DE19711124A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erkennung künstlicher Gammastrahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung künstlicher Gammastrahlung und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bei der Umgebungsüberwachung kerntechnischer Anlagen sowie bei anderen Anwendungen auf dem Gebiet des Strahlschutzes steht häufig die Trennung zwi­ schen künstlich erzeugten Strahlenquellen und einem meist dominanten Beitrag natürlich vorhandener Radioaktivität und deren Schwankungen im Vordergrund. Zur Erkennung künstlicher Gammastrahlen ist es bekannt, mit Hilfe der Gammaspektroskopie einzelne Gammalinien zu identifizieren und quantitativ aus­ zuwerten. Dieses Meßverfahren benötigt jedoch lange Meßzeiten und einen ho­ hen apparativen Aufwand.

Mit bekannten quantitativen Meßverfahren (z. B. Dosisleistungsmeßnetz zur Frü­ herkennung radioaktiver Luftmassen oder Durchfahrtskontrollsystem für Fahrzeu­ ge) kann selbst bei statistisch signifikanten Erhöhungen der Gammastrahlungsin­ tensität nur schwer oder überhaupt nicht unterschieden werden, ob es sich um einen Anstieg der natürlichen Gamma-Umgebungsstrahlung oder um das Vor­ handensein eines künstlichen Gammastrahlers handelt.

Insbesondere stark abgeschirmte künstliche Gammastrahler (zufällige Abschir­ mung durch z. B. eine Schrottladung oder bewußte Bleiabschirmung im Falle eines Schmuggels von Nuklearmaterial) können mit den bekannten Meßverfahren häu­ fig nicht erkannt werden. Die Ursache hierfür liegt einerseits darin, daß die bei der Gammaspektroskopie verwendeten Detektoren (anorganische Szintillationskristal­ le, hochauflösende Germanium-Detektoren) nur bedingt für Messungen an be­ wegten Transportfahrzeugen oder für Messungen mit einem Meßfahrzeug wäh­ rend schneller Fahrt geeignet sind, da bei den Meßzeiten von typischerweise 100 ms bis zu wenigen Sekunden die nur noch schwach ausgeprägten Photope­ aks (= voller Energieübertrag der Primärstrahlung an den Detektor) nicht stati­ stisch sicher erfaßt werden. Andererseits führen der in vielen Fällen große Ab­ stand zwischen Detektor und radioaktiver Quelle sowie deren mögliche Abschir­ mung dazu, daß sich die zusätzliche Gammastrahlungsintensität auch sehr star­ ker Strahler häufig nur im Bereich der lokal gemessenen Gammastrahlungsin­ tensität des natürlichen Strahlenfelds liegt. So wird z. B. bei einem Transportmittel (z. B. LKW oder Eisenbahnwaggon) zum Transport der Strahlungsquelle aufgrund der Stahlkonstruktion des Transportmittels ein beträchtlicher Anteil der Umge­ bungsstrahlung von vornherein abgeschirmt. Die vom Detektor am einfahrenden Transportmittel gemessene Zählrate wird um bis zu 50% abgesenkt. Eine schwa­ che Strahlungsquelle, welche diesen Absenkeffekt nicht überkompensieren kann, wird deshalb mit den herkömmlich eingesetzten Meßsystemen nicht erkannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eindeutige Erkennung künstlicher Gammastrahlung zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombinationen der Ansprüche 1 und 8 gelöst. Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, daß ein Detektor aus orga­ nischem Szintillationsmaterial (Flüssig- oder Plastik-Szintillator) aufgrund seiner schlechten spektroskopischen Eigenschaften (die niedrigen Ordnungszahlen der Kohlenwasserstoffe bewirken einen fast ausschließlichen Energieübertrag über Comptoneffekt) äußerst robust gegenüber spektralen Details der Umgebungs­ strahlung ist. Es entsteht eine charakteristische Referenz-Impulsamplitudenverteilung der natürlichen Gammastrahlung (Umgebungsstrahlung) unabhängig von deren Strahlungsintensität und örtlichen Schwankungen. Diese Kennlinie weist also einen charakteristischen Verlauf auf und wird allenfalls - abhängig von der gemessenen absoluten Impulsanzahl - an­ gehoben oder abgesenkt. Diese Charakteristik ist ebenso durch einen oder meh­ rere bestimmte Referenzparameter repräsentierbar, welche von der Referenz- Impulsamplitudenverteilung der natürlichen Gammastrahlung abgeleitet werden können. Dieser bzw. diese Referenzparameter wird bzw. werden verglichen mit aktuell gemessenen und gegebenenfalls durch Weiterverarbeitung ermittelten Daten (= Meßdaten) einer Impulsamplitudenverteilung. Aus dem gegebenenfalls noch weiterverarbeiteten Vergleichsergebnis kann eindeutig auf das Vorhanden­ sein künstlicher Gammastrahlung (= die in der natürlichen Umgebung normaler­ weise nicht vorhandene Gammastrahlung) oder auf das Fehlen künstlicher Gammastrahlung geschlossen werden.

Bei dem Referenzparameter handelt es sich z. B. um eine Steigung der Referenz-Impulsamplitudenverteilung, die im Meßbetrieb mit aktuellen Meßdaten verglichen wird.

In einer besonders einfachen Ausgestaltung des Meßverfahrens werden zwei Im­ pulsamplitudenschwellen festgelegt. Eine Oberschwelle wird so gesetzt, daß bei Verwendung eines geeigneten Prüfstrahlers (z. B. Cs-137; in diesem Fall ist Cs- 137 oder eine demgegenüber niederenergetischere Quelle im Meßbetrieb der gesuchte Gammastrahler) über die Oberschwelle nur noch wenige oder über­ haupt keine zusätzlichen Impulse gelangen. Die Oberschwelle wird also in den Bereich der größten erwarteten Impulsamplituden des Gammastrahlers gesetzt. Dieser Bereich kann auch einen Schwellwert oberhalb der größten erwarteten Impulsamplituden des Gammastrahlers beinhalten. Eine Unterschwelle wird un­ terhalb der Oberschwelle gesetzt. Vorzugsweise wird diese Unterschwelle so tief wie möglich, d. h. gerade oberhalb der elektronischen Rauschgrenze, gesetzt. Für beide Schwellen wird im Meßbetrieb jeweils die integrale Zählrate, d. h. die Zählra­ te aller Impulse mit im Vergleich zur Schwelle größeren Impulsamplituden gemes­ sen. Diese aktuell gemessenen Zählraten bilden dann die Meßdaten. Bei natürli­ cher Umgebungsstrahlung ändern sich die beiden Meßdaten lediglich in dem durch die Charakteristik der natürlichen Gammastrahlung vorgegebenen Verhält­ nis. Bei Vorhandensein künstlicher Gammastrahler steigt durch die zusätzlichen Impulse lediglich die integrale Zählrate der Unterschwelle an. Die integrale Zählra­ te der Oberschwelle hingegen steigt nur unwesentlich oder überhaupt nicht an. Diese Anomalie wird beim Vergleich mit den Referenzdaten erkannt. Auf diese Weise können selbst schwache künstliche Gammastrahler von der natürlichen Umgebungsstrahlung eindeutig unterschieden und erkannt werden.

Vorzugsweise wird die Oberschwelle so festgelegt, daß durch die Messung ihrer Zählrate bereits die meisten der künstlichen Nuklide erfaßt werden. Dies ist bei­ spielsweise dann der Fall, wenn die Oberschwelle in den Bereich der größten Im­ pulsamplituden von Cs-137 gesetzt wird. Um auch höherenergetischere Gammastrahler (z. B. Co-60) erfassen zu können, kann gleichzeitig mindestens eine weitere Oberschwelle oberhalb der ersten Oberschwelle festgelegt werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Referenzparameter das bei natürlicher Gammastrahlung ermittelte Referenz-Zählratenverhältnis beider Schwellen. Auf­ grund der oben erläuterten, im wesentlichen konstanten Zählratenverteilung der natürlichen Gammastrahlung handelt es sich bei diesem Referenzparameter um einen im wesentlichen konstanten Wert. Das Referenz-Zählratenverhältnis kann deshalb vor dem Meßbetrieb durch eine einfache Initialisierungsmessung festge­ legt werden oder von früheren Initialisierungsmessungen übernommen werden.

Um einen besonders einfachen, rechenunaufwendigen Vergleich zwischen den aktuell gemessenen Zählraten und der Referenz-Impulsamplitudenverteilung oder dem Referenzparameter zu erzielen, wird aus beiden einander zugeordneten, aktuell gemessenen Zählraten ein Meß-Zählratenverhältnis gebildet. Vorzugswei­ se wird dieses Meß-Zählratenverhältnis mit dem Referenz-Zählratenverhältnis verglichen. Stimmt das Meß-Zählratenverhältnis mit dem Referenz-Zählratenverhältnis überein oder liegt das Meß-Zählratenverhältnis innerhalb ei­ nes durch das Referenz-Zählratenverhältnis vorgegebenen Toleranzbandes, so ist kein künstlicher Gammastrahler vorhanden. Andernfalls - z. B. bei einer Abwei­ chung der beiden Zählratenverhältnisse von über 20% voneinander - kann zuver­ lässig auf das Vorhandensein von künstlicher Gammastrahlung geschlossen wer­ den. Dieser Vergleich ermöglicht ohne komplizierte Auswerteverfahren einen qualitativen Nachweis (ja/nein-Bestimmung) künstlicher Gammastrahler. Um sämtliche künstliche Nuklide nachweisen zu können, werden einfach mehrere Meß-Zählratenverhältnisse aus unterschiedlichen Oberschwellen und zugeordne­ ten Unterschwellen gebildet und jeweils mit einem entsprechenden Referenz-Zählratenverhältnis verglichen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Intensität von erkann­ ten Gammastrahlern bestimmt. Hierbei wird vorzugsweise das Referenz-Zählratenverhältnis mit der aktuell gemessenen Zählrate der Oberschwelle multi­ pliziert. Dieses Produkt wird mit der aktuell gemessenen Zählrate der Unter­ schwelle verglichen, wobei die Differenz zwischen beiden Werten eine sogenann­ te kompensierte Zählrate eines künstlichen Gammastrahlers ergibt. Bei natürlicher Umgebungsstrahlung ist diese kompensierte Zählrate angenähert Null. Über­ schreitet die kompensierte Zählrate hingegen einen vorgegebenen Grenzwert, so kann ein Signal ausgelöst werden, welches das Vorhandensein eines künstlichen Gammastrahlers anzeigt. Dieser Vergleich zwischen den gemessenen Zählraten und einem Referenzparameter ermöglicht verfahrenstechnisch einfach sowohl einen qualitativen Nachweis (= Überschreiten des Grenzwertes) der künstlichen Gammastrahler als auch eine quantitative Bestimmung der Intensität bzw. Dosis­ leistung der künstlichen Gammastrahlung. Die Höhe der kompensierten Zählrate, d. h. die Intensität der künstlichen Gammastrahlung, läßt einen Schluß über die Stärke der Strahlungsquelle und den Umfang von zu erwartenden Strahlenschä­ den zu.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine weitere Impulsamplitudenschwel­ le zur Messung der integralen Zählrate der natürlichen Höhenstrahlung festgelegt. Die Zählräte der natürlichen Höhenstrahlung wird dann von den gemessenen Zählraten der Unterschwelle und Oberschwelle subtrahiert. Durch Berücksichti­ gung dieser sehr hochenergetischen Meßereignisse (< ca. 3 MeV) wird die Ge­ nauigkeit des Meßverfahrens insbesondere in Gebieten mit sehr geringer natürli­ cher Gammastrahlung oder hoher kosmischer Strahlungsintensität (z. B. Gebirge, Hochebenen) verbessert.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird bei einer Abweichung des bei der Messung ermittelten Ist-Vergleichsergebnisses von einem vorgegebenen Soll-Vergleichsergebnis das Vorhandensein von künstlicher Gammastrahlung si­ gnalisiert. Ebenso kann das Fehlen von künstlicher Gammastrahlung angezeigt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erkennung künstlicher Gammastrahler enthält einen organischen Szintillator. Dieser Detektor kann kostengünstig in gro­ ßen Volumina gefertigt werden. Damit können bei verhältnismäßig geringem ap­ parativem Kostenaufwand Messungen in kurzer Meßzeit mit der erforderlichen statistischen Signifikanz durchgeführt werden. In einer vorteilhaften Ausführungs­ form weisen Detektoren mit Volumina über etwa 1 l eine Geometrie mit ca. 5-10 cm Dicke auf. Hierdurch läßt sich ein besonders günstiges Verhältnis der Empfindlichkeit für Gammastrahler mittlerer Energie erzielen. Außerdem enthält die Vorrichtung eine an den Szintillator angeschlossene Messeinheit zur Messung von Daten (diese Meßdaten werden gegebenenfalls durch eine nach der eigentli­ chen Messung erfolgende Weiterverarbeitung ermittelt) einer Impulsamplituden­ verteilung und eine Verarbeitungseinheit zum Vergleich der Meßdaten mit minde­ stens einem aus einer charakteristischen Referenz-Impulsamplitudenverteilung der natürlichen Gammastrahlung abgeleiteten Referenzparameter.

Die Verarbeitungseinheit ist vorzugsweise Bestandteil eines Mikroprozessorsy­ stems oder besteht aus einem derartigen Mikroprozessor. Dies unterstützt eine rasche Verarbeitung der von der Meßvorrichtung erfaßten Meßdaten. Gleichzeitig unterstützt diese Verarbeitungseinheit einen konstruktionstechnisch einfachen Aufbau der Meßvorrichtung und deren handhabungsfreundliche Bedienung. Au­ ßerdem ermöglicht die mikroprozessorgesteuerte Verarbeitungseinheit ein schal­ tungstechnisch einfaches Anschließen weiterer Verarbeitungsmittel, z. B. einer Datenverarbeitungsanlage. Mit Hilfe dieser Datenverarbeitungsmittel lassen sich die von der Meßvorrichtung erfaßten Meßdaten und Vergleichsergebnisse be­ quem weiterverarbeiten und z. B. in Form von Tabellen oder Grafiken darstellen.

In vorteilhafter Weiterbildung weist die Vorrichtung mindestens zwei an den Szintil­ lator angeschlossene Komparatoren auf, wobei ein Komparator einer Oberschwel­ le (oder mehrere Komparatoren jeweils einer Oberschwelle) im Bereich der größ­ ten erwarteten Impulsamplituden eines geeigneten Gammastrahlers (z. B. Cs-137) oder oberhalb der größten erwarteten Impulsamplituden dieses Gammastrahlers zugeordnet ist und ein zweiter Komparator der Unterschwelle unterhalb dieser Oberschwelle zugeordnet ist. Mit Hilfe der an die Komparatoren angeschlossenen Messeinheit werden die beiden integralen Zählraten der beiden Schwellen ge­ messen. Vorzugsweise handelt es sich bei den Komparatoren und der Messein­ heit um herkömmliche, auch bei Spektrometern verwendbare Bauteile. Die erfin­ dungsgemäße Vorrichtung kann deshalb mit einem hohen Anteil handelsüblich vorkonfektionierter Bauteile verhältnismäßig kostengünstig zusammengebaut werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung enthält die Verarbeitungseinheit einen Spei­ cher zum Ablegen der Referenz-Impulsamplitudenverteilung und/oder des Refe­ renzparameters der natürlichen Gammastrahlung. Hierdurch können einmalig ab­ gespeicherte Referenzwerte beim Meßbetrieb immer wieder von neuem zum Vergleich mit den aktuell gemessenen Meßdaten herangezogen werden. Initiali­ sierungsmessungen zum Bestimmen eines oder mehrerer Referenzwerte vor je­ dem neuen Meßbetrieb sind deshalb überflüssig. Dies wirkt sich zeit- und kosten­ sparend beim Betrieb der Meßvorrichtung aus.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung enthält die Verarbeitungseinheit eine Rech­ nereinheit zur Berechnung eines Meß-Zählratenverhältnisses aus den aktuell ge­ messenen Zählraten der Oberschwelle und der Unterschwelle.

Vorzugsweise enthält die Verarbeitungseinheit eine Rechnereinheit zur Berech­ nung einer kompensierten Zählrate, welche sich aus der Differenz der gemesse­ nen Zählrate der Unterschwelle und einem weiteren Wert ergibt. Dieser weitere Wert ist das Produkt aus der gemessenen Zählrate der Oberschwelle und einem Referenz-Zählratenverhältnis (= Referenzparameter) beider Schwellen.

In einer vorteilhaften Ausführungsform enthält die Meßvorrichtung einen zusätzli­ chen Komparator, welcher einer sehr hochenergetischen Impulsamplituden­ schwelle zugeordnet ist. Mit Hilfe dieser Schwelle kann die Meßvorrichtung eine integrale Zählrate der natürlichen Höhenstrahlung oberhalb dieser Schwelle mes­ sen und verarbeiten. Diese Zählrate der natürlichen Höhenstrahlung wird in der Verarbeitungseinheit von den aktuell gemessenen Zählraten der Oberschwelle und Unterschwelle schaltungstechnisch oder mit Hilfe eines Mikroprozessors subtrahiert. Auf diese Weise verhindert die Meßvorrichtung fehlerhafte Messun­ gen der integralen Zählraten von Oberschwelle und Unterschwelle.

Die Verarbeitungseinheit vergleicht die gegebenenfalls verarbeiteten Meßdaten mit den charakteristischen Referenzdaten. Weicht das Ist-Vergleichsergebnis von einem vorgegebenen Soll-Vergleichsergebnis (= entweder ein einzelner Wert oder ein Toleranzband) ab, löst die Verarbeitungseinheit in einer bevorzugten Ausfüh­ rungsform ein Signal aus, welches über geeignete Signalisierungsmittel (z. B. LED, Relais) dem Benutzer das Vorhandensein künstlicher Gammastrahlung zuverläs­ sig anzeigt. Ebenso können an die Verarbeitungseinheit Signalisierungsmittel zur Anzeige eines Fehlens künstlicher Gammastrahlung angeschlossen sein.

Der Erfindungsgegenstand wird anhand der in den Figuren dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Meßvorrichtung zur Erkennung ei­ nes künstlichen Gammastrahlers,

Fig. 2 eine normierte Zählratenverteilung in Abhängigkeit von Schwellwerten der Gammastrahlung für Cs-137, für Co-60 und die natürliche Umge­ bungsstrahlung,

Fig. 3 ein Funktionsschema des Meßverfahrens,

Fig. 4 die integrale Zählrate für die Unterschwelle der natürlichen Gammastrahlung während einer Stadtfahrt,

Fig. 5 die integrale Zählrate gemäß Fig. 4 beim mehrfachen Passieren eines Cs-137-Strahlers,

Fig. 6 das gemessene Zählratenverhältnis der Oberschwelle und Unter­ schwelle für die natürliche Gammastrahlung während der Stadtfahrt und

Fig. 7 das gemessene Zählratenverhältnis der Schwellen gemäß Fig. 6 beim mehrfachen Passieren des Cs-137-Strahlers gemäß Fig. 4.

Die Meßvorrichtung gemäß Fig. 1 detektiert γ-Quanten mit Hilfe eines organi­ schen Szintillators 1. Die Lichtquanten des Szintillators 1 werden von einem nachgeschalteten Fotomultiplier 2 gewandelt. Der Szintillator 1 und der Fotomul­ tiplier 2 sind zu einer Detektoreinheit 3 zusammengefaßt. An die Detektoreinheit 3 sind in der bei herkömmlichen Szintillationszählern üblichen Weise ein Arbeitswi­ derstand 4, ein Hochspannungsgenerator 5, ein Kondensator 6 und ein Verstär­ ker 7 angeschlossen. An den Ausgang des Verstärkers 7 wiederum sind vier parallelgeschaltete Komparatoren K1-K4 angeschlossen. Der Komparator K1 ist einem Schwellwert S1 zugeordnet, der vorzugsweise im Bereich der niedrigsten Impulsamplituden der Gammastrahlung positioniert ist (Fig. 2). Der Komparator K2 ist einem Schwellwert S2 zugeordnet, der im Bereich der größten Impulsamplitu­ den eines geeigneten künstlichen Gammastrahlers (hier: Cs-137-Strahler) ange­ siedelt ist. Der Komparator K3 ist einem Schwellwert S3 zugeordnet und im Im­ pulsratenspektrum bzw. Zählratenspektrum im Bereich der größten Impulsampli­ tuden eines gegenüber dem Schwellwert S2 höherenergetischeren künstlichen Gammastrahlers (hier: Co-60) angeordnet. Der Komparator K4 ist einem Schwellwert S4 zugeordnet, der zur Messung der integralen Zählrate der natürli­ chen Höhenstrahlung dient. In weiteren, hier nicht dargestellten Ausführungsfor­ men enthält die Meßvorrichtung lediglich die Komparatoren K1/K2 oder K1/K2/K4 oder K1/K2/K3 , wodurch der Schaltungsaufwand der Meßvorrichtung kostenspa­ rend reduziert ist.

An die Ausgänge der Komparatoren K1-K4 ist eine Messeinheit 8 angeschlossen, welche jedem Schwellwert zugeordnet alle Impulse mit im Vergleich zu dem Schwellwert größeren Impulsamplituden registriert. Daraus berechnet die Mes­ seinheit 8 oder eine daran angeschlossene Rechnereinheit 9 zu jedem Schwell­ wert S eine integrale Zählrate R aller Impulse mit einer Impulsamplitude S.

Die Messeinheit 8 ist an eine Verarbeitungseinheit 10 angeschlossen, welche die Rechnereinheit 9 und eine Speichereinheit 11 enthält. In Fig. 1 sind die Einhei­ ten 8, 9, 11 Bestandteile eines Mikroprozessorsystems 12. In einer weiteren bevor­ zugten Ausgestaltung sind die einzelnen Baueinheiten durch Analogschaltungen realisiert.

In der Speichereinheit sind ein oder mehrere später noch zu erläuternde charak­ teristische Referenzparameter abgelegt, welche für den Szintillator 1 bei natürli­ cher Gammastrahlung ermittelbar sind. Die im Meßbetrieb von der Messeinheit 8 aktuell gemessenen Zählraten R werden mit dem Referenzparameter oder den Referenzparametern verglichen. Bei einem ganz bestimmten Vergleichsergebnis, d. h. einem Über- bzw. Unterschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes, werden von der Verarbeitungseinheit 10 daran angeschlossene Signalisierungsmittel an­ gesteuert, um den Benutzer das Vergleichsergebnis (= künstliche Gammastrah­ lung vorhanden/nicht vorhanden) optisch oder akustisch mitzuteilen. In Fig. 1 sind an der Verarbeitungseinheit 10 als Signalisierungsmittel beispielhaft eine erste Leuchtdiode 13 und eine zweite Leuchtdiode 14 angeschlossen. Mit Hilfe einer an die Verarbeitungseinheit 10 angeschlossenen Schnittstelle 15, z. B. einem V24-Treiber/Empfänger, kommuniziert die Meßvorrichtung mit peripheren Datenverar­ beitungsmitteln, z. B. einer Rechneranlage. Für diese Kommunikation enthält die Schnittstelle 15 eine Spannungsversorgung +12 V/GND und verschiedene Signal­ leitungen, welche beispielhaft als RD, TD, RTS und CTS dargestellt sind. Über einen Signalausgang 16 ist die Verarbeitungseinheit 10 an einen Digital/Analog- Wandler 17 angeschlossen, welcher wiederum in der üblichen Weise den Hoch­ spannungsgenerator 5 ansteuert.

Beim organischen Szintillator 1 bleibt die Impulsamplitudenverteilung der natürli­ chen Gammastrahlung in ihrer charakteristischen Form derart erhalten, daß deren integrale, von den Schwellwerten S abhängige Zählratenverteilung unabhängig von örtlichen Schwankungen eine im wesentlichen konstante Kennlinie ergibt (Fig. 2). Von diesem charakteristischen Impulsamplitudenspektrum oder der Zähl­ ratenverteilung sind deshalb ein oder mehrere charakteristische Referenzparame­ ter der natürlichen Gammastrahlung ableitbar. Bei einem Vergleich der aktuell gemessenen Zählraten R_U und R_O mit dem Referenzparameter oder den Refe­ renzparametern kann dann eindeutig das Vorhandensein künstlicher Gammastrahler erkannt werden. Für diesen Vergleich wird der für künstliche Gammastrahler (z. B. die relevanten Strahler Cs-137, Ir-192, U-235, Pu-239) und natürliche Gammastrahler unterschiedliche Energieübertrag auf die Detektorein­ heit 3 ausgenützt. In einer bevorzugten Ausführungsform werden zwei Im­ pulsamplitudenschwellen verwendet, eine Unterschwelle S_U und eine Oberschwel­ le S_O. Gemäß Fig. 2 - die Impulsamplitudenachse ist hier beispielhaft in der Ein­ heit "mV" eingetragen - bewirkt ein Cs-Prüfstrahler oberhalb von etwa 600 mV keine zusätzlichen Impulse, während dort die natürliche Umgebungsstrahlung noch eine nennenswerte Impulszahl aufweist. Die Oberschwelle S_O = S2 liegt deshalb vorzugsweise zwischen 600-700 mV. Um eine größtmögliche statistische Signifikanz zu erzielen, wird die Unterschwelle S_U = S1 zwischen 20-50 mV posi­ tioniert. Eine zweite Oberschwelle S_O = S3 ist in den Bereich der größten Im­ pulsamplifuden eines Co-Prüfstrahlers, also zwischen 1200-1300 mV positioniert. Die Höhenschwelle S4 zur Messung der integralen Zählrate der natürlichen Hö­ henstrahlung ist vorzugsweise in dem Impulsamplitudenbereich zwischen 3000-4000 mV positioniert (in Fig. 2 nicht dargestellt).

Der Vergleich der gemessenen Zählraten R_O für die Oberschwelle S_O und R_U für die Unterschwelle S_U mit einem charakteristischen Referenzparameter wird an­ hand von Fig. 3 erläutert. In einer besonders einfachen Weise wird der Referenz­ parameter als ein bei natürlicher Gammastrahlung vorhandenes Referenz-Zählratenverhältnis V_R ermittelt, wobei gilt:

V_R R_U/R_O.

Für dieses Referenz-Zählratenverhältnis V_R ergibt sich - je nach Detektorgeome­ trie und Schwellenwahl - typischerweise ein Wert von ca. 3 . . . 10. Dieser Wert kann beispielsweise durch eine Initialisierung der Meßvorrichtung vor dem eigentlichen Meßbetrieb gewonnen werden. Hierzu wird für einen bestimmten Zeitraum (z. B. ca. 10 s) im natürlichen Strahlungsfeld die Zählraten R_U und R_O bestimmt. Zur Überprüfung, ob für den Referenzparameter ein geeigneter Wert festgelegt wur­ de, kann zuvor eine Testmessung mit geeigneten Prüfstrahlern durchgeführt wer­ den.

Während des Meßbetriebes wird in der Verarbeitungseinheit 10 aus den beiden aktuell gemessenen Zählraten R_U und R_O ein Meß-Zählratenverhältnis V_M be­ rechnet. Dieses Meß-Zählratenverhältnis V_M wird mit dem Referenz-Zählratenverhältnis V_R verglichen. Bei Vorhandensein künstlicher Gammastrahler wird die gemessene Zählrate R_U größer, so daß das Meß-Zählratenverhältnis V_M gegenüber dem Referenz-Zählratenverhältnis V_R ansteigt. Somit kann mit diesem Vergleich zuverlässig erkannt werden, daß ein Cs-137-Strahler bzw. ein demge­ genüber niederenergetischeres Nuklid vorhanden ist. Wird ein ganz bestimmtes Nuklid mit gegenüber Cs-137 niederenergetischerer Gammastrahlung gesucht (z. B. Ir-192, Pu-239, U-235), so kann die Oberschwelle S_O entsprechend abge­ senkt positioniert werden. Das gegenüber Cs-137 höherenergetischere künstliche Nuklid Co-60 wird mittels des Meß-Zählratenverhältnisses V_M für S_U = S1 und S_O = S2 nur erkannt, sofern es sich um einen abgeschirmten Co-60-Strahler handelt, da sich in diesem Fall das Energiespektrum durch Comptonstreuung nach links (= niedrigere Gammaenergien) verschiebt. Ein starker freier Co-60-Strahler und in Bezug auf die ausgesandten Gammaenergien vergleichbare künstliche Nuklide werden zuverlässig erkannt, wenn das Meß-Zählratenverhältnis V_M für S_U = S2 und S_O = S3 berechnet und mit einem entsprechenden zuvor ermittelten Refe­ renz-Zählratenverhältnis V_R der natürlichen Gammastrahlung verglichen wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Meßvorrichtung mit entsprechenden Schaltungen und Bedienelementen od. dgl. ausgestattet, welche dem Benutzer eine individuelle Auswahl gestatten, welches künstliche Nuklid auf sein Vorhan­ densein hin überprüft werden soll. Die Meßvorrichtung mißt dann die Zählraten R_U und R_O für die durch den Benutzer positionierten Schwellwerte S.

Zur quantitativen Bestimmung des erkannten künstlichen Gammastrahlers wird in der Rechnereinheit 9 eine kompensierte Zählrate R_K der Form

R_K = R_U - V_R · R_O

berechnet. Ist im Meßbetrieb kein künstlicher Gammastrahler vorhanden, gilt R_K ≈ 0. Andernfalls löst die mit dieser Gleichung berechnete kompensierte Zählrate R_K bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes W_G ein Signal aus, welches das Vorhandensein eines künstlichen Strahlers signalisiert. Gleichzeitig läßt die berechnete kompensierte Zählrate R_K einen Rückschluß auf die Intensität des künstlichen Strahlers zu. Bei dem vorgenannten Grenzwert zum Vergleich mit der kompensierten Zählrate R_K handelt es sich entweder um einen fest eingestellten Betrag (Dimension: s^-1) oder um einen bestimmten Bruchteil der Gesamtzählrate (entspricht der Zählrate R_U für die Unterschwelle S_U) oder um einen aus statisti­ schen Betrachtungen zur akzeptierten Fehlalarmwahrscheinlichkeit (Erkennungsgrenze) durch das Meßsystem ständig neu berechneten Grenzwert.

Analog kann die kompensierte Zählrate R_K für die beiden Schwellen S_U = S2 und S_O = S3 und das entsprechende Referenz-Zählratenverhältnis V_R = R_S2/R_S3 er­ mittelt und mit einem entsprechenden Grenzwert verglichen werden.

Zur automatischen Driftstabilisierung bei der Strahlungsmessung und zur Steige­ rund der Selektivität der Messungen enthält die Verarbeitungseinheit 10 in einer bevorzugten Ausführungsform elektronische Mittel und/oder einen Prozessor, um Drifteffekte (Temperatur, Elektronik, Witterungseffekte etc.) zu kompensieren. Dies wird erzielt durch ein automatisches "Lernen" des Referenzparameters in­ nerhalb zulässiger Grenzen mit einer einstellbaren Zeitkonstante. Dadurch kön­ nen absolute Schwankungen des Referenzparameters kompensiert und dessen Bandbreite variiert werden, so daß falsche Meßergebnisse vermieden werden. Dies ist insbesondere wichtig für Meßaufgaben, bei denen es auf das Erkennen schneller Veränderungen des Strahlungsfeldes ankommt.

Der Unterschied zwischen dem erfindungsgemäßen Meßverfahren und einer her­ kömmlichen quantitativen Meßauswertung wird anhand der Fig. 4-Fig. 7 darge­ stellt: Die im 250 ms-Takt abgespeicherten Meßdaten wurden von einem Meß­ fahrzeug, welches mit einem Großflächendetektor (50 cm × 100 cm × 5 cm) aus­ gerüstet ist, ausgemessen. In Fig. 4 ist die über 1 s gleitend gemittelte Gesamt­ zählrate R_U für den Schwellwert S1 während einer Stadtfahrt dargestellt. Deutlich erkennbar ist, daß selbst ohne Vorhandensein eines künstlichen Gammastrahlers die Zählrate R_U der natürlichen Gammastrahlung ganz erhebliche Schwankungen aufweist. Hingegen ist das bei dieser Stadtfahrt gemessene Zählratenverhältnis V_M = R_U/R_O für die Schwellen S_U = S1 und S_O = S2 im wesentlichen konstant und eignet sich deshalb als Referenzparameter V_R der natürlichen Gammastrah­ lung (Fig. 9). Um die Auswirkung einer Vorbeifahrt an einem künstlichen Gammastrahler zu demonstrieren, wurde eine relativ schwache Cs-137-Quelle von 700 kBq mehrmals mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Abständen passiert. Während die Änderungen der gemessenen Zählrate R_U deutlich inner­ halb der natürlichen Schwankungsbreite der während der Stadtfahrt gemessenen Zählrate R_U bleiben (siehe Fig. 4) und deshalb im Meßbetrieb kein zuverlässiges Erkennen eines künstlichen Strahlers ermöglichen, ist der Nachweis einer künstli­ chen Strahlungsquelle mit Hilfe der vom konstanten Zählratenverhältnis V_R der natürlichen Gammastrahlung abweichenden Werte des im Meßbetrieb ermittelten Zählratenverhältnisses V_M = R_U/R_O eindeutig gegeben.

Bezugszeichenliste

1 organischer Szintillator
2 Fotomultiplier
3 Detektoreinheit
4 Arbeitswiderstand
5 Hochspannungsgenerator
6 Kondensator
7 Verstärker
8 Messeinheit
9 Rechnereinheit
10 Verarbeitungseinheit
11 Speichereinheit
12 Mikroprozessorsystem
13 erste Leuchtdiode
14 zweite Leuchtdiode
15 Schnittstelle
16 Signalausgang
17 Digital/Analog-Wandler
K1-K4 Komparatoren
R_U integrale Zählrate für die Unterschwelle S_U
R_O integrale Zählrate für die Oberschwelle S_O
R_S integrale Zählrate für die Schwelle S
S, S1, S2, S3 Schwellwert
S_U Unterschwelle
S_O Oberschwelle
S4 Höhenschwelle
V_M Meß-Zählratenverhältnis
V_R Referenz-Zählratenverhältnis
W_G Grenzwert

Claims (14)

1. Verfahren zur Erkennung künstlicher Gammastrahlung mittels eines organi­ schen Szintillators (1), wobei gemessene Daten (R_O, R_U,V_M) einer Im­ pulsamplitudenverteilung mit mindestens einem aus einer charakteristischen Referenz-Impulsamplitudenverteilung der natürlichen Gammastrahlung abge­ leiteten Referenzparameter (V_R) verglichen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei für jede Oberschwelle (S_O) im Bereich der jeweils erwarteten größten Impulsamplituden der künstlichen Gammastrah­ lung und für eine der Oberschwelle (S_O) zugeordneten Unterschwelle (S_U) die integralen Zählraten (R_O, R_U) als Meßdaten ermittelt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, wobei der Referenzparameter das bei na­ türlicher Gammastrahlung ermittelte Referenz-Zählratenverhältnis (V_R) beider Schwellen (Su, S_O) ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei zum Vergleich aus den beiden ein­ ander zugeordneten, aktuell gemessenen Zählraten (R_U, R_O) ein Meß-Zählratenverhältnis (V_M) gebildet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2 und 3, wobei zum Vergleich der beiden gemesse­ nen Zählraten (R_U, R_O) mit dem Referenz-Zählratenverhältnis (V_R) eine Glei­ chung der Form R_K = R_U - V_R · R_Ogebildet wird mit R_U als Zählrate der Unterschwelle (S_U), mit R_O als Zählrate der Oberschwelle (S_O), mit V_R als Referenz-Zählratenverhältnis und mit R_K als kompensierte Zählrate, und wobei die kompensierte Zählrate (R_K) mit einem vorgegebenen Grenzwert (W_G) verglichen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die beiden gemessenen Zählraten (R_U, R_O) um eine gemessene integrale Zählrate (R_S4) der natürli­ chen Höhenstrahlung bei einer vorgegebenen Höhenschwelle (S4) reduziert werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei bei einer Abweichung des bei der Messung ermittelten Ist-Vergleichsergebnisses von einem vorgegebe­ nen Soll-Vergleichsergebnis das Vorhandensein von künstlicher Gammastrahlung signalisiert wird.

8. Vorrichtung zur Erkennung künstlicher Gammastrahlung mit einem organi­ schen Szintillator (1), mit einer an den Szintillator (1) angeschlossenen Mes­ seinheit (8) zur Messung von Daten (R_O, R_U, V_M) einer Impulsamplitudenvertei­ lung und mit einer Verarbeitungseinheit (10) zum Vergleich der Meßda­ ten (R_O, R_U, V_M) mit mindestens einem aus einer charakteristischen Referenz-Impulsamplitudenverteilung der natürlichen Gammastrahlung abgeleiteten Referenzparameter (V_R).

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei mindestens zwei an den Szintillator (1) angeschlossene Komparatoren (K1, K2) für eine Oberschwelle (S_O) im Bereich der jeweils erwarteten größten Impulsamplituden der künstlichen Gammastrahlung und für eine der Oberschwelle (S_O) zugeordneten Unter­ schwelle (S_U) vorgesehen sind zur Messung der integralen Zählraten (R_U, R_O) der beiden Schwellen (S_U, S_O).

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Verarbeitungseinheit (10) eine Speichereinheit (11) zum Ablegen der Referenz-Impulsamplitudenverteilung und/oder des Referenzparameters (V_R) der natürlichen Gammastrahlung ent­ hält.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Verarbeitungsein­ heit (10) eine Rechnereinheit (9) zur Berechnung eines Meß-Zählratenverhältnisses (V_M) aus den gemessenen Zählraten (R_U, R_O) enthält.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Verarbeitungseinheit (10) eine Rechnereinheit (9) zur Berechnung der Gleichung R_K = R_U - V_R · R_Oenthält mit R_U als Zählrate der Unterschwelle (S_U), mit R_O als Zählrate der Oberschwelle (S_O), mit V_R als Referenz-Zählratenverhältnis und mit R_K als kompensierte Zählrate, und wobei die Verarbeitungseinheit (10) die kompen­ sierte Zählrate (R_K) mit einem vorgegebenen Grenzwert (W_G) vergleicht.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei ein zusätzlicher Kom­ parator (K4) für eine Höhenschwelle (S4) vorgesehen ist zur Messung einer integralen Zählrate (R_S4) der natürlichen Höhenstrahlung bei einer vorgegebe­ nen Höhenschwelle (S4).

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei Signalisierungsmit­ tel (13, 14) vorgesehen sind, welche bei einer Abweichung des bei der Mes­ sung ermittelten Ist-Vergleichsergebnisses von einem vorgegebenen Soll-Vergleichsergebnis das Vorhandensein von künstlicher Gammastrahlung si­ gnalisieren.