DE2628002A1

DE2628002A1 - Kombinierter neutronen-gammastrahlen- detektor

Info

Publication number: DE2628002A1
Application number: DE19762628002
Authority: DE
Inventors: Travis Parker Stuart; Wilbur John Tipton
Original assignee: US Department of Energy
Current assignee: US Department of Energy
Priority date: 1975-06-24
Filing date: 1976-06-23
Publication date: 1977-01-13
Also published as: SE7606437L; NO761952L; IT1068702B; AU497366B2; CA1044821A; ES449144A1; JPS5214474A; AU1481476A; US3988586A; FR2317668A1; GB1497367A

Description

Kombinierter Neutronen-Gammastrahlen-Detektor

Die Erfindung "bezieht sich auf die Feststellung von Strahlung und insbesondere auf ein Strahlungsfeststellungssystem (Strahlungsdetektorsystem), welches in der Lage ist, Gammastrahlen und Neutronenvorgänge festzustellen und zwischen diesen zu unterscheiden.

Die Peststellung von Neutronen beim Vorhandensein eines zugehörigen großen Flusses an Gammastrahlen bildete stets ein schwieriges Problem. Eine Lösungsmöglichkeit für dieses Problem besteht darin, einen Detektor, wie beispielsweise einen BE^-Proportionalzähler zu verwenden, der von Natur aus gegenüber Gammastrahlen unempfindlich ist. Eine andere Lösungsmöglichkeit besteht darin, ein stark abschirmendes Material um den Detektor herum vorzusehen, um den Gammafluß zu reduzieren, der tatsächlich vom Detektor "gesehen" wird.

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In vielen Fällen ist es erforderlich, sowohl den Neutronenbeitrag als auch den Gammas trahlenb ei trag "bei einer Strahlungsquelle festzustellen. Bislang wurde dies im allgemeinen dadurch erreicht, daß man ein Paar von Detektoren verwendete, und zwar einen zur Feststellung der Neutronen und den anderen zur Feststellung der Gammastrahlung. Wenn jedoch die Strahlungsüberwachung einer Quelle von einem Flugzeug, Hubschrauber oder dgl. ausgeübt werden soll, so bilden die Raum- und/oder Gewichts-Erfordernisse eines zweiteiligen Systems außerordentlich ernste Einschränkungen für die Überwachungsmission.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen kombinierten Neutronen-Gammastrahlen-Detektor, der in der Lage ist, eine im wesentlichen vollständige Trennung zwischen den Neutronen und den Gammastrahlen vorzunehmen, wobei der hohe Wirkungsgrad für beide Torgänge aufrechterhalten bleibt. Die Gewichtsverminderung und die Raumeinsparungen dieses kombinierten erfindungsgemäßen Detektors gegenüber zweiteiligen Systemen machen ihn besonders vorteilhaft für radiologische Überwachungssysteme, die in der Luft verwendet werden. Der erfindungsgemäße Detektor besitzt einen hohen Wirkungsgrad für seine Größe und/oder sein Gewicht verglichen mit anderen Systemen, die derzeit zur Feststellung von Neutronen in Anwesenheit von Gammastrahlen oder zur Feststellung von sowohl Neutronen und Gammastrahlen verwendet werden.

Die vorliegende Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, ein Strahlungsfeststellsystem vorzusehen, welches bezogen auf die Größe und das Gewicht außerordentlich wirkungsvoll arbeitet. Das erfindungsgemäße Strahlungsfeststellsystem soll dabei in der Lage sein, sowohl Neutronen als auch Gammastrahlen festzustellen. Ferner bezweckt die Erfindung einen kombinierten Neutronen-Gammastrahlen-Detektor vorzusehen, der zwischen den Neutronen und Gammastrahlen unterscheiden kann, wobei ein hoher Wirkungsgrad für beide Feststellvorgänge erhalten bleibt. Darüber hinaus hat sich die Erfindung zum Ziel gesetzt, ein Strahlungsfeststellsystem vorzusehen, welches eine

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verhältnismäßig kleine Größe und ein "bescheidenes Gewicht aufweist und ferner in der Lage ist, zwischen Neutronen und Gammastrahlen zu unterscheiden.

Kurz zusammengefaßt, werden die oMgen Ziele und Vorteile durch das erfindungsgemäße System erreicht, welches einen Detektor für eine PhotoVervielfacheranordnung vorsieht, die eine Kombination von zwei Phosphormaterialien verwendet, wobei das erste in erster Linie infolge der Neutronenstrahlung szintilliert, während das zweite in erster Linie infolge der Gammastrahlen szintilliert.

Eine Differenz in den Zerfallszeitkonstanten der "beiden Phosphormaterialien wird verwendet, um eine Impulsformdiskriminierung (Unterscheidung) zwischen Szintillationen der "beiden Phosphore (Leuchtstoffe) vorzusehen. Die Impulsformdiskriminierung wird verwendet, um ein Ausgangsauswahlmittel, wie "beispielsweise ein Koinzidenzgatter, zu steuern, um die Ausgangsgröße des Photovervielfachers in die Beiträge eines jeden der beiden Phosphore aufzuteilen.

Der Detektor verwendet eine Kombination von relativ kleinen Glasteilchen oder Kügelchen (Perlen), die in einer Matrix aus einem szintillierenden Plastikmaterial verteilt sind. Die Größe der Kügelchen wird derart ausgewählt, daß sie groß genug sind, um eine hohe Absorptionswahrscheinlichkeit für Neutronen vorzusehen, wobei sie aber dennoch klein genug sind (und mit einem hinreichenden Abstand voneinander angeordnet sind), daß das Energieniveau,bei dem Szintillationen entsprechend den Gammavorgängen auftreten, in charakteristischer Weise viel kleiner ist als das den Neutronenvorgängen entsprechende, wodurch eine Impulshöhendiskriminierung vorgesehen ist. Kügelchen aus einem Silikatglas, welches mit Cer aktiviert ist und Lithium enthält, welches in Li angereichert ist, verwendet in Verbindung mit einer Polyvinyltoluol-Kunststoffmaterialmatrix, die mit Szintillationsmaterialien angereichert wurde, ist eine besonders vorteilhafte Kombination von Phosphor-

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ORIGINAL INSJ»£c?l£Ö

materialien für das kombinierte Detektorsystem gemäß der Erfindung.

Thermische Neutronen werden in G-laskügelchen über die Li (η, α) t -Reaktion festgestellt, die einen positiven Q-Wert von 4,79 MeV "besitzt. α-Teilchen und Triton wird in entgegengesetzten Richtungen emittiert, und zwar mit Energien von 2,05 MeV bzw. 2,74 MeV. Da der mittlere absorptionsfreie Pfad für die thermischen Neutronen typischerweise in der Größenordnung von 0,6 bis 0,7 mm für diese Glasart liegt, können sehr hohe Neutronen-Feststellwirkungsgrade mit relativ kleinen Glasteilchen erreicht werden. Andererseits besitzen die aus den Gammastrahlen-Wechselwirkungen innerhalb des Glases entstehenden Compton-Elektronen einen längeren Bereich innerhalb des Glases als die Neutronen der gleichen äquivalenten Energie. Daher führt die Verwendung von Glasteilchen einer hinreichend kleinen Größe zu einer Impulshöhentrennung zwischen Neutronen und Gammastrahlen mit der gleichen äquivalenten Energie.

Polyvinyltoluol besitzt die !Fähigkeit,, die Glaskügelchen zu benetzen und sieht daher gute optische Kopplung vor und erleichtert die Herstellung des kombinierten Detektors, Zudem ist der Brechungsindex von Polyvinyltoluol dicht benachbart zu dem des Glases, xvodurch die Licht üb ertragung vom Glas in die Photovervielfacherröhre erleichtert wird. Da der Kunststoff innerhalb des Temperaturbereichs, in dem der Detektor verwendet wird, fest ist, befinden sich die Glaskügelchen in einer festen Stellung und werden somit im gewissen Umfang gegenüber mechanischem Stoß geschützt. Der Kunststoff kann in eine Vielfalt von Formen gebracht werden, und zwar abhängig vom speziellen Anwen= dimgsfall, wobei er infolge des hohen Wasserstoffgehalts des Polyvinyltoluole auch als ein Moderator für die Thermalisie- rung der Neutronen dient. Durch die Hinzufügung der Szintilla·= tionschemikalien sum Polyvinyltoluol wird ein wirkungsvoller Gammastrahlen-Detektor ges" haffen, der die Spsktralinfonnation der Gammastrahlen beibehält» Demgemäß gestattet die erfindungsgemäße Kombination aus Impulshöhen— und Impulsform-Lis-=

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kriminierung eine im wesentlichen vollständige Trennung der Neutronen-und Gammastrahlenvorgänge.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine teilweise schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Photovervielfacherimpulsformen, die man aus G-las und aus Kunststoffphosphor en erhält, und zwar unter Verwendung einer Auswahl von RC-Zeitkonstantenwerten;

Pig. 3 eine graphische Darstellung der kombinierten Photovervielfacher-Ausgangsgröße der G-las- und Kunststoff-Phosphore einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Pig. 4 und 5 die getrennten Beiträge von Glas und Kunststoff, die in Pig. 3 kombiniert sind.

Es sei zunächst ein Überblick über das erfindungsgemäße System anhand der Pig. 1 gegeben, welche die erfindungsgemäßen Komponenten darstellt. Die in Pig. 1 gezeigte Kombination elektrischer Schaltungselemente 10 zur Durchführung der Erfindung verwendet einen Photovervielfacher 12 mit einem Detektor 14, der eine Vielzahl von Glasteilchen oder Perlen 15 in einer Kunststoffmatrix 16 aufweist. Die Glaskügelchen 15 szintillieren in erster Linie infolge der Peststellung von Neutronen, und die Plastikmatrix 16 szintilliert infolge der Peststellung von Gammastrahlen, was weiter unten im einzelnen diskutiert wird.

Eine erste Ausgangsgröße 22 vom Photovervielfacher 12 wird als eine Eingangsgröße 23 für einen Impulsformdiskriminator 24 verwendet. Der Impulsformdiskriminator 24 liefert eine Ausgangsgröße 25; die Ausgangsgröße 25 befindet sich in einem ersten Schaltzustand, wenn der Ausgang 22 des Photoverviel-

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fachers infolge einer Szintillation in einem G-laskügelchen auftritt; die Ausgangsgröße 25 "befindet sich in einem zweiten Schaltzustand dann, wenn die Ausgangsgröße 22 auf eine Szintillation in Matrix 16 zurückzuführen ist. Die Ausgangsgröße wird als das Gattersignal oder Torsignal 28 für das Koinzidenzgatter 29 verwendet.

Eine zweite Ausgangsgröße 32 des Photοvervielfachers ist das Eingangssignal 33 für das Gatter 29, und zwar nach Verstärkung durch Verstärker 34, wenn dieser erforderlich oder notwendig ist. Dieses Signal wird eines der "beiden Ausgangssignale 38 oder 39, abhängig davon, ob der Schaltzustand des Torsignals 29 den Szintillationen im Glas oder Kunststoff entspricht. Die Ausgangsgröße 38 oder 39 werden in einen Mehrfachkanal-Analysator 42 eingespeist, um gesonderte Anzeigen zu erzeugen, welche die Anzahl der Szintillationen im Glas und im Kunststoff repräsentieren, wie dies "beispielsweise durch die Figuren 4 " "bzw, 5 gezeigt ist.

Die graphischen Darstellungen der Figuren 2 bis 5 sind für die verschiedenen Ausgangsgrößen einer Detektorschaltung repräsentativ, wo der Detektor 14 des Photovervielfachers 12

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einer moderierten Cf-Quelle ausgesetzt war, die sowohl Neutronen als auch Gammastrahlen emittiert. Der Detektor 14 enthielt Teilchen 15 aus einem als NE 908 bezeichneten Szintillationsglas in einer Matrix aus mit KE 102 bezeichnetem Szintillations-Polyvinyltoluol, wobei NE 908 und NE 102 im Handel von der Firma Nuclear Enterprises, Inc., San Carlos, Califomien, U.S.A., verfügbare Zusammensetzungen sind«, Die Glasteilehen wurden durch Zerkleinern einer Glasplatte erhalten, und es wurden diejenigen Teilchen verwendet, die durch ein Sieb mit einer Öffnungsgröße von 1 mm hindurchgingen, und die auf einem Sieb mit einer Öffnungsgröße von 1/2 mm zurückgehalten wurden. Das Dichteverhältnis (ausgedrückt in Gewicht) von Kunststoff zu Glas war in der Größenordnung von 60:1.

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Ein Vergleich der Kurve 40 mit 41, 40' mit 41' und· 40" mit 41" der Pig. 2 liefert ein Verständnis für die Basis auf welcher die Diskriminierung der Photovervielfacher—Ausgangsgröße 22 durchgeführt werden kann, um das Torsignal 28 zu liefern. Ein Ausgangsspannungsimpuls V einer Photovervielfacherröhre besitzt eine Anstiegszeit, die durch die Zerfallskonstante Z des Szintillators gesteuert ist, und eine Abfallzeit, die durch die RC-Zeitkonstante X _Q der Ausgangsschaltung bestimmt ist, wobei R den Lastwiders tand und C die Kapazität einschließlich der Zwischenelektrodenkapazität der Photovervielfacherröhre und der Streukapazität darstellt. Da die Zerfallskonstanten für Glas und Kunststoffphosphore typischerweise sich in signifikanter Weise unterscheiden, beispielsweise sind sie 75 nsec gegenüber 2,4 nsec für das spezielle oben angegebene Glas und den speziellen oben angegebenen Kunststoff, hat der Ausgangs spannungsimpuls des Photovervielfachers eine in signifikanter Weise unterschiedliche Porm für die beiden Phosphore (Leuchtstoffe) über einen Bereich von ¹C,,-Werten hinweg, wobei die anderen Paktoren konstant verbleiben. Die sechs Kurven der Pig. 2 gelten für den Impuls an der Anode eines typischen Photovervielfachers, und zwar für die beiden Phosphore bei drei unterschiedlichen Werten von T„ (bestimmt durch die angegebenen Widerstandswerte für den Lastwiders tand R_T, wobei C konstant bleibt). Diese Kurven sind graphische Darstellungen der folgenden Gleichung:

>>■ — t/Γρ —t/r

7= 3^r (e -i

Q_T
dabei ist V ~ p— und Q_n, ist proportional zur im Szintillator abgegebenen G-3 samt energie.

Wie man aus den Kurven der Fig. 2 erkennt, gibt es eine Anzahl von speziellen Lösungsmöglichkeiten, die im Impulsformungsdiskriminator 24 verwendet werden könnten, um "bei der Ausgangsgröße 22 zwischen Szintillationen im Glas und im Kunststoff zu unterscheiden oder diskriminieren. Diese Lösungsmcglichkeitai

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könnten Amplitudendifferenzen, Anstiegszeitdifferenzen oder andere Eigenschaften der Kurven verwenden.

Die Kurve 44 der Fig. 3 ist eine Darstellung einer Mehrfachkanal-Analysator-Anzeige der Ausgangsgröße des Photovervielfachers 12, wie sie als Eingangssignal 33 am Gatter (Tor) 29 angelegt wird. Die Kurve 44 ist eine Zusammenfassung der Szintillationen, erzeugt in den beiden Phosphoren (Leuchtstoffen). Die Kurven 45 der Fig. 4 und 46 der Fig. 5 sind andererseits Mehrfachkanal-Analysator-Anzeigen der Glasausgangsgröße 38 und der Kunststoffausgangsgröße 39 "vom Koinzidenzgatter 29. Der Impuls 48 der Fig. 4 stellt die durch Neutronenhervorgerufenen Szintillationen im Glas dar, ebenfalls unterscheidbar als Impuls 48' in der zusammengesetzten Kurve 44, wohingegen der Partialimpuls 49, der am Rauschniveau endet, in erster. Linie die Szintillationen in den Glaskügelchen darstellt, und zwar infolge der Compton-Elektronen, die durch die eine niedrige Energie aufweisenden Gammastrahlen erzeugt werden. Die durch die Glaskügelchen des Detektors 12 erreichte Impulshöhendiskriminierung ergibt sich aus Kurve 45.

Der optimale Aufbau des Detektors 12 würde mit gleichförmigem Abstand angeordnete Glaskügelchen von einer solchen Größe und einem solchen gegenseitigen Abstand verwenden, daß das Einfangen von Neutronen im Glas maximiert wird und die Szintillationen im Glas minimiert werden, die infolge der Compton-Elektronen auftreten, welche durch die Gammastrahlung entstehen. Glaskügelchen in einem Größenbereich von ungefähr 0,25 mm bis zu etwas weniger als ungefähr 3 mm sollten verwendbare Ergebnisse für spezielle Anwendungsfälle ergeben. Die verwendbare Beladedichte für,irgendeinen speziellen Anwendungsfall würde durch die Eigenschaften des auftretenden Gammaflusses bestimmt. Obwohl Glaskügelchen von kugelförmiger Gestalt theoretisch bevorzugt wurden, so hat sich doch eine zufriedenstellende Leistungsfähigkeit mit Glaskügelchen oder Teilchen ergeben, die dadurch erhalten wurden, daß man einfach eine Glasplatte mit der gewünschten chemischen Zusammensetzung

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zerkleinerte und die sich ergebenden Teilchen mit zufälligen Formen durch Siebe sortierte, um den gewünschten Größenbereich für den speziellen Anwendungsfall zu erhalten.

Die Ausgangsgrößen 22 und 32 können vom Photovervielfacher 12 an irgendeiner zweckmäßigen Stelle abgenommen werden. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde die Ausgangsgröße 22 an der Anode abgegriffen und die Ausgangsgröße 32 wurde von der letzten Dynode abgegriffen, welche in dem speziellen verwendeten Photovervielfacher die 14. war. Die Stelle, wo diese Ausgangsgrößen abgegriffen werden, beeinflußt natürlich das Ausmaß der Verstärkung, wenn überhaupt, die vom Verstärker 34 gefordert wird, oder vor der Impulsformdiskriminierung 24.

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Claims

- to - PATENTANSPRÜCHE

1. lirerfahren, zur Feststellung von Neutronen und Gammastrahlung sowie zur Unterscheidung dazwischen unter Verwendung eines Photovervielfachers und eines Szintillationsdetektors für den Photovervielfacher, gekennzeichnet durch das Vorsehen von zv/ei Phosphoren in dem Detektor, wobei der erste in erster linie infolge der Neutronenstrahlung szintilliert, während der zweite in erster Linie infolge der Gammastrahlung szintilliert und wobei eine Unterscheidungscharakteristik der Szintillationen des ersten und zweiten Phosphors verwendet wird, um ein erstes Signal infolge der Szintillationen des ersten Phosphors und ein zweites Signal infolge der Szintillation des zweiten Phosphors zu erzeugen, und wobei Ausgangswahlmittel manipuliert werden, in welche eine Ausgangsgröße des Photovervielfachers eingegeben wurde, und zwar als eine Eingangsgröße durch die ersten und zweiten Signale, um auf diese Weise eine erste Ausgangsgröße aus den Ausgangsgrößen-Auswahlmitteln entsprechend den Szintillationen des einen Phosphors und eine zweite Ausgangsgröße aus den Ausgangsgrößen-Auswahlmitteln entsprechend den Szintillationen des sweiten Phosphors zu erzeugen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Phosphormaterial ein mit Cer aktiviertes Glas ist, welches mit Li angereichertes Lithium enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zv/ei te Phosphormaterial ein Kunststoff ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, de- :3 das ers?..<: Phosphormaterial in der Form von Glasteilehen vorlii._e-t, <ii^e eine Größe besitzen, die _tfxoß genup: ist, um ein*- hohe Absorptionswahrscheinlichk^it für Neutronen zu err.eigen, und die klein genug ist, um die Inipulv:hÖhe infolge der Gammawechselwirkungen im Glas zu z^eduzieren.

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5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff Polyvinyltoluol ist, und zwar aktiviert mit einem Szintillationsmaterial, und wo "bei eine Matrix für die Kunststoffteilchen gebildet wird, die in einem Größenbereich zwischen 0,25 mm und 3 mm liegen.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterscheidungscharakteristik die Zerfallskonstante eines jeden der Phosphore ist, und daß das Signal infolge der Impulsformdiskriminierung einer Spannungs-Zeitausgangsgröße des Photovervielfachers erzeugt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Signal infolge der Szintillationen des anderen der Phosphore erzeugt wird, und wobei die Ausgangsgrößen-Auswahlmittel ein Koinzidenzgatter (29) sind, dessen Ausgang den Szintillationen des einen Phosphors entspricht, wenn die Manipulation durch das erwähnte eine Signal erfolgt, und wobei die Ausgangsgröße den Szintillationen des erwähnten zweiten Phosphors entspricht, wenn die Manipulation durch das erwähnte zweite Signal erfolgt.

8. System zur Feststellung kombinierter Neutronen- und Gammastrahlung sowie zur Unterscheidung dazwischen, gekennzeichnet durch "folgende Elemente:

einen Photovervielfacher (12), einen Detektor (14) für den Photovervielfacher (12), und zwar einschließlich eines ersten Materials (15), welches in erster Linie infolge von Neutronenstrahlung szintilliert, und eines zweiten Materials (14), welches in erster Linie infolge der Gammastrahlung szintilliert, eine Diskriminatorvorrichtung (24), die mit einer Ausgangsgröße des Vervielfachers (12) verbunden ist, um ein Signal infolge der Szintillation des einen der Materialien zu erzeugen, und wobei ferner Gattennittel (29) vorgesehen sind, die mit der Ausgangsgröße der Diskriminatorvorrichtung (24) und einer v/eiteren Ausgangsgröße des Photovervielfachers in Verbindung stehen, um eine Aus-

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gangsgröße entsprechend den Szintillationen des erwähnten ersten Materials zu erzeugen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Material mit Cer aktiviertes Glas ist und mit

Li angereichertes Lithium enthält, und wobei das Glas in der Form von Teilchen mit einer Größe im Bereich von 0,25 mm "bis zu weniger als 3 mm vorliegt.

10.Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Material ein mit Szintillationsmaterialien aktiviertes Kunststoffmaterial ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß

der Diskriminator (24) ein Signal infolge der Szintillationen im zweiten Material erzeugt, und daß die Gattermittel ein Koinzidenzgatter (29) sind und eine zweite Ausgangsgröße entsprechend den Szintillationen des anderen Materials erzeugt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Ausgangsgrößen vom Photovervielfacher von der Anode und der letzten Dynode abgenommen werden, und wobei das erste Material ein mit Cer aktiviertes Glas ist, welches mit Li angereichertes Lithium enthält, und wobei das Glas in der Form von Teilchen in einem Größenbereich von ungefähr 0,25 mm bis weniger als 3 mm vorliegt, und zwar verteilt innerhalb einer Matrix aus dem zweiten Material, welches ein Polyvinyltoluol angereichert mit Szintillationsmaterial ist.

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