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Gerät zur Feststellung von Neutronen
Die Erfindung betrifft ein mit Spaltung arbeitendes Gerät zur Feststellung von Neutronen und bezweckt insbesondere die Erleichterung der Feststellung von Neutronen, welche mit starken Flüssen von y-Strahlen gemischt sind.
Die Erfindung ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass in einer Kammer, welche dem Fluss der festzustellenden Neutronen ausgesetzt ist und wenigstens eine mit einem Überzug aus einem spaltbaren Material überzogene Scheibe aufweist, ein geeigneter Gasstrom so strömt, dass er die Spaltprodukte (welche im wesentlichen vom Bombardement der Scheibe durch die Neutronen herrühren) über eine Leitung bis zu einer Vorrichtung befördert, welche die Radioaktivität dieser Produkte getrennt von dem unerwünschten direkten Fluss der den festzustellenden Neutronenfluss begleitenden Strahlungen misst.
Bekanntlich erfordert die Feststellung von Neutronen, welche mit starken Flüssen von y-Strahlen ge-
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nen und y-Strehlen empfindlich ist. Die Elektroden der letztgenannten Kammer sind hiefür im allgemeinen mit B. C überzogen, welche mit B angereichert ist.
Die Spaltungskammern sind Ionisierungskammern besonderer Bauart, bei welchen eine Elektrode mit einem spaltbaren Stoff überzogen ist. Unter der Einwirkung eines Neutronenflusses zerfällt dieser spaltbare Stoff und setzt elektrisch geladene Produkte frei, welche das Gas in der Kammer ionisieren können..
Die Zähler mit gasförmigem Borfluorid BF3 benutzen die bekannte Reaktion der Neutronen mit dem lOB : -
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Das a-Teilchen und der Lithiumkern befördern eine Gesamtenergie von 2,4 MeV, welche die Ioni sierung des Gases bewirkt.
Diese drei Apparatearten weisen leider gewisse ihnen eigentümliche Fehler auf, welche ihre Benutzung erschweren.
Die kompensierten Ionisierungskammern sind schwer herzustellen, und ihre Elektronik ist ziemlich verwickelt (sie erfordern die Messung eines sehr geringen Gleichstroms mittels einer Elektrometerröhre und eines sehr hohen Widerstands). Ausserdem erzeugen sie systematische Fehler bei Messungen an einem Atommeiler mit langsamen Elektronen, welcher mit geringer Leistung arbeitet. Diese Fehler rühren von einer ungenügenden Kompensation der von den y-Strahlen herrührenden lonisierungsströme her.
Die bekannten Spaltungskammern weisen den schwerwiegenden Nachteil auf, dass sie für die natürliche Radioaktivität empfindlich sind, welche allen Stoffen, wie U , Th usw., die unter der Einwirkung von Neutronen mit einer Energie von weniger als einigen MeV spaltbar sind, innewohnt. Wenn die Kammer mit Strom arbeitet, erhält man so einen von der a-Strahlung herrührenden mittleren Störstrom. Wenn die Kammer mit Impulsen arbeitet, erhält man eine zeitliche "Stapelung" der von den glei-
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chen a-Strahlen herrührenden Impulse.
Die mit BF3 gefüllten Zähler sind teuer und ihre Benutzung in einem sehr starken Fluss von y-Strahlen ist heikel.
Um diesen verschiedenen Nachteilen abzuhelfen, benutzt man erfindungsgemäss ein mit Spaltung arbeitendes Gerät zur Feststellung der Neutronen, in welchem die Spaltprodukte mittels eines geeigneter Gasstroms bis zu einem Strahlungszähler befördert werden, welcher so die Radioaktivität dieser Pro-
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den Neutronen begleiten, messen kann.
Diese gemessene Radioaktivität ist im allgemeinen eine Emission von S-Strahlen, sie kann jedoch auch eine Emission von y-Strahlen oder Neutronen sein. Sie rührt von den Spaltungskernen her, welche von der Scheibe bei ihrer Bombardierung durch die Neutronen ausgesandt werden und im Fluge in der Nähe der Vorrichtung zu ihrer Feststellung zerfallen. Man kann die Empfindlichkeit der Vorrichtung vergrö- ssern, indem man beim Vorbeigang einen Teil dieser Kerne zurückhält, z. B. an einem in der Nähe der
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Nähe, s.leitung.
Das benutzte spaltbare material kann beliebiger Art sein (Uran 238, 235, 233, Plutonium, Thorium usw.). Es genügt, es so zu wählen, dass es tatsächlich ei : 1e Kernspaltung unte. der Einwirkung des zu messenden Neutronenflusses erleidet. Zur Feststellung z. B. der thermischen Neutronen wählt man zweckmässig das natürliche Uran, welches mehr oder weniger mit U235 angereichert ist. Die Dicke des Über-
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da dieser Abstand der kleinster. Weglänge der Spaltprodukte in dem spaltbaren Stoff entspricht. Versuche zeigen ausserdem, dass Proportionalität zwischen den Angaben des Zählers und der Gesamtfläche des Überzugs aus dem den Strahlungen ausgesetzten spaltharen Stoff und unter sonst gleichen Verhältnissen mit dem empfangenen Neutronenfluss besteht.
Der Strahlenzähler weist eine bekannte Bauart auf. Er kann z.B. ein Proportionalzähler, ein Geigerzähler oder ein Blinkzähler sein. Dieser Zähler kann erfindungsgemäss in einer Entfernung von mehreren Metern von der Quelle der zu messenden Neutronen angeordnet werden, was gestattet, ihn gleichzeitig gegen die mit den Neutronen gemischten y-Strahlen und gegen die von dem spaltbaren Stoff ausgesandten a-Teilchen zu schützen.
Die von dem Zähler kommenden elektrischen Impulse werden gewöhnlich mittels eines Zählmassstabes oder'eines Integrators registriert. Man kann auch, im allgemeinen zur Unterscheidung von einer an- dern Strahlung, mittels eines Spektrographen eine oder mehrere von den Spaltprodukten ausgesandte charakteristische Strahlungen auswählen,
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während einer jeden Messung angenommenen Betriebsgeschwindigkeit abhänge
Die die Spaltungskammer mit dem Gerät zur Feststellung der Neutronen verbindende Leitung kann beliebiger Art sein.
Es ist jedoch zweckmässig, sie aus einem die Elektrizität gut bonden Werkstoff her-
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Die mit den zu messenden von den unter Ausnutzung der Atomkraft arbeitenden Einrichtungen kommenden, mit Neutronen gemischten y-Strahlen bewirken wie diese eine Spaltung der Urankerne (Photospaltung). Dieser Vorgang ist jedoch im allgemeinen nur schwach, wenigstens bei Atomreaktoren, und wird von dem Zähler neben den von den Neutronen allein erzeugten Spaltungen nicht wahrgenommen.
Diese Photospaltung des natürlichen Urans besitzt nämlich eine Resonanzlinie für eine Energie der einfal- lenden #-Strahlen von 17,5 MeV. Ferner beträgt das Verhältnis der Wirkungsquerschnitte für die Spaltung von natürlichem Uran durch thermische Neutronen und y-Strahlen von 8 MeV etwa 1000. Da das Spektrum des y-Flusses eines Atomreaktors praktisch kontinuierlich ist und von 0 bis 8 MeV reicht, ist das Gerät wenigstens tausendmal empfindlicher für thermische Neutronen als für y-Ssahlen.
Schliesslich ist das neue, erfindungsgemäss mit Spaltung arbeitende Gerät zu ? Feststellung von Neutronen leicht herzustellen, und die von ihm benutzte elektronische Apparatur ist seit langem bekannt, da es sich nur um die Messung einer Radioaktivität handelt.
Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielsweise näher erläutert.
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Hierin zeigen Fig. l eine schematische Ansicht der gesamten Apparatur und Fig. 2 einen Schnitt der Spaltungskammer längs der Linie X - X der Fig. l.
In Fig. 1 ist die Kammer 1 dargestellt, welche bei dieser Ausführungsform aus Aluminium besteht.
Dieses Metall ist infolge seines geringen Wirkungsquerschnittes für die Absorption von thermischen Neutronen sowie infolge der geringen Halbwertzeit der durch seine Aktivierung erzeugten Produkte besonders geeignet.
Man sieht ferner in Fig. 1 die Leitung 2 für die Zufuhr des Mitnahmegases, z. B. Luft, welche durch ein Grossflächenfilter 3 gereinigt wird, dessen für Methylenblau definiertes Sperrvermögen 99,95 % beträgt. Ein z. B. metallisches Beruhigungsgitter 4 bewirkt die Homogenisierung der Gasstromfäden, welche -dann zwischen den Aluminiumplatten 5 strömen ; diese sind bei dem beschriebenen Beispiel mit einem Oxydüberzug von UO versehen.
Fig. 2 zeigt die bandförmige Anordnung der Platten 5 innerhalb der Kammer 1 zur stärkstmöglichen Vergrösserung der gesamten zu bestrahlenden Fläche.
Die Gesamtfläche dieser Platten 5 beträgt bei diesem Beispiel 1 m 2, auf welche eine gesamte Uranmenge von 21,6 g aufgebracht wurde, was einem gleichmässigen Überzug von 2,5 mg/cm ! Uranoxyd U02
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Die Kammer 1 und die Platten 5 sind dem schematisch durch die Pfeile F dargestellten zu messenden Neutronenfluss ausgesetzt. Die hiedurch entstehenden festen und gasförmigen Spaltprodukte (Radioaktivität Bund y) werden erfindungsgemäss durch den Luftstrom in die (in der Zeichnung unterbrochene) Leitung 6 mitgenommen und von der Pumpe 7 durch das Filter 8 gesaugt. Ein Geigerzähler 9 stellt die in dem Luftstrom vorhandenen ss-und y-Strahlen fest, und das Filter 8 hält die festen Spaltprodukte zurück, wodurch die Empfindlichkeit des Geräts für sehr schwache Flüsse vergrössert wird.
In der Leitung 6 werden die Spaltprodukte mit grosser Geschwindigkeit mitgeführt. Diese Geschwindigkeit wird im Augenblick des Vorbeigangs vor dem Zähler 9 verringert, um die Wahrscheinlichkeit ihres Zerfalls während dieses Vorbeiganges zu vergrössern. Hiefür weist die Leitung 6 einen erweiterten Teil 10 auf, dessen Que. schnitt bei dem beschriebenen Beispiel das Fünfzigfache des Querschnitts der Leitung 6 beträgt.
Der Stralilungszähler 9 ist durch eine Bleihülle 11 gegen die y-Störstrahlungen geschützt. In dem Sonderfall der Messung sehr schwacher Flüsse kann man ausserdem die Teilchen grosser Energie kosmischen Ursprungs durch. Benutzung der folgenden bekannten elektronischen Kunstgriffe ausscheiden : Der Strahlungszähler 9 wird von einem Kranz von "kosmischen Zählern" 12 umgeben (dickwandige Geigerzähler), welche diesem entgegengeschaltet sind. Unter diesen Bedingungen erzeugt jedes Teilchen kosmischen Ursprungs bei der Zählung gleichzeitig einen Zählvorgang durch den mittleren Zähler 9 und einen der Zähler 12, wodurch es selbsttätig ausgeschieden wird.
Diese Vorrichtung gestattet die Verringerung der Eigenbewegung des mittleren Zählers 9 (d. h. der von dem Zähler 9 unter der alleinigen Einwirkung der an der Erdoberfläche vorhandenen natürlichen Radioaktivität erfolgenden Anzeigen) von 20 auf 4,5 Zählvorgänge je Minute. Es ist jedoch zu berücksichtigen, dass die Emanation (Radon) und ihre Abkömmlinge, welche in der für die Überführung der Schaltprodukte benutzten atmosphärischen Luft vorhanden sind, 1, 5 zusätzliche Zählvorgänge je Minute erzeugen, die von der Ansammlung von festen radioaktiven Produkten an dem Filter 8 herrühren,. wenn die Luft in einer Menge von zweiLitern in der Sekunde während 30 Minuten angesaugt wird.
Zur Eichung des Geräts wurde z. B. eine Neutronenquelle (Ra-Be) von 70 mC benutzt und der mittlere
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Ausbeute beträgt 12,5 0/0, d. h. man misst eine von den Spaltprodukten herrührende Aktivität von 12,5 Zählvorgängen je Sekunde für 100 Spaltungen je Sekunde.
Hieraus kann die Empfindlichkeit des Geräts abgeleitet werden, indem man den Neutronenssuss sucht, welcher erforderlich ist, um eine Angabe zu erhalten, welche gleich dem Doppelten seiner"Eigenbewe- gung" ist.
Bei einem dünnwandigen Zähler, welcher von einem Filter umgeben und durch 10 cm Blei geschützt, aber nicht von kosmischen Zählern umgeben ist, beträgt die Anzeige 40 Zählvorgänge je Minute (das Doppelte der Eigenbewegung) für einen Fluss von thermischen Neutronen von 15 cm'. s*. Wenn ausserdem ein Kranz von kosmischen Zählern 12 benutzt wird, welche dem mittleren Zähler 9 entgegengeschaltet sind, genügt ein Fluss von thermischen Neutronen von 4 cm-2. zur Verdopplung der nur von der Eigenbewegung herrührenden Anzeige.
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Die Untersuchung der Empfindlichkeit des erfindungsgemässen Geräts zur Feststellung der Neutronen für mit dem zu messenden Neutronenfluss gemischte y-Strahlen wird folgendermassen angestellt : Die zunächst vollständig mit einer Kadmiumfolie (die die Neutronen absorbiert) von 0, 7 mm Dicke umhüllte Kammer 1 wird in den Kanal eines ausgeschalteten Atommeilers eingeführt. Der vorher mit einem Mangandetektor gemessene Fluss von thermischen Neutronen in dem von der Kammer eingenommenen Volumen beträgt ,3 . 106 . cm-2 . s-1, und der Fluss von y-Strahlen beträgt 2.105 Röntgen in 8 Stunden.
Die Entfernung zwischen der Kammer 1 und dem Strahlungszähler 9 beträgt sechs Meter, die Luftmenge beträgt 8,5 Liter je Sekunde.
Unter Ausgang von einer"Eigenbewegung"des Zählers in der Halle des Meilers von 5 Zählvorgängen je Sekunde ergibt die Ansaugung durch den mit Kadmium überzogenen Detektor eine Aktivität von etwa sechs Zähe vorgängen je Sekunde, d. h. nur einen Zählvorgang je Sekunde infolge der Photospaltungen, welche nur von den y-Strahlen erzeugt wurden, die entweder von dem Meiler oder von der Reaktion (n, y) des Kadmiums unter der Einwirkung der Neutronen herrühren.
Ohne den Kadmiumüberzug erreicht die'Aktivität 1500 Zählvorgänge je Sekunde. Der von den
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in kurzer Zeit vorzunehmen (ein derartiger Fluss würde etwa 1000 Impulse je Sekunde mit einer Scheibe mit einer derartigen Oberfläche in einem Gerät der oben beschriebenen Art ergeben).
PATENTANSPRÜCHE ;
1. Gerät zur Feststellung von Neutronen, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Kammer (1), die dem Fluss der festzustellenden. Neutronen ausgesetzt ist und die wenigstens eine mit einem Überzug aus einem spaltbaren Material versehene Scheibe enthält, ein geeigneter Gasstrom so strömt, dass er die (im wesentlichen von der Bombardierung der Scheibe durch die Neutronen herrührenden) Spaltprodukte über eine Leitung (6) bis zu einer Vorrichtung befördert, welche die Radioaktivität dieser Produkte fern von dem direkten ungewünschte Strahlenfluss misst, welcher den festzustellenden Neutronenfluss begleitet.