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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wasserdetektion auf einem
Schiffsdeck. Außerdem betrifft
die Erfindung ein Verfahren zur Wasserdetektion auf einem Schiffsdeck.
Schließlich
betrifft die Erfindung den Gebrauch der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Detektion von Wasser, das auf dem Schiffsdeck vorhanden ist.
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Bei
Fahrt unter stürmischen
Wetterbedingungen, z. B. mit hohen Wellen und/oder starken Winden,
kann das Deck eines Schiffs mit Wasser überflutet werden, wobei das überflutende
Wasser normalerweise "blaues
Wasser" (Seeschlag)
genannt wird. Es kann Schiffs- und Deckladung beschädigen und
für Menschen
gefährlich
sein. Zudem können
Fälle von
blauem Wasser auf Deck zweckdienlich darauf verweisen, daß die Schiffsführung eventuell
problematisch und daher zu überprüfen und
optional zu korrigieren ist. Stellt man also blaues Wasser auf Deck
fest, ist dies möglicherweise
nicht unbedingt eine große
Gefahr für
die Beschädigung
der Ladung; aber das Vorhandensein von blauem Wasser auf dem Deck
kann ein Hinweis darauf sein, daß Änderungen an der Schiffsführung vorgenommen
werden sollten, um die Gefahr von Ladungsbeschädigung durch unzweckmäßige Schiffsführung zu
senken. Vorteilhaft ist somit, das Vorhandensein von Wasser auf
dem Schiffsdeck detektieren zu können.
Von besonderem Vorteil wäre,
wenn eine solche Detektion kontinuierlich und/oder auch bei kleinen
Wassermengen stattfinden würde,
wodurch jeder Fall von blauem Wasser unverzögert detektiert werden kann.
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Nicht
immer lassen sich Fälle
von etwaigem Wasser auf dem Schiffsdeck von der Brücke aus
detektieren, z. B. auf großen
Frachtschiffen wie Container-Carriern, was einerseits daran liegt,
daß mehr
als 200 m von der Brücke
zum Bug liegen können,
und andererseits daran, daß die
Sichtlinie durch Ladung versperrt sein kann, und auch weil das Vorhandensein
von Wasser/Überflutungen
auf dem Schiffsdeck keine statische Situation ist; statt dessen
kann es sich kontinuierlich ändern.
Undenkbar ist, Besatzung auf dem Deck zu postieren, da dies bei
stürmischen
Wetterbedingungen lebensgefährlich
sein könnte
und schließlich
auch nachts gefahren wird.
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Aufgrund
der durch Überflutungswasser
und das Wetter allgemein ausgeübten
starken Kräfte
würden
solche Instrumente wie eine Videokamera auf Deck Abnutzung und relativ
hoher Beschädigungsgefahr
ausgesetzt sein.
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Die
US-A-4646068 offenbart
eine Detektionsvorrichtung mit einer Neutronenquelle, die unter der
Oberfläche
einer Wand liegt und schnelle/energiereiche Neutronen emittiert,
sowie einem Detektorgerät,
das unter der Oberfläche
eines Flugzeugflügels
liegt und thermische Neutronen detektiert.
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Die
US-A-5446288 offenbart
eine Anordnung mit einem Moderator, einer lichtemittierenden Einheit
und einer lichtaufzeichnenden Einheit, wobei der Moderator in einer
in sich geschlossenen Neutronenquelle plaziert ist und die lichtemittierende
Einheit sowie die lichtaufzeichnende Einheit in einem weiteren in
sich geschlossenen Detektor plaziert sind.
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Eine
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Detektion
von Fällen
von Wasser auf einem Schiffsdeck bereitzustellen, wobei die Vorrichtung
keiner wesentlichen Abnutzung und/oder Beschädigung ausgesetzt ist, wenn
sie auf einem Schiff in stürmischen
Wetterbedingungen angeordnet ist.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist, eine Vorrichtung zur Detektion
von Fällen
von Wasser auf einem Schiffsdeck be reitzustellen, wobei die Detektion
kontinuierlich und/oder auch bei kleinen Wassermengen erreicht wird,
wodurch ein Fall von etwaigem blauem Wasser auf einem Schiffsdeck
schnell detektiert werden kann.
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Gelöst werden
diese Aufgaben durch eine Vorrichtung zur Wasserdetektion auf einem
Schiffsdeck, wobei die Vorrichtung aufweist:
- – eine Neutronenquelle,
die unter der Oberfläche des
Schiffsdecks liegt und schnelle/energiereiche Neutronen emittiert;
und
- – ein
Detektorgerät,
das unter der Oberfläche
des Schiffsdecks liegt und thermische Neutronen detektiert; wobei
die Vorrichtung ferner aufweist:
- – eine
lichtemittierende Einheit, die Licht bei einem nuklearen Ereignis/einer
nuklearen Reaktion mit einem thermischen Neutron emittiert;
- – eine
lichtaufzeichnende Einheit, die einen elektrischen Impuls/ein elektrisches
Signal bei Registrierung eines Lichtblitzes emittiert; und
- – einen
Moderator, der unter der Oberfläche
des Schiffsdecks liegt und Neutronen bei Kollision bremst und reflektiert,
wobei
der Moderator eine lichtleitende Einheit ist, die zwischen der lichtemittierenden
Einheit und der lichtaufzeichnenden Einheit vorgesehen ist.
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Dadurch
wird eine Vorrichtung erreicht, die Wasser durch eine nicht modifizierte
und sogar nicht perforierte Decksplatte detektieren kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
nutzt vorteilhaft die bekannte Erkenntnis, daß Wasserstoff als Element von Wasser
der elementare Stoff ist, der von allen elementaren Stoffen Neutronen
mit hoher kinetischer Energie am effektivsten abbremsen kann. Dieser
Effekt ist sehr ausgeprägt,
wodurch sich Wasserstoff hinsichtlich des Abbremsens von Neutronen,
der sogenannten Thermalisierung von Neut ronen, von allen anderen
elementaren Stoffen qualitativ unterscheidet. Da Wasserstoff ein
beträchtliches
Element von Wasser ist und Wasser normalerweise das einzige wasserstoffhaltige
Material ist, das auf einem Schiffsdeck vorhanden ist, und da eine
Decksplatte aus Stahl mit einer begrenzten Dicke im wesentlichen
keine Neutronen absorbiert, kann die Vorrichtung Wasser durch die
Decksplatte detektieren. Weiterhin kann ein Detektorgerät zum Detektieren
thermischer Neutronen eine schnelle Reaktion liefern, wodurch die
Schiffsführung
als Folge von Überflutungen
des Schiffsdecks sofort überprüft und optional
korrigiert werden kann.
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Somit
verwendet die erfindungsgemäße Vorrichtung
eine Neutronenquelle zum Detektieren von Wasser, das auf einem Schiffsdeck
vorhanden ist. Dazu hat eine Neutronenquelle den exemplarischen Vorteil,
daß Neutronen
bestimmte Barrieren durchdringen können. Beispielsweise ist es
durch die Erfindung möglich,
die Wassermenge durch eine Decksplatte hindurch abzuschätzen. Dadurch
kann man überwachen,
ob und wieviel Wasser auf dem Schiffsdeck vorhanden ist, ohne z.
B. die Decksplatte oder Abschnitte davon modifizieren oder perforieren
zu müssen
und ohne die Vorrichtung auf Deck anordnen zu müssen, wo sie den Wettereinflüssen ausgesetzt wäre.
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Eine
Quelle für
schnelle Neutronen emittiert schnelle/energiereiche Neutronen, d.
h. Neutronen mit hoher kinetischer Energie. Die Erfindung nutzt vorteilhaft
die bekannte Entdeckung, daß Atomkerne (und
insbesondere Wasserstoff) Neutronen bei Kollision abbremsen, was
normalerweise "elastische Streuung/elastischer
Stoß" genannt wird (wodurch für ein kollidiertes
Neutron die Geschwindigkeit reduziert und die Richtung geändert wird).
Die Erfindung verwendet ein Detektorgerät, das relativ langsame/energiearme
Neutronen, die sogenannten thermischen Neutronen, detektiert. Nachdem
ein Neutron ausreichend verlangsamt wurde, kann es durch das Detektorgerät detektiert
werden.
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Den
Abbremsvorgang von Neutronen bezeichnet man normalerweise als "Moderierung" und eine entsprechende
physische Anordnung als "Moderator". Damit ein Neutron
detektiert wird, muß es zumeist
mehrmals mit Wasserstoffatomen zusammenstoßen. Bekannt ist, eine Detektionsvorrichtung mit
einem Moderator, einer Menge von Wasserstoff oder einem Moderatormaterial,
zu versehen, um eine erhöhte
Empfindlichkeit zu erzielen, wobei der Moderator Neutronen durch
elastische Streuung/elastischen Stoß abbremst und reflektiert/streut
und so angeordnet ist, daß eine
eintreffende Neutronenmenge am Detektor reflektiert und der Wasserstoff
detektiert wird. Allgemein gesagt wirkt die weitere Menge von Wasserstoff/Moderatormaterial
als (partieller) Neutronenreflektor, der ebenfalls die Neutronen
verlangsamt, was bedeutet, daß eine
erhöhte
Menge abgebremster/thermischer Neutronen detektiert wird. Häufig bezeichnet
man dies auch als "Rückstreuung" von Neutronen.
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Dadurch
wird ein Wasserdetektor mit verbesserter Empfindlichkeit realisiert,
wobei die lichtleitende Einheit für eine Leitung/Konzentration
des Lichts von der lichtemittierenden Einheit zur lichtaufzeichnenden
Einheit sorgt, was den Wirkungsgrad/die Empfindlichkeit weiter verbessert,
wodurch alle nuklearen Ereignisse, die zu einem Lichtblitz führen, mit stark
verbesserter Zuverlässigkeit
durch die lichtaufzeichnende Einheit registriert werden.
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Somit
erfüllt
die lichtleitende Einheit eine Doppelfunktion, da sie neben dem
Leiten/Konzentrieren des Lichts auch eine moderierende Wirkung hat, weil
sie Wasserstoff/Moderatormaterial zum Erreichen des o. g. Rückstreueffekts
enthält.
Diese Doppelfunktion der lichtleitenden Einheit bewirkt ferner, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung
kompakt konfiguriert sein kann.
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Die
verbesserte Empfindlichkeit bedeutet, daß die verwendete Neutronenquelle
nicht so leistungsstark zu sein braucht, daß sie eine Gesundheitsgefahr
mit sich daraus erge benden Anforderungen an Sicherheitstechnik für einen
Bediener darstellt oder umständlich
zu handhaben ist, während gleichzeitig
immer noch für
eine zuverlässige
Detektion durch eine Decksplatte gesorgt sein kann, d. h. ohne Modifizieren,
Perforieren oder jede andere Änderung
an der Decksplatte. Infolge der erhöhten Empfindlichkeit und der
weiteren Wirkung des Hilfsmoderators werden außerdem kleinere Mengen von Wasserstoff
und somit Wassermengen verglichen mit denen detektiert, die anderweitig
möglich
wären,
da es ansonsten schwierig ist, kleine Fälle von wasserstoffhaltigem
Material/Wasser zu detektieren, was daran liegt, daß ein Neutron
sechs bis acht Zusammenstöße erreichen
muß, um
thermalisiert und somit durch das Detektorgerät detektierbar zu werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform weist
die Vorrichtung ferner eine Einrichtung zum Kalibrieren der Vorrichtung
durch Aufzeichnen der Intensität
thermischer Neutronen unter bekannten Umständen als Kalibrierwert auf.
Dies kann z. B. nach Decksanstrich oder in Verbindung mit periodischen Kontrollen
durchgeführt
werden.
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Beispielsweise
kann die lichtemittierende Einheit ein Szintillator sein, und eine
lichtaufzeichnende Einheit kann ein Photovervielfacher (PM) sein. Alternativ
kann die lichtaufzeichnende Einheit eine Photodiode sein.
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Besonders
vorteilhaft ist die Quelle im wesentlichen in der Nähe oder
in/um die Mitte der Fläche
des Moderators angeordnet, die an die lichtemittierende Einheit
angrenzt. Erwiesenermaßen
ist diese Lage zweckmäßig, da
eine weiter verstärkte
Empfindlichkeit dadurch erreicht wird, daß eine größere Menge von Neutronen reflektiert
und moderiert und somit detektiert wird.
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Besonders
vorteilhaft ist ferner die lichtemittierende Einheit im wesentlichen
mit einer Fläche konfiguriert,
die zur lichtemittierenden Einheit benachbart ist, sowie mit einer
relativ kleineren Fläche, die
an eine Detektionsfläche der
lichtaufzeichnenden Einheit angrenzt. Dadurch kann eine relativ
größere Fläche der
lichtemittierenden Einheit mit einer kleineren Detektionsfläche der
lichtaufzeichnenden Einheit optisch gekoppelt sein, was einen wirtschaftlichen Vorteil
hat, da die Kosten solcher lichtaufzeichnenden Einheiten vergleichsweise
hoch sind und sehr stark von der Aufzeichnungsfläche abhängen.
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Beispielsweise
kann die lichtleitende Einheit im wesentlichen als Kegel mit weggeschnittener Oberseite
konfiguriert sein (d. h. trapezförmig
bei zweidimensionaler Betrachtung durch einen Schnitt durch die
Mittellinie des Kegels).
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Ist
die lichtleitende Einheit der Vorrichtung zum Emittieren von Licht,
das von der lichtemittierenden Einheit zur lichtaufzeichnenden Einheit
geführt wird,
im wesentlichen senkrecht zu einer Detektionsfläche konfiguriert, erzielt man
eine besonders vorteilhafte Ausführungsform,
da hierdurch problemlos eine Detektionsvorrichtung bereitgestellt
wird, die eine größere Ausdehnung
im wesentlichen senkrecht zur Decksplatte hat, auf der das zu detektierende Wasser
liegt. Hierdurch wird eine vorteilhafte Konfiguration erzielt, insbesondere
wenn die erfindungsgemäße Detektionsvorrichtung
primär
in Tiefenrichtung arbeiten soll.
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Gemäß einer
alternativen Ausführungsform ist
die lichtleitende Einheit zum Emittieren von Licht, das von der
lichtemittierenden Einheit zur lichtaufzeichnenden Einheit geführt wird,
im wesentlichen parallel zu einer Detektionsfläche der Vorrichtung konfiguriert.
Auf diese Weise wird leicht eine Detektionsvorrichtung bereitgestellt,
die eine größere Ausdehnung
im wesentlichen parallel zu einer Detektionsfläche des Objekts hat, in dem
Wasser zu detektieren ist. Allgemein ausgedrückt ist die Detektionsvorrichtung
länger
als hoch. Dadurch wird eine besonders vorteilhafte Ausführungsform
erreicht, besonders wenn die Detektionsvorrichtung vergleichsweise
flach sein soll, z. B. wenn sie an der Unterseite der Decksplatte
angeordnet ist und wenn sie nicht zu weit unter der Decksplatte
vorstehen soll.
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Gemäß noch einer
bevorzugten Ausführungsform
der Vorrichtung weist sie ferner eine elektrische Schaltung auf,
die mit dem Detektorgerät
verbunden ist, wobei die elektrische Schaltung zum Erzeugen eines
Signals konfiguriert ist, das eine geschätzte Wassermenge darstellt,
wobei die Erzeugung auf der Grundlage des elektrischen Signals von der
lichtaufzeichnenden Einheit durchgeführt wird.
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Ferner
betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Wasserdetektion auf einem
Schiffsdeck mit den folgenden Schritten:
- – Emission
energiereicher Neutronen aus einer Neutronenquelle, die unter der
Oberfläche
des Schiffsdecks liegt; und
- – Detektion
thermischer Neutronen mit Hilfe eines Detek torgeräts, das
unter der Oberfläche
des Schiffsdecks liegt.
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Gemäß einer
Ausführungsform
des Verfahrens wird die Intensität
thermischer Neutronen unter bekannten Umständen als Kalibrierwert aufgezeichnet.
Dies erfolgt insbesondere bei der Montage der Vorrichtung.
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Gemäß noch einer
Ausführungsform
weist das Verfahren ferner einen Schritt des Bremsens und Reflektierens
von Neutronen bei Kollision mit Hilfe eines Moderators auf, der
unter der Oberfläche
des Schiffsdecks liegt.
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Gemäß noch einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
weist das Verfahren auf:
- – Emission von Licht aus einer
lichtemittierenden Einheit bei einem nuklearen Ereignis/einer nuklearen
Reaktion mit einem thermischen Neutron;
- – Emission
eines elektrischen Impulses/eines elektrischen Signals durch eine
lichtaufzeichnende Einheit bei Registrierung eines Lichtblitzes; und
- – Leitung
von Licht von der lichtemittierenden Einheit zur lichtaufzeichnenden
Einheit durch eine lichtleitende Einheit, die zwischen der lichtemittierenden
Einheit und der lichtaufzeichnenden Einheit angeordnet ist, wobei
der Moderator die lichtleitende Einheit ist.
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Vorzugsweise
ist die lichtleitende Einheit zum Emittieren von Licht konfiguriert,
das von der lichtemittierenden Einheit zur lichtaufzeichnenden Einheit
im wesentlichen senkrecht zu einer Detektionsfläche geführt wird. Alternativ kann die
lichtleitende Einheit zum Emittieren von Licht konfiguriert sein, das
von der lichtemittierenden Einheit zur lichtaufzeichnenden Einheit
im wesentlichen parallel zu einer Detektionsfläche geführt wird.
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Gemäß noch einer
bevorzugten Ausführungsform
weist das Verfahren ferner die Erzeugung eines Signals in einer
mit dem Detektorgerät
verbundenen elektrischen Schaltung auf, das eine geschätzte Wassermenge
darstellt, wobei die Erzeugung auf der Grundlage des elektrischen
Signals von der lichtaufzeichnenden Einheit durchgeführt wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
und seine Ausführungsformen
entsprechen der erfindungsgemäßen Vorrichtung
und ihren Ausführungsformen und
haben die gleichen Wirkungen aus den gleichen Gründen.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben,
die exemplarische Ausführungsformen
der Erfindung veranschaulichen. Es zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung, die
unter einer Oberfläche
eines Schiffsdecks liegt, und wobei Fälle von Wasser auf der Decksplatte
des Schiffsdecks vorliegen können;
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2a schematisch
eine Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung;
-
2b schematisch
eine zweite Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
-
2c schematisch
eine dritte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
und
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3 schematisch
ein Schiff von oben mit Ladung, einer Brücke und der Anordnung einer
Anzahl erfindungsgemäßer Vorrichtungen.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
die unter der Oberfläche
eines Schiffsdecks angeordnet ist, wobei Wasser auf der Decksplatte 110 des
Schiffdecks vorhanden sein kann. Die Zeichnung veranschaulicht eine
Decksplatte 110, wobei das zu detektierende Wasser über der
Decksplatte 110 des Schiffsdecks angeordnet ist und wobei
eine Detektionsvorrichtung 100 zum Detektieren von Wasser 101 auf
einem Schiffsdeck unter der Oberfläche des Schiffsdecks angeordnet
ist. Die Detektionsvorrichtung 100 liegt unter der Oberfläche des
Schiffsdecks, woraus folgt, daß sie
keinen solchen Wetterbedingungen wie Wind, Regen, Schneeregen o. ä. ausgesetzt
ist. Die Detektorvorrichtung 100 verfügt über ein Detektorgerät 102,
das thermische Neutronen detektiert, und eine Neutronenquelle 103,
die schnelle/energiereiche Neutronen 111 emittiert. Darstellungsgemäß ist die
eigentliche Detektionsvorrichtung 100 unter der Decksplatte 110 angeordnet;
natürlich
ist auch möglich,
die Detektionsvorrichtung 100 in einer Aussparung in der
Decksplatte selbst unterzubringen, damit sie möglichst wenig von der Unterseite
der Decksplatte 110 vorsteht. Wichtig ist, daß die gesamte
Detektionsvorrichtung 100 unter der Oberseite des Schiffsdecks
liegt.
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Durch
die Quelle 103 emittierte Neutronen 111 gehen
im wesentlichen in alle Richtungen, und einige dieser Neutronen
stoßen
mit dem Wasserstoff zusammen, der Bestandteil von etwaigem Wasser 101 auf
dem Schiffsdeck ist, wodurch die Neutronen die Richtung ändern und
an Geschwindigkeit verlieren. Ein Teil der Neutronen wird zum Detektorgerät 102 zur
Detektion thermischer Neutronen reflektiert, und sind sie ausreichend
oft kollidiert, werden sie thermisch (d. h. haben normalerweise
eine kinetische Energie von etwa 0,025 eV), wodurch der Detektor sie
registriert und die Menge von Wasser 101 detektiert werden
kann. Einige Neutronen bewegen sich in anderen Richtungen weiter
und/oder werden absorbiert. Normalerweise muß ein Neutron im Mittel etwa sechs-
bis achtmal mit einem Wasserstoffatom zusammenstoßen, um
Energie zu besitzen, die der Detektor detektieren kann (das Neutron
muß im
Energieniveau etwa sechs bis acht Werte absteigen).
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Weist
die Detektorvorrichtung einen Moderator (nicht gezeigt) auf, hat
der Moderator die Wirkung, daß eine
größere Anzahl
von Neutronen mit geeigneter Energie verglichen mit dem Szenario
detektiert wird, in dem nur Wasser 101 primär zur Reduzierung der
kinetischen Energie der Neutronen vorhanden ist. Dadurch ist die
Empfindlichkeit der Detektionsvorrichtung 100 erhöht.
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2a zeigt
schematisch eine Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100.
In der Darstellung ist eine Detektionsvorrichtung gezeigt, die eine
Neutronenquelle 103 und ein Neutronen abbremsendes und
reflektierendes Material 104' aufweist,
d. h. ein Moderatormaterial, das z. B. Wasserstoff aufweist. Die
Detektionsvorrichtung 100 hat eine Detektionsfläche 109,
die in Richtung zu einem Objekt 101 weisen soll, hier die
zu detektierenden Fälle
von Wasser. Das heißt,
die Detektionsfläche 109 der
Detektionsvorrichtung 100 kann so angeordnet sein, daß sie z.
B. zur Unterseite der Decksplatte 110 des Schiffsdecks
benachbart ist.
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Außerdem weist
die Detektionsvorrichtung 100 ferner einen Detektor 102a, 102b für thermische Neutronen
auf, wobei der erfindungsgemäße Detektor
eine lichtemittierende Einheit 102b und eine lichtaufzeichnende
Einheit 102a aufweist, wobei die lichtaufzeichnende Einheit 102a mit
einer elektrischen Schaltung 105 verbunden ist. Die lichtemittierende
Einheit 102b emittiert Licht im Fall eines nuklearen Ereignisses/einer
nuklearen Reaktion mit einem thermischen Neutron, während die
lichtaufzeichnende Einheit 102a einen elektrischen Impuls/ein
elektrisches Signal 106 bei Registrierung eines Lichtblitzes abgibt,
wobei der abgegebene elektrische Impuls, das abgegebene elektrische
Signal in der elektrischen Schaltung 105 zur anschließenden Interpretation,
Verarbeitung usw. empfangen wird. Die elektrische Schaltung 105 kann
ferner eine Einrichtung zum Kalibrieren der Vorrichtung gemäß der späteren Beschreibung
enthalten.
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Erfindungsgemäß ist das
Moderatormaterial eine lichtleitende Einheit oder ein lichtleitendes
Material 104'.
Auf diese Weise erfüllt
die lichtleitende Einheit 104' eine Doppelfunktion, da sie wie
zuvor erwähnt
neben dem Leiten/Konzentrieren des Lichts von der lichtemittierenden
Einheit 102b zur Detektionsfläche 107 der lichtaufzeichnenden
Einheit 102a auch eine moderierende Wirkung hat, da sie
Wasserstoff/Moderatormaterial zum Erzielen des o. g. Rückstreueffekts
enthält.
Die lichtleitende/-konzentrierende Wirkung verbessert den Wirkungsgrad/die
Empfindlichkeit, da die nuklearen Ereignisse, die zu einem Lichtblitz
führen,
mit stark verbesserter Zuverlässigkeit
durch die lichtaufzeichnende Einheit 102a aufgezeichnet
werden, wodurch kleinere Mengen von Wasserstoff detektiert werden
können,
ohne daß die
Stärke
der Neutronenquelle erhöht
werden muß.
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Die
Bewegung des Lichts von der lichtemittierenden Einheit 102b zur
lichtaufzeichnenden Einheit 102a ist in der Darstellung
mit gestrichelten Pfeilen schematisch gezeigt.
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Außerdem bewirkt
die Doppelfunktion der lichtleitenden Einheit/des Moderators 104', daß die Detektionsvorrichtung 100 kompakt
oder zumindest nicht größer als
Lösungen
konfiguriert ist, die schon einen Hilfsmoderator zur Realisierung
von Neutronenrückstreuung
aufweisen.
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In
der gezeigten Ausführungsform
ist die lichtleitende Einheit 104' im wesentlichen mit einer Fläche konfiguriert,
die an die lichtemittierende Einheit 102b angrenzt, und
hat eine relativ kleinere Fläche,
die an eine Detektionsfläche 107 der
lichtaufzeichnenden Einheit 102a angrenzt. Dadurch kann eine
relativ größere Fläche der
lichtemittierenden Einheit 102b mit einer kleineren Detektionsfläche 107 durch
die lichtaufzeichnende Einheit 102a optisch gekoppelt sein,
was finanziell vorteilhaft ist, da die Kosten solcher lichtaufzeichnender
Einheiten 102a relativ hoch sind und weitgehend von der
Aufzeichnungsfläche
abhängen.
Beispielsweise kann die lichtleitende Einheit im wesentlichen als
Kegel mit weggeschnittener Oberseite konfiguriert sein (d. h. trapezförmig bei
zweidimensionaler Betrachtung durch einen Schnitt an der Mittellinie
des Kegels).
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Die
lichtleitende Einheit/das lichtleitende Material 104' kann z. B.
ein Lichtleiter (britischer Begriff "light guide") sein, der Wasserstoff und/oder anderes Moderatormaterial
aufweist. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
ist die lichtleitende Einheit/das lichtleitende Material 104' Plexiglas.
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Vorzugsweise
ist die Neutronenquelle 103 durch den Moderator 104' umschlossen/darin
eingebettet und im wesentlichen um die Fläche des Moderators 104', die an die
lichtemittierende Einheit 102b anstößt, oder mittig darin angeordnet.
Erwiesenermaßen
ist diese Anordnung zweckmäßig, da
eine weiter verstärkte
Empfindlichkeit dadurch erreicht wird, daß eine größere Menge von Neutronen reflektiert
und moderiert und somit detektiert wird.
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Gemäß einer
Ausführungsform
ist die lichtemittierende Einheit 102b ein Szintillator,
der eine bekannte Standardeinheit ist, die ein nukleares Ereignis registriert
und einen Lichtblitz emittiert, wenn z. B. ein thermisches Neutron
auf den Szintillator 102b trifft. In der Praxis werden
Photonen freigesetzt. Ein Beispiel für einen Szintillator 102b ist
mit dem Lithiumisotop Li-6 angereichertes Glas.
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Gemäß einer
Ausführungsform
ist die lichtaufzeichnende Einheit 102a ein Photovervielfacher,
der ebenfalls eine bekannte Standardeinheit ist, die selbst sehr
schwache Licht blitze/Photonen aufzeichnet und einen elektrischen
Impuls auf der Grundlage eines oder mehrerer davon erzeugt. Alternativ
ist die lichtaufzeichnende Einheit 102a eine Photodiode.
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Die
elektrische Schaltung 105 empfängt elektrische Impulse/Signale
von der lichtaufzeichnenden Einheit/vom Photovervielfacher 102a und kann
dadurch diese Signale in Abhängigkeit
vom aktuellen Gebrauch aufzeichnen und/oder verarbeiten, z. B. zum
Abschätzen
von Fällen
von Wasser 101 oder für
andere Anwendungen. Beispielsweise können ein oder mehrere elektrische
Ausgangssignale 108 von der elektrischen Schaltung 105 z.
B. für
eine Anzeige/ein Meßgerät (nicht
gezeigt) verwendet werden, worauf die geschätzte Menge angezeigt wird, und
oder für
andere Funktionen.
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Weiterhin
kann die Detektionsvorrichtung 100 andere Arten von lichtleitendem
Material 104' aufweisen
(optional nicht wasserstoffhaltige Materialien, z. B. Glas). Die
anderen Arten von lichtleitendem Material können einen Neutronen moderierenden
Effekt haben; gleichwohl ist dies nicht erforderlich, sofern es
nicht wesentlich ist, daß die
Detektionsvorrichtung kleine Wassermengen detektieren kann.
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Vorzugsweise
stoßen
die lichtaufzeichnende Einheit/der Photovervielfacher 102a und
der Lichtleiter 104 an der Detektionsfläche 107 der lichtaufzeichnenden
Einheit/des Photovervielfachers 102a mit einem optischen
Anpassungsmaterial, z. B. Silikonfett, transparente Silikondichtungsmassen
usw., dazwischen an/aneinander, um die kleinstmögliche optische Dämpfung am Übergang
zu gewährleisten.
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Die
Neutronenquelle 103 kann z. B. eine Neutronenquelle auf
Isotopenbasis sein.
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Alternativ
kann die Neutronenquelle 103 auch an anderen Stellen als
in/um die Mitte des Lichtleiters 104' liegen.
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Die
elektrische Schaltung 105 kann viele Funktionen erfüllen und
kann viele Konfigurationen in Abhängigkeit vom relevanten Gebrauch
der Erfindung haben. Beispielsweise braucht eine einfache elektrische
Schaltung nur die Anzahl elektrischer Impulse vom Photovervielfacher/von
der lichtaufzeichnenden Einheit 102a für eine Zeitspanne zu registrieren,
um die Menge von Wasserstoff/Wasser auf einfache Weise abschätzen zu
können.
Alternativ können
fortgeschrittenere elektrische Schaltungen zum Einsatz kommen.
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Ferner
kann die Vorrichtung 100 eine Materialscheibe, eine Platte
oder ein Element usw. (nicht gezeigt) aufweisen, die (das) so angeordnet
ist, daß die
Neutronenquelle 103 zwischen ihr (ihm) und der Detektionsfläche 109 liegt.
Die Scheibe, die Platte oder das Element usw. muß aus einem Material bestehen,
das die Eigenschaft besitzt, daß es
Neutronen ohne erheblichen Energieverlust gut reflektiert, z. B.
Eisen oder Molybdän.
Weiterhin kann die Vorrichtung 100 einen Ring, eine Röhre, einen
Zylinder usw. aufweisen, der (die) so angeordnet ist, daß er (sie)
die Neutronenquelle umgibt, wodurch etwaige Gammastrahlung entfernt
wird, die ansonsten falsche Anzeigen bei Reaktion mit der lichtemittierenden
Einheit 102b liefern kann. Dieser Ring, diese Röhre, dieser
Zylinder usw. kann ansonsten falsche Anzeigen bei Reaktion mit der
lichtemittierenden Einheit 102b liefern. Dieser Ring, diese
Röhre,
dieser Zylinder usw. muß aus
einem Material mit der Eigenschaft bestehen, insbesondere Gammastrahlung
zu absorbieren, z. B. Blei oder Wolfram.
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2b veranschaulicht
schematisch eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die Zeichnung zeigt eine erfindungsgemäße Detektionsvorrichtung 100 mit
den gleichen Elementen/Einheiten, die in Verbindung mit 2a gezeigt
und erläutert,
aber anders angeordnet und optional konfiguriert sind. Insbesondere
ist die Kombination aus Moderator und lichtleitender Einheit 104'' so konfiguriert, daß sie das
Licht im wesentlichen parallel zur Detektionsfläche 109 der Detektionsvorrichtung 100 zur
lichtaufzeichnenden Einheit 102a leitet (im Gegensatz zur
Ausfüh rungsform
gemäß 2a,
in der das Licht im wesentlichen senkrecht zur Detektionsfläche 109 geleitet
wird), was eine recht langgestreckte Konfiguration der Detektionsvorrichtung 100 ermöglicht.
Darstellungsgemäß kann die
lichtleitende Einheit 104'' z. B. mit einem
solchen zweidimensionalen Profil wie einem Dreieck konfiguriert
sein, in dem eintreffendes Licht von der lichtemittierenden Einheit 102 im
wesentlichen senkrecht bezogen auf die Eingangsrichtung reflektiert wird,
d. h. im wesentlichen parallel zur Detektionsfläche 109.
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Alternativ
kann die lichtleitende Einheit 104'' ein
Satz optischer Fasern/optischer Faserkabel sein, der das Licht relativ
zur Primäreinfallsrichtung
seitlich abwinkelt/wegdreht/ablenkt, d. h. im wesentlichen parallel
zur Detektionsfläche 109.
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Die
Bewegung des Lichts von der lichtemittierenden Einheit 102b zur
lichtaufzeichnenden Einheit 102a ist in der Darstellung
mit gestrichelten Pfeilen schematisch gezeigt.
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In
der dargestellten Ausführungsform
ist die lichtleitende Einheit 104'' im
wesentlichen mit einer Fläche
konfiguriert, die an die lichtemittierende Einheit 102b angrenzt,
und hat eine relativ kleine Fläche benachbart
zu einer Detektionsfläche 107 der lichtaufzeichnenden
Einheit 102a.
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Dadurch
wird eine langgestreckte Konfiguration erreicht, die besonders vorteilhaft
ist, wenn eine vergleichsweise flache Detektionsvorrichtung 100 bereitgestellt
werden soll, z. B. wenn sie an der Unterseite der Decksplatte 110 angeordnet
wird und sie nicht zu weit von der Decksplatte nach unten vorstehen
soll.
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2c zeigt
schematisch eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die dargestellte Ausführungsform
entspricht der gemäß 2a,
wobei aber die Lage der Neutronenquelle 103 geändert ist.
In der gezeigten Ausführungsform
ist die Neutronenquelle 103 weiter zur Mitte des Moderators 104' konfiguriert,
d. h. nicht in der Fläche des
Moderators 104',
die an die lichtemittierende Einheit 102b angrenzt. Alternativ
kann die Neutronenquelle 103 z. B. weiter in Richtung einer der
Seiten des Moderators 104' angeordnet
sein.
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Wird
nur eine Detektionsvorrichtung verwendet, läge als Auswahl nahe, sie am
Vordeck anzuordnen; aber bei der Wasserdetektion auf einem Schiffsdeck 200 ist
es natürlich
möglich,
mehrere Detektionsvorrichtungen 100 zu verwenden, die jeweils
unter der Oberseite des Schiffsdecks angeordnet und über das
Schiffsdeck 200 jeweils an mehreren Stellen mit Hilfe mehrerer
Vorrichtungen verteilt sind. 3 zeigt
schematisch ein Beispiel für
ein Schiff von oben mit einem Schiffsdeck 200 mit Ladung 210, einer
Brücke 220 und
einer Anzahl erfindungsgemäßer Detektionsvorrichtungen 100.
In 3 sind zwei Detektionsvorrichtungen gezeigt; deutlich
ist aber, daß,
jede gewünschte
Anzahl von Detektionsvorrichtungen verwendet werden kann, was z.
B. von der Größe und Art
des Schiffs, früheren
Erfahrungen mit Fällen
von blauem Wasser usw. abhängt.
Normalerweise sind aber Detektionsvorrichtungen auf dem Schiffsdeck
an vorderster Position angeordnet.
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Vorzugsweise
ist die erfindungsgemäße Detektionsvorrichtung
mit einer Einrichtung 105 zum Kalibrieren der Vorrichtung
durch Aufzeichnen der Intensität
thermischer Neutronen unter bekannten Umständen als Kalibrierwert konfiguriert,
der in einer geeigneten Speichereinheit zum späteren Abruf zur Verwendung
im Vergleich mit Detektionswerten gespeichert ist. Ableiten läßt sich
dieser Kalibrierwert aus dem Signal, das die Menge von Wassermaterial schätzt, um
so eine genauere Schätzung
der Wasserstoffmenge erreichen zu können, die sich aus Wasser auf
dem Schiffsdeck ableitet. Diese Einrichtung kann z. B. eine Taste
an der Detektionsvorrichtung aufweisen, wobei diese Taste aktiviert
werden kann, wenn z. B. die Schiffsladung an Bord genommen wird,
um so etwaige Fehlerquellen zu berücksichtigen. Zu solchen etwaigen
Fehlerquellen könnten
wasserstoffhaltige Materialien in Massengutladungsmengen und radioaktives
Material in der Nähe der
Detektionsvorrichtung gehören.
Zudem kann darauf geachtet werden, die Kalibrierung durchzuführen, wenn
die Decksplatte im wesentlichen wasser-, schnee- und eisfrei ist,
was bewirkt, daß der
Kalibrierwert für
diesen Zustand zur Verwendung bei der Berechnung der Menge von wasserstoffhaltigem
Material in Fällen
von Wasser registriert wird. Besonders zweckmäßig ist es, die Kalibrierung
nach Montage der Vorrichtung durchzuführen.
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Normalerweise
ist die erfindungsgemäße Detektionsvorrichtung
mit einem Gehäuse
konfiguriert (in den Zeichnungen nicht gezeigt). Dieses Gehäuse kann
vorteilhaft so konfiguriert sein, daß es eine Neutronen reflektierende
Wirkung hat, z. B. durch Gebrauch von Eisen. Natürlich steigt damit das Gewicht
verglichen mit anderen, leichteren Materialien. Da aber die Bedeutung
von erhöhtem
Gewicht einer an der Unterseite eines Schiffsdecks anzuordnenden
Vorrichtung unerheblich ist, kann somit Eisen mit den von Eisen
bereitgestellten Vorzügen
vorteilhaft verwendet werden.
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Im
folgenden wird erläutert,
wie die Detektionsvorrichtung zur Aufzeichnung der Wassermenge auf
einem Schiffsdeck verwendet werden kann. Ist kein Wasser auf dem
Deck vorhanden, hat die Detektionsvorrichtung einen Wert, der im
wesentlichen das Ergebnis von Gammastrahlung von der Neutronenquelle
ist. Somit wird dieser Wert konstant sein. Blaues Wasser, d. h.
Wasser als Ergebnis von Überflutungen
(Seeschlag) auf dem Schiffsdeck, z. B. bei der Fahrt in hohen Wellen,
wird als Perioden kürzerer Dauer
mit höheren
Werten angezeigt. Etwaige Vereisungen oder Schnee, die sich auf
dem Deck ablagern, werden ebenfalls detektiert und als Wert angezeigt,
der mit der Dicke der Eins-/Schneeschicht zunimmt, ansonsten aber
konstant ist. Daher könnte blaues
Wasser oben auf einer Eisschicht als Detektion eines bestimmten
Werts detektiert werden, der nicht unter einen erhöhten Wert
sinkt, aber für
eine recht kurze Periode bezogen auf diesen erhöhten Wert gesteigert ist. Festgestellt
wurde, daß die
Vorrichtung Vereisung detektieren kann und blaues Wasser oben auf
einer Schicht aus Eis oder Schnee bis mindestens 80 mm detektieren
kann.
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Erwähnt wurde,
daß im
wesentlichen eine Stahldecksplatte mit begrenzter Dicke die Neutronen nicht
absorbiert, weshalb die Vorrichtung Wasser durch das Schiffsdeck
detektieren kann. Es sei darauf verwiesen, daß die Vorrichtung und das Verfahren
gemäß der Erfindung
nicht auf den Gebrauch in Verbindung mit Stahldecksplatten beschränkt sind; statt
dessen können
sie zur Verwendung in Verbindung mit anderen Decksmaterialien angepaßt sein, z.
B. glasfaserverstärktes
Polyester o. a. Allerdings reduzieren die Wasserstoffgehalte in
glasfaserverstärktem
Polyester die Empfindlichkeit der Detektionsvorrichtung.
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Die
elektrische Schaltung der Detektionsvorrichtung muß den Aktivitätsabfall
der Neutronenquelle korrigieren, was sowohl bekannt als auch einfach ist.
Kommt z. B. eine Californiumquelle zum Einsatz, ist mit einem Austausch
in geeigneten Abständen,
z. B. alle vier Jahre, zu rechnen. Da die radioaktive Quellen enthaltende
Vorrichtung periodischen Kontrollen nach den meisten nationalen
Gesetzgebungen unterliegt, z. B. im Zweijahresabstand, könnte der
Austausch der Neutronenquelle mit einer solchen periodischen Kontrolle
kombiniert werden. Weiterhin könnten
vollständige
Korrekturen am elektronischen Betrieb der Detektionsvorrichtung
vorgenommen werden, wodurch die Werte der Detektionsvorrichtung
sehr zuverlässig
würden.
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Mit "Decksplatte" soll die eigentliche
Platte bezeichnet werden, die das Schiffsdeck, d. h. die über der
Decksplatte liegende Ebene, von der Ebene, z. B. dem Laderaum oder
dem Zwischendeck trennt, die unter dem Schiffsdeck liegt. Mit "Oberseite des Schiffsdecks" soll die nach oben
weisende Oberfläche
der Decksplatte bezeichnet werden, während "auf einem Schiffsdeck" synonym zur Bedeutung
von "über der
Oberseite der Decksplatte" aufzufassen
ist. Daß etwas
unter der Oberfläche
des Schiffsdecks liegt, ist so zu verstehen, daß es unter der Oberseite der
Decksplatte enthalten ist, d. h. nicht durch die Decksplatte nach
oben vorsteht, sondern umgekehrt vollständig unter der Decksplatte
liegt oder sich optional teilweise eingebettet in der Decksplatte
befindet, z. B. in einer Aussparung in der nach unten weisenden
Fläche
der Decksplatte. Impliziert wird, daß der Begriff "Wasser" sowohl "Süßwasser" als auch "Salzwasser" erfaßt und daß die Detektion des Vorhandenseins
von Wasser auf dem Schiffsdeck unabhängig davon ist, ob das Wasser
Süßwasser
oder Salzwasser ist, und unabhängig
von etwaigen Verunreinigungen im Wasser.