DE69420172T2

DE69420172T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Energiekalibrierung einer Nachweiseinheit für Beta-, Röntgen- und Gammastrahlung eines radioaktiven Aerosols über die Compton Verteilung

Info

Publication number: DE69420172T2
Application number: DE69420172T
Authority: DE
Inventors: David Dacosta Viera
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1993-04-16
Filing date: 1994-04-14
Publication date: 2000-04-20
Anticipated expiration: 2014-04-15
Also published as: JPH06324156A; EP0620452A1; FR2704067A1; FR2704067B1; US5489775A; ES2138056T3; EP0620452B1; DE69420172D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft in allgemeiner Weise den Nachweis radioaktiver Aerosole und die Bestimmung ihrer Beta- und (Röntgen-, Gamma-)Photonen-Radioaktivität über die Compton- Verteilung.
Bekanntlich kann man für den Nachweis und die Überprüfung des Vorhandenseins radioaktiver Aerosole die Atmosphäre, die man überwachen will, einen Filter durchqueren lassen, der die Aerosolpartikel zurückhält, und anschließend das so gesammelte Filtrat vor spezialisierten Zählern analysieren. Diese radioakiven Partikel zerfallen, indem sie entweder Alpha- und Betastrahlung (Elektronen) produzieren, die feste Fragmente bzw. Teilchen sind, oder elektromagnetische Röntgen- und Gammaphotonen.
Die Spektren, die man mit den Alphateilchen erhält, haben Energien, die sich im allgemeinen jenseits von 3 MeV befinden und sich daher sehr leicht von Beta-Spektren und von der "Compton-Verteilung" der Photonenspektren unterscheiden lassen, die sich im Gegensatz dazu in einem selben Energiebereich von einigen 10 keV bis wenigstens 3 MeV befinden. Die Alphaspektren haben außerdem die sehr vorteilhafte Eigenschaft, auf der Seite der hohen Energien in Energieamplituden-Koordinaten eine schnell abfallende, quasi vertikale Flanke aufzuweisen (Fig. 1).
Die Beta- und Photonenspektren hingegen, die in der Energie übereinstimmen, sind schwieriger zu trennen.
Die Technik, die häufig benutzt wird, um Beta-Teilchen und die Photonen (Röntgen-, Gammaphotonen) getrennt aufzuzeichnen, besteht darin, die Summe der Beta- + (Röntgen-, Gamma-)Spektren aufzuzeichnen und dann zwischen der zu messenden radioaktiven Ablagerung und dem Detektor Betateilchen aufhaltende Schirme einzufügen. Derart bestimmt man den nur auf die (Röntgen-, Gamma-)Photonen zurückzuführenden Anteil. Eine einfache Subtraktion der (Röntgen-, Gamma-)Spektren von der Summe der Beta- + (Röntgen-, Gamma-)-Spektren ermöglicht, das Spektrum von nur den Betateilchen zu kennen.
Damit das Resultat dieser Subtraktion so bezeichnend wie möglich ist, müssen die "Antworten" der beiden Nachweisketten auf die verschiedenen Strahlungen unbedingt dieselben sein bzw. gleich sein. Dies erzwingt zwei Bedingungen, nämlich Identität der Ketten und ihrer Energieregelung.
Dazu ist es in der Praxis üblich, die Aufzeichnung der verschiedenen Beta- und (Röntgen-, Gamma-)Spektren mit zwei genau gleichen Nachweisketten durchzuführen, deren Halbleiter-Detektoren sehr nahe beieinander (oft übereinander) angeordnet sind, wobei der eine dem globalen Beta- + (Röntgen-, Gamma-)Nachweis dient und der andere, mit einem die Betastrahlung absorbierenden Schirm versehen, dem Nachweis von nur den (Röntgen-, Gamma-)Photonen.
Eine weitere notwendige Bedingung, um mit Genauigkeit den Anteil des (Röntgen-, Gamma-)Spektrums am Gesamtspektrum zu kennen und folglich mit Genauigkeit das (die) Beta-Spektrum (-Spektren) zu bestimmen, ist die genaue und identische Energieregelung der beiden Zählketten.
Nach der vorhergehenden Technik erfolgt die Energiekalibrierung mit einer Beta-Eichquelle und einer Gamma- Eichquelle durch die "Ausbeutemethode", die darin besteht, für jede der benutzten Eichquellen, der Beta- und der Gamma-Quelle, in einer festgelegten Geometrie und für eine definierte Energiefensterposition und -breite eine bestimmte Anzahl Impulse pro Zeiteinheit aufzuzeichnen. Indem man die Verstärkung der Zählkette regelt, stellt man das definierte "Energiefenster" ein.
Jedoch ist eine solche Kalibrierung nur für die Energie gültig, die derjenigen der Eichquelle entspricht. Außerdem haben diese "Fenster" eine bestimmte Breite, was zu einer gewissen Ungenauigkeit bei der Energieregelung führt.
Die erfindungsgemäße Energieregelung ermöglicht, eben diese Ungenauigkeiten mit Hilfe einfacher und wirksamer Einrichtungen zu beseitigen.
Die vorliegende Erfindung hat genau ein Verfahren zur Energiekalibrierung einer elektronischen Nachweiseinheit für Beta-, Röntgen- und Gammastrahlung eines radioaktiven Aerosols über die Compton-Verteilung zum Gegenstand, die zwei identische Ketten umfaßt, von denen die eine das Beta- + Photonen-Spektrum und die andere das Photonenspektrum aufzeichnet und man dann die Differenz der Angaben berechnet, und sie ist dadurch gekennzeichnet, daß man diese Kalibrierung mit Hilfe von Alphaquellen auf folgende Weise durchführt:
- man bestückt die beiden Ketten mit identischen Alpha-, Beta-, Photonendetektoren in Form von Halbleiter-Detektoren, die ausreichend dünn sind, um nur für den "Compton-Verteilungs"-Teil des Photonenspektrums empfindlich zu sein;
- man setzt jeden der Halbleiter-Detektoren einer Alpha-Kalibrierquelle mit bekannter, für beide Quellen gleicher Energie aus und zeichnet in jeder Kette das Spektrum der Alphateilchen der entsprechenden Quelle auf;
- man bringt den Energiekalibrier-Schwellenwert jeder Kette in Übereinstimmung mit der quasi vertikalen Abwärtsflanke des Alpha-Spektrums der Kalibrierquellen, um bei beiden Ketten die gleiche Energieeinstellung vorzunehmen.
Die Neuartigkeit der vorliegenden Erfindung beruht auf der unerwarteten Feststellung der Tatsache, dass die beiden vorhergehend erwähnten Besonderheiten der Spektren der durch die radioaktiven Aerosole emittierten Alphastrahlung (Energie über 3 MeV und schnell abfallende, quasi vertikale Abwärtsflanke des Spektrums) ermöglichen, die Eichung einer Betastrahlungs-Messkette mit Hilfe von Alphastrahlung durchzuführen, d. h. Strahlung einer anderen Art als derjenigen, die man messen will. Außerdem mischen sich die Beta- und Photonenstrahlungen, obgleich energiemäßig überlagert, nicht mit der Alphastrahlung, die eine höhere Energie hat, was natürlich ihre Trennung mittels Alphastrahlung erleichert. Die Tatsache schließlich, für die beiden Ketten Alpha-, Beta- und Photoendetektoren in Form von Halbleiterdetektoren zu wählen, die ausreichend dünn sind, sich von dem Energie-Peak der Photonen durchqueren zu lassen und nur für den Compton-Verteilungs-Teil dieses Spektrum empfindlich zu sein, ermöglicht auch, nur den wirklich nützlichen Teil des Photonenspektrums in Betracht zu ziehen. Die Herstellung der energetischen Übereinstimmung der beiden Abwärtsflanken des Alphaspektrums der Kalibrierquellen ermöglicht, sicherzustellen, dass die beiden Ketten in der Folge ein identisches Energieverhalten gegenüber Strahlungen haben, die sie analysieren müssen.
Die Erfindung wird besser verständlich durch die Lektüre der nachfolgenden, beispielartigen und nicht einschränkenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, bezogen auf die beigefügten Fig. 1 bis 4:
- die Fig. 1 zeigt in kartesischen Koordinaten, Zählung = f(Energie), das Alphaspektrum einer Kalibrierquelle;
- die Fig. 2 ist eine schematische Darstellung des Messkopfs einer Nachweiseinheit der Beta- und/oder Röntgen- und Gammastrahlung;
- die Fig. 3 zeigt in kartesischen Koordinaten, Zählung = f(Energie), die Alphaspektren der Kalibrierquelle und der beiden Ketten der erfindungsgemäßen Einheit bei der Energieregelung um die Kalibrierschwelle herum;
- die Fig. 4 ist ein Schaltplan des bekannten Teils einer solchen Nachweiseinheit der Beta- und/oder Röntgen- und Gammastrahlung.
Erfindungskonform zeigt die Fig. 2 in einer dicken Bleiabschirmung 2 die beiden identischen Halbleiterdetektoren 4 und 6, die das Eintreffen eines Alpha- oder Betateilchens oder eines Röntgen- oder Gammaphotons in elektrische Impulse umsetzen können. Die aus dem Halbleiterdetektor 4 stammenden elektrischen Ladungen werden in den elektronischen Kanal 8 eingespeist und die aus dem Halbleiterdetektor 6 stammenden elektrischen Ladungen werden über den elektronischen Kanal 10 adressiert. Es sei hier daran erinnert, dass man unter einem dünnen Halbleiterdetektor eine Vorrichtung von der Art versteht, die fähig ist, den Compton- Verteilungs-Teil des Spektrums eines Photons zu registrieren, aber nicht das photoelektrische Peak dieses selben Photons. Unter den beiden Halbleiterdetektoren 4 und 6 befindet sich ein Filterträger 12, der eine Ansaugkammer 14 verschließt, die mit einer Vakuumpumpe und einem Mengenregler 16 ausgestattet ist. Vor diesem Gitter 12 verschiebt sich sequentiell ein Filter 18, der radioaktive Aerosole zurückhält, die in der zu prüfenden Atmosphäre vorhanden sind. Dieser Filter 18 wird automatisch abgewickelt, gesteuert durch die Abwickeleinrichtung 20. Erfindungskonform ist ein Schirm 22 zwischen den beiden Halbleiterdetektoren 4 und 6 vorgesehen, um die Alpha- und Betateilchen zu absorbieren, die emittiert werden durch die Ablagerung der radioaktiven Aerosole auf dem Filter 18. Daraus resultiert folglich eine Spezialisierung der beiden Halbleiterdetektoren 4 und 6, von denen der erste 4 nur Photonen erhält und der zweite 6 die gesamten Alpha-, Beta- und Photonenstrahlungen. Da die Alphastrahlung, wie in Fig. 1 zu sehen, immer eine Energie über 2 MeV hat und sich nicht mit den Energiebändern mischt, die für die Beta- und die Photonenstrahlung reserviert sind, kann sie sehr leicht durch ein geeignetes Energiefenster aussortiert werden. Die Subtraktion der Angaben der Detektoren 4 und 6 liefert folglich die gesuchten Informationen bezüglich der Intensität der Betastrahlung einerseits und der Photonenstrahlung andererseits.
Man sieht in der Fig. 1 die bekannte Form eines Alphastrahlungsspektrums, dessen Abwärtsflanke 24 in dem Kennlinienbild (Zählung, Energie) quasi vertikal ist und der Maximalenergie Em entspricht. Dieses Alphastrahlungsspektrum nimmt in dem Energienband bzw. -bereich eine Zone ein, die sich immer über 3 MeV befindet.
Die bis jetzt in der Fig. 2 beschriebenen Elemente sind mit denen einer solchen elektronischen Nachweiseinheit aus dem Stand der Technik vergleichbar. Erfindungsgemäß und um das neuartige Kalibrierungsverfahren einer solchen Einheit anzuwenden, sieht man in der Nähe der Halbleiterdetektoren 4 und 6 eine Alpha- Kalibrierungsquelle 26 vor, die in eine Positionsführung 28 zurückgezogen werden kann. In der Praxis werden diese Quellen 26 am Ende einer einziehbaren Nadel angeordnet, die in der Positionsführung 28 gleitet, damit die Quelle 26 in der ausgefahrenen Position für die Halbleiterdetektoren 4 und 6 "sichtbar" ist und in der zurückgezogenen die Strahlung für diese Halbleiterdetektoren verdeckt ist.
Die Fig. 3 ermöglicht, zu verstehen, wie man die Energiekalibrierung der beiden Ketten durchführt, die die erfindungsgemäße Nachweiseinheit bilden. Da die Alpha-Kalibrierschwelle durch die vertikale Flanke 24 des auf den Quellen 26 beruhenden Alpha-Kalibrierspektrums 32 definiert wird, prüft man, wo sich die Kennlinien 35 und 36 von jeder der Ketten befinden, und es genügt dann, die diesen Ketten eigenen Verstärkungen zu regeln, um die Abwärtsflanken der Spektren 33 und 34 in Übereinstimmung zu bringen mit der Abwärtsflanke 24, die der Kalibrierschwelle für das Alpha-Spektrum der zur Kalibrierung dienenden Quelle 26 entspricht. Man ist dann sicher, dass die beiden die Nachweiseinheit bildenen Ketten dieselbe Energiemaßteilung haben, was ohne Einführung systematischer Fehler die Subtraktion ihrer beiden Angaben ermöglicht, um die Zählrate bzw. -quote der Beta- und der Röntgen- und Gammastrahlungen getrennt zu erhalten.
Die Fig. 4 zeigt das elektronische Schaltbild des Teils der Nachweiseinheit, der zu dem Messkopf der Fig. 2 gehört. Dieser elektronische Schaltungstyp ist an sich bekannt und wird nur summarisch beschrieben.
In dieser Figur sieht man wieder die Halbleiterdetektoren 4 und 6, den bezüglich der Fig. 2 schon beschriebenen Kanälen 8 und 10 zugeordnet.
Jeder der Kanäle 8 und 10 umfasst einen Ladungs- Vorverstärker 38, eine Impulsformerschaltung 40 und eine Verstärkungsregelungsschaltung 42, mit der man die Kalibrierschwelle jeder Energiekette genau regelt. Diese Kalibrierschwelle ist in 44 gespeichert und wird durch eine Signallampe 46 angezeigt.
Es genügt also, das Erscheinen des Blinkens der Signallampe 46 zu kontrollieren, um bezüglich der genauen Energieregelung der entsprechenden Messkette sicher zu sein.
Die Alpha-Impulse von höherer Energie als 3 MeV werden in dem Fenster 48 gezählt und die Subtraktion der Alpha-, Beta-, Photonenimpulse des Kanals 10 und Photonenimpulse des Kanals 8 erfolgt in Höhe der Fenster 50 (Betaimpulse) und 52 (Photonenimpulse).
Der Fachmann wählt in jedem speziellen Fall das die radioaktiven Kalibrierquellen 26 bildende Material und man kann z. B. ganz einfach auf Poloniumquellen wie z. B. Po und Americiumquellen wie z. B. Am zurückgreifen, die mit ihren Abwärtsflanken, die sich für das Po bei 5,11 MeV befindet und für das Am bei 5,47 MeV, Alphateilchen-Emitter sind.

Claims

1. Verfahren zur Energiekalibrierung einer elektronischen Nachweiseinheit für Beta-, Röntgen- und Gammastrahlung eines radioaktiven Aerosols über die Compton-Verteilung, die zwei identische Ketten umfaßt, von denen die eine das Beta+Photonen- Spektrum aufzeichnet und die andere das Photonenspektrum, wobei man dann die Differenz der Angaben berechnet, dadurch gekennzeichnet, daß man diese Kalibrierung mit Hilfe von Alphaquellen auf folgende Weise durchführt:

- man bestückt beide Ketten mit identischen Alpha-, Beta-Photonendetektoren in Form von Halbleiter-Detektoren (4, 6), die ausreichend dünn sind, um nur für den Teil "Compton-Verteilung" des Photonenspektrums empfindlich zu sein;

- man setzt jeden der Halbleiter-Detektoren (4, 6) einer Alpha- Kalibrierungsquelle (26) aus und zeichnet in jeder Kette das Spektrum der Alphateilchen der entsprechenden Quelle auf;

- man bringt den Energiekalibrierungs-Schwellenwert jeder Kette in Übereinstimmung mit der absteigenden, quasi vertikalen Flanke (24) des Alpha-Spektrums der Kalibrierungsquellen, um bei beiden Ketten eine identische Energieabstimmung bzw. -einstellung vorzunehmen.

2. Vorrichtung zur Anwendung des Kalibrierungsverfahrens nach Anspruch 1, bei dem die Detektoren (4, 6) von zwei Ketten durch zwei dünne, nebeneinanderliegende und durch einen die Alpha- und Betateilchen absorbierenden Schirm (22) getrennte Halbleiter- Detektoren gebildet werden, angeordnet in der Nähe einer durch Ansaugung an einem Filter (18) befestigten Aerosolkammer, wobei die Vorrichtung wenigstens eine Alphaquelle (26) umfaßt, angeordnet in der Nähe der Halbleiter-Detektoren (4, 6) und zurückziehbar in eine dichte Hülle (28), die die Alphastrahlung gegenüber den beiden Halbleiter-Detektoren abschirmt.