DE69201643T2

DE69201643T2 - Verfahren und vorrichtung zur feststellung der simultanen und selektiven neutronen und x- oder gamma photons.

Info

Publication number: DE69201643T2
Application number: DE69201643T
Authority: DE
Inventors: Georges Daniel; Edouard Marienbach; Jean-Louis Szabo
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Geoservices Equipements SAS
Priority date: 1991-07-08
Filing date: 1992-07-07
Publication date: 1995-09-28
Anticipated expiration: 2012-07-08
Also published as: EP0593643B1; JPH06508926A; WO1993001507A1; FR2679042B1; EP0593643A1; DE69201643D1; FR2679042A1; US5481114A; DK0593643T3

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der gleichzeitigen und selektiven Detektion des Flusses von Neutronen und von Röntgen- oder Gamma-Photonen, insbesondere für die nukleare Materialuntersuchung und für die Messungen des Verbrennungsgrades an bestrahlten Brennstoffeinheiten.
Die Detektion von Neutronen in Gegenwart eines hohen Flusses von Gamma-Photonen war immer schwierig. Eines der in der bisherigen Technik verwendeten Verfahren besteht darin, Detektoren wie etwa Proportionalzähler mit ¹&sup0;BF&sub3;, ³He zu verwenden, die durch hohe Röntgen- oder Gamma-Dosisleistungen wesentlich gestört werden, und sie mit einer gegenüber diesen Strahlungen wirksamen Abschirmung zu umgeben. Ein anderes Verfahren besteht darin, Spaltungskammern zu benutzen, die gegenüber diesen Strahlungen unempfindlich sind, deren Wirksamkeit für Neutronen aber gering ist.
Es ist oft notwendig, die von einer Strahlungsquelle ausgehenden Emissionen von Neutronen und von Röntgen- oder Gamma- Photonen gleichzeitig zu detektieren. Dies geschieht in der bisherigen Technik im allgemeinen dadurch, daß man zwei Detektoren benutzt, einen für die Neutronen, einen anderen für die Röntgen- oder Gamma-Photonen.
Die bisherige Technik auf diesem Gebiet kann beispielsweise mit den Dokumenten FR-A-2 317 668 oder DE-A-1 564 271 erläutert werden. In diesen beiden Dokumenten ist die Rede von einer Apparatur, die in der Tat zwei Detektoren benutzt, einen für Neutronen und einen anderen für Photonen, wobei der eine wie der andere sichtbare Photonen durch Szintillation erzeugt und diese beiden Detektoren mit demselben Photovervielfacher verbunden sind. Das ganze Problem dieser selektiven Detektion besteht folglich darin, die Einrichtungen zu betreiben, die es ermöglichen, unter den von dem Photovervielfacher registrierten Szintillationen eine Selektion zwischen denen, die auf Neutronen zurückgehen, und denen, die auf Röntgen- oder Gamma- Photonen zurückgehen, zu erhalten. In der bisherigen Technik geschieht die Selektion der jeweiligen zu diesen beiden Arten von Strahlung gehörenden Szintillationen am Ausgang des Szintillators durch eine Verarbeitung des Signals, welche die speziellen und für die Herkunft - von Neutronen oder von Photonen - charakteristischen Eigenschaften dieser Szintillationen benutzt. Diese Unterscheidung geschieht im wesentlichen entweder über die Anstiegszeit der Impulse (in dem Dokument FR-A-2 317 668) oder über die Unterschiede in den Abfallzeiten der Impulse (Fall des Dokuments DE-A-1 564 271), die von den beiden Szintillatoren emittiert werden. In dem einen wie dem anderen Fall führt dieser Schritt der Signalverarbeitung zu einer komplizierten spektrometrischen Elektronik und zu einer teuren Ausrüstung.
Ein anderes Dokument, "United States Statutory Invention Registration" Nr. H590, beschreibt einen Szintillationsdetektor, der dank der Anwesenheit zweier Szintillatoren, eines externen für thermische Neutronen und eines internen für schnelle Neutronen und Gamma-Photonen, zugleich für Neutronen und für Gammastrahlen empfindlich ist. Freilich erfolgt wie in der vorherigen Technik die Unterscheidung in einem elektronischen System am Ausgang durch Messungen der Form der Impulse und durch Zählung der Impulse, eines nach dem anderen, im Anschluß an die Selektion, also mit komplizierten und kostspieligen Apparaturen. Aus diesem Grund ist in diesem Detektor der für die Gamma-Photonen empfindliche Szintillator ein Plastik-Szintillator, der seiner Natur nach ungeeignet ist, photoelektrische Peaks zu liefern, die in der Spektrometrie verwendbar sind.
Die vorliegende Erfindung hat genau ein Verfahren sowie ein Gerät zur gleichzeitigen und selektiven Detektion von Neutronen und von Röntgen- oder Gamma-Photonen zum Gegenstand, die es gestatten, mit Hilfe von einfach zu betreibenden Einrichtungen die beiden Typen der Szintillation vollständig zu trennen, indem man ein einziges spektrometrisches Meßsystem mit zwei Energiekanälen benutzt, von denen jeder einem der zwei zu trennenden Szintillationstypen entspricht.
Das Verfahren zur gleichzeitigen und selektiven Detektion von Neutronen und von Röntgen- oder Gamma-Photonen mit Hilfe eines Detektors, der zwei Szintillatoren, einen für Neutronen empfindlichen und einen für Röntgen- oder Gamma-Photonen empfindlichen, enthält und der mit einem Gerät von der Art des Photovervielfachers verbunden ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß die physikalischen Eigenschaften der zwei Szintillatoren und/oder eines gegebenenfalls zwischen die Szintillatoren und das photovervielfachende Gerät gestellten Wellenlängenkonverters so gewählt sind, daß der Peak der auf die Neutronen zurückgehenden Szintillationen und der auf die Röntgen- oder Gamma-Photonen zurückgehende photoelektrische Peak in Wellenlängenbanden liegen, die voneinander sowie vom elektronischen Untergrundrauschen des Geräts deutlich getrennt sind.
Wie man sieht, bezieht sich die Erfindung also im wesentlichen in der Stufe des Verfahrens auf die Einrichtungen zur Trennung der zu den beiden untersuchten Arten von Strahlung gehörenden Szintillationen in zwei Wellenlängenbanden, die deutlich voneinander getrennt sind. Der Anmelder hat daher gezeigt, daß es durch eine sinnvolle Auswahl der Szintillatormaterialien und/oder durch Gebrauch eines etwaigen Wellenlängenkonverters möglich ist, die auf die Photonen zurückgehenden Szintillationen und die auf die Neutronen zurückgehenden Szintillationen genau und in zwei voneinander und vom Untergrundrauschen getrennten Energiebanden einzugrenzen.
Der für die Photonen empfindliche Szintillator muß insbesondere unbedingt anorganisch und einkristallin sein, denn er muß imstande sein, einen photoelektrischen Peak zu liefern, der mit einem spektrometrischen System nutzbar ist, wie später präzisiert werden wird.
Je nach den Umständen kann diese Trennung des Peaks der auf die Neutronen zurückgehenden Szintillationen und des auf die Photonen zurückgehenden photoelektrischen Peaks einfach durch die Wahl der anwesenden Szintillatoren erzielt werden; in anderen Fällen ist der Rückgriff auf einen Wellenlängenkonverter nötig. Unter dieser letzten Voraussetzung ist der Wellenlängenkonverter auf die Bande der mittleren Wellenlängen der Lichtszintillationen des für die Photonen empfindlichen Szintillators abgestimmt, um diese Bande in eine ähnliche Bande in einem von der Emissionsbande des für die Neutronen empfindlichen Szintillators und von dem elektronischen Untergrundrauschen des Geräts deutlich getrennten Wellenlängenbereich umzuwandeln.
Der beträchtliche Vorteil, der sich aus der Ausführung des Verfahrens ergibt, welches den Gegenstand der Erfindung darstellt, beruht auf der Tatsache, daß das elektronische Meßsystem, da die zwei Szintillationskanäle identisch aufgebaut und deutlich getrennt sind, stark vereinfacht und auf ein Zweikanalspektrometer reduziert werden kann, das aus billiger elektronischer Standardausrüstung besteht.
Die vorliegende Erfindung hat ebenso ein Gerät zur gleichzeitigen und selektiven Detektion von Neutronen und von Röntgen- oder Gamma-Photonen zum Gegenstand, das dadurch gekennzeichnet ist, daß es enthält:
- einen eigentlichen Detektor, der einen anorganischen, einkristallinen, für Röntgen- oder Gamma-Photonen empfindlichen Szintillator enthält, der sich in einer äußeren Hülse aus mit &sup6;Li dotiertem Glas befindet, das als für Neutronen empfindlicher Szintillator und zum Schutz des Röntgen- oder Gamma-Szintillators vor diesen Neutronen dient,
- einen Lichtreflektor geringer Dicke, transparent für Neutronen und für Röntgen- oder Gamma-Photonen, der den Szintillator aus mit &sup6;Li dotiertem Glas bedeckt und dessen reflektierende Oberfläche zu dem letzteren hingewendet ist,
- eine Umhüllung zur optischen Einschließung, die den Lichtreflektor bedeckt und die die Dichtigkeit der Detektoranordnung gegenüber dem Außenbereich sicherstellt,
- eine photovervielfachende Vorrichtung, die am Ausgang der zwei Szintillatoren gelegen und mit diesen über einen optischen Koppler verbunden ist,
- ein spektrometrisches Meßsystem mit zwei Kanälen, das sich am Ausgang der photovervielfachenden Vorrichtung befindet und das in jedem Kanal getrennt die entsprechende Zählung der auf Neutronen zurückgehenden Szintillationen bzw. der auf Röntgen- oder Gamma-Photonen zurückgehenden Szintillationen durchführt.
Nach einer ebenfalls wichtigen Eigenschaft der vorliegenden Erfindung benutzt der anorganische und einkristalline Szintillator für die Röntgen- oder Gamma-Photonen ein Szintillatormaterial, das in der Gruppe gewählt ist, die Wismutgermanat (BGO), Caesiumjodid, (CsI), Caesiumfluorid (CsF), Natriumodid (NaI) und Gadoliniumorthosilicat (GSO) enthält.
Nach der Erfindung werden die thermischen Neutronen über die Reaktion (n, α) des Lithiums-6 detektiert. Das α-Teilchen und das Triton, die aus der Reaktion hervorgehen, werden in entgegengesetzten Richtungen mit Energien von 2,05 MeV bzw. 2,74 MeV emittiert. Auf Grund der Tatsache, daß für Glas die mittlere freie Weglänge der thermischen Neutronen im allgemeinen von der Größenordnung Millimeter ist, kann man mit verhältnismäßig niedrigen Glasdicken sehr hohe Detektionsausbeuten erzielen. Andererseits erhält man, da in der Wechselwirkung zwischen Neutronen und Lithium-6 keine Einfangs-Gamma- Photonen vorkommen, einen guten Schutz des Röntgen- oder Gamma-Szintillators.
Die Röntgen- oder Gamma-Photonen werden mit Hilfe eines Szintillators von der oben erwähnten Art detektiert, dessen Dimensionen in Abhängigkeit von den Energien der einfallenden Röntgen- oder Gamma-Photonen und von den Massenkoeffizienten für die Absorption des Szintillators berechnet sind, um die bestmögliche Ausbeute zu erhalten.
Es ist wichtig festzustellen, daß die mit Lithium-6 dotierte Glashülse, die als Szintillator für die Detektion der thermischen Neutronen dient, in diesem Sinn eine doppelte Funktion hat, daß sie gleichzeitig den Schutz des inneren Szintillators für Röntgen- und Gamma-Photonen vor Neutronen sicherstellt.
Nach einer wahlfreien, aber oft ebenfalls wichtigen Eigenschaft der Erfindung enthält der Detektionsapparat zwischen den Szintillatoren und dem optischen Koppler einen Wellenlängenkonverter, der auf die Bande der auf die Röntgen- und Gamma-Photonen zurückgehenden Szintillationen abgestimmt ist und der diese Bande in einen von der Bande der auf Neutronen zurückgehenden Szintillationen sowie von dem Untergrundrauschen völlig getrennten Bereich überträgt, wobei er so die zwei getrennten Kanäle erzeugt, in denen das spektrometrische Meßsystem arbeitet.
Wie bereits vorher ausgeführt, ist diese Einrichtung der Erfindung wahlfrei, und man greift, um eine gute Trennung der Übertragungskanäle voneinander und vom Untergrundrauschen sicherzustellen, allein für den Fall auf sie zurück, daß die Trennung durch die geeignete Wahl der Szintillatormaterialien und der physikalischen Eigenschaften der zwei Szintillatoren nicht in zufriedenstellender Weise erreicht wird.
Schließlich kann nach der Erfindung der photovervielfachende Apparat entweder ein Photovervielfacher im gewöhnlichen Sinn des Begriffs oder aber eine Photodiode sein.
In jedem Fall wird die Erfindung besser verstanden werden, wenn man sich auf die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels bezieht, eines Beispiels, das zur Erläuterung, nicht zur Begrenzung beschrieben wird, wobei Bezug auf Fig. 1 und 2 genommen wird. In diesen ist
- Fig. 1 eine Schnittdarstellung des Detektionsapparats, welcher Gegenstand der Erfindung ist, in Richtung der Achse,
- Fig. 2 ist eine Skizze des Amplitudenspektrums der auf die Neutronen und auf die Gamma-Photonen zurückgehenden Szintillationen, die die jeweilige Anordnung der verschiedenen Peaks zeigt.
In Fig. 1 ist unter 1 der erste Szintillator aus mit Lithium-6 dotiertem Glas dargestellt, der im wesentlichen die Gestalt einer Hülse besitzt, in deren Innerem sich der zweite, auf die Detektion der Röntgen- oder Gamma-Photonen spezialisierte Szintillator 2 befindet. Wie bereits gesagt, gestattet diese spezielle Anordnung den Schutz des Szintillators 2 vor den von außen kommenden Neutronen. Die Anordnung der zwei Szintillatoren 1 und 2 ist in einer Reflektor-Hülle 3 eingeschlossen, deren reflektierender Teil zu den Szintillatoren 1 und 2 hingewandt ist, um jeden Lichtverlust nach außen durch Undichtigkeiten zu verhindern. Schließlich ist die Reflektor- Hülle 3 ihrerseits in eine Umhüllung 4 zur mechanischen und optischen Einschließung eingeschlossen, die die Dichtigkeit der Anordnung gegenüber dem Außenbereich sicherstellt.
In dieser Fig. 1 sieht man ebenso einen optischen Koppler 5, der eine gute Übertragung der Lichtszintillationen zu dem Photovervielfacher 6 sicherstellt.
In dem in Fig. 1 beschriebenen Beispiel ist der Detektionsapparat durch einen Wellenlängenkonverter 7 vervollständigt; wie vorher erklärt, erlaubt es dieser Konverter 7, eine Verteilung der Szintillationspeaks in den im voraus vorgesehenen Energiekanälen herzustellen, wie unter Bezug auf die folgende Fig. 2 erklärt werden wird.
Schließlich befindet sich am Ausgang des Photovervielfachers 6 ein spektrometrisches Meßsystem 8 mit zwei Kanälen, die ein für allemal auf die zwei Energie- oder Wellenlängenbanden, in denen der Apparat die Zählinformationen der Szintillationen wiederherstellt, voreingestellt sind.
Die übereinandergeschichtete Anordnung der zwei Szintillatoren 1 und 2, die für Neutronen bzw. für Röntgen- und Gamma-Photonen empfindlich sind, hat selbstverständlich zur Folge, daß das den Szintillator 2 bildende Material ebenfalls als Lichtleiter für die Übertragung der Lichtinformationen, die von den im Szintillator 1 erfolgenden Szintillationen stammen, dienen kann.
In Fig. 2 sind die Amplitudenspektren der auf Neutronen (durchgezogene Linie) und auf Röntgen- und Gamma-Photonen (gepunktete Linie) zurückgehenden Szintillationen dargestellt. Die Zahl der gezählten Impulse ist über der Ordinate, die Energie über der Abszisse aufgetragen.
Das auf die Neutronen zurückgehende Spektrum besitzt einen Peak 9, den man nicht zu verändern anstrebt. Dagegen kann man durch eine passende Wahl der szintillierenden Materialien einerseits und/oder gegebenenfalls eines Wellenlängenkonverters andererseits erreichen, daß der photoelektrische Peak der auf die Röntgen- oder Gamma-Photonen zurückgehenden Szintillationen sich entweder in 10 oder in 11 befindet, d.h. in einem Energie- oder Wellenlängenkanal, der sich von dem auf die Neutronen zurückgehenden Peak deutlich unterscheidet. Es ist dann klar, daß ein spektrometrisches System mit zwei Kanälen genügt, um die Zählung der Anzahl der Szintillationen, die auf jede Art Strahlung zurückgehen, auszuführen. Außerdem kann dies mit Hilfe einer ein für allemal voreingestellten Standardausrüstung verwirklicht werden, die viel einfacher und weitaus weniger kostspielig ist als die Vorrichtungen zur Signalverarbeitung, die man in der bisherigen Technik benutzte, um die Selektion zwischen den zwei Quellen der gleichzeitigen Szintillationen durchzuführen.
Ein Detektionsapparat in Übereinstimmung mit der Erfindung hat eine große Zahl möglicher Anwendungen, etwa die gleichzeitigen Messungen, bei denen Wechselwirkungen von Neutronen und Photonen mit der Materie auftreten, im industriellen, geologischen und Bergbaubereich (Meßgeräte für Dichte/Feuchtigkeit, Flächengewicht/Feuchtigkeit, Dicke/Feuchtigkeit, Materialuntersuchungen mit Neutronen- und/oder Gammastrahlen), die Überwachung der Bewegungen der Einheiten von bestrahltem Brennstoff in den Wiederverarbeitungsfabriken, die Messung des Verbrennungsgrades der bestrahlten Einheiten und ganz allgemein jede Messung, in der Neutronen und Photonen zusammen auftreten und getrennte Zählbarkeit benötigt wird.

Claims

1. Verfahren zur simultanen und selektiven Detektion von Neutronen und X- oder Gamma-Photonen mithilfe eines Detektors, welcher zwei Szintillatoren umfaßt, einen, der für Neutronen empfindlich ist und einen anderen, der für X- oder Gamma-Photonen empfindlich ist, und welcher fit einem Apparat von der Art eines Photomultiplikators (6) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der für X- oder Gamma-Photonen empfindliche Szintillator von anorganischer und monokristaliiner Natur ist und daß die physikalischen Kennzeichen der beiden Szintillatoren (1,2) und/oder eines eventuellen Wellenlängen-Konverters (7), der zwischen den Szintillatoren und dem Photomultiplikatorapparat angeordnet ist, so gewählt werden, daß die Szintillationen aufgrund der Neutronen und der photoelektrische Peak aufgrund der X- oder Gamma-Photonen sich in Wellenlängenbereichen befinden, die genau voneinander sowie von dem elektronischen Grundrauschen des Apparats getrennt sind.

2. Verfahren zur Detektion gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenlängen-Konverter (7) auf das mittlere Wellenlängenband der Lichtszintillationen des für Photonen empfindlichen Szintillators abgestimmt ist, um sie in ein ähnliches Band in einen Wellenlängenbereich zu konvertieren, der genau von dem Emissionsband des für Neutronen empfindlichen Szintillators und dem elektronischen Grundrauschen des Apparats getrennt ist.

3. Apparat zur simultanen und selektiven Detektion von Neutronen und X- oder Gamma-Photonen gemäß dem Verfahren der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er:

- einen Detektor umfaßt, genau gesagt einen für X- oder Gamma- Photonen empfindlichen Szintillator (2) umfaßt, von anorganischer und monokristalliner Natur, der in einer äußeren Hülse aus mit &sup6;Li dotiertem Glas angebracht ist, was dem für Neutronen empfindlichen Szintillator (1) dient und zum Schutz des X- oder Gamma- Szintillators gegen eben diese Neutronen;

- einen Licht-Reflektor (3) geringer Dicke umfaßt, der für Neutronen und X- oder Gamma-Photonen durchlässig ist, der den Szintillator aus mit &sup6;Li dotiertem Glas bedeckt und dessen reflektierende Oberfläche gegen diesen letzteren gerichtet ist;

- eine Kammer zum optischen Einschluß (4) umfaßt, welche den Lichtreflektor bedeckt und die Dichtigkeit der Detektoreinheit gegenüber dem Äußeren sichert;

- eine Photomultiplikatorvcrrichtung (6) umfaßt, die am Ausgang der beiden Szintillatoren (1,2) angeordnet ist und mit diesen durch einen optischen Koppler (5) verbunden ist;

- eine spektrometrische Meßkette (8) mit zwei Kanälen umfaßt, die am Ausgang der Photomultiplkatorvorrichtung (6) angebracht ist und welche getrennt in jedem Kanal die entsprechende Zählung der Szintillationen aufgrund der Neutronen und die Szintillationen aufgrund von X- oder Gamma-Photonen ausführt.

4. Detektionsapparat gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Szintillator von X- oder Gamma-Photonen ein szintillierendes Material verwendet, welches aus der Gruppe gewählt wird, die Bismutgermanat (BGO), Cäsiumiodid (CsI), Cäsiumfluorid (CsF), Natriumiodid (NAI) und Gadoliniumorthosilikat (GSO) umfaßt.

5. Detektionsapparat gemäß einem der Ansprüche 3 und 4, gekennzeichnet durch die Anwesenheit eines Wellenlangenkonverters (7) zwischen den Szintillatoren und dem optischen Koppler, welcher auf das Szintillationsband aufgrund der X- oder Gamma-Photonen abgestimmt ist und dieses Band in einen Wellenlängenbereich umwandelt, der genau von dem Szintillationsband aufgrund von Neutronen sowie dem Grundrauschen getrennt ist, wodurch also die beiden getrennten Kanäle erzeugt werden, in denen die spektrometrische Meßkette arbeitet.

6. Detektionsapparat gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Photomultiplikatorapparat eine Photodiode ist.