DE4240535A1 - Verfahren und Vorrichtung zum schnellen Nachweis von sich relativ zum Empfänger bewegten Radionucliden mit mindestens einer Gamma-Linie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schnellbestimmung von Radionucliden mit mindestens einer Gamma-Linie in bewegten Transportcontainern.

Angesichts ansteigendem illegalem Transport von radioaktivem Material gewinnt die schnelle Entscheidung über das Vorhandensein von Radionucliden in Gepäckstücken oder anderen Transportcontainern zunehmend an Bedeutung. Üblicherweise steht für eine solche Bestimmung relativ wenig Zeit zur Verfügung, wenn an Sicherheitschecks auf internationen Flughäfen bzw. anderen Kontrollen im grenzüberschreitenden Verkehr gedacht werden sollte. Weitere Anwendungen des Verfahrens und der Vorrichtung zur Detektion von Radionucliden wären z. B. die Kontrolle von Mülltransporten, die Detektion von kerngetriebenen U-Booten, die Feststellung, ob Nuclearmunition transportiert wird aber auch als Schnellwarnsystem für KKW-Zwischenfälle.

Das Verfahren und die Vorrichtung müssen demzufolge eine Ja/Nein-Entscheidung mit hoher statistischer Sicherheit in Sekunden ermöglichen. Für die Identifizierung, d. h. die Bestimmung des Radionuclides, steht dann mehr Zeit zur Verfügung.

Üblich werden Proportionalzählrohre, Halbleiterdetektoren oder Szintillationssonden eingesetzt. Die Sonden müssen bereits im natürlichen Strahlhintergrund (etwa 130 nSv/h) eine hinreichend kleine statistische Streubreite aufweisen, um auch geringfügige Fluktuationen der Ortsdosisleistung signifikant nachweisen zu können. Für eine Genauigkeit von 1% müßten 10 000 Impulse gemessen werden. Die derzeit empfindlichsten Proportionalzählrohre bringen bei obengenannten Strahlenhintergrund 10 I/s. Für die geforderte Genauigkeit wäre eine Meßzeit von 1000 s oder ca. 17 Minuten erforderlich. Dieser Wert ist unakzeptabel.

Beim Einsatz eines NaJ(Tl)-Szintillators mit einem Durchmesser von 150 mm und einer Höhe von 150 mm konnten 2000 I/s erreicht werden. Die damit notwendige Meßzeit von 5 s ist bereits in einer akzeptablen Größenordnung. Da die einzelnen Radionuclide jeweils nur in bestimmten Energiebereichen Gamma-Quanten aussenden, wird zur Verbesserung des Signal- Untergrundverhältnisses eine Zerlegung des Energiebereiches in z. B. 16 Kanäle vorgenommen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in Anlage 1 dargestellt. Ein integrierter Temperatursensor ermöglicht Driften, bei denen ein Temperaturgradient im Detektor praktisch unvermeidbar ist, über eine programmierbare Hochspannung und regelbare Verstärkung zu kompensieren.

Das in der DE-OS 32 00 054 A1 beschriebene Verfahren zum Nachweis sehr geringer zusätzlicher, die natürliche Kernstahlungs-Untergrundbelastung übersteigender Kernstrahlungsbelastung ist ein statisches Verfahren, welches signifikante Abweichungen statistischer Parameter über vorbestimmte Meßzeiten ermittelt. Das Verfahren benötigt zwei Kernstrahlungsdetektoren und eine lange Meßzeit zur sicheren Anwendung der statistischen Verfahren.

Das erfindungsgemäße Verfahren in Anwendung der beschriebenen Vorrichtung ermöglicht beim Einsatz eines Kernstrahlungsdetektors den Nachweis sich ändernder Kernstrahlungsbelastung in wenigen Sekunden. Die Besonderheit des Verfahrens beruht in der kontinuierlichen Auswertung bestimmter Verteilungseigenschaften über ein gleitendes Zeitfenster.

Das Verfahren ermöglicht die Unterdrückung der durch Tageszeiten, Jahreszeiten witterungsbedingten langsamen Veränderungen der Ortsdosisleistung bei schneller Erkennung von bewegten Radionucliden in geringen Mengen bzw. kleiner Aktivität. Das vorliegende Verfahren nutzt die Kenntnis, daß die einfallenden Gamma-Quanten aus radioaktiven Zerfallsvorgängen stammen und somit einer Poisson-Verteilung genügen. Für nicht zu kleine Zählraten kann die Poisson-Verteilung durch eine Normalverteilung angenähert werden. Für eine Poisson-Verteilung ist die Standardabweichung gleich der Wurzel aus dem Mittelwert. Die Standardabweichung der Normalverteilung ist gleich der Wurzel aus der Summe der quadratischen Differenz zwischen Mittelwert und Einzelmeßwert dividiert durch die Anzahl der Freiheitsgrade. Da bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Voraussetzung für die Annäherung der beiden Verteilungen gegeben ist, müssen die beiden Standardabweichungen bei einer Mindestanzahl von Einzelmessungen etwa gleich sein.

Als Bestimmungsmaß für eine Relativbewegung von einer bewegten, nicht bekannten Quelle und der Sonde wird der Quotient der Standardabweichung (oder Varianz) nach der Normalverteilung und der Standardabweichung (oder Varianz) nach der Poisson-Verteilung gleitend über eine Mindestmenge von 10 Meßzeittakten eingesetzt.

Praktisch hat sich ein Meßzeittakt von 1 Sekunde und eine gleitende Berechnung über 20 Werte bewährt.

Zum Verständnis der Funktionsweise des Verfahrens sei folgendes gesagt:

Bei reiner Messung der Umgebungsstrahlung (auch kleine langsame Driften möglich) gehören die Meßwerte der gleichen Grundgesamtheit an und damit sind die Streumaße der beiden Verteilungen annähernd gleich. Der Quotient der Standardabweichungen liegt also nahe bei 1.

Kommen zur Umgebungsstrahlung Anteile von einem zusätzlichen Nuclid hinzu, dann erhöht sich entsprechend die Streuung der Meßwerte, obwohl der Mittelwert und damit die Standardabweichung nach der Poisson-Verteilung fast unverändert bleibt. Damit steigt der Quotient der Standardabweichungen deutlich über 1 an. Bei Überschreiten eines bestimmten, durch die Anzahl der gleitenden Meßwerte festgelegten Wertes erfolgt eine Signalisation (Fig. 2).

Eine gegenüber der Sonde ruhende Quelle ist mit dieser Methode allein nicht detektierbar. Deshalb wird gleichzeitig zum Quotient der Standardabweichungen der gleitende Mittelwert ausgewertet.

Für die schnelle Auswertung mit dem Computer wird der Quotient der Standardabweichungen in folgendes Maß umgeformt.

Wie leicht zu ersehen ist, werden aufwendige Rechnungen über den Mittelwert durch einfache Summationen, Divisionen und Quadrate der einfachen Meßwerte ersetzt. Es muß also nur der neue Wert bzw. das Quadrat des neuen Wertes entsprechend addiert und die analogen Werte des ersten Meßwertes subtrahiert werden.

Als weitere Bestimmungsmaße sind in dem dynamischen Verfahren die gleitende Berechnung der Schiefe (Fig. 3) und/oder des Exzesses (Fig. 4) und deren Vergleich, mit einer durch die Anzahl der in der Berechnung berücksichtigten Meßwerte bestimmten positiven oder negativen Größe, integriert.

Versuchsbedingungen für die in den Fig. 2 bis 4 dargestellten Meßergebnisse.

Bei einer Umgebungsortsdosisleistung von 130 nSv/h wurde ein mit Radium versetztes Leuchtziffernblatt auf die Sonde zubewegt, 20 Sekunden gewartet und wieder wegbewegt. Die Erhöhung der Ortsdosisleistung betrug an der Sonde 10 nSv/h.

Es zeigt

Fig. 1 die schematische Meßanordnung für die vorliegende Erfindung,

Fig. 2 den Quotient der Standardabweichung aus der Normalverteilung und der Poissonverteilung gleitend über 20 Meßwerte berechnet,

Fig. 3 die Darstellung der Schiefe über 20 Werte, gleitend berechnet,

Fig. 4 die Darstellung des Exzesses, gleitend über 20 Werte berechnet.

Claims (5)

1. Verfahren und Vorrichtung zum schnellen Nachweis von Radionucliden in Transportcontainern mit mindestens einer Gamma-Linie, dadurch gekennzeichnet,

• - daß der Transportcontainer sich relativ zur Sonde bewegt und gleitend über eine vorwählbare Zahl von Meßwerten und einstellbarem Zeittakt in mehreren Energiebereichen jeweils der Quotient der Standardabweichungen (oder Varianzen; oder der modifizierte Quotient) von Poisson- und Normalverteilung mit einem durch die Anzahl der Meßwerte bestimmten Wert verglichen wird.
• - daß der Transportcontainer sich relativ zur Sonde bewegt und gleitend über eine vorwählbare Zahl von Meßwerten und einstellbarem Zeittakt in mehreren Energiebereichen jeweils die Schiefe berechnet und mit einem durch die Anzahl der Meßwerte bestimmten positiven bzw. negativen Wert verglichen wird.
• - daß der Transportcontainer sich relativ zur Sonde bewegt und gleitend über eine vorwählbare Zahl von Meßwerten und einstellbarem Zeittakt in mehreren Energiebereichen jeweils der Exzeß berechnet und mit einem durch die Anzahl der Meßwerte bestimmten positiven bzw. negativen Wert verglichen wird.

2. Verfahren und Vorrichtung zum schnellen Nachweis von Radionucliden mit mindestens einer Gamma-Linie, dadurch gekennzeichnet, daß eine Relativbewegung zwischen Sonde und nachzuweisendem Radionuclid besteht und die unter 1 genannten Methoden angewandt werden.

3. Verfahren und Vorrichtung zum schnellen Nachweis von bewegten Objekten oder Personen zwischen einer schwachen radioaktiven Quelle mit mindestens einer Gamma-Linie und der Sonde gemäß der unter 1 genannten Methode.

4. Verfahren und Vorrichtung zum Nachweis des unerlaubten Betretens von Räumen unter Nutzung der Veränderung des natürlichen Strahlungsfeldes (z. B. durch K-40 in den Wänden hervorgerufen) gemäß der in 1 aufgeführten Methoden.

5. Verfahren und Vorrichtung als Wegnahmesicherung für wertvolle Objekte gemäß 4.