DE2265559C3

DE2265559C3 - Device for measuring the concentration of radioactively marked wear particles in oil

Info

Publication number: DE2265559C3
Application number: DE19722265559
Authority: DE
Inventors: Gustav Dipl.-Ing. Dr. 7500 Karlsruhe Katzenmeier
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1972-12-16
Filing date: 1972-12-16
Publication date: 1981-10-15
Also published as: DE2265559B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung der Konzentration von radioaktiv markierten Verschleißteilchen in Öl mit einer einen Strahlungsdetektor umgebenden und selbst vnn einer allseitigen Abschirmung eingeschlossenen, in vertikaler Richtung durchströmbaren Durchflußkammer.The invention relates to a device for measuring the concentration of radioactively marked wear particles in oil with a radiation detector surrounding and even a shield on all sides enclosed, in the vertical direction throughflow chamber.

Bei Verschleißmessungen mit Radioisotopen wird, sofern ein Schmiei/nittelk iislauf vorhanden ist, im «!!gemeinen der Verschleiß über die Aktivität des Schmiermittels gemessen. Wi> ί von einer Änderung des internen Schmiermittelkreislaufes abgesehen, so stellt das Durchflußmeßverfahren hierfür die mit Abstand empfindlichste Methode dar (Kaspar-Sickermann, W, Stegmann. D., Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschine, e. V, Frankfurt/Main, Heft 18. 1961. Forschungsbericht 2-213/3, S. 10-16). Das Prinzip des Durchflußmeßverfahrens sieht vor. daß der Abrieb der in dem Motor eingebauten radioaktiven Teile zunächst in den Schmierölkreislauf gelangt. An der tiefsten Stelle der Ölwanne wird das öl durch eine vom Motor getrennt arbeitende Pumpe abgesaugt und durch eine den Strahlungsdetektor umgebende Meßkammer in den Motor zurückgepumpt. Als Detektor wird im allgemeinen ein NaJ(TI)-Szintillationskristall verwendet, der bei einem auch für die 3-Komponentenmessungen ausreichenden Energieauflösungsvermögen eine gute Ansprechwahrscheinlichkeit besitzt. Die im Szintillationskristall nachgewiesene Gammastrahlung erlaubt eine Aussage über die Art und die Menge des im ölkreislauf vorhandenen Verschleißes. Die Energie der Gammaquanten charakterisiert die Verschleißkomponente, ermöglicht also bei Mehrkomponentenmessungen die Trennung der verschiedenen Verschleißanteile. Die Intensität der Strahlung, d. h. die registrierte Zählrate, ist ein Maß für die Menge des Verschleißes.In the case of wear measurements with radioisotopes, if there is a lubricant run, the «!! mean the wear measured via the activity of the lubricant. Wi> ί apart from a change in the internal lubricant circuit, so provides the flow measurement method is by far the most sensitive method for this (Kaspar-Sickermann, W, Stegmann. D., Research Association for Combustion Engines, e. V, Frankfurt / Main, issue 18. 1961. Research report 2-213 / 3, pp. 10-16). The principle of the flow measurement method provides. that the abrasion of the Radioactive parts built into the engine first get into the lubricating oil circuit. At the deepest point The oil is sucked out of the oil pan by a pump that works separately from the engine and by a The measuring chamber surrounding the radiation detector is pumped back into the motor. As a detector is generally a NaJ (TI) scintillation crystal is used, which is also sufficient for the 3-component measurements Energy resolution has a good response probability. The one in the scintillation crystal proven gamma radiation allows a statement to be made about the type and amount of the in the oil cycle existing wear and tear. The energy of the gamma quanta characterizes the wear component, thus enables the different wear components to be separated in multi-component measurements. the Intensity of radiation, d. H. the registered counting rate is a measure of the amount of wear.

Die Eichung der Meßkammer muß für jedes Isotop mit unterschiedlichen Gammaenergien getrennt durch· geführt werden, indem Materialproben in die Lösung gebracht und im Meßkopf ausgemessen werden., Grund dafür ist die Abhängigkeit der gemessenen Impulszahl Von der Lage Und der Umgebung des jeweiligen Eichstrahiers sowie dessen Gammaenergien.The calibration of the measuring chamber must be separated for each isotope with different gamma energies by be performed by placing material samples in the solution brought and measured in the measuring head., reason for this is the dependence of the measured number of impulses on the location and the environment of the respective Eichstrahiers and its gamma energies.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin.The object of the invention now consists in this.

eine Einrichtung der eingangs genannten Art derart weiter zu entwickeln, daß mittels einer einmaligen Eichung geeichte Messungen mit verschiedenen Materialien durchzuführen sind.to develop a device of the type mentioned in such a way that by means of a one-time Calibration calibrated measurements are to be carried out with different materials.

■i Die Lösung dieser Aufgabe ist im kennzeichnenden Merkmal des Anspruchs 1 beschrieben.■ i The solution to this problem is in the characteristic Feature of claim 1 described.

In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung kann in die Bohrung ein stabförmiger Probenhalter einführbar sein, an dessen Spitze ein Aufrahmeraum fürIn preferred embodiments of the invention, a rod-shaped sample holder can be inserted into the bore be insertable, at the top a creaming room for

ίο die Eichprobe angeordnet ist, wobei der Aufnahmeraum mittels eines Schraubdeckels verschließbar istίο the calibration sample is arranged, the receiving space can be closed by means of a screw cap

Die erfindungsgemäße Eicheinrichtung bietet wesentliche Vorteile, da eine einmalige Ureichung nach der Herstellung des Meßkopfes mit einem beliebigenThe calibration device according to the invention offers significant advantages, since a one-time submission after the Manufacture of the measuring head with any

H aktiven Isotop genügt, um später geeichte Messungen mit verschiedenen Materialien durchführen zu können. Dies bedeutet eine wesentliche Vereinfachung des Eichaufwandes und eine vereinfachte Meßauswertung. Der Probenhalter als Meßplatz für die spezifische Aktivität, die bei jedem Versuch gemessen werden muß, erspart außerdem eine weitere Meßeinrichtung neben dem Verschleißmeßkreislauf.H active isotope is sufficient for later calibrated measurements to be able to perform with different materials. This means a significant simplification of the Calibration effort and a simplified measurement evaluation. The sample holder as a measuring station for the specific Activity, which has to be measured in each attempt, also saves an additional measuring device the wear measuring circuit.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mittels der Fig. 1 und 2 näher erläutert.The invention is explained in more detail below with the aid of an exemplary embodiment by means of FIGS. 1 and 2. FIG explained.

F i g. 1 zeigt die Meßanlage. Im Hohlraum 1 einer Bleiabschirmyrjg 2, die aus den einzelnen übereinandergeschichteten Ringen 3 bis 6 aus Blei besteht ist ein NaJ-Kristal! als Strahlungsdetektor 8 zentral angeordnet. Er ist an einen Multiplier 9 angeschlossen, welcher selbst oder von einem Kühlmantel getrennt durch eine Bohrung 10 einer Deckplatte U in der Abschirmung 2 hindurchragt. Der Strahlungsdetektor 8 hat eine zylindrische Form und wird von einem Kühlwasserman·F i g. 1 shows the measuring system. In the cavity 1 of a lead shielding 2, which are layered from the individual Rings 3 to 6 made of lead are NaJ crystals! arranged centrally as a radiation detector 8. It is connected to a multiplier 9, which itself or separated from a cooling jacket by a Bore 10 of a cover plate U in the shield 2 protrudes. The radiation detector 8 has a cylindrical shape and is controlled by a cooling water man

j5 tel geschützt.j5 tel protected.

Der Kühlwassermantel befindet sich in einem doppelwandigen Gefäß 12. welches gleichzeitig den! Strahlungsdetektor 8 und den Multiplier 9 umgibt. Das Gefäß 12 ist ein Teil eines Deckels 13 (bzw. über eine weitere Dichtung 35 und einen Flansch 36 und die Schraubverbindungen 37 mit diesen fest verbunden) für die Meßkammer 14. ist auf einen Flansch 15 unter Zwischenschaltung einer Dichtung 16 auf diese aufgesetzt und mil den Schraubverbindungen 40 mit dieser fest verbindbar. Das Gefäß 12 ragt dabei in den Innenraum 17 der Meßkammer 14 hinein. Die beiden Wände 18 und 19 bilden einen Zwischenraum 21. in dem Kühlwasser strömt, welches über die beiden Anschlüsse 22 und 23 rm Deckel 13 zu- und abgeführt wird.The cooling water jacket is located in a double-walled vessel 12. which at the same time has the! Radiation detector 8 and the multiplier 9 surrounds. The vessel 12 is part of a lid 13 (or via a further seal 35 and a flange 36 and the screw connections 37 firmly connected to these) for the measuring chamber 14 the screw connections 40 can be firmly connected to this. The vessel 12 protrudes into the interior 17 of the measuring chamber 14. The two walls 18 and 19 form an intermediate space 21 in which the cooling water flows, which is supplied and discharged via the two connections 22 and 23 rm cover 13.

Zwischen der einen Wand 19 und dem Strahlungsdetektor 8 kann eine Isolierung 38 aus 7.. B. Kork angeordnet sein, die ein hohes Temperaturgefälle verhindert.Between the one wall 19 and the radiation detector 8 an insulation 38 made of 7 .. B. cork can be arranged, which prevents a high temperature gradient.

Zum Flansch 15 der Meßkammer 14 führt eine ölzuleitung 24. durch die dai Öl tangential zum Strahlungsdetektor 8 und in einer Querschnittsebene (nicht näher dargestellt) des Strahlungsdetektors 8 liegend in den Innenraum 17 der Meßkammer 14 eingeführt wird. Die ölzuführung erfolgt mit geringem Überdruck. Dadurch wird die gesamte Flüssigkeitssäule im Zwischenraum 17 um das Gefäß 12 herum in Drehung versetzt. In der Meßkammer 14 befindliche Luft wird durch eine Entlüftungsleitung 25 an der höchsten Stelle in eine drücklose Durchlaufleitüng abgeführt! Alle Leitungen 22 bis 25 sind durch eineAn oil feed line 24 leads to the flange 15 of the measuring chamber 14, through which the oil is introduced tangentially to the radiation detector 8 and lying in a cross-sectional plane (not shown in detail) of the radiation detector 8 into the interior 17 of the measuring chamber 14. The oil is supplied with a slight excess pressure. As a result, the entire column of liquid in the space 17 around the vessel 12 is set in rotation. The air in the measuring chamber 14 is discharged through a vent line 25 at the highest point into an unpressurized flow line! All lines 22 to 25 are through a

Ausnehmung 45 im Ring 4 der Abschirmung 2 hindürchgefühft.Recess 45 in the ring 4 of the shield 2 passed through.

Der Boden 26 der Meßkammer 24 ist trichterförmig ausgebildet und endet an seiner tiefsten Stelle mit einerThe bottom 26 of the measuring chamber 24 is funnel-shaped and ends at its deepest point with a

ölabführungsleitung 27, weiche wiederum durch eine Ausnehmung 28 im Ring 6 der Abschirmung 2 hindurchgeführt ist Durch diese trichterförmige Ausbildung des Bodens 26 der Meßkammer 14 und durch die tangentiale Einführung des Öls für die Drehbewegung '< des Öls um den Strahlungsdetektor 8 herum wird eine Ablagerung von Verschleißteilchen innerhalb der Meßkammer 14 verhindert Der Boden 26 ist entweder auf dem Ring 6 direkt aufgesetzt oder gleichzeitig mit der Meßkamn.er 14 gegenüber der Abschirmung 2 über die Isolierung 39 z. B. aus Kork isoliert, damit das Blei der Abschirmung 2 nicht vom öl der Meßkammer 14 aufgeheizt wird.the soil is oil discharge conduit 27, in turn soft by a recess 28 in the ring 6 of shield 2 passed through this funnel-shaped formation 26 of the measuring chamber 14 and '<the oil to the radiation detector 8 around by the tangential introduction of the oil for the rotational movement a deposit of Wear particles prevented within the measuring chamber 14. The bottom 26 is either placed directly on the ring 6 or at the same time as the measuring chamber 14 opposite the shield 2 via the insulation 39 z. B. isolated from cork so that the lead of the shield 2 is not heated by the oil in the measuring chamber 14.

Die Bleiabschirmung 2, zusammengesetzt aus den tragbaren Ringen 3 bis 6, schirmt die Untergrundstrah- '■> lung vom Strahlungsdetektor 8 weitgehend ab. In diese Bleiabschirmung 2 und insbesondere in den Ring 4 ist in einer Ausnehmung 29, radial auf den Strahlungsdetektor 8 gerichtet, ein Probenhalter 30 eingesetzt, der aus einem runden Stab aus z, B. Plexiglas bestehen kann. Die Ausnehmung 29 bzw. die Bohrung ist zum Hohlraum 1 in der Abschirmung 2 hin offen. Der Probenhalter 30 weist auf der dem Strahlungsdetektor 8 zugewandten Seite einen flachen Aufnahmeraum 31 auf, -der durch einen Schraubendeckel 32 verschließbar ist. Im Aufnahmeraum 31 ist eine radioaktive Probe 33 zur Eichung eingeschlossen. Durch axiale Verschiebung des Probenhalters 30 in der Bohrung 29 kann experimentell die günstigste Position der Probe 33 gegenüber dem Strahlungsdetektor 8 bzw. der Abschirmung 2 ermittelt werden. In dieser Endstellung kann der Probenhalter 30 durch einen Anschlag 34 am Probenhalter 30 fixiert werden, so daß bei den weiteren Messungen die richtige Festeinstellung gewährleistet ist.The lead shield 2 composed of the portable rings 3 to 6 shields the underground beam treatment from the radiation detector 8 largely from. In this lead shield 2 and in particular in the ring 4 is in a recess 29, directed radially towards the radiation detector 8, a sample holder 30 is used, which consists of a round rod made of, for example, plexiglass. The recess 29 or the bore faces the cavity 1 open in the shield 2. The sample holder 30 points towards the radiation detector 8 Side a flat receiving space 31, -which can be closed by a screw cover 32. In the recording room 31 a radioactive sample 33 is included for calibration. By moving the specimen holder axially 30 in the bore 29 can be experimentally the most favorable position of the sample 33 relative to the Radiation detector 8 or the shield 2 can be determined. In this end position, the sample holder 30 be fixed by a stop 34 on the sample holder 30, so that the correct Fixed setting is guaranteed.

Durch eine Wahl eines ganz bestimmten Haltermaterials, durch eine gezielte Gestaltung des Probenhalters 30 und eine richtige Auslegung des Abstandes der Probe 33 vom Strahlungsdetektor 8 kann trotz der komplizierten Wechselwirkungsverhältnisse mit der Umgebung (Rückstreuung. Comtoneffekte, Fotoeffekte) erreicht *o werden, daß die Gammaspektren der festen Probe und einer aufgelösten Probe im Öl im Innenraum 17 des Meßkopfes 14 durch einen über den ganzen Energiebereich gleichen Ähnlichkeitsfaktor verbunden sind. Das bedeutet, daß das Verhältnis der gemessenen Impulsraten für die feste Eichprobe 33 und für in der Meßkammerflüssigkeit gelöstes aktives Material (Verschleißteilchen) gleicher Zusammensetzung im gesamten interessierenden Meßbereich (etwa 150 bis 2000 keV) konstant ist. Der Probenhalter 30 mit der festen Position zum Detektor 8 wird als Meßplatz für die spezifische Aktiviiät der Proben 33 verwendet.By choosing a very specific holder material, by specifically designing the specimen holder 30 and a correct interpretation of the distance of the sample 33 from the radiation detector 8 can despite the complicated Interaction relationships with the environment (backscattering, Comton effects, photo effects) achieved * o be that the gamma spectra of the solid sample and a dissolved sample in the oil in the interior 17 of the Measuring head 14 are connected by a similarity factor that is the same over the entire energy range. That means that the ratio of the measured pulse rates for the solid calibration sample 33 and for in the Active material dissolved in the measuring chamber fluid (wear particles) same composition in the entire measurement range of interest (about 150 to 2000 keV) is constant. The sample holder 30 with the fixed position to the detector 8 is used as a measuring station for the specific activity of the samples 33.

Mit der in Fig. 1 beschriebenen Detektor- bzw. Meßanlage lassen sich Gammaspektren in Verbindung mit einem nicht näher dargestellten Mehrkanal-Impulshöhenanalysator aufnehmen. Die Impulshöiienverteilung des in Fig.2 dargestellten Spektrums ergibt sich vor allem daraus, daß die Fotoemission im Kristall bzw. Strahlungsdetektor S, der fotoelektrisch^ Prozeß in der Fotokathode und die Sekundäremission von Elektroden an den Dynoden des Multipliers 9 statistische Prozesse sind. Werden Gammaspektren verschiedener Radioisotope gleichzeitig aufgenommen, so ergibt sich die in F i g. 2 gezeigte Darstellung. Es ist as Gammaenergiespektrum Ey, über die Irnpu'su ' pro Energie aufgetragen, und zwar gleichzeitig für ein ⁵¹Cr-, ⁵⁶Co-, 5⁹Fe-Spektrum als Kurven 41, 42, 43 und das Summenspektrum als Kurve 44. Das Gammaenergiespektrum der Eichprobe 33, die nicht in Fig.2 dargestellt ist, hat einen Verlauf, der dem Surnmenspektrum bis auf einen Ähnlichkeitsfaktor entspricht, wenn die gleichen Radioisotope im Verschleiß enthalten sind.With the detector or measuring system described in FIG. 1, gamma spectra can be recorded in connection with a multichannel pulse height analyzer, not shown in detail. The pulse height distribution of the spectrum shown in FIG. 2 results above all from the fact that the photo emission in the crystal or radiation detector S, the photoelectric process in the photo cathode and the secondary emission from electrodes on the dynodes of the multiplier 9 are statistical processes. If gamma spectra of different radioisotopes are recorded at the same time, the result in FIG. 2 representation shown. It is as gamma energy spectrum Ey, applied over the Irnpu'su 'per energy, simultaneously for a ⁵¹ Cr, ⁵⁶ Co, 5 ⁹ Fe spectrum as curves 41, 42, 43 and the sum spectrum as curve 44. The gamma energy spectrum of the calibration sample 33, which is not shown in FIG. 2, has a course which corresponds to the cumulative spectrum except for a similarity factor when the same radioisotopes are contained in the wear.

Die radioaktive Markierung der auf ihren Verschleiß zu untersuchenden Teile erfolgt über eine Aktivierung mit thermischen Neutronen oder über die Aktivierung mit geladenen Teilchen aus einem Beschleuniger z. B. Zyklotron. Bei den Aktivierungen können aus dem selben Grundmaterial über verschiedene Prozesse verschiedene Radioisotope mit Gammastrahlung entstehen. Bei der Aktivierung von Eisen mit thermischen Neutronen entstehen so z, B. neben ⁵⁹Fe vor allem noch ⁵⁴Mn aus einer (n, p)- und ⁵¹Cr aus einer (η, λ)-Reaktion als Gammastrahlen bei der Aktivierung von Eisen an einem Zyklotron z. B. ⁵⁶Co, ⁵⁷Co, ⁵⁸Co, "Mn je nach V. ahl der Teilchen, p, d, ä und deren Anfangsenergie.The radioactive marking of the parts to be examined for wear is carried out via activation with thermal neutrons or via activation with charged particles from an accelerator, e.g. B. cyclotron. During activations, different radioisotopes with gamma radiation can arise from the same basic material through different processes. When iron is activated with thermal neutrons, for example, besides ⁵⁹ ^{Fe, 54} Mn in particular are formed from an (n, p) and ⁵¹ Cr from a (η, λ) reaction as gamma rays when iron is activated a cyclotron z. B. ⁵⁶ Co, ⁵⁷ Co, ⁵⁸ Co, "Mn depending on the number of particles, p, d, ä and their initial energy.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Device 2 for measuring the concentration of radioactively marked wear particles in oil with a radiation detector that surrounds it and is itself enclosed by a shield on all sides, through flow chamber in the vertical direction, characterized by a calibration sample (33) in the form of a radioactive preparation in a radial direction to the radiation detector (8), up to the cavity (1) receiving the flow chamber (14) (29) is housed in the shield (2).

2. Device according to claim 1, characterized in that in the bore (29) a rod-shaped Sample holder (30) can be inserted, at whose tip a receiving space (31) for the calibration sample (33) is arranged is.

3. Device according to claim 1 and 2, characterized in that the receiving space (31) means a screw cap (32) can be closed.