DE2710648A1

DE2710648A1 - Beta-strom-neutronendetektor

Info

Publication number: DE2710648A1
Application number: DE19772710648
Authority: DE
Inventors: Lars Ove Johansson
Original assignee: Studsvik Energiteknik AB
Current assignee: Studsvik Energiteknik AB
Priority date: 1976-03-12
Filing date: 1977-03-11
Publication date: 1977-09-15
Also published as: SE7603246L; US4123658A; CA1074462A; SE397734B

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Kollektron oder Beta-Strom-Neutronendetektor mit einem von einem Isolator umgebenen Emitterkorn, wobei der Isolator seinerseits von einem elektrisch leitenden Kollektor umgeben ist und wobei Schalt ainrichLunten mit dem Emitter und dem Kollektor zur Entnahme oder zum Abzug von in dem Detektor erzeugten Strom verbunden sind.

Die Beta-Strom-Neutronendetektoren gemäi3 der Erfindung werden zur Anzeige der Neutronenstrahlung verwendet. Gemäß dor- herkömmlichen Technik woist ein solcher Neu tronende l ektor einen inittig angeordneten Emitter auf, der von einem isolierenden Material umgeben ist, welches seinerseits von einem elektrisch leitenden Kollektor umgeben ist. Der Emitter besteht aus einem leitenden oder* ha.lbl eitendon Material, welches spontan Strahlung emittiert, wenn ein Neutron darin absorbiert wird. Der Isolator besteht aus einem dicht kotnpaktiorten, di -elektrischen Material, welches, einen hohen elektrischen spezifischen Widerstand selbst dann behält, wenn es kontinuierlich intensiver Strahlung ausgesetzt ist. Der Kollektor bestellt iius einen) leitenden Material, das zu geringerem Maß Elektronen oder Ganiina-Strahl on in dor Neutronenstrahlung hervorruft. Mie von dem Emitter emittierten Kickt) > >nen gehen durch den InJlekJoi hindurch, und dieter JOi ek i innen > t 7 . .111 wird al:- \n- ;·"<'!,··< > dos Non L roncii Γ1 u "-'sos gemessen. Im Γο.Ι r<>ndc;i wi ·■ <ie>

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sich aus dem Elektronenfluß aus dem Emitter zum Kollektorergebende Strom als positiv angesehen.

Beta-Strom-Neutronendetektoren des vorbeschriebenen Aufbaues unterliegen dem Nachteil, daß sie auf äußere Gammastrahlung empfindlich sind, die häufig zu fehlleitenden Ablesungen bezüglich der gemessenen Neutronenflußniveaus führen. Unter äusserer Gammastrahlung treten Ladungsverschiebungen sowohl vom Emitter zum Kollektor als auch in der entgegengesetzten Richtung im Hinblick auf den Compton-Effekt und Photoeffekt auf. Der Gesamtstrom ist der Unterschied zwischen dem Außenstrom und dem Innenstrom, und im Idealfall ist die Gammaverteilung Null insofern, als zwei Gegenströme gleich groß sind.

In einem Beta-Strom-Neucronendetektor herkömmlicher Art, bei welchem der Emitter z.B. aus Kobalt oder Vanadium besteht, besteht der Isolator zum Beispiel aus Magnesiumoxid oder Aluminiumoxid, und der Kollektor besteht aus einem legierten Stahl oder Inconel, und man erhält einen Nettobeitrag äußerer Gammastrahlung, die bezüglich des durch die Neutronenstrahlung erzeugten Stromes negativ ist. Erstens führt dies zu dem Nachteil, daß die Neutronenempfindlichkeit des Detektors vermindert wird, und zweitens verändert sich der Nettobeitrag der Gammastrahlung mit der Intensität der Gammastrahlung. Diese Nachteile sind selbstverständlich störend, weil von Detektoren dieser Art eine hohe betriebliche Sicherheit und auch eine genaue Messung im Verhältnis zu dem tatsächlichen Neutronenfluß erwartet wird.

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Zweck der vorliegenden Erfindung ist daher die Schaffung eines Beta-Strom-Neutronendetektors (oder Kollektrons), in welchem der Nettobeitrag des durch äußere Gammastrahlung erzeugten Stromes weitgehend gleich Null ist. In Verbindung mit ausgeführten Untersuchungen hat man unerwarteterweise gefunden, daß durch Anordnen einer Schicht zwischen dem Emitter und dem Isolator, wobei die Schicht aus einem Material besteht, welches eine hohe Atomzahl hat und einen niedrigen Neutronenquerschnitt und eine Dicke von höchstens etwa 5 /U (Mikron) hat, der gewünschte Effekt ohne gleichzeitigen Abfall der Leistung des Neutronendetektors erhalten werden kann. Tatsächlich steigert sich die Neutronenempfindlichkeit des Detektors hauptsächlich im Hinblick auf die Tatsache, daß der bekannte, gewöhnlich negative Nettobeitrag der äußeren Gammastrahlung eliminiert Is^ aber auch im Hinblick auf die Tatsache, daß diese Schicht die Wahrscheinlichkeit der Compton- und Photoelektronen erhöht, die sich aus eingefangener Gammastrahlung aus dem Emittermaterial ergeben, was zu einem positiven Beitrag zum Signalstrom führt.

Das Material der zwischen Emitter und Isolator angeordneten Schicht muß nicht zum Stören verzögerter Einzelströme führen. Der Querschnitt für die Aktivierung nichtstabiler Isotope soll deshalb niedrig sein, in zweckmäßiger Weise höchstens 5 Barn

9 L·. *} (Maßeinheit des Wirkungsquerschnittes: 1 Barn = 10*" cm ).

Jedoch kann der gesamte Einfangquerschnitt bis zum 30-fachen des des Emittermaterials höher sein.

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Geeignete KJemenle für diese Schicht sind Wismut, Blei, Platin, Osmium, Hafmium, Erbium, Neodymium, Cer und Palladium. Untor diesen hat Platin und haben die Lantanoide Cer, Neodymium und Erbium besonders nützliche Eigenschaften.

2 Die Dicke der Kompensationsschicht beträgt etwa 0,7 mg/cin für einen Emitter aus Kobalt, was etwa 0,35 /^u entspricht, wenn das SohiohtmateriaI Platin ist, und die Dicke überschreitet in keinem Falle im Hinblick auf andere Materialien 1,5 /U, Die entsprechenden Daten für· Vanadium sind etwa 1,5 mg/cm , 0,7 ,u bzw. 2,5 ,u.

In Verbindung mit durchgeführten Untersuchungen hat man gefunden, daß die Dicke der Schicht insofern kritisch ist, al ti ein«? größere Dicke eine Überkompensation im Hinblick auf den Nettobeitrag der äußeren Gammastrahlung einschließt, so daß der Nettobeitrag positiv wird. Tatsächlich ist überraschend, daß ein so kleiner Teil der Oberflächenscliicht des Emitters in der Größenordnung von nur 1 /U fast vollständig JIg Empfindlichkeit des Detektors gegenüber, der Gammastrahlung be s t j rnmt.

lipj tcre Vorteile¹, Merkmale und Anvendung.smöglichkei I en der vnr] io^eminii Erfindung ergeben sich aus der folgenden Besclire i-bnii," im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Es zeigen:

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Figur 1 das Verhältnis zwischen Schichtdicke und Gammaempfindlichkeit,

Figur 2 einen Schnitt durch eine Ausführungsform der Erfindung und

Figur 3 einen Schnitt entlang der Linie A-A der Fig. 2.

Figur 1 veranschaulicht die Wirkung einer dünnen Oberflächenschicht eines Elementes mit einer hohen Atomzahl auf einem Emitter mit einer niedrigen Atomzahl (in diesem Falle Platin auf Kobalt). Es ist auch möglich, ein schweres Element zu verwenden, wie z.B. Platin oder Rhodium, und zwar als Emittermaterial, welches dann zu einem positiven Gammastrom führt. Eine Schicht aus z.B. Aluminium oder Magnesium oder einem anderen Element mit einer niedrigen Atomzahl auf dem Emitter kann dann die Kompensation des positiven Gammastromes geben. Eine etwas dickere Schicht ist in diesem Falle jedoch erforderlich, vorzugsweise das Zehnfache von einigen /U.

Es gibt ferner die Möglichkeit, die Kompensationsschicht auf der anderen Elektrode anzuordnen, d.h. auf der Innenfläche des Kollektors.

Gemäß der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform weist der allgemein mit 1 bezeichnete Neutronendetektor einen Emitterkern 3 auf, der vorzugsweise aus Kobalt hergestellt ist und eine zylindrische Gestalt hat, wobei sein Durchmesser von

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etwa i/2 bis etwa 2 mm (2 mms) variiert. Der Emitterkern 3 ist von einer dünnen Schicht 9 aus Platin umgeben, die vorzugsweise eine Dicke von etwa 0,35 /^u hat.

Die Schicht 9 ist von einem Isolator 5 umgeben, der aus einer Schicht aus Magnesiumoxid oder Aluminiumoxid mit hoher Dichte besteht. Die Dicke des Isolators kann zwischen 0,25 und 0,5 mm variieren. Der Isolator 5 ist seinerseits von einem äusseren Kollektor mit geeigneter Dicke, z.B. 0,25 nun, umgeben, welcher z.B. aus legiertem Stahl hergestellt ist, mit einem niedrigen Gehalt an Mangan oder eine Nickellegierung, wie z.B. Inconel.

Eine elektrische Leitung 11 ist mit dem Emitter 3 durch den Isolator 5 verbunden und wird als zentraler Leiter eines Koaxialkabels geführt, dessen Schirm 13 mit dem Kollektor 7 verbunden ist, wie durch die gestrichelten Linien gezeigt. Die Leitungen 11 und 13 sind mit einem Niederstromniveau-Amperemeter A verbunden, dessen eines Ende geerdet ist.

Der Beta-Strom-Neutronendetektor gemäß der Erfindung hat ein praktisch augenblickliches Ansprechen auf Veränderungen der NeutronenfluOniveaus. Dieses Ansprechen macht die Vorrichtung besonders nützlich bei der Verwendung in Sicherheitssystemen. Da ferner dank der Schicht 9 die Gammaempfindlichkeit des Detektors sehr niedrig ist, um nicht zu sagen, ver-

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nachlässigbar, ist der Detektor sehr zuverlässig und aus diesem Grund gegenüber bekannten gammaempfindlichen Detektoren bevorzugt.

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Claims

Dr. Hans-Heinrich Willrath t _D - 62 Wiesbaden io. März 1977

Dr. Dieter Weber 2 710 6 A 8 ^{PoitfaA 1327} s/_Pf

Dipl.-Phys. Klaus Seinen · <°^Mt1> ^S7VK

^r ^J Tcleinmnulrcsu: WIUPATENT

PATENTANWÄLTE . . . ,

AEP-985 Γ-«ΐϋΛι 61 45

ToIeA: 413024/

AKTIEBOLAGET ATOMENERGI LiIjeholmsvägen 32, Stockholm/Schweden

BETA-STROM-NEUTRONENDETEKTOR

Priorität vom 12.März I976 in Schweden, Anmeldung Nr. 76-O32U6-5

Patentansprüche

Beta-Strom-Neutronendetektor mit einem mittig angeordneten Emitterkern, einem diesen Kern umfassenden Isolator, einem äußeren Kollektor, der seinerseits den Isolator umgreift, und mit Leitungen, die mit dem Emitterkern und dem Kollektor zum Abziehen eines erzeugten Stromes angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine zwischen dem Emitterkern (3) und dem Isolator (5) angeordnete Schicht (9) vorgesehen ist, die aus einem Material mit einer hohen Atomzahl und einem niedrigen Neutronen-Wirkungsquerschnitt

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P<mi*«fc: Ffankfun/Maln W6J-4O1 Bank: Dfesdner Bank AG. Wiesbaden. Konto-Nr. 176807

ORIGINAL INSPECTED

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besteht und eine Dicke von höchstens 5 /U hat.

2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitterkern (3) aus Kobalt besteht und das Material einen Neutronen-Wirkungsquerschnitt von höchstens etwa 5 Barn hat.

3. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitterkern (3) aus Vanadium besteht und daß das Material einen Neutronenwirkungsquerschnitt von höchstens etwa 5 Barn hat.

k. Detektor nach einen der Ansprüche 1 bis 3· dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (9) aus Platin, Blei, Vismut, Osmium, Hafnium, Erbium, Neodymium, Cer oder Palladium besteht.

5· Detektor nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet, daß das Material Platin, Cer, Neodymium oder Erbium ist.

6. Detektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus Platin besteht und eine Dicke von höchstens 0,5 /ü hat.

7· Detektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Schicht etwa 0,35 /U ist.

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ORIGINAL INSPECTED

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8. Detektor nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (9) aus Platin besteht und eine Dicke von höchstens etwa 1 /U hat.

9. Detektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (9) eine Dicke von etwa 0,7 ,u hat.

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