DE2505013A1

DE2505013A1 - Gammakompensierter neutronendetektor

Info

Publication number: DE2505013A1
Application number: DE19752505013
Authority: DE
Inventors: Donald Pratt Brown
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1974-02-06
Filing date: 1975-02-06
Publication date: 1975-08-07
Also published as: JPS50132973A; FR2260118A1

Description

United States Atomic Energy Commission. Washington, D.C. 20545

Gammakompensierter.Neutronendetektor

Die Erfindung bezieht sich auf einen mit eigener Leistung versorgten Neutronendetektor, und zwar insbesondere auf einen Detektor, der mit eingebauter Gammakompensation ausgestattet ist. Es,ist bereits eine Vielzahl von mit eigener Leistung betriebenen Detektoren bekannt, um thermische Neutronen am Reaktor zu messen. Die großen thermischen Neutronenquerschnitte haben leicht messbare Signalströme zur Folge, und zwar mit kleinen Beiträgen von durch Gammastrahlen hervorgerufenen Strömen. Als sich die Aufmerksamkeit auf eine Anwendung von mit eigener Leistung versorgten Verfahren bei der Messung schneller Neutronen richtete, so hatten die verminderten Neutronenquerschnitte relativ größere Beiträge der störenden durch Gammastrahlen hervorgerufenen Ströme zur Folge. Um eine für schnelle Neutronen repräsentative Detektorausgangsgröße zu· erzeugen, ist demgemäß ein Verfahren erforderlich, welches die Gammastrombeiträge in wirkungsvoller Weise eliminiert oder beträchtlich reduziert. ·

Gegenwärtig wird bei gewissen Vorrichtungen eine Kompensation für durch Gammastrahlen hervorgerufene Ströme dadurch erreicht, daß man eine zweite Detektorvorrichtung einführt,.die nur auf die Gammawirkungen anspricht. Sodann werden die durch die Neutrpnen hervorgerufenen und die durch die Gammastrahlen, hervorgerufenen

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ORIGINAL INSPECTED

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Ströme in einem Summiernetzwerk kombiniert, um eine Messung des gewünschten Parameters (den für die Neutronen repräsentativen Strom) zu liefern. Dieses Kompensationsverfahren macht.die Verwendung eines zwei Leiter enthaltenden abgeschirmten Kabels erforderlich und benötigt-allgemein ein kompliziertes Verfahren zur Herstellung des Gebildes.

Ein Beispiel für bekannte Vorrichtungen ist das US-Patent 3 375 370, welches die Gammakompensation durch Verwendung von zwei identischen Detektoren erreicht, von denen der eine nur.auf Gammastrahlen anspricht. Die durch die zwei Detektoren erzeugten Ströme werden am Eingang zu einem Differentialstrommesser summiert, so daß nur der durch Neutronen induzierte Strom angezeigt wird. Ein zweites Beispiel ist dem US-Patent 3 067 329 zu entnehmen, welches eine Gammakompensation ähnlich dem US-Patent 3 375 vorsieht, mit der Ausnahme allerdings, da'ß die beiden Detektoren konzentrisch und nicht gesondert aufgebaut sind. Das Verfahren gemäß.dem US-Patent 3 067 329 macht zwei gesonderte Kabel ader ein Zwillingsleiterkabel erforderlich, weiches mit der Stromsummierausrüstung gekoppelt ist, um den durch die Gammastrahlung hervorgerufenen Strom auszugleichen.

Allgemein ist eine strukturelle Anordnung für sich selbst mit Leistung versorgende auf schnelle Neutronen ansprechende Detektoren, welche die direkte interne Auslöschung der durch Gammastrahlen hervorgerufenen Ströme bewirkt und es unnötig macHt, zwei koaxiale Kabel oder Zwillingsleiterkabel am Detektorausgang vorzusehen. Erwünschtermaßen sollten die Messungen mit einem 1-endigen Ausgangsstromleiter gemacht werden.

Zusammenfassung der Erfindung: Die Erfindung sieht kurz gesagt einen sich selbst mit Leistung versorgenden

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Neutronendetektor vor, der integral damit ein Gebilde aufweist, welches in inhärenter Weise die Gammakompensation bewirkt.Die Gammawechse!wirkung,mit den Detektormaterialien wird am Kollektor zu Null gemacht, und zwar durch direkte Auslöschung der Ströme, die durch Compton-gestreute Elektronen hervorgerufen werden.

In seiner bevorzugten Ausbildungsform wird dies durch einen Detektor mit zwei elektrisch isolierten konzentrischen Elektroden erreicht, die einen zentral angeordneten Emitter aufweisen, der aus einem Material geformt ist, welches Betateilchen in ein JNeutronenbombardementfeld emittiert. Der zentrale oder mittige Emitter und die Außenelektrode werden auf einem gemeinsamen Potential gehalten, während die dazwischen liegende konzentrische Elektrode, die als Kollektor dient, elektrisch von den anderen Detektorkomponenten isoliert ist. Der auf die Betastrahlung ansprechende Strom wird an · dem gemeinsamen und dem Kollektorpotential abgenommen und steht für die übertragung durch ein einziges koaxiales Verbindungskabel zur Verfügung. Die durch den Kollektor absorbierten.Elektronen, die sich aus dem Gammateilchenbonibardement der äußeren Elektrode ergeben, werden direkt durch die Erzeugung eines gleichen und entgegengesetzten Stroms ausgelöscht, der. durch die Compton-gestreuten Elektronen induziert wird, die sich durch die Gammawechselwirkung mit den Kollektormaterialien ergeben.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich insbesondere auch aus den Ansprüchen.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

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Figur 1 eine schematische Darstellung der Grundarbeitsweise des erfindungsgemäßen Detektors; Figur 2 ein äquivalentes Schaltdiagramm, welches die Gamma- und Beta-induzierten Ströme zeigt, welche durch den Detektor der Figur 1 erzeugt werden; Figur 3 einen Schnitt durch den Detektor der Figur 1, wobei der Grundaufbau veranschaulicht ist.

Die Quelle des durch Gammastrahlen induzierten Stromes in einem mit eigener Leistung betriebenen Detektor ist komplex. Die Hauptursache geht jedoch auf die Comptonelektronen zurück, die zum Emitter hin gestreut werden. Die Bewegung dieser Ladungen zwischen den inneren und. äußeren Leitern einer normalen koaxialen Anordnung bildet den Gammainduzierten Strom, der sich mit dem für die Neutronen repräsentativen Betastrom kombiniert, um ein nicht repräsentatives Signal am Detektorausgang zu erzeugen. Irgendeine Art an Kompensation ist wie oben beschrieben erforderlich, um den gesamten Detektorausgangsstrom auf den Strom zu normalisieren, der durch die Gammawechselwirkung mit den Detektormateralien hervorgerufen wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine strukturelle Abwandlung verwendet, die eine zweite zylindrische konzentrische Elektrode in einer dreiachsigen Konstruktion verwendet, die es möglich macht, zwei gleiche aber entgegengesetzte Gammainduzierte Ströme am Detektorausgang zu. erzeugen, wie dies in Figur 1 dargestellt ist.

In Figur 1 ist ein zentraler (mittiger) Stabemitter vorgesehen, der aus einem Material aufgebaut ist, welches auf ein Neutronenbombardement anspricht, um eine repräsentative Betastromausgangsgröße zu erzeugen. Eine konzentrische zylindrische Elektrode 12 ist koaxial ' um die Mittelelektrode 10 herum angeordnet und dient

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als ein Kollektor zur Absorbtion des am Emitter erzeugten Betastromes. Ein zweiter Strom T-r~ wird gleichlaufend am Kollektor erzeugt und zwar _: hervorgerufen (induziert) durch die Gammawechselwirkung mit den Kollektormaterialien, wodurch ein Elektronenfluß zwischen dem Kollektor und dem Emitter erzeugt wird. Um die Wirkung dieses zweiten Stromes auszulöschen, ist eine zweite zylindrische Elektrode 14 konzentrisch um den Kollektor herum angeordnet. Die zweite Elektrode 14 ist zur Er- ' zeugung einer Gammainduzierten Stromausgangsgröße Ij^₁ im wesentlichen gleich Iv^₂ ausgebildet. Es sei bemerkt, daß der Strom, der durch die am Mittelemitter (I/J) emittierten Beta(/J)Teilchen erzeugte Strom den gewünschten Meßparämeter bildet. Bei auf einem gemeinsamen Potential gehaltenen Mittelemitter 10 und Außenleiter 14 tritt die direkte Auslöschung der durch die Gammastrahlen hervorgerufenen Ströme an der Kollektorzwischenschicht auf. Das äquivalente elektrische Analogon ist in der Schaltung gemäß Figur 2 dargestellt, wo gezeigt ist, daß die direkte Stromauslöschung die Verwendung eines einfachen koaxialen Kabels gestattet, um den Fühler mit den Anzeigeinstrumenten'zu verbinden. . ·

Figur 3 ist ein Querschnitt und zeigt den tatsächlichen Aufbau der bevorzugten Ausbildung des erfindungsgemäßen Detektors. Der Fühler wird grundsätzlich durch zwei zylindrische Elektroden 12 und 14 aus einem Material wie beispielsweise rostfreiem Stahl, einem zentralen Stangenemitter 10 aus einem Material wie beispiels-

weise Beryllium ( Be) und zylindrischen Scheibenisolatoren gebildet. Der Berylliumstangenemitter

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erzeugt die Be (η,οΟ He-Reaktion, wobei die Neutronen ungefähr 0,67/MeV Energieüberschuß aufweisen. Das erzeugte He zerfällt durch Beta-Emission mit einer Halbwertzeit von 0,81 Sekunden. Diese vom Stab emittierten "Betas" bewegen sich zum Kollektor hin und rufen so

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einen Stromfluß im äußeren Kreis hervor. Der Stab 10 ist elektrisch mit dem'aus rostfreiem. Stahl bestehenden Außenmantel 14 gekoppelt und zwar über eine elektrisch leitende Basisplatte 16, die ein gemeinsames Potential zwischen dem zentralen Emitter und der äußeren Elektrode herstellt. Die zweite zylindrische Elektrode ist zwischen der Außenelektrode 14 und dem zentralen Emitter 10 sowie isoliert davon gehaltert. Eine elektrische Verbindung ist an der Endplatte 18 des Kollektors mit dem Mittelleiter 20 des koaxialen Verbindungskabels 22 hergestellt, um eine übertragung zur Ableseelektronik, die schematisch als ein Meßgerät 24 dargestellt ist, vorzunehmen. Die Erdverbindung des'Koaxialkabels ist mit der Endabdeckung 2 6 der äußeren Elektrode gekoppelt, um das gemeinsame Potential an der Außenelektrode und dem zentralen Emitter herzustellen. Zwischen den verschiedenen Komponenten der Detektoreinheit wird die Isolation durch eine Vielzahl von Isolationsscheiben. 28, 30, 32, 34 und 36 aufrechterhalten', die aus einem Material wie beispielsweise MgO oder Al₃O₃ hergestellt sind. Die spezielle dargestellte Ausführungsform schafft ein kompaktes dauerhaftes Gebilde, welches relativ einfach herzustellen ist. Die im Außenmantel 14 erzeugten Comptonelektronen bewegen sich zum Kollektor hin und kompensieren die am Kollektor erzeugten Compton-Elektronen, die sich vom Kollektor weg zum Beryllium-Stab bewegen. Die Stärken von Mantel, Kollektor und Isolator sind für die richtigen.Stromerzeugungsraten und für die vollständige Absorbtion der Compton-Elektronen und der Beta-Teilchen ausgewählt.

Das erfindungsgemäße Gebilde bewirkt somit ein direktes Auslöschen der durch Gammastrahlen hervorgerufenen Ströme und gestattet die Verwendung eines einfachen Koaxialkabels zur Verbindung des Detektors mit der Meßausrüstung. Dies ist außerordentlich" zweckmäßig in einem Reaktoranwendungsfall, wo die Detektoren in

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der Reaktoruitigebung angeordnet sind, während die Meßausrüstung außerhalb der Reaktorumschließung in einem gesonderten Steuerraum angeordnet ist.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Sich selbst mit Leistung versorgender Gamma-kompensierter Neutronendetektor mit einem inneren
Emitter, der auf Neptronenbombardement anspricht, um Beta-Emission zu erzeugen, und mit einem
äußeren konzentrisch um den Emitter herum angeordneten leitenden Kollektor, der elektrisch vom Emitter abgeschirmt ist, und wobei die Gammakompensation durch die Verwendung von zwei gesonderten Kabeln oder zwei Leitern erreicht wird, die mit einer Stromsummiervorrichtung gekoppelt sind, um den hervorgerufenen Gammastrom auszugleichen,
dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrisch leitender Mantel konzentrisch um den äußeren Kollektor herum angeordnet ist, daß der Mantel und der Kollektor· so aufgebaut sind, daß sie gleiche Compton-gestreute Elektronenemission durch die Gammawechselwirkung mit den Kollektor und Mantel-Materialien erzeugen, daß Mittel vorgesehen sind, um den Emitter und den leitenden Mantel auf einem gemeinsamen Potential zu halten, und daß Mittel vorgesehen sind, um den auf die Beta-Emission ansprechenden Strom festzustellen und diesen längs eines einzigen koaxialen Verbindungskabels zu übertragen.

2. Detektor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß Emitter und Mantel geerdet sind.

3. Detektor nach Anspruch T dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter auf"Neutronen mit einer Energie
von annähernd 0,67 MeV anspricht, um eine repräsentative Beta-Emission zu erzeugen.

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.4. Detektor nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter einen Beryllium-Stab aufweist.

5. Detektor nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Beta-Emission ein E
Reaktion mit Neutronen ist.

daß die Beta-Emission ein Produkt einer Be(n,(£) He

6. Detektor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß Kollektor und Mantel aus rostfreiem Stahl aufgebaut sind.

7. Detektor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel in der Form eines länglichen rohr- ■ förmigen Gehäuses ausgebildet ist und .an einem Ende durch eine Basisplatte aus elektrisch leitendem Material abgeschlossen ist, daß der Emitter elektrisch am einen Ende mit der Mittelzone-der

- Basisplatte verbunden ist und sich longitudinal von dort aus längs der Mantelachse, erstreckt, daß. der Kollektor in der Form eines länglichen rohrförmigen Gehäuses ausgebildet ist, welches eine Bolche Größe besitzt, daß es mit Abstand zwischen dem Mantel und dem Emitter liegt, und zwar mit elektrischer Isolation dazu, wobei der rohrförmige Endabschluß des Kollektors entgegengesetzt zur Basisplatte durch eine Endplatte aus elektrisch leitendem Material abgeschlossen ist, welches von dem Emitter und' Mantel isoliert ist und den Emitter innerhalb der Mittelöffnung des Kollektors umschließt, daß der rohrförmige Endabschluß des ' Mantels entgegengesetzt zur Basisplatte durch eine obere Abdeckung verschlossen ist, die eine Mittelöffnung aufweist, um einen Zugang für eine äußere elektrische Verbindung zum darin eingeschlossenen Kollektor zu schaffen, und daß der Rest des Raumes zwischen dem Kollektor und dem Emitter und dem Kollektor und dem Mantel durch elektrische Isolierung

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festgelegt ist.

8. Detektor nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, daß die äußere elektrische Verbindung an der Endplatte de.s Kollektors durch die Mittelöffnung in der oberen Abdeckung des Mantels und an der oberen Abdeckung dieses Mantels erfolgt.

9. Detektor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Aufrechterhaltung des Emitters und des Mantels auf einem gemeinsamen Potential einen dazwischen eine Verbindung herstellenden elektrischen Shunt aufweisen.

10. Detektor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß Kollektor, Emitter und Mantel solche Größen aufweisen, daß sie sich im wesentlichen miteinander über die gleiche gemeinsame Länge erstrecken.

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