DE2823783A1

DE2823783A1 - Strahlungsempfindlicher sensor

Info

Publication number: DE2823783A1
Application number: DE19782823783
Authority: DE
Inventors: Ian Adsley; John Stanton Wykes
Original assignee: Coal Industry Patents Ltd
Current assignee: Coal Industry Patents Ltd
Priority date: 1977-05-31
Filing date: 1978-05-31
Publication date: 1978-12-14
Also published as: DE2823705A1; FR2393297B1; US4374326A; CA1118915A; AU3666478A; CA1114524A; ZA783095B; ZA783096B; FR2393297A1; GB1593991A; AU515060B2; FR2393325B3; US4275298A; AU3666378A; FR2393325A1

Description

PATENTANWALT BODE · POSTFACH 6140 ■ D -4ü?0 KATINGEN 6 - HÖSEL · TELEFON 02102-60001 · TELEX 8585166

N 5 - 84

Coal Industry (Patents) Limited Hobart House, Grosvenor Place, London, SWlX 7AE, England

Strahlungsempfindlicher Sensor

Die Erfindung betrifft einen strahlungsempfindlichen Sensor mit wenigstens einem Kristall, in dem auftreffende Strahlung durch Szintillationen angezeigt wird.

Bekannte strahlungsempfindliche Sensoren verwenden Szintillationskristalle zur Anzeige der Strahlung. Die Kristalle emittieren Szintillationen, d.h. Blitze sichtbaren Lichtes, wenn die Strahlung, wie z.B. Gammastrahlen, auf die Kristalle auftrifft. Dabei .verursacht jedes Photon die Emission eines Blitzes. Die Szintillationen werden von einem rohrförmigen Photoelektronen-Vervielfacher angezeigt, der wiederum ein veränderliches elektrisches Ausgangssignal in Abhängigkeit von der einfallenden Strahlung erzeugt.

Derartige strahlungsempflindliche Sensoren konnten jedoch bisher für bestimmte industrielle Anwendungen nicht verwendet werden, weil für eine ausreichende Empfindlichkeit der Szintillationskristall sehr groß sein muß und der Kristall wegen seiner Größe zu zerbrechlich ist.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, mehr als einen Sensor zur Anzeige der Strahlung zu verwenden, aber das ist ebenfalls

809850/6857

PATENTANWALT BODE . POSTFACH £140 D -4030 RATINGEN ώ - HÖ3EL · TELEFON 02102-60001 · TELEX 8585166

unzweckmäßig, weil die Verwendung mehrerer Sensoren zuviel Platz beansprucht.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, die aufgezeigten Nachteile zu überwinden und einen Sensor anzugeben, dessen Empfindlichkeit für industrielle Anwendungen ausreicht und der darüberhinaus robust und kompakt ist.

Diese Aufgabe wird mit einem Sensor der eingangs beschriebenen Gattung gelöst, der gekennzeichnet ist durch wenigstens zwei Kristalle zur Anzeige der auftreffenden Strahlung, die in einem Träger gehalten sind, der für elektromagnetische Strahlung in einem die Szintillationen einschließenden Frequenzbereich durchlässig ist und unabhängige Vibrationen ohne gegenseitige Beeinflussung der beiden Kristalle zuläßt, und durch einen Detektor zur Anzeige der Szintillationen in allen Kristallen.

Vorzugsweise besteht der Träger aus einem nachgiebigen Material Das nachgiebige Material kann zweckmäßig Silikongummi sein.

Das nachgiebige Material wird im Bereich des Weges der auf den Sensor auftreffenden Strahlung weggeschnitten und besitzt dementsprechend Ausnehmungen an den Szintillationskristallen.

Vorteilhaft werden die Kristalle mit einem optisch opaken Material an ihren vom Detektor entfernten oder von weiteren Kristallen entfernten Stirnseiten beschichtet.

Der Träger wird vorzugsweise in einen leichten, dichten und gegenüber der einfallenden Strahlung transparenten Behälter eingeschlossen. Dieser Behälter kann in einem weiteren Behälter untergebracht sein, der für die einfallende Strahlung

809850/0857

PATENTANWALT BODE · POSTFACH 6^40 · D -403G RATiNGEN 6 - HGSEL . TELEFON 02102-60001 · TELEX 8585166

undurchlässig ist, jedoch ein Fenster im Weg der einfallenden Strahlung aufweist.

Im folgenden wird ein in der Zeichnung dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert; es zeigen:

Fig. 1 schematisch und in perspektivischer Darstellung

eine Ansicht eines Teils eines strahlungsempfindlichen Sensors mit einer Kristallanordnung,

Fig. 2 den Gegenstand nach Fig. 1 mit weiteren Einzelheiten,

Fig. 3 in schematischer Darstellung teilweise geschnitten eine Draufsicht auf einen strahlungsempfindlichen Sensor in einer betrieblichen Anwendung,

Fig. 4 einen Schnitt in Richtung IV-IV durch den Gegenstand nach Fig. 3.

Ein strahlungsempfindlicher Sensor kann für industrielle Zwecke , z.B. in einem Kohlenbergwerk, verwendet werden, wenn von Materialien emittierte Gammastrahlen angezeigt werden sollen. Einige der Gammastrahlen können eine geringe Energie aufweisen. In jedem Fall ist die Intensität der Strahlung gering. Infolgedessen ist es notwendig, einen großvolumigen Szintillations-Kristall zur Anzeige der Strahlung zu verwenden.

In Fig. 1 ist eine Kristallanordnung mit hinreichendem Volumen zur Anzeige auch einer schwachen Strahlung, wie sie in einem Kohlebergwerk existiert, dargestellt. Es handelt sich dabei um zwei Szintillations-Kristalle 1 bzw. 2. Jeder Kristall besitzt eine im wesentlichen zylindrische Gestalt und derartige Abmessungen, daß sein Durchmesser im wesentlichen die

- 6-

809850/Ö857

PATENTANWALT BODE · POSTFACH <Si40 - 0 -4030 RAPNGEN 6 - HÖSEL · TELEFON 02102-60001 . TELEX 8585166

gleiche Größe hat wie seine Länge. Derartige Kristallabraessungen bieten einen größeren Bruchwiderstand als andere Abmessungen, wie z.B. von Kristallen, bei denen der Durchmesser größer als die Länge ist oder bei denen die Länge größer als der Durchmesser ist.

Die Kristalle 1 und 2 sind mit einem optisch opaken Material 3 beschichtet. Das opake Material 3 ist in Fig. 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nur teilweise dargestellt. Tatsächlich bedeckt es die gekrümmten Flächen beider Kristalle und die endseitige Stirnfläche des Kristalls 1 auf der von Kristall 2 abgewandten Seite.

Ein röhrenförmiger Photonen-Vervielfacher M- ist neben dem Kristall 2 auf der dem Kristall 1 abgewandten Seite angeordnet. Der Vervielfacher ist ebenfalls mit optisch opakem Material abgedeckt, das bei 3' teilweise dargestellt ist. Die beschriebene Kristallanordnung stellt sicher, daß optische Aktivität in einem der Kristalle 1 oder 2 vom Vervielfacher M- bemerkt und erfaßt wird, wobei eine Aktivität im Kristall 1 durch den Kristall 2 übertragen wird. Äußere optische Aktivität wird vom Vervielfacher 4 durch das optisch opake Material 3 ferngehalten.

In Fig. 2 ist dargestellt, daß die Kristallanordnung in einer flexiblen optischen Gehäusekupplung angeordnet ist, die vorzugsweise aus einer Silikongummi-Mischung 5 besteht. Die Kristalle und der Vervielfacher sind wiederum von optisch opakem Material 3 bzw. 3' umgeben, das jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen worden ist. Die nachgiebige Silikongummi-Mischung 5 ist im Bereich von Teilen der Kristalle 1 und 2 ausgeschnitten, so daß Ausnehmungen 7 und 8 im

809850/8857

PATENTANWALT BODE . POSTFACH 6140 · D -4030 PATINGEN 6 - HÖSEL · TELEFON 02102-60001 · TELEX 8585166

*7 _

Bereich der Kristalle 1 bzw. 2 gebildet sind. Die Ausnehmungen sind vorgesehen, damit Gammastrahlen niedriger Energie die Kristalle erreichen können und nicht durch das Silikongummi gedämpft werden.

Figuren 3 und 4 zeigen die Kristallanordnung in einem Sensor für industrielle Zwecke. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Teile.

Die Kristallanordnung, die in einem netzartigen Träger 6 gehalten ist, ist in einem Behälter 10 vergossen, der ein leichtes Gewicht besitzt und für Gammastrahlen durchlässig sowie optisch opak ist. Der netzförmige Träger erhält die Kristalle und den Photonen-Vervielfacher miteinander fluchtend, während des Vergießens im Behälter 10. Der netzartige Träger 6 ist außerhalb der Ausnehmungen 7 und 8 angeordnet. Der Behälter 10 ist in einem weiteren Behälter 11 untergebracht, der im wesentlichen gegen Gammastrahlung opak ist. Nachgiebige Packungen 12 oder Kissen sind zwischen den Behältern 10 und angeordnet, um Vibrationen und Stöße des äußeren Behälters 11 zu dämpfen sowie den inneren Behälter 10 davor zu schützen.

In Fig. k erkennt man die Oberseite 14 des Sensors, die ein Fenster aus einem für Gammastrahlen durchlässigen Material aufweist. Das Material ist vorzugsweise Polykarbonat, das ein hohes Festigkeits-/Gewichtsverhältnis besitzt. Die Größe des für Gammastrahlung durchlässigen Fensters ist so eingestellt, daß alle Strahlung , die von einer Abschirmung 28 gesammelt wird, d.h. alle Strahlung", die zu den Kristallen innerhalb des vom Fenster im Hinblick auf die Kristalle gebildeten Winkels einfällt, von den Kristallen auch aufgenommen wird.

809850/0857

PATENTANWALT BODE · POSTFACH 4140 D - 4030 RATiNGEN 6 - HÖSEL · TELEFON 02102-60001 · TELEX 8585166

Aus Fig. 3 entnimmt man, daß an den Photonen-Vervielfacher eine Hochspannungsversorgung 16 angeschlossen. An den Ausgang des Vervielfachers ist eine elektrische Schaltung 17 mit einem Zähler angeschlossen. Eine weitere elektrische Schaltung mit einem Komparator 13 und einem Speicher 20 für Referenzsignale schließt sich an den Ausgang des Zählers an.

Ein in Fig. 3 nur teilweise dargestellter Förderer 21 zum Transport radioaktiven Materials 2 2 bewegt sich über den strahlungsempfindlichen Sensor. Der Förderer 21 weist Stützkonsolen 23 und 24 sowie auf diesen montierte Rollen 25 bzw. auf. Ein Förderband 27 (oder eine Kratzkettenanordnung) läuft über die Rollen 25 und 26.

Oberhalb des Förderers ist eine Abschirmung 28 angeordnet, die den Sensor gegen Streustrahlung abschirmt, welche nicht aus dem von Förderer transportierten Material stammt. Die Strahlung gelangt durch den Förderer zum Sensor 1,2. Der Sensor erhält die Strahlung durch das Fenster 14, wobei die Strahlung durch die Abschirmung so begrenzt wird, daß die auftreffende Strahlung ausschließlich aus einem gewünschten Materialvolumen auf dem Förderer stammt. Die Strahlung trifft auf die Szxntxllationskrxstalle 1 und 2 auf und verursacht darin Lichtblitze. Die Lichtblitze werden vom Photonen-Vervielfacher 4 bemerkt und erfaßt, der in Abhängigkeit von den Blitzen ein elektrisches Ausgangssignal abgibt. Die Blitze im Kristall 1 werden von Vervielfacher 4 durch den Kristall 2 hindurch bemerkt und erfaßt.

Die Kristalle 1 und 2 können unabhängig voneinander bei mechanischen Stößen, die auf den Sensor auftreffen können, vibrieren und sind deshalb keinen zerstörenden Kräften ausgesetzt.

809850/0857

PATENTANWALT BODE · POSTFACH 0140 · D -400C RATINGEN 6 - HCSEL · TELEFON 02102-60001 · TELEX 8585166

Nichtsdestoweniger sind die Kristalle optisch durch die transparente Silikongummiinischung 5 gekuppelt. Die Kristalle können auch unabhängig vom Vervielfacher 4 vibrieren. Die optische Abschirmung auf den Kristallen verhindert, daß Streulicht die Funktionsfähigkeit beeinträchtigt.

Der erfindungsgemäße Sensor besitzt eine Kristallanordnung mit einem Kristallvolumen, das zweimal so groß ist wie das Volumen eines Einzelkristalls. Der erfindungsgemäße Sensor besitzt jedoch keinen während des Betriebes zerbrechlichen Kristall und darüber hinaus noch einen einzigen Photonen-Vervielfacher. Außerdem ist die Kristallanordnung lang und dünn, so daß sie auch in beschränkte Räume eingeführt werden kann, in die ein einzelner Kristall des gleichen Volumens bzw. der gleichen Größe, d.h. mit einem Durchmesser, der der Länge entspricht, nicht mehr paßt.

Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung kann eine Vielzahl von Kristallen verwendet werden, die alle optisch durch Silikongummi gekoppelt sind. Ein solcher Sensor kann das gewünschte Kristallvolumen besitzen und dabei die Nachteile der Zerbrechlichkeit bei großem Kristallvolumen vermeiden.

Im Ergebnis eignet sich der erfindungsgemäße Sensor auch für robusten Betrieb, wobei er ein hinreichend großes Kristallvolumen zum Erfassen und Anzeigen von hoch- und niederenergetischer Gammastrahlung niedriger Intensität besitzt.

VII/Bo

809850/Ö8S7

- 40-

Leerseite

Claims

PATENTANWALT BODE · POSTFACH 6140 D -4030 RATINGEN 5 - HÖSEL . TELEFON 02102-60001 · TELEX 8585166

N 5 - 84

Coal Industry (Patents) Ltd.

Patentansprüche:

fO Strahlungsempflindlicher Sensor mit wenigstens einem Kristall, in dem auftreffende Strahlung durch Szintillationen angezeigt wird, gekenn zeichnet durch wenigstens zwei Kristalle (1,2) zur Anzeige der aufteffenden Strahlung, die in einem Träger (5) gehalten sind, der für elektromagnetische Strahlung in einem die Szintillationen einschließenden Frequenzbereich durchlässig ist und unabhängige Vibrationen ohne gegenseitige Beeinflussung der beiden Kristalle (1,2) zuläßt, und durch einen Detektor (4) zur Anzeige der Szintillationen in allen Kristallen (1,2).
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Träger (5) ein nachgiebiges Material aufweist.
3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das nachgiebige Material (5) aus Silikongummi besteht.
4. Sensor nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß das nachgiebige Material Ausnehmungen (7,8) im Bereich der Kristalle längs des Weges der einfallenden Strählung aufweist.
5. Sensor nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristalle (1,2) mit einem Material (3) auf ihren vom Detektor (4) bzw. von anderen Kristallen abgewandten

8098S0/0857 - 2 -

PATENTANWALT BODE · POSTFACH ί140 ■ Π -4030 RATINGEN 5 - HÖSEL · TELEFON 02102-60001 · TELEX 8585166

Stirnseite beschichtet ist, wobei das Material gegenüber elektromagnetischer Strahlung innerhalb eines die Szintillationen einschließenden Frequenzbereiches opak ist.
6. Sensor nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (5) in einem Behälter (10) untergebracht ist, der gegenüber elektromagnetischer Strahlung in einem die Szintillationen einschließenden Frequenzbereich opak ist.
7. Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Behälter (10) in einem weiteren Behälter (11) untergebracht ist, der gegenüber der einfallenden Strahlung undurchlässig ist, jedoch ein durchlässiges Fenster (14) im Bereich des Weges der einfallenden Strahlung aufweist.
8. Sensor nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine mechanische Dämpfungseinrichtung (12) zwischen den beiden Behältern (10 bzw. 11).

809850/6857