DE2920848A1

DE2920848A1 - Sich selbst mit leistung versorgender neutronendetektor

Info

Publication number: DE2920848A1
Application number: DE19792920848
Authority: DE
Inventors: Norman P Goldstein; William H Todt
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1978-05-25
Filing date: 1979-05-23
Publication date: 1979-11-29
Also published as: FR2426915B1; DE2920848C2; US4197463A; CA1107408A; FR2426915A1; JPS6314310B2; GB2021845B; JPS54164179A; GB2021845A

Description

DR.-ING. Ernst stratmann

PATENTANWALT j* 9 2 Π 8 & 8

D-4OOO DÜSSELDORF 1 · SCHADOWPLATZ 9

Düsseldorf, 22. Mai 1979

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

Sich selbst mit Leistung versorgender
Neutronendetektor

Die Erfindung betrifft einen sich selbst mit Leistung versorgenden Neutronendetektor. Ein derartiger Neutronendetektor besteht im wesentlichen aus einem neutronenempfindlichen Emitterkern, einer Isolierschicht, die selbst dann noch einen hohen elektrischen Widerstand zeigt, wenn sie ununterbrochen einer intensiven Bestrahlung ausgesetzt wird, und einer leitenden Kollektorschicht, die im Vergleich mit dem Material des Emitterkerns nur wenige Elektronen oder Gammastrahlen in einem Neutronenfluß erzeugt. Der Detektor wird als "sich selbst mit Leistung versorgend" bezeichnet, da keine Notwendigkeit besteht, über Emitter und Kollektorelektrode eine Betriebsspannung anzulegen. Vom Emitter werden Neutronen absorbiert und führen zu einem Elektronenstrom zwischen dem Emitter und dem Kollektor, welcher Strom als Detektorsignalstrom extern gemessen wird.

Innerhalb des Kerns eines Nuklearreaktors angeordnete Sicherheitssysteme erfordern schnell reagierende Miniaturneutronendetektoren zur Messung von Änderungen in der örtlichen Leistungsdichte. Sich selbst mit Leistung versorgende Detektoren, die als Emittermaterial Kobalt verwenden, um eine schnelle Reaktions-

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100 100 10) 132736-109 ■ deutsche bank (BLZ 300 700 10) 616Ο253

eigenschaft zu erhalten, wurden für kerninnere Sicherheitsanwendungen bereits verwendet. Der Emitterkern aus Kobalt von derartigen sich selbst mit Leistung versorgenden Detektoren verwendet eingefangene Gammastrahlen, die sich ergeben, wenn ein Kobaltatomkern in dem Emitter ein einfallendes Neutron absorbiert. Der nach außen sich ergebende Fluß derartiger Gammastrahlen erzeugt infolge von Wechselwirkungen mit dem Detektormaterial einen nach außen gerichteten Nettofluß von schnellen Elektronen hoher Durchschnittsenergie. Die Leistungsverschiebung führt zu einem Stromfluß zwischen dem Emitter und dem Kollektor, welcher Stromfluß extern durch ein hochempfindliches Amperemeter gemessen wird. Der erzeugte Strom ist proportional zum jeweiligen Neutronenfluß. Es ist jedoch ein Empfindlichkeitsproblem für derartige Detektoren dort vorhanden, wo das Emittermaterial Aktivierungsprodukte aufweist, die zeitlich zerfallen, wie beispielsweise ein Kobalt-Emitter-Detektor, der Kobaltaktivierungsprodukte mit der Bestrahlungszeit aufbaut. Diese Kobaltaktivierungsprodukte emittieren Betaelektronen mit niedriger Durchschnittsenergie und-auch Gammastrahlen, die zu einem verzögerten Stromhintergrundsignal führen, das mit der Detektorbestrahlungszeit ansteigt.

Ein verbesserter sich selbst versorgender und schnell reagierender Detektor, der die Effekte derartiger verzögerter und durch Aktivierungsprodukte erzeugter Ströme minimiert, wird in der ÜS-Patentschrift 38 72 311 beschrieben. Gemäß der Lehren dieser Patentschrift wird eine dünne leitende Schicht mit niedrigem Neutronenquerschnitt und hoher Materialdichte um das Emitterkernmaterial herumgelegt. Diese hochdichte Schicht absorbiert Betastrahlung, die durch Emitterkern-Aktivierungsprodukte emittiert werden, ist jedoch im wesentlichen durchlässig für die vom Emitterkernmaterial emittierten schnellen Elektronen hoher Durchschnittsenergie. Die Materialien, die zur Verwendung als leitende Schicht für die Beta-Absorption mit niedriger Durchschnittsenergie vorgeschlagen worden sind, umfassen Platin, Wismuth und Blei. Diese Materialien haben selbst in dünner Schicht den Effekt, daß sie die Empfindlichkeit der Einrichtung

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gegenüber externen Gammastrahlen erhöhen und gleichzeitig das Verhältnis von Neutronensignal zu Gammasignal für den Detektor verkleinern. Es ist wünschenswert, die erhöhte Gamma-Empfindlichkeit der leitenden, Betastrahlen niedriger Durchschnittsenergie absorbierenden Schicht zu kompensieren, so daß der Detektor primär auf Neutronen reagiert.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines derartigen sich selbst mit Leistung versorgenden Neutronendetektors.

Die Erfindung wird durch die Merkmale des Hauptanspruches gelöst, also durch einen sich selbst mit Leistung versorgenden Neutronendetektor, der aus einem Strahlung absorbierenden Emitterkern aus einem Material hohen Neutronenquerschnittes besteht, der beim Einfang von Neutronen spontan Strahlung abgibt, wobei die emittierte Strahlung schnelle Elektronen hoher Durchschnittsenergie umfaßt, die von emittierten Gammastrahlen erzeugt werden, welche ihrerseits durch den Einfang der Neutronen entstehen, sowie verzögerte Betastrahlung von niedriger Durchschnittsenergie, welche durch Zerfall von Aktivierungsprodukten des Emitterkernmaterials emittiert werden. Außerdem ist eine dünne leitfähige Schicht aus Material mit niedrigem Neutronenquerschnitt aber hoher Dichte um den Emitterkern herumgelegt, welches hochdichte Material die Betastrahlung mit niedriger Durchschnittsenergie absorbiert, welche durch den Zerfall der Emitterkern-Aktivierungsprodukte entsteht, das jedoch die schnellen Elektronen von hoher Durchschnittsenergie durchläßt, die von dem Emitterkern emittiert werden. Schließlich ist noch eine Schicht aus elektrisch isolierendem Material um die dünne leitende Schicht herum angeordnet, sowie ein äußerer leitfähiger Kollektormantel, der um die Isoliermaterialschicht herumgelegt ist. Erfindungsgemäß befindet sich zwischen der isolierenden Materialschicht und dem äußeren leitfähigen Kollektormantel eine zweite dünne leitfähige Schicht aus Material mit niedrigem Neutronenquerschnitt und hoher Dichte, um den Detektor hinsichtlich der Einflüsse der Signalströme zu kompensieren, die von externen Gammastrahlen in der Schicht mit Material niedrigen Neutronenquer-

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Schnitts und hoher Dichte erzeugt wird, welches um den Emitterkern liegt, so daß ein derartiger Detektor eine Neutronen-Empfindlichkeit besitzt, die für das Emitterkernmaterial charakteristisch ist.

Auf diese Weise wird ein sich selbst mit Energie versorgender Neutronendetektor geschaffen, der eine Leitschicht, die Betastrahlen von niedriger Durchschnittsenergie absorbiert, um den Emitterkern aufweist, sowie eine ähnliche Schicht, die sich auf der inneren Oberfläche der Kollektorelektrode befindet. Dadurch, daß diese ähnlichen leitfähigen Materialschichten vorgesehen werden, eine auf der äußeren Oberfläche der zentralen Emitterkernelektrode und die andere auf der inneren Oberfläche der äußeren Kollektorelektrode, wird sichergestellt, daß in einem Neutronen-Gamma-Fluß der von den zwei Schichten erzeugte jeweilige Elektronen-Strom jeweils in entgegengesetzte Richtung fließt, so daß sie sich gegenseitig aufheben und so sich kompensieren. Der Detektor kann daher bei entsprechender Wahl der Dicke der zwei Schichten so konstruiert werden, daß er eine Neutronen-Empfindlichkeit besitzt, die charakteristisch für das Emitterkernmaterial ist, jedoch auf externe Gammastrahlen nicht oder nur sehr wenig reagiert. Die bsiden leitenden Schichten werden vorzugsweise aus gleichem Material hergestellt, wie Platin, Wismuth oder Blei, welches hochdicht ist und einen niedrigen Neutronenquerschnitt aufweist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, das in den Zeichnungen dargestellt ist.

Es zeigt:

Fig. 1 in einer Schnittansicht einen sich selbst mit Leistung versorgenden Detektor und

Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linien II-II der Fig. 1.

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In den Fig. 1 und 2 ist ein sich selbst mit Leistung versorgender Neutronendetektor 10 dargestellt, der aus einem neutronenabsorbierenden Emitterkern 12 besteht, welcher ein Material mit hohem Neutronenquerschnitt aufweist, das beim Auffangen von Neutronen in einem zweistufigen Prozeß prompte Elektronen hoher Durchschnittsenergie erzeugt. Die von dem Emitterkern 12 emittierte Strahlung umfaßt prompte Elektronen hoher Durchschnittsenergie, die von Gammastrahlen erzeugt werden, welche durch den Neutronen-Fangprozeß emittiert werden, wie auch verzögerte Betastrahlung niedriger Durchschnittsenergie, die durch den Zerfall von Aktivierungsprodukten des Emitterkernmaterials emittiert werden. Das Emitterkernmaterial besteht aus Kobalt, Gold oder einem anderen derartigen Material mit hohem Neutronenquerschnitt. Ein Kobaltkern besteht im wesentlichen aus Kobalt 59, der in einem Neutronen- und Gammafluß zu prompter Elektronenemission hoher Durchschnittsenergie Veranlassung gibt. Kobalt führt zu Aktivierungsprodukten Kobalt 60 und Kobalt 61, die eine verzögerte Betaelektronenemission von verhältnismäßig niedriger Durchschnittsenergie erzeugen. Eine erste dünne leitende Schicht 14 mit niedrigem Neutronenquerschnitt und hoher Materialdichte ist um den Emitterkern 12 in elektrischem Kontakt mit diesem angeordnet. Diese leitende Schicht 14 hoher Dichte absorbiert die von dem Zerfall der Emitterkern-Aktivierungsprodukte erzeugte Betastrahlung, ist aber im wesentlichen durchlässig für die prompten Elektronen hoher Durchschnittsenergie, die von dem Emitterkern emittiert werden. Die dünne leitende Schicht 14 wird von einem Material mit niedrigem Neutronenquerschnitt gebildet, das aus Platin, Wismuth oder Blei besteht. Eine Schicht aus elektrisch isolierendem Material 16, die auch bei längerer Bestrahlung mit hohem Neutronenfluß hohen Widerstand aufrechterhält, ist um die dünne leitende Schicht 14 angeordnet. Die isolierende Schicht 16 ist typischerweise dicht kompaktiertes Magnesia oder Alumina. Eine zweite dünne leitende Schicht 17 mit niedrigem Neutronenquerschnitt und hoher Dichte wird dann um die Isolatorschicht 16 angeordnet. Die zweite leitende Schicht 17 ist vorzugsweise aus dem gleichen leitenden Material gebildet, das auch die erste leitende Schicht 14 bildet. Es ist zwar nicht

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wichtig, daß die erste und die zweite Schicht 14 bzw. 17 aus dem gleichen Material gebildet werden/ jedoch ist es dann leichter, hier Einflüsse auszubalancieren, wenn gleiches Material verwendet wird, wobei einige Einstellmöglichkeiten bezüglich der Schichtdicke bestehen. Ein äußerer leitender Kollektormantel 18 ist um die zweite dünne leitende Schicht 17 in elektrischem Kontakt mit dieser angeordnet. Der äußere leitende Kollektormantel ist typischerweise aus rostfreiem Stahl oder aus einem anderen Stahl mit hohem Nickelgehalt hergestellt, der verhältnismäßig niedrige Neutronen-Empfindlichkeit besitzt. Der Detektorsignalstrom ergibt sich aus Neutronen-Fang im Emitterkern, welcher prompte Elektronen hoher Durchschnittsenergie erzeugt, die durch die erste leitende Schicht 14 hindurchtreten und in der zweiten leitenden Schicht oder dem äußeren leitenden Kollektormantel, die elektrisch miteinander verbunden sind, gesammelt und als Detektorsignalstrom abgelesen werden. Ein hochempfindliches Amperemeter A ist über Leitung 20 mit dem Emitterkern 12 und dem Kollektormantel 18 elektrisch verbunden, um den Detektorstrom zu messen. Die innere hochdichte dünne leitende Schicht muß dünn genug sein, um einer wesentlichen Anzahl von prompten Elektronen hoher Durchschnittsenergie des Kerns zu ermöglichen, durch sie hindurchzutreten, aber auch dick genug, um einen wesentlichen Anteil der verzögerten Betastrahlung niedriger Durchschnittssenergie zu stoppen, die vom Kern abgegeben wird. Die Dicke der äußeren hochdichten leitenden Schicht 17 ist so gewählt, daß der von ihr durch ein externes Gamma-Strahlenfeld erzeugte Strom soweit wie möglich identisch ist zu dem Strom, der von der ersten inneren hochdichten Schicht 14 erzeugt wird. Der Elektronenfluß von der ersten leitenden Schicht 14 und der von der zweiten leitenden Schicht 17 sind zueinander entgegengerichtet und heben sich im wesentlichen gegenseitig auf. Der sich ergebende Detektor besitzt eine Neutronen-Empfindlichkeits-Charakteristik des Emitterkernmaterials mit keiner oder nur geringer Empfindlichkeit gegenüber externen Gammastrahlen.

Der sich selbst mit Energie versorgende Detektor besitzt einen verhältnismäßig kleinen Gesamtdurchmesser, der die Verwendung

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innerhalb des Reaktorkerns ermöglicht. Beispielsweise sind typische Detektor-Durchmesser begrenzt auf etwa 2 mm. Um optimale Empfindlichkeit des Emitterkerns zu erreichten, sollte dieser so groß wie möglich sein, und für einen Gesamtdurchmesser des Detektors von 2 mm beträgt der Durchmesser des Emitters typischerweise etwa 0,5 mm. Das Emitter-Material besteht aus einem Material mit hohem Neutronenquerschnitt wie Kobalt oder Gold oder einem anderen derartigen Material, das Neutronen-Fang-Aktivierungsprodukte aufweist, die durch Emission von Betaelektronen niedriger Durchschnittsenergie zerfallen. Die erste und zweite dünne, leitende Schicht hoher Dichte aus Platin, Wismuth oder Blei besitzen jeweils eine Dicke von typischerweise 0,025 bis 0,076 mm. Die Isolatorschicht von Alumina oder Magnesia ist typischerweise 0,25 bis 0,51 mm dick. Der äußere leitende Kollektormantel ist typischerweise mehrere tausendstel Zoll dick (größenordnungsmäßig 0,1 mm).

Der damit geschaffene sich selbst mit Leistung versorgende Detektor für prompte Reaktion kompensiert die nicht-gewünschten Ströme aufgrund verzögerter Reaktion, während gleichzeitig der Detektor eine Neutronenempfindlichkeit des Emittermaterials zeigt, während eine Empfindlichkeit gegenüber externen Gammastrahlen nicht oder nur geringfügig vorhanden ist.

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Claims

drying. Ernst stratmann PAT E N TAN WA LT D-4000 DÜSSELDORF 1 · SCHADOWPLATZ 9 47,852 7931 Düsseldorf, 22. Mai 1979 Westinghouse Electric Corporation Pittsburgh, Pa., V. St. A. • Patentansprüche :

1. Sich selbst mit Leistung versorgender Neutronendetektor, der aus einem Strahlung absorbierenden Emitterkern aus einem Material mit hohem Neutronenquerschnitt besteht, das beim Fang von Neutronen spontan Strahlung emittiert, die prompte Elektronen hoher Durchschnittsenergie umfaßt, welche von während des Neutronen-Fangprozesses emittierten Gammastrahlen erzeugt werden, sowie verzögerte Betastrahlung mit niedriger Durchschnittsenergie, die durch Zerfall von Aktivierungsprodukten des Emitterkernmaterials emittiert werden, mit einer dünnen leitenden Schicht aus hochdichtem Material mit niedrigem Neutronenquerschnitt, das um den Emitterkern herum angeordnet ist und absorbierend für die durch den Zerfall der Emitterkern-Aktivierungsprodukte erzeugten Betastrahlung niedriger Durchschnittsenergie ist, aber im wesentlichen für die durch den Emitterkern emittierten prompten Elektronen hoher Durchschnittsenergie durchlässig ist, mit einer Schicht elektrisch isolierenden Materials, das um die dünne leitende Schicht herum angeordnet ist, und mit einem äußeren leitenden Kollektormantel, der um die Isoliermaterialschicht herum angeordnet ist, gekennzeichnet durch eine dünne leitende Schicht (17) aus ., hochdichtem Material mit kleinem Neutronenquerschnitt zwischen der Isoliermaterialschicht (16) und dem äußeren leitenden Kollektormantel (18), um den Detektor (10) bezüglich

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posTSCHECKiBERLiNWESTiBLZ 100100 10) 132736-109 ■ deutsche bank (BLZ 30070010) 6160253

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Signalstromeffekten zu kompensieren, die durch externe Gammastrahlen in der Schicht aus hochdichtem Material mit niedrigem Neutronenquerschnitt (14) um den Emitterkern herum erzeugt wird, wobei der Detektor (10) eine Neutronenempfindlichkeit aufweist, die für das Kernmaterial (12) charakteristisch ist.

2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dünnen leitenden Schichten (14, 17) aus hochdichtem Material mit niedrigem Neutronenquerschnitt aus Platin, Wismuth oder Blei bestehen.

3. Detektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Platinschichten eine Dicke von 0,025 bis 0,076 mm aufweisen.

4. Detektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Emxtterkernmaterxal aus Kobalt oder Gold besteht.

Beschreibung;

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