DE2217789A1 - Strahlungsdetektor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Strahlungsdetektoren wie beispielsweise Ionenkammern und wird hier beschrieben im Zusammenhang mit einer Kernspaltungskammer (fission chamber) zur Verwendung in dem Kern eines Kernreaktors zur Feststellung und Messung des Neutronenflusses. Ein Detektorsystem zur Verwendung im Kern und zur Messung und zur Überwachung des Neutronenflusses in einem Kern eines Kernreaktors wird beschrieben in dem US-Patent 3 565 760.

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Spaltungskammern sind an sich bekannt und beispielsweise beschrieben im US-Patent 3 043 954. Solche Kammern umfassen ein Paar von im Abstand angebrachten Elektroden, die untereinander isoliert sind und bei denen spaltbares Material, beispielsweise Uran, dazwischen in einer mit ionisierbarem Gas gefüllten · Kammer enthalten ist. Die auftreffenden Neutronen induzieren Kernspaltungen des Urans, und die sich ergebenden Spaltprodukte ionisieren das Gas proportional zur Amplitude des Neutronenflusses. Eine an die Elektroden angelegte Gleichspannung wird zu einen aus^an^sseitigen Ütrom, welcher der Grösse der Ionisation proportional ist.

Wenn die Amplitude der angelegten Spannung richtig ausgewählt wird, werden praktisch alle entstehenden Ionenpaare gesammelt, und idealerweise ist der erhaltene ausgangsseitige Strom eine lineare Funktion des auftreffenden Neutronenflusses. In der Praxis ergeben sich verschiedene Probleme, welche dazu neigen, das Erreichen des erwünschten idealen, linearen Verhaltens der Kammer zu erschweren. Eines dieser Probleme ist die Abwanderung von Gas zwischen dem aktiven Gasvolumen (dem Gas zwischen den Elektroden) und dem inaktiven Gasvolumen in der Kammer, Dieses Problem ist besonders ernsthaft im Falle von Kammern für die Verwendung im Innern eines Reaktorkerns. Erstens sind solche Kammern mit der Änderung der Leistungsabgabe des Reaktors starken Temperaturänderungen unterworfen, und zweitens müssen solche Kammern eine geringe Größetaabmessung besitzen (In der Größenordnung von einem Durchmesser von etwa 6 mm), um die Menge des nicht aus Brennstoff bestehenden Materials in dem Kern zu verringern und die Meßeinrichtung in die kleinen Räume einzufügen, welche im Kern zur Verfügung stehen. Bei Kammern mit diesen geringen Abmessungen ergibt sich ein relativ großes inaktives Gasvolumen aus der praktischen Notwendigkeit zur Schaffung von Maßnahmen (beispielsweise eines Quetschrohrs) zur Evakuierung, Neufülluns und Abdichtung der Kammer. Es gibt auch noch andere inaktive Gasvolumen in der Kammer, die jedoch gewöhnlich kleiner sind.

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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Linearität des Ansprechverhalteris einer Ionenkammer zu verbessern.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Gaswanderung in einer Ionenkammer zu kompensieren.

Diese und andere Aufgaben werden gemäß einer ersten dargestellten Ausführungsform der Erfindung dadurch gelöst, daß die isolierte innere Elektrode aus einem leichten Material, beispielsweise Titan, Zirkon oder ähnlichem hergestellt wird, um ihre Masse zu verringern, und dadurch die Aufheizung derselben zu verringern. Alternativ hierzu kann die innere Elektrode aus einem nichtleitenden Material geringer Dichte, beispielsweise Aluminiumoxid, mit einem leitenden Überzug gebildet werden.

In einer zweiten dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist die isolierte innere Elektrode aus einem abgedichteten Holilteil gebildet mit relativ dünnen Wänden, um dadurch seine Masse und seine Aufheizung zu vermindern.

In einer dritten dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist die isolierte innere Elektrode aus einem nicht-abgeschlossenen Hohlteil gebildet und auf diese Weise wird ein inaktives Gasvolumen im Innern der Elektrode vorgesehen, zusammen mit Mitteln, welche eine Gaswanderung aus diesem Volumen in das aktive Gasvolumen zwischen den Elektroden und in die anderen inaktiven Gasvolumen in der Kammer gestatten. Wenn die Kammer beim Betrieb in einem Reaktor erhitzt wird, wird das Gas in der Elektrode am heißesten werden. Daher vermindert die Abwanderung von Gas aus dem Inneren der Elektrode die Verluste an Gasatomen aus dem Raum zwischen den Elektroden und verbessert dadurch die Linearität des Detektors.

Eine ausführliche Erläuterung der Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Abbild un -·; on ^rr, e g eb en . _v

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Fi^<r. "' ist «in ο Goheriat isc'r¹ Darst^llui¹ ; 'ύητ 1 ί] >-\.ι', τ, vrnr r:.'.\ i. er ::a'"'iöri^n oc

Fi"·. " ist ein« Langsschii ittdarstellung einer Ionenkammei' in einer ersten Ausführungsform.

Fi;.2a gibt einen Längsschnitt einer anderen Ausführungsform der innerer! Elektrode.

Fig. 3 zeigt eine scb^matische Darstellung einer Ion°nkannner in dem Kern eines Ke rn real; to rs .

Fi-T. 4 veranschaulicht den aus ;;an;sseit i:^von Strom der Ionenkammer als Funktion des Neutronenflusses.

FijT. 5 z-eif5t die Verluste an aktiven Gasmolekülen von Kalt nach Heiß als Funktion des Neutronenflusses.

Fig. 6 ^ibt einen Längsschnitt einer Imeukammer gemäß einer zwe it en Ausf uhr un.^Sf orm.

Fig. 7 zeigt einen Längsschnitt einer Ionenkammer gemäfc einer d ritt en Ausf Uli rungsf orm.

Fig. C ist eine schematische Darstellung der untereinander verbundenen Gasvolumen der Ionenkammer nach Fig. 7.

Fig. 1 zeigt eine vereinfachte, schematische Darstellung einer Ionenkammer "O (Ό, «lie in einer Strommeßschaltung vex'bunden ist. Die Kammer ^O C) besteht aus einem geschlossenen zylindrischen äußeren Gehäuse ¹^, daß auch als eine äußere Elektrode 12 dient, welche durch einen Leiter ¹3 mit Masse verbunden ist (dies kann der äußere Leiter eines Koaxialkabels sein). Im Inneren der Kammor ¹O (¹) ist in einem Abstand und isoliert zur äußeren Elektrode eine innere Elektrode "· 4 enthalten, die durch einen Leiter ¹C über eine Stromanzeigeeini'ichtung oder ein Meßinstrument "7 mit dem positiven Anschluß eines Netzteils ¹;..

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- Ö

verbunden ist, dessen negativer Anschluß geerdet ist. Zwischen der äußeren Elektrode ¹S und der inneren Elektrode "'4 ist ein Überzur: ¹I aus Neutronen aktivJsrbarem Material gebildet, beispielsweise aus einem spaltbaren Material wie Uran. Die Kammer ¹O (1 ) wird evakuiert und "dann erneut gefüllt mit einem ionisierbaren Gas 2c-₁ beispielsweise Stickstoff, Argon, Helium oder ein ähnliches Gas, und wird dann durch eine Abdichtung ?A aus isolierendem Material verschlossen, beispielsweise aus Aluminiumoxid. Bei Anwesenheit eines Neutronenflusses erfolgen in dem Material des Überzugs ^1r* Spaltreaktionen mit einer Häufigkeit, welche dem Neutronenfluß proportional ist. Die erhaltenen Spaltfrahmente erzeugen eine Ionisation des Gases 20 proportional zur Zahl der Spaltvorgänge. Di^e Kammer wird normalerweise in dem Sattigungsbereich betrieben. Das heißt, die Amplitude der Spannung; des Netzteils 18 wird so gewählt, daß praktisch alle Ionenpaare von den Elektroden gesammelt werden. Demzufolge fließt ein Strom i in der Schaltung durch das Meßinstrument ¹T, welcher proportional zu dem Grad der Ionisation ist, und daher proportional zum Neutronenfluß. In einem Reaktor ist ,jedoch der Leistungspegel proportional dem Neutronenfluß. Daher fließt der Strom i durch das Meßinstrument "· 7 auch proportional der örtlichen Leistungsdichte in dem Reaktorkern unmittelbar benachbart zur Kammer TO (1).

Eine erste Ausführungsform einer Ionenkammer ¹n(2) gemäß der Erfindung ist im Längsschnitt in Fig. 2 dargestellt. Die Kammer ¹O (2) enthält eine rohrförmige äußere Hülle 31, einen Endstopfen 32 und eine Kabelschelle 33, wobei der Endstopfen 32 und die Kabelschelle 33 mit der Hülle 3t durch Schweißen, Hartlöten und ähnliche Verfahren verbunden ist. Eine zylindrische äußere Elektrode 34 ist in einer Lage benachbart zur äußerer; Hülle 3" gehaltert, und auf dieser Elektrode ist eine ,'Jchicht oder ein Überzu·'· 3G aus durch Neutronen aktivierbarem Material gebildet. Im Abstand ist in der Kammer "-0 (2) ein Paar ringförmiger Isolatoren 37 und 38 angeordnet, die beispielsweise aus Aluminiumoxid bestehen. Diese Isolatoren 37, 3ί tra-'■■«n eine abgestufte zylindrische innere Elektrode 3? O). Die

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Elektrode 3' (^!) ist mit ^in'i :,?n -ν,'.Ίί. "., ν~> versehen ;:ur Aufnahne einer Verlängern;! ■ »in^s Mitt v'.l/'ii'!rs 4"' eines Koaxialkabels A?,, v/obei der Leiter 4' pit der Elektrode 3-.. (i ) bei eleltrisoh ν erb'.in den ist. Ein äuüerer Leitet* 44 des Koaxialltabds 4Γ, ist fest riit der Kabelschelle 33 verbinden. Zwischen · dem mitt Ie ve η und äußeren Leiter ist das Kabel 4P. !"it einer in in era lisch en Isolierung 40 :;efüllt, beispielsweise i^iit Magnesiumoxid, Aluminiumoxid, oder ähnlielieni Material. Die Kammer und das Kabel 42 sind untereinander gasdicht abgedichtet durch einen rinp förnii-en Isolator 35, an dem eine innere Hülse 40 p ) und eine äußere Hülse 40 (2) fest verbunden sind. Die Hülsen 4O (1) bzw. 40 (2) sind ihrerseits mit dera Mittelleiter 4¹ bzw. mit der Kabelschelle 33 fest verbunden. Zur Evakuierung und anschließenden Fülluii"; der Kammer mit einem ^eeipneten Gas ist ein Quetschrohr 47 in einer Mittelbohrunr; des Endstopfens 312 abgedichtet ein;;ef ü ;t. Ein Isolierstopfen 4b ist im Inneren der öffnung des Isolators 37 eingepaßt, um die Empfindlichkeit der Kammer für GamrRSti'ahlen zu reduzieren.

Auf diese Weise liefert die Kammer T (^r) ein aktives Gasvolumen V₁ zwischen der äußeren Elektrode 34 und der inneren Elektrode 39 C¹) und ein relativ n^r°ßes inal tives Gasvolumen im Inneren des Abquetschrohres 47 und andere inaktive Gasvolurnen, wie beispielsweise im Inneren der 'iffriun.; des ringförmigen Isolators Diese inaktiven Gasvolumen sind als Gasvolumen V^ bezeichnet, und so weit in dieser Beschreibung der Ausdruck inaktiVes Gasvolumen auf das Volumen des Quetschrohres 47 aufwendet wird, soll die Bezeichnung "Volumen V₃" auch noch die anderen inaktiven Gasvolumen umfassen.

Fif\". 3 zeip;t schematisch eine Ionenkammer ^C, die itii Kern eines Kernreaktors zur Überwachung des N^utronenflusses angeordnet ist. Wie an sich bekannt, umfaßt ein solcher Kern eine Vielzahl von im Abstand angebrachten Brennstoff anordnungen 4i:, die jeweils eine Vielzahl von Elementen enthalten, welche spaltbares Material beinhalten, beispielsweise U "35. In dem Kaum zwischen den Brennstoff anordnungen ist ein Schutzrohr 5¹ zur

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Aufnahme der Kammer Τ· eingesetzt. Mit Hilfe von nicht gezeigten Einrichtungen wird ein Kühlmittel nach oben durch die Brennstoff anordnun-en gepumpt, um diesen Y/ärme zu entziehen. Das Rohr 51 kann am Boden verschlossen oder, wie gezeigt, off en sein, um einen an der Karnner ¹T vorbeifließenden Kühlmittelstrom aufzu-

V'enn der Reaktor vom abgeschalteten Zustand auf den Leistungszustand gebracht v/ird, erhöht sich der Neutronenfluß und der Strom von der Ion*mkahirner wächst proportional hierzu an. Idealerweise ist der Kammerstrom i eine lineare Funktion des Neutronenflusses entsprechend der Kuive 52 der Fig. 4. Mit der Erhöhung der Reaktorleistung wird jedoch die Ion°nkarnmer den verschiedensten Aufheizeffekten ausgesetzt, unter denen die Erhitzung im Inneren der Kammer durch GamaFtrahlung und Spaltungsprozesse vorherrschend sind. Die Erhitzungsgeschwindiekeit und die i/ärmeübergangseigenschaften der verschiedenen Komponenten der Kammer bewirken, daß in der Kammer Temperaturgi-adienten ausgebildet werden. Insbesondere wird entsprechend Fig. 2 die innere Elektrode 3l die heißeste Komponente sein, sowohl wegen ihrer Masse als auch wegen ihrer thermischen Isolierung· durch die Isolatoren 37 und 38. Andererseits bleibt der Endstopfen 32 auf einer geringeren Temperatur wegen seiner Wärmeabgabe an die Umgebung. Daher erreicht das Gas in dem aktiven Gasvolumen V₁ eine höhere Temperatur als das Gas in dem inaktiven Gasvolumen V„. Die Volumen V₁ und V₃ sind durch Kriechwege um die Kammerkomponenten herum vex'bunden, beispielsweise um den Isolator 37 herum. Daher err ibt sich eine Änderung von Gasnol^külen von den aktiven Volumen V₁ zu dem kältere) Volumen V₃, so daß der Druck im Inneren der miteinander verbundenen Volumen ausgeglichen wird. Dieser Gasverlust von dem aktiven Volumen V₁ mit Erhöhung des Neutronenflusses (derlLeistung) ist durch eine Kurve 53 ir Fip;. 5 dargestellt.

Da der Ausgangsstrom i der Kammer eine Funktion der Zahl von Gasmolekülen in dem aktiven Volumen V^ ist, bewirkt ein Verlust von Gas aus diesem aktiven Gasvolumen ein Abweichen der Kammer

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!;·/->:.ν- «Aä BAD ORIGINAL

von dem linearen Ansprechen gemäß Kurve 54 mit der Erhöhui: ^s i,^ ist un -S)? eis im J einer hierdurch bewirkten Frhitzung der Kammer.

Gemäß der erster; Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 2 wird die innere Elektrode 39 (1) anstelle des üblichen rostfreien Stahls aus einem Material geringerer Dichte gebildet, beispielsweise aus Aluminium, Titan, Zirkon, Magnesium, Kohlenstoff oder aus einem nicht-leitenden Material geringer Dichte mit einem leitfähigen Überzug, beispielsweise Aluminiumoxid mit Aluminiummetallüberzug. Hierdurch wird die Masse der Elektrode 3,* O) verringert,mit dem Ergebnis, daß eine geringere Erhitzung der Elektrode und daher eine ,geringere Erhitzung des benachbarten Gases in dem aktiven Gasvoluraen V- erfolgt. Mit der geringeren Erhitzung des Gases im Volumen V₁ besteht eine gerinpere Wanderung vor, GaStnoleLülen aus diesem Volumen heraus und daher "ine ^erin""ie Abiveicimng der Kammer von dem linearen Ansprechverhalten bei Erhöhung des Pegels des Neutronenflusses. In der Tabelle ■> ist die Verminderung des aktiven Gasverlustes durch die Verwendung einer inneren Elektrode aus kompaktem Titan anstelle einer vorbekannten inneren Elektrode aus rostfreiem Stahl veranschaulicht. Die Fig. 2a zeigt eine innere Elektrode 39¹ (1), die aus einem nicht-leitenden Material gebildet ist,(beispielsweise aus Oxiden, von Aluminium, Magnesium, Silizium oder ähnlichem Material) an der ein leitender Überzug 45 fest verbunden ist.

Eine zweite Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 6 dargestellt. Gemäß dieser Ausführungsform ist eine Ionenkammer 1.0 (3) allgemein ähnlich der Kammer ¹O (2) der Fig. 2. Die Ausnahme besteht darin, daß die innere Elektrode aus einem rohrförmigen Segment oder einer Hülse 56 gebildet ist, die mit einem Paar Endteilpn 5/ und 5* verbunden ist, um eine verschlossene hohle innere Elektrode 3;: (2) zu bilden. Die verringerte Masse dieser hohlen Form einer Fielet rode 3;J (2) vermindert ihre Erhitzung des aktiven Gases in dem Volumen V- und damit de" Gasverlust mit entsprechender Verbesserung der Linearität des Ansprechverhaltens

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der Kammer. Di? Verminderung des Verlustes an aktivem Gas durch Jio Verwendung von abgedichteten hohlen Elektroden ist ebenfalls in ifpr Tabelle ''■ dargestellt..

Eine c-ritte A usf üb run -^s form der Erfindung ist in Fig. "7 gezeigt. In dieser Ausführungsform ist eine I nenkaramer ^1r (4) allgemein ähnlich der Kammer ''O (2) gemäß Fig. 2. Die Ausnahme besteht darin, daß eine innere Elektrode 3 0 (3) aus einem rohrförmigen Segment oder einer Hülse GO gebildet ist, die an einem Ende mit einem Endteil G"¹ verbunden und an ihrem anderen Ende durch einen abgestuften zylindrischen Isolator 62 gehalten ist. Diese Anordnung bildet ein zweites inaktives GasvolumenjV^ im Inneren der inneren Elektrode 3¹J (3). Dieses Volumen ist zur Gaswanderung mit den Gasvolumen V^ und V₀ durch Kriechwege um den Isolator 62 herum verbunden. Alternativ können Gaskanäle 63 und 64 durch den Isolator 62 vorgesehen sein, um diese 'Wanderung zu begünstigen .

Die Theorie der Arbeitsweise der Ausführungsform nach Fin;. 7 wird nachstehend anhand der Fig. 2 erörtert, welche eine schematische Darstellung der untereinander verbundenen Gasvolumen V., , V₀ und V₀ enthält. Das Volumen V₀ soll dabei alle iiiai ti ν er. Gasvolumen im Inneren der Kammer beinhalten, mit Ausnahme des inaktiven Gasvolumens V₉ itn Inneren der Elektrode 39 (3). In dem kalten Zustand (beispielsweise wenn sich die Kammer in einem stillgelegter keaktor befinlet) ist das Gas in allen drei Volumina V-, _f Vp, V auf der gleichen Temperatur T₍, und auf dem gleichen Druck P . v/enn der Reaktor auf irgendeine vorgegebene Leistung gebx*acht wird, erzeugen die Strahlun.^seffekte und andere Aufheizeffekte eine Erhöhung in der Kammertemperatur und die Wärmeübergangs- · eigenschaften der verschiedenen Komponenten der Kammer bewirken Temperaturgradienteii, gemäß denen sich die Temperatur von T auf T₁.,, T_{1 o} und T₁₃ in den Volumina V₁, V„ und V₀ erhöht. Die Konstruktion der dargestellten Ionenkammer ist dabei so ausgelegt, daß das inaktive Volumen V₀ im Inneren der inneren Elektrode 3 9 (3) die. höchste Temperatur erreicht. Das aktive Volumen V₁ zwischen den Elektroden ist ein wenig kalter, das inaktive Volumen

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- ΛΟ -

Vo einschließlich des Volumens in dem Quetschrohr 47 ist am kältesten. Das heißt, es besteht die Beziehung T₁ „> T. ₁> T.,„ . Der Gasdruck erhöht sich selbstverständlich mit/der Gastemperatur und erreicht einen Druck P₁>P„ , da das gesamte Kammervolumen konstant bleibt. Fs findet jedoch eine Wanderung von Gasmolekül^n von den heißen zu der kälteren Volumen statt, so daß das Druckr^leichijewicht aufrecht erhalten bleib't.

Es wurde gefunden, daß der Gasverlust aus dem aktiven Volumen V₁ auf ein Minimum gebracht werden und daher die Linearität der Kammer aufrecht erhalten werden kann durch eine richtige Wahl der Größe des Volumens V,-. bezüglich der Größe eier Volutnina V₁ und Vo. Dadurch wird die ',/änderung von Gasmolekül4n aus dem Volumen V₁ kompensiert durch die Wanderun·; von Gasmolekülen aus dem heißeren Volumen V_n und die resultierende Anzahl von Gasmolekiilen in dem aktiven Volumen V₁ bleibt praktisch konstant. Die Betrachtungen zur f;eeip;neten Wahl der relativen Größe dieser Volumina werden nachstehend aufgeführt.

Wenn die Anzahl von Gasmolekülen in jedem Volumen mit N₁, N _r, und No in dem kalten Zustand und mit N₁₁, N_{1 ?} und N₁₃ in dem erhitzten Zustand bezeichnet wird, dann ^iIt für den kalten Zustand folgende Bedingung:

(1) ^P0 ^V1 - ^Nüi^kT0' ^PO^V2 - W ^P0^V3 - ^NC3^kV

und in dem erhitzten Zustand eilt:

_(o) P₁V₁ -N₁JkT₁₁, P₁V₂ = N₁₂M₁₂, P₁V₃ = N₁₃KT₁₃;

dabei bedeutet die Größe k die Boltzmann'sche Konstante.

Da die drei Volumina V₁, V₀ und V_q ein geschlossenes System bilden, ist die Gesamtzahl von Gasn-oleküler in Inneren clr>v Kammer konstant, und es ;^Tilt daher:

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(3) N_c1 + Ν_ορ + N₀₃ = N₁₁ + N₁₂ + N₁₃.

Die anteilmäßige Änderung der Zahl von Gasmolekülen in deiu akti ven Volume« V_t zwischen dem kalten und dem erhitzen Zustand der Kammer wird clurcl· das nachstehende Verhältnis ferc

Es ist erwünscht, dieses Verhältnis durch die Volumina und Temperaturen auszudrücken, da diese Parameter bestimmbar sind. Man erhält daher aus den Gleichungen "< und 2:

<⁵⁾ ir- - ir- τ²- ^und ρ¹ - w¹ T

Ol C 11. O C3 O

Durch Einsetzen des Ausdrucks N₁₃ aus der Gleichung (3) ergibt s ic h: ■

(G) P₁

oder aus der Gleichung (i ):

^V1 ^V2^NU ^N^2 ^Ti

1 / 1 9 _ 1 1 19,. ¹Ii

■ — I 1 j. ' "l Λ — IJ. Λ \ ΙΟ

— - V^χ + vT ■+ ντ ύγζ - Tr-: ;

YZ⁺Vi νττ - irr /' τ~~

ebenso aus den Gleichungen (1 ) und (2):

N PVT N PVT-

(O) "-«7. _ ^Jl^¥1 ¹O . 12 _ *-"^ν2 ¹O

Tj ^UI

C3

ι-) V T~ ^UI TJ ' T—

C 3 ¹Ii ^ΧΌ3 0 3 ¹.2

Einsetzen der Gleichung (3) in (7) liefert:

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-4Z-

, V₁ T₁₃ Y₂T₁₃

"I

₁₃ Y₂T₁₃ ν ν

VJ TT ⁺ J I + ⁺

Die Korabination der Gleichung U und der Gleichung 5 zur Eliminierung des Ausdrucks Ρ-,/Ρ- liefert:

C¹C) . V Vo

2
^{1 +} ^⁺

. V₂ T^₁ V₃

ι 12

13

Daher ]-ann das Verhältnis gemäß der Gleichung (4) durch die Volumina un;T T^i-iv^ratur^n wie folfct ausgedrückt worden:

(11) N_c1 - N₁₁

V 1 +

v₂ T₁₁ v₃ T₁₁

V T 12 1 13

Wenn daher diese Temperaturen und Volumina bekannt sind, kann die änderung der Zahl der Gasmoleküle in dem aktiven Volumen V₁ bei Änderung der Erhitzung festgestellt werden, und damit die Abweichung des Kammerverhaltens von der Linearität ermittelt werden. Die Volumina V₁, V₂ und V₃ sind selbstverständlich wählbare Parameter der Kammerkonstruktion. Die Temperaturen T^₁, T₁₀ und T₁O sind bestimmbar für eine gegebene Aufheizgeschwindigkeit durch Versuche und durch eine Analyse des Wärmeflusses für eine bestimmte Konstruktion der Ionenkammer.

Wie bereits erörtert, verliert in dem erhitzten Zustand eine nicht-kompensierte Kammer (d.h. eine Kammer, die nicht ein angeschlossenes Elektroden-Volumen V₀ besitzt) Gas aus dem hnisseren aktiven Volumen V₁ an das kältere inaktive Volumen V₃. nit

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entsprechender Verminderung eier Neutronenerapfindlichkeit (siehe ¥±r.. 4 und 5). In einer kompensierten Kammer gemäß der Erfindung; wird der Gasverlust aus dem aktiven Volumen V- durch einen Gasgewinn oder Zuwachs von dem heißeren Elektroden-Volumen Vw kompensiert, wobei das Ausmaß der Kompensation von den Größen der Volumina und'Temperaturen abhängt.

Der Kompensationsvorgan?; wird verständlich durch eine Untersuchung der Gleichung 1O. Aus dieser Gleichung ist ersichtlich, daß eine exakte Kompensation ohne resultierenden Gasverlust des aktiven Volumens V₁ unter folgender Bedingung erreicht wird:

(12)

^Noi

In Volumina und Temperaturen kann diese Gleichung wie folgt ausgedrückt werden:

(13) V₂ V₃ T₁₁ - T₁₃ T₁₂

1 t 12 ¹Ii 3.3 .

Daher kann bei Kenntnis des inaktiven Volumens Vo und des aktiven Volumens V₁ und durch Bestimmung eines Satzes von Temperaturen T₁₁, T₁₂, und T₁₃ für eine bestimmte Geschwindigkeit der Karamererhitzung (oder für einen bestimmten Pegel der Reaktorleistung) ein Elektroden-Volumen V_? ausgewählt werden, das für diesen bestimmten Temperatursatz zu einer exakten Kompensation des Gasverlustes vom Volumen V₁ führt. Selbstverständlich ist die Kompensation für andere Sätze von Tempereturwerten nicht exakt. Jedoch kann bei Anwendung der Erfindung auf eine Ionenkammer zur Verwendung in einem bestimmten Kernreaktor der Punkt für die exakte Kompensation so ausgewählt werden, daß er irgendeinem gewünschten Leistungspegel des Reaktors entspricht.

Y/eiterhin wurde gefunden, daß der Grad der Kompensation in den praktisch vorkommenden Bereichen relativ unempfindlieh bezüglich

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Änderungen der Reaktorleistun^ ist, da bei Änderung der Iteaktorleistun^ und damit der Erhitzung der Kammer die Änderung des Gasverlustes vom aktiven Volumen begleitet ist durch eine entsprechende Änderung in der Menpe des kompensierenden Gases von dem Elektroden-Volumen V_n. Dadurch bleibt die Zahl der Gasmoleküle in dem aktiven Volumen V- relativ konstant.

Der Grad der Kompensation D ist definiert als Quotient der Differenz des Gasverlustes des aktiven Volumens zwischen dem nicl-tkompensierten und dem kompensierten Zustand und wird daher durch die folgende Beziehun^ ^^

N -N M -N

η = ^QI nicht-kompensierf ^NQ1. ^kompensiert

O¹ •'nicht-kompensiert

Der unkompensierte Zustand wird dann erhalten, wenn das heiße Elektroden-Volumen V_n verschlossen wird, und nicht in Verbindung mit V₁ und V₃ steht. Für diesen Zustand kann der Gasverlust aus dem aktiven Volumen durch Einsetzen des Wertes V₉ = O aus der Gleichung C¹¹) erhalten werden. Daher ergibt sich in Volumina und Temperaturen ausgedrückt folgende Beziehung für den Grad der Kompensation: ^

V T VT VT

-γ- I —τ—

D = —^ ί?-

V₁

Die Tabelle 1 gibt einen Vergleich des Verlustes an aktivem Gas für eine vorbekannte Ionenkammer und für eine erfindunfjsgemäße Ionenkammer für niedrige Zwischenwerte und hohe Pe^eI für den Neutronenfluß und den Gammafluß. Mit Ausnahme der Mittelelektrode

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TAEELLE I

- lila -

ro ο co

ANODEN KONSTRUKTION

NIEDRIGE LEISTUNG Neutronenfluss 2,8xlO^1:5nv Gammafluss 1,22x10 R/std

WATEPIAL

SS

SS

SS

SS

SS

FORK

kompakt (vorbekannt) AD 3,58 mm (0.141")

Hohl/ verschlossen ID 2,56 mm (O.101")

hohl,verschlossen ID 3,08 mm (0.121")

hohl, offen ID 2,56 mm (0.101")

hohl, offen ID 3,O8 mm (0,121")

Gasverlust vom aktiven Volumen

0,724 0,429 0,299

-0,007 Ό,Ο44

Grad der Kompensation

(50

101,6

114,7 MITTLERE LEISTUNG Neutronenfluss 1,5x10^ η Gammafluss 6,52x10 R/ptd

Gasverlust
vom aktiven
Volumen
(50

3,67

2,22

1,57

0,033

-0,196

Grad der Kompensation

(1)

98,5

112,5

HOHE LEISTUNG

14

Neutronenfluss 2,8x10 nv Gammafluss l,22xlO⁹R/Std.

Gasverlust vom aktiven

Volumen

6,47

4,01

2,86

0,178

-0,296

Grad der Kompensation

95,6

110,4

	Form	NIEDRIGE ]	TABELLE I (Portsetzung) - l4b -	,52x10 R/Std,	MITTLEPE LEISTUNG ^	Grad der	r	HOHE LEISTUNG .	,22xlO;7R/Std.
	mm	LEISTUNG „_	Grad der	Neutronenfluss 1,5x10 nv	Kompensa	r	Neutronenfluss 2,8x10 nv	Grad der
ANODEN KONSTRUKTION		Neutronenfluss 2}8x,10x;m	Kompensa	Gammafluss l,22x!O9R/Std	tion	1	Gammafluss 1	Kompensation
	kompakt	Gammafluss 6	tion	Gasverlust	{%)		Gasverlust
	AD 3,5^ mm	Gasverlust	(50	vom aktiven	0		vorn aktiven	(*)
	(0,141")	vom aktiven	0	Volumen		Volumen	0
Material	hohl;ver	Volumen		(*)		(50
	schlossen	(%)		2,45	0	4,40 '
	ID 2,56 mm	0,473 ■	0				0
τι	(0.101")
	hohl/ ver			1,60		2,92
	schlossen	0 305			0
Ti	ID 3,06 mm	^*-7 9 J v-^ J	0				0
	(0.121")
	hohl, offen			1,22		2,25
	ID 2j5^ mm	0,231			95,0
Tl	(0.101")		97,1				93,0
	hohl, offen
	ID 3,08 mm			0,080	107,4	0,205
	(0.121")	0,009	109,1				105,9
Ti
				- 0,091	-0,133
		0,021	AD = Auß<
Ti			ID = Inn«
			ss = Ro si	mdurchmesse
		Ti = Tits	mdurchmesse
		ifreier Stal
		in

wurden alle anderen Kammerkomponsnten und Abmessungen im wesentlichen gleich belassen, so daß die Wäi"meleitfähigkeitseigenschaften in ,jedem Falle die gleichen sind.

Die folgenden beispielhaften Werte werden zur Veranschaulichunp; der Auslegung und Konstruktion einer Spaltkammer gemäß der Erfindung gegeben. Die Hülle 31, der Endstopfen 32, die Kabelschelle 33 und die äußere Elektrode 34 sind aus rostfreiem Stahl. Die Isolatoren 37, 38, 48 und 62 sind aus einem Keramikmaterial, beispielsweise aus Aluminiumoxid. Die spaltbare Schicht 36 besteht aus einem Uranoxidüberzug, der etwa 0,88 gr von auf 92% angereichertem Uran besteht. Die Hauptabmessungen dieser beispielhaften Spaltkammer werden nachstehend angegeben.

Element

Äußere Hülle 3i Länge

Außendurchmesser Innendurchmesser

Äußere Elektrode 34 Länge

Außendurchmesser Innendurchmesser

Spaltbare Schicht Länge
Dicke
Innendurchmesser

Innere Elektrode 39 Länge

Außendurchmesser Aktives Volumen V Inaktives Volumen

Koaxialkabel 42

Außendurchmesser

Abmessung

7 cm (2,75") 5,ε mm (0,230") 4, C- mm (0,"¹OO")

4,2 cm (1,65") 4,75 mm (0,1.87") 4 ram (0,157")

2,54 cm (1,00") 38, 2/um (0,03 5·10"³') 4 mm (0,157")

2,08 cm (1,17") 3,58 mm (0,141")

3
0,06 cm (0,06 cc.)

0,077 cm³ (0,077 cc.)

3,IS mm (0,125")

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Λ*

*· ♦€ -

In den Ausführungsformen der Erfindung mit hohler Innenelektrode kann das inaktive Volumen V₀ durch Änderung des Innendurchmessers

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der Elektrode variiert v/erden. Für die Verwendung bei einem typischen Leistuiir;sreal;tor mit ^r>O";eln für den Neutronenfluß in der Größenordnung von ic ' nv für einen typischen Viert des Verhältnisses V₃ / V₁ von i,2C lie;?;t das Verhältnis V₉ / V₁ für eine wesentliche Kompensation des Gasverlustes im Bereich von 2 bis

In den vorstehenden Ausf ührunrrsbeispielen wurde die Erfindung im Zusammenhang mit Ionenkammern des Kernspaltungstyps beschrieben. Die erfindunpjso-emäße technische Lehre kann jedoch auf jede Form einer Ionenkammer angewendet werden in irgendeiner Strahlungsumgebung, in der Nicht-Linearität infolge von Gaswanderung ein Problem darstellt (beispielsweise eine mit Bor ausgekleidete Kammer, eine Kammer des Brütertyps, einer Gammakammer).

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BAD

Claims (8)

1. Patentansprüehe

   Strahlungsdetektor, dadurch g e k e η η ζ e i c h n e t, daß er umfaßt: eine verschließbare Kammer (¹C- (!*.) ), die ein ionisierbares Gas (20) enthält, ein-? rohrförmig erste Elektrode (12) (32) in der Kammer, eine im wesentlichen kompakte zylindrische Elektrode (14) (39) konzentrisch im Inneren der ersten Elektrode und im Abstand von derselben zur Bildung eines ersten Gasraumes (V-) zwischen diesen Elektroden, wobei die zweite Elektrode (14,39) aus einem leitenden Material aus der Gruppe Aluminium, Titan, Zirkon, Magnesium und Kohlenstoff besteht, eine Einrichtung (47) zur EVaIvUIeI¹UnP:, Füllung und zum Verschließen der Kaituner, eine Einrichtung sur Bildung eines aweiten 3asraumes und einer Einrichtung für die Wanderung von Gas zwischen den Gasräumen.
2. 2. Strahlungsdetektor ,nach Anspruch 1, dadurch ge-, k e η η ζ e i c h η e t, daß die zweite Elektrode aus einem isolierenden Material gebildet ist, mit eignem, leitfähigen Überzug auf ihrer der ersten Elektrode gegenüberliegenden äußeren Oberfläche.
3. 3. Strahlungsdetektor, dadurch gekennzeichnet, daß er umfaßt: eine verschließbare Kammer OG), die ein ionisierbares Gas enthält, ein Paar von im Abstand angebrachten Elektroden (32, 3D) in der Kammer, welche einen aktiven Gasraum zwischen den Elektroden bilden, einen ersten inaktiven Gasraum (V_n) , der durch einen Hohlraum in einer der Elektroden gebildet ist, eine Einrichtung zur Evakuierung, Wiederfüllung und zum Verschließen der Kammer, welche einen zweiten inaktiven Gasraum (V^) bildet.
4. 4. Strahlungsdetektor nach Anspruch 3, dadurch g ekennzeichnet, daßdsr erste inaktive Gasraum im Inneren einer der Elektroden verschlossen ist.

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5. 5. Strahlungsdetektor nach Anspruch 3, da d u r c h ge-, kennze ich net, daß er Einrichtungen zur Vianderung von Gas zwischen den Gasräumen enthält,
6. 6. Strahlungsdetektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des ersten inaktiven Gasraumes zwischen dem 0,75 und 5,25-fachen des Volumens des aktiven Gasraumes trägt.
7. 7. Strahlungsdetektor, dadurch gekennzeichnet, daß er umfaßt: eine verschließbare Kammer, welche ein ionisierbares Gas enthält, eine ex-ste rohrförmige Elektrode in dieser Kammer, eine konzentrische im Innreren der ersten Elektrode und in einem Abstand von dieser zur Bildung eines ersten Gasraumes zwischen den Elektroden angeordnete zweite Elektrode, wobei die zweite Elektrode mit einer relativ dünnen Wand ausgebildet und an jedem Ende zur Bildung eines abgeschlossenen Hohlraumes in ihrem Innern verschlossen ist, eine Einrichtung zur Evakuierung, Yfiederfüllung und zum Verschließen der Kammer, wobei diese Einrichtung einen zweiten Gasraum bildet und eine Einrichtung, welche eine !Wanderung von Gas zwischen den Gasräumen gestattet.
8. 8. Gegen Gasverlust kompensierte Ionenkammer zur Erfassung des Neutronenflusses in einem Kernreaktor bei einem vorgegebenen Pegel, da durch gekennzeichnet, daß der Detektor umfaßt: eine verschließbare Kammer, welche ionisierbares Gas enthält, eine rohrförmige äußere Elektrode in der Kammer, eine im Abstand von der äußeren Elektrode zur Bildung eines aktiven Gasvolumens (V-) angebrachte rohrförmige innere Elektrode, welche auch noch ein inaktives Gasvolumen V₂ im Innern dieser inneren Elektrode bildet, einen zusätzlichen Gasraum im Inneren der Kammer mit einem inaktiven Gasvolumen V„, eine Einrichtung, welche das Wandern von Gas zwischen den Gasvolumina gestattet, woboi die relativen Größen der Voluaina gemäß der nachstehenden Beziehung ausgewählt sind:

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   VV T -T T

   2 ₌ 3 11 1.3 12

   V VT -T T

   ι 1 12 Ii ?.3 ,

   wobei T₁₁, T₁₂ und T.,,,'die Temperatur bei diesem vorgegebenen Leistungspegel für das Gas in den Volumina V₁ bzv/,
   V₁-I baw. Vo angeben.

   G. Strahlungsdetektor, dadurch gekennzeichnet, daß er umfaßt: eine verschließbare Kammer, welche
   ein ionisierbares Gas enthält, eine rohrförmige äußere Elektrode in dieser Kammer, eine im Abstand von der äußeren Elektrode zur Bildung eines aktiven Gasvolumens zwischen den
   Elektroden angebrachte rohrförmige innere Elektrode, welche noch ein erstes inaktives Gasvolumen (Vp) im Inneren dieser
   inneren Elektrode bildet, einen zusätzlichen Gasraum im
   Inneren der Kammer zur Bildung eines zweiten inaktiven Gasvolumens (Vq), eine Einrichtung, die das Wandern von Gas zwischen den Gasvolumina gestattet, wobei die Größe des ersten inaktiven Gasvolumens (Vr,) zwischen dem 0,75 und 5,25-fachen der Größe des aktiven Gasvolumens (V-) beträgt.

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