DE19900878C2

DE19900878C2 - Verfahren zur Analyse eines primären Neutronenstrahls einer Neutronenquelle sowwie Strahlmonitor zur Untersuchung eines in einer Neutronenquelle erzeugten primären Neutronenstrahls

Info

Publication number: DE19900878C2
Application number: DE19900878A
Authority: DE
Inventors: Jakob Schelten
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1999-01-12
Filing date: 1999-01-12
Publication date: 2003-08-28
Anticipated expiration: 2019-01-13
Also published as: DE19900878A1; GB2345788B; GB2345788A; GB0000679D0; FR2788347A1; US6668033B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse eines primären Neutronenstrahls einer Neutronenquelle sowie einen Strahlmonitor zur Untersuchung eines in einer Neutronenquelle erzeugten primären Neutronenstrahls, umfassend eine zur Detektion von Neutronen geeignete Detektorvorrichtung.

Es ist bekannt, zur Analyse des primären Neutronenstrahls einer Neutronenquelle Spaltkammern als Strahlmonitore zu verwenden. Derartige Spaltkammern weisen auf ihren Innenwänden eine dünne Schicht aus ²³⁵U-haltigem Material auf, das als Neutronenabsorber dient. Von ²³⁵U eingefangene Neutronen führen zur thermischen Spaltung, bei der die erwünschten Spaltprodukte in einem in der Spaltkammer befindlichen Gas Elektronen und Ionen erzeugen. Aufgrund einer angelegten elektrischen Spannung bewirken diese beweglichen Ladungsträger einen Ionisationsstrompuls, mit dessen Hilfe das die Spaltung erzeugende Neutron gezählt wird.

Nachteilig an den Spaltklammern ist, daß neben den erwünschten Spaltprodukten bei der thermischen Spaltung im Mittel drei schnelle MeV-Neutronen sowie MeV-Gammastrahlung erzeugt werden. Diese hochenergetische Neutronen- bzw. Gammastrahlung ist in der Regel bei Neutronenquellen unerwünscht.

Weiterhin ist nachteilig, daß der Fluß langsamer Neutronen durch die Spaltkammer erheblich geschwächt werden kann, da die Neutronenabsorption umgekehrt proportional zur Geschwindigkeit der Neutronen ist.

Es ist des weiteren bekannt (US 5,142,153 oder US 5,440,136), zur Untersuchung eines Objekts, z. B. eines Pakets, Koffers oder dergleichen im Hinblick auf den Inhalt, eine eine Neutronenquelle und einen Detektor umfassende Vorrichtung einzusetzen. Zur Untersuchung wird das Objekt mit dem Neutronenstrahl der Neutronenquelle beaufschlagt und die vom Objekt gestreuten Neutronen mittels des Detektors analysiert. Ein Strahlmonitor zur Analyse des Neutronenstrahls vor seinem Auftreffen auf das zu untersuchende Objekt ist in den genannten Druckschriften nicht offenbart.

Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie einen Strahlmonitor der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die eine Analyse des primären Neutronenstrahls erlauben, bei der der primäre Neutronenstrahl nicht wesentlich gestört wird.

Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Teil der Neutronen mittels einer Neutronen zumindest überwiegend inkohärent streuenden Streueinheit aus dem primären Neutronenstrahl herausgestreut wird, ein über das Streuverhalten der Streueinheit und die geometrischen Bedingungen definierbarer Teil der Neutronen einer außerhalb des primären Neutronenstrahls angeordneten Detektorvorrichtung zugeführt wird und mittels des Nachweises der gestreuten Neutronen Informationen über die Neutronen im primären Neutronenstrahl gewonnen werden.

Hierdurch wird verhindert, daß der primäre Neutronenstrahl durch einen für die Analyse dieses Neutronenstrahls notwendigen Detektionsvorgang gestört wird. Der primäre Neutronenstrahl kann gegenüber ggf. in der Detektorvorrichtung erzeugter Strahlung wirkungsvoll abgeschirmt werden. Die inkohärente Streuung der Neutronen aus dem primären Neutronenstrahl kann so gewählt werden, daß der primäre Neutronenstrahl nur unwesentlich geschwächt wird. So kann beispielsweise der Anteil der gestreuten Neutronen an der Gesamtzahl der Neutronen im primären Neutronenstrahl auf Werte zwischen 10^-2 und 10^-6 festgelegt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt werden, daß die Neutronen in der Detektorvorrichtung durch eine Kollimatoreinheit geführt werden, so daß nur in ihrer Bewegungsrichtung im wesentlichen parallele Neutronen in einer in Bewegungsrichtung der Neutronen hinter der Kollimatoreinheit angeordneten Nachweiseinheit nachgewiesen werden, und daß das Auftreffen der Neutronen in der Nachweiseinheit ortsaufgelöst festgestellt wird.

Wenn in der Nachweiseinheit nur solche Neutronen nachgewiesen werden, die im wesentlichen parallele Bewegungsrichtungen aufweisen, kann mittels des ortsaufgelösten Nachweises der Neutronen in der Nachweiseinheit eine Aussage über die Ortsverteilung der Neutronen in der Streueinheit und damit im primären Neutronenstrahl ermittelt werden. Im wesentlichen parallele Bewegungsrichtung bedeutet, daß die Bewegungsrichtung der nachgewiesenen Neutronen höchstens um einen durch den Aufbau des Kollimators vorgegebenen Akzeptanzwinkel von der Kollimatorachse abweicht. Der Akzeptanzwinkel kann beispielsweise je nach geforderter Ortsauflösung auf Werte zwischen 10^-1 und 10^-2 radian festgelegt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt werden, daß im Falle einer gepulsten Neutronenquelle die Zeitpunkte des Nachweises der Neutronen in der Detektorvorrichtung festgestellt und durch Bezug auf den Zeitpunkt der Erzeugung der Neutronen Flugzeitspektren erstellt werden. Damit ist auch eine zeitaufgelöste Analyse des primären Neutronenstrahls möglich.

Bei einem Strahlmonitor der eingangs genannten Art wird die vorgenannte Aufgabe gelöst durch eine in dem Strahlengang des primären Neutronenstrahls anzuordnende, Neutronen zumindest überwiegend inkohärent streuende Streueinheit, wobei die außerhalb des Strahlenganges des primären Neutronenstrahls anzuordnende Detektorvorrichtung zur Analyse eines Teils der von der Streueinheit aus dem primären Neutronenstrahl gestreuten Neutronen vorgesehen ist. Eine inkohärente Streuung kann beispielsweise durch Streufolien aus Vanadium, Polyethylen oder aus einem Titan-Isotopengemisch erzeugt werden, die nur geringe oder keine Bragg-Reflexion aufweisen.

Der erfindungsgemäße Strahlmonitor kann weiterhin auch so ausgebildet sein, daß die Detektorvorrichtung

a) eine Kollimatoreinheit, die den Durchtritt allein von Neutronen mit zur Kollimatorachse im wesentlichen paralleler Bewegungsrichtung erlaubt,
b) eine in Bewegungsrichtung der durchtretenden Neutronen gesehen hinter der Kollimatoreinheit angeordnete, für den Nachweis auftreffender Neutronen geeignete Nachweiseinheit und
c) Mittel zur Feststellung der Ortsverteilung der von der Nachweiseinheit nachgewiesenen Neutronen

umfaßt.

Der erfindungsgemäße Strahlmonitor kann auch so ausgebildet sein, daß die Nachweiseinheit ein Szintillator ist und daß zur Feststellung der Ortsverteilung der nachgewiesenen Neutronen in Bewegungsrichtung der auf den Szintillator auftreffenden Neutronen gesehen hinter dem Szintillator mindestens ein ortsauflösender Photomultiplier vorgesehen ist oder mehrere nicht ortsauflösende Photomultiplier parallel zur der Streueinheit zugewandten Seite des Szintillators rasterförmig angeordnet sind. Der Szintillator kann hinreichend dick gewählt werden, so daß alle Neutronen innerhalb des Wellenlängenbandes von 0,01 bis 1 nm zu mindestens 70% absorbiert werden. Die absorbierten Neutronen erzeugen einen durch den bzw. die Photomultiplier verwertbaren Lichtimpuls. Im Falle einer rasterförmigen Anordnung nicht-ortsauflösender Photomultiplier wird jedes einzelne Nachweisereignis dem Photomultiplier zugeordnet, mit dem der stärkste Impuls festgestellt wird, wodurch die Ortsauflösung sichergestellt wird, die um so besser wird, je mehr Photomultiplier zum Nachweis eingesetzt werden. Alternativ kann auch ein ortsauflösender Photomultiplier verwendet werden. Ein ortsauflösender Photomultiplier erlaubt bereits eine Ortsauflösung des Neutronennachweises auf dem durch ihn überwachten Bereich des Szintillators.

Schließlich kann der erfindungsgemäße Strahlmonitor auch so ausgebildet sein, daß die Streueinheit eine flächige Folie ist, die Kollimatorachse senkrecht zur Streufolie ist und die der Streufolie zugewandte Fläche der Nachweiseinheit parallel zur Streufolie ist. Da somit die Fläche der Nachweiseinheit, auf die die Neutronen aufprallen, parallel zur Streufolie ist und die nachgewiesenen Neutronen im wesentlichen parallele Bewegungsrichtungen haben, ist die Wegstrecke dieser Neutronen zwischen Streufolie und Nachweiseinheit im wesentlichen gleich, d. h. unabhängig vom Ort der Streuung bzw. vom Ort des Nachweises, weshalb die örtliche Empfindlichkeit des Strahlmonitors nicht durch unterschiedliche Wegstrecken gestört wird.

Vorteilhafte Ausführungs- bzw. Ausbildungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Strahlmonitors sind im folgenden anhand zweier Figuren dargestellt.

Es zeigt schematisch

Fig. 1 Teile eines Strahlmonitors im primären Strahlengang einer Neutronenquelle und

Fig. 2 Teile eines Strahlmonitors mit gegenüber Fig. 1 veränderter Geometrie.

In Fig. 1 und Fig. 2 ist ein primärer Neutronenstrahl 1 einer in Ihrer Gesamtheit nicht dargestellten Neutronenquelle mit Pfeilen angedeutet. Der primäre Neutronenstrahl 1 trifft auf einen Strahlmonitor 2, dessen Gehäuse 3 in den Figuren nur angedeutet ist. Im Strahlmonitor 2 trifft der primäre Neutronenstrahl 1 auf eine Streufolie 4 aus Vanadium, Polyethylen oder einem Titan-Isotopengemisch, die die thermischen Neutronen des Neutronenstrahls 1 im wesentlichen nur inkohärent, d. h. ohne Bragg-Reflexion, streuen. Aufgrund der vornehmlich inkohärenten Streuung werden die gestreuten Neutronen 5, die hier ebenfalls durch Pfeile angedeutet sind, isotrop in den Raum gesendet. Der Anteil der inkohärent gestreuten Neutronen 5 in bezug auf die gesamte Neutronenzahl im primären Neutronenstrahl 1 beträgt z. B. bei einer Vanadiumfolie mit einer Dicke von 0,1 mm 5.10^-3.

Im folgenden sind in drei Tabellen Strahlschwächung und Anteil gestreuter Neutronen für drei Wellenlängen und vier Dicken von Folien aus den vorgenannten Materialien wiedergegeben für den Fall, daß die Folien mit einem Winkel von 45° zum Gang des primären Neutronenstrahl 1 angebracht sind. Die in den Tabellen angegebenen Größen sind:
V_C: Volumen der Elementarzelle des eingesetzten Materials, b^coh: kohärente Streulänge,
σ^coh, σ^inc: Wirkungsquerschnitte für kohärente bzw. inkohärente Streuung,
Σ^inc = σ^inc/V_C, µ^abs: Absorbtionskoeffizient und λ: Wellenlänge.

Tabelle 1

Tabelle 2

Tabelle 3

Der inkohärente Streubeitrag kann im Falle von Streufolien 4 aus Vanadium oder Titan durch interstitiell gelösten Wasserstoff noch erheblich gesteigert werden.

Außerhalb des primären Neutronenstrahls 1 ist eine zum Strahlmonitor 2 gehörende Detektorvorrichtung 6 angeordnet. Die Detektorvorrichtung 6 setzt sich zusammen aus einem Soller-Kollimator 7, einem Szintillator 8 und mehreren Photomultipliern 9, die in Bewegungsrichtung der gestreuten Neutronen 5 hinter dem Szintillator 8 rasterförmig angeordnet sind. Auf den Szintillator 8 auftreffende gestreute Neutronen 5 erzeugen im Szintillator 8 jeweils einen Lichtblitz, der mit Hilfe der Photomultiplier registriert werden kann. Das dadurch nachgewiesene Neutron wird dem Bereich des Szintillators 8 zugeordnet, der oberhalb des Photomultipliers 9 gelegen ist, der das stärkste Signal geliefert hat. Somit ist eine Ortsverteilung der nachgewiesenen Neutronen im Szintillator 8 feststellbar.

Der Kollimator 7 bewirkt, daß nur solche gestreuten Neutronen 5 den Szintillator 8 erreichen, deren Bewegungsrichtung höchstens um einen Akzeptanzwinkel von der Achse des Kollimators 7 abweicht. Der Akzeptanzwinkel wird je nach geforderter Ortsauflösung auf Werte zwischen 10^-1 und 10^-2 radian festgelegt. Damit treffen auf den Szintillator 8 in einem Zeitraum t N_Sz Neutronen auf, wobei N_Sz gegeben ist durch

N_Sz = Φ_nFts[α²/4π].

In dieser Gleichung ist Φ_n der primäre Neutronenfluß, F seine Querschnittsfläche und t die Integrationszeit. Der Anteil an Neutronen, die den Szintillator erreichen, ist damit:

N_Sz/Φ_nFt = s[α²/4π] = 10^-3 . . . 10^-11.

Der Szintillator 8 ist ein handelsüblicher ⁶Li-Glasszintillator mit einer Dicke von 10 mm. Bei dieser Dicke werden die auftreffenden Neutronen innerhalb des Wellenlängenbandes von 0,01 nm bis 1 nm zu mindestens 70% der Erzeugung eines verwertbaren Lichtimpulses absorbiert. Mit einem solch großen Absorptionsvermögen kann eine gleichmäßige spektrale Empfindlichkeit sichergestellt werden.

Die spektrale Verteilung der Neutronen im primären Neutronenstrahl 1 kann über eine Flugzeitmessung festgestellt werden. Für eine Flugzeitmessung muß feststehen, zu welchem Zeitpunkt ein Neutron im Szintillator nachgewiesen wurde und wann das Neutron in der Neutronenquelle erzeugt wurde. Bei gepulsten Spallationsneutronenquellen ergibt sich der Entstehungszeitpunkt aus dem Auftreffen von Protonen am Target der Neutronenquelle.

Die spektrale Auflösung δλ/λ beträgt bei einem Abstand zwischen Neutronenquelle und Strahlmonitor von 10 m für die mittlere Wellenlänge von λ = 0.1 nm etwa 4.10^-1. Da die Gesamtstrecke von der Neutronenquelle bis zum Szintillator 8 in Abhängigkeit vom Ort des jeweiligen Neutrons im Strahlenquerschnitt geringfügig differieren, bedarf es einer kleinen Zeitkorrektur, damit vergleichbare Flugzeitspektren entstehen.

In Fig. 1 sind Streufolie, Kollimator und Szintillator parallel zueinander angeordnet. Dadurch kann gewährleistet werden, daß bei homogenem Material der Streufolie 4, bei homogenem Kollimator 7 und homogenem Material des Szintillators 8 die Nachweiswahrscheinlichkeit für die Neutronen ortsunabhängig ist. Die weitgehende Parallelität der Bewegungsrichtung der mit dem Szintillator 8 nachgewiesenen gestreuten Neutronen 5 erlaubt es zudem, mittels des ortsaufgelösten Nachweises im Bereich des Szintillators 8 eine Aussage über die Ortsverteilung der Neutronen im primären Neutronenstrahl 1 zu erhalten.

In Fig. 2 sind die Streufolie 4 und der Szintillator 8 nicht parallel zueinander. Hierdurch ist die Nachweiswahrscheinlichkeit am Szintillator 8 zwar nicht mehr ortsunabhängig. Da die Ortsabhängigkeit jedoch zeitlich stabil ist, kann die Nachweisempfindlichkeit ohne weiteres rechnerisch korrigiert werden. Der geometrische Aufbau des Strahlmonitors 2 gemäß Fig. 2 hat den Vorteil, daß die Länge des Strahlmonitors 2 in Richtung des primären Neutronenstrahls 1 minimal gestaltet werden kann. Bei dieser Anordnung haben die nachgewiesenen Neutronen 5 eine Bewegungsrichtung senkrecht zu der der Neutronen im primären Neutronenstrahl 1.

Bezugszeichenliste

1

primärer Neutronenstrahl

2

Strahlmonitor

3

Gehäuse

4

Streufolie

5

Gestreute Neutronen

6

Detektorvorrichtung

7

Soller-Kollimator

8

Szintillator

9

Photomultiplier

Claims

1. Verfahren zur Analyse eines primären Neutronenstrahls (1) einer Neutronen quelle, bei dem ein Teil der Neutronen mittels einer Neutronen zumindest überwiegend inkohä rent streuenden Streueinheit (4) aus dem primären Neutronenstrahl (1) herausgestreut wird, ein über das Streuverhalten der Streueinheit (4) und die geometrischen Bedingungen definierbarer Teil der Neutronen einer außerhalb des primären Neutronenstrahls (1) angeordneten Detektor vorrichtung (6) zugeführt wird und mittels des Nachweises der gestreuten Neutronen Informatio nen über die Neutronen im primären Neutronenstrahl (1) gewonnen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Neutronen in der Detektorvorrichtung (6) durch eine Kollimatoreinheit (7) geführt werden, so daß nur in ihrer Bewegungsrichtung im wesentlichen parallele Neutronen in einer in Bewegungsrichtung der Neutronen hinter der Kollimatoreinheit (7) angeordneten Nachweiseinheit (8) nachgewiesen werden, und daß das Auftreffen der Neutronen in der Nachweiseinheit (8) ortsaufgelöst festge stellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle einer gepulsten Neutronenquelle die Zeitpunkte des Nachweises der Neutronen in der Detektorvor richtung (6) festgestellt und durch Bezug auf den Zeitpunkt der Erzeugung der Neutronen Flug zeitspektren erstellt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse der Kollimatoreinheit (7) senkrecht zum Verlauf des primären Strahlenganges (1) ausgerichtet wird.

5. Strahlmonitor zur Untersuchung eines in einer Neutronenquelle erzeugten primä ren Neutronenstrahls (1), umfassend eine zur Detektion von Neutronen geeignete Detektorvor richtung (6), gekennzeichnet durch eine in dem Strahlengang des primären Neutronenstrahls anzuordnende, Neutronen zumindest überwiegend inkohärent streuende Streueinheit (4), wobei die außerhalb des Strahlenganges des primären Neutronenstrahls anzuordnende Detektorvorrichtung zur Analyse eines Teils der von der Streueinheit aus dem primären Neutronenstrahl gestreuten Neutronen vorgesehen ist.

6. Strahlmonitor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Detek torvorrichtung (6)

a) eine Kollimatoreinheit (7), die den Durchtritt allein von Neutronen mit zur Kollimator achse im wesentlichen paralleler Bewegungsrichtung erlaubt,
b) eine in Bewegungsrichtung der durchtretenden Neutronen gesehen hinter der Kolli matoreinheit (7) angeordnete, für den Nachweis auftreffender Neutronen geeignete Nachweiseinheit (8) und
c) Mittel (9) zur Feststellung der Ortsverteilung der von der Nachweiseinheit (8) nachge wiesenen Neutronen

umfaßt.

7. Strahlmonitor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Nach weiseinheit (8) ein Szintillator ist und daß zur Feststellung der Ortsverteilung der nachgewiese nen Neutronen in Bewegungsrichtung der auf den Szintillator (8) auftreffenden Neutronen gese hen hinter dem Szintillator (8) mindestens ein ortsauflösender Photomultiplier vorgesehen ist oder mehrere nicht-ortsauflösende Photomultiplier (9) parallel zur der Streueinheit zugewandten Seite des Szintillators rasterförmig angeordnet sind.

8. Strahlmonitor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Streuein heit (4) eine flächige Folie ist, die Kollimatorachse senkrecht zur Streufolie (4) und die der Streufolie (4) zugewandte Fläche der Nachweiseinheit (8) parallel zur Streufolie (4) ist.