DE2133651A1

DE2133651A1 - Feuchtigkeitsmesser

Info

Publication number: DE2133651A1
Application number: DE19712133651
Authority: DE
Inventors: Jacob Downers Grove Olt man Bilhe Gene Worth 111 Kastner (V St A), Feige, Yehuda, Rehovot (Israel)
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1970-07-08
Filing date: 1971-07-06
Publication date: 1972-01-20
Also published as: FR2100430A5; SE361942B; US3602713A; GB1281809A

Description

ALEXANDER R. HERZFELD 6 fran kfurt α. μ. w i3

RECHTSANWALT SOP H I ENSTRASS E S 2 «% * Λ λ _p

BEI DEM LANDGERICHT FRAN KFURT AM MAI N C. I 00D0 |

Anmelderin: United States Atomic Energy Commission Washington D. 0., USA

Feuchtigkeit smesser

Die Erfindung betrifft einen Feuchtigkeitsmesser, insbesondere eine Vorrichtung zum Messen der Feuchtigkeit bzw. des Gehalts an Wasserstoffatomen eines kosmischer Strahlung ausgesetzten Materials.

Wird ein Wasserstoff atome enthaltendes Material mit Neutronen hoher Energie beschossen, so werden die Neutronen durch Kollision mit den Wasserstoffatomen abgebremst, bis ihre Energie der Molekülarenergie des umgebenden Materials entspricht. Sie werden damit zu Neutronen mit thermischer Energie oder thermischen Neutronen. Damit ergibt sich eine Möglichkeit, die Feuchtigkeit zu messen, wenn man annimmt, dass die schnellen Neutronen nur durch die Wasserstoff atome des im Material enthaltenen Wassers abgebremst werden. In bekannten, auf diesem Prinzip beruhenden Messvorrichtungen wird das zu messende Material einer

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Neutronenquelle hoher, bekannter Energie ausgesetzt und die Anzahl der erzeugten thermischen Neutronen gemessen. Auf dieser Grundlage kann dann der Feuchtigkeitsgehalt des Materials "berechnet werden. Nachteilig hierbei ist das Erfordernis einer hochenergetischen Neutronenquelle. Diese stellt eine Gefahrenquelle dar, und die Messung muss daher an abgelegenem Ort oder nach Entnahme einer Materialprobe im Labor vorgenommen werden. Da der Feuchtigkeitsgehalt flüchtig ist, sind auf diese Weise genaue Messergebnisse nur schwer zu erhalten.

Aufgabe der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Messen des Feuchtigkeitsgehalts bzw. der Wasserstoffatome eines Materials, die ohne Neutronenquelle hoher Energie auskommt.

Die Aufgabe wird durch die passive Vorrichtung der Erfindung zum Messen der Wasserstoffatome durch Ausnutzung der kosmischen Strahlung der das zu messende Material unterworfen ist dadurch ' gelöst, dass getrennte Detektoren für thermische Neutronen in dem zu messenden Material einerseits und einem im gleichen Strahlungsbereich liegendem Bezugsort andererseits angeordnet und mit je einer Messvorrichtung verbunden sind.

In den Zeichnungen zeigt die Figur 1 schematisch die Betriebsanordnung und Arbeitsweise der erfindungsgemässen Messvorrichtung. Die Figur 2 zeigt schematisch die Messvorrichtung und ihre Schaltung.

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Neutronen hoher Energie werden beim Durchgang durch eine feuchte Zone durch die Wasserstoffatome bekanntlich so stark gebremst, dass sie zu thermischen Neutronen werden. Der Feuchtigkeitsgehalt eines Materials lässt sich daher durch Bestrahlung mit einem Neutronenfluss hoher Energie und Messen der Anzahl der thermischen Neutronenfoestimmen; mit anderen Worten ist der Feuchtigkeitsgehalt eine Funktion der gezählten thermischen Elektronen und des Neutronenflusses hoher Energie, und daher in bekannter Weise berechenbar. In der als Beispiel gezeigten Ausbildung der erfindungsgemässen Messvorrichtung ist eine Zone mit bekanntem Feuchtigkeitsgehalt 10 in einem Kugelgehäuse 11 eingeschlossen. Hierfür ist z. B. Sand mit bekanntem Feuchtigkeitsgehalt oder zwecks Erzeugung maximaler Thermalisierung noch günstiger ein Material mit einer grösstmöglichen Anzahl von Wasserstoffatomen wie Paraffin oder dergleichen geeignet. Das Gehäuse besteht aus einem für Feuchtigkeit undurchlässigen, für kosmische Strahlen aber relativ durchlässigem Material, wie z. B. Aluminium oder Cadmium. Soll z. B. der Feuchtigkeitsgehalt des Erdbodens 14 genfssen werden, so wird die Kugel 11 in den Boden in einer Tiefe oder Lage eingegraben, in der im wesentlichen nur die durch den Feuchtigkeitsgehalt verursachten, thermischen Neutronen gemisen werden. Durch das Gehäuse, z. B. die Kugel 11, aber auch eine andere, geeignete Form, wird der Feuchtigkeitsgehalt des Bezugsorts 10 konstant gehalten.

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Der Bezugsort 10 enthält einen Detektor 13 zum Messen der thermischen Neutronen am Bezugsort, im Beispielfall also in dem Kugelgehäuse 11. Ein zweiter Detektor für thermische Neutronen

16 wird im Boden 14- nahe der Kugel 11 und im wesentlichen der gleichen Tiefe angebracht, und misst die thermischen Neutronen des Erdbodens. Beide Detektoren 13, 16 sind an einen Messkreis

17 angeschlossen.

Der zu messende freie Erdboden ist bis zu einer bestimmten Tiefe der natürlichen kosmischen Strahlung ausgesetzt. An den Punkten 20 treffen die durch die Linien 19 angedeuteten kosmischen Strahlen auf Partikel, durch die Neutronen hoher Energie 22 frei werden.

Beim Durchgang durch den Boden 14- bzw. den Bezugsort 10 werden diese hochenergetischen Elektronen vornehmlich durch Kollision mit den Wasserstoffatomen der Feuchte zu thermischen Neutronen verlangsamt. Die Detektoren 13 und 16 sind in solcher Lage bzw. Tiefe im Boden angeordnet, dass sie im wesentlichen nur durch die Wasserstoffatome im Boden erzeugte thermische Neutronen empfangen,. so dass die Neutrönenzählung ein Maßstab für den Feuchtigkeitsgehalt des Bodens ist.

Als Beispiel für die räumliche Anordnung betragen in der Figur die Strecken d·, und dp 50 cm, die Strecke d, 25 cm.

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Die in der Figur 2 näher gezeigten Neutronendetektoren 13 und 16 bestehen im wesentlichen aus je einer Schicht aus ^i und je einer Fotovervielfacherröhre 26, die ihrerseits an die Zähler 28 und 29 des Messkreises V? angeschlossen sind.

Der beim Auf treffen eines thermischen Neutrons von der Lithiumschicht erzeugte Szintillationsimpuls wird von der Bohre 26 in einen elektrischen Impuls umgewandelt und im Messkreis 17 gezählt. Da der Gehalt an Wasserstoffatomen des Bezugsorts 10 und damit über den Detektor 13 auch die aufgreifende kosmische Strahlung bekannt ist, kann der Wasserstoff- bzw. Feuchtigkeitsgehalt des Bodens 14 auf Grund der vom Detektor 16 gemessenen thermischen Neutronen errechnet werden. Das Mess- bzw. Rechenresultat beruht dabei auf den drei Parametern: Neutronenfluss hoher Energie, Menge des Moderatormaterials (Wasserstoffatome), und thermischer Neutronenfluss. Sind zwei dieser Grossen bekannt, so kann die dritte Grosse in bekannter Weise berechnet werden. Im Beispielfall wird der thermische Neutronenfluss am Bezugsort und im zu untersuchenden Material gemessen. Da die Moderatormenge am Bezugsort bekannt ist, kann der hochenergetische Neutronenfluss berechnet werden. Bei gleichem Neutronenfluss hoher Energie in dem zu untersuchenden Material kann auf Grund des gemessenen thermischen Neutronenflusses die Menge des vorhandenen Moderatormaterials (der Wasserstoffatome in Form

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von HoO) berechnet werden. Kir den praktischen Gebrauch kann nach Durchführung einer Messreihe von Material bekannten Feuchtigkeitsgehalts eine Tabelle aufgestellt werden» die in Abhängigkeit vom thermischen Neutronenfluss in dem untersuchten Material und am Bezugsort unmittelbar den Feuchtigkeitsgehalt angibt.

h Der Feuchtigkeitsgehalt kann auch nach bekannten physikalischen Prinzipien errechnet werden, vgl. z. B. S. Glasstone und M. Edlund, The Elements of Nuclear Reactor Theory, Van Nostrand Go. Inc., Juni 1962, S. 137 - 190 .

Da die Vorrichtung unter Ausnutzung natürlich vorkommender Strahlung arbeitet, erübrigen sich die bei Verwendung einer Neutronenquelle hoher Energie erforderlichen Schutzmassregeln. Die Vorrichtung ist an Ort und Stelle des zu untersuchenden Materials, also auch in stark bevölkerten Gegenden, oder an abgelegenen Stellen ohne Entnahme einer Bodenprobe zwecks Laboruntersuchung einsetzbar· Damit sind genauere Messergebnisse erreichbar.

Ausser der Messung von Feuchtigkeit ist die Vorrichtung auch für andere, über den Gehalt an Wasserstoff atomen errechenbare

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Messzwecke geeignet, wie z. B. der Feststellung von öl; daraus ergibt sich ein günstiges Anwendungsgebiet im Umwelt- und Wasserschutz, z, B. zur Feststellung von ölverschmutzung in abgelegenen und nicht leicht zugänglichen oder selten patroullierbaren Stellen.

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Claims

Pat ent anaprüche

Passive Vorrichtung zum Messen der Wasserstoff atome eines kosmischer Strahlung unterworfenen Materials, dadurch gekennzeichnet, dass getrennte Detektoren (15, 16) für thermische Neutronen in dem zu messenden Material einerseits und einem im gleichen Strahlungsbereich liegenden Bezügsort andererseits angeordnet und mit 3 β einer Messvorrichtung (28, 29) verbunden sind·
2. Vorrichtung gemäss iaspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der 3©siags©i?t; von einem -ein® wesentlich© Veränderung der Zahl der Wasserstoff atom© verhindernden <*ehä«ag© (11) umschlossen ist,

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