NO116256B - - Google Patents

Description

Fremgangsmåte og anordning til å måle fysikalske egenskaper for primær røntgen- eller gammastråling.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte til å måle de fysikalske egenskaper for primær røntgenstråling og gammastråling, fortrinnsvis for måling av utbrenningen og utbrennings-forløpet hos kjernebrennstoffer, idet en måleanordning påvirkes ved koincidens respektive antikoincidens i tid mellom pulser som opptrer i detektorer og idet primærstrålingen tilføres en halvlederdetektor. Det er også frembragt en anordning for gjennomføring av fremgangsmåten.-

Ifølge oppfinnelsen kan målingen skje ved at spredt tilbakestråling fra halvlederen deretter tilføres en eller flere detektorer og at pulsene som opptrer i halvlederdetektoren og i detektoren for den spredte tilbakestråling føres videre til måleanordningen.-

De vesentlige trekk ved anordningen for gjennomføring av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen ligger i at anordningen ved siden av en kollimator for å utvelge en strålebunt, og en halvlederdetektor til å oppfange en strålebunt,også omfatter en eller flere ytterligere detektorer og at halvlederdetektoren og den eller de ytterligere detektor(er) er forbundet på i og for seg kjent måte over en koincidenskobling med en måleinnretning. Det foretrukne anvendelsesområ-det for fremgangsmåten og anordningen ifølge oppfinnelsen ligger på det området å måle brennstoffelementer hos kjernere^ktorer. Det er herunder på en ytterst fordelaktig måte mulig å gjennomføre en slik forstyrrelsesfri måling av brennstoffelementer. Målingen utstrekker seg herunder til forskjellige forbrenningstilstander hos brennstoffelementene såvel som til forskjellige forbrenningsprosesser. Man kan således ved et forstyrrelsesfritt undersøkt brennstoffelement ikke bare trekke slutninger om forbreriningstilstanden på tidspunktet for målingen, men også slutninger om den hittil forløpne forbren-ningsprosess.-

Hos atomreaktoranlegg som brukes til teknisk energifremstil-ling er det av økonomiske årsaker ønskelig å kjenne forbrenningstilstanden for brennstoffelementer så nøyaktig som mulig på forskjellige tidspunkter. Et slikt kjennskap tillater en optimal programmering av brennstoffelementene i reaktorkjernen og dermed oppnåelsen av høyere energiutbytte. Dessuten er det i tilknytning til kontrolltil-tak nødvendig å ha til disposisjon en måleteknisk uavhengig kontroll-mulighet for angivelsene fra den' som driver reaktoren. Ved spalt-ningsprosessene i kjernebrennstoffer oppstår det over hundre forskjellige radioaktive isotoper, som har lengre eller kortere halve-ringstider og karakteristiske gammaenergier. Ved hjelp av den beskrevne fremgangsmåte kan man trekke inn et bestemt antall gunstige spaltningsprodukter for å bedømme forbrenningstilstanden og forbren-ningshistotikken. Det er for dette bare nødvendig å oppnå ved gamma-spektroskopiske metoder en oppløsning av gammaenergiene for de spaltningsprodukter som kommer i betraktning. Er dette lykkes, er det tilstrekkelig med en sammenlikning av de relative intensiteter for de målte gammelinjer, fordi intensiteten for de enkelte gammalinjer innbyrdes kan forutsies ut fra reaktorens spaltingsutbytte og drifts-tid og ventetid. Omvendt gar kjennskapet til intensiteten for de forskjellige spaltningsprodukter den mulighet å trekke slutninger om driftstilstanden for reaktoren. Denne mere kompliserte prosess vil vel fortrinnsvis finne anvendelse til kontrollformål. Derimot tillater målingen av en enkelt spaltningsproduktlinje, for eksempel for det langlivete Cesium 157, å fastslå hvor meget totalnøytrondo-sis og dermed forbrenning som brennstoffelementet har vært utsatt for. Allerede denne informasjon alene er av teknisk og økonomisk betydning for programmeringen av brennstoffet. Tidligere kunne lik-nende informasjoner bare oppnås ved å ødelegge brennstoffelementet og med radiokjemisk analyse; dette er en fremgangsmåte som på grunn av de ytterst høye aktiviteter som herunder opptrer, er ytterst om-stendelig og dessuten dyr og unøyaktig. Prinsipielt sett kan oppfinnelsestanken brukes til faste, flytende og gassformige stoffer.-

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen støtter seg i det vesentlige til den Compton-effekt som opptrer ved røntgenstråler, henholds-vis pardannelseseffekten.-

Anordninger ifølge oppfinnelsen er vist som eksempler på teg-ningene, hvor: Fig. 1 og 2 viser skjematisk oppbyggingen av anordningen iføl-ge oppfinnelsen for forskjellige fysikalske målinger.-Fig. 3 illustrerer en anordning til å måle den energetiske sammensetning av strålingen.-Fig. 4 og 5 viser i riss som hører til hverandre halvlederdetektoren. -

Fig. 6 viser den elektriske kobling som brukes.-

Fig. 7 og 8 viser diagrammer som muliggjør en enkel forklaring av virkemåten for oppfinnelsesgjenstanden i tilknytning til disse.

Fig. 9 illustrerer et særlig anvendelseseksempel, delvis vist

i snitt.-

Fig. 10 viser i større målestokk en hertil hørende detalj.-

Av fig. 1 og 2 ser man at primærstrålingen som kommer fra en strålingskilde 14 for' gamma- eller røntgenstråling først går gjennom en kollimator 1 for å utvelge en strålebunt 2.-

Strålingen 2 treffer deretter på en halvlederdetektor 3. Ved at primærstrålingen treffer halvlederdetektoren 3 blir det ifølge Gompton-effekten avgitt en del av strålingsenergien til et elektron i beholderen, mens den resterende del av energien fra primærstrålen gjenfinnes i form av spredt tilbakestråling 4. Denne tilbakestråling 4 kommer da til en oppfangningsanordning 5 i form av et krystall,

og fortrinnsvis brukes det et IlaJ-krystall. Som man vil se av fig.

1, er tilbakestrålingsretningen for den reflekterte stråling 4 i forhold til den ankommende stråling 2 svinget om over omtrent 180°, da den tilbakestrålte energistørrelse holder seg nesten konstant ved denne vinkel. De pulser som frembringes i elementene 3 og 5 ved strålingene bringes til å samvirke i særdeleshet i en koinsidens-kobling, så at man får det ønskete resultat på en måleanordning 7.-Fig. 2 viser praktisk talt de samme forhold. I motsetning an-drar imidlertid vinkelen mellom den spredte tilbakestråling 4 og den innkommende stråling 2 her til omtrent 90°; denne kobling finner anvendelse for å måle den lineære polarisasjon. Herunder blir i første rekke målt tellehastighetene i avhengighet av en rotasjon om akselen for den innfallende primærstråling (for eksempel gammastråling).-

I alle disse tilfeller oppnås det hver gang en høy energiopp-løsning ved anvendelsen av halvlederdetektoren. Fig 3 gjengir i stir-re målestokk den vesentlige måledel i fig. 1. Her er det anordnet flere oppfangingsanordninger 5, slik det vil ses. Dessuten ser man at strålingen 2 bringes inn nær den positive elektrode for halvlederdetektoren 3.-

Likeledes viser fig. 4 og 5 halvlederdetektoren 3 i snitt og

i større målestokk. Detektoren er anbragt i et bronsehus 8 som har et aluminiumvindu 9, for at strålingen kan tre inn i dette. Huset 8 er herunder fylt med en inert gass, for eksempel tørket nitrogen. Halvlederdetektoren 3 kjøles, fortrinnsvis over en kobbersokkel som er dykket ned i flytende luft. En kjøling med ekvivalente midler, for eksempel under anvendelse av peltiereffekten, er likeledes tenkelig. Kjølingen holder forstyrrelsesnivået for denne detektor på et mini-mum. Med hensyn til forskjellige konstruksjoner for slike halvleder-detektorer 3 henvises atter til fig. 3. Deri er et hus 10 fremstilt av "Plexiglass" som inneholder et vindu av "Mylar". I huset sirkule-rer her tørket luft mellom ytterveggen og det innenforliggende hus 8 av bronse. Derved hindres enhver kondensasjon av fuktighet.-Fig. 6 viser et eksempel på en forsterker som kan benyttes direkte tilkoblet halvlederdetektoren. Dens vesentlige fordel ligger i et lavt støynivå. Forsterkeren har en klemme 40 som pålegges + 300 volt, en klemme 41 med -25 volt og en jording 42. Detektorforspennin-gen blir tilført ved 43 og lagt over en belastningsmotstand 44. Detektoren blir koblet til en inngang 45. Et rør 46 og en transistor 47 danner et kaskade-inngangstrinn. To transistorer 48 og 49 danner et omvendertrinn. En omkoblingsanordning 50 sikrer positive utgangs-pulser ved alle detektortyper (positive eller negative inngangspul-ser). En liten kondensator 51 bevirker en kapasitiv tilbakekobling. 52, 53 og 54 betegner en differensieringskobling og 55, 56 og 57 ytterligere translstorforsterkere. 58 er utgangen med en impedans 59 på 1 kOhm. 60 og 61 er tilbakekoblinger. Ved 62 kan en kvikksølvpul-sator tilkobles for måleformål.-Fig. 7 og 8 vedrører særlige utførelseseksempler for oppfinnelsesgjenstanden. Fig. 7 illustrerer et spektrum for kobblt-60, slik det fåes direkte fra en halvleder. Man ser at fotospissene er skjult i en forholdsvis høy bakgrunn. I motsetning til dette sees det av fig.

8 et opptak, hvor en koincidenskobling ifølge oppfinnelsen finner anvendelse.- Ifølge oppfinnelsen avtegner fotospissene seg tydelig over bakgrunnen.-

Fig. 9 illustrerer en anordning hvormed fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen finner anvendelse til å måle brennstoffelemementet hos kjernereaktoren. Måleanordningen (som står til venstre i figuren) ligger utenfor reaktortanken 21. Måleanordningen er anbragt bevege-lig. Brennstoff elementene 22 ligger inne i tanken. I tilknytning til brennstoffelementet 22 er det anordnet en første kollimatordel 23, deretter følger det allerede utenfor tanken en annen kollimatordel 24, som ligger i en avskjerming 25 foran tanken. Endelig kommer man til en tredje kollimatordel 26 utenfor denne avskjerming. En stråling som utgår fra brennstoffelementet blir da på den foran beskrevne må-te ført til halvlederdetektoren 3 og derfra (ikke vist) målt videre slik som dette er forklart foran. I fig. 9 ser man tydelig kjølingen av halvlederdetektoren 3 ved at en kobberstav 29 er dykket ned i et kar 30 med flytende luft. Por å holde det området som bestrykes av måleanordningen i omgivelsene for brennstoffelementene 22 fritt for forstyrrelser, innblåses det ved 27 gass eller luft. I det foreliggende tilfelle foregår innblåsingen fra en lufttank 31, mens brennstoffelementet 22 er omgitt av vann. Por ytterligere å utelukke forstyrrelser så langt som mulig, holdes avstanden 28 mellom brennstoffelementet 22 og den første kollimatordel 23 lav. De vesentlige kon-struktive deler i denne måleanordning er anordnet innstillbare og fastgjørbare, for å kunne tilfredsstille alle tenkelige muligheter.-Endelig viser fig. 10, atter i større målestokk, den vesentlige anordning for å gjennomføre denne måling. De samme deler er forsynt med de samme henvisningstall, så at det her er unødvendig med en gjentatt forklaring.-

Oppfinnelsen er ikke begrenset til de viste utførelsesformer. Prinsipielt sett ligger oppfinnelsestanken i at det brukes en halvlederdetektor der hvor en innkommende stråling, særlig gammastråling hvis energetiske sammensetning skal analyseres. Herunder kan målingen ikke bare bero på Compton-effekten, men også på pardannelsesef-fekten i beholderen. Hos spektrometre fastslåes den energétiské sammensetning og hos polarimeteret blir primært polarisasjonen for gam-mastrålen fastslått. Prinsipielt sett kommer alle mulige vinkler

for innkommende og reflektert stråling på tale, hvorunder forskjellige ømfintligheter er funksjoner av denne vinkel. Særlig henvises det dessuten til at den tekniske anvendelse hovedsakelig er gitt på det

område å måle forstyrrelsesfritt forbrenningen av kjernebrennstoffer. I dette tilfelle foreligger det et meget komplisert spektrum, og den egnete gammalinje for Cesium 137 kan for øyeblikket bare måles i dette spektrum.-

Claims (8)

1. Fremgangsmåte til å måle de fysikalske egenskaper for primær røntgen- eller gammastråling, fortrinnsvis for måling av utbrenningen og utbrenningsforløpet hos kjerne-brennstof fer, idet en måleanordning påvirkes ved koincidens respektive antikoincidens i tid mellom pulser som opptrer i detektorer, og idet primærstrålingen tilføres en halvlederdetektor,karakterisert vedat spredt tilbakestråling fra halvlederen deretter tilføres en eller flere detektorer og at pulsene som opptrer i halvlederdetektoren og i detektorene for den spredte til-bakeføring føres videre til måleanordningen.-

2. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1,karakterisert vedat primærstrålingen innføres nær den positive elektrode i halvlederdetektoren.-

3. Anordning for gjennomføring av fremgangsmåten iføl-ge krav 1 eller 2, hvor det i banen for strålingen er anbragt en kollimator (l) og bak denne en halvlederdetektor (3) for å oppfange en strålebunt,karakterisertved at halvlederdetektoren (3) ligger i innstrålings-aksen for den primære stråling og har en avskjermet inn-gangsåpning, at en eller flere ytterligere detektorer (5) er anordnet i området for den spredte tilbakestråling (4) fra halvlederdetektoren, samt at halvlederdetektoren (3) og den eller de ytterligere detektor(er) (5) er forbundet på i og for seg kjent måte over en koincidenskobling (6) med en måleinnretning (7).-

4.Anordning i samsvar med krav 3,karakterisert vedat detektorene (5) som oppfanger den spredte tilbakestråling (4) dannes av halvlederelementer (fig. 1-3).-

5. Anordning i samsvar med krav 3 eller 4,karakterisert vedat vinkelen mellom primEjrstrålin-gens akse gjennom halvlederdetektoren (3) og den spredte tilbakestrålingens akse gjennom den oppfangende detektor (5, fig. 1) er nær 180°.-

6. Anordning i samsvar med krav 3 eller 4,karakterisert vedat vinkelen mellom primærstrålin-gens akse gjennom halvlederdetektoren (3) og den spredte tilbakestrålingens akse gjennom den oppfangende detektor (5, fig. 2) er nær 90°.-

7. Anordning i samsvar med et av kravene 3 til 6,karakterisert vedat det som halvleder (11) anvendes silicium tilsatt litium (fig. 4, 5).-

8. Anordning i samsvar med et av kravene 3 til 7,karakterisert vedat kollimatoren (1) som ligger foran halvlederelementet (3) har en del (23) inne i en reaktortank (21), en del (24) inne i en avskjerming (25) foran tanken og en tredje del (26) utenfor denne av-skjermingen.-