DE2229962C3

DE2229962C3 - Measuring element for the detection and dose measurement of gamma radiation and neutrons and a method for producing the measuring element

Info

Publication number: DE2229962C3
Application number: DE19722229962
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl.- Chem. Dr. 6507 Ingelheim Jahn; Ernst Dipl.-Phys. 7501 Leopoldshafen Piesch
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH; Jenaer Glaswerk Schott and Gen
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1972-06-20
Filing date: 1972-06-20
Publication date: 1980-02-28
Also published as: DE2229962B2; GB1395098A; FR2189753A1; NL7306216A; DE2229962A1; FR2189753B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Meßelement zum Nachweis und zur Dosismessung von Gammastrahlung und Neutronen, das aus einem Körper aus einem Radiolumineszenz-Stoff besteht, der die Energie der Gammastrahlung durch Änderung seiner chemisch-physikalischen Eigenschaften speichert und sie bei der Auswertung als der Dosis proportionales Lumineszenzlicht wieder abgibt, und der Phosphor und ein weiteres durch Neutronen anregbares chemisches Element in homogener Verteilung enthält, wobei mindestens eines dieser chemischen Elemente nach Anregung durch Neutronen Beta-Teilchen aussendet, die in dem Radiolumineszenz-Stoff eine Cerenkov-Strahlung erzeugen. Ein derartiges Meßelement ist aus »Nucleonics«, Bd. 18, Nr. 4, S. 92 und (1960) bekannt. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des Meßelementes durch Schmelzen einer Bortrioxid, Lithiumphosphat, Aluminiumphosphat und eine Silberverbindung enthaltenden Mischung. Ein solches Herstellungsverfahren ist aus der GB-PSIl 69 312 bekannt.The invention relates to a measuring element for the detection and dose measurement of gamma radiation and Neutron, which consists of a body made of a radioluminescent substance that absorbs the energy of gamma rays by changing its chemico-physical properties and storing them in the evaluation as emits luminescent light proportional to the dose, and the phosphor and another through Contains neutrons excitable chemical element in a homogeneous distribution, at least one of these chemical elements after excitation by neutrons emits beta particles, which in the radioluminescent substance generate a Cerenkov radiation. Such a measuring element is from "Nucleonics", Vol. 18, No. 4, p. 92 and (1960) known. The invention also relates to a method for producing the measuring element Melting a containing boron trioxide, lithium phosphate, aluminum phosphate and a silver compound Mixture. Such a production method is known from GB-PSIl 69 312.

Zur Personenüberwachung in strahlengefährdeten Bereichen der Atomkerntechnik werden meist zwei oder mehr Dosimeter getragen, welche neben der Gammastrahlung insbesondere die Neutronenstrahlung nachweisen. So wird zur Messung der Gammadosis beispielsweise ein Glasdosimeter verwendet. Die Messung der Neutronen erfolgt mit zusätzlichen Aktivierungsfolien, beispielsweise mit einer Sondenkombination von Gold, Gold in Cadmium, Kupfer, Indium und Schwefel. Es sind aber auch Dosimeterkombinationen bekannt, die aus gleichen oder verschiedenen Glasarten bestehen. Bei gleichen Gläsern wird das zweite Glas zusätzlich mit neutronenabsorbierenden Substanzen (Aktivierungs- und Absorbersubstanzen), wie z. B. Bor, Cadmium oder spaltbarem Material umgeben. Dabei zeigt unter Zugrundelegung einer Fluoreszenzmessung mindestens ein Glas die Gammadosis und Neutronendosis, das andere Glas die Gammadosis an. Ein ähnliches Ergebnis läßt sich durch zwei Glasarten mit verschiedener Neutronenempfindlichkeit erzielen. Aufgrund seiner aus der Zusammensetzung resultierenden physikalischen Eigenschaften ist das Glas jedoch im wesentlichen nur zum Nachweis thermischer Neutronen geeignet, wobei dies über eine Fluoreszenzmessung bzw. entweder durch eine Messung der Aktivität der Aktivierungssubstanzen oder durch Messung der durch diese Substanzen im Glas bzw. an dar Glasoberfläche hervorgerufenen Veränderungen geschiehtFor the monitoring of people in areas of atomic nuclear technology that are at risk of radiation, two are usually used or more dosimeters are worn, which in addition to gamma radiation, in particular, neutron radiation prove. For example, a glass dosimeter is used to measure the gamma dose. the The neutrons are measured with additional activation foils, for example with a combination of probes of gold, gold in cadmium, copper, indium and sulfur. But there are also dosimeter combinations known from the same or different Types of glass exist. If the glasses are the same, the second glass is additionally neutron-absorbing Substances (activating and absorber substances), such as. B. boron, cadmium or fissile material surround. Based on a fluorescence measurement, at least one glass shows the gamma dose and neutron dose, the other glass the gamma dose. A similar result can be obtained achieve two types of glass with different neutron sensitivity. Because of its out of composition However, the resulting physical properties are essentially only used as evidence of the glass thermal neutrons suitable, this via a fluorescence measurement or either by a measurement the activity of the activating substances or by measuring the amount of these substances in the glass or Changes caused to the glass surface happen

Nach einer Neutronenbestrahlung interessiert u. U. auch der Verlauf des Neutronenspektrums, d.h. die Kenntnis der Neutronenfluenz bzw. der Neutronendosis von schnellen, mittelschnellen oder thermischen Neutronen. Nach den bisherigen Methoden wurde eine Kombination verschiedener voneinander getrennter Neutronensonden verwendet, die einzeln ausgemessen werden. Die Wirkung der in einer Sondenkombination durch Neutroneneinwirkung entstandenen ionisierenden Teilchenbestrahlung kann aber auch als Gesamtdosis angezeigt werden, wenn die Einzelsonden nach Maßgabe ihrer Masse und geometrischen Anordnung entsprechend kombiniert wurden.After a neutron irradiation, the course of the neutron spectrum, i.e. the Knowledge of the neutron fluence or the neutron dose of fast, medium-fast or thermal neutrons. According to the previous methods, a combination of different ones was separated from each other Neutron probes are used, which are measured individually. The effect of in a probe combination Ionizing particle irradiation caused by the action of neutrons can also be used as a total dose are displayed when the individual probes according to their mass and geometric arrangement were combined accordingly.

Die Erfindung hat zur Aufgabe, ein Meßelement der eingangs genannten Art zum Nachweis und zur Dosismessung von Gammastrahlung und Neutronen zu schaffen, das auf die schnellen, mittelschnellen und thermischen Neutronen energieunabhängig anspricht.The invention has for its object to provide a measuring element of the type mentioned for detection and for Dose measurement of gamma rays and neutrons to create that on the fast, medium-fast and thermal neutrons responds independently of energy.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß der Radiolumineszenz-Stoff als zweites durch Neutronen anregbares Element Arsen enthä't.This object is achieved according to the invention in that the radioluminescent substance is the second through Contains arsenic, an element that can be excited by neutrons.

Das Verfahren zur Herstellung des Meßelementes ist dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung aus 2,8 Gewichtsteilen Bortrioxid, 19,2 Gewichtsteilen LithiumortophosDhat, 27,4 Gewichtsteilen Aluminiumpyrophosphat, 466 Gewichtsteilen Phosphorpentoxid, 3,9 Gewichtsteilen Silberoxid und 0,1 Gewichtsteilen Arsentrioxid besteht und bei einer Temperatur von 1200°C in einem keramischen Tiegel geschmolzen wird, daß die Schmelze danach 90 Minuten lang bei 1220°C geläutert, daß nach Abkühlung auf eine Temperatur von 1040°C die entstandene Masse gerührt wird, und daß dann nach kurzem Abstehen bei einer Temperatur von 1020° C die Masse in eine vorgewärmte Eisenform gegossen und einer langsamen Abkühlung unterzogen wird.The method for producing the measuring element is characterized in that the mixture consists of 2.8 parts by weight Boron trioxide, 19.2 parts by weight lithium ortophosphate, 27.4 parts by weight aluminum pyrophosphate, 466 parts by weight of phosphorus pentoxide, 3.9 parts by weight of silver oxide and 0.1 part by weight of arsenic trioxide and is melted at a temperature of 1200 ° C in a ceramic crucible that the The melt is then refined for 90 minutes at 1220 ° C, that after cooling to a temperature of 1040 ° C, the resulting mass is stirred, and then after briefly standing at a temperature of 1020 ° C poured the mass into a preheated iron mold and is subjected to slow cooling.

Durch die Erfindung wird somit ein Dosimeter zum Nachweis von Gamma-Strahlung und Neutronen geschaffen, das aus einem homogenen transparenten Körper besteht. Der Nachweis von Gamma-Strahlung kann dabei durch Photolumineszenz dieses Körpers erfolgen, während zum Nachweis von Neutronen dieser Körper als Aktivierungssonde nach einer Neutronenbestrahlung ^-Strahlung aussendet, wobei die Sonde hinsichtlich ihrer Fähigkeit zur Aussendung der ^-Strahlung infolge Neutroneneinwirkung nach Masse, Geometrie und Halbwertszeit so abgestimmt sein kann, daß die Wirkung der emittierten Strahlung auf ein zurThe invention thus provides a dosimeter for the detection of gamma radiation and neutrons created, which consists of a homogeneous transparent body. Detection of gamma radiation can be done by photoluminescence of this body, while this is used to detect neutrons Body emits as an activation probe after a neutron irradiation ^ radiation, the probe with regard to their ability to emit ^ -radiation as a result of the action of neutrons according to mass, Geometry and half-life can be coordinated so that the effect of the emitted radiation on a

Auswertung verwendetes Strahlenmeßgerät nicht nur der biologischen Neutronenwirkung angenähert proportional ist, sondern nach Aussagen Ober den Verlauf des Neutronenspektrums ermöglicht, z.B. aus dem Verhältnis von Linienintensitäten der Zerfallsprodukte der Substanzen.Evaluation of the radiation measuring device used is not only approximately proportional to the biological neutron effect is, but according to statements about the course of the neutron spectrum, e.g. from the Ratio of line intensities of the decay products of the substances.

Als Ausführungsbeispiel sei ein Dosimeter beschrieben, welches als durch Neutronen aktivierbare Stoffe Arsen und Phosphor enthält Aus natürlichem Arsen-75 entsteht durch mittelschnelle und thermische Neutronen Arsen-76, welches im wesentlichen /!-Strahlung aussendet und mit einer Halbwertszeit von 26,5 Stunden zerfällt. Der Nachweis schneller Neutronen erfolgt aufgrund der Umwandlung von Phosphor gemäß 31P (n, p) 31Si durch Neutroneneinfang und anschließende Protonenemission in SiIizium-31, welches eine Halbwertszeit von 2,6 Stunden hat Die /!-Aktivität dieser Detektoren kann leicht durch die Messung der Cerenkov-Strahlung gemessen werden, die durch diese Teilchenstrahlungen im silberaktivierten Phosphatglas induziert wird. Die Messungen können mit einem Flüssigkeits-Szintillationszähler ausgeführt werden. Diese Messung ergibt eine hohe Zählrate, gute Energieauflösung, geringes Rauschen, eine einfache Eichung und eine getrennte Messung der Neutronenfluenz von schnellen und langsamen Neutronen in gleichem Meßelement und Zähler.As an exemplary embodiment, a dosimeter is described which, as substances which can be activated by neutrons Arsenic and phosphorus contains Natural arsenic-75 is produced by medium-speed and thermal neutrons Arsenic-76, which essentially emits I - radiation and has a half-life of 26.5 hours disintegrates. The detection of fast neutrons is based on the conversion of phosphorus according to 31P (n, p) 31Si by neutron capture and subsequent proton emission in SiIizit-31, which has a half-life of 2.6 hours has The /! - activity of these detectors can easily be determined by measuring the Cerenkov radiation can be measured by this particle radiation in the silver-activated phosphate glass is induced. The measurements can be made with a liquid scintillation counter. This measurement gives a high count rate, good energy resolution, low noise, a simple one Calibration and separate measurement of the neutron fluence of fast and slow neutrons in same measuring element and counter.

Bei genauen Massenantcilen von Arsen und Phosphor, z. B. einem As2Oj-Gehalt von 0,1 % im silberaktivierten Phosphatglaskörper, wird mittels einer einmaligen Messung des Dosimeters die Direktanzeige der Neutronenfluenz erzielt oder wahlweise die Neutronendosis unabhängig vom Neutronenspektrum bestimmt, indem das Dosimeter innerhalb eines Zeitraumes von 4 bis 8 Stunden nach der Aktivierung ausgemessen wird, js Aufgrund der unterschiedlichen Halbwertszeit von Arsen-76 und Silizium-31 können jedoch beide Aktivierungsanteile getrennt bestimmt werden, wenn nach der Aktivierung zwei Messungen beispielsweise 6 und 24 Stunden nach der Aktivierung durchgeführt werden. Aufgrund des daraus ermittelten Zählratenverhältnisses bzw. des Aktivitätsverhältnisses von Silizium-31 zu Arsen-76 werden die Dosisanteile schneller und mittelschneller Neutronen erhalten, was zur ausreichenden Aussage über den Verlauf des Neutronenspektrums zumindest im Energiebereich von 0,7 bis 2,5 MeV herangezogen werden kann. Eine zusätzliche Ausmessung der Radiophotolumineszenz ergibt die unabhängige Bestimmung der Gamma-Dosis, an der ggf., je nach der gemessenen Neutronenfluenz bzw. Neutronendosis, noch eine Korrektur anzubringen ist, die dem Beitrag der induzierten Elektronen- bzw. Protonenstrahlung zur Radiophotolumineszenz entsprichtWith exact mass proportions of arsenic and phosphorus, e.g. B. an As2Oj content of 0.1% in the silver-activated Phosphate glass body, the direct display of the Neutron fluence is achieved or, alternatively, the neutron dose is determined independently of the neutron spectrum, by measuring the dosimeter within a period of 4 to 8 hours after activation, js Due to the different half-lives of arsenic-76 and silicon-31, however, both activation components can occur can be determined separately if, after activation, two measurements, for example 6 and 24 hours after activation. Based on the count rate ratio determined from this or the activity ratio of silicon-31 to arsenic-76, the dose proportions are faster and medium-speed neutrons are obtained, which is sufficient information about the course of the neutron spectrum can be used at least in the energy range from 0.7 to 2.5 MeV. An additional measurement the radio photoluminescence results in the independent determination of the gamma dose at which, if necessary, depending on the measured neutron fluence or neutron dose, a correction has to be made to the contribution corresponds to the induced electron or proton radiation for radio photoluminescence

Die Verwendung von silberaktivierten Metaphosphatgläsern als Photolumineszenzkörper und Meßsonde für Gamma-Strahlung ist bekannt. Im Prinzip läßt sich auch durch Ausnützung der Reaktion ³¹P (n, p) ³¹Si ein Neutronennachweis speziell schneller Neutronen erzielen. Die Möglichkeit der gemeinsamen Erfassung schneller, mittelschneller und thermischer Neutronen und ihrer spektralen Aufgliederung ergibt sich jedoch erst durch das gemeinsame Vorhandensein von As und P.The use of silver-activated metaphosphate glasses as photoluminescent bodies and measuring probes for gamma radiation is known. In principle, by utilizing the reaction ³¹ P (n, p) ³¹ Si, neutron detection of especially fast neutrons can be achieved. However, the possibility of jointly recording fast, medium-fast and thermal neutrons and their spectral breakdown only arises from the joint presence of As and P.

Die vorgesehene Beimengung von As stellte ein Risiko für die Bildung der Photolumineszenzzentren, die zur Speicherung der Energie der Gamma-Strahlung erforderlich sind, dar, da Arsen wegen seines leichten Valenzwechsels As³⁺ As⁵⁺ -t-2e- mit Silber, dessen Anwesenheit für die Radiophotolumineszenz unerläßlich ist, leicht in Wechselwirkung treten kann. Evtl. eintretende Reduktion der Silberionen zu metallischem Silber würde zur unerwünschten Bildung von Lumineszenzzentren führen, die eine Strahleneinwirkung vortäuschen können, oder zumindest eine unerwünschte Anhebung der Eigenlumineszenz, im vorliegenden Fall der Vordosis, zur Folge hätten. Entsprechend der Kenntnisse über das Verhalten von Arsen in Gläsern war daher mit einer Beeinträchtigung der Dosimeterfunktion der silberaktivierten Gläser zu rechnen. Es war daher überraschend, daß eine solche Beeinträchtigung nicht eintrat bzw. so gering war, daß sie durch Messung nicht festgestellt werden konnte.The intended addition of As posed a risk for the formation of the photoluminescence centers, which are required to store the energy of the gamma radiation, since arsenic, due to its slight valence alternation As ³⁺ As ⁵⁺ -t-2e- with silver, its presence for which radio photoluminescence is essential, can easily interact. Any reduction in the silver ions to metallic silver would lead to the undesired formation of luminescence centers which can simulate radiation exposure or at least result in an undesired increase in the intrinsic luminescence, in the present case the pre-dose. According to the knowledge about the behavior of arsenic in glasses, an impairment of the dosimeter function of the silver-activated glasses was to be expected. It was therefore surprising that such an impairment did not occur or was so slight that it could not be determined by measurement.

Es ist bekannt, daß Lumineszenzerscheinungen auch auf anderem Wege als durch erzwungenen Wertigkeitswechsel durch chemische Reaktionen beeinträchtigt werden können. Hierbei spielen vor allem strukturelle Faktoren eine Rolle, indem Substanzen, insbesondere Schwermetallionen, Lumineszenzzentren blockieren. In dieser Hinricht sehr wirksam sind beispielsweise Eisenionen, die bereits in geringen Konzentrationen die Radiophotolumineszenz silberaktivierter Phosphorgläser beeinträchtigen. Überraschenderweise wird jedoch die auf Verunreinigungen sehr empfindliche Radiophotolumineszenz durch das Schwermetallion Arsen nicht gestört.It is known that luminescence phenomena are also adversely affected by chemical reactions in ways other than forced changes in valence can be. Structural factors in particular play a role here, with substances in particular Block heavy metal ions, luminescence centers. In this execution are very effective for example Iron ions which, even in low concentrations, reduce the radio photoluminescence of silver-activated phosphor glasses affect. Surprisingly, however, the radio photoluminescence is very sensitive to impurities not disturbed by the heavy metal ion arsenic.

example

2,8 g Bortrioxid, 19,2 g Lithiumortophosphat, 27,4 g Aluminiumpyrophosphat, 46,6 g Phosphorpentoxid, 3,9 g Silberoxid und 0,1 g Arsentrioxid werden in einem keramischen Tiegel bei einer Temperatur von 1200⁰C eingelegt, 90 min bei 1220⁰C geläutert, 30 min bei 1040⁰C gerührt und nach kurzem Abstehen bei einer Temperatur von 1020⁰C in eine vorgewärmte Eisenform gegossen und einer langsamen Abkühlung unterzogen. Es resultiert ein farbloses, spannungsfreies, schlierenfreies und blasenarmes Glas, welches nach üblichen Verfahren weiterbearbeitet wird.2.8 g of boron trioxide, 19.2 g of lithium ortophosphate, 27.4 g of aluminum pyrophosphate, 46.6 g of phosphorus pentoxide, 3.9 g of silver oxide and 0.1 g of arsenic trioxide are placed in a ceramic crucible at a temperature of 1200 ^° C., 90 Refined at 1220 ^° C. for 30 min, ^{stirred at 1040 °} C. for 30 min and, after standing for a short time, ^{poured into a preheated iron mold at a temperature of 1020 °} C. and subjected to slow cooling. The result is a colorless, tension-free, streak-free and bubble-free glass, which is further processed using conventional methods.

Während der Schmelze kann das Metaphosphatmaterial unter einer stark oxidierenden Atmosphäre stehen, die aus reinem Sauerstoff bestehen kann. Dadurch wird das als Zusatzmaterial verwendete Arsen, gleichzeitig mit Silberoxid hinzugemischt, laufend aufoxidiert und somit eine Reduktion des Silbers verhindert. Diese Oxidation kann noch verbessert werden, wenn das gasförmige Oxidationsmittel durch die Schmelze perlt oder strömt, was mittels geeigneter Vorrichtungen leicht realisierbar ist, und eine homogene Durchmessung der Schmelze mit Oxidationsmittel mindestens bis zu deren Erstarrung gewährleislet wird. Aber auch bis zur endgültigen Abkühlung kann die oxidierende Atmosphäre aufrechterhalten bleiben.During the melt, the metaphosphate material can be in a strongly oxidizing atmosphere, which can consist of pure oxygen. This makes the arsenic used as an additive, at the same time mixed with silver oxide, continuously oxidized, thus preventing a reduction of the silver. These Oxidation can be improved if the gaseous oxidizing agent bubbles through the melt or flows, which can easily be achieved using suitable devices, and a homogeneous diameter the melt with oxidizing agent is guaranteed at least until it solidifies. But also up to The oxidizing atmosphere can be maintained for final cooling.

Claims

Patent claims:

1. Measuring element for the detection and dose measurement of gamma radiation and neutrons, which from a body made of a radioluminescent substance that carries the energy of gamma rays through Changes in its chemical-physical properties saves and sis in the evaluation as emits luminescent light proportional to the dose, and the phosphor and another through Contains neutrons excitable chemical element in homogeneous distribution, with at least one of these chemical elements, when excited by neutrons, emits beta particles, which in generate Cerenkov radiation from the radioluminescent substance, characterized in that that the radioluminescent substance contains arsenic as the second element that can be excited by neutrons

2. A method for producing the measuring element according to claim 1 by melting a mixture containing boron trioxide, lithium phosphate, aluminum phosphate and a silver compound, characterized in that the mixture of 2.8 parts by weight of boron trioxide, 19.2 parts by weight of lithium ortophosphate, 27.4 parts by weight of aluminum pyrophosphate, 46 , 6 parts by weight of phosphorus pentoxide, 3.9 parts by weight of silver oxide and 0.1 parts by weight of arsenic trioxide and is ^{melted at a temperature of 1200 0} C in a ceramic crucible that the melt is then refined for 90 minutes at 1220 ° C and after cooling to a temperature of 1040 ° C, the resulting mass is stirred, and then after a short standing at a temperature of 1020 ° C, the mass is poured into a preheated iron mold and subjected to slow cooling.