DE4344955C1 - Verfahren und Vorrichtung zum Nachweis von Neutronen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nachweis von Neutronen im Energiebereich von 10^-2 eV bis 10⁷ eV, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zum Nachweis von Neutronen sind eine Vielzahl von physikalischen Wechselwirkungen bekannt, die stark energieabhängig sind, d. h., der Wirkungsquerschnitt σ derartiger Nachweisreaktionen variiert stark mit der Einfallsenergie der nachzuweisenden Neutronen.

Da keine universelle Nachweisreaktion zur Verfügung steht, mit der Neutronen im angegebenen Energiebereich nachgewiesen werden können, beruht das Grundprinzip des Neutronennachweises über einen großen Energiebereich, von thermischen Neutronen bis zu hochenergetischen Neutronen, im wesentlichen im Einsatz einer typischen exothermen Kernreaktion, durch die thermische Neutronen eingefangen und die Reaktionsprotonen nachgewiesen werden, wobei die höherenergetischen Neutronen durch eine geeignete Moderatorabschirmung um den thermisch empfindlichen Detektor herum ausreichend abgebremst werden, um dann nach ihrer "Thermalisierung" durch die gleiche genannte Kernreaktion nachgewiesen zu werden. Die Abbremsung der schnellen Neutronen transferiert diese also in den thermischen Bereich, in der ein ausreichender Wirkungsquerschnitt σ_R durch die genannte Kernreaktion zur Verfügung steht.

Eine der am meisten angewendeten Kernreaktionen zum Nachweis von solchen thermischen Neutronen ist die ³He(n,p)-Reaktion, die beispielsweise in dem Buch "Radiation Detection and Measurement" (second Edition) von Glenn F. Knoll, Verlag John Wiley & Sons, 1989 beschrieben ist (Seite 485). In dieser Literaturstelle ist auch die gesamte Problematik des Neutronennachweises ausführlich erläutert (Seiten 481 bis 554), so daß im Hinblick auf spezifische Lösungen der beschriebenen Problematik im folgenden Bezug genommen wird auf entsprechende Passagen des genannten Buches.

Neben der oben erläuterten Möglichkeit der "Thermalisierung" schneller Neutronen zur Ausnutzung der genannten Kernreaktion (oder ähnlicher Kernreaktionen) besteht eine direkte Nachweismöglichkeit von schnellen Neutronen in der Ausnutzung der elastischen Streuung solcher Neutronen an den Zählgasmolekülen, wobei insbesondere wasserstoff-haltiges Zählgas Verwendung findet; derartige Zähler zum Nachweis von schnellen Neutronen werden als Rückstoßzähler bezeichnet (Knoll, Seite 544, 545). Zum Nachweis von thermischen Neutronen sind solche Systeme nicht verwendbar, da das Energiespektrum der Rückstoßprotonen unterhalb der Nachweisschwelle des Zählrohres liegt.

Eine besondere Aufgabenstellung für den Nachweis von Neutronen besteht im Strahlenschutz; hier muß die Äquivalentdosisleistung von Neutronen über den genannten sehr weiten Energiebereich gemessen werden, wobei der Zusammenhang zwischen dem Neutronenfluß bei einer vorgegebenen Energie und der zugehörigen Äquivalentdosis von der internationalen Strahlenschutzkommission IRCP vorgegeben ist (International Commission on Radiological Protection; Recommenda­ tions of the International Commission on Radiological Protection; ICRP Publication 60; Pergamon; Oxford (1990)). Bei einer solchen Problemstellung kommt man mit den oben beschriebenen Verfahren nicht zum Ziel:
Beim gattungsgemäßen Verfahren ist die Wirkung des Moderators problematisch, da dieser bei hohen Neutronenenergien relativ groß ausgelegt werden muß, was wiederum bei niederen Neutronenenergien die Ausbeute stark reduziert, eine Änderung der Moderatoranordnung kann folglich niemals "energiespezifisch" vorgenommen werden, sondern betrifft den gesamten angestrebten Nachweisbereich. Wenn einmal beim gattungsgemäßen Verfahren die Moderatorgeometrie fest­ gelegt ist, kann durch eine solche Anordnung nicht zufriedenstellend erreicht werden, daß das Ansprechvermögen einigermaßen der Äquivalentdosisleistung folgt, wie dies angestrebt wird, Abweichungen bis zum Faktor 3 in einigen Energiebereichen von der angestrebten Nachweiskurve nach der IRCP-Vorgabe sind im günstigsten Falle erzielbar. Zählerkonstruktionen, mit denen solche Meßergebnisse erzielbar sind, sind ebenfalls in dem genannten Buch von Knoll beschrieben, insbesondere auf Seite 519, wo ein Neutronendosimeter vorgestellt wird, das aus einer sphärischen Zählkammer im Mittelpunkt einer Moderatorkugel aus Polyäthylen besteht. Der Aufbau solcher Konstruktionen ist im einzelnen beschrieben in folgenden Veröffentlichungen: R.L. Bramblett et al. (Nuclear Instruments and Methods 9 (1960) 1-12) J.W. Leake (Nuclear Instruments and Methods 45 (1966) 151-156) J.W. Leake (Nuclear Instruments and Methods 63 (1968) 329-332).

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, das gattungsgemäße Nachweisver­ fahren von Neutronen dahingehend zu verbessern, daß die Nachweis­ empfindlichkeit der schnellen Neutronen im Verhältnis zur Nachweis­ empfindlichkeit der thermischen und mittelschnellen Neutronen, unabhängig von der Moderatorgeometrie einstellbar bzw. vorgebbar ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch den kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die an sich zum Nachweis von schnellen Neutronen bekannte elastische Streuung (Rückstoßzählrohr, siehe oben) als zusätzlichen Nachweismechanismus in das bekannte Verfahren zu implementieren, so daß der Wirkungsquerschnitt σ zum Nachweis von schnellen Neutronen sich nunmehr aus zwei Komponenten zusammensetzt, nämlich aus dem Wirkungsquerschnitt σ_R, der sich aus der oben beschriebenen "Thermalisierung" der schnellen Neutronen (vorgegeben im wesentlichen durch die Moderatorgeometrie) einerseits und dem Wirkungsquerschnitt σ_T der elastischen Streuung im Zusatzgas (vorgegeben im wesentlichen durch die Dichte des Zusatzgases relativ zum Zählgas) ergibt. Während der erstgenannte Wirkungsquerschnitt σ_R vorgegeben ist durch die einmal vorgenommene Dimensionierung der Gesamtzählrohranordnung, eröffnet sich mit der Einführung des zweiten Wirkungsquerschnittes σ_T ein zusätzlicher Freiheitsgrad, so daß durch die Einstellung des Partialdrucks des Zusatzgases eine energiespezifische Variation der Detektorempfindlichkeit in dem Sinne erreicht werden kann, als daß der niederenergetische Teil der Nachweisempfindlichkeit und der höherenergetische Teil der Nachweisempfindlichkeit relativ zueinander "verschoben" werden können. Anders ausgedrückt, zum Nachweis der einfallenden Neutronen stehen im Zählrohr Protonen zur Verfügung, die sowohl von der Kernreaktion thermalisierter Neutronen stammen können, als auch unmittelbar aus Rückstoßprozessen durch Streuung direkt einfallender schneller Neutronen, die mehr oder weniger ungeschwächt den Moderator durchlaufen haben.

Die erfindungsgemäße Verbindung der beiden Nachweistechniken eröff­ net auch die Möglichkeit, bei der Dimensionierung und konstruktiven Ausgestaltung des Moderators nicht ausschließlich auf dessen Funktion zur Thermalisierung der schnellen Neutronen abzustellen, da mit deren Rückstoßreaktion mit dem Zusatzgas ein zweiter, unab­ hängiger "Nachweiskanal" zur Verfügung gestellt wird.

Insbesondere kann dieses Verfahren bei einem Äquivalent- Dosisleistungsmeßgerät dadurch vorteilhaft eingesetzt werden, daß die Eigenschaften des Moderators und der Partialdruck des Zusatz­ gases so aufeinander abgestimmt werden, daß eine vorgegebene Ansprechempfindlichkeit zumindest wesentlich genauer nachvollziehbar ist, als bei den vorbekannten "Einzellösungen".

Weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und eines Dosisleistungsmeßgerätes zur Durchführung dieses Verfahrens sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Ein Ausführungsbeispiel eines Dosisleistungsmeßgerätes wird nun anhand von Zeichnungen näher erläutert, es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Dosisleistungsmeß­ gerätes zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens und

Fig. 2 ein Diagramm zur qualitativen Darstellung des Ein­ flusses des Zusatzgas-Partialdruckes auf die Zählrohrempfindlichkeit.

Das Dosisleistungsmeßgerät besteht aus einer Moderatorkugel 10 aus Polyäthylen mit einem Außendurchmesser D von 300 mm.

Im Kugelzentrum befindet sich ein Proportionalzählrohr 20. Das Proportionalzählrohr besteht aus einem Edelstahlrohr 21 mit der Wandstärke 0,5 mm und dem Außendurchmesser X von 40,4 mm und einer Länge L von 100 mm. Die Stirnseiten dieses Edelstahlrohrs 21 sind mit Isolatorhalterungen 23A, 23B abgeschlossen, die im Edelstahlrohr 21 verschweißt sind. Durch das Zentrum der Isolatorhalterungen 23A, 23B sind jeweils ein keramischer Isolator (in der Zeichnung nicht dargestellt) eingesetzt, durch den der Zähldraht 22 gehalten und geführt ist. Der Zähldraht 22 ist aus Wolfram und besitzt einen Durchmesser von 50 µm. Das Edelstahlrohr 21 ist so im Zentrum der Moderatorkugel 10 angeordnet, daß die Mitte des Zähldrahtes 22 mit dem Zentrum Z der Moderatorkugel 10 zusammenfällt. Damit liegt auch der Schwerpunkt des aktiven Zählrohrvolumens im Bereich des Zentrums Z der Moderatorkugel. Berücksichtigt man die Länge der Isolatorhalterungen, so verbleibt für die Zähldrahtlänge AL im dargestellten Ausführungsbeispiel 40 mm, also etwa gleichviel wie der Innendurchmesser des Edelstahlrohres. Das empfindliche Gesamtvolumen des Zählrohres stellt daher eine gute Annäherung an die Kugelgeometrie der Moderatorkugel 10 dar.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Zählrohr 20 mit ³He mit einem Partialdruck von 3,5 bar und CH₄ mit einem Partialdruck von 1 bar gefüllt und abgeschmolzen. Die Betriebsspannung des Zählrohrs liegt bei 2900 V.

Durch einen Kabelkanal 11 ist ein Signalkabel 31 (in Fortsetzung des Zähldrahtes 22) aus der Moderatorkugel 10 herausgeführt und mit einer Auswerteeinheit 30 verbunden. Die Auswerteeinheit 30 besteht zunächst aus einem Vorverstärker 32, nachgeschaltet ist ein Registrier- und Auswertegerät und schließlich ein Drucker 34, der die aufbereiteten Daten ausgibt. Vorverstärker und Multilogger sind über geeignete Leitungen zur Hochspannungsversorgung des Zählrohres (HV) zur Weiterleitung der verstärkten Zähldrahtimpulse (Rechteckimpuls) und zur Netzstromversorgung (Power Supply) miteinander verbunden. Die erforderlichen Leitungsverbindungen von der Auswerteeinheit 30 zur Hochspannungsversorgung des Zählrohrs 20 sind in der Zeichnung nicht dargestellt.

Zur Abschätzung des erfindungsgemäßen Effektes wurde aus den Wirkungsquerschnitten σ_T der elastischen Neutronenstreuung, den angegebenen geometrischen Parametern des Zählrohrs 20 und mit einer Nachweisschwelle von 200 keV die Meßempfindlichkeit ("Efficiency") in Prozent für drei Methan-Partialdrucke (500 mbar, 100 mbar, 2000 mbar) qualitativ berechnet und in Fig. 2 dargestellt.

Man erkennt, daß die Zählrohrempfindlichkeit in Abhängigkeit von der Energie E der eingestrahlten Neutronen mit zunehmendem Partialdruck des Zusatzgases CH 4 signifikant zunimmt, was auf die Wirksamkeit des erfindungsgemäß verwerteten physikalischen Effektes schließen läßt.

Diese theoretische Darstellung betrifft zunächst allerdings nur das "nackte" Zählrohr 20. Bei Berücksichtigung der Auswirkungen der Moderatorkugel 20 wird die Situation sehr viel komplexer dadurch, daß im Moderator der Anteil hochenergetischer Neutronen herabgesetzt wird. Teilweise stehen diese zur Zählung nicht mehr zur Verfügung, teilweise fallen sie aber auch in den niederenergetischen Bereich, wo die Zählrohrempfindlichkeit für thermische Neutronen sehr groß ist infolge des hohen Zählgasanteils.

Fig. 2 zeigt jedenfalls, daß die gewünschte Steuerung der Nachweis­ empfindlichkeit für schnelle Neutronen durch Wahl eines geeigneten Zusatzgas-Partialdrucks erfolgen kann und damit auch der "Nachweisanteil" der schnellen Neutronen in einem Neutronenspektrum von sehr niedrigen bis zu sehr hohen Neutronenenergien steuerbar ist.

Praktische Messungen mit einem Dosisleistungsmeßgerät, wie es unter Fig. 1 beschrieben ist, mit einer Cf-252 Quelle (mittlere Neutronen­ energie etwa 2,1 MeV) haben zu einer Ausbeute von 3,4×10^-3 (Nach­ weiswahrscheinlichkeit) geführt, im Vergleich zu einer Nachweiswahr­ scheinlichkeit von etwa 2,5×10^-4 bei einer Anordnung, wie sie in der genannten Literaturstelle (Knoll, Seite 517) angegeben ist, also eine Erhöhung der Nachweisempfindlichkeit für schnelle Neutronen im Bereich einer Größenordnung.

Mit diesem Meßgerät ist es daher möglich, durch eine geeignete Wahl des Partialdruckes des Zusatzgases die Nachweisempfindlichkeit für schnelle Neutronen so zu definieren, daß die Nachweischarakteristik des Dosisleistungsmeßgerätes wesentlich besser der von der IRCP- Kurve vorgegebenen Äquivalent-Dosisleistung folgt, als dies bei gattungsgemäßen Dosisleistungsmeßgeräten, insbesondere gemäß der genannten Literaturstelle möglich ist.

Claims (3)

1. Verfahren zum Nachweis von Neutronen im Energiebereich von 10^-2 eV bis 10⁷ eV, bei dem ein für thermische Neutronen aufgrund eines Reaktionsprotons aus einer Kernreaktion empfindlicher Zählgas- Detektor von einer geometrischen Anordnung eines Moderator­ materials umgeben ist, in dem elastische Neutronenstreuung stattfindet, dadurch gekennzeichnet, daß dem Zählgas des Detektors mindestens ein wasserstoffhaltiges Gas als Zusatzgas zugesetzt wird, und zumindest der höherenergetische Anteil der Rückstoßprotonen der elastischen Neutronenstreuung innerhalb dieses Zusatzgases zusammen mit den Reaktionsprotonen der Kernreaktion zur Zählung erfaßt werden.

2. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 in einem Äquivalent- Dosisleistungsmeßgerät, dadurch gekennzeichnet, daß als Detektor ein ³He-Proportionalzählrohr verwendet wird, und daß die Wirkungs­ querschnitte für die elastische Streuung der Neutronen an den Wasserstoffatomen des Zusatzgases einerseits (σ_T) und der ³He(n,p)-Reaktion des Zählgases andererseits (σ_R) durch den Partialdruck des Zusatzgases und die Dämpfungswirkung des Moderatormaterials derart aufeinander abgestimmt werden, daß die Zählrate des Detektors pro Neutronen-Äquivalenzdosisleistung weitgehend unabhängig von der Energieverteilung der Neutronen wird.

3. Dosisleistungsmeßgerät zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer sphärischen Moderatorkugel aus Polyäthylen und einem ³He-Proportionalzählrohr im Zentrum der Moderatorkugel, dadurch gekennzeichnet, daß das mit dem Zählgas und dem Zählgas­ zusatz versehene ³He-Proportionalzählrohr (20) zylindrisch ausge­ bildet ist und daß seine aktive Länge (L) und sein Innendurch­ messer (X) etwa gleich groß sind.