DE2001513A1 - Vorrichtung zur Messung des Gehalts einer Probe an einem Element durch Gamma-Absorptiometrie - Google Patents

Description

14.1.1970

Commissariat dlEnergie Atomique, Pari s (Frankreich)

Vorrichtung zur Messung des Gehalts einer Probe an einem Element durch Gamma-Absorptiometrie

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des Gehalts einer Probe an einem Element durch Gamma-Absorptiometrie.

Eine monoenergetische Gammastrahlung der Intensität I_Q, die eine Probe durchsetzt., die aus einem einzigen Element besteht, erfährt eine Schwächung gemäß folgender Gleichung:

I * I₀ exp ( -J-S /u) (1) M

mit: t = Dicke der Probe Ecm"] , y = deren Dichte Cg/cnr ~\ , /U * Massenabsorptionskoeffi2?ient des die Probe bildenden Elements Qcm /g] , wobei /U von der Strahlungsenergie abhängt. .

Wenn die Probe aus η Elementen besteht, lautet die . Gleichung (1) wie folgt?

410-(2843/5)-HdE (7)

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(2)

I exp ( -Z Π f /U C)

⁰ i=l ■1 ' i i

mit /U. = Massenabsorptionskoeffizient des i-ten Elements der Probe, § . =» seiner Dichte in der Probe und C. - seiner Konzentration in der Probe.

Die Gararaa-Absorptiometrie bei einer einzigen Energie ist bereits durchgeführt worden. Die meisten vorhandenen Vorrichtungen verwenden das Isotop Americium 241 und von ihm emittierte Strahlung von 60 KeV. Wegen des Einflusses der Gesamtzusammensetzung der zu analysierenden Probe müssen viele Kalibrierungen oder zahlreiche Korrekturen erfolgen.

Ebenso hat man die Gamma-Absorptiometrie bei zwei Energien E₁ und Sg vorgenommen. Man erhält dann für die Energie R ·
A₁.

η I, » I- exp (-£/U,„ C„<?„) exp («r£;

I₁ = I₀ exp (-//U₁₁ O_xS_x) exp MC /U₁₁ O₁J _±) (3)

wobei /^uxx ^und /^uii ^die gleiche Bedeutung wie Λΐ_χ und j\x^ haben, d.h. der Index 1 erinnert nur daran, dafi alle diese Größen auf die Energie S₁ bezogen sind. Ähnlich erhält man bei der Energie E₂:

I = ι exp (-//U₂ C 9) exp (-£Π /U2 C ? ) (4)

wobei der Index 2 der Energie Ep zugeordnet iat. Daraue ergibt sich:

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■■■■■■ν'',-'-- ■ ..' ' η

*■ ^θχΡ Λ-JtiA ιν■- 7^U oJZJJ exp {-XS

aus welcher Formel ersichtlich ist, daß die anderen Elemente der Probe eingehen. ,

Beiina hat diese Gamma-Absorption bei zwei Energien, insbesondere für die Dosierung von Blei, vorgenommen* Bei betrachte ten Energien von 1 MeV und 100 KeV haben allein Blei und die Elemente mit hoher Massenzahl einen beträchtlichen Absorptionskoeffizient, So daß dieses Verfahren nur angewendet werden kann, wenn eines dieser Elemente in der Probe vorhanden ist. Dieses Verfahren erlaubt jedoch nicht die Unterscheidung jedes dieser Elemente.

Dziunikowski hat angeregt, die Schwächung eines mehrenergetischen Strahls mit einer Energie in der Nähe derjenigen Energie, für die eine Diskontinuität des Massenabsorptionskoeffizients von Blei auftritt, zu verwenden, um dieses in seinen Mineralien zu dosieren. Man muß dann einen experimentell bestimmten Korrekturfaktor benutzen, um die fehlende Auflösung dieses Verfahrens,zu überwinden, da für den Pegel des Detektors die feststellbaren Energien im Spektrum der benachbarten Energien überlagert sind.

Die Erfindung macht von der Gamma-Absorptiometrie bei zwei Energien Gebrauch»

Das verwendete Verfahren besteht darin, eine Probe mit zwei im wesentlichen monoenergetischen Gammastrahlungen zu bestrahlen, deren Energien E₁ und E_& größer bzw. kleiner als

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diejenige Energie sind, die einer Diskontinuität des Massenabsorptionskoeffizienten entspricht, die Gamma-Emission auf einem Szintillator zu empfangen, der an einen Fotovervielfacher angeschlossen ist, und anschließend die Intensität der Gammastrahlung zu registrieren, die durch die Strahlungsquelle emittiert und durch die Probe geschwächt wird, um daraus die Konzentration des Elements in dieser Probe zu bestimmen.

Ausgehend von den Formeln (j5) und (4) kann man leicht

•zeigen, daß die Konzentration C eines Elements χ in einer Probe mit relativ komplizierter Zusammensetzung durch folgende Formel gegeben ist:

i- _log ^S (6)

vorausgesetzt, daß die Zusammensetzung hinsichtlich der von χ verschiedenen Elemente konstant bleibt.

Tatsächlich sind für sehr benachbarte Energien E, und Ep die Absorptionskoeffizienten /U-. und /i-U^ sehr benachbart.

Für die Untersuchung eines gegebenen Probentyps ist es notwendig, den Koeffizient K zu bestimmen und anschließend das Verhältnis der beiden Intensitäten nach Schwächung durch das in der Probe vorhandene, zu dosierende Element zu messen.

Die Messung ist unabhängig von den anderen Elementen, die Teil der Probe sind, soweit ihr Massenabsorptionskoeffizient keine Diskontinuität zwischen den beiden Energien E, und E₂ zeigt.

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; .. 20Q1513

Di e"Gleichung (6) berüoksiGiitist jedoch nicht die beiden

wichtigen parasitären Effekte. - ."" ■

Dabei handelt es sich süerBt um die Enjission von Gamraa-Photonen bei den Energien E₁ oder Eg durch die Probe oder · durch in deren Nähe angeordnete Stücke. " .

Daraus folgt, daß, wenn man keine besonderen Vorkehrungen trifft, nicht das Verhältnis der⁴Intensitäten der Strahlungen mißt, die durch die Quelle bei Energien E, und E₂ emittiert ü

werden j, I, ^l

=■—-,, sondern das Verhältnis τ±-■ der Summe der Inten-

sitaten der beiden Strahlungen> die einerseits auf die Gammastrahlung E, oder E₂, die von der Quelle für jede der Energien E,-und Ep emittiert wird, und andererseits auf die parasitäre Strahlung der Probe sowie der Stücke in der Nähe der Energie E₁ und Eg: iji ig zurückzuführen -.ist* d.h. das Verhältnis:

I₂.+

Um diesen Fehler %\x verweidenj verwendet man einen beweglichen Schirm, durch den die Quelle abgedeckt werden kann oder nicht. Man nimmt also eine Messung jnit dem Schirm vor, die die Intensität der parasitären Strahlung gibt, und swar nach einer anderen Messung ohne den Sohirm, der die Gesamtintensität gibts die Emission der Quelle und die parasitäre Strahlung. Man kann so leicht die Emission der Quelle, gesehen quer zur Probe, von der von der froiae und den benaohbarten Stücken unterscheiden.

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¹I Es ist dann möglich, das Verhältnis —=■=— der Intensitäten

2 der Strahlungen von der Quelle bei den Energien E₁ und

Eg zu messen, was gleich dem Verhältnis der Differenzen der Intensitäten der Gesamtstrahlung und der parasitären Strahlung bei den gleichen Energien ist,

I₁ J₁ - I₁

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Außerdem wird ein Gamma-Photon, das duroh die Probe gestreut wird, nicht vom Szintillator empfangen und daher als absorbiert betrachtet. Dieser Einfluß ist mit der Dichte ? der Probe verknüpft. Unter diesen Bedingungen ergibt, sich für das Verhältnis;

J^=-q - ^K

weshalb es notwendig ist, diese Abweichung infolge Streuung zu berücksichtigen, falls die Probe eine bestimmte Lösungsmenge ist.

Die Vorrichtung zur Messung des Gehalts an einem bestimmten Element in einer Probenlösung ist gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch einen Gammastrahler, der zwei im wesentlichen monoenergetische Strahlungen unterschiedlicher Energie erzeugt, von denen die eine größer und die andere kleiner als die Energie ist_f die einem Sprung des Massen-

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absorptionsfcoeffizients des Elements entspricht, durch einen umlaufenden Schirm, der für Gammastrahlung undurchlässig ist und abwechselnd den Strahler abdeckt und freigibt,, durch eine Meßzelle, die mindestens die Probenlösung enthält, durch einen hinter einem Szintillator angeordneten Photovervielfacher, der die Gamraastrahlung nach Durchgang durch die Probenlösung empfängt, durch eine Verstärkerschaltung, in die die vom Photovervielfacher erzeugte Spannung eingespeist wird, durch zwei Einkanal-Impulshöhenanalysatoren, die die Impulse durchlassen, die den Gamma- ^ Photonen· mit der einen oder anderen der Energien entsprechen, ™ durch zwei elektronische Umschalter, von denen jeweils einer an einen der beiden ImpulshÖhenanalysatören angeschlossen und durch die Stellung des Schirms steuerbar ist, wobei die elektronischen Umschalter die Impulse in vier Zählstufen einspeisen, die die Summe der Intensitäten jeder von der Quelle abgegebenen Strahlung und der zugehörigen parasitären Strahlung bzw. die Intensität der parasitären Strahlung für jede der beiden Energien registrieren..

Zum Vergleich soll darauf hingewiesen werden, daß bekannte Vorrichtungen, die entweder Quellen von monoenergetischen Photonen oder Quellen von Photonen mit zwei verschiedenen ^

Energien besitzen,· nicht die Vermeidung bestimmter Störeffekte erlauben, die durch das erfindungsgemäße Vorgehen stark unterdrückt werden können, nämlich das Vorhandensein anderer Elemente, die Änderung der Dichte der zu analysierenden Lösungen und die Eigengamma-Emmission der Probe.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1 schematisch ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 genauer einen Ausschnitt von Fig. 1, nämlich den Modulationsschirm und die Steuerung;

Fig. 3 das Schaltbild von fotoelektrisch gesteuerten elektro· nisehen Umschaltern; und

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Meßzellen.

Aus Fig. 1 ist eine Quelle 2 von Gamma-Photonen mit zwei verschiedenen Energien ersichtlich, die in einem Kollimator 4 untergebracht ist, wobei die Quelle 2 eine Meßzelle 6 bestrahlt, die die zu untersuchende Lösung enthält. Ein Modulator 8 deckt die Quelle ab oder nicht und steuert unter anderem eine Steuereinrichtung 10 für Umschalter JQ und 32, wie noch genauer erklärt werden wird.

Es ist ferner der Zeichnung zu entnehmen, daß die Meßzelle 6 ebenso wie eventuell andere Zellen von einer Probenträgerplatte 12 getragen ist, wobei die von der Meßzelle 6 emittierte Strahlung über einen Kollimator 16 auf einen Szintillator 18 gerichtet wird, dem sich ein Fotovervielfacher 14 anschließt.

Sin Torverstärker 20 empfängt die vom Fotovervielfacher erzeugten Spannungen« Der Fotovervielfacher 14 wird durch eine Hochspannungsquelle 22 versorgt. Bin Verstärker 24, der dem Vorverstärker 20 naohgesohaltet 1st, speist die von ihm übertragenen Impulse in zwei Sinkanal-Impulshöhenanalysatoren oder Selektoren 26 und 28 ein, die den beiden Energien der Photonen entsprechen, die von der Quelle 2 emittiert werden.

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In Abhängigkeit von der Stellung des Modulators 8 mißt man mit Hilfe der Vorrichtung von Fig. 1 bei einer der Energien E. und Ep entweder die Summe der Intensität der von der Quelle emittierten Strahlung I₁ (oder Ip) und die Intensität der parasitären Strahlung I₁ (oder I^) oder diese parasitäre Strahlung allein. Infolgedessen leiten die elektronischen Umschalter ^O und 32, die durch die Steuereinrichtung 10 gesteuert sind, wie noch erläutert werden wird, die über- |H tragenen Impulse zu Zählstufen 36, 58, 40 und 42, von denen die Zählstufen 36und 40 die Summen I₁ + ij sowie I₂ +ig und die Zählstufen 38 und 42 i-und i~ messen. Die durch die versehiedenen Zählstufen gespeicherten Informationen, werden zu einem Drucker 44 übertragen.

Pig. 2 zeigt Einzelheiten des Modulators 8sowie des nicht elektrischen Teils der Steuervorrichtung 10*

Entsprechende Bauelemente von Fig. 1 und 2 sind mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet.

■■■ ■■ ^.----^ ■ ■„■■ '■■' ^- "^v ■ ^: i

Der Schirm oder Modulator 8 hat die Form von zwei identi-

sehen Kreissektoren 46 und 48, die sich am Scheitelpunkt gegenüberliegen. Es sind ferner zwei kranzförmige äußere Sektoren 50 und 52 der beiden Abschnitte des Schirms zu sehen, die für Oammastrahlung undurchlässig sind.

Die Verbindung der Zählstufen 36, 38 oder 40, 42 mit den Impulshöhenanalysatoren 26 und 28 wird duroh den Schirm oder Modulator 8 gesteuert, der seinerseits die ümBChalter 30 und 32 steuert* Lampen 54 und 56, die oberhalb dee Modulators 8 angeordnet sind, wobei die eine in einer zur Quelle symmetrlsehen Stellung relativ zur Drehachse des Modulators ange-

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ordnet und die andere um -^- gegen diese Stellung versetzt ist, gehören zur Steuereinrichtung und beleuchten in Abhängigkeit von der Stellung des Modulators 8 Phototransistoren 58, 62 oder 60, 64, die mit ihrer Stirnfläche unterhalb des Modulators zu diesem ausgerichtet sind. Die vom Impulshohenanalysator abgegebenen Impulse werden dann zu den Zählstufen der Gesamtemission 36, 40 (Gammaemission der Quelle plus parasitäre Emission) oder zu den Zählstufen der parasitären Emission allein 38, 42 geleitet.

Wenn sich der Modulator 8 in der in Pig. 2 abgebildeten Stellung befindet, ist die Quelle 2 abgedeckt, und man mißt den Gesamtstrom (Gammaemission der Quelle plus parasitäre Emission) (I- + i. oder Ip + I₂). Die Lampe 56 ist abgedeckt, nicht jedoch die Lampe 54, die daher die Transistoren 58 und 62 so beleuchtet, daß die übertragenen Impulse zu den Zählstufen 36 (I- +in) oder 40 (I₂ + ig) geleitet werden.

Wenn der Modulator 8 sich in der anderen Stellung befindet, also die Lampe 54 abgedeckt ist, nicht jedoch die Lampe 56, beleuchtet letztere die Transistoren 60, 64 so, daß die Impulse zu den Zählstufen 38, 42 der parasitären Emission I₁ bzw. ig geleitet werden.

Fig. J zeigt den elektronischen Umschalter 22 bzw. j50 · (beide Umschalter sind identisch). Er besteht aus einer ersten Transistorstufe, die durch den Impulshöhenanalysator 26 oder 28 angesteuert wird, und auf diese folgen zwei Stufen aus Phototransistoren, die an die Zählstufen 36, 38 (oder 40, 42) angeschlossen sind.

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- Ii·■-'

Eine Transistorstufe 66 (oder 67) (nicht abgebildet), die an den Impulshöhenanalysator26 (oder 28) angeschlossen ist, ist in Kollektorschaltung geschaltet, und der Ausgang dieser Stufe ist entweder an die Zählstufe 36 bzw. 38 oder an die Zählstufe 40 bzw. 42 über den Emitter-Kollektor-Kreis eines der beiden Phototransistoren 58 bis 60 (oder 62 bis 64) angeschlossen.

Aus der Zeichnung ist ferner'ersichtlich, daß die Basis dieser Transistoren mit ihrem Emitter über einen Widerstand bzw. 74 ,verbunden ist.

Wie bereits erläutert wurde, werden diese Phototransistoren durch die von der Lampe 54 bzw. 56 abgegebenen Lichtstrahlen erregt.

Pig. 4 zeigt eine Meßzelle. Um den Einfluß des Paktors F (<> ) (vergleiche Gleichung (8)) möglichst klein zu halten, besteht die Meßzelle aus einer Reihe von Elementarzellen, die die zu untersuchende Lösung enthalten, die zwischen anderen Elementarzellen angeordnet ist, die eine Flüssigkeit mit relativ hoher Dichte enthalten.. Daraus ergibt sich, daß auf der Bahn der von der Quelle 2 abgegebenen Gammastrahlung die mittlere Dichte in erster Näherung im wesentlichen konstant bleibt, was auch immer die Änderungen der Dichte in der ersten Art der Elementarzellen sein mögen.

Am abgebildeten Ausführungsbeispiel besteht die Zelle aus zwei Glaszylindern 68 und 70, die an Ihren Enden miteinander . · verschmolzen sind. Is ist ersichtlich, daß der Innere Zylinder

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mit spitzen Einbuchtungen 76 versehen ist, so daß man an eine Vigreux-Säule erinnert wird.

Der Raum zwischen den beiden Zylindern ist mit einer Flüssigkeit gefüllt, deren Dichte bedeutend größer als die der zu dosierenden Lösung ist, während der Innenraum des inneren Rohrs diese Lösung enthält, wobei diese besondere Meßzelle dazu dient, den Einfluß der Dichte der zu dosierenden Lösung stark zu verringern, indem eine Anordnung geschaffen wird, deren Dichte sieh nur wenig ändert.

Diese Bedingung wird durch die Verwendung der Meßzelle von Flg. 4 erfüllt. Ihrer Darstellung kann man entnehmen, daß entlang der Bahn der Gammastrahlung eine Schicht zu dosierender Lösung auf eine Schicht von Flüssigkeit hoher Dichte folgt, so daß die Dichte der Lösung, wie sie vom Detektor l6, l8, l4 erfaßt wird, im wesentlichen konstant bleibt, selbst wenn sich die Dichte der zu dosierenden Lösung ändert.

Die Schnitte AA¹, BB¹, CC* und DD¹ an verschiedenen Stellen auf der Längsachse der Gesamtzelle in den Achsebenen der im W wesentlichen konischen Einbuchtungen stellen in ihrem hellen Absohnitt denjenigen !Feil des Querschnitts dar, der mit der zu dosierenden Lösung gefüllt 1st, und in ihrem gepunktetem Abschnitt den Teil der Elementarzelle, der die Flüssigkeit hoher Dichte enthält.

Die praktische Erprobung der beschriebenen Meßvorrichtung hat gezeigt, daß bei Verwendung als Radioelemente von Kobalt 57, das eine Strahlung von 120 keV emittiert, und von Gadolinium 153, das eine Strahlung von 105 ^eV emittiert, und als Pufferlösung von Salpetersäure der Dichte 1,40 eine gute Genauigkeit

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und eine gute Reproduzierbarkeit (in der Größenordnung von einigen Prozent) der Dosierungen von gelöstem Uran für Konzentrationen von 0,5 bis 100 g/1 erzielt werden können.

Die· gleichen Radioelemente erlauben ebenso die Dosierung von Plutonium und Thorium„

Zur überwachung in situ können der Quellenblock, der Modulator, die Meßzelle und der Detektor als Einheit in Form eines Zylinders oder Rohres zusammengefaßt werden, m

den man in ein Gefäß eintaucht, um die Konzentration eines ^i; Elements zu überwachen.

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Claims (5)

1. Patentansprüche

   IJ Vorrichtung zur Messung des Gehalts an einem Element in einer Probenlösung, gekennzeichnet durch einen öammastrahler (2), der zwei im wesentlichen monoenergetische Strahlungen unterschiedlicher Energie erzeugt, von denen die eine größer und die andere kleiner als die Energie ist, die einem Sprung des Massenabsorptionskoeffizients des Elements entspricht, durch einen umlaufenden Schirm (8), der für Gammastrahlung undurchlässig ist und abwechselnd den Strahler abdeckt und freigibt, durch eine Meßzelle (6), die mindestens die Probenlösung enthält, durch einen hinter einem Szintillator (l8) angeordneten Photovervielfacher (14), der die Gammastrahlung nach Durchgang durch die Probenlösung empfängt, durch eine Verstärkerschaltung (20, 24), in die die vom Photovervielfacher erzeugte Spannung eingespeist wird, durch zwei ^inkanal-Impulshöhenanalysatoren (26, 28), die die Impulse durchlassen, die den Gamma-Photonen mit der einen oder anderen der Energien entsprechen, durch zwei elektronische Umschalter (j50, 52), von denen jeweils einer an einen der beiden Irapulshöhenanalysatoren angeschlossen und durch die Stellung des Sohirms steuerbar ist, wobei die elektronischen Umschalter die Impulse in vier Zählstufen (36, 38, 40, 42) einspeisen, die die Summe der Intensitäten jeder von der Quelle abgegebenen Strahlung (I., Ig) und der zugehörigen parasitären Strahlung (I₁, ig) bzw. die Intensität (1., ig) der parasitären Strahlung für jede der beiden Energien registrieren.
2. 2. Vorriohtung naoh Anspruoh 1« daduroh gekennzeichnet, daß der Schirm (8) aus zwei gleiohen Kreissektoren (46, 48) be-
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4. steht, die sich am Scheitelpunkt gegenüberliegen.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch, gekennzeichnet, daß der elektronische Umschalter (50, 52) zwei Lampen (54, 56) oberhalb des Schirms (8) hat, die bei Nichtabdeekung durch den Schirm Phototransistoren (58, 62; 60, 64) beleuchten und leitend machen, die an ihrem Kollektor die von den beiden Impulshohenanalysatoren (26, 28) abgegebenen Signale empfangen.

   '■Λ ' '■■■ ^: ' ^: '

   4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßzelle (6) aus mehreren Elementarzellen besteht, die zwischen anderen Elementarzellen angeordnet sind, die eine Flüssigkeit enthalten, deren Dichte bedeutend größer als die der Probenlösung ist (Fig. 4).

   5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßzelle (6) aus zwei gleichachsigen Zylindern (68, 70) besteht, daß der innere Zylinder spitze Einbuchtungen (76) aufweist und die Probenlösung enthält, und daß der Raum zwi~ schen den beiden Zylindern mit der Flüssigkeit gefüllt ist, deren Dichte bedeutend größer als die der Probenlösung ist.

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