DE3242376A1

DE3242376A1 - Einen grossen bereich aufweisender konzentrationsdetektor fuer radioaktives gas

Info

Publication number: DE3242376A1
Application number: DE19823242376
Authority: DE
Inventors: David Franklin 54301 Green Bay Wis. Anderson
Original assignee: US Department of Energy
Current assignee: US Department of Energy
Priority date: 1981-11-16
Filing date: 1982-11-16
Publication date: 1983-05-26
Also published as: JPS5890161A; US4441024A; GB2110467A; CA1185018A; FR2516665A1

Description

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Einen großen Bereich aufweisender Konzentrationsdetektor für radioaktives Gas

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Meß- und Testvorrichtungen, und zwar insbesondere auf Detektoren für radioaktives Gas.

Es besteht ein Bedürfnis nach einer Überwachungsvorrichtung auf radioaktives Gas, und zwar mit einem großen dynamischen Bereich; eine solche Überwachungsvorrichtung soll die für routinemäßige Raum- oder Kamin-Überwachung erforderliche Empfindlichkeit besitzen und auch auf unerwartet große Konzentrationen an radioaktivem Gas reagieren, die sich infolge eines Unfalls ergeben können. Als Kaminüberwachungsvorrichtung sollte ein solches Instrument eine kurze Ansprechzeit besitzen, so daß die Gesamtfreisetzung bestimmt werden kann. Ferner ist es erwünscht, daß das Instrument eine verminderte Empfindlichkeit gegenüber Verunreinigungen, wie beispielsweise Tritium-Verunreinigung, besitzt.

Detektoren und Überwachungsvorrichtungen für die radioak-

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tive Gaskonzentration sind auch für die Messung der Konzentration von Tritium beim Betrieb von mit schwerem Wasser moderierten Reaktoren geeignet. Zudem wird die Tritiumüberwachung zunehmend zum Zwecke der Verhinderung von Schaden beim Menschen wichtig, da infolge der erhöhten Forschungsanstrengungen auf diesem Gebiet die mit Tritium gespeisten Fusionsrekatoren in die Nähe ihrer Verwirklichung gelangen. Ferner können Überwachungsvorrichtungen und Konzentrationsdetektoren für radioaktives Gas zur Aufzeichnung von Radioaktivgaskonzentrationen in jedem Gebiet verwendet werden, wo zweckmäßigerweise solche Konzentrationen bestimmt werden sollen, wie beispielsweise in den Abgaskaminen von kohlebeheizten Fabriken und Kraftwerken, in Uranbergwerkseinrichtungen, zur Raumüberwachung bei Fissionsanlagen, zur Überwachung der Abgase von Vakuumpumpen und Fissionsanlagen, und schließlich zur Kaminüberwachung, um so die gesamten radioaktiven Emissionen aus Kraftwerksanlagen zu bestimmen, und zwar sowohl bei normalem Betrieb wie auch während grosser Freisetzungen infolge eines Unfalls.

Die Kanne-Kammer (vergl. beispielsweise J.E.Hov, Health Physics 6, 203 aus dem Jahre 1961) wird seit mehr als 20 Jahren zur Überwachung und Messung von radioaktiven Gasen verwendet. Die Kanne-Kammer ist besonders geeeignet für die Überwachung von schwachen ß-Teilchenemittern, da der Bereich dieser Emitter in Luft kurz ist, und zwar verglichen mit den Gesamtabmessungen der Kanne-Kammer. Andere energiereichere gasförmige Radioisotope werden mit verminderter Effizient detektiert, da in der Kammer selbst weniger Energie abgeschieden wird und mehr Energie an den umgebenden Wänden verlorengeht. Ein übliches Ausführungsbeispiel dieser Vorrichtung besteht aus drei konzentrischen Zylindern, wobei der innere und äußere dieser Zylinder auf Erdpotential gehalten werden, wohingegen der Zwischenzylinder bei annähernd 200 V betrieben wird. Die Zone zwischen dem äuße-

ren Zylinder und dem Zwischenzylinder dient als eine Ionenfalle. Die Ionenfalle gestattet der Vorrichtung die Feststellung oder Detektion von ß-Teilchenemission aus dem Gas, und zwar frei von vorausgegangenen Ionisierungsereignissen, d.h. es wird die Strahlung festgestellt, die tatsächlich innerhalb des Raumes zwischen dem Zwischenzylinder und dem inneren Zylinder vorhanden ist und durch diesen Raum läuft, wobei dieser Raum als die Ionenkammer bekannt ist. Die Zerlegung von in der lonenkammer vorhandenen Radionukliden wird mittels eines Stroms festgestellt, der zwischen den zwei inneren Elektroden entsteht, und zwar infolge der Wanderung von geladenen Species (Teilchen), die dann gebildet werden, wenn die von den Teilchen emittierte Energie in der umgebenden Luft abgeschieden wird. Typischerweise werden als aktives Volumen 51,6 1 verwendet. Ein großes Volumen wie dieses wird verwendet, da die Empfindlichkeit eine Funktion des Volumens in der Kanne-Kammer ist. Wenn die Kanne-Vorrichtung verwendet wird j, um Tritium in der umgebenden Atmungsluft zu detektieren, so ist die Verunreinigung normalerweise kein Problem. Wenn jedoch die Aussetzung gegenüber hohen Konzentrationen radioaktiver Gase, wie beispielsweise HTO, erfolgt, oder wenn eine Verunreinigung mit Tritiun enthaltendem Öl vorliegt, so kann sich eine Hintergrund- oder Rauschaktivität aufbauen, die in signifikanter Weise die Empfindlichkeit der Kammer gegenüber niedrigen Tritiumkonzentrationen vermindert. Die elektronische Kompensation für ein starkes Hintergrundgeschehen ist schwer und oftmals unzuverlässig. Die Wiederherstellung des nicht verunreinigten empfindlichen Niveaus kann Verfahren erforderlich machen, die von einem einfachen Spülen der Kammer über mehrere Stunden hinweg mit reiner Luft ausgehend bis zu komplizierteren Verfahren reichen, und zwar Verfahren des Erhitzens oder Zerlegens und Reinigens der Vorrichtung, was eine beträchtliche Abschaltzeit erforderlich macht. Gelegentlich muß eine stark verunreinigte Einheit weggeworfen werden.

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Es sei hier ausdrücklich auf die folgende US-Patentanmeldung von David F.Anderson Bezug genommen: U.S.Serial No.229 024, eingereicht am 27.Januar 1981 mit dem Titel "Apparatus for Monitoring Tritium in Tritium Contaminating Environments Using a Modified Kanne Chamber". Diese Patentanmeldung lehrt und offenbart eine Vorrichtung, die zahlreiche der Nachteile und Begrenzungen der Kanne-Kammer überwindet. Diese Erfindung ist zur Messung kleiner Konzentrationen radioaktiver Gase mit hoher Präzision brauchbar. Zudem werden viele Probleme der Verunreinigung überwunden, wenn die Vorrichtung in einem Gebiet mit hoher Verunreinigung verwendet wird, und es ergibt sich eine beträchtliche Verbesserung gegenüber der Kanne-Kammer-Vorrichtung. Die Empfindlichkeit und Präzision einer solchen Vorrichtung bei der Feststellung niedriger Konzentrationen der radioaktiven Gase hängt jedoch von dem Ionisationskammervolumen ab. In Fällen, wo eine schnelle Ansprechzeit erwünscht ist, muß das Volumen der Ionisationskammer reduziert werden, um die tatsächliche physikalische Mischzeit der zu überwachenden Gase zu vermindern. Darüberhinaus ist es zweckmäßig, eine Vorrichtung vorzusehen, die in der Lage ist, nicht nur sehr kleine Konzentrationen radioaktiver Gase mit hoher Genauigkeit zu messen, sondern die auch in der Lage ist, hohe Konzentrationen festzustellen, die sich beispielsweise durch Unfälle ergeben. Obwohl die in der oben genannten Anmeldung beschriebene Vorrichtung in der Lage ist, geringe Konzentrationen radioaktiver Gase mit hoher Präzision in Verunreinigungsumgebungen zu messen, so ist sie jedoch nicht in der Lage, extrem große Bereiche radioaktiver Gaskonzentrationen mit schneller Ansprechzeit zu messen.

Ein Ziel der Erfindung besteht daher darin, einen Konzentrationsdetektor für radioaktives Gas mit großer Bandbreite vorzusehen. Ferner bezweckt die Erfindung, einen breitbandigen Radioaktivgasmonitor vorzusehen. Weiterhin hat sich

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die Erfindung zum Ziel gesetzt, einen Konzentrationsdetektor für radioaktives Gas mit großem Bereich vorzusehen, und zwar ferner mit einer schnellen Ansprechzeit sowie einer verminderten Empfindlichkeit gegenüber radioaktiver Verunreinigung. Die Erfindung sieht ferner einen Konzentrationsdetektor für radioaktives Gas mit einem großen Arbeitsbereich vor, und ferner mit einer schnellen Ansprechzeit sowie verminderter Empfindlichkeit gegenüber radioaktiver Verunreinigung, wobei ferner ein dynamischer Bereich

von mindestens 10 vorgesehen ist.

Um die oben genannten sowie weitere Ziele gemäß den Zwecken der Erfindung zu erreichen, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Breitband-Radioaktivgaskonzentrationsdetektor umfassen, der folgendes aufweist; einen Deionisierer zur Entfernung geladener Teilchen aus dem radioaktiven Gas, eine mit dem Deionisierer gekuppelte Ionisationskammer, eine erste Reihe von Parallelplattengittermitteln, die mit Abstand angeordnet sind, und zwar hinreichend dicht, um ein erstes, im wesentlichen gleichförmiges elektrisches Feld von hinreichender Intensität vorzusehen, um im wesentlichen Ionenrekombinationseffekte bei der Feststellung von radioaktiven Gasen mit niedriger Konzentration zu eliminieren, wobei die erste Reihe von Parallelplattengittermitteln in einer ersten aktiven Zone der Ionisiationskammer angeordnet sind, die ein hinreichendes Volumen zur Feststellung der eine niedrige Konzentration aufweisenden radioaktiven Gase besitzt, eine zweite Reihe oder Serie von parallelen Plattengittermitteln, die mit einem hinreichend engen Abstand angeordnet sind, um ein zweites, im wesentlichen gleichförmige elektrisches Feld von hinreichender Intensität zu schaffen, um im wesentlichen die Ionenrekombinationseffekte bei der Feststellung von eine hohe Konzentration aufweisenden radioaktiven Gasen zu eliminieren, wobei die zweite Reihe von parallelen Plattengittermitteln in einer

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zweiten aktiven Zone der Ionisationskammer angeordnet sind, ■welch letztere ein hinreichendes Volumen besitzt, um die e ine hohe Konzentration aufweisenden radioaktiven Gase zu detektieren, wobei ferner Mittel vorgesehen sind, um die in den ersten und zweiten Reihen von parallelen Plattengittermitteln erzeugten Ströme zu detektieren, wobei die Ströme infolge der Wanderung von Ionen erzeugt werden, die durch das radioaktive Gas in der erwähnten Ionisationskammer erzeugt werden, wodurch schließlich die detektierten Ströme eine Anzeige bilden für die Konzentration des radioaktiven Gases.

Die Erfindung kann ebenfalls entsprechend ihren Zielen und Zwecken einen Konzentrationsdetektor für die Feststellung von radioaktivem Gas über einen großen Bereich hinweg umfassen, der folgendes aufweist: einen Deionisierer; eine Ionisationskammer; erste alternativ geladene parallele Plattengittermittel, angeordnet in der Ionisationskammer zur Feststellung niedriger Konzentrationen radioaktiven Gases, wobei die ersten alternativ geladenen parallelen Plattenmittel eine kleine Verunreinigungsoberfläche aufweisen und mit einem Abstand voneinander angeordnet sind, der wesentlich kleiner ist als der durchschnittliche Ionenrekombinationsabstand der Ionen in dem radioaktiven Gas, welches einem ersten elektrischen Feld ausgesetzt ist, und zwar erzeugt durch die ersten alternativ geladenen parallelen Plattengittermittel derart, daß ein erster meßbarer Strom erzeugt wird aus der Ionenwanderung, erzeugt in der Ionisationskammer durch Radioaktivität von niedrigen Konzentrationen des radioaktiven Gases; zweite alternativ geladene parallele Plattengittermittel, angeordnet in der Ionisationskammer zur Feststellung hoher Konzentrationen radioaktiven Gases, wobei diese zweiten alternativ geladenen parallelen Plattengittermittel eine kleine Verunreinigungsoberfläche besitzen und mit einem Abstand angeordnet sind, der klein

ist, verglichen mit dem durchschnittlichen Ionenrekombinationsabstand geladener Teilchen, ausgesetzt gegenüber einem zweiten elektrischen Feld, erzeugt durch die zweiten alternativ geladenen parallelen Plattengittermittel derart, daß ein zweiter meßbarer Strom aus der Wanderung von Ionen erzeugt wirdj die in der Ionisationskammer hervorgerufen wird durch die Radioaktivität von hohen Konzentrationen des radioaktiven Gases; und Mittel zur Messung der ersten und zweiten meßbaren Ströme, um einen großen Bereich radioaktiver Gaskonzentrationen anzuzeigen. (

Gemäß der Erfindung kann zur Erreichung der genannten Ziele und Zwecke ebenfalls ein breitbandiges radioaktives Gaskonzentrationsmeßgerät vorgesehen werden, welches eine schnelle Ansprechzeit und verminderte Empfindlichkeit gegenüber radioaktiver Verunreinigung besitzt; ein solches Mßegerät weist folgendes auf; Deionisiermittel zur Entfernung geladener Teilchen aus dem radioaktiven Gas; eine Ionisationskammer; erste alternativ geladene Gittermittel„ angeordnet in einer ersten aktiven Zone der Ionisationskammer, um ein erstes elektrisches Feld zu erzeugen, welches ausreicht, um einen ersten meßbaren Strom in den ersten alternativ geladenen Gittermitteln zu erzeugen, und zwar sich ergebend aus der Wanderung geladener Teilchen, erzeugt in der ersten aktiven Zone durch Radioaktivität von niedrigen Konzentrationen des radioaktiven Gases zu den ersten alternativ geladenen Gittermitteln, wobei die erste aktive Zone ein vorbestimmtes Volumen besitzt, und die ersten alternativ geladenen Gittermittel eine kleine Verunreinigungsoberfläche besitzen und mit einem Abstand voneinander angeordnet sind, der wesentlich kleiner ist als die durchschnittliche Rekombinationslänge der geladenen Teilchen in dem dem ersten elektrischen Feld ausgesetzten radioaktiven Gas; zweite alternativ geladene Gittermittel, angeordnet in der zweiten aktiven Zone der Ionisationskammer zur Erzeugung eines zweiten meßbaren

Stroms in den zweiten altervnativ geladenen Gittermitteln aus der Wanderung geladener Teilchen, erzeugt in der zweiten aktiven Zone durch Radioaktivität von hohen Konzentrationen des radioaktiven Gases, wobei die zweite aktive Zone ein Volumen aufweist, welches kleiner als 1/2 des vorbestimmten Ladungssammelvolumens der ersten aktiven Zone ist, und wobei die zweiten alternativ geladenen Gittermittel eine kleine Verunreinigungsoberfläche besitzen und mit einem Abstand voneinander angeordnet sind, der wesentlich kleiner ist als die Rekombinationslänge der geladenen Teilchen in dem radioaktiven Gas, welches dem zweiten elektrischen Feld ausgesetzt ist; und Mittel zur Feststellung der ersten und zweiten meßbaren Ströme zur Anzeige eines großen Bereichs der radioaktiven Gaskonzentrationen.

Die Erfindung kann ferner gemäß ihrer Zwecke und Ziele einen breitbandigen radioaktiven Gaskonzentrationsdetektor umfassen, der eine geringe Ansprechzeit, eine verminderte Empfindlichkeit gegenüber radioaktiver Verunreinigung und einen dy-

namischen Bereich von mindestens 10 aufweist und folgendes umfaßt: einen Deionisierer; eine Ionisationskammer; für den unteren Bereich vorgesehene parallele Plattengittermittel, angeordnet in der Ionisiationskammer zur Bildung eines ersten aktiven Volumens von annähernd 1 1 zur Feststellung niedriger Konzentrationen radioaktiven Gases,wobei die für den niedrigen Bereich dienenden parallelen Plattengittermittel mit einem Abstand von annähernd 15 mm angeordnet sind, um ein elektrisches Feld von annähernd 100 V/cm vorzusehen; für einen hohen Bereich vorgesehene parallele Plattengittermittel, angeordnet in der Ionisationskammer zur Bildung eines zweiten aktiven Volumens von annähernd 0,1 1 zur Feststellung hoher Konzentrationen radioaktiven Gases, wobei diese für den hohen Bereich dienenden parallelen Plattengittermittel mit einem Abstand von annähernd 7,5 mm angeordnet sind, um ein elektrisches Feld von annähernd 200 V/cm zu erzeugen; Zweifachbe-

reichelektrometermittel zur Erzeugung einer Darstellung der radioaktiven Gaskonzentrationen, die durch die Niederbereichs- und Hochbereichs-Parallelenplattengittermittel erzeugt wurden.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der folgenden Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt (

durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Vorrichtung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der

zusammen mit der Vorrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel verwendeten Elektronik;

Fig. 3 eine graphische Darstellung von

Versuchstestergebnissen mit dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 1 zeigt schematisch im Querschnitt den erfindungsgemäßen, über einen großen Bereich hinweg arbeitenden Konzentrationsdetektor für radioaktives Gas. Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung umfaßt eine Einlaßsammelleitung 10, einen Deionisierer 12, eine Ionisationskammer 14 und eine Auslaßsammelleitung 16. Eine Reihe von parallelen Plattengittern 22 ist in der Ionisationskammer 14 angeordnet. Die Ionisationskammer 14 besitzt zwei aktive Zonen, und zwar einen Niederbereichsabschnitt 18 und einen Hochbereichsabschnitt 20. Der Niederbereichsabschnitt 18 besitzt ein geometrisches Volumen von 1,0 1 mit zehn parallelen Plattengittern 22, ange-

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-Zuordnet mit einem Abstand von 15 mm. Der Hochbereichsabschnitt 20 besitzt ein geometrisches Volumen von 0,1 1 mit drei parallelen Plattengittern, angeordnet mit einem Abstand von 7,5 mm. Die parallelen Plattengitter 22 bestehen aus rostfreien Stahlringen von 9,5 cm Durchmesser und tragen aus . rostfreiem Stahl bestehendes Maschenmaterial mit einer Drahtbreite von 0,1 mm und einer Steigung von zwei Linien pro cm. Die parallelen Plattengitter 22 können natürlich auch aus einer Maschendrahtanordnung von ähnlicher Konfiguration bestehen. Sowohl in dem Niederbereichsabschnitt 18 als auch im Hochbereichsabschnitt 20 wird ein außerordentlich gleichförmiges elektrisches Feld dadurch erzeugt, daß man ein Spannungspotential zwischen benachbarten parallelen Plattengittern 22 anlegt. Die Kollektorgitter 26 - 36 werden - wie in Fig. 1 gezeigt - mit Erdpotential verbunden, wohingegen die Hochspannungsgitter 40 bis 52 mit einer Hochspannungsversorgung in Verbindung stehen. Dadurch wird eine Reihe von alternativ geladenen parallelen Plattengittern in der Ionisationskammer 14 gebildet. Die Kollektorgitter 26 - 36 werden mit Erdpotential betrieben, während die Hochspannungsgitter 40 52 auf + 150 V liegen. Diese Spannung erzeugt ein elektrisches Feld von 100 V/cm im Niederbereichsabschnitt 18 und ein elektrisches Feld von 200 V/cm im Hochbereichsabschnitt 20. Der enge Abstand der Gitter und das hohe, im Hochbereichsabschnitt 20 erzeugte elektrische Feld dienen dazu, die Ionenrekombinationseffekte bei hohen Konzentrationen radioaktiven Gases zu vermindern. Anders ausgedrückt erhöhen größere Zahlendichten der Ionen tendentiell die Wahrscheinlichkeit der Ionenrekombination. Dieser Effekt wird im Hochbereichsabschnitt 20 dadurch reduziert, daß man die Ionenwanderzeit zu den Kollektorplatten vermindert, und zwar durch Erhöhen des elektrischen Feldes, um so die Ionengeschwindigkeit zu vergrößern, und zwar geschieht dies durch die enge Beabstandung der parallelen Plattengitter 26,40 und 42. Der dichte Abstand der parallelen Plattengitter im unteren Abschnitt 18 erreicht

auch die gleichen Effekte» Um das Problem der Verunreinigung infolge von tritiumhaltigern Öl oder der Kondensation von Tritiumwasserdampf zu vermindern, ist der erfindungsgemäße Detektor derart ausgelegt, daß die Innenwand 54 der Ionisationskammer 14 mindestens 10 mm gegenüber dem aktiven Volumen angeordnet ist, wo die parallelen Plattengitter 22 sich befinden. Der Maximalbereich von Tritiumbetas in Luft bei atmosphärischem Standarddruck ist annähernd 7 mm. Selbst bei größeren Höhenlagen, wie beispielsweise in Los Alamos, New Mexico, USA, wo der Druck nur ungefähr 70% des atmosphäri- , sehen Standard- oder Normaldrucks ausmacht, ist der Maximalbereich nur 10 mm. Wenn sich die Ionisationskammerwand 54 daher auf dem gleichen Potential, wie die Sammel- oder Kollektionsgitter 26-36 befinden, so liefern die mit Tritium verunreinigten Wände keinen Beitrag zum Signal« Darüberhinaus wird der Beitrag infolge von Verunreinigung weiter dadurch vermindert, daß man die Elektroden aus feinen Gittern herstellt, um die gegenüber radioaktivem Gas ausgesetzte Oberfläche innerhalb der aktiven Zone der parallelen Plattengitter 22 zu vermindern. Dies kann dadurch erreicht werden, daß man Metallplatten verwendet, wie beispielsweise aus rostfreiem Stahl, und zwar mit einer Vielzahl von darinnen ausgebildeten Löchern, oder aber man verwendet ein aus rostfreiem Stahl bestehendes Maschenmaterial oder aber eine Anordnung aus kleinen, ein Gitter bildenden Drähten.

Der Deionisierer 12 ist zwischen der Eingangssammelleitung 10 und der Ionisationskammer 14 angeordnet, um geladene Teilchen aus der zu delektierenden Probe radioaktiven Gases zu entfernen. Der Deionisierer 12 enthält eine Reihe von parallelen, aus rostfreiem Stahl bestehenden Platten 60, die mit einem 4 mm Abstand angeordnet sind und abwechselnde Potentiale von +150 V und Erde besitzen. Die gleiche +150 V Leistungsversorgung für die Hochspannungsplatten 40-52 wird auch für die Hochspannungsparallelplatten im Deionisator 12

verwendet. Die Deionisererplatten 60 werden durch einen Keramikrahmen 56 und 58 getragen.

Eine Reihe von sechs keramischen Isolatorstäben 24 dient zur Halterung der parallelen Plattengitter 22 und der Ionisationskammer 14. Drei keramische Isolatorstäbe werden zur Halterung der Hochspannungsgitter 40-52 verwendet, wohingegen drei alternativ angeordnete keramische Isolatorstäbe zur Halterung der Kollektorgitter 26-36 Verwendung finden. Die keramischen Isolatorstäbe 24 werden durch einen Keramikrahmen 62 und 64 getragen. Die Figuren zeigen die Verwendung eines Keramikmaterials als Isolator; es sei aber auch darauf hingewiesen, daß festgestellt wurde, daß Permali genauso gut arbeitet, billiger und leichter herzustellen ist.

Fig. 2 zeigt ein schematisches Blockdiagramm der Strom- und Ladungs-Meßelektronik, die zusammen mit dem breitbandigen radioaktiven Gaskonzentrationsdetektor der Erfindung verwendet wird. Zwei Elektrometerverstärker 70 und 72 empfangen Stromsignale SIG 1 und SIG 2 von einem Niedrigbereichsabschnitt 20 bzw. einem Hochbereichsabschnitt 22 des Detektors der Fig. 1.

Das niedrige Bereichselektrometer 72 gehört zur Varaktorbrückenbauart und ist in einer temperaturgesteuerten Umschließung angeordnet, um die Nullstabilität auf lange Zeit sicherzustellen. Die Umschließung oder Umhüllung hält die Hohlraumtemperatur auf 40° +_ 0,5⁰C für eine Umgebungstemperatur von 20 bis 35⁰C. Die Elektrometerdrift ist 2 χ 10"¹^Amp. (2 fA) oder weniger, nachdem sich der Ofen und sein Inhalt über mehrere Stunden hinweg stabilisiert hat. Das spezielle verwendete Elektrometer ist ein Teledyne Philbrick Modell 1702, welches im Hinblick auf seine ausgezeichneten Niederfrequenzrauscheigenschaften, seine niedrige Langzeitdrift und seinen guten Widerstand gegenüber Eingangsüberlastungsein-

schwingvorgängen sowie hinsichtlich seiner niedrigen Kosten ausgewählt wurde. Das Hochbereichselektrometer 70 ist ein kostengünstiges FET-Elektrometer mit einem Transimpedanzwiderstand, der in entsprechender Weise für den gewünschten Bereich geeicht und für das kleine Kammervolumen verwendbar ist.

Hochbereichselektrometer 70 und Niedrigebereichselektrometer 72 werden jeweils durch einen logarithmischen Vierdekadenverstärker 74 bzw. 76 gespeist» Der logarithmische Verstär-' ker 74 hat eine Halbskalenausgangsvor spannung.. Eine als gestrichelte Linie 78 und 80 dargestellte Festkörperschaltanordnung verbindet nur ein Eingangssignal zu jeder Zeit mit der Strommeßschaltung 82 bzw. der Ladungsmeßschaltung 84. Das überkreuzende Abfühlen zwischen zwei Sätzen von Schaltungen erfolgt mit einem Diskriminator 86, der bei Vollskalenpegel auf dem Niedrigbereichselektrometer 72 triggert. Durch Anpassung der Zeitkonstangen der Elektrometerschaltungen kann das Überkreuzungsschalten bei niedrigen Impedanzpegeln mit minimalem Einschwingvorgangseffekt auf der breitbandigen Ausgangsanzeige erfolgen. Die schließlich acht Dekaden aufweisende Analogstromausgangsanzeige auf der Strommeßschaltungsausgangsanzeigevorrichtung 88 wird dadurch erreicht, daß man die Ausgangsgröße von logerithmischem Verstärker 74 und 76 mischt. Die Niederbereichsablesungen, die 1 fA bis 10 pA überspannen, werden direkt in die Ausgangsanzeigevorrichtungen eingespeist, wenn die Überkreuzungsdiskriminierung nicht getriggert wurde. Die Hochbereichsablesung, die 10 pA bis 100 pA überspannt, wird über eine Halbskalengleichvorspannung überlagert, was eine Kontinuität der Ablesungen über die vollen acht Dekaden hinweg ermöglicht.

Die Ladungsmessung erfolgt mit einer niedrigen Driftspannung zum Frequenzumwandler 90, und zwar eingespeist von der linearen Ausgangsgröße des Hochbereichselektrometers 70 und

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des Niedrigbereichselektrometers 72. Die Impulsfolge vom Konverter 90 wird gezählt, um eine digitale Signalintegration vorzusehen, die eine Messung der Ladung ist.Das digitale Ladungsmeßgerät 92 liefert eine Digitalanzeige, die zehn Dekaden von 1Cf"¹² C/digit bis 10"²C/volle Skala abdeckt. Die Ablesung besitzt digitale Anzeigevorrichtungen, welche die drei Dekaden abdecken und Exponentemultiplikatoren. Der Zählskalenfaktor wird um 10 beim Übergangspunkt zwischen den Hoch- und Niedrig-Strombereichen geändert. Die Ablesung der Ladungen erfolgt selbstbereichsbildend, wodurch die drei höchsten Digits mit Nicht-Nullinformation zusammen mit dem richtigen Exponentenmultiplikator angezeigt werden.Wenn mehr als drei siginifikante Digits erwünscht sind, so kann der gesamte Ladungsmeßgerätspeicherinhalt ausgelesen werden, und zwar manuell unter Verwendung eines Daumenradschalters, um die Exponentenmultiplikatoren auszuwählen.

Wenn die Hintergrundniveaus von der Ionisationskammer 14 konstant sind, so kann ein "umgekehrter" Strom von bis zu 100 fA in den Eingang des Niedrigbereichselektrometers eingegeben werden. Dies vermindert die unerwünschte Ladungsansammlung infolge des Hintergrundes über lange Wechselwirkungsperioden hinweg.

Die Fernablesung des Intruments wird mittels wahlweiser peripherer Vorrichtungen erreicht. Ein Streifenkartenleser kann am Strommeßausgang Verwendung finden, wie dies in Fig.2 gezeigt ist, oder aber der Analogpegel kann an ein Datenerfassungssystem geliefert werden. Die Ausgangsgröße des digitalen Kartenmeßgeräts 92 besteht aus einem Analogpegel entsprechend der Größe der Inhalte der drei Dekaden der digitalen Anzeigevorrichtungen, und zwar zusammen mit einem Dreizeilen-BCD-Code für den zugehörigen Exponentenmultiplikator.

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Auf mehrere Erfordernisse und Merkmale des peripheren Systems sei hingewiesen. Die parallele Elektrodenanordnung in der Ionisationskammer hat eine hohe Zwischenelektrodenkapazität zur Folge* Daher muß die Hochspannungsversorgung für die Kammer einen sehr niedrigen Geräuschpegel besitzen, um zu verhindern, daß Rauschen kapazitiv in das in Fig. 2 gezeigte Elektrometer eingekoppelt wird« Zur Vermeidung dieser Probleme sollten Batterien oder eine stark gefilterte geregelte Leistungsversorgung Verwendung finden. Die Kapazität der Kammer muß ebenfalls stabil bleiben, und der De-i tektor muß gegenüber Mikrophonquellen geschützt werden, um mechanisches Rauschen zu minimieren. Wie dies auch für alle empfindlichen Elektrometersysteme gilt, so müssen auch hier die Signalkabel zwischen dem Detektor und dem Elektrometer kurz und starr ausgebildet sein« Das in Fig. 2 gezeigte System gestattet, daß der Elektrometerkopf dicht zur Ionisationskammer angeordnet ist, daß aber das Steuer- und Ablese-Chassis bis zu 50 bis 100 m vom Meßpunkt angeordnet sein kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wurde zuerst im Los Alamos Gamma-Eichungsgebiet geeicht und getrestet. Strahlungsfelder von 1,9 x 10"·^ bis 1,2 χ 10-⁵ R/h wurden benutzt. Der Ausgangsstrom, der automatisch auf die 1 1 Kammer normalisiert war, wurde aufgezeichnet. Die Ergebnisse der Gamma-Eichung sind in Fig. 3 gezeigt. Bei der in der Figur gekennzeichneten Bereichsänderung ergab sich eine geringe Abweichung gegenüber einem linearen Ansprechen. Dies entspricht einer Ablesung von einem annähernd 35% zu hohen Wert an der Bereichsänderung, und zwar hervorgerufen durch eine Submillivoltversetzung in der Null-Position der Hochbereichselektronik. Die Ergebnisse der Gamma-Eichung zeigten, daß die Überwachungsvorrichtung über fast acht Dekaden hinweg linear . arbeitet, wobei die Grenze im dynamischen Bereich liegt, und zwar infolge der Elektronik und nicht infolge der Ionisa-

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tionskammer.

Die Vorrichtung wurde sodann mit vier Konzentrationen von Tritium geeicht. Diese Konzentrationen waren 27,81,215 und 430 μΟί/πτ⁵, die als Punkte A-D in Fig. 3 gezeigt sind. Die Punkte B,C und D fallen auf eine gerade Linie. Die große Unsicherheit hinsichtlich der 27 μΟί/πτ Messung ergab sich durch die kurze verwendete Meßzeit, d.h. 100 Sekunden. Die beste Anpassung der Tritium-Eichung war die folgende: C = 1,08 χ 10¹^ i, wobei C die Tritium-Konzentration in Mikrocurie/nr und i der normalXS₀Ierte Strom in Ampere ist. Aus diesen Daten erkennt man, daß in einer Umgebung mit geringem Hintergrund Störungen und mit einer Stromintegrationszeit von einigen wenigen Minuten Signalfluktuationen . ausgemittelt werden können und Tritium-Konzentrationen mit

einigen wenigen \iCl/-nP gleich meßbar sind. Eine Konzentration von 10 μΟχ/τα^ ist trivial meßbar.

Die Zeitkonstante des Strommessers ist eine Sekunde, um die getreue Verfolgung von hohen Tritium-Konzentrationen zu ermöglichen. Diese schnelle Ansprechzeit ergibt große Fluktuationen hinsichtlich Rausch- und statistischer Signal-Betrachtungen am empfindlichsten Ende der Skala. Daher ist die Signalmittlung aus der Ladungsablesung für die Genauigkeit bei niedrigen radioaktiven Gaskonzentrationen notwendig.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt eine lange Hysterese beim Abfall vom hohen Bereich zum niedrigen Bereich. Die Ansprechzeit des hohen Bereichs und des niedrigen Bereichs (ohne zuerst im hohen Bereich gewesen zu sein) ist gerade die Zeitkonstante der Elektronik. Nachdem jedoch die Überwachungsvorrichtung kurz in den hohen Bereich geschaltet hat, geht der Niedrigbereichselektrometerverstärker, der die virtuelle Erdoperation am Eingang sättigt, verloren, und es baut sich eine Spannung an den Kollektorgittern der Nieder-

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bereichskamm er auf. Dieser Spannungsaufbau an den Isolatoren des Systems ergibt die dielektrische Ladungsabsorption in den Materialien. Yfenn die Strahlung vermindert wird und der Verstärker aus der Sättigung herauskommt, so kommt die Ladung langsam aus dem Material heraus, was eine lange Erholungszeit ergibt. Die Niederbereichskammer erholt sich auf ungefähr 2 χ 10 ^ A in zwei Minuten, benötigt aber eine halbe Stunde, um auf Null zurückzugelangen.

Keramik,, Permali und Polystyrol wurden als Isolatoren ver-_; wendetj um dieses Ladungsinjektionsproblem zu vermindern, wobei sich ähnliche Ergebnisse für alle drei Materialien ergaben. Eine Möglichkeit der Problemlösung bestünde darin, den Eingang des Niederbereichsvorverstärker bei der Bereichsänderung körperlich zu erden. Dies würde den Spannungsaufbau verhindern. Bei einem vollständigen Betriebssystem ist jedoch die elektrische Hysterese, wie oben diskutiert, kein praktisches Problem, weil die mechanischen Systemkomponenten dominierende Hysteresecharakteristiken besitzen.

Infolgedessen schafft die Erfindung einen Breitbereichsradioaktivgaskonzentrationsdetektor, der in der Lage ist, radioaktive Konzentrationen von Gasen über einen Bereich von acht Größenordnungen hinweg zu bestimmten. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist derart ausgelegt, daß sie eine Ionisationskammer aufweist, die hinreichend klein ist, um eine schnelle Ansprechzeit für die Messung von radioaktiven Gasen zu geben, die aber hinreichend groß ist, um genaue Ablesungen zu ermöglichen. Der enge Abstand der parallelen Plattengitter liefert zwei Hauptvorteile bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Zum ersten wird ein im wesentlichen gleichförmiges elektrisches Feld in der aktiven Zone der Ionisationskammer aufgebaut, um genaue Messungen vorzusehen, und zudem wird die Laufzeit der Ionen zu den paralle-

len Plattengittern vermindert, um praktisch Detektionsfehler infolge der Ionenrekombination zu eliminieren. Die parallelen Plattengitter sind hergestellt, um eine minimale Oberfläche freizulegen, um so die Verunreinigungseffekte zu reduzieren, die sich aus der Absorption von Verunreinigungsmaterialien auf der Oberfläche der Gitter ergibt. Zudem ist die Ionisationskammerwand mit einem hinreichenden Abstand gegenüber der aktiven Zone der Ionisationskammer angeordnet, um weiter die Verunreinigungseffekte zu minimieren.

Abwandlungen der Erfindung sind dem Fachmann gegeben.

Zusammenfassend sieht die Erfindung einen Konzentrationsdetektor für radioaktives Gas vor sowie eine Überwachungsvorrichtung, die in der Lage ist, radioaktive Gaszusammensetzungen über einen Bereich von acht Größenordnungen hinweg zu messen. Die Vorrichtung ist derart ausgelegt, daß eine Ionisationskammer vorgesehen wird, die hinreichend klein ist, um eine schnelle Ansprechzeit zur Messung von radioaktiven Gasen zu ermöglichen, die aber auch hinreichend groß ist, um genaue Ablesungen bei niedrigen Konzentrationspegeln zu gestatten. Mit engem Abstand angeordnete parallele Plattengitter liefern ein gleichförmiges elektrisches Feld in der aktiven Zone, um die Genauigkeit der Messungen zu verbessern,und sie reduzieren die Ionenwanderungszeit, um so praktisch Fehler infolge der lonenrekombination zu eliminieren. Die parallelen Plattengitter werden mit einer minimalen Oberfläche hergestellt, um die Effekte der Verunreinigung zu reduzieren, die sich aus der Absorption von Verunreinigungsmaterialien auf der Oberfläche der Gitter ergeben. Zudem ist die Ionisationskammerwand mit einem hinreichenden Abstand gegenüber der aktiven Zone der Ionisationskammer angeordnet, um so die Verunreinigungseffekte zu minimieren.

Claims

Ansprüche

Breitbandiger Detektor zur Bestimmung der Konzentration von radioaktivem Gas,

gekennzeichnet durch einen Deionisierer; eine Ionisationskammer; erste alter-* nativ geladene parallele Plattengittermittel, angeordnet in der Ionisationskammer zur Feststellung niedriger Konzentrationen von radioaktivem Gas, wobei die ersten alternativ geladenen Patallelplattenmittel eine kleine Verunreinigungsoberfläche besitzen und mit einem Abstand angeordnet sind, der wesentlich kleiner ist als der durchschnittliche Ionenrekombinationsabstand der Ionen in dem radioaktiven Gas, welches einem ersten elektrischen Feld ausgesetzt wird, das durch die ersten alternativ geladenen parallelen Plattengittermittel derart erzeugt wird, daß ein erster meßbarer Strom aus der Ionenwanderung hergestellt wird, die in der Ionisationskammer stattfindet, und zwar durch die Radioaktivität, welche auf den niedrigen Konzentrationen des radioaktiven Gases beruht; zweite alternativ geladene Plattengittermittel, angeordnet in der Ionisationskammer zur Feststellung von hohen Konzentrationen des radioaktiven Gases, wobei die zweiten alternativ geladenen Plattengittermittel eine kleine Verunreinigungsoberfläche besitzen und die mit einem Abstand angeordnet sind, der klein ist, verglichen mit dem durchschnittlichen Ionenrekombinationsabstand der geladenen Teilchen, die in einem zwei ten elektrischen Feld ausgesetzt sind, welches durch die zweiten alternativ geladenen Plattengittermittel erzeugt wird derart, daß ein zweiter meßbarer Strom aus der

Ionenwanderung erzeugt wird, die in der Ionisationskammer durch die Radioaktivität der hohen Konzentrationen des radioaktiven Gases hervorgerufen wird; Mittel zur Messung der ersten und zweiten meßbaren Ströme zur Anzeige eines breiten Bereichs von radioaktiven Gaskonzentrationen.

2. Detektor nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Serien von parallelen Plattengittermitteln eine Serie von Metallplatten aufweisen, die eine Vielzahl von darinnen ausgebildeten Löchern besitzen.

3. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Serien von paralleln Plattengittermitteln eine Reihe von Drahtanordnungsgittern aufweisen.

4. Detektor nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Serien von parallelen Plattengittermitteln mit einem Abstand angeordnet sind, der kleiner ist als 1/100 der Ionenrekombinationslänge. f

5. Detektor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere Anspruch 1, wobei die Ionisationskammer Wände aufweist, die mit einem hinreichenden Abstand von den ersten und zweiten Serien von parallelen Plattengittermitteln angeordnet sind, um im -wesentlichen Verunreinigungseffekte von den Wänden zu eliminieren.

6. Breitbandiger Radioaktivgaskonzentrationsdetektor, der folgendes aufweist:

einen Deionisierer; eine Ionisationskammer; erste alternativ geladene parallele Plattengittermittel, angeordnet in der Ionisationskammer zur Feststellung niedriger Konzentrationen des radioaktiven Gases, wobei die ersten alternativ geladenen parallelen Plattenmittel eine kleine

Verunreinigungsoberfläche besitzen und mit einem Abstand angeordnet sind, der wesentlich kleiner ist als der ' durchschnittliche lonenrekombinationsabstand der Ionen in dem radioaktiven Gas, welches einem ersten elektrischen Feld ausgesetzt wird, das durch die ersten alternativ geladenen parallelen Plattengittermittel derart erzeugt wird, daß ein erster meßbarer Strom aus der Wanderung von Ionen erzeugt wird, die in der Ionisationskammer hervorgerufen wird durch die Radioaktivität von den niedrigen Konzentrationen des radioaktiven Gases; zweite alternativ geladene parallele Plattengittermittel, angeordnet in der Ionisationskammer zur Feststellung hoher Konzentrationen radioaktiven Gases, wobei die zweiten alternativ geladenen parallelen Plattengittermittel eine kleine Verunreinigungsoberfläche besitzen und mit einem Abstand angeordnet sind, der klein ist, verglichen mit dem durchschnittlichen lonenrekombinationsabstand der geladenen Teilchen, die einem zweiten elektrischen Feld ausgesetzt sind, welches durch die zweiten alternat iv geladenen parallelen Plattengittermittel derart erzeugt wird, daß ein zweiter meßbarer Strom aus der Ionenwanderung erzeugt wird, die hervorgerufen wird in der Ionisationskammer durch die Radioaktivität von hohen Konzentrationen des radioaktiven Gases; und Mittel zur Messung der ersten und zweiten meßbaren Ströme zur Anzeige eines großen Bereichs radioaktiver Gaskonzentrationen.

7. Detektor nach Anspruch 6, wobei die ersten und zweiten alternativ geladenen parallelen Plattengittermittel Metallplatten aufweisen, die eine Vielzahl von darinnen ausgebildeten Löchern besitzen.

8. Detektor nach Anspruch 6, wobei die ersten und zweiten alternativ geladenen parallelen Plattengittermittel eine

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Vielzahl von Drahtanordnungsgittern aufweisen.

Breitbandiger radioaktiver Gaskonzentrationsdetektor mit einer schnellen Ansprechzeit und verminderter Empfindlichkeit gegenüber radioaktiver Verunreinigung unter Verwendung von folgenden Bauelementen: Deionisationsmittel zur Entfernung geladener Teilchen aus dem radioaktiven Gas; eine Ionisationskammer; erste alternativ geladene Gittermittel, angeordnet in einer ersten aktiven Zone der Ionisationskammer zur Erzeugung eines ersten elektrischen Feldes, ausreichend zur Erzeugung eines ersten meßbaren Stromes in den ersten alternativ geladenen Gittermitteln, und zwar sich ergebend aus der Wanderung zu den ersten alternativ geladenen Gittermitteln von geladenen Teilchen, erzeugt in der ersten aktiven Zone durch die Radioaktivität von den niedrigen Konzentrationen des radioaktiven Gases, wobei die erste aktive Zone ein vorbestimmtes Volumen besitzt, und wobei die ersten alternativ geladenen Gittermittel ferner eine kleine Verunreinigungsoberfläche aufweisen und mit einem Abstand angeordnet sind, der wesentlich kleiner ist als die durchschnittliche Rekombinationslänge der geladenen Teilchen in dem radioaktiven Gas, welches dein ersten elektrischen Feld ausgesetzt ist; zweite alternativ geladene Gittermittel, angeordnet in der zweiten aktiven Zone der Ionisationskammer zur Erzeugung eines zweiten meßbaren Stromes in den zweiten alternativ geladenen Gittermitteln aus der Wanderung der geladenen Teilchen, erzeugt in der zweiten aktiven Zone durch die Radioaktivität der hohen Konzentrationen des radioaktiven Gases, und wobei die zweite aktive Zone ein Volumen besitzt, das kleiner ist als die Hälfte des vorbestimmten Ladungssammelvolumens der ersten aktiven Zone, und wobei die zweiten alternativ geladenen Gittermittel eine kleine Verunreinigungsober-

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flache besitzen und mit einen Abstand angeordnet sind, der wesentlich kleiner ist als die Rekombinationslänge der geladenen Teilchen in dem radioaktiven Gas, welches , dem zweiten elektrischen Feld ausgesetzt ist; und Mittel zur Feststellung der ersten und zweiten meßbaren Ströme zur Anzeige eines großen Bereichs radioaktiver Gaskonzentrationen.

10. Breitbandiger radioaktiver Gaskonzentrationsdetektor mit einer schnellen Ansprechzeit, verminderter Empfindlichkeit gegenüber radioaktiver Verunreinigung und einem dynamischen Bereich von mindestens 10 , gekennzeichnet durch;

einen Deionisierer; eine Ionisationskammer; Niederbereichsparallelplattengittermittel, angeordnet in der Ionisationskammer zur Bildung eines ersten aktiven Volumens von annähernd 1 1 zur Feststellung niedriger Konzentrationen radioaktiver Gase, wobei die Niederbereichsparallelplattengittermittel mit Abstand von annähernd 15 ml angeordnet sind, um ein elektrisches Feld von annähernd 100 V/cm zu erzeugen; Hochbereichsparallelplattengittermittel, angeordnet in der Ionisationskammer zur Bildung eines zweiten aktiven Volumens von annähernd 0,1 1 zur Feststellung hoher Konzentrationen radioaktiven Gases, wobei die Hochbereichsparallelplattengittermittel mit einem Abstand von annähernd 7,5 mm angeordnet sind, um ein elektrisches Feld von annähernd 200 V/cm zu erzeugen; und Dualbereichselektrometermittel zur Erzeugung einer Darstellung der radioaktiven Gaskonzentration, festgestellt durch die Niederbereichs- und Hochbereichsparallelplattengittermittel.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Parallelplattengittermittel aus Blechen aus rostfreiem Stahlmaschen mit einer Drahtbreite von annähernd 0,01 mm und einer Stei-

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Steigung von annähernd 2 Linien/cm hergestellt sind.