DE2115265A1

DE2115265A1 - Thermal neutron detector - with boron-coated aluminium plates separated by molybdenum grid counters

Info

Publication number: DE2115265A1
Application number: DE19712115265
Authority: DE
Original assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Current assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Priority date: 1971-03-30
Filing date: 1971-03-30
Publication date: 1972-10-05

Abstract

A thermal neutron detector contains in a housing a number of parallel Al plates, each with a bilateral coating of B. Counting elements consisting of wire grids in a frame of insulating material are kept at high tension and are arranged between these plates. The whole housing is filled with a gas mixt. of Ar and CH4.

Description

Detektor zum Nachweis von thermischen Neutronen.Detector for the detection of thermal neutrons.

Die Erfindung betrifft einen Detektor zum Nachweis von thermischen Neutronen.The invention relates to a detector for the detection of thermal Neutrons.

Meßverfahren mit Neutronenstrahlung, wie z. B. Feuchtigkeits- oder Bitumengehaltsbestimmungen, denen Schichtdickernessungen zugrunde liegen und bei denen Obj.ekte mit schnellen Neutronen bestrahlt und die thermischen Neutronen rückg e streut werden, benötigen hochempfindliche Neutronendetektoren, damit aus Si cherheitsgründen mit möglichst schwachen Neutronenquellen gearbeitet werden kann. Diese schwachen Neutronenquellen erfordern jedoch, um eine ausreichende Zählausbeute zu erhalten, daß die Detektoränordnungen großflächig sind.Measurement methods with neutron radiation, such as. B. moisture or Bitumen content determinations, which are based on layer thickness calculations and are included which objects are irradiated with fast neutrons and the thermal neutrons return e are scattered require highly sensitive neutron detectors, so for safety reasons it is possible to work with the weakest possible neutron sources. These weak ones However, in order to obtain a sufficient counting yield, neutron sources require that the detector arrangements are large.

Bisher sind solche Detektoranordnungen meist durch Parallelschaltung handelsüblicher zylindrischer BF3-Zählrohre hergestellt worden. Die Zählrohre sind zwar für die o. a. Messungen gut geeignet, da sie im allgemeinen lange Zählplateaus mit nur geringer Steigung besitzen, haben aber den Nachteil, daß sie, da bis zu 6 Zählrohre verwendet werden, teuer und empfindlich gegenüber mechanischen Einflüssen (Glasrohrbruch) sind.So far, such detector arrangements have mostly been connected in parallel commercially available cylindrical BF3 counter tubes. The counting tubes are though for the above Measurements are well suited as they generally have long counting plateaus have only a slight slope, but have the disadvantage that they, since up to 6 counting tubes used, expensive and sensitive to mechanical influences (broken glass tube) are.

Zylindrische Borschicht-Proportionalzähler wiederum, die mit unproblematischen Zählgasen betrieben werden können, sind für eine Parallelschaltung, zwecks Gewinnung einer großen Nachweisfläche, schlecht geeignet, da sie ungünstige Zählcharakteristiken aufweisen. Ein kommerzieller Borschicht-Proportionalzähler hat z. B. nur 50 V Plateaulänge bei einer Plateau steigung von 50 % auf 100 V. Außerdem beträgt die Ansprechwahrscheinlichkeit derartiger Borschicht-Proportionalzähler für thermische Neutronen nur ca. 6 %, während sie bei BF -Zählrohren gleicher Größe ca. 20 % erreichen kann.Cylindrical boron-layer proportional counters, in turn, with unproblematic Counting gases can be operated, are for a parallel connection, for the purpose of extraction a large detection area, poorly suited because it has unfavorable counting characteristics exhibit. A commercial boron layer proportional counter has e.g. B. only 50 V plateau length with a plateau slope of 50% to 100 V. In addition, the response probability is such boron layer proportional counter for thermal neutrons only approx. 6%, while it can reach approx. 20% with BF counter tubes of the same size.

.3 Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, einen großflächigen Borschichtzähler mit guten Zähle igenschaften und großer Ansprechwahr scheinlichkeit zu bauen, der sowohl in der Isotopenanwendung als auch in der Strahlelischutzmeßtechnik Anwendung finden kann. .3 The object of the invention is now to provide a large area Boron layer counter with good counting properties and a high response probability to build, both in the isotope application and in the radiation protection measuring technology Can apply.

Die Lösung der Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß in einem Gehäuse parallel zueinanderliegende Platten gleicher Form und Fläche mit beidseitiger Borbeschichtung befestigt sind, zwischen denen jeweils ein der Fläche und Form der Platten entsprechendes, auf elektrische Spannung liegendes Zählelement angeordnet ist, und daß das Gehäuse mit einem Zählgasgemisch gefüllt ist. Die Zählelenlente sind Gitter, deren Einzeldrähte mäanderfOrmig oder einzeln nebeneinander verlaufen und deren Enden in einem das Gitter umgebenden Rahmen aus Isolationsmaterial eingespannt sind.The solution to the problem is according to the invention that in one Housing parallel plates of the same shape and area with double-sided Boron coating are attached, between which each one of the area and shape of the Plates arranged corresponding to the electrical voltage lying counting element is, and that the housing is filled with a counting gas mixture. The counting element are grids, the individual wires of which run in a meander shape or individually next to each other and the ends of which are clamped in a frame made of insulation material surrounding the grid are.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Platten aus Kunststoff oder Metall bestehen auf die Borpulver mit angereichertem Bor. 10 aufgebracht ist. Das Gehäuse ist mit einem Gemisch aus Argon und Methan füllbar.An advantageous development of the invention provides that the plates made of plastic or metal consist of boron powder with enriched boron. 10 upset is. The housing can be filled with a mixture of argon and methane.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles mittels der Figuren 1 bis 5 näher erläutert.The invention is based on an exemplary embodiment by means of Figures 1 to 5 explained in more detail.

Es zeigt: Figur 1 einen Schnitt durch einen Borschicht-Proportionalzähler, Figur 2 eine Impulshöhenverteilung mit angereichertem B or - 10, Figur 3 eine Impulshöhenverteilung mit natürlichem Bor, Figur 4 die Zähler- Charakteristik bei verschiedenen y-Dos isleistungen und Figur 5 das Nulleffektplateau bei verschiedenen y-Dosisleistungen.It shows: FIG. 1 a section through a boron layer proportional counter, FIG. 2 shows a pulse height distribution with enriched boron-10, FIG. 3 shows a pulse height distribution with natural boron, FIG. 4 shows the counter characteristics for different y-dos and FIG. 5 the background plateau at different y dose rates.

Der Borschicht-Proportionalzähler besteht im wesentlichen aus vorzugsweise vier übereinandergelagerten, ebenen, großflächigen Platten 1, die eine Rechteckform mit den Abmessungen von 12 auf 21 cm aufweisen, und aus Zählelementen 2, welche jeweils zwischen zwei Seiten zweier Platten 1 liegen. Die Zählelemente 2 weisen die gleiche Form und Fläche wie die Platten 1 auf. Der Abstand zwischen den- einzelnen Platten 1 ist konstant und die Zählelemente 2 liegen in der Mitte zwischen jeweils zwei Seiten der Platten 1. Ihre Flächen laufen zu den Oberflächen der Platten 1 parallel. Die Platten 1 sind gegenüber den Zählelementen 2 mittels Distanzstücken 3 abgestützt, wobei die direkte Abstützung auf den Zählelementen 2 auf einem, die Zählelemente 2 umgebenen Rahmen 4 aus Kunststoff bzw. Isolationsmaterial erfolgt. Die Distanzstücke 3 sind vorzugsweise an den vier Ecken der Platten 1 bzw. Zählelemente 2 übereinander angeordnet und werden mittels Stiften 5 arretiert, welche durch Bohrungen in den Distanzstücken 3, Zählelementen 2 und den Platten 1 hindurchgeführt werden. Die Stifte 5 sind am Boden 6 des die Platten 1 und Zählelemente 2 umgebenden kastenförmigen Gehäuses 7, das mit einem Deckel 8 und Dichtungen 9 abgeschlossen wird, befestigt. Die Stifte 5 (z. B. Schrauben) bestehen aus elektrisch leitendem Material-und liegen auf dem Potential (Erdpotential) des Gehäuses 7. A DieZählelemente 2 bestehen aus einem Rahmen 4, welcher aus Isolationsmaterial hergestellt ist. In diesem Rahmen sind z. B. Molybdändrähte (nicht dargestellt) mäanderförmig oder einzeln nebeneinander eingespannt und zwar derart, daß das zwischen ihnen und den Platten 1 erzeugte elektrostatische Feld keine Feldverzerrungen erleidet. Alle Zählelemente 2, insbesondere die Drähte der Zählelemente 2 sind über eine gemeinsame Leitung 10 auf die gleiche Hochspannung (ca. 1200V) gelegt. Die Leitung 10 führt zu einem isolierten Stecker 11 in der Gehäusewand des Gehäuses 7, an den über weitere, nicht dargestellte Leitungen ein Impulszähler (Vielkanalzähler) mit entsprechender Elektronik angeschlossen werden kann.The boron layer proportional counter consists essentially of preferably four superimposed, flat, large-area plates 1, which have a rectangular shape with the dimensions of 12 by 21 cm, and from counting elements 2, which each lie between two sides of two plates 1. The counting elements 2 have the same shape and area as the plates 1. The distance between them Plates 1 is constant and the counting elements 2 are in the middle between each two sides of the panels 1. Their faces run to the surfaces of the panels 1 parallel. The plates 1 are opposite the counting elements 2 by means of spacers 3 supported, the direct support on the counting elements 2 on one that Counting elements 2 surrounded frame 4 made of plastic or insulation material takes place. The spacers 3 are preferably at the four corners of the plates 1 or counting elements 2 arranged one above the other and are locked by means of pins 5, which through holes in the spacers 3, counting elements 2 and the plates 1 are passed. The pins 5 are on the bottom 6 of the box-shaped surrounding the plates 1 and counting elements 2 Housing 7, which is closed with a cover 8 and seals 9, attached. The pins 5 (e.g. screws) consist of electrically conductive material and lie at the potential (earth potential) of the housing 7. A The counting elements 2 consist of a frame 4 which is made of insulating material. In this framework are z. B. molybdenum wires (not shown) meandering or individually clamped next to each other in such a way that that between them and the plates 1 generated electrostatic field does not suffer from field distortions. All counting elements 2, in particular the wires of the counting elements 2, are via a common line 10 placed on the same high voltage (approx. 1200V). The line 10 leads to one isolated plug 11 in the housing wall of the housing 7, to which more, not The lines shown are a pulse counter (multi-channel counter) with corresponding electronics can be connected.

Das Gehäuse 7 selbst besteht aus Metall, z. B. aus Aluminium, und weist auf seiner einen Seite einen Gaseintritt 12 und auf der anderen Seite einen Gasaustritt 13 auf. Durch den Gaseintritt 12 bzw. Gasaustritt 13 kann in das Innenvolumen des Gehäuses 7 ein Gemisch von Edelgas Argon mit 10 % Methan als Zählgas stetig eingeführt werden. Es ist aber auch durchaus möglich, die Gasein- bzw. Austritt 12 und 13 abzuschließen und Messungen mit einem eingeschlossenen, unempfindlichen Argon-Methan Gemisch vorzunehmen. Zur Messung, d. h. - zum Nachweis von thermischen Neutronen wird das Gehäuse 7 mit seinem Boden 6 auf eine bestimmte Schicht, deren Dicke z. B. gemessen werden soll, gestellt. Aus dieser Schicht treten thermische Neutronen aus, welche mittels einer Neutronenquelle zur Dickeder bestimmung der Schicht unter/Schicht eingebracht wurden. Die thermischen Neutronen treten durch den Boden 6 des Gehäuses 7 hindurch und treffen auf die Platten 1 auf bzw. treten durch diese hindurch.The housing 7 itself is made of metal, e.g. B. made of aluminum, and has a gas inlet 12 on one side and a gas inlet on the other side Gas outlet 13 on. Through the gas inlet 12 or gas outlet 13, it is possible to enter the interior volume of the housing 7 a mixture of noble gas argon with 10% methane as counting gas steadily to be introduced. But it is also entirely possible for the gas inlet or outlet 12 and 13 complete and take measurements with an enclosed, insensitive Make an argon-methane mixture. For measurement, i. H. - for the detection of thermal Neutrons is the housing 7 with its bottom 6 on a certain layer, whose Thickness z. B. is to be measured. Thermal emerges from this layer Neutrons from which a neutron source is used to determine the thickness of the Layer under / layer were introduced. The thermal neutrons pass through the bottom 6 of the housing 7 through and meet the plates 1 on or occur through this.

Jede Platte 1, die z. B. aus Aluminium besteht, weist auf jeder Seite eine Borschicht mit angereichertem Bor-10 auf. Zur Herstellung dieser Borschichten werden Borpulver mit 92% angereichertem Bor-10 verwendet, welche in wässriger Suspension auf die Aluminiumplatten 1 aufgetragen werden. Das 2 Flächengewicht der Borschichten beträgt ca. 0, 2 mg/cm Die thermische Neutronen, welche nachgewiesen werden sollen, erzeugen in diesen Borschichten a-Teilchen bzw. Lithiurnrückstoßkerne, welche in dem Zählgas (Argon/Methan) Ionisationsvorgänge erzeugen, die über die Zählelemente 2 und die angeschlossene Elektronik als Impulse nachgewiesen werden. Die Kapazität des gesamten Zählers beträgt ca. 200 pF.Each plate 1, the z. B. consists of aluminum, points on each side a boron layer with enriched boron-10. For the production of these boron layers boron powder with 92% enriched boron-10 is used, which is in aqueous suspension can be applied to the aluminum plates 1. The 2 weight per unit area of the boron layers is about 0.2 mg / cm The thermal neutrons which are detected generate a-particles or lithium recoil nuclei in these boron layers, which generate ionization processes in the counting gas (argon / methane), which over the Counting elements 2 and the connected electronics can be detected as pulses. The capacity of the entire meter is approx. 200 pF.

In Figur 2 ist die Impulshöhenverteilung von Zählerimpulsen I gegenüber der Impulshöhe H (in Millivolt gemessen) am Zählerausgang bei l200 V Spannung an den Zählerelementen 2 und über die Kanalzahl K eines Vielfachkanalanalysator s (nicht dargestellt) aufgenommen. Diese Impulshöhenverteilung wurde mit dem erfindungsgemäßen Detektor aufgenommen, wobei die Platten 1 mit angereichertem Bor-10 beaufschlagt waren.In Figure 2, the pulse height distribution of counter pulses I is opposite the pulse height H (measured in millivolts) at the counter output at l200 V voltage the counter elements 2 and via the channel number K of a multi-channel analyzer s (not shown). This pulse height distribution was with the inventive Detector recorded, the plates 1 being acted upon with enriched boron-10 was.

Figir 3 zeigt zum Vergleich die Impulshöhenverteilung des gleichen Detektors mit Schichten aus natürlichem Bor (ungefähr 8 % Bor-10 in natürlichem Bor) 2 auf den Platten 1, wobei ebenfalls mit einem Flächegewicht von ca. 0, 2mg/cm gearbeitet wurde. Es wurde wiederum die Impulszahl 1 über der Kanalzahl K aufgetragen. Es sind zwei Linien sichtbar, die von a-Teilchen und Lithiumriickstoßkernen herrühren.For comparison, Figir 3 shows the pulse height distribution of the same Detector with layers of natural boron (approximately 8% boron-10 in natural Boron) 2 on the plates 1, also with a weight per unit area of approx. 0.2 mg / cm was worked. The number of pulses 1 was again plotted against the number of channels K. Two lines can be seen which originate from a-particles and lithium collision nuclei.

In Figur 4 ist die Plateaukurve 14 des erfindungsgemäßen Detektors bei 0, 5 Millivolt Eingang sempfindlichke it des Vorve r stärker s (nicht dargestellt) aufgetragen. Es sind die Impulse I pro Minute über die Hochspannung in KV aufgetragen. Die Plateausteigung bei 1200 V beträgt rund 12 % pro 100 V. Die Dosisleistung der thermischen Neutronen (zu messende Neutronen) an der Zähleroberfläche betrug dabei ca. 28 rem/Stunde. Bei dieser geringen Dosisleistung erhält man mit 1200 V Arbeitsspannung bereits 2 10 Impulse/Minute. Die für Kontrollbereiche zulässige Dosisleistung von 2, 5 mr/Stunde erzeugt dann rund 1, 8 1 106 Impulse/Minute. Der Nulleffekt des Zählers beträgt nur ca. 20 Impulse/Minute.In FIG. 4 is the plateau curve 14 of the detector according to the invention at 0.5 millivolt input, the sensitivity of the front end is stronger (not shown) applied. The pulses I per minute are plotted against the high voltage in KV. The plateau increase at 1200 V is around 12% per 100 V. The dose rate of the thermal neutrons (neutrons to be measured) on the counter surface was about 28 rem / hour. With this low dose rate, an operating voltage of 1200 V is obtained already 2 10 impulses / minute. The dose rate of 2.5 mr / hour then generates around 1. 8 1 106 pulses / minute. The background of the counter is only approx. 20 pulses / minute.

Weiterhin ist in Figur 4 auch die y-Emfindlichkeit des Detektors aus Messungen mit Kobalt-60 bei verschiedenen Dosisleistungen zu ersehen. Der Zweig 15 der Plateaukurve 14 entsteht bei einer Dosisleistung von 5 rem pro Stunde, während der Zweig 16 der Plateaukurve 14 bei einem rem pro Stunde entsteht.Furthermore, the y-sensitivity of the detector is also off in FIG Measurements with cobalt-60 can be seen at different dose rates. The branch 15 of the plateau curve 14 arises at a dose rate of 5 rem per hour while the branch 16 of the plateau curve 14 arises at one rem per hour.

Figur 5 zeigt das Nulleffektplateau 17 des Detektors, wobei wiederum Impulse I pro Minute über der Hochspannung inKV an den Zählelementen 2 nach Figur 1 aufgetragen sind. Wiederum sind zwei Zweige 18 und 19 dieser Nulleffektplateaukurve 1,7 dargestellt, wobei der Zweig 18 einer Gammadosisleistung von 500 Millirem 5 pro Stunde und der Zweig 19 bei einer Dosisleistung von 2, 5 Millirem pro Stunde aufgenommen worden sind. Für die Messung mit thermischen Neutronen wurde eine 100 Millicnrie AM 241-Berylliumquelle verwendet die mit 10 cm Paraffin umkleidet war.Figure 5 shows the background plateau 17 of the detector, again Pulses I per minute over the high voltage inKV at the counting elements 2 according to FIG 1 are applied. Again there are two branches 18 and 19 of this background plateau curve 1.7, with branch 18 having a gamma dose rate of 500 millirem 5 per hour and branch 19 at a dose rate of 2.5 millirem per hour have been recorded. For the measurement with thermal neutrons a 100 Millicnrie AM 241 beryllium source used which was coated with 10 cm paraffin.

Die Neutronendosisleistung wurde mit einem geeichten Neutronen-Dosisleistungsmesser (nicht dargestellt) bestimmt. Aus dies,en Messungen wurde für den Detektor eine. Nachweisempfindlichkeit für thermische Neutronen von rund 45 Impulsen I / Sekunde, bezogen auf die Einheitsflußdichte, ermittelt. Bei Division dieses Wertes durch die wirksame Zählerfläche des Detektors von 2 ca. 252 cm ergibt sich die Zähler-Ansprechwahrscheinlichkeit für thermische Neutronen, die rund 18% beträgt. Somit ist sie vergleichbar mit der Ansprechwahrscheinlichkeit von BF3 Zählrohren.The neutron dose rate was measured using a calibrated neutron dose rate meter (not shown) determined. These measurements became one for the detector. Detection sensitivity for thermal neutrons of around 45 pulses I / second, based on the unit flux density. When dividing this value by the effective counter area of the detector of 2 approx. 252 cm results in the counter response probability for thermal neutrons, which is around 18%. Thus it is comparable to the Response probability of BF3 counter tubes.

Claims

Patent claims:

<5 Detector for the detection of thermal neutrons, characterized by that in a housing (7) parallel plates (1) of the same shape and Surface with double-sided boron coating are attached, between which each one The surface and shape of the plates (1) correspond to »lying on electrical voltage Counting element (2) is arranged, and that the housing (7) with a counting gas mixture is filled.

2. Detector according to claim 1, characterized in that the counting elements (2) Are grids, the individual wires of which run in a meander shape or individually next to each other and their ends in a frame (4) made of insulation material surrounding the grid are clamped.

3. Detector according to claim 1 and 2, characterized in that the Plates (1) across from spacers or spacers (3) made of insulation material the counting elements (2) are supported.

4. Detector according to claim 1 or one of the following, characterized in that that the spacers (3) at certain points, especially at the corners of the plates (1), arranged one above the other and using pins (5) or the like.

are held, the pins (5) themselves at least on one wall (6) of the housing are attached.

5. Detector according to claim 1 or one of the following, characterized in that that the plates (1) are at ground potential.

6. Detector according to claim 1 or one of the following, characterized in that that the plates (1) are made of plastic or metal on which boron powder is enriched with Boron 10 is applied.

7. Detector according to claim 1 or one of the following, characterized in that that the housing (7) can be filled with a mixture of 90% argon and 10% methane.

8. Detector according to claim 1 or one of the following »characterized in that that the mixture flows through the housing (7) through inlet and outlet openings (12 and 13) can.