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Neutronendetektor
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Die Erfindung betrifft einen vorzugsweise großflächig ausgebildeten
Detektor zum Nachweis von Spaltneutronen mit einer ein oder mehrere Zählrohre enthaltenden
Moderatar-Reflektor-Anordnung.
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Bei der Uberwachung von Personen, Materialien und Bauelementen auf
mitgeführte Konta mination oder spaltbares Material in kerntechnischen Anlagen nutzt
man zum Nachweis die Eigengammastrahlung der Spalt stoffe Uran-235 und Plutonium-239
oder die Spaltneutronen der geradzahligen Plutonium-Isotope.
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Beim Nachweis von Uran-235 und Plutonium-239 mitbis der Eigengammastrahlung
ergeben sich besondere Schwierigkeiten dadurch, daß, bei beiden Stoffen die Gammastrahlung
schon bei relativ kleiner Abschirmung im Material stark abgeschwächt wird.
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Bei Plutonium kann die Überwachung dadurch verbessert werden, wenn
man zusätzlich die Spaltneutronen mißt, da diese bei der Spontan spaltung erzeugten
Neutronen durchaus dicke Materialschichten durchdringen können.
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Zum Neutronen-Nachweis verwendet man in Kombination mit einem Moderator
im allgemeinen Helium-3- oder Bortetrafluorid-Zählrohre, die Jedoch sehr teuer in
der Anschaffung sind.
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Der Moderator hat die Aufgabe, die Spaltneutronen mit einer Energie
von ca. 2 MeV durch Stöße auf thermische Energie abzubremsen, weil die Zählrohre
eine hohe Nachweisempfindlichkeit für thermische Neutronen haben.
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Ein bei "Los Alamos ScientificLaboratory" in den USA entwickelter
Monitor zur Spaltstoffffberwachung von Personen besteht aus einer mit Polyäthylen
abgeschirmten Meßzelle, in der 24 Helium-3-Zählrohre angeordnet sind. Jeweils 12
Zählrohre in einer Länge von 100 cm sind unter dem Fußboden bzw. über der Decke
der Meßzelle angebracht. Bei einer 8o entstehenden Detektorfläche von ca. 2 .m2
beträgt,die Neutronennachweisempfindlichkeit 0,048. Diese Neutronenempfindlichkeit
wird hier definiert als Verhältnis von Neatronenzhhlrate zur Neutronene missionsrate
einer Spaltquelle, die sich innerhalb der Meßzelle befindet.
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I.in Personenmonitor, der auf die Verwendung der kostspieligen Helium-3-
oder Bortetrafluorid-Zählrohre verzichtet, wurde 1980 von der Firma IRT-Corporation,
San Diego, USA, entwickelt, Hier erfolgt der Neutronennachweis in speziell entwickelten,
großtlEchigen Schichtdetektoren, ueber die bisher offenbar keine näheren Angaben
publiziert worden sind. Diese IRT-Monitoren hüben bei einer Detektorfläche von ca.
4 m2 eine Nachweisempfindlichkeit von nur ca. 0,021 für Spaltneutronen. Der IRT-Monitor
ist zwar preiswerter als der ersterwähnte mit Zähirohren arbeitende Monitor, doch
ist seine Neutronenempfindlichkeit ganz deutlich geringer.
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Die Nachweisgrenze eines Neutronendetektors fUr Plutonium ist proportional
zu seiner Neutronenempfindlichkeit. Diese Empfindlichkeit ist wiederum von der Anzahl,
der Art und der Konfiguration der verwendeten Zählrohre oder Detektoren abhängig.
Somit ergeben sich letztlich fUr die Geräte zur Spaltstoffkontrolle sehr hohe Fertigungskosten.
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Die Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines großflächigen
Neutronendetektors der einleitend genannten Art, der sich durch eine besonders hohe
Empfindlichkeit bei relativ geringen Fertigungskosten auszeichnet.
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Die vorstehende Aufgabewhd erfindungsgemäß durch die im Kennzeichnungsteil
des Hauptanspruches angegebenen Merkmale gelöst.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Der erfindungsgemäße Detektor läßt sich günstig aus den hochempfindlichen,
1 m langen Helium-3-Zählrohren herstellen. Durch die besonders günstige räumliche
Anordnung von Zählrohr, Moderator und Reflektor vorzugsweise in Verbindung mit einem
günstig ausgewählten Moderator- und Reflektor-Material führen dazu, daß man eine
Neutronenempfindlichkeit von ca. 0,032 je 1 m2 Detektorfläche erhält für einen Abstand
von 100 cm zwischen Quelle und Detektor und 11 Zählrohren je ion2.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung und der beigefUgten Zeichnung, in der zwei bevorzugte
Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise veranschaulicht sind.
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In der Zeichnung zeigen: Fig.1 eine in Richtung Neutroneneinfall gesehene
Ansicht eines erfindungsgemäßen Detektors mit einem Zählrohr, Fig.2 einen Querschnitt
gemäß der Schnittlinie II-der Fig.1, Fig.3 eine in Neutroneneinfallsrichtung gesehene
Ansicht eines erfindungsgemäßen Detektors
mit drei Zählrohren und
Fig.4 einen Querschnitt gemäß der Schnittlinie IV/IV der Fig.3.
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Wie die Figuren 1 und 2 zeigen, enthält der vorzugsweise aus Polyäthylen
bestehende Neutronenmoderatorkörper 2 eine Längsbohrung 11 die zur Aufnahme eines
Neutronenzählrohres, vorzugsweise eines Helium-3-Zählrohres dient. Wie der Querschnitt
gemäß Fig.2 zeigt, hat der erfindungsgemäße Detektor eine stab- oder leistenförmige
Gestalt. Die Bohrung 1 erstreckt sich parsllel zu der dem Neutroneneinfall 5 zugewandten
Vorderfläche und auch parallel zu der planen Hinterfläche des Körpers 2, welche
mit einem Neutronenreflektor 3 aus einem Material mit hohem Neutronenstreuquerschnitt,
vorzugsweise Nickel,-abgedeckt ist. Die Länge des Neutronenmoderatorkörpers 2 entspricht
im wesentlichen der genormten Länge der Neutronenzählrohre von vorzugsweise 100
cmO Die auf der Vorderfläche des Moderatorkörpers 2 versetzt zur Ebene der Bohrung
1 angeordneten Sacklochbohrungen 4 optimieren die geometrischen Verhältnisse derart,
daß möglichst viele Neutronen in der Umgebung der Zählrohre auf thermische Energie
moderiert werden. Die Tiefe der Sacklochbohrungen 4 ist geringer als der Abstand
von Zahlrohrachse zur Vorderfläche des Moderatorkörpers 2.
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Der Reflektor 3 verringert das Austreten der Neutronen aus dem Detektor.
Die an diesem Reflektor stattfindende RUckstreuung der Neutronen hat eine Erhöhung
der Einfangwahrscheinlichkeit der Neutronen im Zählrohr zur Folge.
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Die Neutronenempfindlichkeit des Detektors ist stark richtungsabhängig;
sie ist am höchsten in der bevorzugten Richtung 5. Eine Erhöhung der seitlichen
Empfindlichkeit kann man dadurch erreichen, daß man - in Fig.1 und 2 dargestellt
- auch an den Seitenflächen des Moderatorkörpers 2 entsprechende Sacklochbohrungen
6 anbringt.
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Die Mehrfachausfuhrung gemäß Fig.3 und 4 deckt sich im wesentlichen
mit der Ausführungsform gemäß Fig.1 und 2.
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Entsprechend der größeren Einfallsfiäche für die Neutronen sind bei
der Ausführungsform gemäß Fig.3 und 4 drei Zählrohre in entsprechenden Bohrungen
1 des Moderatorkörpers 2 angeordnet.
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Verglichen mit dem von Los Alamos entwickelten Personen-Monitor führt
der erfindungsgemäße Detektor bei gleicher Zählrohrzahl zu einer um den Faktor 2
höheren Neutronenempfindlichkeit.
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Erprobungen haben gezeigt, daß ein aus fünf erfindungsgemäßen Detektoren
(mit Helium-3-Zählrohren) aufgebauter Türrahmenmonitor zu einer Neutronenempfindlichkeit
von ca. 0,10 führt. Diese Empfindlichkeit ist um einen Faktor 5
höher
als die Empfindlichkeit des vorerwähnten IRT-Monitors, Die hohe Empfindlichkeit
des erfindungsgemäßen Detektors fUr Spaltneutronen wird dadurch erreicht, daß die
Neutronenabbremsung in einer optimierten Moderato'r-Zählrohr-Anordnung stattfindet
und daß der Reflektor das Austreten der Neutronen verringert.
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Bei Anwendungen,für die vom Meßsystem hohe Nachweisempfindlichkeit
fUr Spaltneutronen gefordert wird, bietet sich der Einsatz des erfindungsgemäßen
Detektors an. Zum Aufbau von Monitoren fUr Personen, Komponenten und Kraftfahrzeugen
können mehrere erfindungsgemäße Detektoren in geeigneter den Abmessungen entsprechenden
Anordnungen installiert werden.
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Besonders gut eignet sich der erfindungsgemäße Detektor te auch zur
Ausmessung von Neutronenquellen, die von hohen Gamma-Strahlungsfeldern begleitet
sind.
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