DE19711124C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Erkennung künstlicher Gammastrahlung - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Erkennung künstlicher GammastrahlungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung künstlicher Gammastrahlung
und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Bei der Umgebungsüberwachung kerntechnischer Anlagen sowie bei anderen
Anwendungen auf dem Gebiet des Strahlschutzes steht häufig die Trennung zwi
schen künstlich erzeugten Strahlenquellen und einem meist dominanten Beitrag
natürlich vorhandener Radioaktivität und deren Schwankungen im Vordergrund.
Zur Erkennung künstlicher Gammastrahlen ist es beispielsweise aus Atomwirt
schaft, Februar 1989, S. 39; bekannt, mit Hilfe der Gammaspektroskopie einzelne
Gammalinien zu identifizieren und quantitativ auszuwerten. Dieses Meßverfahren
benötigt jedoch lange Meßzeiten und einen hohen apparativen Aufwand.
Mit bekannten quantitativen Meßverfahren (z. B. Dosisleistungsmeßnetz zur Frü
herkennung radioaktiver Luftmassen oder Durchfahrtskontrollsystem für Fahrzeu
ge) kann selbst bei statistisch signifikanten Erhöhungen der Gammastrahlungsin
tensität nur schwer oder überhaupt nicht unterschieden werden, ob es sich um
einen Anstieg der natürlichen Gamma-Umgebungsstrahlung oder um das Vor
handensein eines künstlichen Gammastrahlers handelt.
Insbesondere stark abgeschirmte künstliche Gammastrahler (zufällige Abschir
mung durch z. B. eine Schrottladung oder bewußte Bleiabschirmung im Falle eines
Schmuggels von Nuklearmaterial) können mit den bekannten Meßverfahren häu
fig nicht erkannt werden. Die Ursache hierfür liegt einerseits darin, daß die bei der
Gammaspektroskopie verwendeten Detektoren (anorganische Szintillationskristal
le, hochauflösende Germanium-Detektoren) nur bedingt für Messungen an be
wegten Transportfahrzeugen oder für Messungen mit einem Meßfahrzeug wäh
rend schneller Fahrt geeignet sind, da bei den Meßzeiten von typischerweise
100 ms bis zu wenigen Sekunden die nur noch schwach ausgeprägten Photope
aks (= voller Energieübertrag der Primärstrahlung an den Detektor) nicht stati
stisch sicher erfaßt werden. Andererseits führen der in vielen Fällen große Ab
stand zwischen Detektor und radioaktiver Quelle sowie deren mögliche Abschir
mung dazu, daß sich die zusätzliche Gammastrahlungsintensität auch sehr star
ker Strahler häufig nur im Bereich der lokal gemessenen Gammastrahlungsin
tensität des natürlichen Strahlenfelds liegt. So wird z. B. bei einem Transportmittel
(z. B. LKW oder Eisenbahnwaggon) zum Transport der Strahlungsquelle aufgrund
der Stahlkonstruktion des Transportmittels ein beträchtlicher Anteil der Umge
bungsstrahlung von vornherein abgeschirmt. Die vom Detektor am einfahrenden
Transportmittel gemessene Zählrate wird um bis zu 50% abgesenkt. Eine schwa
che Strahlungsquelle, welche diesen Absenkeffekt nicht überkompensieren kann,
wird deshalb mit den herkömmlich eingesetzten Meßsystemen nicht erkannt.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift 32 00 054 A1 ist ein Verfahren zum
Nachweis künstlicher Kernstrahlung bekannt, bei dem zwei Kernstrahlungsdetek
toren an voneinander verschiedenen Orten - einem eigentlichen Messort und ei
nem Vergleichsort - eingesetzt werden. Der Vergleichsort ist dabei vom Messort
derart räumlich getrennt, daß entweder durch Abschirmmaßnahmen oder durch
Entfernung sichergestellt ist, daß eine am Messort herrschende künstliche Kern
strahlungbelastung nicht in den Kernstrahlungsdetektor am Vergleichsort gelan
gen kann. Beide Kernstrahlungsdetektoren messen nun unabhängig voneinander
eine integrale Impuls- oder Zählrate. Um die statistische Sicherheit zu erhöhen,
werden diese Messungen über einen längeren Zeitraum fortlaufend wiederholt.
Durch einen Vergleich der mit den beiden Kernstrahlungsdetektoren gewonnenen
Messergebnisse kann nun auf das Vorhandensein einer künstlichen Kernstrah
lung geschlossen werden. Ein derartiges Verfahren erfordert jedoch zum Erken
nen stark abgeschirmter künstlicher Gammastrahler, d. h. zum Erkennen von
Gammastrahlern, deren Aktivität nur geringfügig über der natürlichen Gamma-
Umgebungsstrahlung liegt, sehr lange Messzeiten, die einer praktischen Anwen
dung in vielen Fällen entgegenstehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine schnelle eindeutige Erkennung künstlicher
Gammastrahlung
zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombinationen der Ansprüche 1 und 6
gelöst. Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, daß ein Detektor aus orga
nischem Szintillationsmaterial (Flüssig- oder Plastik-Szintillator) aufgrund seiner
schlechten spektroskopischen Eigenschaften (die niedrigen Ordnungszahlen der
Kohlenwasserstoffe bewirken einen fast ausschließlichen Energieübertrag über
Comptoneffekt) äußerst robust gegenüber spektralen Details der Umgebungs
strahlung ist. Es entsteht eine charakteristische Referenz-
Impulsamplitudenverteilung der natürlichen Gammastrahlung
(Umgebungsstrahlung), die unabhängig von deren Strahlungsintensität
und örtlichen Schwankungen ist. Diese Kennlinie weist also einen charakteristi
schen Verlauf auf und wird allenfalls - abhängig von der gemessenen absoluten
Impulsanzahl - angehoben oder abgesenkt. Diese Charakteristik ist ebenso durch
einen oder mehrere bestimmte Referenzparameter repräsentierbar, welche von
der Referenz-Impulsamplitudenverteilung der natürlichen Gammastrahlung abge
leitet werden können. Dieser bzw. diese Referenzparameter wird bzw. werden
verglichen mit aktuell gemessenen und gegebenenfalls durch Weiterverarbeitung
ermittelten Daten (= Meßdaten) einer Impulsamplitudenverteilung. Aus dem gege
benenfalls noch weiterverarbeiteten Vergleichsergebnis kann eindeutig auf das
Vorhandensein künstlicher Gammastrahlung (= die in der natürlichen Umgebung
normalerweise nicht vorhandene Gammastrahlung) oder auf das Fehlen künstli
cher Gammastrahlung geschlossen werden.
Gemäß der Erfindung werden zwei Impulsamplitudenschwellen festgelegt. Eine
Oberschwelle wird so gesetzt, daß bei Verwendung eines geeigneten Prüfstrah
lers (z. B. Cs-137; in diesem Fall ist Cs-137 oder eine demgegenüber niederener
getischere Quelle im Meßbetrieb der gesuchte Gammastrahler) über die Ober
schwelle nur noch wenige oder überhaupt keine zusätzlichen Impulse gelangen.
Die Oberschwelle wird also in den Bereich der größten erwarteten Impulsamplitu
den des Gammastrahlers gesetzt. Dieser Bereich kann auch einen Schwellwert
oberhalb der größten erwarteten Impulsamplituden des Gammastrahlers beinhal
ten. Eine Unterschwelle wird unterhalb der Oberschwelle gesetzt. Vorzugsweise
wird diese Unterschwelle so tief wie möglich, d. h. gerade oberhalb der elektroni
schen Rauschgrenze, gesetzt. Für beide Schwellen wird im Meßbetrieb jeweils die
integrale Zählrate, d. h. die Zählrate aller Impulse mit im Vergleich zur Schwelle
größeren Impulsamplituden gemessen. Diese aktuell gemessenen Zählraten bil
den dann die Meßdaten. Bei natürlicher Umgebungsstrahlung ändern sich die
beiden Meßdaten lediglich in dem durch die Charakteristik der natürlichen
Gammastrahlung vorgegebenen Verhältnis. Bei Vorhandensein künstlicher
Gammastrahler steigt durch die zusätzlichen Impulse lediglich die integrale Zähl
rate der Unterschwelle an. Die integrale Zählrate
der Oberschwelle hingegen steigt nur unwesentlich oder überhaupt nicht an.
Diese Anomalie wird beim Vergleich mit den Referenzdaten erkannt. Auf diese
Weise können selbst schwache künstliche Gammastrahler von der natürlichen
Umgebungsstrahlung eindeutig unterschieden und erkannt werden.
Vorzugsweise wird die Oberschwelle so festgelegt, daß durch die Messung ihrer
Zählrate bereits die meisten der künstlichen Nuklide erfaßt werden. Dies ist bei
spielsweise dann der Fall, wenn die Oberschwelle in den Bereich der größten Im
pulsamplituden von Cs-137 gesetzt wird. Um auch höherenergetischere
Gammastrahler (z. B. Co-60) erfassen zu können, kann gleichzeitig mindestens
eine weitere Oberschwelle oberhalb der ersten Oberschwelle festgelegt werden.
Erfindungsgemäß ist der Referenzparameter das bei natürlicher
Gammastrahlung ermittelte Referenz-Zählratenverhältnis beider Schwellen. Auf
grund der oben erläuterten, im wesentlichen konstanten Zählratenverteilung der
natürlichen Gammastrahlung handelt es sich bei diesem Referenzparameter um
einen im wesentlichen konstanten Wert. Das Referenz-Zählratenverhältnis kann
deshalb vor dem Meßbetrieb durch eine einfache Initialisierungsmessung festge
legt werden oder von früheren Initialisierungsmessungen übernommen werden.
Um einen besonders einfachen, rechenunaufwendigen Vergleich zwischen den
aktuell gemessenen Zählraten und der Referenz-Impulsamplitudenverteilung oder
dem Referenzparameter zu erzielen, wird aus beiden einander zugeordneten,
aktuell gemessenen Zählraten ein Meß-Zählratenverhältnis gebildet. Vorzugswei
se wird dieses Meß-Zählratenverhältnis mit dem Referenz-Zählratenverhältnis
verglichen. Stimmt das Meß-Zählratenverhältnis mit dem Referenz-
Zählratenverhältnis überein oder liegt das Meß-Zählratenverhältnis innerhalb ei
nes durch das Referenz-Zählratenverhältnis vorgegebenen Toleranzbandes, so
ist kein künstlicher Gammastrahler vorhanden. Andernfalls - z. B. bei einer Abwei
chung der beiden Zählratenverhältnisse von über 20% voneinander - kann zuver
lässig auf das Vorhandensein von künstlicher Gammastrahlung geschlossen werden.
Dieser Vergleich ermöglicht ohne komplizierte Auswerteverfahren einen
qualitativen Nachweis (ja/nein-Bestimmung) künstlicher Gammastrahler. Um
sämtliche künstliche Nuklide nachweisen zu können, werden einfach mehrere
Meß-Zählratenverhältnisse aus unterschiedlichen Oberschwellen und zugeordne
ten Unterschwellen gebildet und jeweils mit einem entsprechenden Referenz-
Zählratenverhältnis verglichen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Intensität von erkann
ten Gammastrahlern bestimmt. Hierbei wird vorzugsweise das Referenz-
Zählratenverhältnis mit der aktuell gemessenen Zählrate der Oberschwelle multi
pliziert. Dieses Produkt wird mit der aktuell gemessenen Zählrate der Unter
schwelle verglichen, wobei die Differenz zwischen beiden Werten eine sogenann
te kompensierte Zählrate eines künstlichen Gammastrahlers ergibt. Bei natürlicher
Umgebungsstrahlung ist diese kompensierte Zählrate angenähert Null. Über
schreitet die kompensierte Zählrate hingegen einen vorgegebenen Grenzwert, so
kann ein Signal ausgelöst werden, welches das Vorhandensein eines künstlichen
Gammastrahlers anzeigt. Dieser Vergleich zwischen den gemessenen Zählraten
und einem Referenzparameter ermöglicht verfahrenstechnisch einfach sowohl
einen qualitativen Nachweis (= Überschreiten des Grenzwertes) der künstlichen
Gammastrahler als auch eine quantitative Bestimmung der Intensität bzw. Dosis
leistung der künstlichen Gammastrahlung. Die Höhe der kompensierten Zählrate,
d. h. die Intensität der künstlichen Gammastrahlung, läßt einen Schluß über die
Stärke der Strahlungsquelle und den Umfang von zu erwartenden Strahlenschä
den zu.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine weitere Impulsamplitudenschwel
le zur Messung der integralen Zählrate der natürlichen Höhenstrahlung festgelegt.
Die Zählrate der natürlichen Höhenstrahlung wird dann von den gemessenen
Zählraten der Unterschwelle und Oberschwelle subtrahiert. Durch Berücksichti
gung dieser sehr hochenergetischen Meßereignisse (< ca. 3 MeV) wird die Ge
nauigkeit des Meßverfahrens insbesondere in Gebieten mit sehr geringer natürlicher
Gammastrahlung oder hoher kosmischer Strahlungsintensität (z. B. Gebirge,
Hochebenen) verbessert.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird bei einer Abweichung des
bei der Messung ermittelten Ist-Vergleichsergebnisses von einem vorgegebenen
Soll-Vergleichsergebnis das Vorhandensein von künstlicher Gammastrahlung si
gnalisiert. Ebenso kann das Fehlen von künstlicher Gammastrahlung angezeigt
werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erkennung künstlicher Gammastrahler
enthält einen organischen Szintillator. Dieser Detektor kann kostengünstig in gro
ßen Volumina gefertigt werden. Damit können bei verhältnismäßig geringem ap
parativem Kostenaufwand Messungen in kurzer Meßzeit mit der erforderlichen
statistischen Signifikanz durchgeführt werden. In einer vorteilhaften Ausführungs
form weisen Detektoren mit Volumina über etwa 1 l eine Geometrie mit ca. 5-
10 cm Dicke auf. Hierdurch läßt sich ein besonders günstiges Verhältnis der
Empfindlichkeit für Gammastrahler mittlerer Energie erzielen. Außerdem enthält
die Vorrichtung eine an den Szintillator angeschlossene Messeinheit zur Messung
von Daten (diese Meßdaten werden gegebenenfalls durch eine nach der eigentli
chen Messung erfolgende Weiterverarbeitung ermittelt) einer Impulsamplituden
verteilung und eine Verarbeitungseinheit zum Vergleich der Meßdaten mit minde
stens einem aus einer charakteristischen Referenz-Impulsamplitudenverteilung
der natürlichen Gammastrahlung abgeleiteten Referenzparameter.
Die Verarbeitungseinheit ist vorzugsweise Bestandteil eines Mikroprozessorsy
stems oder besteht aus einem derartigen Mikroprozessor. Dies unterstützt eine
rasche Verarbeitung der von der Meßvorrichtung erfaßten Meßdaten. Gleichzeitig
unterstützt diese Verarbeitungseinheit einen konstruktionstechnisch einfachen
Aufbau der Meßvorrichtung und deren handhabungsfreundliche Bedienung. Au
ßerdem ermöglicht die mikroprozessorgesteuerte Verarbeitungseinheit ein schal
tungstechnisch einfaches Anschließen weiterer Verarbeitungsmittel, z. B. einer
Datenverarbeitungsanlage. Mit Hilfe dieser Datenverarbeitungsmittel lassen sich
die von der Meßvorrichtung erfaßten Meßdaten und Vergleichsergebnisse be
quem weiterverarbeiten und z. B. in Form von Tabellen oder Grafiken darstellen.
Gemäß der Erfindung weist die Vorrichtung mindestens zwei an den Szintil
lator angeschlossene Komparatoren auf, wobei ein Komparator einer Oberschwel
le (oder mehrere Komparatoren jeweils einer Oberschwelle) im Bereich der größ
ten erwarteten Impulsamplituden eines geeigneten Gammastrahlers (z. B. Cs-137)
oder oberhalb der größten erwarteten Impulsamplituden dieses Gammastrahlers
zugeordnet ist und ein zweiter Komparator der Unterschwelle unterhalb dieser
Oberschwelle zugeordnet ist. Mit Hilfe der an die Komparatoren angeschlossenen
Messeinheit werden die beiden integralen Zählraten der beiden Schwellen ge
messen. Vorzugsweise handelt es sich bei den Komparatoren und der Messein
heit um herkömmliche, auch bei Spektrometern verwendbare Bauteile. Die erfin
dungsgemäße Vorrichtung kann deshalb mit einem hohen Anteil handelsüblich
vorkonfektionierter Bauteile verhältnismäßig kostengünstig zusammengebaut
werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung enthält die Verarbeitungseinheit einen Spei
cher zum Ablegen der Referenz-Impulsamplitudenverteilung und/oder des Refe
renzparameters der natürlichen Gammastrahlung. Hierdurch können einmalig ab
gespeicherte Referenzwerte beim Meßbetrieb immer wieder von neuem zum
Vergleich mit den aktuell gemessenen Meßdaten herangezogen werden. Initiali
sierungsmessungen zum Bestimmen eines oder mehrerer Referenzwerte vor je
dem neuen Meßbetrieb sind deshalb überflüssig. Dies wirkt sich Zeit- und kosten
sparend beim Betrieb der Meßvorrichtung aus.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung enthält die Verarbeitungseinheit eine Rech
nereinheit zur Berechnung eines Meß-Zählratenverhältnisses aus den aktuell ge
messenen Zählraten der Oberschwelle und der Unterschwelle.
Vorzugsweise enthält die Verarbeitungseinheit eine Rechnereinheit zur Berech
nung einer kompensierten Zählrate, welche sich aus der Differenz der gemesse
nen Zählrate der Unterschwelle und einem weiteren Wert ergibt. Dieser weitere
Wert ist das Produkt aus der gemessenen Zählrate der Oberschwelle und einem
Referenz-Zählratenverhältnis (= Referenzparameter) beider Schwellen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform enthält die Meßvorrichtung einen zusätzli
chen Komparator, welcher einer sehr hochenergetischen Impulsamplituden
schwelle zugeordnet ist. Mit Hilfe dieser Schwelle kann die Meßvorrichtung eine
integrale Zählrate der natürlichen Höhenstrahlung oberhalb dieser Schwelle mes
sen und verarbeiten. Diese Zählrate der natürlichen Höhenstrahlung wird in der
Verarbeitungseinheit von den aktuell gemessenen Zählraten der Oberschwelle
und Unterschwelle schaltungstechnisch oder mit Hilfe eines Mikroprozessors
subtrahiert. Auf diese Weise verhindert die Meßvorrichtung fehlerhafte Messun
gen der integralen Zählraten von Oberschwelle und Unterschwelle.
Die Verarbeitungseinheit vergleicht die gegebenenfalls verarbeiteten Meßdaten
mit den charakteristischen Referenzdaten. Weicht das Ist-Vergleichsergebnis von
einem vorgegebenen Soll-Vergleichsergebnis (= entweder ein einzelner Wert oder
ein Toleranzband) ab, löst die Verarbeitungseinheit in einer bevorzugten Ausfüh
rungsform ein Signal aus, welches über geeignete Signalisierungsmittel (z. B. LED,
Relais) dem Benutzer das Vorhandensein künstlicher Gammastrahlung zuverläs
sig anzeigt. Ebenso können an die Verarbeitungseinheit Signalisierungsmittel zur
Anzeige eines Fehlens künstlicher Gammastrahlung angeschlossen sein.
Der Erfindungsgegenstand wird anhand der in den Figuren dargestellten Ausfüh
rungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Meßvorrichtung zur Erkennung ei
nes künstlichen Gammastrahlers,
Fig. 2 eine normierte Zählratenverteilung in Abhängigkeit von Schwellwerten
der Gammastrahlung für Cs-137, für Co-60 und die natürliche Umge
bungsstrahlung,
Fig. 3 ein Funktionsschema des Meßverfahrens,
Fig. 4 die integrale Zählrate für die Unterschwelle der natürlichen
Gammastrahlung während einer Stadtfahrt,
Fig. 5 die integrale Zählrate gemäß Fig. 4 beim mehrfachen Passieren eines
Cs-137-Strahlers,
Fig. 6 das gemessene Zählratenverhältnis der Oberschwelle und Unter
schwelle für die natürliche Gammastrahlung während der Stadtfahrt
und
Fig. 7 das gemessene Zählratenverhältnis der Schwellen gemäß Fig. 6 beim
mehrfachen Passieren des Cs-137-Strahlers gemäß Fig. 4.
Die Meßvorrichtung gemäß Fig. 1 detektiert γ-Quanten mit Hilfe eines organi
schen Szintillators 1. Die Lichtquanten des Szintillators 1 werden von einem
nachgeschalteten Fotomultiplier 2 gewandelt. Der Szintillator 1 und der Fotomul
tiplier 2 sind zu einer Detektoreinheit 3 zusammengefaßt. An die Detektoreinheit 3
sind in der bei herkömmlichen Szintillationszählern üblichen Weise ein Arbeitswi
derstand 4, ein Hochspannungsgenerator 5, ein Kondensator 6 und ein Verstär
ker 7 angeschlossen. An den Ausgang des Verstärkers 7 wiederum sind vier
parallelgeschaltete Komparatoren K1-K4 angeschlossen. Der Komparator K1 ist
einem Schwellwert S1 zugeordnet, der vorzugsweise im Bereich der niedrigsten
Impulsamplituden der Gammastrahlung positioniert ist (Fig. 2). Der Komparator K2
ist einem Schwellwert S2 zugeordnet, der im Bereich der größten Impulsamplitu
den eines geeigneten künstlichen Gammastrahlers (hier: Cs-137-Strahler) ange
siedelt ist. Der Komparator K3 ist einem Schwellwert S3 zugeordnet und im Im
pulsratenspektrum bzw. Zählratenspektrum im Bereich der größten Impulsampli
tuden eines gegenüber dem Schwellwert S2 höherenergetischeren künstlichen
Gammastrahlers (hier: Co-60) angeordnet. Der Komparator K4 ist einem
Schwellwert S4 zugeordnet, der zur Messung der integralen Zählrate der natürlichen
Höhenstrahlung dient. In weiteren, hier nicht dargestellten Ausführungsfor
men enthält die Meßvorrichtung lediglich die Komparatoren K1/K2 oder K1/K2/K4
oder K1/K2/K3, wodurch der Schaltungsaufwand der Meßvorrichtung kostenspa
rend reduziert ist.
An die Ausgänge der Komparatoren K1-K4 ist eine Messeinheit 8 angeschlossen,
welche jedem Schwellwert zugeordnet alle Impulse mit im Vergleich zu dem
Schwellwert größeren Impulsamplituden registriert. Daraus berechnet die Mess
einheit 8 oder eine daran angeschlossene Rechnereinheit 9 zu jedem Schwell
wert S eine integrale Zählrate R aller Impulse mit einer Impulsamplitude ≧ S.
Die Messeinheit 8 ist an eine Verarbeitungseinheit 10 angeschlossen, welche die
Rechnereinheit 9 und eine Speichereinheit 11 enthält. In Fig. 1 sind die Einhei
ten 8, 9, 11 Bestandteile eines Mikroprozessorsystems 12. In einer weiteren bevor
zugten Ausgestaltung sind die einzelnen Baueinheiten durch Analogschaltungen
realisiert.
In der Speichereinheit sind ein oder mehrere später noch zu erläuternde charak
teristische Referenzparameter abgefegt, welche für den Szintillator 1 bei natürli
cher Gammastrahlung ermittelbar sind. Die im Meßbetrieb von der Messeinheit 8
aktuell gemessenen Zählraten R werden mit dem Referenzparameter oder den
Referenzparametern verglichen. Bei einem ganz bestimmten Vergleichsergebnis,
d. h. einem Über- bzw. Unterschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes, werden
von der Verarbeitungseinheit 10 daran angeschlossene Signalisierungsmittel an
gesteuert, um dem Benutzer das Vergleichsergebnis (= künstliche Gammastrah
lung vorhanden/nicht vorhanden) optisch oder akustisch mitzuteilen. In Fig. 1 sind
an der Verarbeitungseinheit 10 als Signalisierungsmittel beispielsweise eine erste
Leuchtdiode 13 und eine zweite Leuchtdiode 14 angeschlossen. Mit Hilfe einer an
die Verarbeitungseinheit 10 angeschlossenen Schnittstelle 15, z. B. einem V24-
Treiber/Empfänger, kommuniziert die Meßvorrichtung mit peripheren Datenverar
beitungsmitteln, z. B. einer Rechneranlage. Für diese Kommunikation enthält die
Schnittstelle 15 eine Spannungsversorgung +12 V/GND und verschiedene Signal
leitungen, welche beispielhaft als RD, TD, RTS und CTS dargestellt sind. Über
einen Signalausgang 16 ist die Verarbeitungseinheit 10 an einen Digital/Analog-
Wandler 17 angeschlossen, welcher wiederum in der üblichen Weise den Hoch
spannungsgenerator 5 ansteuert.
Beim organischen Szintillator 1 bleibt die Impulsamplitudenverteilung der natürli
chen Gammastrahlung in ihrer charakteristischen Form derart erhalten, daß deren
integrale, von den Schwellwerten S abhängige Zählratenverteilung unabhängig
von örtlichen Schwankungen eine im wesentlichen konstante Kennlinie ergibt
(Fig. 2). Von diesem charakteristischen Impulsamplitudenspektrum oder der Zähl
ratenverteilung sind deshalb ein oder mehrere charakteristische Referenzparame
ter der natürlichen Gammastrahlung ableitbar. Bei einem Vergleich der aktuell
gemessenen Zählraten RU und RO mit dem Referenzparameter oder den Refe
renzparametern kann dann eindeutig das Vorhandensein künstlicher
Gammastrahler erkannt werden. Für diesen Vergleich wird der für künstliche
Gammastrahler (z. B. die relevanten Strahler Cs-137, Ir-192, U-235, Pu-239) und
natürliche Gammastrahler unterschiedliche Energieübertrag auf die Detektorein
heit 3 ausgenützt. In einer bevorzugten Ausführungsform werden zwei Im
pulsamplitudenschwellen verwendet, eine Unterschwelle SU und eine Oberschwel
le SO. Gemäß Fig. 2 - die Impulsamplitudenachse ist hier beispielsweise in der Ein
heit "mV" eingetragen - bewirkt ein Cs-Prüfstrahler oberhalb von etwa 600 mV
keine zusätzlichen Impulse, während dort die natürliche Umgebungsstrahlung
noch eine nennenswerte Impulszahl aufweist. Die Oberschwelle SO = S2 liegt
deshalb vorzugsweise zwischen 600-700 mV. Um eine größtmögliche statistische
Signifikanz zu erzielen, wird die Unterschwelle SU = S1 zwischen 20-50 mV posi
tioniert. Eine zweite Oberschwelle SO = S3 ist in den Bereich der größten Im
pulsamplituden eines Co-Prüfstrahlers, also zwischen 1200-1300 mV positioniert.
Die Höhenschwelle S4 zur Messung der integralen Zählrate der natürlichen Hö
henstrahlung ist vorzugsweise in dem Impulsamplitudenbereich zwischen
3000-4000 mV positioniert (in Fig. 2 nicht dargestellt).
Der Vergleich der gemessenen Zählraten RO für die Oberschwelle SO und RU für
die Unterschwelle SU mit einem charakteristischen Referenzparameter wird an
hand von Fig. 3 erläutert. In einer besonders einfachen Weise wird der Referenz
parameter als ein bei natürlicher Gammastrahlung vorhandenes Referenz-
Zählratenverhältnis VR ermittelt, wobei gilt:
VR = RU/RO
Für dieses Referenz-Zählratenverhältnis VR ergibt sich - je nach Detektorgeome
trie und Schwellenwahl - typischerweise ein Wert von ca. 3 . . . 10. Dieser Wert kann
beispielsweise durch eine Initialisierung der Meßvorrichtung vor dem eigentlichen
Meßbetrieb gewonnen werden. Hierzu werden für einen bestimmten Zeitraum (z. B.
ca. 10 s) im natürlichen Strahlungsfeld die Zählraten RU und RO bestimmt. Zur
Überprüfung, ob für den Referenzparameter ein geeigneter Wert festgelegt wur
de, kann zuvor eine Testmessung mit geeigneten Prüfstrahlern durchgeführt wer
den.
Während des Meßbetriebes wird in der Verarbeitungseinheit 10 aus den beiden
aktuell gemessenen Zählraten RU und RO ein Meß-Zählratenverhältnis VM be
rechnet. Dieses Meß-Zählratenverhältnis VM wird mit dem Referenz-
Zählratenverhältnis VR verglichen. Bei Vorhandensein künstlicher Gammastrahler
wird die gemessene Zählrate RU größer, so daß das Meß-Zählratenverhältnis VM
gegenüber dem Referenz-Zählratenverhältnis VR ansteigt. Somit kann mit diesem
Vergleich zuverlässig erkannt werden, daß ein Cs-137-Strahler bzw. ein demge
genüber niederenergetischeres Nuklid vorhanden ist. Wird ein ganz bestimmtes
Nuklid mit gegenüber Cs-137 niederenergetischerer Gammastrahlung gesucht
(z. B. Ir-192, Pu-239, U-235), so kann die Oberschwelle SO entsprechend abge
senkt positioniert werden. Das gegenüber Cs-137 höherenergetischere künstliche
Nuklid Co-60 wird mittels des Meß-Zählratenverhältnisses VM für SU = S1 und SO
= S2 nur erkannt, sofern es sich um einen abgeschirmten Co-60-Strahler handelt,
da sich in diesem Fall das Energiespektrum durch Comptonstreuung nach links (=
niedrigere Gammaenergien) verschiebt. Ein starker freier Co-60-Strahler und in
Bezug auf die ausgesandten Gammaenergien vergleichbare künstliche Nuklide
werden zuverlässig erkannt, wenn das Meß-Zählratenverhältnis VM für SU = S2
und SO = S3 berechnet und mit einem entsprechenden zuvor ermittelten Refe
renz-Zählratenverhältnis VR der natürlichen Gammastrahlung verglichen wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Meßvorrichtung mit entsprechenden
Schaltungen und Bedienelementen od. dgl. ausgestattet, welche dem Benutzer
eine individuelle Auswahl gestatten, welches künstliche Nuklid auf sein Vorhan
densein hin überprüft werden soll. Die Meßvorrichtung mißt dann die Zählraten RU
und RO für die durch den Benutzer positionierten Schwellwerte S.
Zur quantitativen Bestimmung des erkannten künstlichen Gammastrahlers wird in
der Rechnereinheit 9 eine kompensierte Zählrate RK der Form
RK = RU - VR . RO
berechnet. Ist im Meßbetrieb kein künstlicher Gammastrahler vorhanden, gilt RK ≈
0. Andernfalls löst die mit dieser Gleichung berechnete kompensierte Zählrate RK
bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes WG ein Signal aus, welches
das Vorhandensein eines künstlichen Strahlers signalisiert. Gleichzeitig läßt die
berechnete kompensierte Zählrate RK einen Rückschluß auf die Intensität des
künstlichen Strahlers zu. Bei dem vorgenannten Grenzwert zum Vergleich mit der
kompensierten Zählrate RK handelt es sich entweder um einen fest eingestellten
Betrag (Dimension: s-1) oder um einen bestimmten Bruchteil der Gesamtzählrate
(entspricht der Zählrate RU für die Unterschwelle SU) oder um einen aus statisti
schen Betrachtungen zur akzeptierten Fehlalarmwahrscheinlichkeit
(Erkennungsgrenze) durch das Meßsystem ständig neu berechneten Grenzwert.
Analog kann die kompensierte Zählrate RK für die beiden Schwellen SU = S2 und
SO = S3 und das entsprechende Referenz-Zählratenverhältnis VR = RS2/RS3 er
mittelt und mit einem entsprechenden Grenzwert verglichen werden.
Zur automatischen Driftstabilisierung bei der Strahlungsmessung und zur Steige
rund der Selektivität der Messungen enthält die Verarbeitungseinheit 10 in einer
bevorzugten Ausführungsform elektronische Mittel und/oder einen Prozessor, um
Drifteffekte (Temperatur, Elektronik, Witterungseffekte etc.) zu kompensieren.
Dies wird erzielt durch ein automatisches "Lernen" des Referenzparameters in
nerhalb zulässiger Grenzen mit einer einstellbaren Zeitkonstante. Dadurch kön
nen absolute Schwankungen des Referenzparameters kompensiert und dessen
Bandbreite variiert werden, so daß falsche Meßergebnisse vermieden werden.
Dies ist insbesondere wichtig für Meßaufgaben, bei denen es auf das Erkennen
schneller Veränderungen des Strahlungsfeldes ankommt.
Der Unterschied zwischen dem erfindungsgemäßen Meßverfahren und einer her
kömmlichen quantitativen Meßauswertung wird anhand der Fig. 4 - Fig. 7 darge
stellt: Die im 250 ms-Takt abgespeicherten Meßdaten wurden von einem Meß
fahrzeug, welches mit einem Großflächendetektor (50 cm × 100 cm × 5 cm) aus
gerüstet ist, ausgemessen. In Fig. 4 ist die über 1 s gleitend gemittelte Gesamt
zählrate RU für den Schwellwert S1 während einer Stadtfahrt dargestellt. Deutlich
erkennbar ist, daß selbst ohne Vorhandensein eines künstlichen Gammastrahlers
die Zählrate RU der natürlichen Gammastrahlung ganz erhebliche Schwankungen
aufweist. Hingegen ist das bei dieser Stadtfahrt gemessene Zählratenverhältnis
VM = RU/RO für die Schwellen SU = S1 und SO = S2 im wesentlichen konstant
und eignet sich deshalb als Referenzparameter VR der natürlichen Gammastrah
lung (Fig. 6). Um die Auswirkung einer Vorbeifahrt an einem künstlichen
Gammastrahler zu demonstrieren, wurde eine relativ schwache Cs-137-Quelle
von 700 kBq mehrmals mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Abständen
passiert. Während die Änderungen der gemessenen Zählrate RU deutlich inner
halb der natürlichen Schwankungsbreite der während der Stadtfahrt gemessenen
Zählrate RU bleiben (siehe Fig. 5) und deshalb im Meßbetrieb kein zuverlässiges
Erkennen eines künstlichen Strahlers ermöglichen, ist der Nachweis einer künstli
chen Strahlungsquelle mit Hilfe der vom konstanten Zählratenverhältnis VR der
natürlichen Gammastrahlung abweichenden Werte des im Meßbetrieb emittelten
Zählratenverhältnisses VM = RU/RO eindeutig gegeben (Fig. 7).
1
organischer Szintillator
2
Fotomultiplier
3
Detektoreinheit
4
Arbeitswiderstand
5
Hochspannungsgenerator
6
Kondensator
7
Verstärker
8
Messeinheit
9
Rechnereinheit
10
Verarbeitungseinheit
11
Speichereinheit
12
Mikroprozessorsystem
13
erste Leuchtdiode
14
zweite Leuchtdiode
15
Schnittstelle
16
Signalausgang
17
Digital/Analog-Wandler
K1-K4 Komparatoren
RU
K1-K4 Komparatoren
RU
integrale Zählrate für die Unterschwelle SU
RO
integrale Zählrate für die Oberschwelle SO
RS
integrale Zählrate für die Schwelle S
S, S1, S2, S3 Schwellwert
SU
S, S1, S2, S3 Schwellwert
SU
Unterschwelle
SO
SO
Oberschwelle
S4 Höhenschwelle
VM
S4 Höhenschwelle
VM
Meß-Zählratenverhältnis
VR
VR
Referenz-Zählratenverhältnis
WG
WG
Grenzwert
Claims (11)
1. Verfahren zur Erkennung künstlicher Gammastrahlung mittels eines
organischen Szintillators (1), bei dem aus ei
ner Impulsamplitudenverteilung für eine Oberschwelle (SO) und eine Unter
schwelle (SU) die diesen jeweils zugehörigen integralen Zählraten (RO, RU) als
Meßdaten ermittelt werden und mit einem aus einer charakteristischen Refe
renz-Impulsamplitudenverteilung der natürlichen Gammastrahlung abgeleite
ten Referenz-Zählratenverhältnis (VR) verglichen werden, das aus den bei
natürlicher Gammastrahlung ermittelten und zu diesen Schwellen (SO, SU) ge
hörenden integralen Zählraten (RO, RU) gebildet ist
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei zum Vergleich aus den beiden einander
zugeordneten, aktuell gemessenen Zählraten (RU, RO) ein Meß-
Zählratenverhältnis (VM) gebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei zum Vergleich der beiden gemessenen
Zählraten (RU, RO) mit dem Referenz-Zählratenverhältnis (VR) eine Gleichung
der Form
RK = RU - VR . RO
gebildet wird mit RU als Zählrate der Unterschwelle (SU), mit RO als Zählrate der Oberschwelle (SO), mit VR als Referenz-Zählratenverhältnis und mit RK als kompensierte Zählrate, und wobei die kompensierte Zählrate (RK) mit einem vorgegebenen Grenzwert (WG) verglichen wird.
RK = RU - VR . RO
gebildet wird mit RU als Zählrate der Unterschwelle (SU), mit RO als Zählrate der Oberschwelle (SO), mit VR als Referenz-Zählratenverhältnis und mit RK als kompensierte Zählrate, und wobei die kompensierte Zählrate (RK) mit einem vorgegebenen Grenzwert (WG) verglichen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die beiden gemessenen
Zählraten (RU, RO) um eine gemessene integrale Zählrate (RS4) der natürli
chen Höhenstrahlung bei einer vorgegebenen Höhenschwelle (S4) reduziert
werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei bei einer Abweichung des
bei der Messung ermittelten Ist-Vergleichsergebnisses von einem vorgegebe
nen Soll-Vergleichsergebnis das Vorhandensein von künstlicher
Gammastrahlung signalisiert wird.
6. Vorrichtung zur Erkennung künstlicher Gammastrahlung mit einem Detektor mit
einem organischen Szintillator (1), mit einer an den Detektor (1) an
geschlossenen Messeinheit (8) zur Messung von Daten (RO, RU, VM) einer Im
pulsamplitudenverteilung, die mindestens zwei an den Detektor (1) ange
schlossene Komparatoren (K1, K2) für eine Oberschwelle (SO) und für eine
Unterschwelle (SU) zur Messung der integralen Zählraten (RU, RO) der beiden
Schwellen (SU, SO) enthält, und mit einer Verarbeitungseinheit (10) zum Ver
gleich dieser Zählraten (RO, RU) mit einem aus einer charakteristischen Refe
renz-Impulsamplitudenverteilung der natürlichen Gammastrahlung abgeleite
ten Referenz-Zählratenverhältnis (VR), das aus den bei natürlicher
Gammastrahlung zu diesen beiden Schwellen (SU, SO) gehörenden Zählraten
(RU, RO) gebildet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Verarbeitungseinheit (10) eine Spei
chereinheit (11) zum Ablegen der Referenz-Impulsamplitudenverteilung
und/oder des Referenzparameters (VR) der natürlichen Gammastrahlung ent
hält.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Verarbeitungseinheit (10) eine
Rechnereinheit (9) zur Berechnung eines Meß-Zählratenverhältnisses (VM)
aus den gemessenen Zählraten (RU, RO) enthält.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Verarbeitungseinheit (10) eine
Rechnereinheit (9) zur Berechnung der Gleichung
RK = RU - VR . RO
enthält mit RU als Zählrate der Unterschwelle (SU), mit RO als Zählrate der Oberschwelle (SO), mit VR als Referenz-Zählratenverhältnis und mit RK als kompensierte Zählrate, und wobei die Verarbeitungseinheit (10) die kompen sierte Zählrate (RK) mit einem vorgegebenen Grenzwert (WG) vergleicht.
RK = RU - VR . RO
enthält mit RU als Zählrate der Unterschwelle (SU), mit RO als Zählrate der Oberschwelle (SO), mit VR als Referenz-Zählratenverhältnis und mit RK als kompensierte Zählrate, und wobei die Verarbeitungseinheit (10) die kompen sierte Zählrate (RK) mit einem vorgegebenen Grenzwert (WG) vergleicht.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei ein zusätzlicher Kompa
rator (K4) für eine Höhenschwelle (S4) vorgesehen ist zur Messung einer inte
gralen Zählrate (RS4) der natürlichen Höhenstrahlung bei einer vorgegebenen
Höhenschwelle (S4).
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei Signalisierungsmit
tel (13, 14) vorgesehen sind, welche bei einer Abweichung des bei der Mes
sung ermittelten Ist-Vergleichsergebnisses von einem vorgegebenen Soll-
Vergleichsergebnis das Vorhandensein von künstlicher Gammastrahlung si
gnalisieren.
Priority Applications (1)
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8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
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