DE2917473C2

DE2917473C2 - Vorrichtung zum Bestimmen der Zusammensetzung eines Materialstromes

Info

Publication number: DE2917473C2
Application number: DE2917473A
Authority: DE
Inventors: Georg Christian von Espoo Alfthan; Tuula Anneli Kauniainen Lukander; Pekka Dr.-Ing. Rautala; Heikki Johannes Dipl.-Ing. Sipilä; Seppo Juhani Espoo Uusitalo
Original assignee: Outokumpu Oyj
Current assignee: Outokumpu Oyj
Priority date: 1978-05-04
Filing date: 1979-04-30
Publication date: 1983-11-03
Also published as: FI781381A; GB2020421B; AU515642B2; FI56904C; JPS6149618B2; GB2020421A; ES480742A1; US4278885A; JPS54149697A; CA1131808A; PL122043B1; FR2425066B1; ZM3779A1; AU4661479A; YU105779A; SE7903869L; SE440696B; FR2425066A1; PL215343A1; SU1291033A3

Description

zwischen der Neutronenquelle (4) und dem Halbleiterdetektor (1) ein Streuglied (2) zum Streuen schneller Neutronen angeordnet ist,
die Neutronenquelle (4) und das Streuglied (2) von einem Moderator (3) vollständig umschlossen sind,

der Moderator (3) wenigstens teilweise aus schwerem Wasser besteht
bei emer Intensität der Neutronenquelle (4) von etwa 5 · 10⁷ Neutronen/s der Abstand zwischen Neutronenquelle (4) und Halbleiterdetektor (1) wenigstens 45 cm beträgt,
dieser Abstand bei Intensitätserhöhung um eine Zehnerpotenz um etwa \ 5 cm zunimmt und
der Halbleiterdetektor (1) unmittelbar neben oder in dem Materialstrom (6) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, C^1-1S der Moderator (3) teilweise aus Graphit (5) besteht

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß sie yusätzJ'ch als Moderator (3) gewöhnliches Wasser oder einen anderen wasserstoffhaltigen Stoff enthält.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Streuglied (2) aus Wismut besteht.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Streuglied (2) die Form eines Kegels oder zweier hintereinander angeordneter Kegel (2a, 2b) hat, wobei sich die Neutronenquelle (4) in der Nähe der Kegelspitze befindet und die Kegelbasis zum Halbleiterdetektor (1) hin gerichtet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das schwere Wasser (3) die Neutronenquelle (4) im wesentlichen in Form eines Kegelstumpfes umgibt, wobei die Neutronenquelle (4) im schmalen Ende des Kegelstumpfes und der Halbleiterdetektor (1) vor der Basis des Kegelstumpfes angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand a) zwischen Streuglied (2) und Halbleiterdetektor (1) im schweren Wasser (3) wenigstens 10 cm beträgt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7. dadurch gekennzeichnet daß der Materialstrom (6) in einem Rohr fließt und der Materialstrom (6) einen Teil des Moderators (3) darstellt.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs I.

Es ist an sich bekannt, die von einer Neutronenquelle ausgehenden Neutronen von den Atomkernen einer Materialprobe einfangen zu lassen, wobei Energie in Form von Gammastrahlung freigesetzt wird. Aufgrund der Energien und Intensitäten der Gammastrahlung lassen sich bestimmte Stoffe in der Probe identifizieren und in ihren Konzentrationen berechnen.

Dieses Verfahren wird seit langem untersucht und angewandt wobei man sich verschiedener Neutronenquellen, wie Reaktoren, Neutronengeneratoren und Isotopenquellen, bedient hat Die von der Quelle ίο ausgesandten Neutronen haben eine hohe Geschwindigkeit und müssen in einem Moderator gebremst werden, bevor sie Gammastrahlung erzeugende Kernreaktionen auslösen. Das Abbremsen erfolgt am besten in einem Stoff, der leichte Atomkerne, z. B. Wasserstoff, enthält. Der wichtigste Vorteil dieses Verfahrens besteht in der großen Eindringtiefe sowohl der Neutronen als auch der Gammastrahlung in der Probe. So beträgt zum Beispiel die Halbwertsschichtdicke im Eintrag des Schweberöstschmelzofens für Neutronen 2-3 etwa 6 cm und für Gammastrahlung etwa !2 cm. Die Halbwertsschichtdicke für Neutronen kann von Probe zu Probe beträchtlich variieren. Die Absorption der Gammastrahlung wird hauptsächlich nur von der Dichte der Probe bestimmt. Die Proben dürfen im allgemeinen sehr grobkörnig sein. Die Messung kann auch durch ein dickes Aluminiumblech hindurch oder unmittelbar an einem Reaktionsrohr, einem Silo oder einer Fördereinrichtung erfolgen.

Bei genügend dünner Probenschicht können Detektor und Neutronenquelle auf einander entgegengesetzten Seiten der Probe angeordnet werden, wodurch eine größere gegenseitige Distanz erzielt wird, was zum Schutz des Detektors günstig ist. Bei dickeren Proben müßte ein großer Teil der durch Einfangen der Neutronen freigesetzten Gammastrahlung nahezu die ganze Probenschicht durchlaufen, wobei der Compton-Hintergrund im Spektrum zunimmt. Es ist dann vorteilhafter, mit einer Meßanorcwiu-ig zu arbeiten, bei der sich Detektor und Neutronenquelle auf der gleichen Seite der Probe befinden.

Das Verfahren wurde bisher in kontinuierlicher Betriebsweise nur mit einem Szintillationsdetektor angewandt. Der Halbleiterdetektor wurde nur bei sporadischen Messungen, zum Beispiel bei Bohrlochanalysen. angewandt. Der Grund liegt darin, daß die schnellen Neutronen den Halbleiterdetektor schon in ziemlich geringen Dosen (unter 10"' Neutronen/cm-') schädigen. Beim Analysieren des Eintrags für einen Schweberöstschmelzofen zum Beispiel ist aber die bessere Trennschärfe des Halbleiterdetektors erforderten, um die Linien der einzelnen Stoffe voneinander unterscheiden zu können. Das Problem besteht darin, genügend thermische Neutronen in die Probe zu bringen und gleichzeitig zu verhindern, daß schnelle Neutronen in den Detektor gelangen. Der Detektor muß sich so nahe an der Probe befinden, daß die Gammaquanten mit guter Effektivität gemessen werden können.

In der Veröffentlichung »Internationa! Journal of Applied Radiation and Isotopes«, Band 22 (1971). Seite 587 bis 592, ist ein Verfahren zum Bestimmen von Stickstoff in organischen Stoffen mittels Einstrahlung von Neutronen und Messung der gebildeten Gammastrahlung beschrieben. Als Moderator dient Paraffin. Von schwerem Wasser ist in diesem Zusammenhang keine Rede.

Aus der Veröffentlichung »Transactions«. Band 254 (luni 1973). Seite 112 und 113. ist ein Verfahren /um

Analysieren von Erzen bekannt, bei dem eine Neutronenstrahlung auf einen Materialstrom einwirkt, und die dabei frei werdende Gammastrahlung als Meßgröße herangezogen wird. In diesem Zusammenhang werden die geringe Meßempfindlichkeil sowie die leichte Zerstörbarkeit eines Ge(Li)-Detektors als nachteilig angegeben und insbesondere auf seine fehlende Eignung für kontinuierliche Messungen zu Analysenzwecken hingewiesen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zum Bestimmen der Zusammensetzung eines Materialstromes durch Einfangen von Neutronen in dem Materialstrom und Messen der dabei emittierten Gammastrahlen eine Meßvorrichtung anzugeben, die sich für einen kontinuierlichen Betrieb eignet, eine hohe Empfindlichkeit aufweist und trotzdem ehie lange Lebensdauer des Detektors gewährleistet

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit einer Neutronenquelle sowie einem Halbleiterdetektor zum Messen der Gammastrahlen gelöst, wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß

zwischen der Neutronenquelle und dem Halbleiterdetektor ein Streuglied zum Streuen schneller Neutronen angeordnet ist,

die Neutronenquelle und das Streuglied von einem Moderator vollständig umschlossen sind,
der Moderator wenigstens teilweise aus schwerem Wasser besteht,

bei einer Intensität der Neutronenquelle von etwa 5 ■ 10⁷ Neutronen/s der Abstand zwischen Neutronenquelle und Halbleiterdetektor wenigstens 45 cm beträgt,

dieser Abstand bei Imensitätserhöhung um eine Zehnerpotenz um etwa 15 cm zunimmt und
der Halbleiterdetektor unmittelbar neben oder in dem Materialstrom angeordnet ist.

Wesentlich I ;i der Erfindung ist, daß unter Verwendung von schwerem Wasser als Moderator in der Probe ein starker Fluß an langsamen Neutronen und gleichzeitig ein so geringer Fluß an schnellen Neutronen erzielt wird, daß der Detektor unmittelbar neben der Probe oder in der Probe angeordnet werden kann. Auf diese Weise läßt sich die von der Pi jbe ausgesandte Gammastrahlung mit hoher Effektivität messen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielhaft erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine graphische darstellung des Verlaufs des Neutronetiflusses mit zunehmendem Abstand:

Fig. 2 verschiedene Alternativen eines Streugliedes:

F i g. 3 eine erste, besonders vorteilhafte Ausführungsform der Vorrichtung:

F i g. 4 eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung;

F i g. 5 und 6 mit der Vorrichtung gemessene Spektren:

Fig. 7 eint· dritte Ausführungsform der Vorrichtung;

Fig.8 die Anwendung der Vorrichtung zur Bestimmung der Zusammensetzung einer Aufschlämmung.

Die Berechnung des thermischen und schnellen Flusses Für H>0- und DjO-Kugein von 100cm Radius führt zu den in Fig. 1 dargestellten Ergebnissen. Aus der Abbildung ist ersichtlich, daß in HjO der thermische Fluß im gleichen Takt mit dem schnellen Fluß zurückgeht, während in DiO die Diffusion den thermischen Fluß ohne Ao. orption über einen weiteren Bereich verteilt, und der Fluß erst mit Einsetzen des Abgangs aus der Kugel, d. h. mit Beginn von »Leckage«, abzunehmen beginnt

Graphit hat eine größere Verzögerungslänge und eine kleinere Diffusionslänge als DiO; jedoch lohnt es sich. Graphit wegen seines geringen Preises als Ummantelung des D2O zu verwenden und den Graphit möglicherweise noch mit H₂O zu umgeben. Zum Ausstreuen der in Richtung auf den Detektor fließenden schnellen Neutronen und zum Absorbieren der Gamma-ίο strahlen der Neutronenquelle ist es zweckmäßig, zwischen Neutronenquelle und Detektor einen Wismut-Kegel anzuordnen. Wismut erzeugt kaum eine störende Gammastrahlung durch Einfangen von Neutronen und stellt einen schweren Stoff dar.

Beim Arbeiten mit einem Halbleiterdetektor ist Wismut allerdings eine schlechte Bremssubstanz und darf sich nicht bis zum Detektor erstrecken, damit in diesen keine schnellen Neutronen gelangen. In der folgenden Tabelle I ist die bei der Vorrichtung gemäß F i g. 2 innerhalb einer bestimmten Zeit ^:n den Detektor gelangende Anzahl (n) an schnellen Neutronen angegeben. Die D₂O-Strecke hat keinen allzu großen Einfluß, aber eine längere Strecke ist etwas besser. Ein breiterer Anfangskegel verbessert das Ergebnis. Er streut Neutronen aus einem größeren Raumwinkel.

Tabelle I

	Fig. 2	B	C	D
	A	20	10	20
a, cm	10	-	10	-
b, cm	-	50	50	50
/, cm	50	131	168	113
n, Anzahl	147

In F i g. 2 sind ein Halbleiterdetektor 1 sowie ein kegelförmiges Streuglied 2, das zum Beispiel aus Wismut bestehen kann, dargestellt. Das Streuglied 2 wird kegelförmig von schwerem Wasser 3 umgeben. Weiterhin ist eine Neutronenquelle 4 gezeigt.

Wegen seines ziemlich hohen Preises lohnt es sich, das schwere Wasser mengenmäßig zu optimieren. Das Ergebnis der Optimierung ist eine Anordnung gemäß Fig.3, bei welcher der überwiegende Teil der Bremssubstanz nicht von schwerem Wasser, sondern von Graphit 5 gebildet wird. In Richtung zum Detektor 1 hin sollte man allerdings schweres Wasser verwenden, denn es ist wichtig. da3 die auf den Detektor 1 treffenden Neutronen zuvor in thermische Neutronen übeifühlt worden sind. An Hand von Berechnungen wurde die Breite des erforderlichen D2O-Bereiches ermittelt: dabei machte man die Feststellung, daß eine Erhöhung der D?O-Menge über etwa 12 Liter hinaus keine wesentliche Verbesserung mehr bewirkt.

Die Bezugszahlen ⁱ bis 3 in F i g. 3 haben die gleiche Bedeutung wie in Fig.2. Die Neutronenquelle 4 befindet sich an der Spitze des Streukegels. Die Bestimmung wird zum Beispiel an einen": auf einer Fördereinrichtung befindlichen Material 6 vorgenommen.

Bei den Bestimmungen diente als Neutronenquelle ^ine ²⁵²Cf-lsotopenquelle, denn damit erzielt man die beste Neutronenerzeugung pro Aktivitätseinheit. Diese Quelle ist auch relativ preisgünstig und hat ein weiches

Neutronenspektrum. Selbstverständlich können auch andere Isotopenquellen oder Neutronengeneratoren als Neutronenquelle verwendet werden.

Die Angaben in der Fachliteratur über die für den Detektor verträgliche Menge an schnellen Neutronen variieren beträchtlich. Ein vorsichtiger Mittelwert ist 10" Neutronen/cm-'. Es zeigte sich, daß ein Mehrabstand von 15 cm zwischen Neutronenquelle und Detektor die Dosis der schnellen Neutronen auf ein Zehntel reduziert. Unter Voraussetzung optimaler Geometrie ergab sich die Lebensdauer des Detektors bei verschiedenen Abständen für 20 ng -''-'Cf gemäß Tabelle Il wie folgt:

Tabelle II

Detektor umgebenden leeren Raum mit dem Probenmaterial füllte und, in einem weiteren Fall, um den Detektor herum Craphitstücke als Reflektoren anordnete. Weiter wurde ausprobiert, wie sich ein als Schiit?, für den Detektor angebrachtes dünnes Cadmium(Cd)-Blech auf das Spektrum auswirkt. Die verhältnismäßig große Bauhöhe der in Fig.4 gezeigten Vorrichtung ist auf die verwendeten Standard-Graphitstangen zurückzuführen.

Zur Schätzung des durch Impulsstatistik bedingten Fehlers wurden die wichtigsten Spitzen der verschiedenen Stoffe herangezogen:

Abstand

Lebensdauer
dis Dstettcr:

Relative

Fe 7,646 MeV und 7,632 MeV einschl. Fluchtspitze
I₅S: 5.420MeV einschl. Fluchtspitze. 3,221 MeV, 2.931 McV und 2.380 MeV

Cu: 7,915 MeV und 7.306 MeV einschl. Fluchtspitze
Ni: 8,999 MeV und 8.535 MeV einschl. Fluchtspitze
Si: 4,934 MeV und 3,539 MeV.

45 cm
55 cm
60 cm
65 cm

110 Tage
1,4 Jahre
3 Jahre
6,3 Jahre

2,2
1,2
0,8
0,5

Tabelle HI	Ni %	Cu V.	S %	Fe %	SiO₂ %
	0,52 0,21	3,40 24,8	23,3 29,6	29,8 29,8	24,9 8,3
Ni-Konzentrat Cu-Konzentrat

Auch wurden Bestimmungen der Untergrundstrahlung durch Ersetzen der Probe durch eine Borsäurelösung, deren Reflexionsvermögen für thermische Neutronen etwa dem der Probe entsprach, durchgeführt. Die verwendete Vorrichtung ist aus F i g. 4 ersichtlich. Die Anordnung wurde außerdem variiert, indem man den zwischen Probe und Moderator verbleibenden, den

Es dürfte noch zweckmäßig sein, mit einem Abstand von etwa 65 cm zu arbeiten. Ein beschädigter Detektor ist nicht definitiv unbrauchbar, sondern kann im Herstellerwerk repariert werden. Aufgrund der durchgeführten Optimierung ergab sich die in Fig. 4 dargestellte Anordnung.

In F i g. 4 haben die Bezugszahlen 1 bis 6 die gleichen Bedeutungen wie vorstehend. Eine Stützvorrichtung 7 hält das Streuglied 2 in richtiger Stellung. Mittels einer Flasche 8 mit flüssigem Stickstoff wird die Temperatur des Detektors t niedriggehaiten. Der Probenbehälter 6 weist eine Aussparung für den Detektor-Vorverstärker auf. Diese Anordnung für den Laborversuch kann für die praktische Anwendung entsprechend modifiziert werden.

Für die Bestimmungen standen ein Ge(Li)-Detektor (Volumen 110 cm¹. Effektivität 21.8%) und ein damit verbundenes Computersystem zur Verfugung, das die Ergebnisse auf Lochband und über Schreiber ausgab. Als Quelle dieme 1 μg ²⁵²Cf. Die Meßzeit betrug 100 min. und als Probe dienten Nickel(Ni)- und KupferJCuJ-Konzentrat. In Tabelle III sind die Anteile der ermittelten Konzentrat-Hauptkomponenten zusammengestellt.

Die für Ni-Konzentrat erhaltenen Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle IV zusammengestellt.

Tabelle IV

Quelle: 1 ag Cf²⁵², Meßzeit 100 min, Ni-Konzentrat

Relat. Fehler, %

Absol.
Fehler, %

S	4,1	0,96
Fe	1,8	0,54
Cu	9,0	0,31
Ni	4,5	0,25
SiO₂	ϊ 1,5	2,9

Entsprechende Ergebnisse würde man mit 10.ug/ 10 min oder 20 μg/5 min erhalten. Durch Verlängerung der Zeit auf das Vierfache würde der Fehler auf die Hälfte schrumpfen.

In Fig. 5 und 6 sind Teile des Spektrums von Ni-Konzentrat dargestellt.

Mit Hilfe eines Cd-Schutzbleches konnten die vom Detektorwerkstoff ausgehenden, durch Einfangen von Neutronen erzeugten Gammastrahlen und die Aktivierungsspitzen eliminiert werden. Ein anderer Neutronenabsorber als Cadmium könnte das Spitzen-Unterg'und-Verhältnis in geringerem Maße verschlechtern. Die von der Probe gelieferte, durch Einfangen von Neutronen erzeugte Gammastrahlung ging beim Arbeiten mit Cd-Schutz mengenmäßig um den Faktor 1,7 zurück.

In Fig. 7 ist dargestellt, wie die Vorrichtung angeordnet werden könnte, um zum Beispiel auf einem Reedler-Förderer laufendes Material 6 zu analysieren. Die Anordnung ist die gleiche wie in Fig.3 und 4. jedoch um 180° gedreht.

Handelt es sich bei dem zu untersuchenden Material zum Beispiel um einen in einem Rohr fließenden Materialstrom, z. B. um eine Aufschlämmung, so fungiert dieser Strom selbst auch als Moderator. Der Detektor kann dann in der Aufschlämmung angeordnet werden, wobei sich eine Vorrichtung gemäß F i g. 8 ergibt In diesem Falle strömt die zu untersuchende Probe, die Aufschlämmung 6, in einem Rohr, in dessen Mitte sich der Detektor 1 befindet.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Bestimmen der Zusammensetzung eines Materialstromes (6) durch Einfangen von Neutronen in dem Materialstrom (6) und Messen der dabei emittierten Gammastrahlen, mit einer Neutronenquelle (4) sowie einem Halbleiterdetektor (1) zum Messen der Gammastrahlen, dadurch gekennzeichnet, daß