DE2807072A1

DE2807072A1 - Sich selbst mit energie versorgender gammastrahlungsdetektor

Info

Publication number: DE2807072A1
Application number: DE19782807072
Authority: DE
Inventors: Norman P Goldstein; William H Todt
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1977-02-23
Filing date: 1978-02-18
Publication date: 1978-08-24
Also published as: JPS53104288A; US4118626A; CA1090008A; FR2382015A1; FR2382015B1

Description

drying. Ernst s tr atm an ν

PATENTANWALT D-4000 DÜSSELDORF 1 · SCHADOWPLATZ 9

Düsseldorf, 16. Feb. 1978

47,070
7813

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.

Sich selbst mit Energie versorgender Gammastrahlungsdetektor

.Die Erfindung betrifft einen sich selbst mit Energie versorgenden Gammastrahlungsdetektor, wie er für Strahlungsflußmessungen bei Kernreaktoren benutzt wird. Insbesondere richtet sich die Anmeldung jedoch auf solche gammastrahlungsempfindliche, sich selbst mit Energie versorgenden Detektoren, die innerhalb des Reaktorkerns Strahlungsflußmessungen durchführen sollen. Die herkömmlichen, sich selbst mit Energie versorgenden Detektoren enthalten einen zentralen leitenden Emitter, einen um den zentralen Emitter angeordneten, aus dichtem Metalloxid bestehenden Isolator sowie eine um diesen dichten Isolator herum angeordnete leitfähige Kollektorschichtelektrode. Derartige sich selbst mit Energie versorgende Strahlungsdetektoren sind in den US-Patentschriften 3 787 697 und 3 872 311 offenbart.

Unter einem sich selbst mit Energie versorgenden Detektor versteht man einen Meßfühler, an den kein Betriebspotential an die Abfühlelektroden angelegt wird. Das Ausgangssignal ergibt sich aus der Differenz in der Neutronen- oder Gammaantwort zwischen der Emitter- und der Kollektorelektrode. Die jüngsten Entwicklungen haben sich speziell auf gammaempfindliche sich selbst mit Energie versorgende Detektoren gerichtet, weil diese

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• ί,.

Einrichtungen eine kurze Reaktionszeit aufweisen und das Emittermaterial nur langsam abgebrannt wird, wenn es sich innerhalb des Reaktorkerns befindet, wobei dieses Verbrennen durch Sekundäreffekte der Neutronenabsorption zustande kommt. Diese Eigenschaften machen sich selbst betreibende gammaempfindliche Meßfühler besonders geeignet für die Erfüllung der Bestimmungen der "Nuclear Regulatory Commission", die die permanente Innenkerns icher heitsüberwachung von Reaktoren großer Leistung erforderlich machen. Die meisten derartigen gammaempfindlichen sich selbst mit Energie versorgenden Detektoren benutzen Platin als Emittermaterial sowie eine um das Platin herum angeordnete Isolatorschicht aus dichten Aluminiumoxidteilchen. Um den Isolator herum ist eine Stahlumhüllung oder Kollektorelektrode aus Inconelstahl angeordnet. In einem Gammastrahlenfeld werden Elektronen aus dem Emitter heraus in Richtung auf den Kollektor sowie auch aus dem Kollektor heraus in Richtung auf den Emitter getrieben. Die sich ergebende Antwort des Detektors besteht aus der Differenz dieser Ströme. Für einen typischen bekannten sich selbst mit Leistung versorgenden Detektor von herkömmlicher Länge würde

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ein Strom von näherungsweise 5 χ 10 A bei einem Gammastrah-

lungsfeld von 10 Röntgen/Std. erzeugt werden. Ein derartiger Strompegel ist in der Reaktorumgebung angesichts des typischerweise vorhandenen elektrischen Rauschens sehr schwer zu messen. Außerdem ergeben sich Fehlersignale dadurch, daß die Koaxialsignalkabel, die den Innenkerndetektor mit dem Äußeren des Reaktors verbinden sowie in die Steuerebene führen, Anlaß zur Erzeugung von Fehlerstromsignalen aufgrund des Gammastrahlungsfeldes sind. Dies liegt daran, weil das Signalkabel im wesentlichen auch die Konfiguration des selbst sich mit Leistung versorgenden Detektors aufweist und Fehlersignale aufgrund der unterschiedlichen Antwort des Zentralleiters und des Mantelleiters sich ergeben. Es ist möglich, derartige Gammafehlersignale des Signalkabels zu vermindern oder zu kompensieren, jedoch ist es im allgemeinen wünschenswert, daß sich selbst mit Leistung versorgende Detektoren eine vergrößerte Gammaempfindlichkeit und einen im allgemeinen höheren Signalpegel besitzen.

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Da derartige sich selbst mit Leistung versorgende Strahlungsdetektoren für die Anwendung im Kern des Reaktors gedacht sind, gibt es praktische Begrenzungen bezüglich des äußeren Durchmessers, den der Detektor aufweisen darf. Dies ergibt eine praktische Grenze bezüglich der Dimensionierung des Durchmessers des Emitters, von dem an sich zu erwarten wäre, daß er die Empfindlichkeit der Einrichtung um einiges erhöht. Der zulässige gesamte äußere Durchmesser ist inzwischen üblicherweise auf ungefähr 0,15" oder 0,38 cm festgelegt worden. Es ergibt sich, daß der Strom von gammaempfindliehen sich selbst mit Energie versorgenden Detektoren mit ansteigendem Emitterdurchmesser nur sehr langsam ansteigt. Diese Beobachtung zusammen mit der sehr engen Begrenzung bezüglich des Durchmessers bei Anwendung als Innenkerndetektor bedeutet, daß eine Vergrößerung des Emitterdurchmessers kein vernünftiges Verfahren ist, das Meßsignal zu verbessern.

Ein Verfahren zur wirksamen Erhöhung des Stromes derartiger sich selbst mit Energie versorgender Detektoren ergibt sich jedoch aus einem genauen Verständnis des Stromerzeugungsmechanismus bei derartigen Einrichtungen. Der Strom von sich selbst mit Energie versorgenden Detektoren wird von der Differenz von zwei Bestandteilen gebildet. Eine positive Stromkomponente ergibt sich durch die Elektronen, die den Kollektor vom Emitter aus erreichen, während eine negative Komponente von den Elektronen herrührt, die den Emitter vom Kollektor aus erreichen. Es wurde gefunden, daß die Anwesenheit des dichten Isolatormaterials zwischen Emitter und Kollektor dazu neigt, die positive Komponente zu verringern und die negative Komponente zu erhöhen, was zu einem niedrigeren Nettodetektorstrom führt, als es ohne den Isolator der Fall wäre. Die Elektronen von den Elektroden, die im Isolator gestoppt werden, führen zu einem elektrischen Feld, das bewirkt, daß einige Elektronen zu ihrer Ausgangselektrode zurückkehren und daß einige Elektronen zur anderen Elektrode voranschreiten. Für vom Emitter ausgehende Elektronen werden einige im Isolator angehalten und zum Emitter zurückkehren und zum Strom der Einrichtung nicht beitragen.

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Einige Elektronen vom Kollektor, die nicht zum Emitter gerichtet sind, werden im Isolator angehalten, werden jedoch durch das elektrische Feld des Isolators zum Emitter weitergeführt. Bei Abwesenheit eines Isolators werden diese Elektronen, die nicht direkt zum Emitter gerichtet sind, diesen verfehlen und somit keinen Beitrag zum Strom liefern. Der dichte Festisolator neigt also zu einer Verminderung der positiven Komponente und zu einer Erhöhung der negativen Komponente, was zu einem geringeren Nettostrom führt.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines verbesserten sich selbst mit Energie versorgenden Gammastrahlungsmessers unter Ausnutzung dieser Erkanntnisse.

Die Erfindung wird gemäß dem Hauptanspruch gelöst, besteht also aus einem sich selbst mit Leistung versorgenden Gammastrahlungsdetektor, der einen hochdichten, leitenden, länglichen zentralen Emitter mit Gammastrahlungsempfindlichkeit, eine leitende röhrenförmige Kollektorumhüllung mit geringer Gammaempfindlichkeit, die im Abstand um den zentralen Emitter herum angeordnet ist, sowie eine niedrigdichte Isolatoreinrichtung zwischen Emitter und Kollektor aufweist.

Es wurde gefunden, daß die Gammaempfindlichkeit eines sich selbst mit Leistung versorgenden Detektors dadurch erheblich verbessert werden kann, daß der herkömmliche Isolator aus einem dichten Metalloxid, der zwischen Emitter und Kollektor angeordnet ist, durch eine Isolatoreinrichtung mit niedriger Dichte ersetzt wird. Eine Isolatoreinrichtung von niedriger Dichte ermöglicht allen Elektronen, die vom Emitter ausgesandt werden, die Umhüllung oder den Kollektor zu erreichen, während viele von den Elektronen, die von der Kollektorumhüllung ausgehen, den Emitter verfehlen und zum anderen Teil der Umhüllung gelangen und somit keinen Strombeitrag liefern. Die Isoliereinrichtung niedriger Dichte ermöglicht es, daß alle von jeder Elektrode erzeugten Elektronen den zwischen den Elektroden liegenden Raum queren, bis sie die gegenüberliegende Elektrode erreichen. Auf diese

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Weise werden alle durch den Gammafluß von den Elektroden erzeugten Elektronen mit dem Stromsignal verknüpft, statt daß nur ein kleiner Bruchteil dieser Elektronen zum Stromsignal beiträgt. Die Isolatoreinrichtung niedriger Dichte kann aus einem Gas bestehen, wie beispielsweise Luft, jedoch kann vorzugsweise auch ein evakuierter Raum zwischen Emitter und Kollektor vorgesehen sein.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, das in der nur eine Figur umfassenden Zeichnung, die einen selbst sich mit Leistung versorgenden gammaempfindlichen Strahlungsdetektor zeigt, dargestellt ist.

In der Zeichnung ist ein sich selbst mit Leistung versorgender Strahlungsdetektor dargestellt, der aus einem zentral angeordneten gammastrahlungsflußempfindlichen länglichen zentralen leitenden Emitter 12 mit hoher Dichte besteht. Der Emitter 12 ist vorzugsweise aus Platin gebildet. Um den Emitter 12 ist axial eine röhrenförmige leitende Kollektorumhüllung 14 von niedriger Gammaempfindlichkeit angeordnet, die typischerweise aus Inconelstahl besteht. Isolatorabstandseinrichtungen 16 sind zwischen dem Emitter 12 und dem Kollektor 14 vorgesehen. Der Raum oder die Kammer zwischen dem Emitter 12 und dem Kollektor 14 umfaßt eine Isolatoreinrichtung 18 von niedriger Dichte. Statt den Isolator aus festem Metalloxid herzustellen, wie beispielsweise aus hochkompaktiertem Alumina mit einer Dichte von etwa 3 g/cm , wird ein gasförmiger Isolator von niedriger Dichte wie beispielsweise Luft, vorzugsweise aber ein vollständig evakuierter Raum als Isoliereinrichtung 18 zwischen dem Emitter und dem Kollektor vorgesehen. An einem Endanschluß 20 des Detektors 10 ist die Kollektorumhüllung 14 abgedichtet, wodurch dieses Ende das herausstehende Ende des Detektors bildet. Wenn die Isoliereinrichtung 18 Luft ist, können die sich gegenüberliegenden Enden des Strahlungsdetektors direkt mit einem koaxialen Signalkabel verbunden werden, wie es üblicherweise bei herkömmlichen sich selbst mit Leistung versorgenden Detektoren getan wird. Wenn der Abstand zwischen dem Emitter und dem Kollektor evakuiert

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wird, muß an einem derartigen anderen Ende eine hermetische Abdichtungseinrichtung vorgesehen sein. Die hermetische Abdichtung ermöglicht den Anschluß des Emitters oder dessen Fortsetzung zu einem zentralen Draht des koaxialen Signalkabels und einen Anschluß des Umhüllungskollektors mit der Umhüllung des Koaxialkabels. Ein festes Medium von niedriger Dichte kann als Isolatoreinrichtung 18 benutzt werden, jedoch muß es stabil sein gegenüber der Einwirkung von hochradioaktiven Flüssen sowie hohen Temperaturen. Mit Material "niedriger Dichte" ist ein Material

3 mit einer Dichte von weniger als etwa 3 g/cm gemeint.

Es wurde auch gefunden, daß die Gammaempfindlichkeit der Einrichtung optimiert werden kann für ein otimales Verhältnis von Emitterdurchmesser zu Kollektorinnendurchmesser. Dies ist sehr wichtig wegen der Beschränkung des gesamten äußeren Durchmessers bei Innenkernreaktoranwendung. Für einen Detektor mit einem äußeren Durchmesser über alles von 0,38 cm (0,15") wurde gefunden, daß der Durchmesser des Platinemitters vorzugsweise etwa 0,152 cm (0,06") beträgt, während die Isolatoreinrichtung oder der Raum zwischen dem Emitter und dem Kollektor etwa 0,051 cm (0,02") und die Dicke der Kollektorumhüllung etwa 0,063 cm (0,025") beträgt. Dies bedeutet, daß das Verhältnis von Durchmesser des Platinemitters zum Innendurchmesser des Kollektors vorzugsweise etwa 0,6 beträgt. Ein maximaler Gammaantwortsignalausgang wurde beobachtet, wenn verschiedene Emitterdurchmesseranordnungen in Erwägung gezogen wurden. Zwar wurde erwartet, daß das Signal maximiert würde, wenn der Emitterdurchmesser über 0,152 cm erhöht wurde, jedoch wurde ermittelt, daß dies nicht zutrifft. Es wird angenommen, daß dies daran liegt, daß ein Emitter mit größerem Durchmesser zwar mehr Elektronen für den gleichen Gammafluß abgibt, gleichzeitig jedoch auch mehr Elektronen von der Umhüllung unterbrochen oder abgefangen werden. Ein Verhältnis von Durchmesser des Emitters zu Innendurchmesser des Kollektors von etwa 0,6 betont den Beitrag des Emitterstromes. Wird der Detektor einem sehr hohen durchschnittlichen Energiefluß ausgesetzt, würde dies bedeuten, daß das Verhältnis erhöht werden

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sollte, und zwar wegen der vergrößerten Einwirkung eines derartigen Flusses auf die Kollektorelektrode,

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Claims

drying. Ernst Stratmann

PATENTANWALT D-4OOO DÜSSELDORF 1 · SCHADOWPLATZ

Düsseldorf, 16. Feb. 1978

47,070
SI 3

Westinghouse Electric Corporation Pittsburgh, Pa.■ -, VY St. A. '

P ä t e ri t ä ri s ρ r ü c h e ;

Sich selbst mit Leistung versorgender Gammastrahlungsdetektor, gekennzeichnet durch einen gammaflußempfindlichen, hochdichten, leitenden länglichen zentralen Emitter (12), eine niedriggammaempfindliche leitende röhrenförmige Kollektorumhüllung (14), die von dem zentralen Emitter (12) im Abstand und um diesen herum angeordnet ist, und durch eine Isoliereinrichtung (18) niedriger Dichte zwischen Emitter (12) und Kollektor (14).
2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isoliereinrichtung (18) niedriger Dichte einen evakuierten Raum darstellt.
3. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isoliereinrichtung (18) niedriger Dichte einen gasgefüllten Raum"darstellt.
4. Detektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter (12) aus Platin geformt ist.
5. Detektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Durchmessers des Platinemitters (12) zum Innendurchmesser des Kollektors (14) etwa 0,6 beträgt.

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ORiGiNALINSPECTED
6. Detektor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet,

daß der Durchmesser des Platinemitters (12) ungefähr 0,152 cm (0,06"), der Innendurchmesser des Kollektors (14) etwa 0,254 cm (0,1") und der Außendurchmesser des Kollektors (14) etwa 0,38 cm (0,15") beträgt.
7. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor (14) aus Inconelstahl besteht.

Beschreibung;

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