DE3335512A1

DE3335512A1 - Neutronen- und/oder gammadetektionssystem

Info

Publication number: DE3335512A1
Application number: DE19833335512
Authority: DE
Inventors: Karlheinz 7512 Rheinstetten Cerff
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1983-09-30
Filing date: 1983-09-30
Publication date: 1985-04-18
Also published as: GB2149193A; FR2552887A1; JPS60155991A; GB2149193B; DE3335512C2; GB8423269D0; FR2552887B1

Description

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Kernforschungszentrum Karlsruhe, den 23.9.1983 Karlsruhe GmbH PLA 8345 Ga./wk

ANR 1 002 597

Neutronen- und/oder Gammadetektionssystem

Die Erfindung betrifft ein Neutronen- und/oder Gammadetektionssystem mit einer großen Aufnahmefläche für die nachzuweisende Strahlung, die in Szintillationsmaterial Lichtquanten erzeugt, welche in Faserlichtleiter eingekoppelt werden. Insbesondere betrifft die Erfindung ein System für eine Drehkammerschleuse.

Der Einsatz der Neutronendetektion ist als ergänzende Maßnahme der Kernmaterialüberwachung in Personenschleusen vorgesehen. Sie erhöht die Wahrscheinlichkeit der Entdeckung unerlaubten Kernmaterialtransfers aus Materialbilanzzonen, da entwenderseitige Abschirmmaßnahmen weit schwieriger sind als bei der ^-Detektion.

ZnS(Ag) ist eine der am stärksten szinti11ierenden Substanzen, die zu Detektionszwecken zur Verfügung stehen. Bedingung zum Bau eines wirkungsvollen Detektors ist jedoch auch die optimale Kollektion und übertragung des zu erzeugenden Lichtstroms zum Photomultiplier. Bisher fanden folgende Lichtsammlerkonstruktionen Verwendung:

Eine Detektorscheibe für PTM-Eintrittsfenster nach [^] wird direkt auf dem PTM aufgesetzt und hat den Vorteil kurzer Lichtübertragungswege und somit geringer Verluste. Der Nachteil besteht in der Beschränkung auf den Durchmesser des Eintrittsfensters des verwendeten Photomultipliers. Eine andere Konstruktion /27 ergibt eine Verfünffachung der nutzbaren Einkoppelfläche mit im Szintillator integrierten Lichtleiterplatten, jedoch auch hier ist nur der

Bau kleiner Einheiten möglich, die z.B. in einer Drehkammerschleuse einen zu geringen Raumwinkel erfassen.

Die Nachteile herkömmlicher isotroper Lichtleiter sind

- die auftretenden Streuverluste bei direktem optischen Kontakt mit dem optisch dichteren Szintillatormaterial

- Verluste durch Dämpfung (Lichtabsorption auf der geforderten Übertragungsstrecke)

- ungünstige Flächenverhältnisse zwischen Lichtleiterquerschnitt (i.a. Auskoppelfläche) und Sammle.rflache

Der Auskopplungswirkungsgrad größerer Szinti1latorkristalle liegt in Abhängigkeit vom Brechungsindex in der Größenordnung 5-11 %.

Diese gegebenen Werte für Einkopplungs- und Übertragungswirkungsgrad isotroper Lichtleiter (Grenzfläche gegenüber optisch dünnerem Material Luft) zeigen, daß für Großflächenszintillatoren geeignete optische Systeme folgenden Anforderungen genügen müssen:

- Entkopplung von Lichtquelle und Lichtleiter durch Einschalten einer optischen Zwischenschicht mit einem Brechungsindex, der kleiner ist als der des Szintillator (n ?c1,5) zur Vermeidung von Streuverlusten an der Grenzfläche,

- Einkopplung einer zur überbrückung der Übertragungsentfernungen zum Photomultiplier ausreichenden Lichtintensität.

Die Art der Lichteinkopplung über die Faserstirnseite findet bereits zum Bau von Restlichtverstärkern [V und Großbildschirmen - bei Umkehrung des zur Detektoranwendung geforderten Lichtwegs - Anwendung. Nachteilig ist der hohe Materialbedarf an Fasern und der kleine erzielbare Reduktionsfaktor für das Verhältnis Einkoppelfläche/Auskoppelfläche. Diese Nachteile führen zur Betrachtung einer bisher nicht gebräuchlichen Art der Lichteinkopplung.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht nunmehr darin, ein Großflächendetektionssystem der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß sowohl eine kernphysikalisch wirksame Szintillatorsubstanz als auch die Vorteile von Fasern zur übertragung von Licht zu den Nachweissystemen angewendet werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 beschrieben.

Die weiteren Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.

Die besonderen Vorteile dieser neuen Lösung bestehen in der Verwendung anisotroper Lichtleitersysteme, die im Gegensatz zu optisch-isotropen Systemen eine Trennung der Lichtsammler- und Lichtleiterfunktion bewirken. Dadurch werden in räumlich ausgedehnten

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Detektorsystemen die Lichtabsorptionsverluste weitgehend reduziert. Die über die Lichtleiteroberfläche eingekoppelte Lichtintensität erreicht den am Lichtleiterende angekoppelten optoelektronischen Verstärker ohne nennenswerte Schwächung.

Der zugrundeliegende Lichteinkopplungsmechanismus über dem Fasermantel beruht auf der Synchronisation der

- Phasengeschwindigkeiten

- Polarisationsrichtungen

der Oberflächenwellen-Anteile der im Faserkern anregbaren Eigenschwingungen.

Es wurde experimentell bestätigt, daß bei Verwendung zylindersymmetrischer Fasern aufgrund der Geometrie der elektromagnetischen Felder Eigenschaften auftreten, die eine Lichteinkopplung über den Fasermantel ermöglichen. Das mit steigendem Faserkernradius bzw. Faserdurchmesser anwachsende Mode-Volumen (Anzahl der möglichen Eigenschwingungen) erhöht die Wahrscheinlichkeit der Synchronisation beider Felder im Fasermantel. Dies ist insbesondere zur Einkopplung inkohärenten Lichts mit zeitlich und räumlich stochastischen Phasenänderungen von großer Bedeutung.

Diese an sich bekannten Eigenschaften zylindersymmetrischer Fasern beschränken sich bisher auf

- den Einsatz von anisotropen Dünnschicht-Lichtleitern ebener Geometrie, die zu anderen Randbedingungen der Lichteinkopplung bei Anwendung des optischen Tunneleffektes führen,

- die Einkopplung kohärenter Lichtquellen (Laser), die zu stationären Ankopplungsbedingungen führen.

Sie werden jedoch noch nicht technisch genutzt, insbesondere werden optisch-anisotrope Faserlichtleiter nicht zum Bau von Neutronendetektoren eingesetzt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von theoretischen und experimentellen Ergebnissen sowie einem Ausführungsbeispiel mittels der Figuren 1 - 4 näher erläutert.

Das Prinzip eines Faserdetektors 1 mit Lichteinkopplung über die Aufnahmefläche 2 des prismatisch ausgebildeten Grundkörpers 5 (ZnS (AG)/Bor-Matrix) ist schematisch in Figur 1 dargestellt. Der Neutronenfluß jl (3) erzeugt Lichtblitze 4 im Szintillationsmaterial des Grundkörpers 5, die von den parallel zueinander verlegten, eventuell in mehreren Schichten übereinanderliegenden (hier 3 Schichten) Fasern 6 aufgesammelt werden. Die Fasern 6 sind anschließend an die beiden Stirnflächen des Grundkörpers zu Bündeln 7 zusammengefaßt und zu den Photomultipliern 8 geführt.

Die folgende Betrachtung gibt den Zusammenhang zwischen Beleuchtungsstärken und Flächenverhältnis der im Szintillator 5 eingebetteten Lichtsammlerfläche (Summe der Mantelflächen der einzelnen Fasern 6) bei unterschiedlichen Radien der Einzelfasern 6 wieder: Die am Ort 2 der Lichteinkopplung (Grenzfläche η,/Πρ) erzielbaren Beleuchtungsstärken entsprechen dem Verhältnis der Lichtsammlerflächen A, das durch die Einzelfaserradien R festliegt. Bei fortgesetzter Verkleinerung des Faserradius R nimmt die Mantelfläche proportional R ab, die Faserstirnfläche dagegen pro-

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ο
portional R . Zur Aufrechterhaltung einer konstanten Lichtsammler-Oberfläche im Szintillator ist bei Reduktion des Durchmessers eine entsprechende Erhöhung der Faserstückzahl notwendig. Da sich die Stirnfläche des Faserbündels mit dem Quadrat des Faserradius R verringert, gilt für die Vergrößerung der Einkoppeloberfläche durch Zugabe weiterer Fasern S:

^Rl

hantel _ ^R2 _it
_R - ^- mit

A
^aMantel

Die große eingebettete Manteloberfläche bewirkt eine Verringerung des Abstandes der einzelnen Szintillator (Punkt)-Lichtquellen zur jeweils benachbarten Lichtleiteroberfläche und somit eine Erhöhung der eingekoppelten Lichtintensität im Lichtleiter 6.

Die folgende Tabelle gibt für gebräuchliche Faserdurchmesser die Abstände Lichtquelle/Einkoppelort unter den vorgegebenen Randbedingungen wieder.

Faser / Stückzahl f. F.Mantelflä- Abstand LQ/ /μ/ Det. ehe /πΓ/ LLob. /μ/

1500	1100	8.3	400.
1050	2270	12.0	315.
500	10 000	25.1	150.
100	250 000	126.0	30.
70	510 200	180.0	21.
30	2 777 780	420.0	9.
10	25 000 000	1257.0	3.

Hieraus ergibt sich zwischen 1500 μ/70 μ-Fasern ein Verhältnis der Beleuchtungsstärken von 1/363 am Ort der Lichteinkopplung, der Grenzfläche n,/n₂.

Die bisherigen Ausführungen geben Hinweise für den geometrischen Aufbau der Faserlichtleiter-Detektion. Von Bedeutung sind außerdem

- der Mechanismus der Lichteinkopplung über den Faser-Mantel

- die Übertragungseigenschaften für die in die Fasern eingekoppelte Lichtenergie.

Anisotrope Lichtleiter bestehen aus den beiden Komponenten Kern mit Brechungsindex n, und Mantel n~; die elektromagnetische Energie ist bei der Lichtübertragung vowiegend im Material mit dem höheren Brechungsindex n, lokalisiert

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•/Μ- 333551;

Die Ausbreitungsbedingungen ergeben sich nach den Gesetzen der geometrischen Optik (Snellius-Fresnel1 sehe Gesetze der Brechung und Reflexion /57 ) für die an der Grenzschicht zum optisch dünneren Medium auftretende Totalreflexion. Ohne auf die Theorie im einzelnen einzugehen, werden wichtige Folgerungen angegeben:

- Die Lichtübertragung beruht auf dem Prinzip der Totalreflexion in der optisch dünneren Schicht, n₂- Bei endlichem Lichtleiterdurchmesser ergeben sich in Abhängigkeit von der LichtwellenlängeA , der numerischen Apertur N.A. und dem Faserkernradius a diskrete Ausbreitungsbedingungen (Eigenmodes) in der Faser.

- Im Gegensatz zur Folgerung der geometrischen Optik tritt bei Totalreflexion Energie in das "verbotene", optisch dünnere Medium n₂ über /57. Der Wellenvektor k_Q verläuft dabei parallel zur Grenzschicht n.|/n₂ in n₂. Die Lichtleiterverluste des Faserkerns durch Strahlungsverluste an das umgebende Material werden von der Dicke S des Fasermantels (Tunnelregion) bestimmt. Im allgemeinen beträgt die Schichtdicke ca. 7-10 Lichtwellenlängen bei Multimodefasern für den Wellenlängenbereich λ — 0.5 μ (sichtbares Licht).

Eine entstehende schraubenförmige Lichtausbreitung ermöglicht eine Kopplung des externen Szintillatorlichts mit dem synchronen Oberflächenwellenfeld in der Tunnelregion des Materials n₂ ohne zusätzlichen optischen Koppler (z.B. Prisma). Die im Szintillator

LQ_n emittierten Lichtstrahlen breiten sich kegelförmig aus und berühren die Grenzfläche η,/Πρ tangential ("streifender" Lichteinfall). Bei Übereinstimmung der Synchronisationsbedingungen für

- Phasengeschwindigkeit

- Polarisationsrichtung

entsprechend der Wahl der Einfallswinkel T_v und Q^ im Bereich der Grenzschicht n./n« erfolgt die Anregung der v-ten elektromagnetischen Eigenschwingung im Faserkern über das zur Eigenschwingung gehörende Oberflächenwellenfeld durch Resonanz.

Die Lichteinkopplung durch Ausnutzung des geometrischen Effekts der gekrümmten optischen Grenzfläche hat in der Praxis folgende Vorteile:

- Zusätzliche Kopplersysteme wie sie zur Lichteinkopplung in dünne optische Filme Anwendung finden (Prismenkoppler) entfallen.

- Der Kopplungsmechanismus ist anisotrop bezüglich der Bevorzugung des Lichtwegs der Einkopplung. Dies hat zur Folge, daß die eingekoppelte Lichtenergie auch über längere Übertragungsstrecken in der Faser bleibt.

- Die gesamte Faserlänge steht als Einkoppelzone zur Verfügung. Von der eingekoppelten Lichtenergie gehen in Abhängigkeit von der Fasergüte ca. 10 %/m durch Auskopplungs- und Absorptionsverluste verloren.

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Zur überprüfung des Detektorkonzepts wurde ein Flächenelement des vorgesehenen Schleusendetektors gebaut und ist in Figur 2 im Schnitt dargestellt. Das quaderförmige Gehäuse 9 besteht aus einem Deckel- und Bodenteil 10, 11, die miteinander verschraubt sind und mittels einer umlaufenden Dichtung 12 eine Ausnehmung 13 zur Aufnahme des Grundkörpers 5 (s. Figur 1) zur Umgebung hin abdichten. Die Lichtleiterbündel 7 werden über die beiden, meist diagonal zueinander versetzt angeordneten Stutzen 14, 15 abgeführt und gehaltert.

Die sensitive Detektorfläche beträgt 900 cm . Verwendet wurde ein Einzelfaserdurchmesser von 1500 μ in einschichtiger Lage in einer ZnS(AG)-Borsäure-Matrix eingebettet. Die Verwendung des großen Faserquerschnittes ist vom optischen Gesichtspunkt her zwar ungünstig, ergibt jedoch verarbeitungstechnische Vorteile. Zur Erzielung eines ausreichenden Einkopplungswirkungsgrads bei den verwendeten dicken Fasern wurde die Fasermanteloberfläche (äußere Grenzfläche n_Q/n₂) aufgerauht. Die an der Oberfläche entstehenden Streuzentren wirken analog einem optischen Gitterkoppler, wie er in Verbindung mit ebenen Lichtleitern Anwendung findet. Durch die Streuung des senkrecht zur Grenzfläche n₁/n₂ einfallenden Szinti1latorlichts in zur Kopplung mit Oberflächenwellen synchronen Einfallsrichtungen wurde eine Erhöhung der eingekoppelten Lichtintensität auf das ca. 20-fache gegenüber glatter Faseroberfläche erzielt.

Die Messungen zur 7-Empfindlichkeit wurden unter folgenden Randbedingungen durchgeführt:

- Einstellen der optimalen Verstärkerparameter anhand

von in den Datenblättern [7] angegebenen Spezifikationen und durch Probieren. Die eingesetzte Verstärkerelektronik (Photomultiplier Phillips XP 2230) ist identisch mit der des IRT Flussigszinti1latorsystems zur Gammadetektion.

- Ermittlung der DiskriminatorschwelIe U_u und Fensterbreite Uw anhand des für verschiedene Γ-Energien gemessenen Signal/Rauschverhältnisses S /B. Der betrachtete Energiebereich erstreckt sich von Am-241 (E - 60 keV bei U_u- 0,1 V) über Ba-133 (E - 360 keV) zu Co-60 (E ^ 1170 keV).

Die Diskriminatoreinstellung wurde als Ergebnis der Messung zu U_u = 0,1 V und U_w = 3,0 V festgesetzt.

Das Signal/Rauschverhältnis bei unterschiedlicher Entfernung der Quellen zur Detektorplatte bezogen auf die Plattenmitte zeigt Figur 3, ebenfalls einge-

p ρ

zeichnet ist S /B = 5.650 entsprechend einer Nachweiswahrscheinlichkeit von 95 % bei einer Fehlalarmrate von 0.01 %. Die eingestellte 4 σ Alarmschwelle berücksichtigt Schwankungen der Stabilität der Elektronik. Die Nachweiswahrscheinlichkeit von 95 % entspricht einem Nettosignal S = G-B von 1,65 er über der Alarmschwelle.

Für das geforderte Signal/Rauschverhältnis gilt

S²/B = (5.65 ΥΤ)²/Β = 32

ρ unabhängig von der Absolutzählrate B. S /B ist ein

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von der Einstellung der Verstärkerparameter weitgehend unabhängiges Gütekriterium eines Detektors.

Die Meßergebnisse Figur 3 wurden für unterschiedliche Abstände ζ über der Plattenmitte (x, y) = (5,5) ermittelt.

Figur 4 zeigt für ζ = konstant die Abhängigkeit des

2
Singal/Rauschverhältnisses S /B für unterschiedliche Abstände zum Photomultiplier, die Position y = 1 bezeichnet den kleinsten Abstand von 30 cm, y = 9 eine Entfernung von ca. 60 cm.

Die Meßergebnisse bestätigen

- die Funktionsfähigkeit anisotroper Lichtleiter als Sammler- und Übertragungsmedium selbst bei Verwendung großer Lichtleiterquerschnitte.

Die zu erwartenden Unterschiede der Neutronen- und Gammazählrateneffizienz aufgrund der unterschiedlichen Signalstärken lassen die Folgerung zu, daß der ZnS(AG)-Borsäure-Detektor gleichzeitig zur Gammadetektion eingesetzt werden kann, wobei die Signaltrennung durch Setzen unterschiedlicher Energieschwellen erreicht wird.

[\] K.H. Sun, P.R. Malmberg, F.A. Pecjak Scintillation Counters Nucleonis (July 1956)

[ZJ W.S. Emmerich A Fast Neutron Szintillator Rev. Seien. Inst., Vol. 25, No. 1, Jan. 1954

[3J W.B. Allan

Fibre Optics, Theory and Practice Plenum Press, London, N.Y. 1973

Λ7 N.S. Kapany, J.J. Burke Fiber Optics IX. Waveguide Effects

J. Am. Opt. Soc. Vol. 51, No. 10, Oct. 1961

t5] W. Pohl

Optik und Atomphysik Springer 1928

/"67 M. Born
Optik
Springer, Berlin 1933

[1] W.S.C. Chang

Periodic Structures and their Application in Integrated Optics IEEE Trans, on Microwave Theory and Techniques, Dec. 1973, p. 775 ff

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Claims

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Kernforschungszentrum Karlsruhe, den 28.9.1983 Karlsruhe GmbH PLA 8345 Ga/wk

ANR: 1 002 597

Patentansprüche:

M .,Neutronen- und/oder Gammadetektionssystem mit einer großen Aufnahmefläche für die nachzuweisende Strahlung, die in Szintillationsmaterial Lichtquanten erzeugt, welche in Faserlichtleiter eingekoppelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserlichtleiter (6) über die gesamte Aufnahmefläche (2) ausgedehnt im Szintillationsmaterial (5) angeordnet sind, daß die Einkopplung des Lichtes

(4) über die gesamten Mantelflächen der Faserlichtleiter (6) erfolgt, und daß die Faserlichtleiter

(5) anisotrop aufgebaut sind.
2. Neutronen- und/oder Gammadetektionssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserlichtleiter (6) in einer oder mehreren Schichten, die parallel zur Aufnahmefläche (2) ausgerichtet sind, parallel zueinander im Szintillationsmaterial (5) eingebettet sind.
3. Neutronen- und/oder Gammadetektionssystem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskopplung (7) des Lichtes über die Stirnseiten der Faserlichtleiter (6) erfolgt.
4. Neutronen- und/oder Gammadetektionssystem nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserlichtleiter (6) zylindersymmetrisch aufgebaut sind, wobei der Brechungs· index (η.) der Faserlichtleiterkerne größer als der (n₂) sie umgebenden Mäntel ist.
5. Neutronen- und/oder Gammadetektionssystem nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Mäntel der Faserlichtleiter (6) aufgerauht ist.
6. Neutronen- und/oder Gammadetektionssystem nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmefläche (2) quadratisch oder rechteckig ausgebildet ist.