DE2447817C3 - Gerät zur Bestimmung der Äquivalentdosis oder der Äquivalentdosisleistung von Neutronen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Bestimmung der Äquivalentdosis oder der Äquivalentdosislcistung von ■>■■> Neutronen, bestehend aus einem Neutronen absorbierenden, Spannungsimpul.se abgebenden Detektor mit einer Ummantelung zum Moderieren und zur Absorption von Neutronen, wobei die Ummantelung eine Kadmiumschicht von einer /wischen etwa 0,1 bis 2 mm w) liegenden Dicke und einen die Kadmiumschichi umfassenden Mantel aus Polyäthylen oder einem hinsichtlich seiner Moderatoreigenschafien dem Polyethylen äquivalenten. w asserstollhaltigcn Material aulweist. aus cinur dem Detektor nachgeschalteten, /ur n"> Verstärkung tier vom Detekloi .ibgegehenen Span niingsimpulse vorgesehenen Versiärkereinrichumg, ans einem die verstärkten Spannungsimpuls»: aufnehmenden Spannungsdiskriminator mit einer Spannungsschwelle zum Unterdrücken eines Teils der Spannungsimpulse sowie 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 Kernprozesses frei werdenden 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 frei werdenden Energie liegenden Höhe ein Maximum aufweist.

Geräte zur Bestimmung der Äquivalentdosis oder der Äquivalenidosisleistung von Neutronen werden vor allem hinter Abschirmungen von Neutronenquellen — wo im allgemeinen Neutionen mit Energien von ¹Ao eV bis etwa 10⁷eV vorhanden sind — zur Messung eingesetzt. Dabei ist es, das Ziel der Messung, einen Wert für die schädigende Wirkung der Neutronen im menschlichen Körper abzugeben, die — bezogen auf jeweils gleiche Fluenz von Neutronen verschiedener Energie — von der Energie der Neutronen abhängig ist. Diese Abhängigkeit ist in einer von der »International Commission for Radiological Protection« zur Beachtung empfohlenen Äquivalentdosiskurve beschrieben. Es wird daher, um das vorgenannte Ziel zu erreichen, angestrebt, daß der Verlauf der Kurve der Antwortfunktion des Gerätes, das heißt die Zählrate pro Einheitsflußdichte als Funktion der Neutronenenergie, in dem vorgenannten Energiebereich möglichst mit dem Verlauf der Äquivalentdosiskurve übereinstimmt. Dabei ist für Strahlungsschutzzwecke die Energieunabhängigkeit der Geräte zur Bestimmung der Äquivalentdosis oder der Äquivalentdosisleistung hinreichend, wenn der Meßwert des Gerätes für keine Energie um mehr als den Faktor 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 BFj-Zählrohre oder ^JHe-Zählrohre verwendet, die eine hohe Empfindlichkeil für thermische Neutronen, dagegen eine geringere Empfindlichkeit für Neutronen höherer Energie aufweisen. Bei diesen bekannten Geräten weist die Ummantelung eine Wandstärke von mindestens 12,5 cm auf. Diese Geräte sind daher schwer und unhandlich.

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 Ncutronenenergiebereich 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, lccloch ist dieses bekannte Verfahren umständlich und iiir praktische Ki iorderuisse /u aufwendig. Bekannt ist auch ein Gerat, (las aus mehreren, in einer Ummantc lung befindlichen Detektoren besieht. Mit diesem bekannten Gerät ist /war eine Bestimmung der j'i'wünsi hic'i MeligroHe 111 einem ein/igen Meßvorgant»

erreichbar. Das Gerät ist jedoch sehr aufwendig und ebenfalls für praktische Erfordernisse zu schwer und unhandlich.

hin Neutronendosimeter mit einer in dem wasserstoffhaltigen Material eingebetteten durchlöcherten Absorberschicht aus Bor ist aus der deutschen Patentschrift 12 33 500 bekannt. Bei diesen, bekannten Neutronendosimeter wird zwar eine gute Anpassung der Empfindlichkeitskurve an die Äquivalentdosiskurve erzielt, es ist jedoch relativ schwer und somit ebenfalls unhandlich, zumal zur Erzielung der gut an die Äquivalentdosiskurve angepaßten Empfindlichkeitskurve eine Wandstärke des Moderators von etwa 8,1 cm erforderlich ist.

Aus »Nuclear Instruments and Methods«, Band 63. 1968, Nr. 3. Seiten 329 bis 332, und »Nuclear Instruments and Methods«, Band 45. 1966, Nr. 1, Seilen 151 bis 156 sind ferner Geräte der eingans genannten Art bekannt, bei denen in der Umhüllung aus wasserstoffhaltigem Material eine aus Kadmium bestehende, durchlöcherte Absorberschicht eingebettet ist. Diese bekannten Geräte sind leichter als das aus der vorgenannten Patentschrift bekannte Neutronendosimeter. sie weisen jedoch einen Durchmesser von etwa 20 cm auf und erreicht die angestrebte Anpassung an die Äquivalentdosiskurve nicht in vollem Umfange.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Gerät zu schaffen. das eine hinreichend genaue Bestimmung der Äqm alentdosis oder der Äquivalentdosisleistung von Neun >nen eines Neutronenspektrums, das dem Spektrum hinter Abschirmungen von Neutronenquellen entspricht, bei wesentlich verringerten Abmessungen der Detektor-Ummantelung erbringt.

Diese Aufgabe wird bei einem Gerät der eingangs bezeichneten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Kadmiumschicht den dem Detektor zugewandten Teil der Ummantelung bildet, daß der Mantel eine Wandstärke zwischen etwa 3 bis 5.5 cm aufweist und daß die Spannungsschwelle des Spannungsdiskriminators so hoch liegt, daß die weitaus größte Zahl der um das Maximum verteilten, von Neutronen niedriger Energie herrührenden Spannungsimpulse mit ihrer Spannungsamplitude unterhalb dieser Spannungsschwelle liegen.

Dabei kann die Wandstärke je nach der gewünschten Genauigkeit der Anpassung des Gerätes an die Äquivalentdosiskurve und in Übereinstimmung nut dem im Diskriminator eingestellten Schwellenwert gewählt werden.

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 Spannungsdiskriminator zu unterdrücken. Dabei handelt es sich jedoch nur um Spannungsimpulse niedriger Höhe, die beispielsweise durch Gammastrahlung ausgelöst werden und für die Messung der Neutronen einen störenden Untergrund darstellen würden. Demgegenüber werden bei dem gemäß der Erfindung ausgebildeten Gerät auch solche Spannungsinipulse durch die Spannungsschwelle im Diskriminator zurückgehalten, die durch Neutronen vorwiegend niedriger Energie ausgelöst werden.

Bei dem Gerät naih der Erfindung isl es für eine gute Anpassung der Kurve der Zahlrate pro Einheitsfliißdichle als Funktion dec Neulronenenergie an die Äquiviilcntdosiskurve nicht erforderlich, die Neutronen in einer Ummantelung mit großer Wandstärke zu moderieren. Das Gerät nach der Erfindung vveisi daher eine Ummantelung mit geringerer Wandstärke auf. als dies bisher bei bekannten Geräten möglich war.

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 Fnergiebe-

iü reich infolge der statistischen Natur der Prozesse im Detektor bei der Entstehung der Spannungsimpulse, wobei das Maximum der Verteilung dieser von Neutronen niedriger Energie verursachten Spannungsimpulse der beim Kernprozeß frei werdenden Energie

π entspricht. Um die weitaus größte Zahl — beispielsweise mindestens 95% — dieser Spannungsimpulse zu unterdrücken, wird der Schwellenwert auf eine Höhe eingestellt, der oberhalb des Maximums der Verteilung am Fuße der Verteilungskurve liegt. Die Höhe der den Diskriminator passierenden Spannungsimpulse entspricht der Summe der beim Kernprozeß frei werdenden Energie und der kinetischen Energie der im Detektor absorbierten Neutronen.

Dadurch, daß die Kadmiumschicht den dem Detektor

j) zugewandten Teil der Ummantelung bildet, 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 der durch Neutronen niedrger Energien im

so Detektor verursachten Spannungsimpulse ist daher sehr viel geringer, so dal) es möglich ist. den Schwellenwert des Spannungsdiskriniinators auf eine niedere Höhe einzustellen und somit eine noch bessere Anpassung der Kurve der Zählrate pro Einheitsflußdichte als Funktion 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 0.5 cV praktisch gleich Null. Da jedoch im allgemeinen hinter Abschirmungen von Neutronenquelle:! der Anteil der Äquivalentdosisleistung, der durch Neutronen mit Energien unterhalb 0.5 eV verursacht wird, weniger als 5% der gesamten Äquivalentdosisleistung 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 mit einem Deiektor zur Messung von Neutronen mit Energien unterhalb 0,5 eV zu verbinden.

Als Detektor kann ein zum Nachweis von Neuronen mit dem Isotop ¹He gefülltes Zählrohr verwendet werden. Thermische Neutronen erzeugen im 'Hc-Zahlrohr eine Kernreaktion, bei der eine Energie von 770 keV frei wird. Für den Fall, daß ein ^e-Zählrohr als Detektor verwendet wird, kann daher die Höhe der

bo Spannungsschwelle des Spannungsdiskriminators einer Energie im Energiebereich zwischen 800 und 850 keV entsprechen.

Eine Variante des erfindungsgemäß ausgebildeten Ci c rät es besteht darin, daß das Gerät als Albo!'>-Persu-

„5 nendosimcter ausgebildet ist und daß die Ummantelung auf einer Seite des Detektors mir aus der Kadmiumschicht besteht.

Die Unempfindlichkeit des ,ils Albedo-Dosimeters

verwendeten Gerätes für Neutronen mit Energien unterhalb 0,5 eV ist unerheblich, du Neutronen dieser Energie mittels der Kadmium-Absoiber bekannter l'ilmplakeiten nachgewiesen werden kminen.

Für den Rill, daß das als Albedo-Personcndosimeter verwendete, erfindungsgemäß ausgebildete Gerät auch für Neutronen mit Energien unterhalb Ü.5 eV enipl'indlieh sein soll, kann der dein Detektor /iigewandle Teil der Ummantelung aus einer durchlöcherten Kadmiumschicht bestehen. Da die Wandung des Moderators des Gerätes nicht nach allen Seiten gleich dick ist, sollten die Bohrungen in der Kadmiumschicht eine unterschiedliche Verteilung aufweisen.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels einer Detektoranordnung eines gemäß der Erfindung ausgebildeten Gerätes, die in der Zeichnung schematisch dargestellt ist. sowie von Empfindlichkeitskurven zweier solcher Geräte näher erläutert. Es zeigt

F i g. I 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 Absoberschicht 2 und einem äußeren Mantel 3 aus einem wasserstoffhaltigen Material besteht.

Zur Bestimmung der in den F i g. 2 und 3 wiedergegebenen Empfindliehkeitskurven wurde als Detektor ein bekanntes 'He-Zählrohr verwendet. Die Absorberschicht 2 bestand aus einer Kadmiumschicht mil 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 Hauptverslärkei iiiichgeschaltet. dem ein Spannmigsdiskriminalor um. ein an den Spaiinungsdiskriminator angeschlossenei Zähler nachgcschallet waren, die Höhe der Schwelle des Spannungsdiskrimmaiois entsprach einer Energie von 825 keV.

In den Kurven in I i g. 2 und 3 sind auf der Ordinate die Empfindlichkeit des Gerätes und auf der Abs/issc die Eneigie der auf die Ummantelung des Deteklors I .uiftreffenden Neutronen aulgetragen. Dabei ist

ι r Ji- ι ι ·, Zählrate

Empfindlichkeit — ~j—_T—--———-■- _: .

Aquivalcntdosisleistung

Die Kreuze in den Kurven stellen die Ergebniswerlc von Messungen mil Neutronen von Präparal-Netnronenquellcn und monoenergetischen Neuironcri von 14 MeV dar. Die mit den Präparat-Neutronenquellen erhaltenen Meßwerte sind in den Kurven bei einet Energie aufgetragen, die der mittleren Energie dei Neutronen der Pränarat-Neutroncnquellen entspricht Der gestrichelte Bei eich der Kurve wurde intcrpolieri.

Das Gerät, dessen Empfindlichkeitskurve in Fig. 2 dargestellt ist. wies einen Mantel 3 aus Polyäthylen mil einer Wandstärke von 5.08 cm auf. Der Mantel 3 aus Polyäthylen des zweiten Gerätes, dessen Empfindlichkeitskurve in F i g. 3 dargestellt ist, besaß eine Wandstärke von 3,81 cm. Wie aus den Fig. 2 und : hervorgehl, isi das Gerät mit der größeren Wandstärke zwar besser an die Äquivalcnidosiskurvc angepaßt jedoch weist auch das Gerät mit der geringerer Wandstärke eine hinreichend genaue Anpassung an die Äquivalentdosiskurve auf.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Gerät zur Bestimmung der Äquivalentdosis oder der Äquivalentdosisleistung von Neutronen, bestehend aus einem Neutronen absorbierenden, Spannungsimpulse abgebenden Detektor mit einer Ummantelung zum Moderieren und zur Absorption von Neutronen, wobei die Ummantelung eine Kadmiumschicht von einer zwischen etwa 0,1 bis 2 mm liegenden Dicke und einen die Kadmiumschicht umfassenden Mantel aus Polyäthylen oder einem hinsichtlich seiner Moderatoreigenschaften dem Polyäthylen äquivalenten, wasserstoffhaltigen Material aufweist, aus einer dem Detektor nachgeschalteten, zur Verstärkung der vom Detektor abgegebenen Spannungsimpulse vorgesehenen Verstärkereinrichtung, aus einem die verstärkten Spannungsimpulse aufnehmenden Spannungsdiskriminator mit einer Spannungsschwelle zum Unterdrücken eines Teils der Spannungsimpulse sowie aus einer dem Spannungsdiskriminator nachgeschalteten Einrichtung zum Zählen oder zum Messen der zeillich gemiuelten 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 frei werdenden Energie sowie von der kinetischen jo Energie der absorbierenden Neutronen abhängig ist und wobei die Zahl der Spannungsimpulse mit einer der im Bereich der beim Kernprozeß frei werdenden Energie liegenden Höhe ein Maximum aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kadmiumschicht (2) den dem Detektor (1) zugewandten Teil der Ummantelung bildet, daß der Mantel (3) eine Wandstärke zwischen etwa 3 bis 5,5 cm aufweist und daß die Spannungsschwellc des Spannungsdiskriminators so hoch liegt, daß die «10 weitaus größte Zahl der um das Maximum verteilten, von Neutronen niedriger Energie herrührender Spannungsimpulse mit ihrer Spannungsamplimdc unterhalb dieser Spannungsschw eile liegen.

2. Gerät nach Anspruch 1, das als Albcdo-Perso- 4 > nendosimeter ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung auf einer Seite des Detektors (1) nur aus der Kadmiumschicht (2) besteht.