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Verfahren zur Selektierung der Kernstrahlung bestimmter gasförmiger
Radionuklide, insbesondere niederenergetischer Elektronenstrahler Die Erfindung
bezieht sich auf ein Verfahren zur Selektierung der Kernstrahlung bestimmter gasförmiger
Radionuklide, insbesondere niederenergetischer Elektronenstrahler, welche in einem
Trägergas durch ein Zählrohr geleitet werden, dessen Ausgangsimpulse diskriminiert
werden.
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Unter Elektronenstrahlern werden nicht nur Beta-Strahler verstanden,
sondern auch solche Nuklide, die sekundär zu einer Elektronenemission im Zählrohr
führen, z.B. durch Photo- oder Compton-Effekt, durch Auger-Effekt o. dgl.
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Zur Selektierung des beispielsweise bei der Luftüberwachung von
Reaktoren
besonders bedeutungsvollen niederenergetischen Beta-Strahlers Titium ist es derzeit
Standardpraxis, nach der Reichweite der Beta-Strahlung des Tritium in dem Trägergas
zu diskriminieren, welches das Zählrohr erfüllt. Dieses Trägergas setzt sich in
der Regel aus einem Luftanteil und einem Zählgaszusatz zusammen. (Ehret, R. et al,
Fortschritte bei der kontinuierlichen Tritium-Uberwachung in Luft, Direkt-Information
2/63, G. Braun-Verlag, Karlsruhe; R. Maushart, Überwachung auf radioaktive Gase,
insbesondere Tritium, in "Raum- und Abluftüberwachung auf Radioaktivität", Fachverband
für Strahlenschutz, KFK-Bericht 1899 p. 407 f., Karlsruhe, 1974.) Bei diesem Selektierungsprinzip
finden als Detektoren entweder zylinderförmige, konzentrische Zweifachzählrohre
oder Dreifach-Sandwich-Großflächenzählrohre Verwendung, die von einem Gemisch aus
z.B. 30 % Meßluft und 70 % Zählgas durchströmt werden. Der mittlere Zählraum dient
als Meßzähler, der oder die äußeren Zählräume als Schirmzähler. Die Zählräume sind
nur durch Kathodengitter voneinander getrennt.
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Als Maß für die Tritium-Konzentration der Meßluft wird die Rate derjenigen
Impulse des Meßzählers genommen, welche nicht gleichzeitig mit einem Impuls im Schirmzähler
auftreten. Zur automatischen Unterdrückung der koinzidenten Impulse dient eine
Antikoinzidenz-Schaltung.
Da die Beta-Teilchen von Tritium mittlere Reichweiten von nur 1 bis 2 mm haben,
kann nur ein sehr kleiner Bruchteil derselben im Meß- und Schirmzähler gleichzeitig
Impulse auslösen. Dagegen werden höherenergetische Beta-Teilchen von Kohlenstoff-14
oder von radioaktiven Edelgasen, durch Gammastrahler aus der Umgebung erzeugte Sekundär-Elektronen,
sowie ionisierende Teilchen aus der Höhenstrahlung in der Mehrzahl der Fälle mehrere
Zählraume durchdringen und können daher durch die Antikoinzidenz-Schaltung eli--niert
werden. Den letzten Entwicklungsstand derartiger Durchflußproportionalzählrohre
zur Luftüberwachung stellen Zählrohre mit doppeltem Kathodengitter zwischen Meß-
und Schirmzähler dar (DT-PS 1 539 963).
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Solche nach dem Prinzip der Reichweitendiskriminierung aufgebauten
Zählrohrsysteme zur Unterscheidung von Elektronen-Strahlern verschiedener Energie
zeigen jedoch folgende Nachteile: Erstens ist der mechanische Aufbau der Zählrohre
kompliziert, da sie aus Meßzähler und Schirmzähler bestehen, wobei zumindest der
Schirmzähler selbst wiederum ein Vieldrahtzähler ist. Zwischen Meß- und Schirmzähler
ist ein Vieldraht-Kathodengitter erforderlich. Zweitens befinden sich nur etwa 25
% der Probe im Meßzähler, während der Rest aus konstruktiven Gründen notwendig
im
Schirmzähler und im Totvolumen verteilt ist. Drittens ist der hohe Zählgasverbrauch
von typisch 60 Liter Methan pro Stunde nachteilig, da Meß- und Schirmzähler stets
gemeinsam durchströmt werden müssen und die Zählrohre darüber hinaus aufgrund ihrer
Konstruktion Toträume aufweisen, die vom Gemisch Zählgas/Luft nur schlecht ausgespült
werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein alternatives gattungsgemäßes
Verfahren anzugeben, welches für sich einen einfacheren Zählrohraufbau und eine
möglichst vollständige Erfassung der Probe bei geringem Zählgasverbrauch ergibt
und darüber hinaus in Kombination mit der bekannten Diskriminierung noch eine verfeinerte
Selektierung erreichen läßt.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem gattungsgemäßen Verfahren
vorgesehen, daß die Ausgangsimpulse nach der Impulsform diskriminiert werden.
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Eine Diskriminierung von Ausgangsimpulsen von Proportional-Zählrohren
mit einer äußeren Quelle von Röntgenstrahlen ist an sich bekannt, um die charakteristische
Röntgenlinie aus demUntergrund besser hervorzuheben (Harris T.J.E. Mathieson: Pulse
shape discrimination in proportional counters; Nucl. Instr. 96, 397, 1971, sowie
Isozumi Y.S. Isozumi: A pulse shape discriminator
for an X-ray proportional
counter and its application to a coincidence experiment; Nucl. Instr. 96, 317, 1971).
Dabei stellt sich jedoch die der erfindungsgemäßen Aufgabenstellung zugrundeliegende
Problematik nicht.
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Die Erfindung ermöglicht einerseits die Selektierung verschiedener
Radionuklide, andererseits aber auch die Unterscheidung eines bestimmten Radionuklids
von der Umgebungsstrahlung, um einen besonders niedrigen Nulleffekt zu erzielen.
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Bei der Diskriminierung nach der Impuls form wird die zeitliche Verlaufsfunktion
der Amplitude analysiert, und zwar unabhängig vom Absolutwert der Amplitude bzw.
bezogen auf einen nominierten Absolutwert der Amplitude, Die ImpulsformdiskriminiRrung
ist daher unterschiedlich von der in anderem Zusammenhang an sich wohlbekannten
Impulshöhendiskriminierung, wie sie beispielsweise bei Szintillationszählern Verwendung
findet Die Erfindung ermöglicht es, konventionelle Einfach-DurchfluB-zählrohre zu
verwenden, deren Volumen im wesentlichen vollständig als Zählraum genutzt werden
kann. Es wird daher auch nur so viel Zählgaszusatz benötigt, wie das Zählvolumen
des Zählrohrs erfordert. Der spezifische Zählvolumengewinn ist typisch etwa durch
den Faktor 5 gegenüber den bekannten Mehrfach-Zählrohren für die Reichweitendiskriminierung
gegeben. Dabei läßt sich eine vergleichbare
Güte der Selektierung
erreichen. Auch ist das erfindungsgemäße Verfahren mit der Reichweitendiskriminierung
auch hinsichtlich seiner relativen Unempfindlichkeit gegenüber Zählgasverunreinigungen
konkurrenzfähig.
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Wegen des Ansprechens der erfindungsgemäßen Selektierung auf einen
von der Reichweite unabhängigen Parameter lassen sich sogar gegebenenfalls gemäß
der zweiten Alternative der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabenstellung die
bekannte Reichweitendiskriminierung und die erfindungsgemäße Impulsformdiskriminierung
parallel miteinander kombinieren, um die Selektierungsgüte noch weiter zu erhöhen.
Dies gilt sogar auch in Kombination mit einer Impulshöhendiskriminierung (Ansprüche
5 und 6).
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Eine Kombination mit einer Impulshöhendiskriminierung ist. sogar ...
. .. .. .. . . .. . .. . . . .. . .. . . .. . .. .. . . . . . . . . .. .
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besonders vorteilhaft, um übergroße Impulse und damit eine Übersteuerung
der Anlage sicher ausschalten zu können.
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Vereinfachend kann: die Diskriminlerdng der Impal-sforlmtnrch der
Impulsanstiegszeit vorgenommen werden. Als Impulsanstiegszeit wird in der Elektronik
häufig die Zeit definiert, die zwischen Erreichen von lo und 9o % der maximalen
Amplitudenhöhe vergeht.
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Man kann jedoch auch eine andere typische Zeitspanne zugrundelegen,
wie beispielsweise den Zeitraum zwischen lo und 50 %.
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Es ist bekannt, Impulsanstiegszeiten nach einem Nulldurchgangsverfahren
zu bestimmen. Besonders vorteilhaft ist es dabei, gemäß
Anspruch
3 die Nulldurchgangsmethode mit einer vorhergehenden Doppel-Delay-Line-Impulsformung
<gem.z.B. E. Fairstein und J. Hahn, "Nuclear Pulse Amplifiers - Fundamentals
and Design Practice", Zeitschrift "Nucleonics", Vol. 23, No. 9, Sept. 1965, Abschnitt
"Pulse Shaping", siehe insbes. Fig. 6c, und H.J. Stuckenberg, -"Detektor und Experimentelektronik",
G. Braun Verlag, Karlsruhe, 1974, S. 18 u. 19, Bild 2.25 und 2.27 mit Erläuterungen)
zu verbinden und dabei darüber hinaus den Reflektionszeitpunkt, d.h.
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den Ansatzpunkt des Übergangs des geformten Impulses in die umgerte
Polarität, als Zeitbezugspunkt zugrundezulegen.
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Für die Reichweitendiskriminierung ist eine die diskriminierten Werte
gruppenweise zusammenfassende Kanalbildung nach den verschiedenen Zählräumen, nämlich
Meß- und Schirmzähler, typisch.
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Nach der Erfindung werden vorzugsweise die gemessenen Impulsformen
kanalweise zusammengefaßt. Dabei kann man die besonders kritischen niederenergetischen
Elektronenstrahler, beispielsweise Tritium, in einem durch besonders kurze Anstiegs
zeiten charakterisierten Kanal erfassen.
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Ebenso wie bei der Reichweitendiskriminierung kann man auch bei der
erfindungsgemäßen Diskriminierung die kanalweise selektierten Impulse auch quantitativ
zur Bestimmung der Konzentration der spezifischen Radionuklide messen. Entsprechendes
gilt für die Messung nach zwei verschiedenen Diskriminierungsverfahren gewonnener
Impulse parallel zueinander, die gemäß den Ansprüchen 5 und 6 dann automatisch verknüpft
werden. Es sei nochmals wiederholt,
daß die Kombination verschiedener
Diskriminierungsverfahren, nämlich nach Impulsform gemäß der Erfindung, Reichweite
und/oder Impulshöhe, auch zur einfachen Selektionierung von Interesse sein kann.
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Bei der Reichweitendiskriminierung ist es bereits bekannt, solche
Fehlimpulse höherenergetischer Teilchen, deren Kernstrahlung allein im Meßzähler,
beispielsweise annähernd parallel mit den Schirmgittern, verläuft, dadurch auszlscHalten,
daß ein bestimmter Anteil der in Koinzidenz zwischen Meß- und Schirmzähler gemessenen
Impulse mit einem Faktor versehen und vom unkorrigierten, durch Antikoinzidenz zwischen
Meßzähler und Schirmzählern gewonnenen Meßergebnis subtrahiert wird. Eine entsprechende
Korrektur kann man nach der Erfindung gemäß Anspruch 7 vorsehen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich ebenso wie das Verfahren
der Reichweitendiskriminierung vorteilhaft auf die kontinuierliche Luftüberwachung,
vorzugsweise auf Tritium, anwenden. Es hat jedoch auch noch eine ganze Reihe anderer
charakteristischer Anwendungsmöglichkeiten, z.B. die Diskriminierung und gegebenenfalls
quantitative Messung von J. Die Anwendungsmöglichkeit auf andere niederenergetische
Elektronenstrahler, beispielsweise auf Auger-Elektronenemission und Emission nach
innerem und äußerem Photoeffekt, wurde bereits
oben angesprochen.
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Die erfindungsgemäßen Verfahren werden im allgemeinen automatisch
elektronisch ausgeführt.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an
einem Ausführungsbeispiel, mit einigen erörterten Varianten, noch mehr im einzelnen
erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Prinzipmeßanordnung zur Durchführung des Verfahrens
nach der Erfindung mit teilweise längsgeschnittenem Durchflußzählrohr und Fig. 2
ein Diagramm, welches veranschaulicht, wie ein besonders vorteilhaftes Maß für die
Anstiegszeit des Impulses nach dem Verfahren der Doppel-Delay-Line-Impulsformung
gewonnen werden kann.
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An einer Eingangsöffnung 1 angesaugte Luft wird in einer Mischkammer
2 mit durch die Anschlußleitung 3 zugeführtem Zählgas gemischt und dann in ein zylindrisches
Einfach-Durchflußzählrohr 4 konventioneller Bauart und Spannungsversorgung geführt.
Nach der Messung im Durchflußzählrohr 4 verläßt das Zählgas/Luft-Gemisch das Durchflußzählrohr
durch einen Ausfluß 5. Das Zählrohr 4 ist mit einer Heizmanschette 8 umgeben - was
bei zylindrischer Zählrohr-Konstruktion besonders leicht durchzuführen ist - damit
Adsorptionen an der Oberfläche vermieden werden. Außerdem ist
das
Zählrohr von einer Bleiabschirmung 9 umgeben.
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Die an dem zentral im Durchflußzählrohr verlaufenden Zähldraht abgenommenen
Ausgangsimpulse werden zunächst in einem schnellen Vorverstärker 6 (Anstiegszeit
L20 ns) verstärkt und anschließend einem Impulsformdiskriminator 7 zugeleitet.
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Der Impulsformdiskriminator 7 ist hier folgendermaßen aufgebaut: Durch
Doppel-Delay-Line-Differenzierung bzw. -Impulsformung (double delay line clipping)
entsteht die in Fig. 2 ersichtliche Impulsform. In Fig. 2 ist der Impuls als Spannung
U in Abhängigkeit von der Zeit t aufgetragen. Der Nulldurchgang des geformten Impulses
erfolgt bei. größerer..Anstiegseit später,. und zwar unabhängig von der Amplitude.
Durch den Nulldurchgangsdiskriminator wird ein elektrisches Signal bei Durchgang
des Impulses durch die Null-Linie erzeugt.
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Man kann nun eine für die Anstiegszeit charakteristische Zeit nach
folgenden zwei Methoden gewinnen: 1. Man mißt die Zeitdifferenz n t zwischen Beginn
des Impulses und Nulldurchgang; zur Veranschaulichung sind in Fig. 2 zwei derartige
charakteristische Zeitdifferenzen t 1 und » t 2
entsprechend der
ausgezogenen und der gestrichelten Xurve (längere Anstiegszeit) eingezeichnet. Anschließend
werden die Impulse entsprechend den gewünschten at-Bereichen kanalmäßig sortiert.
So kann z.B. ein at-Kanal A von 510 bis 530 ns den niederenergetischen Elektronen-Strahlern
entsprechen, dagegen ein a t-Kanal B von 540 bis 580 ns der höherenergetischen Störstrahlung.
Die entsprechenden Kanalausgänge sind auch in Fig. 1 bei dem Impulsformdiskriminator
7 mit A und B bezeichnet.
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2. Vorzugsweise wird anstelle von a t die mit A t' bezeichnete Zeitdifferenz
zwischen dem Beginn der Reflexion nach der Doppel-Delay-Line-Impulsformung und dem
Nulldurchgang gemessen. Dabei wirkt sich vorteilhaft aus, daß die relativen Zeitdifferenzen
für verschiedene Impulsformen bzw. Anstiegszeiten wesentlich größer werden. So würde
der b t'-Kanal A' 10-30 ns und der a nt'-Kanal B' 40 - 80 ns betragen, wenn man
zur Bildung von t' 1 und tl 2, welche zu t 1 und t 2 korrespondieren, dasselbe in
Fig. 2 gezeigte Impulsdiagramm zugrundelegt. Bei diesem Verfahren würden Schwankungen
der Laufzeit der Verzögerungsleitung, welche zur Impulsformung benutzt wird, unwirksam.
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Zweckmäßig wird ein bestimmter Teil der an B auftretenden Ausgangs
-Impulsrate
von der bei A auftretenden abgezogen. Dies dient zur besseren Kompensation bei schwankender
höherenergetischer Störstrahlung, die im Kanal B gemessen wird und von der stets
ein kleiner Anteil auch im Kanal A zusätzliche Impulse hervorruft.
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Man benutzt hierzu entweder in bekannter, nicht dargestellter Weise
ein Differenz-Ratemeter oder einen Differenzzähler, wobei bei der Subtraktion jeweils
der Subtrahent mit einem konstanten Faktor K multipliziert ist.
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Bei einem Zählrohrvolumen von o,6 Liter läßt sich mit dieser Einrichtung
der Nulleffekt für Tritium um mehr als einen Faktor 20 reduzieren. In gleicher Größenordnung
liegt die Reduktion der , . . .. .. . .. . . . . .
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Einstreurate durch höherenergetische Beta-Strahler. Dies entspricht
etwa den durch Reichweitendiskriminierung erzielbaren Daten. Bei der verwendeten
Impulsformdiskriminierung kann jedoch das Zählrohr in normaler zylindrischer Konstruktion
ausgeführt sein. Außerdem wird der Verbrauch an Proben- sowie Zählgas um etwa einen
Faktor 5 reduziert.
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Die Zählrohrkonstruktion ist nicht auf die zylindrische Bauart beschränkt,
sondern es kann beispielsweise auch ein sog. Großflächendurchflußzählrohr mit mehreren
parallel gespannten Zähldrähten verwendet werden.
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Noch größere Selektivität der Messung für die gesuchte Strahlungsart
sowie eine weitere Reduzierung der Nulleffekte erhält man, wenn man die Impulsformdiskriminierung-mit
der Impulshöhendiskriminierung und/oder der Reichweitendiskriminierung kombiniert.
Anhand von Fig. 1 und 2 bedeutet dies bei dem Beispiel der Kombination mit Impulshöhendiskrimnierung,
daß nach dem Vorverstärker zusätzlich und parallel zum Impulsformdiskriminator 7
ein Verstärker mit einem Einkanaldiskriminator den gewünschten Impulshöhenbereich
ausblendet, und daß die Ausgangsimpulse des Einkanaldiskriminators mit den Ausgangs
impulsen des Bereiches A oder B des Impulsformdiskriminators in Koinzidenz gemessen
werden. Entsprechend ist die Verknüpfung der Impulsformdiskriminierung mit der Reichweitendiskriminierung
vorzunehmen, d.h. die antikoinzidente Impulsrate des Meßzählers . . . . . ....
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eines dann nötigen Mehrfachzählrohres wird mit dem Ausgang A oder
B des Impulsformdiskriminators 7 in Koinzidenz gemessen.
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- Patentansprüche -