DE3405508A1 - Ionisationskammerstrahlungsdetektor - Google Patents

Description

Ede Erfindung betrifft Ion^IetrSnTüngsdetektoren, bei denen aufgrund des Strahlungsfeldes der Umgebung ein elektrischer

. *3bmean."(7>ty — octfe/¹ / Strom erzeugt wird. DerartlgeVIonenkammern basieren auf der Wechselwirkung einer einfallenden Strahlung mit dem Füllgas innerhalb der Kammer, um so einen elektrischen Strom durch das Gas zwischen an einer elektrischen Spannung liegenden Elektroden zu erzeugen. Der erzeugte elektrische Strom ist eine Funktion der auf die Kammer auftreffenden Strahlung, lonenkamiaern werden in großem Umfang als Strahlungsüber— wachungeeinrichtungen verwendet, beispielsweise im Bereich der Umfassung von Nuklearreaktoren.

Bei derartigen Detektoren ist es wünschenswert, eine Antwort in Ampere pro Röntgen pro Stunde zu haben, welche Anzeige unabhängig ist von der Energie der auf die Kammer auftreffenden Gammastrahlen. Kenn dies zutrifft, zeigt die Kammer in korrekter Weise die mit dem Gammastrahlungsfeld verbundene Gesundheitsgefahr an, unabhängig vom Energiespektrum des Feldes. Dies wird am einfachsten dadurch erreicht, daß Strahlunqsüberwachungskanunern verwendet werden, die aqui—

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valent sind zu Luft oder Gewebe, wobei diese Kammern aus organischen Materialien mit niedrigem Atomgewicht konstruiert werden, um so entweder Luft oder Körpergewebe zu simulieren.

Bei Ionenkammern, die für Kernreaktorumgebungen nach einem Unfall konstruiert sind, muß die Ionenkammer in der Lage sein, intensiver Bestrahlung, hohem Druck, hoher Temperatur und sogar korrosiven chemischen Reaktionsmitteln zu widerstehen. Diese besonderen Bedingungen verändern die Anwendung von organischen Materialien bei der Konstruktion der Detektoren und erfordern die Verwendung von gegen hohe Temperaturen widerstandsfähigen metallischen Gliedern. Jedoch zeigen Metallwandionenkammern nicht die gleiche energieunabhängige Antwort, die mit Luft- oder Gewebe-Äquivalentdetektoren erreicht wird. Bei metallwandigen Ionenkammern gemäß dem Stand der Technik wurden jedoch Konstruktionen gefunden, die das Erfordernis der Energieunabhängigkeit dann erfüllen, wenn das Füllgas annähernd auf atmosphärischem Druck gehalten wurde. Derartige Ionenkammerkonstruktionen mit niedrigem Fülldruck leiden jedoch unter verminderter Empfindlichkeit. Das am häufigsten verwendete Füllgas bei derartigen Ionenkammern ist Stickstoff. Die empfindlicheren Metallwandionenkammern mit hohem Fülldruck gemäß dem Stand der Technik verwenden typischerweise Stickstoff gas mit einem Fülldruck bis zu etwa 10 bar. Metallwandionenkammern mit derartig hohem Druck und hoher Empfindlichkeit zeigen jedoch nicht die entsprechende flache Energieantwortkennlinie. Kürzlich erlassene Bestimmungen für derartige Unfallüberwachungsxonenkammern erfordern jedoch eine Energieken'nlinie, die innerhalb von 20 % des Mittelwertes eben bleibt. Die Ionenkammer mit unter hohem Druck stehenden Stickstoffüllgas erfüllt dieses Kriterium nicht, weil die Antwort bei niedrigen Gammmastrahlungsenergien erheblich abfällt.

Es ist allgemein anerkannt, daß für viele Ionenkammerkonstruktionen, die eine Gasfüllung mit einem Gas niedrigem Atomgewichts, wie Stickstoff, aufweisen, sich bei niedrigen Energien des Gammastrahlungsfeldes eine verringerte Antwortkennlinie ergibt. Dies gilt insbesondere dann, wenn dicke Metallwandelektrodenstrukturen verwendet werden. Es ist auch bekannt; daß für Ionenkammern mit Füllgasen hoher Atomzahl, wie beispielsweise Xenon, bei niedrigen Gammastrahlungsenergien die Antwort deutlich ansteigt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ionenkammerstrahlungsdetektor zu schaffen, der in einem weiten Bereich eintreffender Gammastrahlungsenergiepegel eine flache Kennlinie aufweist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst, also durch einen Ionenkammerstrahlungsdetektor, der eine hermetisch abgedichtete Kammer umfaßt, innerhalb der zumindest ein Paar von im Abstand zueinander angeordneter Elektroden angeordnet sind, die durch die Kammerwand hermetisch abgedichtet hindurchgeführte elektrische Zuführungen besitzen, um so eine elektrische Verbindung zu einer vorbestimmten Betriebspotential^uelle sowie zu Meßeinrichtungen für Strom herstellen zu können, welcher Strom eine Funktion des eintreffenden Gammastrahlungsfeldes ist, wobei die hermetisch abgedichtete Kammer mit einem ausgewählten, mit Gammastrahlung in Wechselwirkung tretendem Füllgas eines ausgewählten hohen Druckes gefüllt ist, um so eine hohe Empfindlichkeit zu erreichen, wobei das Füllgas eine Mischung aus einem einen Hauptbestandteil darstellenden Gas mit niedriger Atomzahl, welches Gas eine reduzierte Gammaantwort bei niedrigen Gammastrahlungsenergien besitzt, und einem zweiten, einen geringeren Bestandteil ausmachenden Gas ist, das eine hohe Atomzahl besitzt und eine erhöhte Gammaantwort bei niedrigen Gammaenergiepegeln zeigt.

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Das Gas niedriger Atomzahl ist Stickstoff, Neon, Argon, Helium oder Mischungen dieser Gase. Das Gas hoher Atomzahl ist Xenon und/oder Krypton. Das Gas niedriger Atomzahl ist vorzugsweise Stickstoff, und das Gas hoher Atomzahl ist vorzugsweise Xenon. Die Füllgasmischung ist in der Ionenkammer mit einem Druck von etwa 10 bar vorhanden und das vorzugsweise Volumenverhältnis von Stickstoff zu Xenon beträgt etwa 97,75 : 2,25. Die Empfindlichkeit der Gammaantwort innerhalb eines Bereichs von +20 % wird über einen Bereich eintreffender Gammastrahlungsenergie von etwa 0,1 MeV bis 3 MeV erreicht. Die Volumenprozentzahl des in geringerer Menge vorhandenen Bestandteils beträgt bequemerweise bis zu etwa 15 Vol.% des gesamten Füllgasvolumens, um die gewünschte flache Antwort zu erreichen.

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

Es zeigt:

Fig. 1 in einer Seitenschnittansicht eine Ionenkammer; und

Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie II-II der Figur 1.

In den Fig. 1 und 2 ist eine Ionenkammer 10 dargestellt, bestehend aus einer hermetisch abgedichteten, im wesentlichen· zylindrischen äußeren Elektrode 12. Eine konzentrisch verlaufende erste rohrförmige Elektrode 14 ist innerhalb des von der äußeren Elektrode 12 definierten Volumens im Abstand von dieser angeordnet. Eine zweite rohrförmige innere Elektrode 16 ist konzentrisch innerhalb der ersten Elektrode im Abstand dazu angeordnet. Geeignete isolierende und hermetisch abdichtende Enddichtungen 20 und 22 sind an gegenüberliegenden Enden der im wesentlichen rohrförmigen Elek-

trodenstrukturen vorgesehen. Die entsprechenden Volumen zwischen den Elektrodengliedern 12 und 14 und zwischen den Elektroden 14 und 16 werden nach vorheriger Evakuierung mit einer Mischung aus Stickstoff und Xenon eines Druckes von etwa 10 bar gefüllt. Das Volumenverhältnis von Stickstoff zu Xenon ist vorzugsweise etwa 97,75 % Stickstoff zu 2,25 % Xenon.

Eine erste gasgefüllte Kammer 18 ist zwischen den Elektroden 12 und 14 definiert, während eine zweite gasgefüllte Kammer 24 zwischen den Elektroden 14 und 16 definiert ist.

Die erste rohrförmige Elektrode 14 ist mit einer hohen Spannung vorgespannt, typischerweise mit einer Spannung von 1000 V mit Bezug zu der äußeren Elektrode 12 und der zweiten inneren Elektrode 16, welche Elektroden typischerweise auf Erdpotential liegen, um so zwei getrennte Stromsammeizonen zu bilden, wobei der Gesamtstrom oder die Antwort von diesen zwei Kammern 18 und 24 summiert wird.

Tabelle I unten enthält die errechneten Antworteigenschaften der hier in Rede stehenden Ionenkammer über einen Gammaenergiespektralbereich von 0,088 MeV bis 3 MeV und über einen Xenonfullgasprozentanteil von etwa 1,5 Vol% bis 6 Vol%, wobei Stickstoff den Rest des Füllgases ausmacht, bei einem Gesamtdruck von 10 bar. Die errechnete Mischung, die die flachste Empfindlichkeitsantwort zeigt, welche weit innerhalb des 20 % Bereiches liegt, der gemäß den jüngsten Bestimmungen erforderlich ist, wird am besten bei einem Xenonpegel von 2,25 Vol% erreicht. Die erste Spalte der Tabelle I listet eine berechnete Antwort für die gleiche Kammerkonstruktion auf, bei einer Stickstoffgasfüllung von 10 bar, wobei die Empfindlichkeit sich über den Bereich eintreffender Gammastrahlungsenergien stark verändert.

Tabelle I

Gamma-Strahl-

Energie	10 Bar	+	N	1,5 %	Xe	+	0,08	Empfindlichkeit (10	ο/ /ο	Xe	3,0 %	A/R/h)	0,10	6,0 5	ί Xe	0,13
(MeV)	0,65		0,03	1.38	+.	0,09	2,25	±_	0,09	1,74	Xe	0,10	2,75	±	0,14
0,088	0,93		0,03	1,62	±_	0,11	1,65	±	0,10	1,9.2	±.	0., 12	3,29	±	0,15
0,1	1,20	±	0,04	1,60	+_	0,13	1,87		0,4-3	1,91		0,13	2,66	±	0,16
0,15	1,40		0,05	1,69	±	0,11	1,73	±	0,13	1,76	±	0,11	2,15	+	0,13
ο,25	1,33	±_	0,05	1,57	±	0,12	1, 77	_±	0,11	1,76	±	0,13	1,86		0,13
0,35	1,51	±	0,05	1,63	±	0,10	1,70	±_	0,13	1,84	±	0,12	1,86	±	0,12
0,5	1,66	±	0,06	1,82	±	0,14	1,78	±_	0,10	2,07	±	0,14	2,20	±	0,16
1,2	1,66		0,07	1,93	1,85	+	0,14	2,08	±		2,38	±
3,0			1,97

Die rohrförmige äußere Elektrode 12 kann als Ionenkammerkolben dienen und eine relativ dickwandige Kammer aus rostfreiem Stahl sein, die widerstandsfähig ist gegen hohe Temperaturen und hohem Druck. Die rohrförmigen inneren Elektroden 14 und 16, die durch die äußere Elektrode oder den Kolben vor der Umgebung geschützt sind, sind typischerweise dünnwandigere Aluminiumglieder.

Die entsprechenden Elektroden 12, 14 und 16 sind so ausgeführt, daß sie extern an eine hochempfindliche Strommeßeinrichtung angeschlossen werden können, die eine Empfind lichkeit im Bereich von etwa 10-10 Ampere pro Röntgen pro Stunde besitzt.

Die berechnete Empfindlichkeit für die erfindungsgemäßen Ionenkammern bei den Vol%-Anteilen von Xenon im Bereich 1,5 % Xenon bis 6 % Xenon sind in Tabelle I über einen Bereich von eintreffenden Gammastrahlungsenergien von 0,088 bis 3 MeV dargestellt.

Die besonderen Einzelheiten der Ionenkammerstruktur können geändert werden. Somit, alles was erforderlich ist, ist eine einzelne Meßkammer zwischen dem Paar von im Abstand angeordneten Elektroden. Die Elektrodenmaterialien können variiert werden. Die hier gegebene Lehre ist die, daß eine flache Antwort auf eintreffende Gammastrahlungsenergie über einen weiten Bereich von Gammastrahlungsenergie erreicht werden kann durch eine Füllgasmischung, die aus einem ersten Hauptbestandteil mit niedriger Atomzahl, wie beispielsweise Stickstoff, besteht, welcher eine verringerte Gammaantwort bei niedriger Gammastrahlungsenergie besitzt. Andere Gase mit niedriger Atomzahl, die anstelle von Stickstoff insgesamt oder teilweise verwendet werden können, sind Neon, Argon und Helium. Der zweite in geringerem Ausmaß vorhandene Gasbestandteil hoher Atomzahl kann Xenon und/oder Krypton sein, wobei beide eine erhöhte Antwort gegenüber niedrigen

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Gammastrahlungsenergien zeigen. Das Gas hoher Atomzahl kann in Mengen bis zu etwa 15 Vol% der Gesamtmenge vorhanden sein. Für Mischungen mit höheren Vol%-Anteilen des Gases hoher Atomzahl hat die Gammaantwort dieses Gases hoher Atomzahl den größeren Effekt und die gewünschte flache Antwort würde nicht erhalten werden. Das Verhältnis des Gases hoher Atomzahl zu dem Gas mit niedriger Atomzahl, das die flachste Antwort erzeugt, hängt von der besonderen Struktur sowie auch von dem Füllgasdruck der Ionenkammerkonstruktion ab.

ES/wo 4

Claims (8)

Patentansprüche :

1. _f IonV känmieratrahlungsdetektor mit möglichst flacher Antwort in einem weiten Bereich von eintreffender Gamniaenergiepegel, mit einer hermetisch abgedichteten Kammer, innerhalb der zumindest ein Paar von im Abstand angeordneten Elektroden angeordnet ist, die hermetisch abgedichtete elektrische Zuführungsleitungen durch die Kammerwand aufweisen, um eine elektrische Verbindung mit einer vorbestimmten Betriebspotentialquelle und mit einer Meßeinrichtung für Strom zu ermöglichen, der eine Funktion des eintreffenden Gammastrahlungsfeldes ist, wobei die hermetisch abgedichtete Kammer mit einem ausgewählten, mit der Gammastrahlung in Wechselwirkung tretendes Füllgas vorbestimmten hohen Druckes gefüllt ist, um so eine hohe Empfindlichkeit zu liefern, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllgas eine Mischung eines ersten, den Hauptbestandteil darstellenden Gases mit niedriger Atosizahl, welches Gas eine bei niedrigen Gammaenergiepegeln reduzierte Garamaantwort zeigt, und eines zweiten, einen geringeren Bestandteil ausmachen—

den Gases hoher Atomzahl ist, welches Gas eine erhöhte .Gammaantwort bei niedrigen Gammaenergiepegeln zeigt.

2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas niedriger Atomzahl Stickstoff, Neon, Argon, Helium oder Mischungen davon ist, und daß das Gas hoher Atomzahl Xenon und/oder Krypton ist.

3. Detektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vol%-Anteil des Gases hoher Atomzahl bis zu etwa 15 Vol% des gesamten Füllgases ausmacht.

4. Detektor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas niedriger Atomzahl Stickstoff und das Gas hoher Atomzahl Xenon ist.

5. Detektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumenverhältnis von Stickstoff zu Xenon etwa 97,75 : 2,25 beträgt.

6. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllgasmischung innerhalb der Ionenkammer mit einem Druck von etwa 10 bar vorhanden ist.

7. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenkammer aus einer Vielzahl von konzentrisch angeordneten Elektroden besteht, die mehrere konzentrische gammaempfindliche Volumina definieren.

8. Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfindlichkeit der Gammaantwort innerhalb eines Bereichs von +20 % über einen Bereich von eintreffender Gammastrahlungsenergie von etwa 0,1 MeV bis 3 MeV liegt.