DE3707327A1 - Detektor fuer radioaktive strahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Detektor für radioaktive Strah­ lung, dessen Funktionsweise auf dem Prinzip des bekannten Pro­ portional-Zählrohres beruht.

Proportional-Zählrohre oder -Zählkammern oder die im mecha­ nischen Aufbau ähnlichen Geiger-Müller-Zählrohre sind in der Physik schon lange bekannt. Erst in letzter Zeit jedoch häufen sich die Bestrebungen, die ursprünglich für relativ starke Strahlung im Forschungsbereich verwendeten, meist stationären Vorrichtungen weiterzuentwicklen zu handlichen Geräten zur Er­ fassung vergleichsweise schwacher Strahlung. Recht spektakulär ist dies mit der Patentanmeldung EP 00 56 142 B1 offenbar gewor­ den. Das dazu erteilte Patent stellt den Stand der Technik dar für den Anwendungszweck, dem auch diese Erfindung dienen soll.

Durch aktuelle Ereignisse (Emission radioaktiver Substanzen in die Umwelt) ist ein Bedarf für solche Geräte entstanden, der mit marktüblichen Angeboten nicht gedeckt werden kann: bei ausreichender Qualität sind die heutigen Geräte um ein Vielfaches zu teuer; die preislich akzeptablen Geräte sind praktisch unbrauchbar.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Detektor für ra­ dioaktive Strahlung bereitzustellen, mit dem empfindliche, handliche und vor allem sehr preisgünstige Strahlenmeßgeräte mit guter Genauigkeit aufgebaut werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Es wird demzufolge erstmalig eine Konstruktion zum Aufbau einer Proportional-Flächen-Zählkammer verwendet, die mit den bekannten Verfahren zur Herstellung metallischer Massenartikel realisierbar ist. Diese Verfahren sind Stanzen, Tiefziehen, Löten, Schweißen. Dabei wird der besonders einfache und über­ sichtliche Aufbau keineswegs durch verminderte Empfindlichkeit oder Genauigkeit erkauft; die erfindungsgemäße Kammer ist be­ kannten Konstruktionen in der Annäherung an die physikalisch bedingte Grenze der Empfindlichkeit bei gleicher Baugröße sogar deutlich überlegen. Ein weiterer Vorteil ist die Ver­ wendbarkeit beliebiger Füllgase, was zur erheblichen Vermin­ derung der zum Betrieb erforderlichen Hochspannung genutzt werden kann.

Somit können unter Einsatz des erfindungsgemäßen Detektors Strahlenmeßgeräte aufgebaut werden, die bei hoher Empfindlich­ keit und Stabilität außergewöhnlich klein und handlich, robust und langlebig sind und dabei trotzdem besonders preiswert her­ gestellt werden können. So wurde auf der Basis des zuerst be­ schriebenen Ausführungsbeispiels dieser Erfindung ein Strah­ lenmeßgerät realisiert, dessen nachfolgend aufgeführte Daten eindrucksvoll den technischen Fortschritt belegen: Bei einer effektiven Fensterfläche von 22 cm², Kammerabmessun­ gen ca. 63 × 44 × 13 mm, enthält das Gerät in einem Gehäuse mit den Außenmaßen 110 × 65 × 33 mm die gesamte Elektronik ein­ schließlich Digitalzähler mit 4-stelliger Flüssigkristall- Ziffernanzeige und Schalter zur Auswahl mehrerer Meßzeiten. Die Empfindlichkeit für die γ-Strahlung des Nuklids ⁶⁰CO be­ trägt 60 Impulse/nSv, die Ansprechschwelle für β-Teilchen 115 keV (Massenbelegung des Eintrittsfensters 25 mg/cm²). Es kann mit Gewinn zu einem Preis verkauft werden, zu dem heute Primitivgeräte mit winzigen Geiger-Müller-Zählröhrchen angeboten werden, die nur etwa ein fünfzigstel der Empfind­ lichkeit des mit der Erfindung ausgestatteten Geräts aufweisen und somit für schwache Strahlung völlig ungeeignet sind.

Der Detektor selbst läßt sich in relativ wenigen Fertigungs­ schritten fast vollautomatisch produzieren, im Gegensatz zu bisherigen Detektoren, die viele manuelle, zum Teil lang­ wierige Herstellungsschritte beanspruchen.

Die folgende Beschreibung soll diese Aussagen am Beispiel einer in der Praxis erprobten Ausführung der Erfindung ver­ deutlichen:

Abb. 1 zeigt die wenigen Einzelteile, aus denen der erfin­ dungsgemäße Detektor zusammengesetzt werden kann.

Der Grundkörper (1), der bereits fünf von insgesamt sechs Kam­ mer-Begrenzungsflächen beinhaltet, wird mit Auflagerand (7) als Stanz- und Ziehteil in einem Arbeitsgang aus Tafelblech geformt. Nach Stanzen des Loches (2) wird er im Durchlaufver­ fahren vollständig verzinnt. Die ebenfalls verzinnte Strom­ durchführung (3) wird in Loch (2) eingelegt und im Durchlauf­ ofen mit Grundkörper (1) verlötet. Im selben Arbeitsgang wird auch der vorher innen auf die der Durchführung gegenüberlie­ gende Kammerseite gelegte isolierte Drahthalter (4) verlötet. Zwischen diesem und der Durchführung (3) wird im nächsten Schritt der Zähldraht (5) gespannt, indem er, unter mecha­ nischer Spannung stehend, durch Punktschweißen befestigt wird. Im letzten Arbeitsschritt wird nun in einer Atmosphäre aus dem Gas, mit dem der Detektor gefüllt werden soll, das am Rand vorverzinnte Eintrittsfenster-Blech (6) mit Grundkörper (1) bei kurzer lokaler Aufheizung verlötet.

Für das Eintrittsfenster sind Flächengrößen von ca. 1 bis 500 cm² möglich. Vorzugsweise werden Kammerlänge (Abmessung in Richtung des Zähldrahtes) und Kammerbreite (Abmessung senkrecht zum Zähldraht, parallel zu Eintrittsfenster) im Ver­ hältnis von ca. 1 : 3 bis 5 : 1 gewählt. Für die Kammerhöhe wählt man zweckmäßigerweise einen Wert im Bereich von etwa einem Zehntel bis zur Hälfte der Kammerbreite. Im Ausführungsbei­ spiel gemäß Abb. 1 beträgt die Kammerlänge 60 mm, die Kammer­ breite 40 mm, die Kammerhöhe 10 mm (alles Innenmaße).

Als Werkstoff für den Grundkörper (1), der an sich aus belie­ bigem Metall bestehen kann, findet hier Tiefziehblech aus wei­ chem Eisen oder Edelstahl von 0,5 mm Dicke Verwendung. Grund­ sätzlich ist eine Blechdicke im Bereich von ca. 0,2 bis 4,0 mm möglich und sinnvoll. Um bei geringer Blechdicke einen grö­ ßeren Fügequerschnitt zur Verbindung zwischen Grundkörper und Eintrittsfenster-Blech zu schaffen, tragen die Seitenwände des Grundkörpers einen etwa 1 . . . 3 mm breiten Auflagerand (7). Die gasdichte Stromdurchführung (3) ist ein fertig konfektio­ niert erhältliches Bauteil in Metall-Glas- oder Metall-Kera­ mik-Bauweise.

Der im Ausführungsbeispiel verwendete isolierende Drahthalter (4) besteht aus einem beidseitig metallisierten Isolierstoff­ plättchen von 0,3 bis 2,5 mm Dicke, z. B. aus doppelseitig kup­ ferkaschiertem Material für gedruckte Schaltungen oder aus Ke­ ramik mit eingebrannten oder aufgedampften Metallbelägen. Die Seite, auf der der Zähldraht (5) befestigt wird, muß dabei ei­ nen mindestens etwa 2 mm breiten, nicht metallisierten Rand ha­ ben als Isolationsweg für die Hochspannung, die der Draht ge­ gen den Grundkörper (1) führt. Die rückseitige Metallisierung wird verzinnt und dient dazu, daß dieses Bauteil an den Grund­ körper (1) angelötet werden kann. Eine Befestigung durch Kle­ ben wäre auch möglich, empfiehlt sich aber nicht, da der Grundkörper (1) in diesem Ausführungsbeispiel ohnehin ver­ zinnt ist und Kleber auf Zinn schlecht haften.

Der Zähldraht (5) besteht vorteilhaft aus Nickel; ebenso verwendbar sind aber auch Wolfram, Chromnickel, Platin, Eisen und viele andere Metalle und Legierungen, insbesondere wenn ihr Wärmeausdehnungskoeffizient dem des Grundkörpers (1) ange­ paßt ist. Dies ist der Fall, wenn die Ausdehnungskoeffizienten nicht mehr als etwa 10 × 10^-6 pro Kelvin voneinander abweichen. Diese Abweichung ist zulässig, sofern das Drahtmaterial sich um etwa 0,1% elastisch dehnen läßt, um bei Temperaturschwan­ kungen die unterschiedliche Längenänderung aushalten zu kön­ nen. Wie beschrieben, wird der Draht unter mechanischer Vor­ spannung festgeschweißt oder auch gelötet. Diese Vorspannung wird so gewählt, daß der Draht bei der höchsten, falls sein Ausdehnungskoeffizient größer ist als der des Grundkörpers, bzw. bei der niedrigsten, falls sein Ausdehnungskoeffizient kleiner ist als der des Grundkörpers, zu erwartenden Betriebs­ temperatur der Kammer noch nicht durchhängt. Bei nicht gerade gespanntem Draht ist zwar die grundsätzliche Funktion der Kam­ mer möglich, doch führt die dann gegebene Labilität der Draht­ position wegen der daraus resultierenden Änderung des elektri­ schen Feldes zu schwankender Empfindlichkeit und unstabiler Arbeitsweise.

Das Eintrittsfenster-Blech (6) ist ein ebenes Blech aus einer harten Aluminiumlegierung mit einer Dicke von 0,1 mm. Dies ist ein guter Kompromiß zwischen Durchlässigkeit für die zu mes­ sende Strahlung und mechanischer Festigkeit. Grundsätzlich sind Fenster aus allen Metallen und Metall-Legierungen ver­ wendbar, z. B. Reinaluminium-, Edelstahl-, Nickel-, Beryllium- oder Titanfolien mit Dicken im Bereich von 0,003 bis 0,4 mm. Günstig sind möglichst dünne, leichte, harte, reißfeste Foli­ en. Die Anwendung einer sogenannten Sandwichkonstruktion aus zwei sehr dünnen Folien und einer Zwischenlage aus leichtem, evtl. geschäumten Material erlaubt eine größere Fensterdicke bei kleiner Masse und führt zu einem gut durchlässigen, biege­ steifen Fenster. Indes, die Verbesserung gegenüber einem ein­ fachen harten Aluminiumblech ist nicht bedeutend und wiegt den Nachteil des großen Aufwandes bei der Herstellung nicht auf.

Die Verbindung des Eintrittsfenster-Blechs (6) mit dem Grundkörper (1), die absolut gasdicht sein muß, erfolgt vor­ zugsweise durch Löten. Gute Ergebnisse liefern auch die leider recht aufwendigen Verfahren Ultrapuls-Widerstandsschweißen oder Ultraschallschweißen, die auch bei Aluminium anzuwenden sind und insbesondere die thermische Belastung beim Fügen mi­ nimal halten. Um Aluminium bequem und sauber löten zu können, empfiehlt sich dessen vorherige Bedampfung mit einem Metall, das gut von Lötzinn benetzt wird, z. B. Kupfer oder Nickel.

Beim Vergleich mit anderen Ausführungen solcher Detektoren fällt auf, daß keine besonderen Vorrichtungen zum Führen, Hal­ ten oder Gespannt-Halten des Drahtes vorhanden sind. Dies ist tatsächlich nur dann ohne andere Nachteile möglich, wenn die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Draht und Grundkörper anein­ ander angepaßt sind, wie dies Anspruch 1 beschreibt. Dann kann die Eigenelastizität des Drahtes ausgenutzt werden, um ihn dauernd gespannt zu halten. Weichen die Ausdehnungskoeffizien­ ten zu stark voneinander ab, wird der Draht bei Temperatur­ schwankungen überdehnt und hängt anschließend schlaff durch. Diese Anpassung der Ausdehnungskoeffizienten ist kaum möglich, wenn der Grundkörper nicht aus Metall besteht. So müssen im Fall einer bekannten Ausführung aus Kunststoff-Teilen spezi­ elle Drahtlegierungen mit besonders hoher elastischer Dehnbar­ keit und niedrigem Elastizitätsmodul eingesetzt werden.

An der erfindungsgemäßen Konstruktion braucht nichts geklebt zu werden. Damit entfallen zeitraubende Vorbereitungs- und Aushärtevorgänge. Durch die hermetisch dichte Metallkonstruk­ tion werden ebenso Maßnahmen gegen schädliche Gase hinfällig, die z. B. durch Klebefugen oder Kunststoffteile hindurch ein­ diffundieren können.

Schließlich ist auch der Füllvorgang besonders einfach. Er ist Bestandteil des letzten Arbeitsganges, in dem das Ein­ trittsfenster-Blech (6) mit dem Grundkörper (1) zusammenge­ fügt wird, da dieser Fügevorgang in einer Atmosphäre aus dem Füllgas stattfindet. Dabei übernimmt das Füllgas gleichzeitig die Funktion eines Schutzgases beim Löt- bzw. Schweißvorgang, so daß kein Flußmittel benötigt wird. Dadurch werden einige Arbeitsgänge eingespart und eine Verunreinigung des Kammer- Innenraumes mit Flußmittelrückständen bzw. Zunder verhindert. Ein langwieriger Ausgasungs-, Spül- und Alterungsprozeß sonst vorhandener Kunststoffteile, wie in der Patentschrift EP 00 56 142 B1 angedeutet, ist völlig überflüssig.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist hingegen auch die dichtende Verbindung des Eintrittsfenster-Blechs (6) mit dem Grundkörper (1) durch Klebung mit Epoxidharz-, Acrylat- oder Polyimidklebern erprobt worden. Das Ergebnis bestätigt die theoretische Überlegung, daß bei genügend dünner Klebefuge (etwa bis 0,05 mm) der Einfluß des organischen Kleber-Werkstof­ fes bezüglich Gasdiffusion, Lösungsvermögen für Gase und Aus­ gasung vernachlässigbar klein bleibt. Die Anwendung eines mit anorganischen Füllstoffen gefüllten Klebers wirkt wie eine Verkleinerung der Klebefuge und macht die Klebung noch unkri­ tischer.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, den zur Verstärkung des Detektorsignals erforderlichen elektronischen Verstärker in den Detektorinnenraum mit einzubauen. Dort ist er perfekt von Störungen abgeschirmt, wie sie besonders in ei­ nem gedrängt aufgebauten Gerät leicht vom Hochspannungsgenera­ tor eingekoppelt werden können. Dabei ist weiterhin zweck­ mäßig, auch den Arbeitswiderstand des Detektors, über den die Hochspannung an den Zähldraht geführt wird, im Inneren des Detektors anzuordnen, so daß letztlich keine störempfindliche Leitung mehr außerhalb des Detektors verläuft.

Um die Ungleichmäßigkeit der Ansprechwahrscheinlichkeit des Detektors für γ-Quanten in Abhängigkeit von deren Energie zu beeinflussen, sieht eine weitere Ausgestaltung der Erfindung vor, die Gehäusewände des Detektors innen mit einer Beschich­ tung zu versehen. Zur Erhöhung der Ansprechwahrscheinlichkeit für γ-Quanten im Energiebereich von etwa 100 . . . 1000 keV sind Elemente mit hoher Kernladungszahl, z. B. Blei, als Beschich­ tung geeignet. Mit anderen Stoffen kann der Detektor für Strahlenarten sensibilisiert werden, auf die er sonst nicht oder kaum anspricht, z. B. mit Beryllium für Neutronenstrah­ lung. Obwohl das Eintrittsfenster möglichst dünn und masse­ arm sein sollte, kann es nützlich sein, auch dieses zu beschichten.

Claims (7)

1. Detektor für radioaktive Strahlung, bestehend aus einem Gehäuse, das einen flachen gasgefüllten Hohlraum umschließt, in dessen Innerem ein dünner, elektrisch leitfähiger Draht als Zählelektrode gespannt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse vollständig aus Me­ tall besteht und gasdicht geschlossen ist, wobei für alle Seiten und Bodenflächen vorzugsweise Schwermetalle oder Le­ gierungen aus Schwermetallen, für die Deckfläche, durch die die zu messende Strahlung eintreten soll (im folgenden Eintrittsfenster genannt), vorzugsweise Leichtmetalle, z. B. harte Aluminium-Legierungen, verwendet werden,
daß der Zähldraht aus einem Werkstoff besteht, dessen Wärme­ ausdehnungskoeffizient um nicht mehr als 10 × 10^-6 pro Kelvin von dem des Gehäuse-Grundmaterials abweicht und der sich bis zu einer Dehnung von 0,1% elastisch verhält und
daß der Zähldraht ohne Zwischenschaltung einer Vorrichtung, die ihn dauernd gespannt hält, mit seinen beiden Enden an den Innenleitern zweier gasdichter Durchführungen, die die elek­ trische Verbindung des Drahtes durch die Gehäusewände hin­ durch nach außen herstellen, dabei aber von den Gehäusewän­ den selbst isoliert sind, befestigt ist.

2. Detektor für radioaktive Strahlung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur eine gasdichte elektrische Durchführung verwendet wird, um den Zähldraht zu halten und elektrisch zu kontaktieren und das andere Ende des Zähldrah­ tes an einem anderen vom Gehäuse elektrisch isolierten Hal­ teteil befestigt ist.

3. Detektor für radioaktive Strahlung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäusewände aus beliebi­ gem Metall bestehen und ganz oder teilweise mit einer akti­ vierenden Beschichtung versehen sind, die eine hohe Wechsel­ wirkungswahrscheinlichkeit mit schwach- oder nichtionisieren­ der Strahlung besitzt.

4. Detektor für radioaktive Strahlung gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektronischer Signal­ verstärker zur Vorverstärkung der Detektorsignale im Metallge­ häuse des Detektors selbst untergebracht ist.

5. Detektor für radioaktive Strahlung gemäß Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehäuse-Grundkörper als Stanz- und Tiefziehteil ausgeführt ist.

6. Detektor für radioaktive Strahlung gemäß Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Eintrittsfenster durch Löten, Ultrapuls-Widerstandsschweißen oder Ultraschall­ schweißen mit dem Grundkörper hermetisch dicht verbunden wird.

7. Detektor für radioaktive Strahlung gemäß Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Eintrittsfenster durch Kleben mit dem Grundkörper verbunden wird, wobei die Klebefuge möglichst dünn gehalten wird und der Kleber vorzugs­ weise mit anorganischen Füllstoffen gefüllt ist.