Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Temperatur eines Mittels
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Temperatur eines Mittels.
Es ist manchmal erwünscht, die Temperatur eines Mittels unter Umständen zu messen, unter denen das Mittel normalen Thermometern nicht zugänglich ist oder unter denen solche Thermometer den Zustand oder die Temperatur des Mittels stören würden.
Ausserdem sind die heutigen Thermometer wenig geeignet für tiefe Temperaturen, z. B. unter 200 K.
Für Temperaturen unter 10 K gibt es keine Thermometer, was insbesondere in der Schwierigkeit, bei solchen tiefen Temperaturen thermisches Gleichgewicht zwischen dem Mittel mit seiner schlechten Wärmeleitung und einem Teil des Thermometers herzustellen, ohne dass sich die Temperatur des kalten Mittels ändert, seine Ursache findet.
Das Verfahren nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ungeladene Teilchen in das Mittel eingebracht werden, dass ungeladene Teilchen, die in thermisches Gleichgewicht mit dem Mittel gekommen sind und aus dem Mittel austreten, detektiert werden, und dass von der Energie der detektierten Teilchen die Temperatur des Mittels abgeleitet wird.
Vorzugsweise finden Neutronen als ungeladene Teilchen Verwendung.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand einer Zeichnung beispielsweise näher erläutert, in der
Fig. 1 schematisch eine Ausführungsform eines Gerätes nach der Erfindung darstellt,
Fig. 2 schematisch eine andere Ausführungsform darstellt,
Fig. 3 ein Gerät zum Bestimmen der Temperatur nach der Erfindung zeigt,
Fig. 4 eine graphische Darstellung der Geschwindigkeitsverteilung von auf thermische Geschwindigkeiten abgebremsten Neutronen ist, und
Fig. 5 eine graphische Darstellung ist, welche die Beziehung zwischen dem Logarithmus der Zählgeschwindigkeit und der Dicke des absorbierenden Mittels darstellt.
Das Gerät der Fig. 1 enthält eine Neutronenquelle 10. Diese kann jede Substanz oder Vorrichtung sein, die Neutronen zu erzeugen vermag, z. B. ein Kernreaktor, ein Zyklotron oder ein Van de Graaff-Generator. Vorzugsweise ist sie ein radioaktives Material, das während seines spontanen Zerfalles allein oder in Verbidung mit anderen Materialien Neutronen aussendet. Dies führt zu einer sehr gedrängten Neu tronenqueile mit bekannter Energie. Auch andere Teilchen oder Strahlungen können von einer solchen Quelle ausgesandt werden, aber dies ist nicht wichtig, wenn sie nicht auf die Substanz oder den Körper einwirken, deren bzw. dessen Temperatur bestimmt werden muss. Anderseits können sie, wenn sie unerwünscht sind, mit bekannten Hilfsmitteln ausgefiltert werden, oder aber es können auf Grund ihres Vorhandenseins Korrektionen vorgenommen werden.
Ein geeignetes, Neutronen aussendendes radioaktives Material ist Radiumchlorid, das innig mit Berylliummetallpulver gemischt ist. Diese Quelle liefert Neutronen mit einer Energie von 3 bis 5 MeV. Es kann erwünscht sein, die Energie der Neutronen auf einen Wert herabzusetzen, den sie haben würden, wenn sie mit der Umgebung im Gleichgewicht wären. Diese Umwandlung in sogenannte thermische Neutronen ist dadurch erzielbar, dass die Quelle mit einem Moderator umgeben wird. Ein geeigneter Moderator für die vorstehend erwähnte Quelle ist Eis mit einem Halbmesser von etwa 5 cm.
Die Körper oder die Substanz, dessen bzw. deren Temperatur gemessen werden muss, ist schematisch durch 11 angegeben. Er bzw. sie ist mit einer Bohrung oder Mulde oder Öffnung versehen, die mit 12 bezeichnet ist.
Das Detektionssystem ist mit 13 bezeichnet; es enthält zwei Kollimatoren 14, die Glieder sein können, die Neutronen zu absorbieren vermögen und z. B. aus Bor bestehen, während durch die mittleren Öffnungen Neutronen hindurchwandern können, und einen Detektor 15. Der Neutronendetektor 15 kann auf bekannte Weise ausgebildet sein. Er kann aus einer Reihe von Indiumfolien aufgebaut sein, die durch Neutronenbeschuss radiaktiv gemacht werden, wobei das Mass der Radioaktivität durch die Energie der auftreffenden Neutronen bestimmt wird. Durch Messung der Radioaktivität der Folien lässt sich die Energie der Neutronen ermitteln. Vorzugsweise jedoch findet ein Bortrifluorid-Proportionalzähler bekannter Bauart Verwendung, weil er einfacher und verwendungsfähiger ist. Diese Detektoren sind aus Kaplan, Nuclear Physics , 1955, Kapitel 18-2, bekannt.
Die mit Hilfe eines Bortrifluorid-Zählers erhaltene Information hat die Form einer Folge elektrischer Impulse, wobei jeder Impuls der Auslösung eines Ionisationsvorganges im Zähler durch ein eintretendes Neutron entspricht. Die Energie des eintretenden Neutrons bestimmt die Wahrscheinlichkeit des Zustandekommens eines Ionisationsvorganges, die ihrerseits die Zahl der Ausgansimpulse des Zählers bestimmt. Diese Ausgangsimpulse können verstärkt und dann in einer üblichen Zählschaltung gezählt werden, während die Ergebnisse meist von einem Registriergerät oder einem Zählmesser angegeben werden. Das übliche technische Verfahren zum Zählen von Neutronen ist die Anzeige der Ergebnisse in Form der minutlichen Zahl von Zählvorgängen oder Ausgangsimpulsen, die als Zählgeschwindigkeit bezeichnet wird.
Die Zählgeschwindigkeit ist ein Mass für den Fluss der auftreffenden Teilchen, wobei eine niedrige Zählgeschwindigkeit einen niedrigen Fluss darstellt, und so weiter.
Die Beziehung zwischen der Neutronenquelle 10 und dem Detektionssystem 13 in bezug auf den Körper 11 wird so gewählt, dass die Neutronen, die thermisches Gleichgewicht mit dem Körper 11 erreicht haben, gezählt werden. Dieses Verfahren, das auch als Abbremsen auf thermische Geschwindigkeit bezeichnet wird, bedeutet, dass sich nichtreaktive elastische oder unelastische Zusammenstösse zwischen den auftreffenden Neutronen 16 der Quelle 10 und im Körper 11 ergeben. Wenn diese eintreffenden Neutronen den Resonanzeinfang übergeben, werden sie am Ende auf thermische Geschwindigkeit abgebremst, was bedeutet, dass sie dann eine kinetische Energie von der gleichen Grössenordnung wie die infolge der Wärmebewegung der Kerne im Körper haben und dass sie statisch keine Energie gewinnen oder verlieren.
Sie besitzen eine Maxwellsche Geschwindigkeits- und Energieverteilung und diffundieren einfach durch den Körper hindurch, bis sie austreten oder eingefangen werden. Die einfallenden Neutronen 16 haben die Energie, die ihnen von der Quelle 10 erteilt ist, oder eine niedrigere Energie infolge ihres Durchganges durch eihen Moderator. Im Moderator erfahren sie mehrere nichtreaktive Zusammenstösse, was einen Verlust von Energie im Moderator zur Folge hat. Als Beispiel sei erwähnt, dass ungefähr achtzehn Zusammenstösse eines Neutrons mit einer Anfangsenergie von 1 bis 5 MeV mit einem Moderator, wie HO, seine Energie auf etwa 1/40 eV herabsetzen, was einer Temperatur von 3000 K entspricht.
Wenn angenommen wird, dass Neutronen mit dieser Energie das Bündel 16 bilden, und dass der Körper 11 die Temperatur flüssigen Heliums, etwa 40K, hat, so dringen die Neutronen im Bündel 16 in den Körper 11 ein und erfahren nichtreaktive elastische und nichtelastische Zusammenstösse mit den Kernen des Körpers 11. Durch eine geeignete Regelung ist erzielbar, dass jedes eintreffende Neutron eine genügende Zahl von Zusammenstössen erfährt, um seine Energie auf etwa l/l00Q eV herabzusetzen, was einer Temperatur von 40 K entspricht. Auf diese Weise werden durch eine genügende Zahl von Zusammenstössen die einfallenden Neutronen auf thermische Geschwindigkeiten abgebremst, so dass sie nunmehr eine Energie besitzen, die der Temperatur des Körpers 11 entspricht.
Weil die Neutronen ungeladen sind, gibt es keine Oberflächenaustritts arbeit oder Grenzpotentiale, die die thermischen Neutronen im Körper festhalten. Die nicht eingefangenen Neutronen treten somit in allen Richtungen aus dem Körper aus. Einige dieser Neutronen treten in den Hohlraum 12 ein und diffundieren in Richtung der Kollimatoren 14, treten durch deren mittlere Öffnungen hindurch und gelangen am Ende in den Detektor 15, in dem sie mehrere Ionisationsvorgänge auslösen.
Das Gerät ist so ausgebildet, dass im wesentlichen nur thermische Neutronen in den Detektor 15 gelangen.
Die Kollimatoren 14 sperren somit die Neutronen, die auf der Oberfläche des Körpers 11 zerstreut werden, oder nur wenige Zusammenstösse erfahren, bevor sie austreten, ohne auf thermische Geschwindigkeiten abgebremst zu sein. Die Mulde oder Bohrung 12 trägt hierzu dadurch bei, dass sie Neutronen 17 aus der Tiefe des Körpers 11 sammelt, was bedeutet, dass sie eine Vielzahl von Zusammenstössen erfahren haben müssen, um von der Obefläche her das Innere des Körpers zu erreichen. Um diese Wirkung zu gewährleisten, muss die Tiefe der Bohrung grösser als der Durchmesser sein, und der Kollimator wird so angeordnet, dass nur die Neutronen, die aus der Tiefe der Bohrung heraustreten, den Detektor erreichen können.
Für dünne Körper 11 kann die in Fig. 2 dargestellte Anordnung gewählt werden. Hierbei hat die Neutronenquelle eine andere geometrische Anordnung als der Detektor 15. Hierdurch wird die Detektion der Neutronen vermieden, die unmittelbar durch den Körper 11 hindurchwandern und nicht genug Zusammenstösse erfahren, um thermisch > zu werden.
Andere Neutronen diffundieren durch den Körper hindurch und erfahren dabei weitere Zusammenstösse, und einige werden als ein Bündel 17 austreten, das detektiert werden kann. Durch diese Steigerung der Länge der Bahn im Material, die die Neutronen zurücklegen müssen, bevor sie detektiert werden, ist erzielbar, dass sie auf thermische Geschwindigkeiten abgebremst werden.
Wie die Zählgeschwindigkeit des Detektors dazu Verwendung finden kann, um die Temperatur des Körpers oder der Substanz 11 zu bestimmen, geht aus folgendem hervor. Wenn die Neutronen auf thermische Geschwindigkeiten abgebremst sind, weisen sie keine feste Geschwindigkeit oder Energie auf, sondern eine Geschwindigkeitsverteilung, die der Maxwellschen Geschwindigkeitsverteilung entspricht. Es gibt für jede Temperatur der Substanz oder des Körpers 11 eine einzige Maxwellsche Geschwindigkeitsverteilung seiner thermischen Neutronen. Deshalb ist es zur Bestimmung der Temperatur des Körpers lediglich erforderlich, die Geschwindigkeitsverteilung der austretenden thermischen Neutronen zu bestimmen.
Eine solche Geschwindigkeitsverteilung, die Neutronen mit einer Temperatur von 40 K entspricht, ist durch die Kurve 20 in der graphischen Darstellung der Fig. 4 dargestellt, in der die Abszisse die Neutronengeschwindigkeiten und die Ordinate die Zahl dieser Neutronen bei einer bestimmten GeschwiXdig- keit angeben. Die Kurve 21 zeigt die Maxwellsche Geschwindigkeitsverteilung für Neutronen bei einer Temperatur von 200 K.
Es gibt mehrere bekannte Verfahren zur Bestimmung von Geschwindigkeitsverteilungen. Ein sehr bekanntes Verfahren besteht in der Verwendung eines Geschwindigkeitsselektors vor dem Detektor. Dieser kann ein Paar absorbierender Scheiben sein, die auf einer gemeinsamen Welle sitzen und in der Bahn des Neutronenbündels umlaufen. Die Scheiben haben je einen Schlitz, aber die Schlitze sind um einen Winkel gegeneinander versetzt. Nur die Neutronen innerhalb eines kleinen Geschwindigkeitsbereiches sind somit imstande, gleichzeitig durch beide Schlitze in den umlaufenden Scheiben hindurchzugehen und auf den Detektor aufzutreffen. Durch Änderung der Ge schwindigkeit der umlaufenden Scheiben wird ein anderer Bereich von Neutronengeschwindigkeiten für den Durchgang gewählt.
Wenn ein ganzer Geschwindigkeitsbereich mit einer solchen Vorrichtung untersucht und die Zählgeschwindigkeit für jedes kleine Geschwindigkeitsintervall gemessen wird, ergibt sich eine genügende Zahl von Punkten der Maxwellschen Verteilung, um sie in einem Koordinatensystem aufzutragen oder den Spitzenwert oder den Mittelwert der Geschwindigkeit zu bestimmen. Mit dieser Information führt eine einfache Berechnung zur Tem peratur) zu der detektierten Neutronen.
Ein einfacheres Verfahren besteht darin, dass neutronen ab sorbierende Mittel mit veränderlicher Dicke vor dem Detektor angeordnet werden. Fig. 1 zeigt ein solches Absorptionsmittel 19. Geeignete Materialien sind Borox, Bor, Lithium, Indium und Gold. Für Tieftemperaturmessungen kann das Indium eine mittlere Dicke von 1/8mm haben. Wenn der Logarithmus der Zählgeschwindigkeit als Funktion der Dicke des Absorptionsmittels aufgetragen wird, ergibt sich eine Kurve nach Fig. 5. Die Neigung des gradlinigen Teiles (der durch die gestrichelte Verlängerung angegeben ist) zeigt den detektierten wirksamen Querschnitt der Neutronen, der seinerseits umgekehrt proportional der Wurzel aus der absoluten Temperatur der aus dem Körper austretenden Neutronen ist.
Um den Proportionalitätsfaktor zu bestimmen, muss das Gerät geeicht werden, was bloss bedeutet, dass Messungen an einem Körper mit bekannter Temperatur durchgeführt werden müssen.
Eine einfache Berechnung ergibt dann die Temperatur eines Körpers bei einem unbekannten Wert. In der Praxis sind nur zwei Punkte erforderlich, um di Neigung der Kurve der graphischen Darstellung nach Fig. 5 zu bestimmen. Diese sind mit 24 und 25 bezeichnet, wobei 24 mit einem dünnen Absorptionsmittel und 25 mit einem dickeren Absorptionsmittel erhalten sind.
Wie aus vorstehendem ersichtlich ist, müssen beim beschriebenen Verfahren die einfallenden Neutronen im Körper oder in einer der Substanz, dessen bzw. deren Temperatur gemessen werden muss, auf thermische Geschwindigkeiten abgebremst werden. Hierfür ist es erforderlich, dass eine Mindestzahl von Zusammenstössen erfolgt, bevor die Energie oder die Geschwindigkeit der einfallenden Neutronen hoher Energie ausreichend herabgesetzt ist, um thermisches Gleichgewicht mit dem Körper oder der Substanz zu erreichen. Die Zahl der stattfindenden Zusammenstösse hängt vom Material des Körpers oder der Substanz ab. Der Körper oder die Substanz muss ein Moderator und somit imstande sein, die Neutronen abzubremsen. Zu diesem Zweck muss er bzw. sie ein geringes Atomgewicht und einen guten wirksamen Querschnitt zur Streuung der Neutronen aufweisen.
Ausserdem dürfen die Neutronen nicht verlorengehen, so dass das Material einen geringen wirksamen Querschnitt zum Einfangen von Neutronen haben muss.
Bei einem guten Moderatormaterial sind mindestens zwölf Zusammenstösse erforderlich, um die Neutronen auf thermische Geschwindigkeiten abzubremsen. Die meisten Moderatormaterialien liegen in der ersten und zweiten Spalte des periodischen Systems, und es ist eine ausreichende Menge dieses Materials erforderlich, um genug Zusammenstösse herbeizuführen.
Zum Beispiel ist etwa 5 cmWasserbei Zimmertemperatur (3000 K) erforderlich, um einfallende Neutronen mit einer Energie von 1 bis 5 MeV auf thermische Geschwindigkeiten abzubremsen. Unter den gleichen Verhältnissen sind mehr cm Graphit erforderlich, weil das höhere Atomgewicht von Graphit weniger Energieverlust je Zusammenstoss herbeiführt, so dass mehr Material erforderlich ist.
Unter 3000 K dienen insbesondere Wassersoffatome oder Wasserstoffmoleküle enthaltende Substanzen als Moderatoren. Dies bedeutet entweder lediglich Wasserstoff oder Wasserstoff mit Sauerstoff oder Wasserstoff mit Sauerstoff und Kohlenstoff oder Deuterium. No ist z. B. ein Moderator bis zu 1000 K, H;O bis 100 K und HCCH bis weniger als 10 K. Dies bedeutet nicht, dass diese Stoffe unterhalb der erwähnten Temperatur nicht als Moderatoren wirken, aber dabei sind so grosse Materialmengen erforderlich, dass dies ih der Praxis nicht durchführbar ist. Soll z. B.
Kohlenstoff bei 200 K als Moderator wirksam sein, so sind 27 dm erforderlich.
Dieser Nachteil ist nicht so beschränkend, wie er zunächst scheint. Materialien, die Kristallwasser enthalten, wie manche Oxyde und Salze, sind als Moderatoren bis zu 100 K brauchbar. Dies gilt auch für die paramagnetischen Salze, die zum Erzeugen von Temperaturen unter 10 K Verwendung gefunden haben.
Ausserdem kann, wenn im Material keine Wasserstoffatome oder -moleküle vorhanden sind, eine Wasserstoffquelle eingebaut werden. Ein eine gewisse Wassermenge enthaltendes Metallgefäss kann z. B. in den Körper oder die Substanz, dessen bzw. deren Temperatur bestimmt werden muss, eingetaucht oder mit ihm bzw. ihr in wärmeleitende Berührung gebracht werden, so dass die Wassermenge die gleiche Temperatur wie der Körper oder die Substanz annimmt und als der Neutronenmoderator oder das Mittel zum Abbremsen der Neutronen auf thermische Geschwindigkeiten dienen kann.
Fig. 3 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines Gerätes zur Temperaturbestimmung gemäss der Erfindung. Es enthält ein äusseres doppelwandiges Dewarsches Gefäss oder Vakuumflasche 30, das bzw. die flüssigen Stickstoff 31 enthält. In den flüssigen Stickstoff 31 ist ein inneres Dewarsches Gefäss 32 eingehängt, das flüssigen Stickstoff 33 enthält. In den flüssigen Stickstoff 33 ist ein zylindrischer Eisblock 34 mit einem Durchmesser von etwa 8 cm und einer Höhe von etwa 22,5 cm eingehängt. In den Block 34 ist von der Oberseite her ein etwa 10 cm tiefes Loch mit einem Durchmesser von etwa 1,5 cm gebohrt.
Eine Neutronenquelle 36 ist neben dem Block angeordnet. Sie enthält einen Van de Graaffgenerator oder gemäss einer anderen bevorzugten Ausführungsform radioaktives Material auf der Grundlage von Radium Beryllium. Ein Wassermoderator 37 ist auf die schematisch dargestellte Weise vorgesehen. Das austretende Neutronenbündel 38 hat somit eine Temperatur von etwa 3000 K. Das Eis hat selbstverständlich die Temperatur flüssigen Stickstoffs, das heisst 770 K.
Als Detektor können Indiumfolien in der Bohrung angeordnet werden. Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Bortrifluorid-Proportionalzäh- ler-Detektor 40 über dem Eisblock 34 so angebracht, dass sein Neutronen empfangendes Ende der Bohrung
35 genau gegenüberliegt. Mit dem Detektorausgang können der Reihe nach ein linearer Impulsverstärker
41, Zählschaltungen 42 und ein Zählgeschwindigkeitsmesser 43 verbunden werden. Lochblenden 44 aus Bor können als Kollimator dienen. Die auftretenden thermischen Neutronen 45 werden detektiert und die Zählgeschwindigkeit wird aufgezeichnet. Im allgemeinen muss im Ergebnis eine Korrektion für schnelle Neutronen und Zählerhintergrund vorgenommen werden.
Beispiel einer Messung
Als Neutronendetektor kann auch ein Paket von an einer Seite mit Kadmium überzogenen Indiumfolien Verwendungfinden. Wenn der Eisblock 34 zunächst auf einer gleichmässigen Temperatur von 3000 K gehalten wird ist er flüssig und wird in einem nicht näher illustrierten Gefäss mit einer Mulde von der dargestellten Form getragen. Zwei Indiumfolien werden gemessen, die dritte und die siebente in der Reihenfolge des Paketes, jede Folie hat eine Masse von etwa 0,1 g/cm2.
Der Logarithmus der Intensität der Radioaktivität der Folien wird gegen die Lage der betreffenden Folie im Paket aufgetragen. Der durch schnelle Neutronen und Zählerhintergrund herbeigeführte Beitrag wird von dem Ergebnis der Intensitätsmessung abgezogen.
Die korrigierten Intensitäten sind 31 und 16 an um 0,38 g/cm2 voneinander entfernten Stellen. Aus diesem Ergebnis wird ein Wert von etwa 300 Barn für den wirksamen Querschnitt berechnet mittels der bekannten Formel = arnA0 I1 A wobei Ii und Io die betreffenden Intensitäten sind, o der Neutronenwirkungsquerschnitt, m die Masse je cm2 der Folie, Ao die Avogadrosche Zahl und A das Atomgewicht von Indium.
Dann wird die Probe auf 770 K gehalten, wobei an um 0,36 g/cm2 voneinander entfernten Stellen die korrigierte Intensität für die dritte Folie 19 und für die siebente Folie 55,7 ist. Dies ergibt einen Querschnitt von etwa 600 Barn. Das Verhältnis der wirksamen Querschnitte muss den Wurzeln der absoluten Temperaturen umgekehrt proportional sein, und dies ist ih diesem Beispiel klar der Fall.