DE2447817A1

DE2447817A1 - Geraet zur bestimmung der aequivalentdosis von neutronen

Info

Publication number: DE2447817A1
Application number: DE19742447817
Authority: DE
Inventors: Max Dr Heinzelmann; Fritz Rohloff; Hans Schueren
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1974-10-08
Filing date: 1974-10-08
Publication date: 1976-04-22
Also published as: FR2287704A1; NL182347C; LU73535A1; NL7511548A; DE2447817C3; IE42055L; NL182347B; FR2287704B1; BE834220A; GB1498969A; IT1043168B; IE42055B1; DE2447817B2

Description

Kernforschungsanlage. Julien Gesellschaft mit beschränkter Haftung

Gerät zur Bestimmung der Aquivalentdosis von Meutronen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zur Bestimmung der Aquivalentdosis oder der Äquivalentdosisleistung von Neutronen, bestehend aus einem Neutronen absorbierenden, Spannungsimpulse abgebenden Detektor mit einer Ummantelung zum Moderieren und zur Absorption von Neutronen, aus einer dem Detektor nachgeschalteten, zur Verstärkung der vom Detektor abgegebenen Spannungsimpulse vorgesehenen Verstärkereinrichtung, aus einem die verstärkten Spannungsimpulse aufnehmenden Spannungsdiskriminator sowie aus einer dem Spannungs diskriminator nachgeschalteten Einrichtung zum Zählen oder zum Messen der zeitlich gemittelten Zahl der von dem Spannungsdiskriminator abgegebenen Spannungsimpulse, wobei der Detektor für Neutronen mit Energien bis zu mindestens 10 eV Spannungsimpulse abgibt, deren Höhe von der infolge des im Detektor durch die absorbierten Neutronen ausgelösten Kernprozesses freiwerdenden Energie sowie von der kinetischen Energie der absorbierten Neutronen abhängig ist und wobei die Zahl der Spannungsimpulse mit einer der im Bereich der beim Kernprozeß freiwerdenden Energie liegenden Höhe ein Maximum aufweist.

Geräte zur Bestimmung der Äquivalentdosis oder der Äquivalentdosisleistung von Neutronen werden vor allem hinter Abschirmungen von Neutronenquellen - v/o im allgemeinen Neutronen mit

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Energien von 1/40 eV bis etwa 10' eV vorhanden sind - zur Messung eigesetzt. Dabei ist es das Ziel der !"!essung, einen Wert für die schädigende Wirkung der Neutronen im menschlichen Körper anzugeben, die - bezogen auf jexveils gleiche Pluenz von Neutronen verschiedener Energie - von der Energie der Neutronen abhängig ist. Diese Abhängigkeit ist in einer von der International Commission von Radiological Protection zur Beachtung empfohlenen Äquivalentdosis-Kurve beschrieben. Es wird daher, um das vorgenannte Ziel zu erreichen, angestrebt, daß der Verlauf der Kurve der Antwortfunktion des Gerätes, d. h. die Zählrate pro Einheitsflußdichte als Funktion der Neutronenenergie in dem vorgenannten Energiebereich möglichst mit dem Verlauf der Äquivalentdosis-Kurve übereinstimmt. Dabei ist für Strahlenschutzzwecke die Energieunabhängigkeit der Geräte zur Bestimmung der Äquivalentdosis oder der Äquivalentdosisleistung hinreichend, wenn der Meßwert des Gerätes für keine Energie um mehr als den Paktor 2 von dem angestrebten Verlauf abweicht.

Geräte, die zur Bestimmung der Äquivalentdosis vorgesehen sind, sind unter der Bezeichnung "Rem-Counter" bekannt. Bekannt sind Geräte, die einen Detektor für Neutronen aufweisen, der mit einer Ummantelung aus wasserstoffhaltigem Material, wie Paraffin, Polyäthylen oder dergleichen, umgeben ist. Als Detektoren werden beispielsweise BF,-Zählrohre oder He-Zählrohre verwendet, die eine hohe Empfindlichkeit für thermische Neutronen, dagegen eine geringere Empfindlichkeit für Neutronen höherer Energie aufweisen. Nachteilig ist bei diesen bekannten Geräten, daß die Ummanteling eine Wandstärke von mindestens 12,5 cm aufweist. Die bekannten Geräte sind daher schwer und unhandlich.

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Zudem wird bei den kleinsten der bekannten Geräte eine von der Energie unabhängige Anzeige der Äquivalentdosis oder der Äquivalentdosisleistung für die Neutronenenergien in dem vorgesehenen Neutronenenergiebereich nur unvollkommen erreicht. Zwar ist bekannt, die Bestimmung der Äquivalentdosis oder der Äquivalentdosisleistung dadurch zu verbessern, daß mit einem Detektor die Messung mehrfach -durchgeführt wird, wobei der Detektor für jede Messung mit einer unterschiedlich dicken Ummantelung umgeben wird. Jedoch ist dieses bekannte Verfahren umständlich und für praktische Erfordernisse zu aufwendig. Bekannt ist auch ein Gerät, daß aus mehreren, in einer Ummantelung befindlichen Detektoren besteht. Mit diesem bekannten Gerät ist zwar eine Bestimmung der gewünschten Meßgröße in einem einzigen Meßvorgang erreichbar. Das Gerät ist jedoch sehr aufwendig und ebenfalls für praktische Erfordernisse zu schwer und unhandlich.

Bekannt ist ferner ein Gerät, bei dem in der Umhüllung aus wasserstoffhaltigem Material eine durchlöcherte Absorberschicht eingebettet ist. Hierdurch wird zwar eine Verringerung der Wandstärke der Ummantelung erzielt, jedoch weist dieses bekannte Gerät noch immer einen Durchmesser von etwa 2o cm auf. Außerdem wird auch bei diesem Gerät die angestrebte Anpassung an die Äquivalentdosis-Kurve nicht in vollem Umfange erreicht.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Gerät zu schaffen, das eine hinreichend genaue Bestimmung der Äquivalentdosis" oder der Äquivalentdosisleistung von Neutronen eines Neutronenspektrums ermöglicht, das dem Spektrum hinter Abschirmungen von Neutronenquellen entspricht, gleichwohl aber handlicher ist als bisher bekannte Geräte.

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Diese Aufgabe wird bei einem Gerät der eingangs bezeichneten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß ein Spannungsdiskriminator verwendet wird, bei dem die Höhe der Spannungsschwelle oberhalb der Höhe der Spannung der weitaus größten Zahl der um das Maximum verteilten Spannungsimpulse liegt. Spannungsimpulse, die eine geringere Höhe aufweisen als der Schwellenwert, gelangen dadurch nicht zur Einrichtung zum Zählen oder zum Messen der zeitlich gemittelten Zahl der von dem Diskriminator abgegebenen Spannungsimpulse.

Zwar ist es bekannt, bei Geräten zur Bestimmung der Äquivalentdosis oder der Äquivalentdosisleistung Spannungsimpulse durch einen zwischen Detektor und der Einrichtung zum Zählen der Spannungsimpulse geschalteten Spannungsdiskriminators zu unterdrücken. Dabei handelt es sich jedoch nur um Spannungsirüpulse niedriger Höhe, die beispielsweise durch Gammastrahlung ausgelöst werden und für die Messung der Neutronen einen störenden Untergrund darstellen würden. Demgegenüber werden gemäß der Erfindung auch solche Spannungsimpulse durch die Spannungsschwelle im Diskriminator zurückgehalten, die durch Neutronen vorwiegend niedriger Energie ausgelöst werden.

Durch die Maßnahmen gemäß der Erfindung wird erreicht, daß es, um eine gute Anpassung der Kurve der Zählrate pro Einheitsflußdichte als Punktion der Neutronenenergie an die Äquivalentdosiskurve zu erreichen, nicht erforderlich ist, die Neutronen in einer Ummantelung mit großer Wandstärke zu moderieren. Das Gerät gemäß der Erfindung weist daher eine Ummantelung mit geringerer Wandstärke auf, als dies bisher bei bekannten Geräten möglich war; Die Ummantelung besteht

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dabei zweckmäßigerweise aus einem wasserstof.fhaltigen Material, in dem gegebenenfalls eine durchlöcherte Absorberschicht eingebettet ist.

Die Neutronen niedriger Energie lösen infolge ihres sehr hohen Wirkungsquerschnittes für den im. Detektor ablaufenden Kernprozeß zur Erzeugung von Ionen eine sehr große Zahl von Spannungsimpulsen aus. Die Verteilung der Höhen der Spannung dieser Spannungsimpulse erstreckt sich über einen größeren Energiebereich infolge der statistischen Natur der Prozesse irrt Detektor bei der Entstehung der Spannungsimpulse, wobei das Maximum der Verteilung dieser von Meutronen niedriger Energie verursachten Spannungsimpulse der beim Kernprozeß freiwerdenden Energie entspricht. Um die weitaus größte Zähl - zweckmäßigerweise mindestens 95 % - dieser Spannungsimpulse zu unterdrücken, wird der Schwellenwert auf eine Höhe eingestellt, der oberhalb des Maximums der Verteilung am Fuße der Verteilungskr^uve liegt. Die Höhe der den Diskriminator passierenden Spannungsimpulse entspricht der Summe der beim Kernprozeß fre!werdenden Energie und der kinetischen Energie der im Detektor absorbierten Neutronen.

In konsequenter Weiterverfolgung des Erfindungsgedankens besteht eine sehr zweckmäßige Ausgestaltung des Gerätes gemäß der Erfindung darin, daß der dem Detektor zugewandte Teil der Ummantelung des Detektors aus einer Kadmiumschicht von einer zwischen etwa 0,1 bis 2 mm liegenden Dicke besteht. Dadurch-wird erreicht, daß alle Neutronen mit Energien, die kleiner sind als 0,5 eV, außerhalb des Detektors absorbiert werden und somit gar nicht in den Detektor gelangen. Die Zahl

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der durch Neutronen niedriger Energien im Detektor verursachten Spannungsimpulse ist daher sehr viel geringer, so daß es möglich ist, den Schwellenwert des Spannungsdiskriminators auf eine niedere Höhe einzustellen und somit eine noch bessere Anpassung der Kurve der Zählrate pro Einheitsflußdichte als Punktion der Neutronenenergie an die Äquivalentdosiskurve zu erreichen.

Zwar ist die Empfindlichkeit des Gerätes, dessen Ummantelung eine dem Detektor zugewandte Kadmiumschicht aufweist, für Neutronen mit Energien unterhalb O₂5 praktisch gleich Null. Da jedoch im allgemeinen^hinter Abschirmungen von Neutronenquellen der Anteil der Äquivalentdosisleistung,der durch Neutronen mit Energien unterhalb 0,5 eV verursacht wird, weniger als 5 % der gesamten Ä'quivalentdosisleistung ist, wird die Anpassung des Gerätes an die Äquivalentdosiskurve hierdurch nur unwesentlich beeinflußt. Für den Fall, daß auch Neutronen mit Energien unterhalb 0,5 eV gemessen werden sollten, ist es möglich, als dem Detektor zugewandten Teil der Ummantelung eine durchlöcherte Kadmiumschicht vorzusehen oder aber das Gerät gemäß der Erfindung mit einem Detektor zur Messung von Neutronen mit Energien unterhalb 0,5 eV zu verbinden.

Eine sehr vorteilhafte Ausgestaltung des Gerätes gemäß der Erfindung besteht darin, daß als Detektor ein zum Nachweis von Neutronen mit dem Isotop 'He gefülltes Zählrohr verwendet wird. Thermische Neutronen erzeugen im He Zählrohr eine Kernreaktion, bei der eine Energie von 770 keV frei wird. Für den Fall, daß ein hie Zählrohr als Detektor verwendet wird,

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ist es daher zweckmäßig, daß die Höhe der Spannungsschwelle des Spannungsdiskriminators einer Energie in Energiebereieh zwischen 800 und 850 eV entspricht.

Vorteilhaft ist auch, oeß die Ummantelung des Detektors aus einem die Kadmiumschient umgebenden Hantel aus Polyäthylen mit einer Wandstärke von 3 bis 5,5 cm besteht, wobei die Wandstärke ,je nach der gewünschten Genauipjkeit der Anpassung des Gerätes an die Xquivalentdosiskurve und in Übereinstimmung mit dem im Diskriminator eingestellten Schwellenwert gewählt wird.

Eine weitere Variante des Gerätes gemäß der Erfindung ist in vorteilhafter Weise als Albedo-Personendosimeter verwendbar. Diese Variante besteht darin, daß die Ummantelung des Detektors eine Kadmiumschicht mit einer Dicke von etwa O₃I bis 2 mm aufweist j wobei der als Moderator dienende Teil der Ummantelung zumindest teilweise durch den dem Detektor nächstliegenden Teil der Person gebildet wird.

Ist für den als Moderator dienenden Teil der Ummantelung eine Polyäthylenwandung vorgesehen, so kann diese Wandung in Richtung des Rumpfes der das Personendosimeter tragenden Person entfallen, da der Teil der Person, an dem das Dosimeter befestigt ist, die Funktion der Moderators übernimmt. An der vom Rumpf der Person abgewandten Seite genügt - je na.ch der angestrebten Anpassung des Dosimeters an die Äquivalentdosiskurve - eine Wandung geringerer Wandstärke. Je nach der angestrebten Genauigkeit des Dosimeters kann die Polyäthylenwandung auch ganz entfallen.

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Die Unempfindlichkeit des als Albedo-Dosimeters verwendeten Gerätes für Neutronen mit Energien unterhalb O₅5 eV ist unerheblich, da Neutronen dieser Energie mittels der Kadmium-Absorber bekannter Filmplaketten nachgewiesen werden können.

Für den Fall, daß das als Älbedo-Personendoslmeter verwendete Gerät gemäß der Erfindung auch für Neutronen mit Energien unterhalb 0,5 eV empfindlieh sein soll, besteht der dem Detektor zugewandte Teil der ummantelung zweekmäßlgerweise aus einer durchlöcherten Kadmiumsehicht. Da die Wandung des Moderators des Gerätes nicht nach allen Seiten gleich dick ist, sollten die Bohrungen in der Kadmiumschicht eine unterschiedliche Verteilung aufweisen.

Als Ausführungsbeispiel sind der Detektor eines Gerätes gemäß der Erfindung in der Zeichnung schematisch dargestellt und Empfindlichkeitskurven zweier Geräte gemäß der Erfindung wiedergegeben. Es zeigen

Fig. 1 einen Detektor mit Ummantelung

Fig. 2 und 3 Empfindlichkeitskurven zweier

Geräte mit Detektoren mit unterschiedlich dicker Ummantelung

In Fig. 1 ist'ein Detektor 1 mit einer Ummantelung dargestellt, die aus einer an dem Detektor 1 anliegenden Absorberschicht 2 und einem äußeren Mantel 3 aus einem wasserstoffhaltigen Material besteht.

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Zur Bestimmung der in den Fig. 2 und 3 widergegebenen Empfinlichkeitskurven wurde als Detektor ein unter der Bezeichnung SP9 bekanntes hie Zählrohr verwendet. Die Absorberschicht'2 bestand aus einer Kadmiumschicht mit einer Dicke von etwa 1 mm. Der Detektor 1 war an ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Hochspannungsgerät angeschlossen. Außerdem waren - wie in der Zeichnung ebenfalls nicht dargestellt worden ist - dem Detektor 1 ein Vorverstärker und ein Hauptverstärker nachgeschaltet, dem ein Spannungsdiskriminator und ein an den Spannungsdiskriminator angeschlossener Zähler nachgeschaltet waren. Die Höhe der Schwelle des Spannungsdiskriminators entsprach einer Energie von 825 keV.

In den Kurven in Pig. 2 und 3 sind auf der Ordinate die Empfindlichkeit des Gerätes und auf der Abszisse die Energie der auf die Ummantelung des Detektors 1 auftreffenden Neutronen aufgetragen. Dabei ist

Empfindlichkeit = Zählrate

Aquivaltertdosisleistung

Die Kreuze in den Kurven stellen die Ergebniswerte von Messungen mit Neutronen von Präparat-Neutronenquelle und monoenergetischen Neutronen von 14 MeV dar. Die mit den Präparat-Neutronenquellen erhaltenen Meßwerte sind in den Kurven bei einer Energie aufgetragen, die der mittleren Energie der Neutronen der Präparat-Neutronenquellen entspricht. Der gestrichelte Bereich der Kurve wurde interpoliert.

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- Io -

Das Gerät,dessen Empfindlichkeitskurve in Fig. 2 dargestellt ist, wies einen Mantel 3 aus Polyäthylen mit einer Wandstärke von 5jo8 cm auf. Der Mantel 3 aus Polyäthylen des zweiten Gerätes₃ dessen Empfindlichkeitskurve in Fig. 3 dargestellt ist, besaß eine Wandstärke von 3,81 cm. Wie aus den Fig. 2 und 3 hervorgeht, ist das Gerät mit der größeren Wandstärke zwar besser an die Äquivalentdosiskurve angepaßt, jedoch weist auch das Gerät mit der geringeren Wandstärke eine hinreichende Genaue Anpassung an die Squivalentdosiskurve auf.

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Claims

Patentanspruch e

l.JGerät zur Bestimmung der Äquivalentdosis oder der Squivalentdosisleistung von Neutronen, bestehend aus einem Neutronen absorbierenden, Spannungsimpulse abgebenden Detektor mit einer Ummantelung zum Moderieren und zur Absorption von Neutronen₃ aus einer dem Detektor nachgeschalteten, zur Verstärkung der vom Detektor abgegebenen Spannungs impulse vorgesehenen \?"erstärkereinrichtung_s aus einem die verstärkten Spannungsimpulse aufnehmenden Spannungsdiskriminator soitfie aus einer dem Spannungsdiskriminator nachgeschalteten Einrichtung zum Zählen oder zum Messen der zeitlich gemittelten Zahl der von dem Spannungsdiskriminator abgegebenen Spannungsimpulse, wobei der Detektor für Neutronen mit Energien bis zu mindestens 10 eV Spannungsimpulse abgibt, deren Höhe von der infolge des im Detektor durch die absorbierten Neutronen ausgelösten Kernprozesse freiwerdenden Energie sowie von der kinetischen Energie der absorbierten Neutronen abhängig ist und wobei die Zahl der Spannungsimpulse mit einer der im Bereich der im Kernprozeß freiwerdenden Energie liegenden Höhe ein Maximum aufweist, dadurch ge kenn ζ -ei chnet, daß ein Spannungs diskriminator verwendet wird, bei dem die Höhe der Spannungsschwelle oberhalb der Höhe der Spannung der weitaus größten Zahl der um das Maximum verteilten Spannungsimpulse liegt.

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2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Detektor zugewandte Teil der Ummantelung des Detektors aus einer Kadmiumschicht von einer zwischen etwa O₅I bis 2 mm liegenden Dicke besteht .
3. Gerät nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Detektor ein zum Nachweis von Neutronen mit dem Isotop PIe gefülltes Zählrohr verwendet wird.
4. Gerät nach Anspruch 3₅ dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Spannungsschwelle des Spannungsdiskriminators einer Energie im Energiebereich zwischen 800 und 850 keV entspricht.
5. Gerät nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung des Detektors aus einem die Kadmiumschicht umgebenden Mantel aus Polyäthylen mit einer Wandstärke von etwa 3 bis 5,5 cm besteht.
6. Gerät nach einem der Ansprüchel,3 oder 4, dadurch gekennzei chnet, daß die Ummantelung des Detektors eine Kadmiumschicht mit einer Dicke von etwa 0,1 bis 2 ram aufweist, wobei der als Moderator dienende Teil der Ummantelung zumindest teilweise durch den dem Detektor nächstliegenden Teil der Person gebildet wird.

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