DE2437171C3

DE2437171C3 - Ionisationskammer

Info

Publication number: DE2437171C3
Application number: DE2437171A
Authority: DE
Inventors: Viktor Ivanovitsch Alekseev
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-08-03
Filing date: 1974-08-01
Publication date: 1978-08-10
Also published as: SE7409860L; IT1034069B; DE2437171B2; SU482704A1; SE389579B; DE2437171A1; US3961196A; FR2247815A1; FR2247815B1; GB1465331A

Description

Die Erfindung betrifft eine Ionisationskammer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere als Meßgerät für starke Neutronen- und Gammastrahlung bei hohen Temperaturen, vor allem bei der Innerzonen-Überwachung von Kernreaktoren.

Eine derartige miniaturisierte Ionisationskammer mit einem Anschluß an ein Dreileiter-Koaxialkabel ist bekannt (vgl. J. F. Bo I and, Nuclear Reactor Instrumentation [In-Core], Gordon and Breach Science Publishers [t 970], S. 170/171), wobei in derem geerdeten, geerdetem, gasgefüllten Zylinder-Gehäuse eine mit dem Mittelleiter des Dreileiter-Koaxialkabels elektrisch verbundene und in der Länge gegen das Gehäuse mittels Distanzelementen gesicherte Sammelelektrode sowie eine ringförmige Schutzelektrode zur Verringe-

rung von unter Einwirkung ionisierender Strahlung und Temperatur entstehenden Ableitströmen untergebracht sind. Dabei liegt die Schutzelektrode an der Durchführung der Kammer, wodurch Ableitströme innerhalb der Kammer nicht beseitigt werden können, weshalb eine derartige Kammer besonders in den Reaktoren nicht verwendbar sind, deren Innerzonen-Temperatur oberhalb 600⁰C liegt Die Sammelelektrode ragt ähnlich einem Kragarm in das Gehäuse hinein, an dem sie

ίο einseitig befestigt ist, wodurch die Ionisationskammer nur geringe Vibrationsfestigkeit aufweist Weiter ist die Sammelelektrode an ein elektrisches Potential einer äußeren Spannungsquelle gelegt Die Sammelelektrode muß gegen die übrigen Konstruktionselemente der Kammer isoliert sein. Eine Widerstandsabnahme der Elektroden-Zwischenisolation auf einen bestimmten Wen hat eine Betriebsstörung oder einen Ausfall der Ionisationskammer zur Folge. Somit ist die Arbeitstemperatur von 600°C praktisch eine Grenztemperatur. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Zwischenisolation unter Einwirkung starker Felder ionisierender Strahlung und hoher Temperatur ihre dielektrischen Eigenschaften einbüßt und zu einer Quelle eines den Arbeitstemperaturbereich einengenden und die Zuverlässigkeit der Kammer herabsetzenden Rauschstroms wird. Selbst die zur Zeit bekannten, auf der Basis von hochreinem Aluminiumoxid hergestellten, am meisten wärmestrahlungsfesten Isolierstoffe werden bei einer Temperatur oberhalb ve η 600° C elektrisch leitend.

Bei der bekannten Ionisationskammer kann als Schutzelektrode auch der Mantel des Dreileiter-Koaxialkabels verwendet werden. Das setzt die Anforderungen an die Isolation des Kabels beträchtlich (um 2 bis 3 Größenordnungen) herab. Das Vorhandensein von Distanzelementen aus Isolierstoff innerhalb des Kammergehäuses und die Ausbildung der Schutzelektrode an der Durchführung der Kammer begrenzen jedoch nach wie vor den Anwendungsbereich auf eine Temperatur von ca. 600° C, wobei außerdem die Zerstörung des Isolierstoffes unter Einwirkung von Feldern ionisierender Strahlung die I -ibensdauer der Kammer einschränkt.

Außerdem ist die bekannte Ionisationskammer bei der Überwachung, der Steuerung und dem Schutz der sehr klein dimensionierten Spaltzonen von Kernreaktoren nicht verwendbar, die bei hohen Neutronenflüssen (ca. 5 ■ 10¹⁴ Neutronen/s cm²) und hohen Temperaturen (ca. 700-800°C) arbeiten, da einerseits der Aufbau der Ionisationskammer sehr sperrig ist und da andererseits

w zur Überwachung der vollen Leistung der Spaltstoff-Kanäle mehrere übereinander angeordnete, gegebenenfalls gleichmäßig verteilte, derartige Ionisationskammern mit nur geringer Länge des empfindlichen Teils anzuordnen sind.

<·,·-, Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Ionisationskammer zur Verwendung in Spaltzonen von Kernreaktoren und bis zu 800°C so auszuführen, daß sie bei ausreichender mechanischer Festigkeil kleinen Durchmesser und große Länge des empfindlichen Teils besitzt.

wi Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Ionisationskammer ist bei der Überwachung der vollen Leistung des Reaktors die Anzahl der in der Spaltzone befindlichen Bauteile

ι,-, herabgesetzt und desnalb auch die Gefahr eines unerwünschten Neutroneneinfangs verringert und der Spaltzonen-Raum des Reaktors besser ausgenutzt. Die erfindungsgemäße Miniatur-Ionisationskammer besitzt

also hohe Zuverlässigkeit unter Dauereinwirkung von starken Feldern ionisierender Strahlung und bei Temperaturen in der Größenordnung von bis zu 800° C. Die erfindungsgemäße Ionisationskammer ist auch bei relativ kurzen Längen des empfindlichen Teils vorteilhaft wegen der besseren Vibrationsfestigkeit.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung sind die Sammelelektrode und die Schutzelektrode direkt aus einem Dreileiter-Koaxialkabel dadurch gebildet, daß dessen äußerer Mantel zur Bildung der Rohrabschnitte und der Distanzelemente durch Einschnitte unterteilt ist Dadurch sind der Außendurchmesser der Ionisationskammer weiter verringerbar und die Länge des empfindlichen Teils verlängerbar, wobei die Herstellung der Ionisationskammer vereinfacht ist.

Die Ionisationskammer sichert ein trägheitsloses Signal und kann bei hohen Temperaturen arbeiten. Ein auf Neutronen ansprechender Überzug auf der Sammelelektrode kann eine Kombination von Spaltisotopen erzeugen, wodurch die Kammer dauerhaft auch bei hohen Flüssen thermischer Neutronen ohne Änderung der Empfindlichkeit arbeiten kann und zur Messung von starken Nsutronenflüssen verwendbar ist.

Zur Verbesserung der mechanischen Festigkeit und des Strahlenschutzes der Elektroden-Zwischenisolation können die Einschnitte an ihren Seitenflächen mit einem Überzug aus strahlungsbeständiger Keramik versehen sein, die metallbewehrt ist, d. h. eine versteifende Metalleinlage enthält.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand einer Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch im Längsschnitt eine Miniatur-Ionisationskammer,

Fig. 2 im Längsschnitt ein zweites Ausführungsbeispiel der Miniatur-Ionisationskammer, ausgehend von einem Dreileiter-Koaxialkabel, und

F i g. 3 vergrößert den Ausschnitt A in F i g. 2.

Die Miniatur-Ionisationskammer gemäß Fig. 1 enthält ein gasdichtes Zylindergehäuse 1 aus einem wärme- und strahlungsbeständigen elektrischen Leiter, der hier rostfreier Stahl ist. Der elektrische Anschluß 2 des Kammergehäuses 1 erfolgt über ein Dreileiter-Koaxialkabel, das einen Mittelleiter 3 enthält, der durch eine Mittelisolierzwischenlage 4 von einem leitenden inneren Mantel 5 getrennt ist, der seinerseits durch eine Isolierzwischenlage 6 von einem leitenden äußeren Mantel 7 dieses Dreileiter-Koaxialka'iels getrennt ist. Der Mittelleiter 3 und die Kabel-Mäntel 5 und 7 bestehen bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel aus korrosionsbeständigem Stahl, während die Zwischenlagen 4 und 6 aus gepreßtem Magnesiumoxidpulver bestehen.

Der Anschluß 2 ist mit dem Kammergehäuse 1 durch ein Übergangsstück 8 gasdicht gekoppelt.

Innerhalb des Kammergehäuses 1 sind eine Schutzelektrode 9 zur Verringerung von unter Einwirkung ionisierender Strahlung und Temperatur entstehenden Ableitströmen und eine Sammelelektrode 10 untergebracht. Die Schutzelektrode 9 ist als Hohlrohr ausgeführt, dessen Länge durch die des Kammergehäuses 1 bestimmt und dessen eines Ende am inneren Mantel 5 des Anschlusses 2 angelötet ist. Die Sammelelektrode 10 ist komplizierter aufgebaut: sie ist als leitende Stabelektrode 11 mit dazu koaxialen Rohrabschnitten 12 ausgeführt, jeder Rohrabschnitt 12 ist mit der Stabelektrode 11 mittels eines elektrisch leitenden Steges 13 verbunden, der ein entsprechendes Loch 14 in der Schutzelektrode 9 durchsetzt, auf deren Gesamtlänge beabstandet voneinander die die Schutzelektrode 9 umschließenden Rohrabschnitte 12 angeordnet sind. Hierbei sind in Zwischenräumen 15 zwischen den Enden der Rohrabschnitte 12 an der Schutzelektrode 9 befestigte, die Sammelelektrode 10 am Gehäuse 1 sichernde Distanzelemente 16 aus einem Isolierstoff angeordnet. Zur Vermeidung von Ableitströmen berühren die Distanzelemente 16 die Sammeielektroden nicht.

Die Sammelelektrode 10 ist mit ihrer Stabelektrode 11 an den Mittelleiter 3 des Anschlusses 2 gekoppelt.

Die Elektroden 9 und 10 liegen also innerhalb des Gehäuses 1 koaxial. Die Stabelektrode 11 der Sammelelektrode 10 ist innerhalb der Schutzelektrode 9 untergebracht, während die Rohrabschnitte 12, deren Oberfläche als wirksame Fläche der Sammelelektrode 10 dient, die Schutzelektrode 9 umschließen. Zwischen den Elektroden 9 und 10 liegen Isolierzwischenlagen, nämlich zwischen der Stabelektrode Π und der Schutzelektrode 9 eine Zwischenlage 17 und zwischen der Schutzeiektrode 9 und den Rohrabschnitten 12 eine Zwischenlage 18.

Die die Löcher 14 in der Schutzeiektrode 9

2ϊ durchsetzenden Stege 13 sind gegen diese durch einen Zwischenraum 19 isoliert

Das Kammergehäuse 1 ist mit einem Schutzgas gefüllt, dai hier Argon ist. Zur Evakuierung und Füllung mit Argon ist die Kammer 1 mit einem in einer

so Trennwand 21 des Gehäuses 1 befestigten Stutzen 20 versehen.

Die Verbindung der Ionisationskammer mit einem Meßgerät 22 und einer Speisequelle 23, die hier eine Gleichspannungsquelle 23 ist, erfolgt durch den

J5 Anschluß 2 am Dreileiter-Koaxialkabel. Der Mittelleiter 3 des Anschlusses 2 ist an die Speisequelle 23 über das Meßgerät 22 gekoppelt, das hier ein für sich bekanntes Galvanometer ist. Der innere Mantel 5 des Anschlusses ist an die Speisequelle 23 unter Überbrückung des

w Meßgerätes 22 gekoppelt. Der äußere Mantel 7 des Anschlusses 2 ist geerdet.

Zur Messung des Neutronenflusses wird die Oberfläche Her Rohrabschnitte 12 mit einem Überzug aus einem auf neutronenansprechenden Stoff ausgeführt,

« der hier mit dem Isotop ²³⁵U angereichertes Uran ist.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, das dem oben beschriebenen ähnlich ist, wirH anhand der Fig. 2beschrieben.
Der Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach

·"<> F i g. 1 besteht darin, daß die Schutz- und die Samrnelelektrode der Kammer und die Distanzelemente ausgehend von einem Dreileiter-Koaxialkabel als Ganzes mit dem Anschluß dieser Kammer ausgeführt sind.

v> An dem koaxial im Gehäuse 1 (Fig. 2) verlegten Dp-ileuer-Koaxialkabel sind Ringnuten oder Einschnitte 24 ausgeführt, die einen Spalt zwischen den Enden der unter Spannung stehenden Rohrabschnitte und den Enden der Distanzelemente 26 bilden. Die Tiefe der

Wi Einschnitte 24 ist durch den Abstand zwischen dem äußeren und dem inneren Mantel 7 bzw. 5 des Dreileiter-Koaxialkabels bestimmt. Der Außenmantel 7 des Kabels ist also durch die Einschnitte 24 abwechselnd in Abschnitte der Sammelelektroden 25 jna der

ι.) Distanzelemente 26 geteilt. An den Sammelelektroden 25 sind Radialkanäle 27 ausgeführt, deren Tiefe durch den Abstand zwischen dem äußeren Mantel 7 des Kabels und dessen Mittelleite! 3 bestimmt ist. Innerhalb

jedes Kanals 27 (F i g. 3) liegt der leitende Steg 13, der den Mittelleiter 3 mit dem äußeren Mantel 7 des Kabels verbindet und durch eine im Kanal 27 angeordnete Hülse 28 von der Schutzelektrode isoliert ist, die bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel durch den inneren Mantel 5 des Dreileiter-Koaxialkabels gebildet ist. Die Hülse 28 ist aus Keramik auf der Basis von pulverförmigem Aluminiumoxid AI2O3 hergestellt. Jeder Kanal 27 ist durch einen ähnlich wie der äußere Mantel 7 des Kabels aus korrosionsbeständigem Stahl hergestellten Deckel 29 in Höhe des äußeren Mantels 7 gasdicht abgeschlossen.

Bei einer derartigen gerätetechnischen Ausführung dient der äußere Mantel 7 des Dreileiter-Koaxialkabels an den Abschnitten der Sammelelektrode 25 (F i g. 2) als deren wirksame Fläche.

An den Enden jedes Abschnitts der Distanzelemente 26 sind zwei als Bunde ausgebildete, am nicht unter Spannung stehenden Teil des äußeren Mantels 7 des Kabels befestigte ivietaiiringe 3ö angeordnet. Bei der Unterbringung des Dreileiter-Koaxialkabels innerhalb des Gehäuses I werden die Metallringe 30 mit diesem kontaktiert, wodurch eine Konstanthaltung des Gasspaltes zwischen der wirksamen Fläche der Sammelelektrode 25 und dem Gehäuse 1 gesichert wird. Die Abschnitte dienen als Distanzelemente 26 und isolieren gleichzeitig die Schutzelektrode, die hier der innere Mantel 5 des Dreileiter-Koaxialkabels ist, vom Kammergehäuse 1. Diese zusätzliche Funktion der Distanzelemente 26 wird durch die Isolierzwischenlage 6 des Kabels gewährleistet. Zur Sicherung der mechanischen Festigkeit der Zwischenlage 6 sind die Seitenflächen der Einschnitte 24 mit einem Überzug 31 aus strahlungsbeständiger und metallbewehrter, bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel auf der Basis von pulverförmigem Aluminiumoxid Al₂Oi hergestellter Keramik versehen.

Die Wahl der Länge der Sammelelektroden 25 und der Distanzelemente 26 ist durch die Anforderungen an die notwendige Empfindlichkeit, die mechanische Festigkeit und die Zuverlässigkeit der Ionisationskammer bedingt.

Die Wirkungsweise der beiden Ausführungsbeispieie der Miniatur-Ionisationskammer ist analog und wird anhand des zweiten Ausführungsbeispiels der Kammer beschrieben.

Zur Messung der Intensität von Gammastrahlung wird am Mittelleiter 3 (F i g. 2) des Dreileiter-Koaxialkabels eine positive Spannung von der Speisequelle 23 über das Meßgerät 22 angelegt. Gleichzeitig wird von der Speisequelle 23 unter Überbrückung des Meßgerätes 22 am inneren Mantel 5 des Dreileiter-Koaxialkabels eine Spannung gleich der Spannung am Mittelleiter 3 angelegt. Der innere Mantel 5 wirkt als die zur Verringerung der Ableitströme vorgesehene Schutzelektrode der Kammer.

Unter Einwirkung von Gammastrahlung ionisieren die aus der Wandung des Gehäuses 1 ausgelösten Elektronen das Argon im Raum zwischen dem Gehäuse 1 und dem Dreileiter-Koaxialkabel. Die negativ geladenen Teilchen werden von der wirksamen Räche der Sammelelektrode 25 gesammelt, als die der äußere Mantel 7 des Dreileiter-Koaxialkabels dient, der bezüglich des Gehäuses 1 auf dem positiven Potential des Mittelleiters 3 liegt Ein dem lonisationsgrad proportionaler Strom wird durch das im Stromkreis des

Mittelleiters 3 des Kabels liegendes Meßgerät 2i registriert.

Jedoch beginnen unter Einwirkung der ionisierender Strahlung und der Temperatur durch die Isolierzwi schenlagen der Elektroden Ableitströme zu fließen, unc zwar durch die Isolierzwischenlagen 4 und 6 bzw. 17 unc 18 (Fig. 1), zwischen der Sammelelektrode 25 und der Schutzelektrode sowie zwischen der Schutzelektrode und dem Gehäuse 1.

Bei den beschriebenen Ausbildungsbeispielen der Kammer ist dank der Anordnung der Schutzelektrode auf deren ganzer Länge und deren Beaufschlagen mil einer Spannung gleich der an der Sammelelektrode die Potentialdifferenz zwischen diesen Elektroden nahe Null. Dadurch werden die Ableitströme zwischen der Sammelclektrode und der Schutzelektrode durch die Isolierzwischenlagen 4 und 6 beträchtlich reduziert unc die Anforderungen an den Isolierwiderstand um 3 bis 4 Zehnerpotenzen herabgesetzt, was die Betriebszuveriässigkeit und die Lebensdauer der Kammer erhöht.

Jedoch entstehen an den Distanzelementen 26 in der Isolierzwischenlage 6 zwischen dem Gehäuse 1 und der Schutzelektrode, als die der innere Mantel 5 wirkt Ableitströme. Die Beseitigung des Einflusses dieser Ströme auf die Anzeige des Meßgerätes 22 wire dadurch erreicht, daß die Spannung auf die Schutzelektrode unter Überbrückung des Meßgerätes 22 eingespeist wird.

Infolgedessen belasten die Ableitströme lediglich die Speisequelle 23 und beeinflussen keinesfalls die Anzeigt des Meßgerätes 22.

Die Arbeitsweise einer Meßkamrner für Neutronen flüsse ist analog der oben beschriebenen.

Der Unterschied besteht nur darin, daß das Argon irr Zwischenraum zwischen dem Gehäuse 1 und derr Dreileiterkabel durch Spaltprodukte ionisiert wird Diese entstehen im Ergebnis einer Wechselwirkung der Neutronen mit dem auf der wirksamen Fläche der Sammelelektrode 10, 25 aufgebrachten, auf Neutroner ansprechenden Überzug.

Die Miniatur-Ionisationskammer gemäß einem dei Ausführungsbeispiele erweitert erheblich den Arbeits temperaturbereich (bis zu 700-80O⁰C) und erhöh' beträchtlich die Lebensdauer (bis zu einem Integral Fluß von «5 ■ 10²¹ Neutronen/cm². Dies wird dadurch erreicht, daß die die Anforderungen an die Zwischenelektrodenisolation herabsetzende Schutzelektrode aul die ganze Länge des Meßvolumens der Kammer verteilt sind.

Bei relativ geringem Außendurchmesser (unter 6 mm' kann die Kammer praktisch mit beliebiger gewünschter Länge ausgeführt sein.

Abhängig vom Einsatz der Ionisationskammer, vorr Typ und vom Aufbau der Spaltzone des Reaktors, kanr die Länge des empfindlichen Abschnitts der Kammei von einigen 10 mm bei Differentialmessungen bis zu 5 — 7 m und darüber (bei einer Leistungsmessung des gesamten Arbeitskanals großdimensionierter Leistungsreaktoren) variieren.

Die Fähigkeit, dauerhaft und zuverlässig bei hoher Temperaturen und in starken Strahlungsfeldern zu arbeiten, in Verbindung mit verschiedenartigen gerätetechnischen Ausrüstungen, macht die Ionisationskammern gemäß den Ausfuhrungsbeispielen zu geeigneter Instrumenten für Messungen in einem Reaktor.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ionisationskammer,

mit einem gasgefüllten, zylinderförmigen Metallgehäuse,

mit einer koaxial zu der Zylinderachse angeordneten Stabelektrode,

mit einer koaxial zu der Zylinderachse angeordneten Schutzelektrode und

mit isolierenden Distanzelementen, die die Elektroden gegeneinander und gegenüber dem Gehäuse festlegen, wobei der elektrische Anschluß der Ionisationskammer über ein Dreileiter-Koaxialkabel erfolgt,

dadurch gekennzeichnet,
daß die Sammelelektrode (10; 25) der Ionisationskammer aus koaxial außerhalb der rohrförmig ausgebildeten Schutzelektrode (9; 5) isoliert angeordneten Rohrabschnitten (12; 7) besteht, die ihrerseits mit der Stabelektrode (11; 31) mit durch in der Schutzeleiirode (9; S) vorgesehene Löcher (14) hindurchgehenden Stegen (13) verbunden sind,
daß die isolierenden Distanzelemente (16; 26) an der Schutzelektrode (9; 5) beiderseits von Rohrabschnitten (12; 7) der Sammelelektrode (10; 25) angeordnet sind und

daß der Mittelleiter (3) des Dreileiter-Koaxialkabels mit der Stabelektrode (11; 3), der innere Mantel (5) des Kabels mit der Schutzelektrode (9; 5) und der äußere Mantel (7) des Kabels mit dem Gehäuse (1) verbunden sind.

2. Ionisationskammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammelelektrode (25) und die Schutzelektrode (5) aus einem Dreileiter-Koaxialkabel gebildet sind, bei dem der äußere Mantel (7) zur Bildung der Rohrabsci.nitte und der Distanzelemente (26) durch Einschnitte (24) unterteilt ist.

3. Ionisationskammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung des Neutronenflusses die wirksame Fläche der Sammelelektrode (10; 25) einen Überzug aus einem auf Neutronen ansprechenden Werkstoff hat.

4. Ionisationskammer nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur erhöhten mechanischen Festigkeit die Seitenflächen der Einschnitte (24) einen Überzug (31) aus strahlungsbeständiger und metallbewehrter Keramik aufweisen.