DE1952928A1

DE1952928A1 - Anordnung zur Aufnahme und Messung nuklearer Strahlung

Info

Publication number: DE1952928A1
Application number: DE19691952928
Authority: DE
Inventors: Maillot Jean Paul
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1968-10-24
Filing date: 1969-10-21
Publication date: 1970-04-30
Also published as: US3657540A; FR1589905A

Description

Dipl.-Phys. Leo Thül'
Patentanwalt
Stuttgart - Peuerbach
Kurze Straße 8

J.P. Maillot Jt

INTEBNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATICIi, 320 park Avenue, NEW YORK 28, JfVJT.* USA. Anordnung zur Aufnahme und Nessung nuklearer Strahlung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung aur Aufnahme und Meeeung nu» I

klearer Strahlung, bei der die Strahlungssonde mittels eines langen j

Kabels an die Energieversorgungsquelle und das Meß- oder Zählgerät _;

angeschlossen ist, j

Bei diesen Geräten kann die Meßwertaufnahme örtlich von der Meßwertauswertung und -anzeige getrennt werden, was bei nuklearen Strahlungsfeldern hoher Strahlungsintensität von Bedeutung ist.

Es sind bereits Konstruktionen bekannt, bei denen die Verbindung zwischen der Sonde für nukleare Strahlung auf der einen Seite und den Stromversorgungs- und Meßeinrichtungen auf der anderen Seite durch ein Koaxialkabel sichergestellt ist, dessen Mantelleiter gleichzeitig die elektrische Masse der Anordnung ist. Die Sonde enthält praktisch nur einen Strahlungsdetektor. Die Versorgungsenergie wird in Form eines Gleichstromes über den Innenleiter übertragen, während die Meßinformationen über den: gleichen Leiter in Form von Stromimpulsen geschickt werden.

Be.i diesen Konstruktionen fallen insbesondere drei Nachteile auf. Erstens muß das Verbindungskabel hochspannungsfest, also von hoher Qualität sein, da die Detektor-Röhre eine) relativ hohe Betriebs- \ spannung von etwa 0,5 bis 2 kV benötigt.

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Ein zweiter Nachteil beruht darauf, daß die Sonde am einen Ende des Verbindungskabels nur das Detektorelement enthält und am anderen Ende alle Einrichtungen für die Meßanordnung und Stromverβorgung angeschlossen sind. Deshalb müssen dort Schaltungsanordnungen sup Trennung von Meß- und Speisefunktionen vorgesehen sein, die wegen der hohen Spannungen kompliziert aufgebaut sind. Beides» komplizierter Aufbau und hohe Spannung erhöhen die Anforderungen an den Benutzer solcher Einrichtungen erheblich.

Ein dritter Nachteil ist auf die gegenüber der Impedanzcharakteristik des Verbindungskabels meist viel höheren Anschluöimpedanzen der Anordnungen sowohl auf der Detektorseite, als auch auf der Meßseite zurückzuführen. Die durch die Pehlanpasaung hervorgerufenen Mehrfachreflexionen verumaohen «ti den l«*miefBmie*i* MeBeign*4en Verformungen, die mit der Lunge de* Verbindungikabel», der Kürte der Impulsdauer und der Höhe der Impulsfrequena der Zähl rate zunehmen. Die unterschiedliche Verformung der Meßsignale, die In geeigneten Schaltungen gezählt oder integriert werden« verfälscht die Me Banzeige. Denn wird die Einrichtung, bei der ein Kabel bestimmter Länge und Eigenschaften zwischen Detektor und Meß- oder Zählapparatur eingebracht ist» mittels einer bekannten nuklearen Strahlungsquelle geeicht» können bei Verwendung anderer Kabel Meßfehler auftreten, Ss 1st nicht möglich» dafür einen Korrekturfaktor festzulegen» da dieser notwendigerweise von den Eigenschaften dieses Kabels abhängt.

Andere bekannte Einrichtungen benützen zwei Kabel oder ein Mehrleiterkabel zwischen Sonde und MeB- und Speiseeinrichtungen. Ein Kabel ist für die Versorgungsspannung vorgesehen, auf dem anderen Kabel werden die Meßsignale von der Sonde zur Meßeinrichtung übertragen. Die Meßeinrichtung ist in ihrer Impedanz an das Kabel angepaßt. Abgesehen davon, daß zwei Kabel oder ein Mehrleiterkabel weniger flexibel, aber tetter sind, und daß vor dem Eingang der Meßschaltung/ als Impedanzwandler ein kompliziert aufgebauter Verstärker liegt, wird der Nachteil der hohen elektrischen Spannung auf dem Versorgungskabel nicht vermieden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine von einer Meß- und Versorgungseinrichtung getrennte Strahlungssonde mit verhält-

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nismäßig kleinem Aufwand miteinander zu verbinden und gleichzeitig ein hohes Maß an Betriebssicherheit und einfacher Bedienbarkelt zu erreichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das lange Kabel ein Koaxialkabel ist, dessen Innenleiter die Versorgungsenergie und gleichzeitig die Meßsignale überträgt, und dessen Mantelleiter die elektrische Masse der Einrichtung bildet, daß an dem der Strahlungssonde abgewandten Ende des Koaxialkabels die Energie-Versorgungsquelle mit ihrem einen Pol unter Serienschaltung eines . Widerstandes vom gleichen Wert wie der Impedanzwert des Koaxialkabels an den Innenleiter des Koaxialkabels angeschlossen 1st, während der andere Pol der Energieversorgungsquelle mit dem Mantelleiter des Koaxialkabels verbunden ist, daß die Energieversorgungsquelle eine Gleichstromquelle von niederer Spannung ist, daß das Koaxialkabel mit der Strahlungssonde steokbar verbunden 1st, daß die elektrische Schaltung der Strahlungssonde in ein Metallgehäuse eingeschlossen 1st, das mit dem Mantelleiter des Koaxialkabels elektrisch verbunden ist, und daß die elektrische Schaltung der Strahlungssonde eine Hintereinanderschaltung von einem stabilisierten Gleichspannungswandler zur !Anwandlung einer niedrigen in eine stabilisierte hohe QIeIchspannung, ein Detektorelement fUr nukleare Strahlung, einen Phaseninverterverstärker, eine Impulsformerstufe und einen elektronischen Schalter zwischen Innenleiter des Koaxialkabels und dem Metallgehäuse enthält.

Die Erfindung bringt mehrere Vorteile. Zunächst verhindert die Abschirmung durch den mit dem Metallgehäuse der Strahlungssonde verbundenen Mantelleiter des Koaxialkabels weitgehend das Eindringen von äußeren Störeinflüssen. Die gesamte Impulselektronik unu die Hochspannungserzeugung ist in der Strahlungssonde selbst untergebracht. Die Meßsignale an die übertragungsleitung werden durch die Impulsformerstufe leicht an die Eigenschaften des Koaxialkabels und der Meßapparatur angepaßt. An die Eigenschaften des Koaxialkabels müssen keine hohen Anforderungen gestellt werden. Die batterieseitige Anpassung an das Kabel ist mit einem einfachen Serienwiderstand leicht vorzunehmen. Deshalb können leicht beliebige Koaxialkabel verschiedener Länge eingesetzt werden. Die Meßapparatur ist nicht an die Strahlungssonde gebunden.

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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig.la eine schematische Darstellung der Einrichtung der Strahlungssonde und

Pig.Ib eine schematische Darstellung der elektrischen Einrichtungen außerhalb der Sonde,

Fig.2 ein elektrisches Schaltbild einer in Fig.Ib dargestellten Einzelheit.

Das in Fig.Ib dargestellte Metallgehäuse 1 der Strahlungssonde ist an dem Ort aufgestellt* an dem man die nukleare Strahlung aufspürt. Es ur!schließt die Schaltungsanordnungen der eigentlichen Sonde, die noch beschrieben werden. Das Metallgehäuse 1 bildet die elektrische Masse, der Anordnung. Es ist unter Zwischenschaltung eines in Fig*Ib nicht dargestellten Koaxialsteckers mit dem Mantelleiter eines Ko-.

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axialkabels 2, dessen Enden 2a und 2b aus Fig.la und b zu ersehen sind, leitend verbunden. Das Koaxialkabel verbindet die eigentliche Sonde mit den Versorgungs'- und Meß- oder Zähleinrichtungen, die an einem vom Strahlungsfeld entfernten Ort stehen und in Fig.la darge-' stellt sind.

Zur Versorgung der Einrichtungen innerhalb des Metallgehäuses 1 der Sonde mit elektrischer Energie ist eine Gleichstromquelle 3 mit kleiner elektrischer Spannung Va, beispielsweise eine 6 Volt-Trockenbatterie, vorgesehen. Ein Batteriepol ist auf elektrisch Masse gelegt, der andere Pol, beispielsweise der positive, ist über einen in Serie geschalteten Widerstand 4 mit dem Innenleiter 5 (von dem in Fig.la das Ende 5a und in Fig.Ib das Ende 5b dargestellt ist) des Koaxialkabels 2 verbunden» Der Wert des Widerstandes 4 liegt sehr nahe an dem- der Impedanzcharakteristik des Koaxialkabels.

Der Innenleiter gelangt mit seinem Ende 5b über den erwähnten Koaxialstecker ins Innere des Metallgehäuses 1 und erstreckt sich unter Zwischenschaltung eines Serienwiderstandes 6 von einigen zehn Ohm bis zum Eingang einer Stufe 7· Stufe 7 ist eine an sich bekannte elektronische Wandlerschaltung, die niedere Oleichspannung in eine stabilisierte hohe Spannung umwandelt. Die hohe Spannung Ua verläßt die Stufe 7 und wird unter Zwischenschaltung eines Schutzwiderstandes 8 an die Anode des Geiger-Müller-Zählrohres 9 gelegt. Die Spannung Ua, die anvvendungsgemäß im Bereich zwischen 0,5 und 2 kV liegt, wird in der Stufe 7 stabilisiert. Damit werden Änderungen des mittleren Zählrohrstrornes beim Zählrohrbetrieb und Schwankungen der Niederspannung Va an den Polen der Gleichstromquelle j5 vermieden.

Die Impulse, die durch nukleare Strahlung im Zählrohr 9 entstehen, liegen an einem Widerstand 10, der in Serie zur Kathode des Zählrohres liegt und bei Halogen-Geiger-Müller-Zählrohren einen Widerstandswert in der Grüßenordnung von einigen kA

Die positiven Spannungsimpulse, die am Widerstand 10 erscheinen, werden an den Eingang einer an sich bekannten transistorisierten Verstär kerstufe 11 zur Phasenumkehr gelegt. An ihrem Ausgang erhält man negative Spannungsimpulse, deren Amplitude etwa das 0,5- bis 0,8-fache

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der Gleichspannung Vc am Eingang der Stufe 7 ist.

Die Amplitude! der negativen Impulse am Ausgang der Stufe 11 sind temperaturabhängig und ihre Impulsdauer wird von der Form der Zählimpulse am Widerstand 10 beeinflußt, die vom Geiger-Müller-Zählrohr erzeugt werden. Deshalb werden die negativen Impulse vom Ausgang der Stufe 11 durch eine Enpulsformerstufe 12 geleitet, die in einem AusfUhrungsbeispiel weiter unten beschrieben wird.

Am Ausgang der Stufe 12, von der ein Ausführungsbeispiel weiter unten beschrieben ist, erhält man negative Spannungsimpulse, deren Amplitude nahezu der Gleichspannung Va der Gleichstromquelle 3 ent spricht und deren Impulslänge in einer einfachen Schaltung in Stufe 12 leicht auf den gewünschten Wert eingeregelt werden kann.

Die negativen Impulse aus der Stufe 12 werden direkt an die Basis eines Transistors 1J> vom pnp-Typ gelegt. Der Transistor 15 ist in sogenannter Emitterfolgerschaltung geschaltet. Sein Emitter ist zwischen die Eintrittsstelle 5& des Koaxial-Innenleiters in die Sonde und den Widerstand 6 geschaltet.

Solange das Geiger-Müller-Zählrohr 9 keine Zählimpulse erzeugt stellt die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors IJ einen hohen Widerstand dar. Erscheint jedoch infolge eines Zählimpulses des Geiger-Müller-Zählrohres 9 an der Basis des Transistors 13 ein negativer ι Impuls mit der Amplitudenspannung von angenähert Va als Ausgangs- ^: signal der Stufe 12, nimmt die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors Γ3 einen sehr kleinen Widerstand an. In der sehr kurzen Zeitspanne eines Impulses wird der Innenleiter 5 des Koaxialkabels an seiner Eintrittsstelle 5b in die Sonde zusammen mit Widerstand auf elektrisches Masseniveau geschaltet. Die durch diesen Kurz schlüßkreis entstandenen Impulse gelangen über das Koaxialkabel "d , und erscheinen ohne Verformung an Widerstand 4. An der Anschlußstelle 2a des Koaxialkabels treten keine Reflexionen der ankommenden Impulse auf, da der Widerstand 4 an die Impedanzcharakteristik des Koaxialkabels 2 angepaßt ist una der Innenwiderstand der Gleichstromquelle 3 als sehr klein anzusehen ist.

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Die Impulse, die am Widerstand 4 auftreten, können durch bekannte Integrations- oder Zähleinrichtungen analysiert werden. Diese Einrichtungen sind durch Block 14 symbolisiert und hier nicht näher beschrieben. -

Die Stufen 11 una 12 werden über die Leitungen 15*16 und 17 mit niederer Betriebsspannung versorgt. Diese Stufen verbrauchen nur während der sehr kurzen Impulszeiten Strom, so daü der entsprechende mittlere Gleichstrom sehr klein bleibt. Die Stufe 7 hat ebenfalls einen minimalen Stromverbrauch. Daher liegen die Gleichspannungen Vc am Eingang der Stufe 7 und Vb an der Eintrittsstelle 5a des Innenleiters 5 des Koaxialkabels 2 gemessen nur leicht unterhalb der Spannung Va, die zwischen den Polen der Gleichstromquelle J5 auftritt. Diese Gleichstromquelle kann deshalb auch eine kleine Energiekapazität besitzen, beispielsweise die einer normalen Trockenbatterie.

In der sehr kurzen Zeitdauer der Impulse, die durch Kurzschluß der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors Ij5 entstehen, wird auch die Stromversorgung aus der Gleichstromquelle 3 für die Stufen 7, 11 und 12 vor der Stufe 7 kurzgeschlossen. Um die Stromversorgung dieser Stufen dennoch über die Impulsdauer aufrecht zu erhalten, liegt am Eingang der Stufe 7 ein Kondensator l8 mit genügend hohem KapazitäJ;swert, der eine fast konstante Ladung garantiert.

In Fig.2 ißt ein Ausführungsbeispiel für eine Impulsformerstufe dargestellt, wie sie für Stufe 12 verwendet werden kann. Die Impulsformerstufe 12 ist eine monostabile Schaltung, die aus den Transistoren I9 und 20 und den Widerständen 21,22 und 23 besteht und von der niederen Gleichspannung Vc gespeist wird. Die Transistoren I9 und 20 sind zueinander komplementär, der Transistor I9 ist vom pnp-Typ, der Transistor 20 vom npn-Typ. Ein Kondensator 2k zwischen dem Ausgang der Stufe 11 und der Basis des Transistors verhindert, daß die RuhegleIchspannung am Ausgang der Stufe 11 die Punktion der monostabilen Schaltung stört.

Im Ruhezustand sind die beiden Transistoren I9 und 20 gesperrt. So- ' bald aber ein negativer Impuls am Ausgang der Stufe 11 auftritt,

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werden beide Transistoren gleichzeitig leitend. Ein Rückkoppelkreis, der aus einem Kondensator 25 und einem Widerstand 26 besteht, bestimmt die Dauer der Leitfähigkeit der beiden Transistoren, die einige Mikrosekunden beträgt. Die dadurch entstandenen Impulse am Ausgang der Stufe 12 sind unabhängig von Amplituden— und Impulslängenschwankungen der Impulse am Eingang der Stufe 12. Die Impulse werden an die Basis des Transistors IJ angelegt.

Man kann auch eine Anordnung mit umgekehrter Polarität der Gleichstromquelle 3 betreiben. Dann wird die Hochspannung am Ausgang des Wandlers J über den Widerstand 8 an die Kathode des Geiger-Müller-Zählrohrs gelegt, während dessen Anode über den Widerstand 10 mit der elektrischen Masse verbunden ist. Die Zählimpulse an der Anode sind in diesem Fall negativ. Die Transistoren vom pnp-Typ sind durch Transistoren vom npn--Typ ersetzt und umgekehrt. Die Zählimpulse am Widerstand 4 sind positiv.

Selbstverständlich kann die Schaltung der Sonde auch aus integrierten Halbleiterschaltkreisen zusammengesetzt sein und anstelle eines Geiger-Müller-Zählrohres eine andere Art eines Strahlungsdetektors eingesetzt sein, beispielsweise ein Detektor auf Halbleiterbasis.

4 Patentansprüche

1 Blatt Zeichnung mit 2 Figuren

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Claims

Patentansprüche

Anordnung zur Aufnahme und Messung nuklearer Strahlung, bei der eine Strahlungssonde mittels eines langen Kabels an eine Energieversorgungsquelle und ein Meß- oder Zählgerät angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das lange Kabel (2) ein Koaxialkabel ist, dessen Innenleiter (5) die Versorgungsenergie und gleichzeitig die Meßsignale überträgt, und dessen Mantelleiter die elektrische Masse der Einrichtung bildet, daß an dem der Strahlungssonde abgewandten Ende (2a) des Koaxialkabels die Energieversorgungsquelle (3) mit ihrem einen Pol unter Serienschaltung eines Widerstandes (4) vom gleichen Wert wie der Impedanzwert des Koaxialkabels an den Innenleiter (5a) des Koaxialkabels angeschlossen ist, während der andere Pol der Energieversorgungsquelle mit dem Mantelleiter des Koaxialkabels verbunden ist, daß die Energieversorgungsquelle (3) eine Gleichstromquelle von niederer Spannung ist, daß das Koaxialkabel mit der Stranlungssonde steckbar verbunden ist, daß die elektrische Schaltung der Strahlungssonde in ein Metallgehäuse (l) eingeschlossen ist, das mit dem Mantelleiter (2b) des Koaxialkabels elektrisch verbunden ist, und daß die elektrische Schältung der Strahiungssonde eine Hintereinanderschaltung von einem stabilisierten Gleichspannungswandler (7) zur Umwandlung einer niedrigen in eine stabilisierte hohe Gleichspannung, ein Detektorelement (9) für nukleare Strahlung, einen Phaseninverterverstarker (11), eine Impulsformerstufe (12) und einen elektronischen Schalter (I3) zwischen Innenleir ter (5b) des Koaxialkabels und dem Metallgehäuse (l) enthält.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Eingangsanschluß des stabilisierten Gleichspannungswandlers (7) und dem Metallgehäuse (l) der Strahlungssonde ein Kondensator (l8) geschaltet ist.

3>. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter (lj)der elektrischen Schaltung in der Strahlungssonde ein Transistor in Emitterfolgerschaltung ist, der im Ruhezustand gesperrt ist und von Spannungsimpulsen aus der Im-

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pulsformerstüfe (12) leitend geschaltet wird unu der an der Eintrittsstelle des Koaxialkabels (2b) in die Strahlungssonde während der Dauer der Impulse zwischen dem Innenleiter (5b) des Koaxialkabels und dem Metallgehäuse (l) der Strahlungssonde einen Kurzschluß herstellt.

Anordnung nach Anspruch 1 bis J5, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsformerstufe (12) der elektrischen Schaltung in der Strahlungssonde eine monostabile Schaltung aus zwei komplementären Transistoren (19,20) ist, daß die zwei Transistoren (19,20) im Ruhezustand der Schaltung gesperrt sind, bei Auftreten von Spannungsimpulsen am Eingang der Impulsformerstufe (12) aber in den leitenden Zustand geschaltet werden und daß danach die Zeitdauer ihrer leitfähigkeit von den Eigenschaften eines Rückkopplungskreises (25,26) in der Iinpuls forme rs tufe bestimmt ist.

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