DE10050887A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erkennung eines Gammastrahlung aussendenden Nuklids in Meßgütern - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Erkennung einer vorbestimmten Gammastrahlung in Meßgütern, insbesondere in Baustoffen, Sand und Schutt. Die Signale von einem oder mehreren Szintillatoren werden abhängig von ihrer Pulshöhe einem von zwei Kanälen zugeordnet, wobei die Zuordnung zu den Kanälen derart erfolgt, daß für ein zweites Radionuklid, dessen Strahlungsenergie kleiner als die des zu erkennenden Gammastrahlers ist, die Bruttozählraten in beiden Kanälen im wesentlichen gleich groß sind und die untere Schwelle im ersten Kanal kleiner als die untere Schwelle des zweiten Kanals ist, es wird ein Erkennungssignal für den zu erkennenden Gammastrahler ausgelöst, wenn in dem zweiten Kanal eine größere Zählrate als in dem ersten Kanal gemessen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erkennung eines Gammastrahlung aussendenden Nuklids in Meßgütern, insbesondere in Baustoffen, Sand und Schutt.

Zur Überprüfung von beladenen Fahrzeugen an Ein- und Ausgängen von kerntechni­ schen Anlagen, Mülldeponien, Müllverbrennungsanlagen, Metallschmelzen oder der­ gleichen werden zunehmend Radioaktivitätsmessungen durchgeführt. Hierdurch wer­ den einerseits gesetzliche Auflagen erfüllt andererseits kann sich der Betreiber der Anlage vor einer unbeabsichtigten Annahme von kontaminiertem Material schützen. Als Meßsonden kommen hierbei in der Regel großflächige Plastikszintillations-Detektoren in Verbindung mit einem computergesteuerten Meß- und Auswerteverfahren zum Einsatz.

Zur Unterscheidung von verschiedenen Radionukliden werden üblicherweise spektro­ kopische Methoden mit Einkristall-Szintillations-Detektoren und elektronischen Vielkanalanalysatoren eingesetzt. Mit der hohen Anzahl von Einzelkanälen einherge­ hend werden dabei sehr gute Ergebnisse für die Energieauflösung der Strahlung er­ zielt. Gleichzeitig sinkt jedoch die Ereignisrate pro Kanal mit der Kanalanzahl ab, was für eine geforderte statistische Meßgenauigkeit zu erheblich längeren Meßdauern führt. Bei einer Überprüfung von Meßgütern ist ein solches Verfahren daher langsam und vermindert somit die Anzahl der Fahrzeuge, die überprüft werden können. Hinzu kommt, daß entsprechende Einkristall-Szintillatoren aufwendig und teuer sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erkennung eines Radionuklids in Meßgütern zu schaffen, das bzw. die mit einer kur­ zen Meßdauer zuverlässig mindestens einen Gammastrahler erkennt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen aus An­ spruch 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Erkennung eines Gammastrahlers in Meß­ gütern, wie beispielsweise Baustoffen, Sand und Schutt. Im folgenden werden mit Gammastrahler Radionuklide oder Nuklidmischungen bezeichnet, die Gammastrah­ lung aussenden. Bei dem Verfahren werden die Signale von einem oder mehreren Szintillatoren abhängig von Ihrer Pulshöhe einem von zwei Kanälen zugeordnet. Es folgt eine Zweikanalmessung, basierend auf einem oder mehreren Szintillatoren. Die Zuteilung der Signale zu den Kanälen erfolgt dabei derart, daß für eine zweite Art von Gammastrahler die Nettozählraten in beiden. Kanälen im wesentlichen gleich groß sind und die untere Schwelle zur Diskriminierung der Signale im ersten Kanal niedri­ ger als die untere Schwelle des zweiten Kanals liegt. Hierbei wird als zweiter Gamma­ strahler ein Gammastrahler verwendet, dessen Energie kleiner als die des zu erken­ nenden Gammastrahlers ist. Abhängig von den verwendeten Geräten kann es genügen, diese Einstellung der Zweikanäle lediglich einmal vorzunehmen. Bei dem erfindungs­ gemäßen Verfahren wird ein Erkennungssignal für den zu erkennenden Gammastrah­ ler ausgelöst, wenn in dem zweiten Kanal eine größere Zählrate als in dem ersten Ka­ nal gemessen wird. Bei diesem Verfahrensschritt wird also erkannt, daß die Zählrate im zweiten Kanal größer als im ersten Kanal ist. Bei der gewählten Einstellung der Kanäle bedeutet dies, daß eine Strahlungsenergie vorliegt, die größer ist als die Ener­ gie des zur Einstellung der Kanäle verwendeten Gammastrahlers. Bei dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren wird also ein Warnsignal erzeugt, sobald eine Energie auf­ tritt, die größer ist als die zur Einstellung der Kanäle verwendete Energie. Bei dem er­ findungsgemäßen Verfahren ist es zur Erkennung eines Gammastrahlers nicht erfor­ derlich Szintilationszähler mit hoher Energieauflösung zu verwenden. Vielmehr kann durch die erfindungsgemäße Einstellung der Zweikanäle das Auftreten eines zu er­ kennenden Gammastrahlers schnell und zuverlässig festgestellt werden.

Für zuverlässige Messungen werden die Kanäle so eingestellt, daß der erste Kanal auf Pulshöhen der Szintillatoren anspricht, die oberhalb einer Rauschschwelle und unter­ halb der unteren Schwelle des zweiten Kanals liegen. Die beiden Kanäle sind also disjunkt von einander gewählt, wobei der erste Kanal das Energiefenster für die nied­ rigen Energiewerte abdeckt.

Es hat sich erwiesen, daß als zu erkennender Gammastrahler in Baustoffen, Sand, Schutt und dergleichen Kalium mit ⁴⁰K als Gammastrahler in Betracht kommt. Dieser Gammastrahler besitzt gleichzeitig mit seiner 1,46 MeV Gammalinie die höchste zu messende Strahlungsenergie bei den üblicherweise natürlich auftretenden und künstlich erzeugten Isotopen. Sämtliche weiteren langlebigen Gammaemitter mit einer 1,4 MeV oder stärkeren Linie besitzen zusätzlich noch größere niederenergetische Gammalinien.

Zur Einstellung der Zweikanäle wird bevorzugt als zweiter Gammastrahler Kobalt (⁶⁰Co) verwendet. Kobalt 60 besitzt eine Gammalinie bei ungefähr 1,3 MeV und eig­ net sich somit besonders gut zur Einstellung der Kanäle für eine Erkennung von ⁴⁰K.

Als besonders vorteilhaft bei dem Verfahren erweist es sich, daß neben der Erkennung eines Gammastrahlers gleichzeitig eine Gesamtmessung der Gammastrahlung ohne zusätzlichen Aufwand oder verlängerte Meßdauer erfolgen kann. Hierzu wird die Summe der Zählraten aus beiden Kanälen verwendet. Die Summe ist unabhängig von der vorgenommenen Einteilung in zwei Kanäle, so daß für die Summe der Kanäle eine hinreichende Nachweisgenauigkeit in kurzer Zeit erreicht werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren erweist sich als besonders vorteilhaft bei der Mes­ sung von sich bewegenden Meßgütern, insbesondere in LKWs, Eisenbahnwaggons und dergleichen.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenfalls durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 7 gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zur Erkennung eines Gammastrahlers in Meßgütern, insbesondere in Baustoffen, Sand, Schutt und dergleichen. Die Vorrich­ tung weist einen oder mehre Szintillatoren auf und ist mit einem Mehrkanal- oder mit zwei Einkanaldiskriminatoren für die Impulse der Szintillatoren versehen. Die Signale der Szintillatoren sind zwei Kanälen zugeordnet, wobei die Kanäle derart eingestellt sind, daß für einen zweiten Gammastrahler, dessen Energie niedriger als die des zu erkennenden Gammastrahlers ist, die Nettozählraten in beiden Kanälen im wesent­ lichen gleich groß sind und die untere Schwelle im ersten Kanal kleiner als die untere Schwelle des zweiten Kanals gesetzt ist. Eine Anzeigeeinrichtung der Vorrichtung spricht erfindungsgemäß auf eine Zählrate in dem zweiten Kanal an, wenn diese grö­ ßer als die Zählrate im ersten Kanal ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung spricht bei der gewählten Einstellung der Kanäle auf einen Gammastrahler an, dessen Energie größer ist als die des zweiten Gammastrahlers.

In einer bevorzugten Ausführung der Vorrichtung ist ein Szintillator mit zwei Einka­ naldiskriminatoren vorgesehen. Ein solcher Aufbau besitzt den Vorteil, daß die Vor­ richtung für bereits bestehende Vorrichtungen ohne großen Aufwand nachgerüstet werden kann.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird anhand des nachfolgenden Beispiels näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt einen Szintillator 10, der die zu messende Gammastrahlung empfängt. Der Szintillator 10 ist so angeordnet, daß er durch eine Strahlungsquelle homogen bestrahlt wird, d. h. es treten keine Detektorrandeffekte auf. Dies wird bei­ spielsweise erreicht bei einem Detektor mit einer Oberfläche von ungefähr 50 × 50 cm, der aus einer Entfernung von mehr als 1 bis 2 m bestrahlt wird oder bei Volumen­ kontaminationen deren abstrahlende Oberfläche groß gegenüber der Detektoroberflä­ che ist. Die in durch das Eintreten von Gammastrahlung in den Szintillator 10 er­ zeugten Lichtblitze werden durch einen Fotoverstärker 12 verstärkt und an einen Vorverstärker 14 weitergeleitet. Die Pulshöhe der im Szintillationsmaterial gemessenen Lichtpulse hängt von der in dem Material deponierten Energie der Strahlung ab. Die Dicke des Szintillationsmaterials und die Wahl des Photomultipliers werden auf die zu messende Strahlung und deren Pulshöhe abgestimmt.

Die Signale des Vorverstärkers 14 werden an zwei Einkanaldiskriminatoren 16 und 18 weitergeleitet. Die untere Schwelle des Diskriminators 16 wird in bekannter Weise knapp über dem Rauschsignal eingestellt. Die obere Schwelle des Diskriminators 18 ist durch den Dynamikbereich der Elektronik vorgegeben. Die obere Schwelle des Diskriminators 16 wird gleich der unteren Schwelle des Diskriminators 18 gesetzt. Der Wert für diese Schwelle ist durch folgende Gleichung gegeben:

Hierbei bezeichnet
R 0|1,2: die Nulleffekt Zählraten der Kanäle 1 und 2,
R b|1,2: Bruttoeffekt Zählraten der Kanäle 1 und 2 gemessen mit einer ⁶⁰Co-Quelle und
k ein empirisch ermittelten Korrekturfaktor für variable Hintergrundabsenkungen.

Mit den so eingestellten Kanälen der Diskriminatoren und 16 und 18 ist der Quotient der Nettoimpulsraten der Kanäle 1 und 2 dann größer oder gleich 1, wenn Gamma­ energien < 1,3 MeV gemessen werden. Der Quotient ist < 1, wenn Strahlungsenergien < 1,3 MeV gemessen werden. Änderungen der Hintergrundzählraten, beispielsweise hervorgerufen durch ein Fahrzeug mit schwerer, nicht kontaminierter Ladung, können den Quotienten der Nettoimpulsraten auf einen von der ursprünglichen Einstellung abweichenden Werte verschieben. Diese potentielle Fehlerquelle wird durch den Korrekturfaktor k, wobei k eine Funktion der Summe der Hintergrundzählraten der Kanäle 1 und 2 ist, ausgeglichen. Da k von der speziellen Anwendung und dem Aufstellungsort der Anlage abhängt, wird in der Praxis für k eine Kurve aus empirisch ermittelten Meßwerten hinterlegt.

Bei der Auswertung der beiden Kanäle können nunmehr drei Fälle betrachtet werden, die die Leistungsfähigkeit der Anlage gegenüber dem üblichen Szintillationsdetektor mit einem Kanal deutlich erhöht. Im ersten Fall wird die Summe der Nettoimpulsraten der beiden Einzelkanäle betrachtet. Gegenüber einer Anlage ohne die beschriebenen Einkanaldiskriminatoren ändert sich an der Gesamtnachweisgrenze nichts.

Wie bereits oben diskutiert, kann in einem zweiten Fall der Quotient der Nettoimpuls­ raten dazu verwendet werden, um eine ⁴⁰K Warnung zu erzeugen. Hierzu wird über­ prüft, ob der Quotient kleiner als 1 ist. Bevorzugt kann der Quotient auch mit einer Zahl verschieden von 1 verglichen werden, um ausreichende Sicherheit bei dem Alarm zu erhalten.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich in dem dritten Fall durch die Betrachtung der Nettoimpulsraten in Kanal 1. Da die Nachweisgrenze der Szintillationsdetektoren pro­ portional zum Quotienten der Wurzel aus der Nulleffektzählrate und dem Detektor­ wirkungsgrad ist, werden für niederenergetische Gammaemitter in Kanal 1 deutlich höhere Empfindlichkeiten erzielt, als in dem Summenkanal. Dies liegt im wesent­ lichen daran, daß der Detektorwirkungsgrad eines auf Kanal 1 beschränkten Detektors einen größeren Wirkungsgrad für die niederenergetischen Gammaemitter besitzt. Die Vorrichtung ist also zusätzlich in der Lage im Ergebnis geringere Mengen niederener­ getischer Radionuklide besser nachzuweisen, ohne die hochenergetischen Gamma­ emitter zu vernachlässigen.

Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Fahrzeugschleuse führen sämtliche Streuprozesse der Gammateilchen an der Beladung oder dem Fahrzeug sel­ ber zu einer Erniedrigung der Strahlungsenergie, d. h die Gewichtung des Kanal 1 wird gegenüber dem Kanal 2 durch die Steuerung erhöht. Es kann durch diesen Effekt jedoch nicht zu einer falschen ⁴⁰K Erkennung kommen, da Streuprozesse abhängig sind von der Energie der Strahlung und bei der hochenergetischen ⁴⁰K Strahlung an Bauschutt und Sand eine Streuung vernachlässigt werden kann.

Claims (9)

1. Verfahren zur Erkennung einer vorbestimmten Gammastrahlung eines radio­ aktiven Nuklids in Meßgütern, insbesondere in Baustoffen, Sand und Schutt, mit folgenden Verfahrensschritten:

• - die Signale von einem oder mehreren Szintillatoren werden abhängig von ihrer Pulshöhe einem von zwei Kanälen zugeordnet,
• - die Zuordnung zu den Kanälen erfolgt derart, daß für ein zweites, Gammastrahlung aussendendes Nuklid, dessen Strahlungsenergie klei­ ner als die der zu erkennenden Gammastrahlung ist, die Nettozählraten in beiden Kanälen im wesentlichen gleich groß sind und die untere Schwelle im ersten Kanal kleiner als die untere Schwelle in dem zwei­ ten Kanal ist,
• - es wird ein Erkennungssignal für ein Vorliegen der zu erkennenden Gammastrahlung ausgelöst, wenn in dem zweiten Kanal eine größere Zählrate als in dem ersten Kanal gemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kanal auf Pulshöhen anspricht, die oberhalb einer Rauschschwelle liegen und die kleiner als die untere Schwelle des zweiten Kanals sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 der 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der zu erkennenden Gammastrahlung um die Strahlung des Nuklids Kalium 40 (⁴⁰K) handelt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem zweiten Nuklid um Kobalt 60 (⁶⁰Co).

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die Messung der radioaktiven Strahlung die Summe der Zählraten aus beiden Kanälen verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein sich bewegendes Meßgut gemessen wird.

7. Vorrichtung zur Erkennung einer vorbestimmten Gammastrahlung in Meßgü­ tern, insbesondere in Baustoffen, Sand und Schutt,
mit einem oder mehreren Szintillatoren,
mit einem Mehrkanaldiskriminator oder mit zwei Einkanaldiskrimina­ toren für die Impulse der Szintillatoren,
wobei die Zuordnung zu den Kanälen derart erfolgt, daß für ein zweites, Gammastrahlung aussendendes Nuklid, dessen Strahlungsenergie klei­ ner als die der zu erkennenden Gammastrahlung ist, die Bruttozählraten in beiden Kanälen im wesentlichen gleich groß sind und die untere Schwelle im ersten Kanal kleiner als die untere Schwelle in dem zwei­ ten Kanal ist,
und mit einer Anzeigeeinrichtung, die auf eine Zählrate in dem zweiten Kanal ansprechend, die größer als die Zählrate in dem ersten Kanal ist, ein Erkennungssignal auslöst.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Szintillator und zwei Einkanaldiskriminatoren vorgesehen sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche der Detektoren ungefähr 0,25 m² beträgt.