DE1228347B - Einrichtung zum Messen der Neutronenstromdichte - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

GOIt

Deutsche Kl.: 21g -18/01

Nummer: 1228 347

Aktenzeichen: S 82760 VIII c/21 g

Anmeldetag: 7. Dezember 1962

Auslegetag: 10. November 1966

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Messen der Neutronenstromdichte, vorzugsweise an Kernreaktoren, mit einer eingebauten Meßsonde, ζ. B. einer Ionisationskammer, die von Moderator- und/oder Reflektormaterial umgeben ist. Bekannte Einrichtungen dieser Art sind so ausgeführt, daß die Meßsonde in einem Moderatorstoff eingebettet bzw. von diesem umgeben ist. Für viele Anwendungsfälle ist jedoch die Empfindlichkeit solcher Meßeinrichtungen ungenügend, vor allen Dingen, wenn ein bestimmtes Neutronenspektrum erfaßt werden soll. Dabei wird unter Empfindlichkeit das Verhältnis von Signalwert, also dem Ionisationskammerstrom, bzw. bei Verwendung eines Zählrohrs der Impulsrate, zur Neutronenstromdichte am Meßort bei entfernter Meßeinrichtung verstanden.
. Hierbei spielt auch die räumliche Ausbildung der Meßeinrichtung, kurz Meßkopf genannt, eine wesentliche Rolle. Diese mußte bisher verhältnismäßig groß und daher auch kostspielig sein, damit eine ausreichende Empfindlichkeit erzielt werden konnte. Diese Nachteile werden durch die Erfindung wesentlich verringert.

Erfindungsgemäß ist aui der Strahleneintrittsseite der Einrichtung vor der Meßsonde eine Platte aus Moderatormaterial angeordnet, deren stoffliche Zusammensetzung und räumliche Ausbildung entsprechend der gewünschten spektralen Empfindlichkeit der Meßeinrichtung gewählt ist, und die Meßsonde ist auf den übrigen Seiten mit mittleren Luftabständen von wenigstens der Größenordnung der Reflektordicke von einem Neutronenreflektor umgeben.

Gegenüber bekannten Meßeinrichtungen ist also die eigentliche Meßsonde nicht mehr unmittelbar vom Moderatorstoff umgeben bzw. in einen solchen eingebettet. Nach einem älteren, jedoch nicht vorveröffentlichten Vorschlag ist zwar auch die Meßsonde mit Luftabstand von einem Reflektor umgeben; dieser Abstand ist jedoch nur als Raum für die Anordnung eines rotierenden Schirmes vorgesehen und dementsprechend bemessen. Diese spezielle Einrichtung dient somit der Erzeugung pulsierender Meßströme und kommt daher weder nach Aufbau noch nach Funktion dem vorliegenden Erfindungsgegenstand nahe.

Die Empfindlichkeit der verhältnismäßig kleinen Meßköpfe nach der Erfindung ist größer als bei Anordnungen gleicher räumlicher Ausdehnung, bei denen die Meßsonde unmittelbar in Moderatormaterial eingebettet ist. Dies erklärt sich dadurch, daß bei dünner werdender Moderatorschicht das Verhältnis zwischen dem Nutzeffekt durch die Mode-Einrichtung zum Messen
der Neutronenstromdichte

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:
Dipl.-Phys. Karl Janner, Erlangen

rierung und der Abschwächung des thermischen Neutronenflusses durch Reflexion und Absorption ungünstiger wird. Dieser Übergang geht natürlich stufenlos und kontinuierlich vor sich und hängt außerdem von der Art des Moderators, von der Form des Meßkopfes sowie von der Energie der nachzuweisenden Neutronen ab.

Die Moderierung der schnellen Neutronen findet bei dem erfindungsgemäßen Meßkopf in der Moderatorplatte auf der Strahleneintrittsseite des Meßkopfes sowie im Reflektor, der den Meßfühler mit Abstand umgibt, statt.. Als Anhaltspunkt für die Größenordnung eines Meßkopfes ohne Moderatorfüllung, dessen Empfindlichkeit größer ist als die eines Meßkopfes mit Moderatorfüllung, seien die Abmessungen der Strahleneintrittsfläche mit etwa 300 · 300 mm genannt. Die Meßköpfe selbst haben dabei einen zylindrischen bzw. prismatischen Aufbau. Die Moderatorplatte auf der Strahleneintrittsseite, die z. B. aus Polyäthylen bestehen kann, ist für schnelle Neutronen wesentlich durchlässiger als für langsame. Dies rührt teils davon her, daß infolge des kleinen Atomgewichts des Wasserstoffs schnelle Neutronen vorwiegend vorwärts gestreut werden, andererseits davon, daß bei Wasserstoff der Streuquerschnitt mit abnehmender Neutronengeschwindigkeit stark zunimmt. Die eintretenden schnellen Neutronen werden also bei geeigneter Dicke dieser Moderatorschicht im wesentlich geringerem Maß reflektiert als die aus dem Inneren des Meßkopfes auf die Schicht . an der Eintrittsfläche treffenden, da diese letztgenannten Neutronen wesentlich energieärmer sind. Dadurch entsteht eine Fallenwirkung, d. h., der Eintritt der Neutronen in den Meßkopf ist gegenüber dem Austritt begünstigt, was sich gleichfalls als eine

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Erhöhung der Empfindlichkeit des Meßkopfes auswirkt. ., . , ,

Eine weitere Steigerung der Empfindlichkeit erzielt man bei kleinen Meßköpfen, wenn man dem Meßkopf, und damit praktisch auch dem Reflektor, nicht eine prismatische, sondern eine pyramidenstumpf- bzw. eine kegelstumpfähnliche Form gibt. Dieser Effekt beruht darauf, daß die Quellen thermischer Neutronen dem empfindlichen Volumen der Meßsonde bei dieser. Ausbildungsform im Mittel näher sind, so daß die Neutronen das empfindliche Volumen der Meßsonde mit einer größeren Wahrscheinlichkeit treffen. Der Reflektor kann dabei zur Verbesserung des Reflexionsvermögens oder zur Verbesserung der Formbeständigkeit auch aus mehreren Schichten bestehen, z..B. aus einer äußeren Schicht aus Polyäthylen und einer inneren aus Beryllium.

Die Fig. 1 bis 5 zeigen verschiedene Ausführungsformen eines solchen Meßkopfes nach der Erfindung. Darin ist die eigentliche Meßsonde (z. B. eine Ionisationskammer oder ein Zählrohr) mit 2, der sie umgebende Reflektor, z. B. aus Paraffin, mit 3, die auf der Strahleneintrittsseite angeordnete Moderatorplatte, z.B. aus Polyäthylen, mit 4 bezeichnet. Das empfindliche Volumen 21 der Meßsonde ist mit strichpunktierten Linien umrandet und der luftgefüllte Zwischenraum zwischen Meßsonde und Reflektor mit 5 bezeichnet.

Die F i g. 1 und 1 a stellen einen pyramidenstumpfförmigen Meßkopf dar, dessen Strahleneintrittsfläche etwa 300 · 300 mm groß ist, dessen Tiefe etwa 360 mm und dessen Reflektordicke etwa 45 mm beträgt. Die Meßsonde ist dabei koaxial zum Meßkopf und wie auch bei den übrigen Figuren in nächster Nähe der Moderatorplatte 4 angeordnet.

Die F i g. 2 stellt einen ähnlichen Meßkopf im Querschnitt dar, der jedoch auch kegelstumpfförmig aufgebaut sein kann. Im Unterschied zum Meßkopf nach F i g. 1 ist nach F i g. 2 die Moderatorplatte 41 auf der Strahleneintrittsseite gelocht. Diese symmetrisch angeordneten Bohrungen weisen dabei alle zum empfindlichen Volumen 21 des Meßfühlers hin.

Nach Fig. 3 sind die Bohrungen in der Moderatorplatte 42 ebenfalls auf das empfindliche Volumen des Meßfühlers gerichtet, sind jedoch als Sacklocher ausgebildet. In diesem Fall können sie auch durch entsprechende Ringnuten mit gleicher Richtungstendenz ersetzt werden.

Die F i g. 4 zeigt gegenüber den bisherigen Beispielen einen Meßkopf, bei dem der Meßfühler parallel zur Strahleneintrittsseite liegt und damit z. B. parallel zur Mantelfläche eines Kernreaktors. Der Reflektor 3 umgibt hierbei den Meßfühler zweckmäßigerweise in der dargestellten Form eines Halbzylinders. Die Strahleneintrittsfläche kann dabei wieder wie bei den bisherigen Beispielen durch eine glatte oder durchbrochene Moderatorplatte 4 bzw. 41 oder 42 abgeschlossen sein.

Die Fig. 5 zeigt den Meßkopf nach Fig. 4 in einem Schnitt quer zur Längsachse des Meßfühlers.

Die Wahl der Dicke der moderator- bzw. wasserstoffhaltigen Schicht auf der Strahleneintrittsseite des Meßkopfes, die zur höchsten Empfindlichkeit führt, hängt von dem zu erfassenden Energiespektrum der Neutronen und vom Schichtenmaterial selbst ab. Für Polyäthylen und Spaltneutronen liegt das Empfindlichkeitsmaximum bei etwa 15 mm. Wird bei dieser Energieverteilung der Neutronen die Schichtdicke vergrößert, so sinkt die Empfindlichkeit des .Meßkopfes infolge Absorption in der Frontplatte, wird sie vermindert, so sinkt sie wegen der Zunahmen der Absorption in den Reflektorwänden 3 infolge des tieferen Eindringens der Neutronen.

Wenn die Moderatorplatte gemäß Fig. 2, oder 3 mit unterschiedlicher, aber symmetrischer Wandstärkenverteilung aufgebaut ist, so ergibt sich eine weitere Steigerung der Empfindlichkeit für die Erfassung von Spaltneutronen. Durch geeignete Wahl der verschiedenen Wandstärken, also der Dicken des durchbrochenen und des nicht durchbrochenen Teils der Moderatorplatte 41 bzw. 42, sowie durch das Verhältnis der Loch- bzw. Nutenfläche zur Restfläche der Polyäthylenplatte und die Form und Größe der Durchbrechungen können die Empfindlichkeit (Meßbereich), die Abhängigkeit der Empfindlichkeit des Meßkopfes von der Neutronenenergie, d. h. die spektrale Empfindlichkeit und die Rich-

zo tungsabhängigkeit, beeinflußt werden. Demnach würde man die größte Empfindlichkeit für thermische Neutronen und die kleinste für energiereiche Neutronen erhalten, wenn die Moderatorplatte auf der Strahleneintrittsfläche ganz weggelassen würde.

Wählt man eine Frontplatte mit Löchern (41 in Fig. 2), so nimmt mit abnehmendem freiem Querschnitt derselben und mit zunehmender Dicke der Platte die Empfindlichkeit für energiearme Neutronen ab und die für energiereichen zu. Die Richtungsabhängigkeit der Empfindlichkeit nimmt bei runden oder quadratischen Durchbrechungen bzw. auch bei Ringnuten mit zunehmendem Verhältnis von Tiefe zu Querschnitt der Durchbrechungen zu. Gleiche Überlegungen gelten natürlich auch für die Meßköpfe gemäß Fig. 4 und 5.

Diese Meßköpfe weisen außerdem den Vorteil auf, daß gegenüber bekannten Anordnungen das Verhältnis der Neutronenempfindlichkeit zur Störstrahlungsempfindlichkeit zunimmt, da die Neutronenempfindlichkeit bei gleicher Eintrittsfläche zunimmt, die Empfindlichkeit für die Störstrahlung aber, die von vorn eintritt oder ihren Ursprung im Meßfühler hat, gleichbleibt. Die von anderen Seiten herkommende Störstrahlung kann selbstverständlich durch bekannte Mittel abgeschirmt werden; so ist es möglich, die Reflektorschicht 3 nach außen noch mit einer Gammastrahlen-Abschirmung, z. B. Blei, sowie einem Absorberhemd zu umgeben.

Zusammenfassend ist zu sagen, daß die erfindungsgemäße Ausbildung der Meßköpfe folgende Vorteile hat: "

Wesentlich kleinere Ausbildung des Meßkopfes, bei Erzielung wenigstens gleicher Empfindlichkeit im¹ Vergleich zu bekannten, wesentlich größeren Meßkopfausbildungen mit eingebetteter Meßsonde bzw. anders ausgedrückt, bei dieser räumlichen Verkleinerung des Meßkopfes Erhöhung der Empfindlichkeit bei gleicher Eintrittsfläche gegenüber einem mit Moderator gefüllten Meßkopf gleicher Größe.

Weiterhin Erhöhung des Verhältnisses der Empfindlichkeit von Neutronen- zur Störstrahlung, Anpassungsfähigkeit der Empfindlichkeit an das. Neutronenspektrum und außerdem nur geringe Schw.ächung der mechanischen Festigkeit eines Reaktor-Schildes im Fall des Einbaus des Meßkopfes in ein solches Schild, da die Strahleneintrittsfläche bei vergleichbarer Empfindlichkeit gegenüber der bei herkömmlichen Meßköpfen wesentlich geringer ist..

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Messen der Neutronenstromdichte, vorzugsweise an Kernreaktoren, mit einer eingebauten Meßsonde, z. B. einer Ionisationskammer, die von Moderator- und/oder Reflektormaterial umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Strahleneintrittsseite der Einrichtung vor der Meßsonde (2) eine Platte (4, 41, 42) aus Moderatormaterial angeordnet ist, deren stoffliche Zusammensetzung und räumliche Ausbildung entsprechend der gewünschten spektralen Empfindlichkeit der Meßeinrichtung gewählt ist, und daß die Meßsonde (2) auf den übrigen Seiten mit mittleren Luftabständen von wenigstens der Größenordnung der Reflektordicke von einem Neutronenreflektor (3) umgeben ist.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der die Meßsonde (2) mit ao Abstand umgebende Reflektor (3) die Gestalt eines dickwandigen Kegel- oder Pyramidenstumpfes aufweist, dessen zum Meßobjekt gerichtete offene Bodenfläche mit einer Platte (4) aus Moderatormaterial abgedeckt ist.

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (42) aus Moderatormaterial mit symmetrisch auf die Meßsonde

(2) gerichteten und über die Plattenfläche verteilten, zur Meßsonde hin offenen Blindbohrungen oder Ringnuten versehen ist.

4. Meßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (41) aus Moderatormaterial mit symmetrisch auf die Meßsonde (2) gerichteten und über die Plattenfläche verteilten durchgehenden Bohrungen versehen ist.

5. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorzugsweise parallel zur Strahlenaustrittsfläche des Meßobjektes angeordnete Meßsonde (2) von einem Reflektor (3) in Gestalt eines Zylinderschalenabschnittes umgeben ist und dessen offene Seite mit einer Platte (4) aus Moderatormaterial abgeschlossen ist.

6. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Neutronenreflektor (3) aus mehreren Schichten gleicher oder unterschiedlicher Reflektormaterialien aufgebaut ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
»Atompraxis«, Bd. 5, 1959, Nr. 10/11, S. 414;
E. Fünfer und H. Neuert, »Zählrohre und Szintillationszähler«, 1959, S. 211;

»Siemens-Zeitschrift«, 1958, H. 5, S. 282.

In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsches Patent Nr. 1210 093.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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