DE3905212A1 - Mobile messeinrichtung fuer ladungsanomalien der bodennahen luft zur lagerstaettenprospektion - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine mobile Meßeinrichtung für Ladungs­ anomalien der bodennahen Luft zur Lagerstättenprospektion.

Uran- und thoriumhaltige Lagerstätten emitieren die radio­ aktiven Edelgase, Radon Rn 222 (Hwz 3,8 Tage) und Thoron Rn 220 (Hwz 51,5 sec.). Die Emission dieser Edelgase ist je­ doch häufig auch in tektonisch stark beanspruchten Zonen, Quellhorizonten, Erdspalten und Bergwerkschächten zu beobach­ ten. Diese Edelgase haben eine gute Wasserlöslichkeit und hier kann insbesondere das langlebige Rn 222 über größere Strecken transportiert werden. Es handelt sich bei diesen Edel­ gasen um radioaktive Alphastrahler mit Energien zwischen 5 und 10 Mev die eine beachtliche Ionisationsdichte in Luft erreichen. Ein 5,5 Mev Alphastrahler erzeugt etwa 155 000 Ionenpaare.

Ist während des Ionisationsvorganges eine künstliche oder natürliche Verwirbelung der Luft vorhanden, kommt es zu einer wesentlichen Einschränkung der Rekombinationsmöglichkeit in­ folge des Vermischungseffektes. Die Ladungen werden langle­ big und können über größere Entfernungen im natürlichen Be­ reich, aber auch in geeigneten Rohrleitungssystemen transpor­ tiert werden. Je nach Luftbewegung und Geländebedingungen kommt es zu beachtlichen Anreicherungen von Ionen in Luft. Von Interesse dabei ist, daß sich der in der Luft enthaltene Wasserdampfanteil wie ein ionisierbares Gas verhält, jedoch die Besonderheit hat, daß er in der Kondensierungsphase Ladungen akkumulieren kann. Welche Ladungspolarität überwiegend vorhanden ist, hängt von rein zufällig vorhandenen elektrischen oder ma­ gnetischen Feldern ab. Die indirekte Prospektion nach Lagerstät­ ten und Wasser in Trockengebieten ist eine interessante Ergän­ zung zu den bekannten Verfahren. Die Ortungstechnik hat ihre Ana­ logie in der weiträumigen Erfassung eines Geruchsbelästigung mit all seinen Konsequenzen bezüglich Windrichtung, Windgeschwin­ digkeit, Turbulenzen und Ausbreitungsverhalten.

Bemerkt sei noch, daß dieses Verfahren auch zum indirekten Nach­ weis und zur Ortung künstlicher Alphastrahler geeignet ist.

Die Erfindung betrifft ein einfaches, leichtes Handgerät zum hochempfindlichen Nachweis positiv und negativ geladener Ionen in Gasen, vorzugsweise in Luft. Bekannt sind Detektorkammern mit Elektronik zum Nachweis von Ionen bei denen ein kontinuier­ licher Stromzufluß entsprechend der Ionisation über einen Ableit- oder Vorwiderstand fließt. Fundstelle (1, 2).

Bekannt sind langsame Impulsionisationskammern zum direkten Nachweis von Alphastrahlern für spektrometrische Auswertung, Fundstelle (3).

Bekannt sind auch Ionisationskammern aus dem Bereich der Dosi­ metrie bei denen die Entladung einer Kondensatorkammer als Maß für die Ionisation verwendet wird. Fundstelle (4).

Fundstellen

1. H.W. Fulbright: Ionization Chambers in Nuclear Physics; Handbuch d. Physik, Bd. XLV, Springer-Verlag (1958).

2. DE 32 42 376 A1, 16. 11. 82. Einen großen Bereich aufweisen­ der Konzentrationsdetektor für radioaktives Gas.

3. Eine langsame Impuls-Ionisationskammer zur kontinuierli­ chen Messung von Radon in Luft. Diplomarbeit von Karlheinz Fischer, Institut für Umweltphysik, Universität Heidelberg 1976.

4. DE 28 54 927 A1, 20. 12. 78. Ionisationskammer-Dosimeter und Auswertegerät für radioaktive Strahlung.

Ionisationskammern mit kontinuierlichem Stromfluß sind we­ gen ihrer geringen Nachweisempfindlichkeit etwa um den Fak­ tor 100 zu unempfindlich. Fundstelle (1, 2).

Langsame Impulsionisationskammern sind nur zur direkten Mes­ sung von Alphastrahlern in Luft geeignet und zudem wegen ih­ rer hohen Microphonieempfindlichkeit im Gelände nicht verwend­ bar. Fundstelle (3).

Die aus der Dosimetrie bekannten Verfahren, Nachladung eines durch Ionisation entladenen Kondensators, sind für den Durch­ flußbetrieb unter rauhen Umweltbedingungen (hohe Luftfeuchtig­ keit) aufgrund des Isolatoraufbaues ungeeignet. Fundstelle (4). Ein konstanter Isolator und Isolatoroberflächenwiderstand ist jedoch wesentlich für eine hohe und interpretierbare Nachweis­ empfindlichkeit. Bei konstanter Ionenbeladung des Luftstromes hängt die Nachweisempfindlichkeit von der Menge der durchge­ saugten Luft und bei Betrieb der Elektronik mit einem span­ nungsempfindlichen Verstärker von der Kapazität (C) der Detek­ torkammer ab. Vorteilhaft werden deshalb Detektoren mit einer kleinen Kammerkapazität von ca. 5-10 pF verwendet. Bei optimaler Wahl der Arbeitswiderstandes (9) und der Kammerkapazität (C) lassen sich in der Luft ca. 150 000 Ionen ausgelöst durch einen einzelnen radioaktiven Alphazerfall mit einer Energie von ca. 5,5 Mev nachweisen. Wesentlicher Teil der Erfindung ist die der Detek­ torkammer vorgeschaltete Steuerelektrode zum Einstellen des Meß­ bereiches. Die bei der Prospektion auftretenden Pegelschwan­ kungen können über mehrere Dekaden gehen, so daß eine einfache Reguliermöglichkeit ohne Änderung der Meßzeitvorwahl für den Pegelvergleich notwendig ist.

Fig. 1 zeigt Schema und Ausführung eines Mustergerätes, tragbar, für Einhandbetrieb, Gewicht ca. 1,5 kg, Dauerbetriebszeit minde­ stens 10 Stunden, Gasdurchsatz ca. 200 Liter p. M., Meßzeitvor­ wahl 1-1000 Sekunden, Stromversorgung durch handelsüblichen Akkumulator 12 Volt 1 Ah.

Funktionsbeschreibung

Das Gebläse (3) saugt den Luftstrom durch das aufsteckbare Ver­ längerungsrohr (22), die Steuerelektrode (6), durch die Detek­ torkammer (2) mit isolierter Elektrode (1). Das Verlängerungs­ rohr mit Ansaugtrichter wird dann verwendet, wenn bodennahe Luft gemessen werden soll. Die Elektrode (1) wird durch Betä­ tigung des Relais (7), den Kontakt (8) über den Arbeitswider­ stand (9) auf die Spannung plus oder minus (U) je nach zu mes­ sender Ionenpolarität aufgeladen. Die Elektrode (1) und die De­ tektorkammer (2) bilden den Kondensator (C). Die im Gasstrom enthaltenen Ionen entladen während der vorgewählten Meßzeit den Kondensator (C). Nach Ablauf der vorgewählten Meßzeit wird der Kontakt (8) durch das Relais (7) kurzzeitig geschlossen.

Der beim Nachladevorgang entstehende Impuls hat bedingt durch den Kondensator (C) und den Arbeitswiderstand (9) eine zeitli­ che Dauer von einigen Mikrosekunden und ist proportional der dem Kondenstor (C) entnommenen Ladung. Dieser Impuls wird über den Koppelkondensator (10), einem ladungs- oder spannungsemp­ findlichen Impulsverstärker (11) mit Polaritätswählschalter (18) zugeführt. Ein Spitzenspannungsdetektor (12) verlängert diesen Impuls und die nachgeschaltete Sample- und Holdschaltung mit O-Stelleinrichtung sorgt dafür, daß über die gesamte Meßzeit der jeweils vorhergehende Meßwert angezeigt wird. Die O-Stel­ lung erfolgt zwangsweise bei jedem Meßvorgang vor Betätigung des Relais (7). Die Sample- und Holdschaltung (13) steuert die Treiberstufe (14), das analoge oder digitale Anzeigeinstrument (20), den Ausgang für externe Registriergeräte sowie die Grenz­ wertschalter (23) mit optischer und akustischer Anzeige an. Der einstellbare Zeitgeber (15) steuert den Impulsformer (16) an, der Impulsformer (16) differenziert den vom Zeitgenerator (15) kommenden Impuls, teilt ihn über eine Diodenweiche in den Rückstell- und Relaissteuerimpuls auf und formt den Relais­ steuerimpuls so, daß zum einen der Schaltkontakt (8) prellfrei schaltet und zum anderen kein Übersprechen von steilen Impuls­ flanken über den kritischen Bereich, Relais (7), Schaltkon­ takt (8) und Verstärkereingang (11) erfolgt. Der Linearver­ stärker (17) funktioniert als Treiber.

Die sehr aufwendige Isolatortechnik (4) mit Potentialring (5), Isolatorheizung (19) oder (21) ist erforderlich, um auch bei sehr rauhen Umweltbedingungen, großer Luftfeuchtigkeit, richti­ ge Meßwerte zu bekommen. Die elektrische Heizung ist in den meisten Fällen völlig ausreichend, nur bei Betrieb in Fahr­ zeugen wo es zu großen Turbulenzen in der Detektorkammer kom­ men kann, ist die Isolatorheizung durch ionenfreies Fremd­ gas (21) zu verwenden.

Der Ionendetektor wird im Niederspannungsbereich betrieben. Die Spannung (U) liegt je nach Detektorkammerausführung und Steuer­ elektrode zwischen 30 und 50 Volt und ist am Arbeitswiderstand (9), Potentialring (5) und Spannungsteiler (24) für Steuerelek­ trode (6) angeschlossen. Die maximale Impulshöhe des Nachlade­ impulses liegt für Vollausschlag bei ca. 1 Volt. Damit ist si­ chergestellt, daß auf der kritischen Isolationsstrecke zwischen Potentialring (5) und Elektrode (1) im interessierenden Meßbereich keine höhere Spannung als 1 Volt liegt. Der Isolator ist aus hochohmigem Quarzglas und hat über weite Bereiche einen tempera­ turunabhängigen Eigenwiderstand im Bereich von 10¹⁹ Ohm. Die Beschichtung der Oberfläche mit einer dünnen Parafinschicht be­ wirkt eine wesentliche Verbesserung und Stabilisierung des Ober­ flächenwiderstandes bei großer Luftfeuchtigkeit. Isolator und Isolatorheizung sind in einer eigenen Kammer untergebracht um den Gasaustausch zwischen Detektorkammer und Isolatorkammer klein zu halten. Das Schaltrelais (7), Schaltkontakt (8) und Potentialring (5) sind mit dem Oberteil des Isolators (4) in einem gemeinsamen gasdichten Gehäuse untergebracht. Der Iso­ lationsaufbau für den Schaltkontakt (8) in Verbindung mit dem Schaltrelais (7) und Potentialring (5) ist in der gleichen Weise Quarzglas mit Parafinbeschichtung aufgebaut. Eine zu­ sätzliche Isolatorheizung ist hier nicht notwendig, da in dem gasdichten Gehäuse eine Trockenpatrone enthalten ist. Am Span­ nungsteiler (24) kann in Verbindung mit der Steuerelektrode (6) der Meßbereich über mehrere Dekaden gewählt werden. Liegt die maximale Spannung am Widerstand (24) an wirkt die Steuer­ elektrode (6) als Ionenfalle. Das ist von Bedeutung, wenn ra­ dioaktive Edelgase wie Radon oder Thoron nachgewiesen werden sollen.

Während die freien Ionen im Gasstrom durch die Ionenfalle (6) neutralisiert sind, entstehen in der Detektorkammer durch die radioaktiven Edelgase neuerdings Ionen die gemessen werden.

Claims (4)

1. Mobile Meßeinrichtung für Ladungsanomalien der bodennahen Luft zur Lagerstättenprospektion, gekennzeichnet durch einen Ionendetektor, bestehend aus einer Detektorkammer (2), iso­ lierter Elektrode (1), Steuerelektrode (6), Gebläse (3), Relais (7) und Kontakt (8).

2. Mobile Meßeinrichtung für Ladungsanomalien der bodennahen Luft nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Ver­ wendung eines besonders hochohmigen, oberflächenstabilisierten Isolators (4) mit Potentialring (5), Oberflächenheizung elektrisch oder durch ionenfreie Fremdgaszuführung (19, 21) in Quarzglastech­ nik mit Parafinbeschichtung.

3. Mobile Meßeinrichtung für Ladungsanomalien der bodennahen Luft nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung eines mechanischen Schaltrelais (7) mit Potential­ ring (5), Schaltkontakt (8) und besonders hochohmigen, oberflä­ chenstabilisierten Isolator in Quarzglastechnik mit Parafinbe­ schichtung.

4. Mobile Meßeinrichtung für Ladungsanomalien der bodennahen Luft zum Anschluß des Ionendetektors nach Anspruch 1, gekenn­ zeichnet durch eine Elektronik, bestehend aus ei­ nem spannungs- oder ladungsempfindlichen Impulsverstärker (11), einer Umschalteinrichtung (18) für die Polarität der Ionen und der Detektorspannung (U), einem Spitzenspannungsdetektor (12), einer Sample- und Holdschaltung (13) mit O-Stellung des Meß­ wertes bei jedem neuen Meßzyklus, mit analoger oder digitaler Anzeige des Meßwertes (20), mit Anschluß für externe Regi­ striergeräte sowie optischer und akustischer Alarmschwelle (23) bei Meßwertüberschreitung, mit Zeitgeber (15) zur Meßzeitvor­ wahl, Impulsformer (16) und Relaistreiber (17).