DE1047328B - Geraet zur Messung eines Neutronenflusses unter Verwendung eines spaltbaren Stoffes - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Messung eines Neutronenflusses unter Verwendung eines spaltbaren Stoffes.

Sie bezweckt insbesondere die Erleichterung der Messung eines Neutronenflusses, welcher mit starken Flüssen von y-Strahlen gemischt ist.

Das Gerät nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Kammer, welche dem zu messenden Neutronenfluß ausgesetzt ist und wenigstens eine mit einem Überzug aus einem spaltbaren Material überzogene Scheibe aufweist, ein geeignetes Gas so strömt, daß es 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 fern von dem den festzustellenden Neutronenfluß begleitenden übrigen Stralilungsfluß mißt.

Bekanntlich erfordert die Messung eines Neutronenflusses, der mit starken Flüssen von y-Strahlen gemischt ist (wie dies z. B. im Innern von Atommeilern oder in der Nähe der Beschleuniger der Fall ist), besondere Apparate, von denen kompensierte Ionisationskammern, Spaltungskammern und mit BF₃ gefüllte Zähler gegenwärtig am meisten benutzt werden. Die kompensierten Ionisationskammern weisen zwei gegeneinandergeschaltete Ionisationskammern auf, von denen eine nur für die y-Strahlen empfindlich ist, während die andere gleichzeitig für Neutronen und y-Strahlen empfindlich ist. Die Elektroden dieser letzteren Kammer sind hierfür im allgemeinen mit B₄C überzogen, welches mit ¹⁰B angereichert ist.

Die Spaltungskammern sind Ionisationskammern 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 Bortrifluorid (BF₃) benutzen die bekannte Reaktion der Neutronen mit dem i»B:

¹^B +In > ILi +JHe.

Das α-Teilchen und der Lithiumkern befördern eine Gesamtenergie von 2,4 MeV, welche die Ionisierung des Gases bewirkt.

Diese drei Apparatearten weisen leider gewisse ihnen eigentümliche Fehler auf, welche ihre Benutzung erschweren.

Die kompensierten Ionisationskammern sind schwer herzustellen, und die erforderliche elektrische Einrichtung ist ziemlich verwickelt (sie erfordert die Gerät zur Messung eines Neutronenflusses unter Verwendung eines spaltbaren Stoffes

Anmelder:

Commissariat ä l'Energie Atomique, Paris

Vertreter: Dr. phil. W. P. Radt, Patentanwalt,
Bochum, Heinrich-König-Str. 12

Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 9. April 1956

Lydie Koch, geb. Miramond,

und Jacques Labeyrie, Paris,

sind als Erfinder genannt worden

Messung eines sehr geringen Gleichstroms mittels einer Elektrometerröhre und eines sehr hohen Wider-Standes). Außerdem erzeugen sie systematische Fehler bei Messungen an einem Atommeiler mit langsamen Neutronen, welcher mit geringer Leistung arbeitet. Diese Fehler rühren von einer ungenügenden Kompensation der von den ^-Strahlen herrührenden Ionisierungsströme her.

Die bekannten Spaltungsfeammern weisen den schweren Nachteil auf, daß sie für die natürliche Radioaktivität empfindlich sind, welche alle Stoffe, wie U-235, U-238, Th usw., welche unter der Einwirkung von Neutronen mit einer Energie von weniger als einigen MeV spaltbar sind, aufweisen. Wenn die Kammer mit kontinuierlichem Strom arbeitet, erhält man so einen von der «-Strahlung herrührenden mittleren Störstrom. Wenn die Kammer mit Impulsen arbeitet, erhält man eine zeitliche »Stapelung« der von den gleichen α-Strahlen herrührenden Impulse.

Die mit BF₃ gefüllten Zähler sind teuer, und ihre Benutzung in einem sehr starken Fluß von ^-Strahlen ist heikel.

Diese verschiedenen Nachteile treten bei dem eingangs geschilderten Gerät nach der Erfindung nicht auf.

Bei ihm ist die gemessene Radioaktivität der Spaltprodukte im allgemeinen eine Emission von ^-Strahlen, sie kann jedoch auch eine Emission von y-Strahlen oder Neutronen sein. Sie rührt von den Spaltungskernen her, welche \^ron der Scheibe bei ihrer Bombardierung durch die Neutronen ausgesandt werden und

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im Fluge in der Nähe der Meßvorrichtung zerfallen. Man kann die Empfindlichkeit der Vorrichtung vergrößern, indem man einen Teil dieser Kerne beim Vorbeigang an der Meßvorrichtung zurückhält, z. B. an einem in der Nähe der Meßvorrichtung angeordneten Filter, oder durch Verringerung ihrer Fluggeschwindigkeit in dieser Nähe, z. B. durch örtliche Vergrößerung des Querschnitts der Überführungsleitung.

Das benutzte spaltbare Material kann beliebiger Art sein (U-238, U-235, U-233, Plutonium, Thorium usw.). Es genügt, es so zu wählen, daß es tatsächlich eine Kernspaltung unter der Einwirkung des zu messenden Neutronenflusses erleidet. Zur Feststellung der thermischen Neutronen wählt man zweckmäßig das natürliche Uran, welches mehr oder weniger mit U-235 angereichert ist. Die Dicke des Überzugs aus spaltbarem Stoff ist nicht wesentlich. Es ist jedoch nicht zweckmäßig, daß sie 4 μ übersteigt, da dieser Abstand der kleinsten 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 spaltbaren Stoff und unter sonst gleichen Verhältnissen mit dem empfangenen, Neutronenfluß besteht.

Der Strahlungszähler ist bekannter Bauart. Er kann z. B. ein Proportionalzähler, ein Geiger-Müller-Zähler oder ein Szintillationszähler sein. Der Zähler kann in Weiterbildung der Erfindung in einer Entfernung von mehreren Metern von der Quelle der zu messenden Neutronen angeordnet sein, was gestattet, ihn gleichzeitig gegen die mit den Neutronen gemischten y-Strahlen und gegen die von dem spaltbaren Stoff ausgesandten α-Teilchen zu schützen.

Die von dem Zähler kommenden elektrischen Impulse werden gewöhnlich mittels eines Impulszählgerätes oder eines Integrators registriert. Man kann auch, im allgemeinen zur Unterscheidung von einer anderen Strahlung, mittels eines Spektrographen eine oder mehrere von den Spaltprodukten ausgesandte charakteristische: Strahlungen auswählen.

Das benutzte- Überführungsgas darf nur verhältnismäßig· wenig· von den Neutronen aktiviert werden·. Zum Beispiel Luft, Kohlensäuregas oder Stickstoff eignen sich gut hierfür. Die genaue Konstanz des Gasstiroms während ein- und derselben Meßreihe ist nicht wesentlich,, da die in der Zeiteinheit in der Nähe der Meßvorrichtung vorbeigehende Zahl- der Spaliprodakte nicht von- der von dem Überführungsgaswährend einer jeden Messung angenommenen Betriebsgeschwindigkeit abhängt.

Die- die Spaltungskanimer mit der Meßvorrichtung verbindende Leitung kann beliebiger Art. sein. Ea ist jedoch zweckmäßige sie au* einem elektrisch gut leitenden Werkstoff herzustellen und zu; erden. Hierdurchist es möglich,, die- Ladung- der störenden Ionen, die von dem Überführungsgas mitgeführt, werden können und bei ihrem Durchgang: durch das- Verbindungsrohr auf die Wandung auftreffen, zur Masse- oder, zur Erde abzuleiten. Würde das Verbindungsrohr z. B. aus Isoliermaterial, bestehen, so könnte, nachdem· sich mehrere Ionen an der Innenwand angesammelt haben; deren Ladung durch elektrostatische Wirkungen die Spaltungsteilchen auf ihrer Bahn durch da* Venbindtingsrohr beeinflussen, womit zwangläufig die Empfindlichkeit, des- Gerätes mehr oder weniger verändert würde.

Die mit den zu messenden, vom. Atommeiler- oder Beschleuniger kommenden Neutronen, gemischten . y-Strahlen bewirken wie diese eine Spaltung der Urankerne (Photospaltung). Dieser Vorgang ist jedoch im allgemeinen nur schwach, wenigstens bei Atommeilern, 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 einfallenden y-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 Atommeilers praktisch kontinuierlich ist und von 0 bis 8 MeV reicht, ist das Gerät wenigstens lOOOmal empfindlicher für thermische Neutronen als für ^-Strahlen.

Schließlich ist das Gerät nach der Mrfifidttng leicht herzustellen, und die erforderliche elektronische Apparatur ist seit langem bekannt, da es sich in Wirklichkeit um die Messung einer Radioaktivität handelt.

Die Erfindung ist unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber er läutert.

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht des gesamten Gerätes;

Fig. 2 ist ein Schnitt durch die Spaltungskammer längs der Linie X-X der Fig, I.

In, Fig. 1 ist die Kammer 1 dargestellt, welche bei dieser Ausführungsform aus Aluminium ist. Dieses Metall· ist infolge seines geringen Wirkungsquerschnittsfür die Absorption; νσπ 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 Mitnah-megases·,- z. B. Luft, welches durch ein Großflächenfilter & gereinigt wird, dessen für Methylenblau; definiertes! Sperrvermögen 99,95^!% beträgt. Einz.B. meta-llischesBeruhigungsgitter 4 bewirkt die Homogenisierung; ier Gasstramfäden, welche zwischen den Aluminiumplutteii' 5 strömen, die bei' dem beschriebenen Beispiel mit UCh,- überzogen^ sind.

Fig, 2 zeigt die bandförmige Anordnung der Platten 5- innerhalb- der Kärntner 1 zur größtmögliehen Vergrößerung der gesamten zu: bestrahlenden Fläche:

Die Gesamtfläche dieser Platten 5 beträgt bei diesem Beispiel 1 m², worauf insgesamt eine Uranmenge von 21,6 g aufgebracht wurde, was einem gleichmäßigen Überzug von; 2,5 mg/cm²· Uran-QXVd(UOj).' entspricht. Bei diesem", besonderen Beispiel beträgt die Zahl der Spaltungen je cm² und je Sekunde durch einen Fluß # von; thermische! Neutronen. 22 · ΙΟ"—⁰ Φ (wobei: Φ in Neutronen ■ cm-*² · s~* ausgedrückt ist).

Die Kammer 1 und die Platten 5 sind dem schematisch, durch, die- Pfeile-.F- daugestellten, zu messenden Neutronenfluß ausgesetzt. Die hierdurch entstehenden festen und gasförmigen Spaltprodukte mit ß- und ^'-Radioaktivität werden¹ durch den. Luftstrom in die (in der Zeichnung unterbrochene) Leitung 6 mitgenommen und? von der Pumpe 7 durch, das; Filter 8 gesaugt. Ein Geigerzähler S stellt dfe in dem Luftstrom vorhandenen ß- und y-Stra'hlen fest', und- das Filter 8 hält" die- festem Spaltprodukte zurück^ wodurch die Empfindlichkeit- des^;- Gerätes- für sehr schwache Flüsse vergrößert wird.

In: der Leitung-6- werden die Spaltprodukte mit großer Geschwindigkeit: mitgeführt. Diese Geschwindigkeitwird im Augenblick des Vorbeigangs vor dem

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Zähler 9 verringert, um die Wahrscheinlichkeit ihres Zerfalls während dieses Vorbeigangs zu vergrößern. Hierfür weist die Leitung 6- einen erweiterten Teil 10 auf, dessen Querschnitt bei dem beschriebenen Beispiel das Fünfzigfache des Querschnitts der Leitung 6 beträgt.

Der Strahlungszähler 9 ist durch eine Bleihülle 11 gegen die ;'-Störstrahiungen geschützt. In dem Sonderfall der Messung sehr schwacher Flüsse kann man außerdem die Teilchen großer Energie kosmischen Ursprungs durch Benutzung folgenden bekannten elektronischen Kunstgriffs ausscheiden: Der Strahlungszähler 9 ist von einem Kranz von Zahlern 12 für kosmische Strahlung umgeben (dickwandige Geigerzähler), weiche 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 des Untergrunds des mittleren Zählers 9 (d. h. der von dem Zähler 9 unter der alleinigen Einwirkung der an der Erdoberfläche vorhandenen natürlichen Radioaktivität gemachten Angabe) von 20 auf 4,5 Zähl vorgänge je Minute. Es ist jedoch zu berücksichtigen, daß die Radon-Emanation und ihre Abkömmlinge, welche in der für die Überführung der Spaltprodukte benutzten atmosphärischen Luft vorhanden sind und an dem Filter 8 festgehalten werden, 1,5 zusätzliche Zählvorgänge je Minute erzeugen, wenn die Luft in einer Menge von 2 1 in der Sekunde während 30 Minuten angesaugt wird.

Zur Eichung des Gerätes wurde z. B. eine Neutronenquelle (Ra-Be) von 7OmC benutzt, und der mittlere Fluß von thermischen Neutronen in dem von der Spaltungskammer eingenommenen Volumen, welcher vorher mittels eines mit BF₃ mit 90% B-10 gefüllten Zählers gemessen wurde, betrug 70 · cnr~² · S^-1. Die Entfernung zwischen der Kammer 1 und dem Strahlungszähler 9 betrug 2 m. Die höchste erhaltene Ausbeute beträgt 12,5%, 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 Gerätes abgeleitet werden, indem man den Neutronenfluß sucht, welcher erforderlich ist, um eine Angabe zu erhalten, welche gleich dem Doppelten des Zähleruntergrundes ist. Bei einem dünnwandigen Zähler, welcher von einem Filter umgeben und durdh 10 cm Blei geschützt, aber nicht von Zählern für kosmische Strahlung umgeben ist, beträgt die Angabe 40 Zählvorgänge je Minute (das Doppelte des Untergrundes) für einen Fluß von thermischen Neutronen von 15 cm~² · s~~*. Wenn außerdem ein Kranz Zähler 12 für kosmische Strahlung benutzt wird, welche dem mittleren Zähler 9 entgegengeschaltet sind, genügt ein Fluß von thermischen Neutronen von 4 cm~² · S^-1 zur Verdoppelung der nur vom Untergrund herrührenden An-

Die Untersuchung der Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Gerätes für mit dem zu messenden Neutronenfluß gemischte y-Strahlen wurde folgendermaßen angestellt: Die zunächst vollständig mit einer Kadmiumfolie (welche die Neutronen absorbiert) von 0,7 mm Dicke umhüllte Kammer 1 wurde in denKanal eines ausgeschalteten Atommeilers eingeführt. Der vorher mit einem Mangandetektor gemessene Fluß von thermischen Neutronen in dem von der Kammer eingenommenen Volumen betrug 1,3 · 10⁶ · cm—² · S^-1,

und der Fluß von y-Strahlen betrug 2 ·■ 10^δ Röntgen in & Stunden. Die Entfernung zwischen der Kammer 1 und dem Strahlungszähler 9- betrug 6 m, die Luftmenge betrug 8,51 je Sekunde.

Unter Ausgang von einem Untergrund des Zählers in der Halle des Meilers von 5 Zählvorgängen je Sekunde ergab die Ansaugung durch den mit Kadmium überzogenen Detektor eine Aktivität von etwa 6 Zählvorgängen je Sekunde, d. h. nur 1 Zähl Vorgang je Sekunde infolge der Photospaltungen, welche nur von den y-Strahlen erzeugt wurden, welche entweder von dem Meiler oder von der Reaktion (η, γ) des Kadmiums unter der Einwirkung der Neutronen herrührten.

Ohne den Kadmiumüberzug erreichte die Aktivität 1-500 Zählvorgänge je' Sekunde. Der von den 7-Strahlen herrührende Zählfehler ist somit vernachlässigbar, trotz des hohen Wertes ihres Flusses, wahrend unter den gleichen Bedingungen eine kompensierte Ionisationskammer einen von den y-Strahlen herrührenden Strom liefern würde, welcher 25mal größer als der von den Neutronen herrührende wäre.

Das Gerät gestattet somit die Vornahme von Messungen von Flüssen von thermischen Neutronen in einem sehr starken Fluß von y-Strahlen, wie dies z. B. im Innern von Atommeilern der Fall ist. Es gestattet ferner die Aufstellung von Karten der Neutronendichte mit großer Genauigkeit, da in einem Neutronenfluß von 10¹² · cm—- ■ s~* eine Detektorfläche von 1 mm² ausreichend wäre, um genaue Messungen in kurzer Zeit vorzunehmen. Ein derartiger Fluß würde etwa 1000 Impulse je Sekunde bei einer Scheibe mit 1 mm² Oberfläche in einem Gerät der oben beschriebenen Art ergeben.

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Gerät zur Messung eines Neutronenflusses unter Verwendung eines spaltbaren Stoffes, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Kammer (1), welche dem zu messenden Neutronenfluß ausgesetzt ist und wenigstens eine mit einem Überzug aus einem spaltbaren Material versehene Scheibe enthält, ein geeignetes Gas so strömt, daß es 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 den festzustellenden Neutronenfluß begleitenden übrigen Strahlenfluß mißt.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der spaltbare Stoff aus Uran, Plutonium, Thorium oder einer Verbindung dieser Stoffe besteht.

3. Gerät nach wenigstens Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Überführungsgas, das verhältnismäßig wenig durch die Neutronen aktiviert wird.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Überführungsgas aus Luft, Kohlensäuregas oder Stickstoff besteht.

5. Gerät nach wenigstens Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (6) aus einem elektrisch gut leitenden Werkstoff besteht.

6. Gerät nach wenigstens Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung in einer Entfernung von mehreren Metern von der dem festzustellenden Neutronenfluß ausgesetzten Kammer liegt.

7. Gerät nach wenigstens Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Gasstroms in der Nähe der Meßvorrichtung durch Vergrößerung (10) des Querschnitts der Leitung in dieser Zone verringert ist.

8. Gerät nach wenigstens Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Filter zum Zurückhalten wenigstens eines Teils der von dem Gasstrom mitgenommenen Spaltprodukte in der Nähe der Meßvorrichtung angeordnet ist.

9. Gerät nach wenigstens Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die · dem festzustellenden Neutronenfluß ausgesetzte Kammer aus Aluminium besteht.

10. Gerät nach wenigstens Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe so ausgebildet ist,

daß sie eine große Oberfläche bei geringem Volumen besitzt, wobei sie insbesondere in Form eines Balgs gefaltet ist (Fig. 2).

11. Gerät nach wenigstens Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung gegen äußere Störstrahlungen abgeschirmt ist, insbesondere mittels einer Bleihülle, und gegebenenfalls einen Kranz von Zählern für kosmische Strahlung aufweist, der dem Zähler für die Spaltprodukte entgegengeschaltet ist.

12. Gerät nach wenigstens Anspruch 1, gekennzeichnet durch wenigstens eine Pumpe (7), welche das Überführungsgas nacheinander durch ein Eingangsfüter (3), ein Verteilungsgitter (4), die die. Scheibe enthaltende Kammer (1), die Leitung (6)> und an der Meßvorrichtung (9) vorbei saugt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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