DE3035929A1

DE3035929A1 - Vorrichtung zur ermittlung der volumenanteile eines mehrkomponentengemisches durch transission mehrerer gammalinien

Info

Publication number: DE3035929A1
Application number: DE19803035929
Authority: DE
Inventors: Hans-Ulrich Dr. 2057 Reinbek Fanger; Walfried Prof. Dr. 2105 Seevetal Michaelis
Original assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Current assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Priority date: 1980-09-24
Filing date: 1980-09-24
Publication date: 1982-04-08
Also published as: FR2490825B1; CA1160364A; GB2083908A; DE3035929C2; GB2083908B; FR2490825A1; JPS5786028A

Description

GKSS-Forschungszentrum Geesthacht GmbH 2054 Geesthacht, Reaktorstraße 7-9

Vorrichtung zur Ermittlung der Volumenanteile eines Mehrkomponentengemisches durch Transmission mehrerer Gammalinien.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art.

In der industriellen Technik wächst der Bedarf an Meßmethoden für eine berührungsfreie, schnelle und kontinuierliche Bestimmung der Volumenkonzentrationen einzelner oder mehrerer Komponenten in einem Mehrkomponentengemisch. Dieser Bedarf ist u.a. auf die zunehmende Bedeutung des hy-

COMMERZBANK HAMBURG 22/58226 (BLZ 200 400 00) S.W.I.F.T.-CODE: COBADE HH

POSTSCHECKAMT HAMBURG 2250 58-208 (BLZ 200 100 20)

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draul Ischen Transports von Feststoffen zurückzuführen. Meist handelt es sich bei den Meßobjekten um opake Körper (z.B. bedingt durch den Körper selbst oder durch ein einhüllendes Förderrohr), so daß für eine berührungsfreie Messung nur die Anwendung von durchdringendertf-Strahlung und die Analyse der Wechselwirkung der ^ - Quanten mit dem zu untersuchenden Objekt in Betracht kommt.

Tn der I)R-AS .'.6 Zl 175 sowie in der Zeitschrift Meerestechnik IO (1979JNr. 6, S. 190-195 ist ein Verfahren beschrieben, das im wesentlichen auf der Tatsache beruht, daß für zwei Substanzen (p und q) mit hinreichend verschiedener mittlerer Ordnungszahl Z das Verhältnis der Gammaabsorptionskoeffizienten μ> im Bereiche kleiner Gammaenergien bis etwa 1.5 MeV eine ausgeprägte Energieabhängigkeit aufweist. Auf diese Weise ist es möglich, die beiden unbekannten Komponentenanteile bzw. die Raumanteile dieser Komponenten ν und ν über die Messung der Intensitäten J mit und ohne absorbierenden Körper bei zwei verschiedenen Gammaenergien (E.J, E₂) aus zwei Gleichungen eindeutig zu bestimmen. Da im allgemeinen die Meßgeometrie fest und damit die Transmissionsweglänge L im durchstrahlten Medium konstant ist, ergibt sich als Nebenprodukt die

BAD ORIGINAL

dritte Komponente aus der Randbedingung, daß die Summe der drei räumlichen Anteile 100^? ₀ betragen muß. Bei Anwendungen in der hydraulischen Fördertechnik ist die dritte Komponente Wasser (w), das im allgemeinen den Raum im Rörderrohr einnimmt, den die Feststoffkomponenten ρ und q freilassen. Es ist in diesem Falle zweckmäßig, nicht die absorberfreie (Vakuum-) Intensität, sondern die Intensität J der Gammastrahlung für feststofffreies Wasser als Bezugsgröße zu wählen. Damit haben die beiden Transmissionsgleichungen für die Energien E₁ und E^ die Form

^Jwl

^Jw2

mit ν +v +v = 1.
ρ q w

Auflösung nach ν und ν ergibt P q

v = (LN)-¹ [-intj (y_q2 - u_w2) + mt₂(p_ql - y_wl>]

v_p (LN) [intj (y_q2 u_w2) ₂(p_ql y_wl

bzw.

V_q = (LN)¹ClHt₁(Mp₂ - p_w2) - int,

wobei

ο υ j D a z a

Die beiden Gammalinien können hierbei in vorteilhafter Weise das Meßvolumen in gemeinsamer Strahlachse durchlaufen und somit exakt dieselben Volumenanteile erfassen. Unterschiedliche Körperstrukturen, die bei Transmission mit den beiden Linien an unterschiedlichen Stellen zu Inhomogenitätsfehlera führen würden, stören somit nicht.

Selbstverständlich ist dieses Verfahren auch auf mehr als drei Komponenten anwendbar. Es ist dann für jede zusätzliche Komponenten eine weitere Gammalinie erforderlich. In der Berechnung ergibt sich jeweils eine weitere Transmissionsgleichung.

Die Fehler der Volumenkonzentrationsbestimmung hängen von der Präzision der gemessenen Cammaintensitäten ab. Der Einfluß der relativen Fehler der ft- Intensitäten S J- /J- (i = 1,2) ist unabhängig von der Voluntenkonzentration und umgekehrt proportional zur Transmissionsweglänge L:

2 2 1/2

bzw.

— 7 —

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Da die Feststoffanteile oft nur im Bereich einiger Prozente liegen, sieht man, daß für hinreichend genaue Messungen die relativen Fehler St/ _t im Bereich von oder nur wenig über 0.1% liegen sollten.

Bei dem Verfahren der DE-AS 26 22 175 erfolgt die getrennte Bestimmung der Intensitäten der beiden Gammalinien durch Impulshöhenanalyse der ausgelösten Impulse in einem beide Linien gemeinsam erfassenden konventionellen Szintillationszähler. Der Zähler muß eine hinreichende Energieauflösung zeigen, damit gegenseitige Interferenzen gering bleiben. Am besten geeignet als Szintillatormaterial ist NaJ (Tl).

Der entscheidende Nachteil der üblichen Spektroskopie mit NaJ (Tl) ist die relativ lange Fluoreszenzabklingzeit dieses Szintillators von 02Sm- s. Dies hat notwendigerweise eine Impulslänge im Bereich von Mikrosekunden zur Folge, die bei hohen Zählraten zu Impuls-Pile-up und Verschiebungen der Nullinie und damit letzthin zu Ungenauigkeiten in der Intoisitätsbestimmung führt. Eine praktische obere Grenze für die Zählrate liegt bei ca. 50 000 Imp./s., wenn die oben geforderten Fehler

in den Transmissionsbestimmungen nicht durch systematische Fehler merklich überschritten werden sollten. Aus Gründen der Zählstatistik bedingt diese Zählrate wiederum Mindestmeßzeiten rein rechnerisch von ca. 40 s und praktisch meist im Bereich von 50 s. Das Verfahren ist daher nur als quasikontinuierlich zu bezeichnen. Schnellere Szintillationsdetektoren existieren zwar, gestatten aber keine ausreichende Energiediskriminierung.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die die genannten Probleme bei der Durchführung des bekannten Verfahrens vermeidet und insbesondere kürzere Meßzeiten ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteiles des Anspruches 1 gelöst.

Erfindungsgemäß wird für jede Gammalinie ein getrennt im wesentlichen nur diese Linie auswertender Detektor eingesetzt. Die Schwierigkeiten, die auftreten, wenn mehrere Gammalinien in einem Detektor diskriminiert werden müssen und die im wesentlichen zu einer erheb-

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lichen Verlangsamung der erreichbaren Zählrate führen, werden auf diese Weise vermieden. Auf die elektronisch aufwendige und die Zählrate erniedrigende Impulshöhenanalyse kann verzichtet werden. Die einzeln bestimmten Zählraten können auf einfache Weise direkt verrechnet werden. Hs ist bei dieser Anordnung ohne weiteres möglich, Detektoren zu verwenden, die jeweils nur für die zu bestimmende Gammalinie wesentliche Empfindlichkeit aufweisen.DieRestempfindlichkeit eines Detektor für die übrigen Linien kann entweder rechnerisch oder durch geeignete Anordnung bzw. Auswahl kompensiert werden, falls sie das Meßergebnis überhaupt nennenswert stört. Als Möglichkeiten der Anordnung der verschiedenen Detektoren kommen Nebeneinander-Anordnung bzw. Hintereinander-Anordnung im Strahl infrage. Ferner sind Möglichkeiten denkbar, den Strahl über Strahlungsteiler aufzuspalten beispielsweise frequenzselektiv mittels Kristallgittern oder dergleichen. Der wesentliche Vorteil des eingangs erwähnten Standes der Technik bleibt erhalten, nämlich die gemeinsame Durchstrahlung des Meßvolumens mit allen verwendeten Gammalinien auf einer Achse.

Weiterhin vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Vorrich-

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j u j D a z a

tung durch die Merkmale des Anspruches 2 gekennzeichnet. Bei der Nebeneinanderanordnung der Detektoren im Strahl sieht jeder Detektor nur einen Ausschnitt des
Strahlquerschnittes. Geringe Störungen durch Inhomogenitäten im Meßvolumen sind also zu befürchten. Bei der Hintereinanderanordnung der Detektoren tritt dies nicht auf, da alle Detektoren den vollen Strahlquerschnitt
erfassen können. Die Diskriminierung der verschiedenen Gammalinien in den jeweils zugeordneten Detektoren ist in einfacher Weise im wesentlichen auf zwei Wegen möglich. Zum einen können selektive Detektoren eingesetzt werden, die wesentliche Empfindlichkeit für die jeweilige Gammacnei'gie der Linie aufweisen. Aber auch mit
identischen hintereinander angeordneten Detektoren lassen sich unterschiedliche Gammaenergien selektiv nachweisen, wie ein Beispiel anhand zweier Linien (niedrige Energie sowie hohe Energie ) und zweier Detektoren (D₁ und D₂) zeigt.

niedrig
hoch

95 %
20 ⁰,

5 %
16 "ο

D.J und

sind die beiden identischen Detektoren, von denen D- hinter D₁ angeordnet ist. Beide erfassen den-

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selben Strahlquerschnitt. Die Detektoren haben unterschiedliche Empfindlichkeit für die beiden Linien und absorbieren von jeweils 100% Strahlungsenergie einer Linie 951 der Linie niedrigerer Energie und 20 % der Linie höherer Energie. Im Detektor 1 werden also von der ersten Linie 951 absorbiert (und somit angezeigt). Der zweite Detektor kann nur noch die restlichen 5% empfangen un zeigt davon 95% an, also etwa 5%. Von der Linie höherer Energie werden im ersten Detektor 20% absorbiert. 80% gelangen also in den zweiten Detektor und werden dort wiederum zu 80% absorbiert, also mit etwa 16%. Es zeigt sich also, daß die beiden Linien unterschiedlicher Energie in beide Detektoren ausreichend diskriminiert werden, nämlich mit den Unterschiedsfaktoren 95 : 20 bzw. 5 : 16. Durch unterschiedliche Dicken der Detektoren lassen sich diese Verhältnisse noch verbessern. So kann im vorliegenden Beispiel der erste Detektor D. so dick gewählt werden, daß er im wesentlichen 100% der Linie niedrigerer Energie absorbiert. Der zweite Detektor sieht dann von dieser Linie nichts mehr. Es ergäbe sich das Schema

niedrig
hoch

100 %

21

16 %

Hierdurch wird der zum Vorrechnen benötigte Aufwand verringert

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υ ο b y ζ y

Gemäß Anspruch 2 läßt sich also die selektive Empfindlichkeit bei identischen Detektoren allein durch die Anordnung erreichen.

Eine solche Vorrichtung ist vorteilhaft durch die Merkmale des Anspruches 3 gekennzeichnet. Wird hinter einem Detektor die in diesem im wesentlichen zu bestimmende Linie mit einem geeigneten Absorber vernichtet, der die übrigen Linien im wesentlichen ungeschwächt durchläßt, so beeinflußt diese absorbierte Linie die nachfolgenden Detektoren nicht, wodurch die Diskriminierung und die anschließende Verrechnung der Werte wesentlich erleichtert wird.

Weiterhin vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruches 4 gekennzeichnet. Auf diese Weise werden die physikalischen Gegebenheiten von Detektoren sowie ggf. zwischengeschalteten Absorbern berücksichtigt. Höhere Energien sind durchdringender und können ohne wesentliche Schwächung noch im letzten Detektor nachgewiesen werden, während niedrigere Energien aufgrund ihrer stärkeren Schwächung in den Detektoren besser am vorderen Ende der Detektorkette nachzuweisen sind.

Schließlich ist die erfindungsgemäße Vorrichtung vorteil-

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haft durch die Merkmale des Anspruches 5 gekennzeichnet. Diese Detektorarten sind für die jeweiligen Energiebereiche selektiv und zeichnen sich durch hohe Zählraten aus.

In den Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise und schematisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 Die Kurven der [inergicabhüngigkeit der Absorption von Gammaenergie in drei unterschiedlichen Medien,

Fig. 2 das Spektrum zweier vorzugsweise verwendeter Gammalinien und

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchstrahlung eines Probevolumens mit zwei Gammalinien.

Im folgenden wird die erfindungsgemäße Vorrichtung am Beispiel einer Vorrichtung beschrieben, die in der Meerestechnologie verwendbar ist zur Untersuchung eines Volumengemisches von Manganknollen, Sediment und Meerwasser. In Fig. 1 sind die unterschiedlichen Absorptionskoeffizienten dieser Stoffe in Abhängigkeit von der verwendeten Gammaenergie dargestellt. Es zeigt sich, daß bei unterschiedlichen Gammaenergien deutlich auswertbare Absorptionsunterschiede

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j υ j b y ζ y

bestehen. Fig. 2 zeigt das Spektrum zweier Gammaenergien und zwar von Americium 241 und Caesium 137. Die beiden Linien sind jeweils in drei Höhen I, II und III aufgezeichnet und zwar nach Durchlaufen der Medien

I Wasser

II 7,5 Vol. % Quarzsand in Wasser

III 8,0 Vol.% Manganknollen in Wasser.

Die durch die unterschiedlichen Absorptionskoeffizienten sich ergebenden unterschiedlichen Linienintensitäten lassen sich ersichtlich gut auswerten.

Anhand der Fig. 3 wird nun das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung wie folgt beschrieben:

Eine Gammaquelle 1 emittiert zwei Gammalinien bei den Energien E. und E₂- Dabei wird E^ niedrig gewählt (vgl. Fig. 1 und 2) und E₂ bei wesentlich höherer Energie. Nach Kollimation 2 durchdringt die Gammastrahlung den zu untersuchenden Körper 3 und wird in den Detektoren 4 und 5, eventuell nach weiterer Kollimation 6, absorbiert. Diese Detektoren müssen einerseits durch sehr kleine Zeitkonstanten charakterisiert sein, andererseits aber auch vorteilhaft so ausgewählt und dimensioniert sein,

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^ -^ -:· r q 9 Q

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daß der erste Detektor 4 die niederenergetische Strahlung nahezu vollständig absorbiert, die hochenergetische jedoch weitgehend ungeschwächt hindurchläßt. Der zweite Detektor 5 spricht dann praktisch nur auf die hochenergetische Komponente der Gammastrahlung an. Gegebenenfalls kann zwischen beiden Detektoren noch ein Absorber geeigneter Dicke und Ordnungszahl angebracht werden. Die Detektoren sind im allgemeinen (d.h. bei Licht-emittierenden Systemen) an Photomultiplier 8 angekoppelt, im Falle des ersten Detektors zweckmäßig über einen geeignet geformten Lichtleiter 9. Die Impulse der beiden Zählsysteme werden in elektronischen Zählern 10 gezählt, die ermittelten Zählraten einer Auswerteinheit 11 zugeführt, die diese mit Hilfe der eingangs angegebenen Transmissionsgleichungen auswertet und die Volumenanteile im Körper 7> berechnet.

Eine geeignete Substanz für den ersten Detektor 4 ist z.B. CsF, ein Szintillator mit einer Abklingzeit von 0.005/tcs. Er besitzt zwar nur eine geringe Lichtausbeute (31 relativ zu NaJ (Tl)) und damit eine schlechte Energieauflösung (die hier nicht erforderlich ist) , gestattet aber auf Grund der günstigen Zeitkonstanten sehr hohe Zählraten (bis in den Bereich einiger MHz.). Für die Diskri-

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minierung der beiden Gammaenergien ist CsF gut geeignet; so absorbiert ein 1 mm dicker Detektor 941 einer 60 keV-Strahlung, aber nur 2,51 einer Gammastrahlung mit 1250 keV. Die entsprechenden Zahlen bei 5 mm Dicke sind 100°s bzw. 12%. Da sichergestellt werden kann, daß der zweite Zähler 5 ausschließlich auf die hochenergetische Komponente anspricht, läßt sich die geringe Absorption dieser Stahlung im ersten Detektor in einfacher Weise herauskoxrigieren. Andere mögliche Detektormaterialien für den ersten Detektor - wenn auch mit etwas ungünstigeren Diskriminie rungseigenschaften - sind z.B. Plastik-Szintillatoren, bevorzugt mit Sn-oder Pb-Dotierung.

Als zweiter Detektor eignet sich z.B. ein Cerenkov-Zähler. Verwendet man Bleiglas, so lassen sich eine hohe Dichte und Ordnungszahl (und damit sehr günstige Absorptionseigenschaften) sowie ein hoher Brechungsindex erzielen. Die Zahl I der pro cm Flugweg von einem Elektron der Geschwindigkeit ν erzeugten Lichtquanten ergit sich zu

137 e

wobei Δ ν das Frequenzintervall, innerhalb dessen Licht emittiert wird, e die Elementarladung, η den Brechungs-

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J U ^ vj CJ L·. J

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index, und ß =v/c die Geschwindigkeit des Elektrons relativ zur Lichtgeschwindigkeit c bedeuten. Da das Elektron auf seinem Flugweg im Cerenkov-Zähler Energie entsprechend der Gleichung

i/2 φ

verliert fr - klassischer BlektroncnradLus, m = Ruhein Mc Vj "i masse des 1-1 ektronv»' N^ ~ Zahl der f-loktronon pro cm" für die abbremsende Materie und J^ (11 + 3)Z LeVj ), muß die Beziehung für I energieabhängig betrachtet werden. Die Integration über den Flugweg ergibt für Bleiglas und Strahlung nicht zu niedriger Energie, z.B. für ein Co-Präparat (1.17 und 1.33 MeV), daß die hochenergetische Komponente mit gutem Wirkungsgrad nachgewiesen werden kann, wenn der photomultiplier im Hinblick auf kleine Photonenausbeuten ausgewählt wird. Dieses Egebnis wurde experimentell bestätigt. Die energiearme Komponente der Gammastrahlung wird jedoch nicht registriert, da die Energie so gewählt werden kann, daß die maximale Geschwindigkeit der im Zähler erzeugten Elektronen unterhalb der Grenzgeschwindigkeit ß = 1/n liegt, unter der keine Cerenkov-Strahlung auftritt. Damit wird eine vollständige Diskriminierung erreicht.

I8 -

BAD ORiGINAL

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Charakteristisch für den Cerenkov-Effekt ist, daß der Zähler sehr schnell auf die Gammaquanten anspricht (in 10 s oder weniger). Die zeitliche Begrenzung liegt hier beim erheblich langsameren Multiplier (^I ns) Somitsind auch für den zweiten Detektor, der die Gammaquanten der Energie E₇ nachweist, Zählraten im Bereich einiger MHz zu erreichen. Auch CsF läßt sich als Detektor für die hochenergetische Strahlung verwenden. In diesem Falle kann, wenn erforderlich, restliche niederenergetische Strahlung durch einen geeigneten Absorber daran gehindert werden, im zweiten Detektor Signale auszulösen.

Die beschriebene Anordnung gestattet somit den vollständigen Verzicht auf Impulshohenanalyse. Es entfallen damit zugleich Zählratenbeschränkungen durch einen Analog- -Digital-Wandler. Die Kombination z.B. eines CsF- und eines Cerenkov-Zählers in "Sandwich"-Anordnung erlaubt bisher nicht mögliche Zählraten und damit Meßzeiten im Sekundenbereich oder darunter. Auf diese Weise wird eine echte kontinuierliche Messung realisiert.

Die dargestellte Vorrichtung verwendet zur Bestimmung von drei Komponenten zwei Gammalinien. In entsprechen-

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BAD ORIGINAL

der Erweiterung lassen sich beispielsweise vier Komponenten mit drei Garamalinien bestimmen.

Die beschriebenen energieselektiv arbeitenden Detektoren können anstatt hintereinander auch nebeneinander im Strahl angeordnet werden. Ferner können beispielweise über Kristallgitter abgelenkte Strahlteile auf verschiedene im Winkel angeordnete Detektoren gerichtet werden.

Auf Detektoren, die nur bestimmte Energien anzeigen, andere aber völlig unterdrücken, kann auch verzichtet werden. Die Energiediskriminierung in den Detektoren läßt sich nämlich bereits allein durch die Hintereinanderanordnung der Detektoren erreichen, auch wenn diese für alle Energien empfindlich sind, sofern die Empfindlichkeit nur energieabhängig ist. Diese Methode wurde eingangs Cbei der Diskussion des Anspruches 2) näher erläutert.

BAD ORIGINAL

Leerseite

Claims

PArENTANWALrE SCHAEHER, HOSH-WCH 70 1542. 0-2 HAMB(JRCi 70 IHR/FK UEN

GKSS-Forschungszentrum Geesthacht GmbH, 2054 Geesthacht, Reaktorstraße 7-9

ANSPRÜCHE:
/ 1.jVorrichtung zum Ermitteln der Volumenanteile eines n-Komponenten-Gemisches (n>2) z.B. eines Mangan-

Was_s_e_x_=-'
knollen-Sediment-yCemisches , dessen Komponenten sich in der mittleren Ordnungszahl unterscheiden, wobei das Gemisch mit wenigsten n-1 Gammalinien unterschiedlicher Energien, bei denen jeweils die Absorptionskoeffizienten der Komponenten deutlich unterschiedlich sind, auf gemeinsamer Achse durchstrahlt wird, wonach die Energien der Gammalinien mit einer Detektoranordnung bestimmt und zur Ermittlung der Volumenanteile mit Hilfe der zugehörigen Transmissionsgleichungen rechnerisch ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung mit einer der Zahl der Linien entsprechenden Anzahl von Detektoren (4,5) ausgewertet wird, die jeweils nur für eine der verwendeten Gammaenergien wesentliche Empfindlichkeit aufweisen.

Ci U J D y Z
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren (4,5) hintereinander in der Strahlachse angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Zählern (4,5) Absorber (7) angeordnet sind, die nur die für die folgenden Detektoren(5)bestimmten Energien durchlassen.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst durchlaufene Detektoren (4j für niedrigere und die folgenden für höhere Energie empfindlich sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

daß für niederenergetische Linien Szintillationszähler (4j und für höherenergetische Linien Cerenkov-Zähler (5) verwendet werden.

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