DE2430295A1

DE2430295A1 - Neutronendetektor

Info

Publication number: DE2430295A1
Application number: DE2430295A
Authority: DE
Inventors: Norman P Goldstein; William H Todt
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1973-07-05
Filing date: 1974-06-24
Publication date: 1975-01-30
Also published as: FR2236192B1; DE2430295C2; JPS5039589A; CA999984A; FR2236192A1; US3872311A; SE395192B; JPS5223822B2; SE7408870L; GB1474997A

Description

..DiPL-ING. KLAUS NEUBECKER

Patentanwalt λ ι Q ΠΟ Q ζ

4- Düsseldorf 1 · Schadowplatz 9 £ H 0 U £ 3 3

•Düsseldorf, 21.Juni 1974 44,107
7487

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.

Neutronendetektor

Die Erfindung betrifft Neutronendetektoren mit einer Eigenenergieversorgung, die dazu verwendet werden, Neutronenfluß- und Gammaflußpegel zu messen. Bisher sind Neutronendetektoren mit einer Eigenenergieversorgung verwendet werden worden, die ein Emitterkernmaterial aufweisen, das von einem Isoliermaterial umgeben ist, welches seinerseits von einem elektrisch leitenden Kollektormaterial umgeben ist. Der Emitter besteht aus einem leitenden oder einem halbleitenden Material, das spontan eine Strahlung aussendet, wenn ein Neutron absorbiert wird. Der Isolator ist ein dicht gepacktes dielektrisches Material, das auch dann einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand behält, wenn es kontinuierlich einer intensiven Bestrahlung ausgesetzt wird. Der Kollektor ist ein leitendes

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Material, das wenige Elektronen oder Gammastrahlen in einem Neutronenfluß erzeugt. Die durch, den Emitter ausgesandten Elektronen gehen zum Kollektor, und dieser Elektronenstrom wird als Maß für den Neutronenfluß gemessen.

Ein Neutronendetektor mit einer Eigenenergieversorgung eignet sich insbesondere zur Verwendung im Kern eines Reaktors, und zwar wegen seiner Zuverlässigkeit über längere Zeit. Ein typischer Neutronendetektor ist in der US-Patentschrift 3 375 370 beschrieben. Die Auswahl des Emitterkernmaterials für eine derartige Einrichtung ist beschränkt, und zwar wegen der hinreichend bekannten Tatsache, daß viele Materialien nach einer Neutronenabsorption Aktivierungsprodukte erzeugen, die zerfallen und dabei eine beta-Strahlung aussenden, die ein Hintergrundsignal erzeugt, welches mit der Bestrahlung des Detektors ansteigt. Die durch solche Neutronendetektoren mit einer Eigenenergieversorgung erzeugten Strompegel sind sehr gering, und das Verhältnis von Nutzsignal zu Hintergrundrauschsignal kann die Verwendung vieler Emittermaterialien einschränken. Aus Sicherheitsgründen ist es bei Anwendungen innerhalb eines Kernreaktors sehr wesentlich, daß die Ansprechzeit des Neutronendetektors praktisch ohne jegliche Verzögerung ist, um momentane» Neutronenflußpegelabweichungen anzuzeigen.

Ein weiterer Typ eines Neutronendetektors mit einer Eigenenergieversorgung ist in der US-Patentschrift 3 259 7^5 beschrieben, bei welchem Bor mit geringem Neutroneneinfangquerschnitt und insbesondere das Aktivierungsprodukt Bor-12 verwendet wird. Das Bor-12 zerfällt unter beta-Emission, wobei die meiste beta-Strahlung durch eine Hülle aus korrosionsbeständigem Stahl hindurchgeht, welche um das Bor-12 herum angeordnet ist, und auch durch ein Isoliermaterial, und zwar zu der Kollektorelektrode. Diese Einrichtung verwendet somit die beta-Strahlung, welche durch ein Zerfallsaktivierungsprodukt erzeugt wird. Ein weiterer Neutronendetektor mit einer Eigenenergieversorgung ist in der US-Patentschrift 3 603 793 beschrieben, welcher

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ein Emitterkemmaterial verwendet, das eine Strahlung emittiert, die schnelle Elektronen enthält, d. h. Elektronen, die bei der Emission einer gamma-Strahlung als Ergebnis des Neutroneneinfangs erzeugt werden. Die gamma-Strahlung tritt in Wechselwirkung mit dem Emittermaterial, um Elektronen mit einer hohen Durchschnittsenergie zu erzeugen. Gemäß dieser Patentschrift werden als Emittermaterialien Ytterbium oder Hafnium verwendet. Diese Emittermaterialien haben auch Aktivierungsprodukte, die unter Emission von beta-Strahlung zerfallen, und diese beta-Strahlung ist durch verzögerte Elektronen gekennzeichnet, die einen geringeren Durchschnitts- ■ energie.pege.1 aufweisen als schnelle Elektronen. Bei diesem bekannten Neutronendetektor wird eine sehr dicke Isolierschicht verwendet, um die verzögerten Elektronen mit einer geringeren Durchschnittsenergie zu absorbieren, so daß dadurch der Hintergrundelektronenfluß vermindert wird. Eine solche dicke Isolierschicht vermindert jedoch die Gesamtempfindlichkeit der Einrichtung und bringt Abmessungsschwierigkeiten mit sich, weil der Gesamtdurchmesser des Neutronendetektors für solche Anwendungen im Kernreaktor begrenzt ist. Jegliche Zunahme in der Isolationsschicht würde es erforderlich werden lassen, die Emitterkernschicht zu vermindern, wodurch wiederum die Empfindlichkeit der Einrichtung herabgesetzt wäre. Eine solche dicke isolationsschicht würde außerdem nur dort zweckmäßig sein, wo die beta-Strahlung, welche durch den Zerfall des Aktivierungspröduktes erzeugt wird, einen sehr niedrigen Durchschnittsenergiepegel aufweist.

Die Neutronendetektoren mit einer Eigenenergieversorgung lassen sich unterteilen in solche mit einer Verzögerung, bei welchen der Emitter typischerweise aus Bor oder aus Ehodium besteht, und in unverzügliche Typen, bei welchen der Emitter typischerweise aus Kobalt, Hafnium oder Ytterbium besteht. Die Detektortypen mit einer Verzögerung werden für eine

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Neutronenflußvermessung benötigt, und zwar wegen ihrer sehr großen Genauigkeit, während unverzügliche Typen zur Sicherheitsüberwachung verwendet werden. Die unverzüglich ansprechenden Neutronendetektoren zeigen ein gewisses Maß an verzögertem Ansprechen, welches durch den beta-Zerfall von Aktivierungsprodukten hervorgerufen wird, was zu einem unerwünschten Hintergrundrauschpegel beiträgt, in bezug auf das unverzügliche Ansprechen aufgrund des momentanen Neutroneneinfanges.

Gegenstand der Erfindung ist ein Neutronendetektor mit Eigenenergieversorgung, der einen Strahlen absorbierenden Emitterkern aus einem Material mit einem hohen Neutroneneinfangquerschnitt aufweist, welches auf einen Neutroneneinfang spontan Strahlen emittiert, die schnelle Elektronen mit einem verhältnismäßig hohen Energiepegel enthalten, die aus einer Wechselwirkung zwischen emittierten gamma-Strahlen und verzögerten beta-Strahlen erzeugt werden, die beim Zerfall des Aktivierungsproduktes emittiert werden, wobei ein Isoliermaterial den Emitterkern umgibt und eine äußere leitende Hülle um das Isoliermaterial herum angeordnet ist, wobei die äußere leitende Hülle aus einem Material besteht, das eine geringe Strahlung erzeugt, wenn es Neutronen ausgesetzt ist, wobei weiterhin eine elektrische Leitung zu dem Emitterkern hineingeführt ist, die durch das Isoliermaterial hindurchgeht, wodurch diese Leitung und die äußere Hülle elektrisch mit einer Elektronenstrommeßeinrichtung verbindbar sind, der sich dadurch auszeichnet, daß eine dünne leitende Schicht aus einem Material mit einem geringen Neutroneneinfangquerschnitt und einer hohen Dichte im wesentlichen um den Emitterkern herum angeordnet ist, daß dieses Material eine beta-Strahlung absorbiert, welche durch den Zerfall des Emitterkern-Aktivierungsproduktes erzeugt wird, jedoch für die schnellen Elektronen, welche eine hohe Durchschnittsenergie aufweisen und durch den Emitterkern

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emittiert werden, im wesentlichen durchlässig ist.

Das Emitterkernmaterial ist vorzugsweise ein leitendes Material und insbesondere Kobalt oder Gold.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Neutronendetektor und ■ '

Fig. 2 einen'Querschnitt entlang der Linie II-II in der Fig. 1. · .

Gemäß Fig. 1 weist der Neutronendetektor 10 einen zentralen Emitterkern 12 auf, der beispielsweise aus Kobalt besteht und der gemäß der Darstellung in der Zeichnung eine im allgemeinen zylindrische Form hat, wobei sein Durchmesser in einer typischen Ausführungsform zwischen etwa 0,5 bis 2,0 mm liegt. Eine dünne leitende Schicht 14 aus Platin ist im wesentlichen um den Emitterkern 12 herum angeordnet, wobei die leitende Schicht 14 in einer typischen Ausführungsform eine Dicke zwischen etwa 0,075 bis 0,125 mm aufweist. Die leitende Schicht 14- braucht nur den seitlichen Bereich des Emitterkerns zu umgeben, weil dies diejenige Sichtung ist, in welcher die meiste Strahlung abgeht. Eine dicht gepackte Isolierschicht aus Magnesium oder Aluminiumoxid ist um die leitende Schicht 14 herum angeordnet. Die Dicke der Isolierschicht 16 beträgt bei einer typischen Ausführungsform etwa 0,25 bis 0,5 mm. Eine äußere leitende Hülle 18 ist um das Isoliermaterial herum vorgesehen, und zwar in der Größenordnung von einigen Zehntel Millimeter. Dazu wird

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typischerweise ein Stahl mit einem hohen Nickelgehalt und einem geringen Mangangehalt wie Inconel verwendet.

Eine elektrische Leitungseinführung 20 ist von dem Emitterkern 12·durch die Isolierschicht 16 nach außen durchgeführt und dient als Zentralleiter eines Koaxialkabels, welches mit der äußeren Hülle 18 verbunden ist, die allgemein durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist. Die Leitungen sind mit einem Strommeßgerät A für geringe Ströme verbunden, dessen eine Seite geerdet ist. In einer typischen Ausführungsform werden Ströme in der Größenordnung von 10" Ampere gemessen, und herkömmliche Amperemeter sind für diese Größenordnung bekannt.

Das Kobalt emittierende Material erzeugt nach einer Absorption oder einem Keutroneneinfang als Aktivierungsprodukte Kobalt-60 und Kobalt-61. Diese beiden Aktivierungsprodukte zerfallen unter beta-Strahlenemission oder einer Strahlenemission, die sich als eine verzögerte Elektronenemission mit einem geringen Durchschnxttsenergiepegel bezeichnen läßt. Diese beta-Strahlung mit einem geringen Durchschnittsenergiepegel wird durch die Platinschicht 14 absorbiert. Da die leitende Schicht 14 elektrisch mit dem leitenden Emitterkernmaterial verbunden ist, erscheint diese Absorption elektronischer Ladung nicht als ein Teil des Ausgangsstromes. Der Ausgangsstrom wird vielmehr als Ergebnis des Neutroneneinfangs durch das Emitterkernmaterial erzeugt, das eine gamma-Einfangstrahlung abgibt, die ihrerseits zu einer Wechselwirkung mit dem Detektormaterial führt, um schnelle Elektronen mit einem hohen Durchschnittsenergiepegel zu erzeugen, die im wesentlichen durch die leitende Schicht 14- ebenso wie die Isolierschicht 16 hindurchgehen und an der Sammlerelektrode 18 gesammelt werden.

Gold ist ein weiteres wirksames Material, welches für den Emitterkern verwendet werden kann, da es einen großen

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Heutronen-Einfangquerschnitt aufweist und spontan nach einem Neutronen-Einfang eine Strahlung aussendet. Gold führt zu einem Aktivierungsprodukt, das einen hohen, verzögerten beta-Strahlungsemissionsstrom auslöst, der "bei herkömmlichen Einrichtungen zu einem starken Hintergrundsignal geführt hat, wenn versucht wurde, Gold zu verwenden.

Das leitende Material für die Schicht 14- kann Platin, Blei oder Wismuth sein, wobei alle diese Materialien einen verhältnismäßig geringen Neutronen-Einfangquerschnitt aufweisen, obwohl sie eine hohe Dichte haben. Die hohe Dichte dieser leitenden Metalle ermöglicht die Verwendung einer dünnen Schicht, die in wirksamer Weise die beta-Strahlung mit geringer Durchschnittsenergie absorbiert, Jedoch für die erzeugten schnellen Elektronen mit einer durchschnittlich höheren Energie im wesentlichen durchlässig ist. Eine solche dünne leitende Schicht Ή ermöglicht die Verwendung eines Emitters mit größerer Dicke, um eine maximale Empfindlichkeit für eine vorgegebene Gesamtabmessung zu "erreichen.

Die erfindungsgemäße Einrichtung spricht praktisch unverzüglich auf eine Veränderung in den Neutronenflußpegeln an. Durch diese Ansprechcharakteristik wird die erfindungsgemäße Einrichtung insbesondere zur Verwendung für eine Sicherheitsüberwachung mit einer kurzen Ansprechzeit nützlich. Das rasche Ansprechen ergibt sich aus der Verwendung der erzeugten eingefangenen Neutronen, der emittierten gamma-Strahlung, die ihrerseits mit dem Detektörmaterial in Wechselwirkung tritt, um rasche Elektronen mit hoher Durchschnittsenergie zu erzeugen, deren Strom gemessen wird.

; - Patentansprüche 4 0 9 885/U888

Claims

Patentansprüche

C1. keutronendetektor mit Eigenenergieversorgung, der einen Strahlen absorbierenden Emitterkern aus einem Material mit einem hohen Neutroneneinfangquerschnitt aufweist, welches auf einen Neutroneneinfang spontan Strahlen emittiert, die schnelle Elektronen mit einem verhältnismäßig hohen Energiepegel enthalten, die aus einer Wechselwirkung zwischen emittierten gamma-Strahlen und verzögerten beta-Strahlen erzeugt werden, die beim Zerfall des Aktivierung sprodukt es emittiert werden, wobei ein Isoliermaterial den Emitterkern umgibt und eine äußere leitende Hülle um das Isoliermaterial herum angeordnet ist, wobei die äußere leitende Hülle aus einem Material besteht, das eine geringe Strahlung erzeugt, wenn es Neutronen ausgesetzt ist, wobei weiterhin eine elektrische Leitung zu dem Emitterkern hineingeführt ist, die durch das Isoliermaterial hindurchgeht, wodurch diese Leitung und die äußere Hülle elektrisch mit einer Elektronenstrommeßeinrichtung verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine dünne leitende Schicht aus einem Material mit einem geringen Neutroneneinfangquerschnitt und einer hohen Dichte im wesentlichen um den Emitterkern herum angeordnet ist, daß dieses Material eine beta-Strahlung absorbiert, welche durch den Zerfall des Emitterkern-Aktivierungsproduktes erzeugt wird, jedoch für die schnellen Elektronen, welche eine hohe Durchschnittsenergie aufweisen und durch den Emitterkern emittiert werden, im wesentlichen durchlässig ist.
2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitterkern aus Kobalt oder aus Gold besteht.

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3. Detektor nach Anspruch Λ oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne leitende Schicht mit hoher Dichte aus Platin, Blei oder Wismuth "besteht.
4. Detektor nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Schicht mit hoher Dichte etwa 0,075 his 0,125 mm dick ist.
5. Detektor, nach einem der Ansprüche 1 bis 4-, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolator aus Magnesium-oder aus Aluminiumoxid· besteht.

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