DE2047593C3 - Strahlungsdetektor mit einem Emitter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Strahlungsdetektor prompter Ansprechbarkeit mit einem Emitter aus einem Material, das sowohl bei Neutroneneinfang als auch unter der Einwirkung von Gammastrahlung Elektronen emittiert, mit einer den Emitter vollständig umschließenden, festen Isolierschicht sowie mit einem die Isolierschicht umgebenden Kollektor, dessen Ausgangsstrom dem Momentanwert der überwachten Strahlung entspricht.

Es ist wirtschaftlich von Vorteil, soviel Leistung wie möglich aus einer gegebenen Menge Kernreaktorbrennstoff zu erhalten. Eine Steigerung auf optimale Leistungsdichte in einem Reaktorkern kann nur erzielt werden, wenn das Sicherheitssystem augenblicklich Schutz gewähren kann, indem es sofort auf Leistungsänderungen in jedem Brennstoffkanal anspricht. Es ist daher wichtig, daß solche im Reaktorkern ständig angeordneten Detektoren, wie sie zuir Überwachung der Leistungsdichte des Reaktorkernes verwendet werden, sofort auf Änderungen der Leistungsdichte ansprechen, wie sie durch Änderungen des örtlichen Neutronen- und Gammastrahlen-Flusses in Erscheinung treten. Die Ausgangssignale von derartigen Strahlungsdetektoren müssen dann notwendigerweise den Flußzuständen im Reaktorkern entsprechen, die im Augenblick herrschen, und nicht denen, die mehrere Sekunden oder noch länger zuvor bestanden haben.

Neutronendetektoren in Festkörperausführung sind allgemein bekannt, beispielsweise durch die US-Patentschriften 33 75 370 und 34 00 289.

Aus der DT-AS 12 82 201 ist weiterhin ein Strahlungsdetektor der eingangs genannten Art bekannt, bei dem als Emittermaterial Gadolinium 155, Gadolinium 157 oder Kadmium 113 vorgeschlagen wird. Diese Materialien haben zwar die erwünschte prompte Ansprechbarkeit, aber infolge ihres relativ großen Wirkungsquer

vorgeschlagen, entstehende Comyten-Elektronen durch Absorption in der Isolierschicht vom Kollektor fernzuhalten.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Strahlungsdetektor prompter Ansprechbarkeit mit einem Emitter aus einem Material, das sowohl bei Neutroneneinfang als auch unter der Einwirkung von Gammastrahlung Elektronen emittiert, mit einer den Emitter vollständig umschließenden, festen Isolierschicht sowie mit einem die Isolierschicht umgebenden Kollektor, dessen Ausgangsstrom dem Momentanwert der überwachten Strahlung entspricht, zu schaffen, der nicht nur hinsichtlich einer ausreichend laugen Lebensdauer, sondern auch bezüglich der von ihm gelieferten Meßsignale für den ständigen Einsatz in einem Reaktor im Rahmen eines Sicherheitssystems geeignet ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Emitter aus Ytterbium oder aus Hafnium besteht, und daß die Dicke der Isolierschicht so gewählt ist, daß nur die vom Emitter emittierten prompten Elektronen den Kollektor erreichen, deren Energie größer ist als die Maximal-Energie der vom Emitter verzögert emittierten Elektronen.

Ytterbium und Hafnium sind Materialien, die bei Neutronenbeschuß sowohl prompte als auch verzögerte Elektronen emittieren. Die maximale Energie der verzögert emittierten Elektronen ist jedoch relativ niedrig und ist kleiner als die Energie des größten Teiles der prompt emittierten Elektronen. Es besteht deshalb die Möglichkeit, die Komponente des Kollektor-Ausgangsstromes abzuschirmen, die durch die verzögerten Elektronen erzeugt wird. Dies geschieht durch die Wahl der Dicke der Isolierschicht, die so bemessen werden muß, daß die eine niedrigere Energie aufweisenden verzögerten Elektronen in ihr absorbiert werden und nur die prompten Elektronen mit höherer Energie den Kollektor erreichen. Das Stromausgangssignal des

Kollek'ors wird dann ausschließlich von den prompten Elektronen gebildet und wird augenblicklich den Schwankungen des Neutronen-Flusses und/oder der Gammastrahlen-Intensität im Reaktor folgen. Durch die Absorption der verzögerten Elektronen in der Isolierschicht, von der aus sie schließlich in den Emitter zurückkehren, ist in dem Signalsirom des Strahlungsdetektors keine vergangene Flußzustände darstellende Komponente enthalten, so daß sich bei einem solchen Signal keinerlei Verwechslungen der derzeitigen und der vorherigen Flußdaten ergeben. Ein mit Ytterbium oder Hafnium ausgerüsteter Strahlungsdetektor hai eine Ausbrennrate von etwa 10¹³ Neutronen pro cm² und Sekunde. Das entspricht einer Ausbrenngeschwindigkeit von weniger als 1% pro Jahr. Da auch die von diesem Detektor gelieferten, nur von prompt emittierten Elektronen verursachten Meßsignale ausreichend groß sind und deshalb fehlerfrei registriert werden können, ist dieser Detektor für den Langzeiteinsatz in Kernreaktoren hervorragend geeignet.

Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiei ist dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht zwischen dem Emitter und dem Kollektor konzentrisch zu diesen angeordnet ist, daß sie aus Magnesiumoxyd besteht und daß sie eine radiale Dicke im Bereich zwischen 0,5 und 0,65 mm aufweist.

Weitere Voiteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand eines in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert werden. Es zeigen:

F i g. 1 eine teils im Schnitt dargestellte Längsansicht eines Strahlungsdetektors nach einer bevorzugten praktischen Ausführungsform der Erfindung und

F i g. 2 einen Querschnitt des in F i g. 1 dargestellten Strahlungsdetektors nach 2-2.

Das in F i g. 1 und F i g. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel des Strahlungsdetektors 10 besitzt einen Emitter 11, der aus einem zylindrischen Ytterbiumstab besteht. Eine aus Magnesiumoxyd bestehende Isolierschicht 13 umgibt konzentrisch den Emitter 11 und ist selbst von einem zylindrischen Kollektormantel 12 umgeben. Der Kollektor 12 besteht zweckmäßigerweise aus einem Rohr aus einer Legierung aus 80% Ni, 14% Co und 6% Fe und ist an seinem einen Ende durch einen Metallstopfen 14 verschlossen, der durch Anschweißen befestigt ist.

Am anderen, dem offenen Ende des Kollektors 12 ist ein konzentrisches Kabel 15 angeschlossen, das eine äußere Ummantelung 16 aus derselben Legierung umfaßt, die eine Isolierfüllung 17 aus Magnesiumoxyd umgibt, durch welche ein Leitungsdraht 18 derselben Legierung führt, der an das Ende des Emitters 11 durch Anschweißen oder Verlöten elektrisch angeschlossen ist. Die Kabelummantelung 16 wird von einer Metallbuchse 19 aufgenommen, die in den Kollektor eingefügt und an ihm durch Schweißen so befestigt ist, daß die Buchse 19, die Kabelummantelung 16 und der Kollektor 12 elektrisch miteinander verbunden sind.

Wenn der Detektor 10 im Kern eines in Betrieb befindlichen Reaktors (nicht abgebildet) eingebaut ist, gehen Neutronen und Gammastrahlen leicht und ohne besondere Wechselwirkung durch das Kabel 15, &m Kollektor 12 und die Isolierung 13 hindurch und werden vom Emitter 11 absorbiert. Die Folge dieses Neutronenbzw. Gammastrahlen-Einfangs im Material des Emitters 11 ist die Emission von Elektronen von dessen Außenfläche. Bei einem aus Ytterbium oder Hafnium bestehenden Emitter U verursacht der Neutronenbcschuß die Emission sowohl prompter Elektronen als auch verzögerter Elektronen.

Ein wichtiges Merkmal der beiden gewählten Elemente Ytterbium und Hafnium ist es, daß die von ihnen durch Beta-Zerfall emittierten verzögerten Elektronen mit einem niedrigeren Primär-Energieniveau emittiert werden als die von ihnen emittierten

ίο prompten Elektronen. Für Ybus und H fm ist das Primär-Energieniveau der durch Beta-Zerfall entstehenden Elektronen 470 keV bzw. 410 keV, während bei den gleichen Elementen prompte Elektronen mit Energien von bis zu 7,5 MeV emittiert werden, wobei

iS das Primärenergieniveau 500 keV übersteigt.

Die Anzahl der in jeder dieser Klassen pro Zeiteinheit emittierten Elektronen entspricht der Intensität des Neutronenflusses. Im Falle der verzögerten Elektronen entspricht jedoch die Anzahl der von der Oberfläche des

μ Emitters 11 in einem gegebenen Augenblick emittierten Elekironen der Neutronen-Fluß-Intensität, die gemäß der festen Verzögerungszeit vorher vorhanden war, wobei diese Verzögerungszeit der Halbwertzeii des Beta-Zerfallproduktes entspricht, die bei Ybw, 5,2 Tage und bei /Y/lsi 43 Tage beträgt.

Um einen Signalausgangsstrom zu erhalten, der dem Augenblickswert der mit dem Emitter 11 in Wechselwirkung stehenden Neutronen-Flusses entspricht, müssen die verzögerten Elektronen daran gehindert werden, den Kollektor 12 zu erreichen. Nach der Erfindung geschieht dies durch Verwendung einer Magnesiumoxydisolierung 13 mit einer radialen Dicke von 0,5 bis 0,65 mm, die ausreicht, um im wesentlichen alle Elektronen unter 500 keV zu absorbieren, die es jedoch den prompten Elektronen mit höherer Energie gestattet, den Kollektor 12 zu erreichen. Diese bilden dann den gesamten Signalausgangsstrom, der über das Kabel 15 zu der außenliegenden (nicht abgebildeten) Überwachungsinstrumentierung geleitet wird.

Eine praktische Ausführungsform des Detektors nach der Erfindung kann aus einem Ytterbium-Draht von 1 bis 1,3 mm Durchmesser und ca. 23 cm Länge als Emitter 11, einem Rohr mit ca. 3 mm äußerem Durchmesser und ca. 0,25 mm Wanddicke als Kollektor 12 und einer Magnesiumoxydschichl für die Isolierung 13 bestehen.

Bei einem solchen Detektor 10 wird das koaxiale Kabel 15 zweckmäßigerweise aus Rohr mit ca. 1,5 mm Außendurchmesser bei 0,25 mm Wanddicke für die Ummantelung 16 und aus einem Draht der erwähnten Legierung mit ca. 0,23 mm Durchmesser für den Leitungsdraht 18 bestehen.

Unter typischen Betriebsbedingungen wird der Detektor 10 sowohl Gammastrahlen als auch thermisehen Neutronen ausgesetzt sein.

Der Emitter 11 ist auch gegen Gammastrahlenbeschuß empfindlich und emittiert prompte Elektronen in einer Anzahl, die kennzeichnend für die Intensität des Gamma-Strahlenflusses ist. Das Verhältnis zwischen der Neutronen- und der Gammastrahlen-Empfindlichkeit des Detektors 10 kann leicht durch einfache Meßverfahren festgestellt werden, die den Fachleuten bekannt sind, so daß das Signal des Detektors 10 so korrigiert werden kann, daß es entweder die Neutroncn-Fluß-lntensität, die Gammafluß-Intensität oder beides darstellt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   t. Strahlungsdetektor prompter Ansprechbarkeit mit einem Emitter aus einem Material, das sowohl ⁵ bei Neutroneneinfang als auch untsr der Einwirkung von Gammastrahlung Elektronen emittiert, mit einer den Emitter vollständig umschließenden, festen Isolierschicht sowie mit einem die Isolierschicht umgebenden Kollektor, dessen Ausgangsstrom dem Momentanwert der überwachten Strahlung entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter (II) aus Ytterbium oder aus Hafnium besteht, und daß die Dicke der Isolierschicht (13) so gewählt ist, daß nur die vom Emitter '5 emittierten,prompten Elektronenden Ko!lektor(12) erreichen, deren Energie größer ist als die Maximal-Energie der vom Emitter verzögert emitlierten Elekironen.
2. 2. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch *° gekennzeichnet, daß die Isolatorachicht (13) zwischen dem Emitter (11) und dem Kollektor (12) konzentrisch zu diesen angeordnet ist, daß sie aus Magnesiumoxyd besteht und daß sie eine radiale Dicke im Bereich zwischen 0,5 und 0,65 mm aufweist.
3. 3. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolatorschicht (13) aus Aluminiumoxyd besteht.

   schnittes für Neutronen, ist ihre Ausbrenngeschwindigkeil groß. Die Lebensdauer von Neutronendetektoren mit diesen Emittermaterialien liegt deshalb in der Größenordnung von einigen Tagen. Derartige Detektoren sind deshalb nicht für die ständige Überwachung von Kernreaktoren im Rahmen eines prompt reagierenden Sicherheitssystems geeignet. Sie dienen anderen kernphysikalischen Untersuchungen, bei denen eine kurze Aufenthaltsdauer im Reaktorkern von z. B. nur einigen Minuten erforderlich ist.

   Aus der DT-AS 12 46 893 ist ein Neutronendetektor bekannt, bei dem der Emitter aus Bor 11 besteht, das unter Beschüß von Neutronen in das mit einer Halbwertzeit von 0,02 Sekunden zerfallende Bor 12 übergeht. Hier ist der Lebensdauer wegen ein Emittermaterial gewählt worden, das einen extrem kleinen Wirkungsquerschnitt für Neutronen aufweist. Die vom Detektor gelieferten Meßsignale sind ebenfalls äußerst klein, so daß sie das Untergrundrauschen kaum überschreiten. Für ein Kernreaktor-Sicherheitssystem sind diese Detektoren deshalb ebenfalls ungeeignet.

   Schließlich ist aus der deutschen Patentschrift 6 91 575 eine Einrichtung zur Messung der Intensität von Neutronen bekannt, bei der als Emittermaterial u. a. Rhodium vorgeschlagen wird, das bei Neutroneneinfang sowohl prompte als auch verzögerte Elektronen emittiert. Diesem Detektor fehlt deshalb die prompte Ansprechbarkeil:, so daß eine genaue Messung der ir einem bestimmten Moment herrschenden Neutronen fiüßdichte damit nicht mcgliCi. ist. Es ;si "edigüur