DE2310465A1

DE2310465A1 - Verfahren zur herstellung einer radioaktiven, betastrahlen aussendenden tritium-folie und damit ausgestatteter detektor

Info

Publication number: DE2310465A1
Application number: DE19732310465
Authority: DE
Inventors: Charles Harold Hartmann
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1972-03-06
Filing date: 1973-03-02
Publication date: 1973-09-13
Also published as: FR2175002A1; CA997075A; FR2175002B1; JPS491286A; US4101278A

Description

lassen; danach kann die Folie bei hohen Temperaturen mit zuläseigen Abgaberaten oder Abgabeverhältnissoi betrieben werden.

Hintergrund der Erfindung

Gewisse Formen von Ionisationsdetektoren, bei denen Gase in einer Gaskanmer, in die das Probongas geliefert wird, ionisiert werden, verwenden zur Ionisation der Probe eine Betastrahlen aussendende Strahlungsquelle. Solche Betaemitter werden beispielsweise in Elektronenfangdetektoren (electron capture detectors) und Heliumionisierungsdetektoren verwendet.

Bekannte Detektorzellen enthalten eine radioaktive Quelle wie Ti^H oder -⁵Ni als internen Betaemitter. Obwohl der

^Ni-Emitter eine geringere Emitteraktivität hat, und damit eine geringere Empfindlichkeit und einen kleineren linearen Bereich, und höhere Kosten verursacht als die bekannte Tl^H-Quelle, weist er merkliche Vorteile bei Verwendung in Detektoren zum Betrieb bei relativ hohen Temperaturen auf.

In der US-Patentschrift 3 601 609 wird darauf hingewiesen, daß die Atomenergiekommission der USA die Verwendung von Detektoren, in denen Tritiumfolien verwendet werden, auf Betriebstemperaturen von etwa 220 bis 225 ⁰C begrenzt. Oberhalb dieser Temperatur erreicht die Tritiumabgabe von der Quelle unzulässig hohe Werte. Es ist Jedoch oft erwünscht, den Detektor bei merklich höherer Temperatur zu betreiben. Eloktronenfangdetektoren werden beispielsweise in großem Umfang bei der Pestizid-Rest-Analyse verwendet, und eine Temperaturgrenze von etwa 220 ⁰C bewirkt eine chronische Verunreinigung der Quelle durch Kondensation im Gebrauch. Das ist sehr nachteilig, v/eil die Betaeaitter zu Beginn eine geringe Energie haben»

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jede Behinderung die radioaktive Ionisierung der Probengase ernsthaft stört. Aus diosem Grunde ist es erwünscht, oberhalb von 250 ⁰C am arbeiten, beispielsweise bei 350 ⁰C, und das v/ird mit ⁵Ni erreicht, während die Verwendung von Tritium Emittern bisher wegen der zu hohen Tritiumabgaberate verboten war·

Bei der Festlegung der oberen Betriebstemperatur von 220 ⁰C für Tritium-Folien ging die Atomenergiekoomission der USA von einer zulässigen Tritiumabgabe von 5 · 10 ^ Ci/ml aus. (Code of Federal Regulations Vol. 10 S. 20). Dieser Wert kann bei Temperaturen über 220 ⁰C von einer 250 mCi-Ti^H·- Folie Überschritten werden. Je nach den zugrundegelegten Annahmen kann man daraus auf verschiedene .Abgaberaten (^Ci/min) schließen. Für die Zwecke der folgenden Beschreibung wurde von einer zulässigen Abgaberate von 50 ^ Ci/min ausgegangen. Ss wurde jedoch festgestellt, daß die tatsächliche Abgeberate einer 250 mCi-Ti^H,-Foüe bei Z^U Ci/min liegt, so daß die in der folgenden Beschreibung gegebenen Zahlenwerte auf diesen Wert umzurechnen sind. Diese Umrechnung wird jedoch überflüssig, vrenn das jeweils angegebene Verhältnis des angegebenen Zahlenwertes zur zugrundegelegten Abgaberate verwendet wird, also beispielsweise statt 100 U Ci/min der (dimensions· lose) Verhältniswert 2.

der

Erfindungsgemäß wird ein neuartiges Verfahren beschrieben, mit dem radioaktive %-Quellen, die zur Verwendung als Betaemitter in Detektoren verwendet werden sollen, so behandelt werden, dafl die so behandelten Quellen bei höheren Betriebstemperaturen, d.h. wenigstens 250 ⁰C, einen zulässigen Abgabewei t zeigen· Bei dem Verfahren wird vorab die ⁵H-Stral:lunn?5quelle unter kontrollierten Strahlungsvorkehrungen

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auf eine höhere Temperatur oberhalt» von 250 ⁰C, beispielsweise 300 ⁰C, für eine ausreichende Zeitspanne, beispielsweise 2 bis 16 Stunden, erwärmt, um überschüssiges radioaktives Material auszutreiben, bis die Abgabe auf einen zulässigen Strahlun£swert abfällt. De die Atomenergiekommission festgelegt hat, da/3 die Abgabe von einer genormten 250 mGi~Ti%-Quelle bei oder unterhalb von 220 ⁰C sich auf einem zulässigen Strahlungswert befindet, kann dieser Strahlun£swert willkürlich als gewünschter und zulässiger Wert angesehen werden, und dieser Wert kann als Bezugsnormal verwendet werden, gleichgültig, wie groß die absolute /bgaberate ist. Die Vor\feg-Värmebehandlung einer ^-Strahlungsquelle wie Scandiumtritid (Sc³K) und Titantritid (Ti³H), macht diese Quellen -für Betaemitter geeignet, die bei hohen Temperaturen mit zulässigen Strahlungsemissionswerten arbeiten» d.h. Abgaberäten von 50^(Ci/min bzw, 2 ,U Ci/min oder Abgabeverhältnis gleich oder kleiner als 1.

Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werdenj es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Elektronenfangdetektor (electron capture detector) mit einer naoh dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Strahlungsquelleι

Fig. 2 die Abgaberate einer Sc^H-Strahlungsquelle während der Wärmebehandlung} und

Fig. 3 die Strahlungsabgabe von drei unterschiedlichen Sc³H-QUeHOn während der yärmebehandlung bei drei unterschiedlichen tfärmebehandlungstemperaturen.

Der in Fig* 1 dargestellte Slektronenfangdetektor besteht

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aus einer l'ontagebasis 11 mit einem Basisheizer 12 und siiiem Gehäuse 13» das die Kammer 14 umgibt, in die die Detoktorzelle montiert ist. Die Zelle besteht aus einem hohlen Eingangsrohr 15 aus rostfreiem Stahl, mit dem die Zelle auf die Basis 11 montiert ist und durch das das zu analysierende Gas in die Zelle eingeführt wird.

Eine erste hohle, zylindrische, Keramikröhre 21 ist vakuumdicht an einem Ende* an das innere Ende der Eingangsröhre 15 angeschlossen, und am anderen Ende vakuumdicht an ein hohlzylindrisches Rohr 22 aus rostfreiem Stahl, das die Kollektorelektrode oder Anode bildet, Sin zweites hohlzylindrisches, schusseiförmiges Keramikrohr 23 ist vakuumdicht an das andere Ende der Kollektorelektrode angesetzt und 1st ebenfalls vakuumdicht an das untere Ende einer hohlzylindrischen Polarisationselektrode oder Kathode 24 aus rostfreiem Stahl angesetzte Das obere Ende der Polarisationselektrode 24 ist mit einem Auegangsrohr versehen.

Elektrische Leitungen 26 und 27 führen durch geeignete Isolatoren 26* und 27' in der Innenseite des Gehäuses und sind mit den zugehörigen Kollektor* und Polarisatlons-Elcktroden verbunden, um die gevrUnsohten konstanten oder gepulsten Gleichspannungen im Bereich von O bis 90 V während des Betriebes über die Anode und Kathode zu legen.

Um die Innenv/and der Polarisationselektrode 24 ist die. radioaktive Tritiumfolie 51 angeordnet. Eine Heizspule ist auf das Gehäuse 13 montiert und erstreckt sich um den Polarisationselektrodenteil der Detektorzelle, um die Temperatur in diesem Reaktlonsbereioh der Zelle auf die gewünschte Betriebstemperatur zu erhöhen, beispielsweise 250 bis 350 ⁰C.

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Im Betrieb dieses Elektronenfangdetektors mit dem Ausgang eines Gaschromctoßraphen ergibt Betaemission von der Strahlungsquelle 31 eine Ionisation des Trägergases ₉ entweder Kg oder Ar plus etwa 10 % Methan als Unterdrückungsgas (quenching gas), um in dem Detektorhohlraum einen Slektronenstrom in der Größenordnung von 10 A zu bilden. Der Uhtergrundstrom oder ständige Strom, der durch die Elektronen gebildet wird, wird mit der relativ schwachen Feldstärke durch das Potential Über der Anode und !Cathode gesammelt. Die Substanzen ia Gas, die eine Affinität für freie Elektronen haben, verarmen den ständigen Strom, wenn sie vom Eingang zum Ausgang durch die Zelle hindurchlaufen. Die Grüße der Stromverarmung ist ein Maß für die Menge der fangenden Art im Detektor, und ebenfalls ein Maß für die Elektronenaffinität dieser Art.

Tritiumfolie (Ti*H) ist bisher in weitem Umfang als radioaktive Quelle verwendet worden (gewöhnlich 250 mCi * wobei das Tritium beispielsweise in einen geeigneten Träger eingeschlossen war, gewöhnlich Titan, das auf eine Folie auf rostfreiem Stahl plattiert v/ar« VJenn eine solche Quelle bei hohen Temperaturen betrieben wird, beispielsweise oberhalb von 220 ⁰C, ergibt Ti^H einen unzulässigen tfert der Tritiumabgabe, was durch die AtomenergiekooBission der USA bestimmt ist, wobei die Abgab« sich auf die Freigaberate des Tritiumgases bezieht, die in radioaktiven Äquivalenten ausgedrückt ist, typischerweise Ci/min. Oft ist es Jedoch, notwendig, oberhalb von 220 ⁰C zu arbeiten, um eine Verunreinigung der radioaktiven Quelle zu verhindern, wie oben bereits gesagt, und aus diesem Grunde wird ^Ni verwendet.

Es wurde festgestellt, daß eine Temperaturbehandlung

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radioaktive Tritiumquellen (Titan und Scandium) so konditioniert, daß ein späterer Botrieb bei einer anderen, höheren oder niederen, Temperatur eine zulässige *H-Abgaberate ergibt. Beispielsweise wurde eine Scandiumtritid-Folie von der Firma U.S. Radium Corporation, Bloomsburgh, Penn·, erhalten, die mit 250 mCi Tritium angegeben war (vgl. Fig. 2). Wenn diese Folie in einen Elektronenfangdetektor gebracht und dieser Detektor bei einer refetiv hohen Temperatur betrieben würde, beispielsweise 325 ⁰C, würde die Tritiumabgabe den zulässigen Uert übersteigen, beispielsweise 50 fll Ci/min' bzw. 2 ^U Cl/ml η oder Abgabeverhältnis

Diese Folie wird jedoch zunächst auf 300 ⁰C erwärmt und die Abgabe erreicht, wie sich aus der Kurve A in Flg. 2 ergibt, einen Spitzenwert von etwa 100 ^i Ci/min bzw. 4 /U Ci/min oder Abgabeverhältnis 2 nach etwa 2 Stunden und fällt dann im wesentlichen auf einen Gleichgewichtswert von etwa Q/U Ci/min bzw. 0,3 M Ci/min oder Abgabeverhältnis 0,16 nach etwa 14 Stunden. Nach dieser Wärmebehandlung kann die gleiche Folie bei höheren Temperaturwerten betrieben werden, ohne daß ein zulässiger Abgabe* wert überschritten wird· Das wird durch !Curve B illustriert, die einen späteren Betrieb dieser Folie bei 325 C mit einer Abgaberate von 20^ Ci/min bzw. O₉B JU Ci/min oder Abgabeverhältnis 0,4, und einen späteren Betrieb dieser Folie bei 350 °C alt einer Abgaberate von 50^i Ci/min bzw. Z/jL Ci/min oder Abgabeverhältnis 1 zeigt. Vetm also willkürlich eine Abgaberate von 50^ Ci/min bzw. 2 ># Ci/min oder .das Abgabeverhältnis 1 als zulässiger Viert gewählt wird, kann diese wärmebehandelte Folie also bei Betriebstemperaturen bis zu 35C ⁰C verwendet werden.

Unterschiedliche Wärmebehandlungen ergeben unterschiedliche

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Behandlungsergebnisse, wie durch die Kurven in Fig. 3 für drei unterschiedliche Sc-TH-Folien gezeigt ist. Der Endpunkt von allen drei dargestellten Behandlungen zeigt zulässige Abgaberaten bzw. -Verhältnisse. Die untere Temperatur von 300 ⁰C erfordert etwa 14 Stunden, um Gleichgewicht zu erreichen, wobei ein relativ geringer Prozentsatz an ^H während des Verfahrens verlorengeht (berechnet aus der Fläche unter der Abgabekurve). Die Behandlung bei der höheren Temperatur von 400 ⁰C erfordert eine kürzere Zeit zur Erreichung des Gleich» gewichts, etwa 10 Stunden, Jedoch mit einem relativ höheren Prozentsatz an *H-Verlust und kürzerer Betriebsiebenedauer, wenn die Quelle tatsächlich im Detektorprozeß eineβ Gaschromatographen verwendet wird. Es ist nicht erforderlich, daß das Gleichgewicht der %-Abgcbe erreicht wird, ehe das Verfahren abgebrochen wird. Hinsichtlich der zulässigen*H-Abgebe ist die Quelle brauchbar sobald die Abgaberate oder das Abgabeverhältnis unter die zulässige Abgaberate oder das zulässige Abgabeverhältnis fällt, also etwa 50/iCiMin bzw. 2^Ci/min, d.h. Abgabeverhältnis 1. Darüberhlnaus ist es nicht notwendig, die Wärmebehandlung bei einer bestimmten Temperatur fortzusetzen, beispielsweise 4OO ⁰C, bis die gewählte zulässige Abgaberate bzw· das gewählte zulässige Abgabeverhältnis erreicht wird, vorausgesetzt, daß die Folie im Gebrauch auf einer niederen Temperatur betrieben wird, beispielsweise 350 ⁰C, bei der die zulässige Abgaberate bzw* das zulässige Abgabeverhältnis nicht überschritten wird«

Bei eines Verfahren zur Herstellung der Strahlenquelles werden die ^H-Folien vom Hersteller In Partien von 200 Stück mit dem angegebenen Wert von 250 mCi*H entgegengenommen« Diese Folien werden zusammen in eine auspuspbs.r«i Ilesamer gebracht, und zwar unter guten Strahlungssicherheits-Vorkehrungen. Die Kammer wird

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dann auf eine geeignete höhere Temperatur orwänat, beispielsweise 300 bis 320 ⁰C beispielsweise 16 Stunden.

spielsweise 300 bis 320 ⁰C, und über Nacht stehengelassen,

Nach dieser Behandlung ist der Strahlungsv/ert der Quellen unter die zulässige Abgaberate oder das zulässige Abgabeverhältnis gefallen, die mit dem willkürlioh gesetzten zulässigen Kert von 50y#Ci/min bzw. 2/4 Ci/min oder Abgabeverhältnis 1 bei der gewünschten oberen Betriebstemperaturgrenze für die Quellen, beispielsweise 340 ⁰C, korreliert. Die Folien werden dann in die einzelnen Elektronenfangdetektoren während der Endmontage eingesetzt, und es wird eine Pumpprüfung durchgeführt, um die tatsächliche Abgabe bei der oberen vorgesehenen Betriebstemperatur der Detektoren festzustellen.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung einer radioaktiven, Betastrahlen aussendenden Tritium-Folie, die auch bei höheren Betriebstemperaturen eine zulässige Abgeberate oder ein zulässiges Abgabeverhältnis hat, dadurch gekennzeichnet, daß eine Tritiumfolie, die bei der höheren Betriebstemperatur eine unzulässige Abgab erst ο odor ein unzulässiges Abgabeverhältnis hat, auf eine Temperatur oberhalb von 250 ⁰C erwärmt wird, bis die Abgaberate oder das Abgabeverhältnis auf einen vorbestimmten Vfert fällt, der mit einen vorgegebenen V/ert bei einer bestimmten Betriebstemperatur -korrellert·

2. Verfahren nach Anspruch 1, ds'^urch gekennzeichnet. daß die Temperatur, auf die die Folie erwärmt wird, eine andere als eile bestimmte Betriebstemperatur ist.

3. Verfahren nach Anspruch otter 2, dadurch ff?H

daß der vorbestimmte Wert für die Abgaberate oder das Abgabeverhältnis gleich dem zulässigen Vfert (50/iCi/min bzw. 2 /<Ci/min oder 1) oder kleiner als dieser ist*

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dad die Folie zur Erväraung in eine auspumpbare Kammer gebracht wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet. daß die Folie zur Erwärmung in eine heizbare Kammer gebrecht wird.

6. Verfahren nach einem ter Ansprüche 1 bis 5, dadurch

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daß die radioaktive Eolle wenigstens so lange auf der Temperatur oberhalb von 230 ⁰C gehalten wird, bis die Abgaberate oder das /b^abeverhältnis einen Maximalwert Überschritten hat.

7· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis C₁ dadurch gekennzeichnet. da3 die radioaktive Folie auf eine solche Temperatur erwärmt wird, daß die anfängliche Abgaberate oder das anfängliche Abg&bevor-hältnis wenigstens das Doppelte des zulässigen Wertes erreicht.

C. Verfahren nach sinem der Ansprüche 1 bis 7# dadurch ftekenngaf chflyfr _t da3 die radioaktive Folie so lange auf der Temperatur oberhalb von 250 ⁰C gehalten wird, bis die Abgaberate oder des Abgabeverhältnis bei einen tfert Ins Gleichgewicht kommt, der dem zulassigen Vert bei einer gewünschten Betriebstemperatur entspricht

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, da3 die g< liegt.

die gewünschte BetrJAstemperatur oberhalb von 300 ⁰C

10. Verfahren n&ch olnesi der Ansprüche 1 bis 9« dadurch

t. daß die radioactive Folie Scandium-

tritld (Sc³K) als radioaktiven Emitter enthält.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch

daß die radioaktive Folie Titantritid als radioaktiven Knitter enthalt.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet.. deG eine Folie mit einer Beschichtung aus. Scandium bzw. Titan In eine Kammer gebracht wird, die Kcmmer evakuiert und auf 35C ° bis AOO ⁰C erwärmt wird, nach Beendigung

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der Evakuierung Tritium in die X&isi&er eingelassen wird, die Temperatur auf 350 ° bis 4CO ⁰C wenigstens so lange gehalten vrird, bis das Tritium mit der Folie ins Gleichgewicht kommt, die K&maertemperatur herabgesetzt und der ICaramerdruck heraufgesetzt vird, und anschließend die Folie auf die Temperatur oberhalb 250 ⁰C erwärmt wird.

Elektronenfangdetektor, in dem ein Probengas Eetastrahlung und einem elektronischen Potential ausgesetzt v/ird, dadurch gekennzeichnet» daß die Betastrahlenquelle eine nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 hergestellte Folie ist.

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