DE69618746T2 - Gehärteter Echtzeit-Strahlungsmesser - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein strahlungsbeständiges Echtzeit-Messgerät.
• Messgeräte zur Verwendung beim Überwachen von Strahlung oder zur Verwendung in Strahlungsfeldern sind seit einiger Zeit bekannt. Obwohl Geräte für diese Anwendungen beispielsweise aus der US-A 5,235,318, der US-A 4,742,227 im Allgemeinen brauchbar arbeiten, entstehen Probleme, wenn das Strahlungsfeld stark ist, beispielsweise in Kernkraftwerken oder in Sterilisierungsanlagen. In starken Strahlungsfeldern werden die Messgerät-Komponenten beeinträchtigt, was zu möglichen Falschmessungen führen kann. Darüber hinaus entstehen Probleme durch den mit der Zeit eintretenden Qualitätsverlust der Vorrichtungen, was nur teilweise durch Abschirmung behoben werden kann. Diese Probleme sind derart, dass bekannte Vorrichtungen in starken Strahlungsfeldern nicht bestehen oder nicht befriedigend arbeiten können.
• Andere Probleme entstehen, wenn der zu überwachende Punkt oder Gegenstand sich innerhalb des Strahlungsfeldes bewegt, beispielsweise auf einem Förderband. Dies ist beispielsweise der Fall in Sterilisierungsanlagen. Um die Bewegung des Punktes oder Gegenstandes nicht zu stören, sind Systeme entwickelt worden, die der Bewegung folgen und die gesammelten Daten für anschließende Analyse speichern.
• Die vorliegende Erfindung versucht, ein strahlungsbeständiges Echtzeit-Messgerät vorzuschlagen.
• Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein strahlungsbeständiges Echtzeit-Messgerät für starke ionisierende Strahlungsfelder gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen.
• Diese Anordnung stellt eine Abkehr vom Stand der Technik dar. Sie erlaubt es, Echtzeit-Messungen zu nehmen und zu analysieren und heiße Stellen (hot spots) und andere Inkonsistenzen zu bestimmen, was mit bekannten Ausrüstungen zuvor nicht möglich war.
• Die Kommunikationsverbindung ist vorzugsweise eine Radioverbindung. In alternativen Ausführungsformen können auch andere Verbindungen verwendet werden, beispielsweise mittels Ultraschall oder Infrarot.
• Die Messeinheit ist transistorgestützt und enthält wenigstens eine Elektronenröhre anstelle eines Transistors. Obwohl sich die Technik in Richtung auf Transistoren und Miniaturisierung bewegt, hat es sich herausgestellt, dass eine wesentlich bessere Arbeitsqualität erhalten werden kann, wenn einige oder alle der grundsätzlichen Transistoren durch Elektronenröhren ersetzt werden. Es mag nicht erforderlich werden, alle Transistoren zu ersetzen, sondern nur diejenigen, die am kritischsten von der Strahlung betroffen sind.
• Bevorzugte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen definiert.
• In einer Ausführungsform sind eine oder mehrere der Komponenten der Messeinheit von einem Topfverbund umgeben. Es hat sich herausgestellt, dass Topfverbünde eine effektive Abschirmung gegenüber den Effekten starker ionisierender Strahlung schaffen können.
• Das Messgerät schließt vorzugsweise eine Kalibriereinrichtung ein, die arbeitet, um in regelmäßigen Intervallen eine Referenzkalibriermessung zur Verfügung zu stellen, und eine Verarbeitungseinrichtung, die arbeitet, um einen kalibrierten Wert des Ausgangs der Sensoreinrichtung auf der Grundlage der Referenzkalibriermessung festzulegen.
• Die Kalibriereinrichtung kann betrieben werden, um eine Referenzkalibriermessung vor jedem Ablesen des Ausgangs der Sensoreinrichtung zur Verfügung zu stellen, und sie kann eine Reihe von Spannungsreferenzen aufweisen, die benachbart zur Sensoreinrichtung angeordnet und im Wesentlichen durch den gleichen Schaltkreis wie die Sensoreinrichtung angeschlossen sind.
• Die Spannungsreferenzen werden vorzugsweise durch eine Reihe von Zener- Dioden geschaffen, die vorbestrahlt sein können. Andere Geräte können ebenfalls verwendet werden, wie beispielsweise Gasentladungsröhren und Batterien.
• Die Messeinheit kann eine Sensoreinrichtung enthalten, die an einen Verstärker und an einen Oszillator angeschlossen ist, und eine Einrichtung zum Zurverfügungstellen eines Hinweises für einen Benutzer der gemessenen Parameter; der Verstärker und/oder Oszillator enthalten wenigstens eine Elektronenröhre.
• Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein strahlungsbeständiges Messgerät mit einem Sensor zum Messen der Größe eines Parameters geschaffen, einer Kalibriereinrichtung zum Schaffen von regelmäßigen Intervallen einer Referenzkalibriermessung und eine Verarbeitungseinrichtung, die zum Bestimmen eines kalibrierten Wertes eines Ausganges des Sensors auf der Grundlage der Referenzkalibriermessung arbeitet.
• Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein strahlungsbeständiges Messgerät für starke ionisierende Strahlungsfelder geschaffen, das einen oder mehrere strahlungsempfangende Komponenten umhüllt von einem Topfverbund aufweist.
• Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden an Hand einer lediglich beispielsweisen Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:
• Fig. 1a und 1b Blockdiagramme einer Messeinheit und eines Prozessors und einer Anzeigeeinheit einer Ausführungsform eines strahlungsbeständigen Messgerätes sind; und
• Fig. 2 eine Darstellung eines Beispiels einer in dem Messgerät der Fig. 1a und 1b verwendeten Kalibrierungskurve ist.
• Unter Bezugnahme auf die Fig. 1a und 1b ist eine Ausführungsform eines strahlungsbeständigen Messgeräts in Blockdiagrammform dargestellt. Das dargestellte Messgerät ist zur Verwendung in starken ionisierenden Strahlungsfeldern jenes Typs aufgebaut, der beispielsweise in industriellen Strahlungs-Sterilisierungsanlagen, in Kernkraftwerken und Kernzerfallsanlagen sowie in Kernkraftforschungsanlagen Verwendung findet.
• Das dargestellte Messgerät soll mobil sein, um in der Lage zu sein, innerhalb eines Werkes bewegt zu werden, und eine Echtzeit-Anzeige des zu messenden Parameters zu schaffen. Diese Ausführungsform soll Strahlungsraten von hohen Größen messen und ist zu diesem Zweck mit einer Ionenkammer 12 ausgerüstet. Die Ionenkammer 12 erzeugt einen Stromausgang, der zur Strahlungsrate proportional ist.
• Ein (nicht dargestellter) Widerstand mit hohem Widerstand ist in dem Ionenkammerausgang angeordnet, um ein Spannungssignal zu schaffen, das mit einem Spannungsverstärker 14 gekoppelt ist. Der Spannungsverstärker 14 schafft einen geeigneten Eingang für einen Niederfrequenz-Oszillator 16, der betätigt wird, um einen Ausgang mit einer Frequenz zu erzeugen, die in bekannter Weise in Beziehung zu seiner Eingangsspannung steht. Der Ausgang des Oszillators 16 ist mit einer Übermittlungseinheit gekoppelt, die von einem Niederfrequenzverstärker 18, einem Radiofrequenz-Oszillator 20 und einem Radiofrequenzverstärker 22 gebildet wird. Eine Antenne 24 erzeugt eine Radiowelle.
• Wie dem Fachmann klar sein wird, sind der Spannungsverstärker 14 und der Oszillator 16 Einheiten, die driftsensitiv sind. Die Einheiten 18 bis 22 sind andererseits relativ unempfindlich gegenüber Drift.
• Während der Entwicklung der Messeinheit 10 wurde entdeckt, dass der Oszillator 16 strahlungsempfindlich ist, was zu variierenden Frequenzen mit der Strahlungsintensität führt. Der Spannungsverstärker 14 hat sich ebenfalls als spannungsempfindlich herausgestellt. Dabei wurde entdeckt, dass die Empfindlichkeit einen unmittelbaren Effekt auf die Arbeitsqualität der Einheiten besitzt und eine Langzeitqualitätsänderung auf Grund der eintretenden Alterung der Komponenten verursacht.
• Systeme aus dem Stand der Technik versuchen, mit dieser Empfindlichkeit durch die Stabilisierung der Transistorschaltkreise umzugehen. Obwohl dieses bis zu einem bestimmten Grad funktioniert, hat es sich herausgestellt, dass ein besserer Widerstand gegenüber der Strahlung und insbesondere gegenüber der Drift durch den Ersatz von einigen oder allen der grundsätzlichen Transistoren im Verstärker 14 und im Oszillator 16 durch Elektronenröhren geschaffen werden kann. Es hat sich ebenso herausgestellt, dass andere empfindliche Komponenten der Einheiten 14, 16 und der große Widerstand im Ausgang der Ionenkammer 12 von den Strahlungseffekten mittels der Umhüllung mit einem Topfverbund abgeschirmt werden können. Eine bei Hitze schrumpfende Umhüllung hat sich ebenfalls als ähnlich nützlich erwiesen.
• Tests haben darüber hinaus gezeigt, dass Elektronenröhren, die starken ionisierenden Strahlungsfeldern ausgesetzt werden, keine wesentliche Änderung in der Arbeitsqualität zeigen.
• Das Eintopfen des Spannungsverstärker-Grundwiderstandes hat sich als besonders wichtig herausgestellt, da eine Änderung des effektiven Wertes des Widerstandes während der Bestrahlung nicht festgestellt werden kann.
• Ein weiterer Vorteil, der bei Elektronenröhren entdeckt wurde, besteht darin, dass unterschiedliche Elektronenröhren des gleichen Typs im Wesentlichen ähnliche Strahlungswiderstände besitzen. Andererseits besitzen Transistoren des gleichen Typs sehr unterschiedliche Strahlungswiderstände, was sie als grundsätzliche Komponenten in einigen Anwendungen ungeeignet macht.
• Metall- und polymergestützte Schalter und dergleichen können durch Äquivalente ersetzt werden, die aus einer Kombination von Keramik und Metall oder aus Keramik, Metall und Glas gebildet sind.
• Die Messeinheit 10 wird durch (nicht dargestellte) Batterien angetrieben, was die Einheit leicht beweglich macht.
• Es hat sich herausgestellt, dass die Kombination von Komponenten und des Topfverbundes auf empfindlichen Komponenten die Einheit in starken Strahlungsfeldern verwendbar macht. Experimente haben gezeigt, dass die Einheit in Feldern von 50 kGy pro Durchlauf überlebt und dass sie eine Gesamtlebenserwartung von 5 MGy besitzt, wesentlich höher als Systeme aus dem Stand der Technik. Darüber hinaus kann die Einheit Strahlungsdosierungen messen, die mehrere Größenordnungen größer sind als Systeme aus dem Stand der Technik. Eine Versuchseinheit war in der Lage, bis zu 15 kGy pro Stunde in einem γ-Strahlungsfeld zu messen mit einer Durchschnittsenergie von bis zu 1,25 MeV.
• Die Einheit kann Temperatur messen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Thermistor 26 in Reihe mit einem großen temperaturstabilen Widerstand geschaltet. Beide Widerstände sind vorzugsweise von einem Topfverbund zum erhöhten Widerstand gegen Strahlungseffekte umgeben. Der Thermistor 26 wird so gewählt, dass er eine genaue Temperaturmessung zur Verfügung stellt (vorzugsweise mit einer Genauigkeit von ± 0,5ºC).
• Eine Form der Kalibrierung wird an Stelle einer konventionellen Stabilisierung der Einheit geschaffen, was sich als ungeeignet für diesen Anwendungstyp herausgestellt hat. Die Kalibrierung stellt einen Satz bekannter Bezugsspannungen 28 zur Verfügung, die durch die Messeinheit 10 über den gleichen Weg wie der Ausgang der Ionenkammer 12 zugeführt werden können. Diese Kalibrierung wird verwendet, um eine Stabilisierung der Schaltkreise gegenüber Drift zu ersetzen und, wie sich herausgestellt hat, erlaubt dies, eine genaue Messung zu machen.
• Die Spannungsreferenzen werden zur Verfügung gestellt von (nicht dargestellten) Zener-Dioden vorbestimmter Spannung, die in Reihe geschaltet werden, um fünf Bezugsspannungen zu geben, die sich über den Ausgangsbereich der Ionenkammer 12 oder einen anderen Sensor spannen. Es hat sich in Versuchen herausgestellt, dass die Durchbruchsspannung der Zener-Dioden mit der Strahlungsdosierung driftet. Allerdings wurde ebenso entdeckt, dass es möglich ist, die Zener-Dioden vorzubestrahlen, um irreversible Änderungen in der Spannung zu erzeugen, die dann genügend stabil innerhalb eines vorbestimmten Bereiches von Strahlungsniveaus bleibt.
• Ein Multiplexer 30 wird mit den Bezugsspannungen 28, mit der Ionenkammer 12 und dem Thermistor 26 verbunden und führt Signale sequenziell durch die Schaltkreise 14 bis 24 in der im Folgenden genauer beschriebenen Weise.
• Der Verarbeitungs- und Anzeigeteil 50 des Messgerätes, dargestellt in Fig. 1b, soll außerhalb des starken Strahlungsfeldes angeordnet sein. Eine Empfangsantenne 35 ist innerhalb des Strahlungsfeldes angeordnet und ist mit der Empfangsstation über ein Kabel verbunden, das durch die Strahlungsabschirmung 32 geführt ist.
• Ein Radioempfänger 34 bekannter Art wird mit seinem Ausgang mit einem Zeitzähler-Interface 36, und mit einem Zeitzähler 38 verbunden, die gemeinsam eine Messung der Frequenz des Niederfrequenz-Oszillators 16 zur Verfügung stellen. Ein Rechner 40 ist angeschlossen, um die Zählrate des Zeitzählers 38 aufzunehmen und daraus die Signale aus der Ionenkammer 12 von dem Thermistor 26 und den Bezugsspannungen 28 zu gewinnen.
• Die Arbeitsweise wird zunächst an Hand eines Kalibriervorganges beschrieben.
• Der Multiplexer 30 wird mit (nicht dargestellten) Relais versehen, die die Ausgänge der Ionenkammer 12, des Thermistors 26 und der Bezugsspannungen 28 zu einem Spannungsverstärker-Eingang schalten. Dieses Schalten geschieht zu vorbestimmten Zeitintervallen, beispielsweise alle 60 Sekunden, oder auf der Grundlage eines Sequenzschaltkreises, in welchem die Ausgänge der Einheiten 12, 26 und 28 umschichtig dem Multiplexer zugeschaltet werden.
• In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Ausgänge sequenziell jeweils dann geschaltet, wenn eine Messung genommen werden soll. Daher wird die Messeinheit 10 Signale bezüglich der Ionenkammer 12, des Thermistors 26 und der Bezugsspannungen 28 nacheinander abgeben. Der Rechner 40 ist so programmiert, dass er diese zyklischen Signale liest und aus ihnen die fünf repräsentativen Frequenzen der fünf Bezugsspannungen aus der Einheit 28 bestimmt. Die Bezugsspannungen werden jeweils vor jedem Durchgang gemessen und bleiben für einen Durchgang zur genauen Kalibrierung genügend stabil. Sie schaffen auch eine Einrichtung für die Synchronisation des Rechners.
• Die fünf Bezugsspannungen werden verwendet, um eine Kalibrierungsfunktion zu bilden, wie in Fig. 2 dargestellt. In der dargestellten Ausführungsform soll die niedrigste Bezugsspannung die Erdung sein und stellt daher den Ausgangspunkt zur Erzeugung der Frequenz zu Spannungs-Kurve in Fig. 2 dar.
• Der Rechner 40 fühlt dann die Frequenz entsprechend dem Signal der Ionenkammer zu einem geeigneten Zeitpunkt im Kreis ab und bestimmt die Kalibrierungskurve in Fig. 2, deren Ausgangsspannung und daraus die gemessene Strahlungsdosierung.
• Auf ähnliche Weise stellt der Rechner 40 die Thermistorentemperatur fest, um den Benutzer von der Temperatur des unter Bestrahlung stehenden Objektes zu informieren. Dies kann ebenso für eine Kalibrierung verwendet werden, wenn diese benötigt wird. Tests haben gezeigt, dass die bevorzugte Ausführungsform innerhalb der beschriebenen Betriebsparameter bis zu etwa 1% genau sein kann.
• Es ist klar, dass das Messgerät jede aus einer Reihe von Parametern messen kann, beispielsweise Druck, Ort, Fluidfluss und dergleichen. Es ist nicht erforderlich, eine Radioverbindung zu haben und andere Formen von drahtloser Verbindung können ebenso geeignet sein. Vorläufige Tests haben angezeigt, dass mit der Anordnung und der Wahl der beschriebenen Komponenten es möglich sein kann, eine oder mehrere der Primärröhren durch einen Hochleistungs-Hochfrequenztransistor zu ersetzen, der den Strahlungswiderstand oder das Messgerät verhalten beeinflusst.

Claims (10)

1. Strahlungsbeständiges Echtzeit-Messgerät für starke ionisierende Strahlungsfelder, mit einer transistorgestützten Messeinheit (10), die beständig gegenüber starken Strahlungsfelder ist; mit einer Anzeigeeinheit (50), die eine Anzeige der zu überwachenden Parameter zur Verfügung stellen kann; und mit einem drahtlosen Kommunikationssystem (24, 35), welches die Mess- und die Anzeigeeinheit verbindet, wobei die Messeinheit mehrere Transistoren und wenigstens eine Elektronenröhre anstelle eines Transistors enthält.

2. Messgerät nach Anspruch 1, in welchem das drahtlose Kommunikationssystem eine Radioverbindung enthält.

3. Messgerät nach Anspruch 1 oder 2, in welchem die Messeinheit (10) eine Sensoreinrichtung (12, 26, 28) enthält, die an einen Verstärker (14) und an einen Oszillator (16) angeschlossen ist, wobei der Verstärker und/oder der Oszillator wenigstens eine Elektronenröhre enthalten.

4. Messgerät nach Anspruch 3, mit einer Kalibriereinrichtung (28), welche in regelmäßigen Intervallen eine Referenzkalibriermessung zur Verfügung stellen kann, und mit einer Verarbeitungseinrichtung (40), welche zum Feststellen eines kalibrierten Wertes des Ausganges der Sensoreinrichtung auf der Grundlage der Referenzkalibriermessung betätigbar ist.

5. Messgerät nach Anspruch 4, in welchem die Kalibriereinrichtung eine Referenzkalibriermessung vor jeder Ablesung des Ausgangs der Sensoreinrichtung zur Verfügung stellen kann.

6. Messgerät nach Anspruch 4 oder 5, in welchem die Kalibriereinrichtung (28) eine Reihe von Spannungsreferenzen aufweist, die benachbart zur Sensoreinrichtung angeordnet und im Wesentlichen durch den gleichen Schaltkreis wie die Sensoreinrichtung angeschlossen sind.

7. Messgerät nach Anspruch 6, in welchem die Spannungsreferenzen durch eine Reihe von Zenerdioden zur Verfügung gestellt werden.

8. Messgerät nach Anspruch 7, in welchem die Zenerdioden vorbestrahlt sind.

9. Messgerät nach einem der Ansprüche 4 bis 8, in welchem die Verarbeitungseinrichtung (40) zum Erzeugen einer Kalibrierfunktion betätigbar ist, die zum Bestimmen einer kalibrierten Sensormessung dient.

10. Messgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, in welchem ein oder mehrere der Komponenten der Messeinheit (10) von einem Topfverbund umgeben ist.