
Neutronent'lußbestrahlung erzeugten radioaktiven Nuklids aufzuzeichnen. Durch geeignete
entsprechende Voreinstellung der Skala eines Inuikators kann dieser Betrag direkt
abgelesen werden o So ist es erfindungsgemma. möglich, bei der radioaktiven Analyse
immer die Zerfallsmenge des radioaktiven Nuklius, das am Bnde der eutronenflußbestrahlung
gebildet worden ist, zu messen. Da weiterhin die gelieferte Zerfallsmenge proportional
der gebildeten Radioaktivität des radioaktiven Nuklids ist, kann unter Verwendung
dieser gebildeten Zerfallsmenge als Vergleichswert der radioaktiven Analyse eine
Anzahl von Proben, die unter verschiedenen zeitlichen Verteilungen aer Neutronenflußdichte
bestrahlt worden sind, miteinander unter Verwendung der gleichen Anzeige verglichen
werden.
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Wie schon oben ausgeführt, urde bei bekannten Verfahren der radioaktiven
Analyse eine Substanz, die einen vorbestimmten Anteil des Nuklicts aufwies, d. h.
des gleichen Nuklids, das quantitativ gemessen werden sollte, als Vergleichsprobe
benutzt und die zu messende Probe und das Vergleichsmaterial wurden nebeneinander
gelegt und gleichzeitig durch Neutronen bestrahlt. Wird die Anzahl der Atome des
quantitativ zu bestimmenden Nuklids mie Ns bezeichnet, die des Vergleichsmaterials
mit Nm und die entstandene Radioaktivität mit As und Am, dann ist die Beziehung
zwischen As/Am und Ns immer linear, una'bhängig von irgendwelchen Schwankungen des
neutronenflußes. Indem man also diese Beziehung festlegt, ist es üöglich, die Anzahl
der in der Probe enthaltenen Atome Ns festzulegen.
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Erfindungsemäss ist eine der Vergleichsprobe äquivalente Funktion
durch einen elektrischen Kreis gegeben. Durch Wahl der Bedingungen, wie in Gleichung
5 gezeigt, kann die Ausgangsspannung v des Integrationskreises proportional zur
Anzahl der Atome N'des radioaktiven Nuklius werden, so dass die Beziehung zwischen
As/V und Ns linear ist, selbst wenn der Wert von As/V anstatt des Wertes As/---gemessenvird.
Der Wert von Ns wird so bestimmt. Da, wie in Gleichung 5 gezeigt, aie Zeitkonstante
des Integrationskreises so gewählt wird, dass sie deru Reziprokwert der Zerfallskonstante
des radioaktiven Nu. klids entspricht, soll die Zeitkonstante in Übereinstirnmung
mit der Qharakteristik des auantitativ zu bestimmenden Nuklids ausgewählt werdenO's
ist jedoch sehr einfach, die beitkonstante eines Integrationskreises zu verändern.
Z. Bo kann durch Verändern des Wertes des Widerstandes R die fieitkonstante über
einen grossen Bereich geandert werden, siehe Fig. 3. Obwohl in den Zeichnungen nicht
dargestellt, kann man das gleiche Ergebnis unter Veränderung der Kapazität des Kondensators
C z. B. über einen Umschalter erhalten. So kann man durch Vorwahl einer Anzahl von
Zeitkonstanten entsprechend der Charakteristik der zu bestimmenden Nuklide die erzeugte
Zerfallsmenge irgendeines radioaktiven Nuklids lediglich unter Wahl der Zeitkonstante
des Integrationskreises messen.
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Aus der obigen Beschreibung ist leicht zu verstehen, dass die radioaktive
Analyse durch Einsatz eines Gerätes zur Beobachtung des
radioaktiven
Fluages, beruhend auf der erfindungsgemässen Lehre, stark vereinfacht werden kann.
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Die Erfindung wurue bisher mit Bezug auf eint besondere Ausführungsform
beschrieben, bei der Proben durch Neutronen bestrahlt wurden ; selbstverständlich
lässt die Erfindung sich in gleicher Weise auf die radioaktive Analyse unter Verwendung
elektrisch geladener Partikel, elektromagnetischer btrahlen und ähnlichem anwenden,
wobei diese letzteren in der Probe enthalene, Quantitativ zu bestimmende Elemente
in radioaktive Nuklide umwandeln können. Es ist deshalb ersichtlich, dass verschiedene
Abänderungen vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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*) Binfiigung auf S. 10 Wäre daher die Beziehung zwischen As und Ns
festgelegt, indem die Neutronenbestrahlung zu dem Zeitpunkt beendet wird, sobald
V einen konstanten Y ; ert erreicht, dann könnte man den Wert ides, d. h. die quantitativ
zu bestimmende Nuklid- (oaer Element-) uenge, die in der Probe enthalten ist, direkt
bekommen.