DE3035929C2

DE3035929C2 - Vorrichtung zur Ermittlung der Volumenanteile eines Mehrkomponentengemisches durch Transmission mehrerer Gammalinien

Info

Publication number: DE3035929C2
Application number: DE3035929A
Authority: DE
Inventors: Hans-Ulrich Dr. 2057 Reinbek Fanger; Walfried Prof. Dr. 2105 Seevetal Michaelis
Original assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Current assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Priority date: 1980-09-24
Filing date: 1980-09-24
Publication date: 1983-08-25
Also published as: FR2490825B1; CA1160364A; DE3035929A1; GB2083908A; GB2083908B; FR2490825A1; JPS5786028A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art.

In der industriellen Technik wächst der Bedarf an Meßmethoden für eine beriihrungsfreie, schnelle und kontinuierliche Bestimmung der Volumenkonzentrationen einzelner oder mehrerer Komponenten in einem Mehrkomponentengemisch. Dieser Bedarf ist u. a. auf die zunehmende Bedeutung des hydraulischen Transports von Feststoffen zurückzuführen. Meist handelt es sich bei den Meßobjekten um opake Körper (z. B. bedingt durch den Körper selbst oder durch ein einhüllendes Förderrohr), so daß für eine berührungsfreie Messung nur die Anwendung von durchdringender y-Strahlung und die Analyse der Wechselwirkung der y-Quanten mit dem zu untersuchenden Objekt in Betracht kommt.

In der DE-AS 26 22 175 sowie in der Zeitschrift Meerestechnik 10 (1979) Nr.6, S. 190-195 ist ein Verfahren beschrieben, das im wesentlichen auf der Tatsache beruht, daß für zwei Substanzen (p und q) mit hinreichend verschiedener mittlerer Ordnungszahl Z das Verhältnis der Gammaabsorptionskoeffizienten μ im Bereiche kleiner Gammaenergien bis etwa 1.5 MeV eine ausgeprägte Energieabhängigkeit aufweist. Auf diese Weise ist es möglich, die beiden unbekannten Komponentenanteile bzw. die Raumanteile dieser Komponenten v_p und v_q über die Messung der Intensitäten / mit und ohne absorbierenden Körper bei zwei verschiedenen Gammaenergien (Ei, £2) aus zwei

Gleichungen eindeutig zu bestimmen. Da im allgemeinen die Meßgeometrie fest und damit die Transmissionsweglänge L im durchstrahlten Medium konstant ist, ergibt sich als Nebenprodukt die dritte Komponente aus der Randbedingung, daß die Summe der drei räumlichen Anteile 100% betragen muß. Bei Anwendungen in der hydraulischen Fördertechnik ist die dritte Komponente Wasser (w), das im allgemeinen den Raum im Rörderrohr einnimmt, den die Feststoffkomponenten ρ und q freilassen. Es ist in diesem Falle zweckmäßig, nicht die absorberfreie (Vakuum-) Intensität, sondern die Intensität /„der Gammastrahlung für feststofffreies Wasser als Bezugsgröße zu wählen. Damit haben die beiden Transmissionsgleichungen für die Energien Ei und Ei die Form

J₁

•Λ.2

mit

v? + v, + v„ = I .
Auflösung nach v_p und v_q ergibt

bzw.

v, = (LN)-' [In /, (^₂-^₂)-In

wobei

N = (μ,ι - μ.ι) (μ,ι ~μ»ι) - (β_ρ2 ~ μ.2) (P_gi - μ«\) -

Die beiden Gammalinien können hierbei in vorteilhafter Weise das Meßvolumen in gemeinsamer Strahlachse durchlaufen und somit exakt dieselben Volumenanteile erfassen. Unterschiedliche Körperstrukturen, die bei Transmission mit den beiden Linien an unterschiedlichen Stellen zu Inhomogenitätsfehlern führen würden, stören somit nicht.

Selbstverständlich ist dieses Verfahren auch auf mehr als drei Komponenten anwendbar. Es ist dann für jede zusätzliche Komponente eine weitere Gammalinie erforderlich. In der Berechnung ergibt sich jeweils eine weitere Transmissionsgleichung.

Die Fehler der Volumenkonzentrationsbestimmung hängen von der Präzision der gemessenen Gammaintensitäten ab. Der Einfluß der relativen Fehler der y-Intensitäten <5///, (7=1,2) ist unabhängig von der Volumenkonzentration und umgekehrt proportional zur Transmissionsweglänge L:

öv_f = (L/V)"

-μ,,Ϋ (¹JfJ

' [Ιμ,2-Κ2Ϊ

Da die Festbcoffanteile oft nur im Bereich einiger Prozente liegen, sieht man, daß für hinreichend genaue Messungen die relativen Fehler δί/1 im Bereich von oder nur wenig über 0.1 % liegen sollten.

Bei dem Verfahren gemäß der DE-AS 26 22 175 erfolgt die getrennte Bestimmung der Intensitäten der beiden Gammalinien durch Impulshöhenanalyse der ausgelösten Impulse in einem beide Linien gemeinsam erfassenden konventionellen Szintillationszähler. Der Zähler muß eine hinreichende Energieauflösung zeigen, damit gegenseitige Interferenzen gering bleiben. Am besten geeignet a!s Szintillatormaterml ist NaJ (Tl).

Der entscheidende Nachteil der üblichen Spektroskopie mit NaJ Tl) ist die relativ lange Fluoreszeiizabklingzeit dieses Szintillator von 0,25 U5. Dies hat notwendigerweise eine Impulslänge im Bereich von Mikrosekünden zur Folge, die bei hohen Zählraten zu Impulsanhäufungen und Verschiebungen der Nullinie und damit letzthin zu Ungenauigkeiten in der Intensitätsbestimmung führt. Eine praktische obere Grenze für die Zählrate liegt bei ca. 50 000 ImpVs, wenn die oben geforderten Fehler in den Transmissionsbestimmungen nicht durch systematische Fehler merklich überschritten werden sollten. Aus Gründen der Zählstatistik bedingt diese Zählrate wiederum Mindestmeßzeiten rein rechnerisch von ca. 40 s und praktisch meist im Bereich von 50 s. Das Verfahren ist daher nur als quasikontinuierlich zu bezeichnen. Schnellere Szintillationsdetektoren existieren zwar, gestatten aber keine ausreichende Energiediskriminierung.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die die genannten Probleme bei der Durchführung des bekannten Verfahrens vei meidet und insbesondere kürzere Meßzeiten ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteiles des Anspruches 1 gelöst

Erfindungsgemäß wird für jede Gammalinie ein getrennt im wesentlichen nur diese Linie auswertender Detektor eingesetzt Die. Schwierigkeiten, die auftreten, wenn mehrere Gammalinien in einem Detektor diskriminiert werden müssen und die im wesentlichen zu einer erheblichen Verlangsamung der erreichbaren Zählrate führen, werden auf diese Weise vermieden. Auf die elektronisch aufwendige und die Zählrate erniedrigende Impulshöhenanalyse kann verzichtet werden. Die einzeln bestimmten Zählraten können auf einfache Weise direkt verrechnet werden. Es ist bei dieser Anordnung ohne weiteres möglich, Detektoren zu verwenden, die jeweils nur für die zu bestimmende Gammalinie wesentliche Empfindlichkeit aufweisen= Die Restempfindlichkeit eines Detektors für die übrigen Linien kann entweder rechnerisch oder durch geeignete Anordnung bzw. Auswahl kompensiert werden, falls sie das Meßergebnis überhaupt nennenswert stört. Als Möglichkeiten der Anordnung der verschiedenen Detektoren kommen Nebeneinander-Anordnung bzw. Hintereinander-Anordnung im Strahl infrage. Ferner

sind Möglichkeiten denkbar, den Strahl über Strahlungsteiler aufzuspalten beispielsweise frequenzselektiv mittels Kristallgitter oder dergleichen. Der wesentliche Vorteil des eingangs erwähnten Standes der Technik bleibt erhalten, nämlich die gemeinsame Durchstrahlung des Meßvolumens mit allen verwendeten Gammalinien auf einer Achse.

Weiterhin vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruches 2 gekennzeichnet Bei der Nebeneinanderanordnung der Detektoren im Strahl sieht jeder Detektor nur einen Ausschnitt des Strahlquerschnittes . Geringe Störungen durch Inhomogenitäten im Meßvolum-;n sind also zu befürchten. Bei der Hintereinanderanordnung der Detektoren tritt dies nicht auf, da alle Detektoren den vollen Strahlquerschnitt erfasssen können. Die Diskriminierung der verschiedenen Gammalinien in den jeweils zugeordneten Detektoren ist in einfacher Weise im wesentlichen auf zwei Wegen möglich. Zum einen können selektive Detektoren eingesetzt werden, die wesentliche Empfindlichkeit für die jeweilige Gammaenergie der Linie aufweisen. Aber auch mit identischen hintereinander angeordneten Detektoren lassen sich unterschiedliche Gammaenergien selektiv nachweisen, wie ein Beispiel anhand zweier Linien (niedrige Energie sowie hohe Energie) und zweier Detektoren (D\ und Dz) zeigt

Niedrig
Hoch

95%
20%

5%
16%

D\ und Di sind die beiden identischen Detektoren, von denen Di hinter A angeordnet ist Beide erfassen denselben Strahlquerschnitt Die Detektoren haben unterschiedliche Empfindlichkeit für die beiden Linien und absorbieren von jeweils 100% Strahlungsenergie einer Linie 95% der Linie niedrigerer^Eriergie und 20% der Linie höherer Energie. Im Detektor D1 werden also von der ersten Linie 95% absorbiert (und somit angezeigt). Der zweite Detektor kann nur noch die restlHisn 5% empfangen und zeigt davon 95% an, also etwa 5%. Von der Linie höherer Energie werden im ersten Detektor 20% absorbiert. 80% gelasgen also in den zweiten Detektor und werden dort wiederum zu 80% absorbiert, also mit etwa 16%. Es zeigt sich also, daß die beiden Linien unterschiedlicher Energie in beiden Detektoren ausreichend diskriminiert v/erden, nämlich mit den Unterschiedsfaktoren 95; 20 bzw, 5 :16. Durch unterschiedliche Dicken der Detektoren lassen sich diese Verhältnisse noch verbessern. So kann im vorliegenden Beispiel der erste Detektor D\ so dick gewählt werden, daß er im wesentlichen 100% der Linie niedrigerer Energie absorbiert. Der zweite Detektor sieht dann von dieser Linie nichts mehr. Es ergäbe sich das Schema

Niedrig
Hoch

100%
21%

0% 16%

Hierdurch wird der zum Verrechnen benötigte Aufwand verringert. Gemäß Anspruch 2 sich also die selektive Empfindlichkeil bei identischen Detektoren sllein durch die Anordnung erreichen.

Eine solche Vorrichtung ist vorteilhaft durch die Merkmale gemäß Anspruch 3 gekennzeichnet. Wird hinter einem Detektor die in diesem im wesentlichen zu bestimmende Linie mit einem geeigneten Absorber vernichtet, der die übrigen Linien im wesentlichen r> ungeschwächt durchläßt, so beeinflußt diese absorbierte Linie die nachfolgenden Detektoren nicht, wodurch die Diskriminierung und die anschließende Verrechnung der Werte wesentlich erieicnieri wird.

Weiterhin vorteilhaft ist die erfindungsgemäße _>o Vorrichtung durch die Merkmale gemäß Anspruch 4 gekennzeichnet. Auf diese Weise werden die physikalischen Gegebenheiten von Detektoren sowie ggf. zwischengeschalteten Absorbern berücksichtigt. Höhere Energien sind durchdringender und können ohne _>-, wesentliche Schwächung noch im letzten Detektor nachgewiesen werden, während niedrigere Energien aufgrund ihrer stärkeren Schwächung in den Detektoren besser am vorderen Ende der Detektorkette nachzuweisen sind. jo

Schließlich ist die erfindungsgemäße Vorrichtung vorteilhaft durch die Merkmale gemäß Anspruch 5 gekennzeichnet. Diese Detektorarten sind für die jeweiligen Energiebereiche selektiv und zeichnen sich durch hohe Zählraten aus.

In den Zeichnungen ist die Erfindung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 die Kurven der Energieabhängigkeit der Absorption von Gammaenergie in drei unterschiedlichen Medien, -»o

F i g. 2 das Spektrum zweier vorzugsweise verwendeter Gammalinien und

Fig.3 eine Vorrichtung zur Durchstrahlung eines Probevolumens mit zwei Gammalinien.

Im folgenden wird die erfindungsgemäße Vorrichtung -»5 am Beispiel einer Vorrichtung erläutert, die in der Meerestechnologie verwendbar ist zur Untersuchung eines Volumengemisches von Manganknollen, Sediment und Meerwasser. In F i g. 1 sind die unterschiedlichen Absorptionskoeffizienten dieser Stoffe in Abhängigkeit von der verwendeten Gammaenergie dargestellt Es zeigt sich, daß bei unterschiedlichen Gammaenergien deutlich auswertbare Absorptionsunterschiede bestehen. F i g. 2 zeigt das Spektrum zweier Gammaenergien, und zwar von Americium 241 und Caesium 137. Die beiden Linien sind jeweils in drei Höhen I, II und III aufgezeichnet, und zwar nach Durchlaufen der Medien

I Wasser

II 7,5 VoL-% Quarzsand in Wasser

III 8,0 Vol.-% Manganknollen in Wasser

60

Die durch die unterschiedlichen Absorptionskoeffizienten sich ergebenden unterschiedlichen Linienintensitäten lassen sich ersichtlich gut auswerten.

In F i g. 3 emittiert eine Gammaquelle 1 zwei Gammalinien bei den Energien E\ und Ei. Dabei wird Ex niedrig gewählt (vgl. F i g. I und 2) und Ei bei wesentlich höherer Energie. Nach Kollimation 2 durchdringt die Gammastrahlung den zu untersuchenden Körper 3 und wird in den Detektoren 4 und 5. eventuell nach weiterer Kollim.ition 6, absorbiert. Diese Detektoren 4,5 müssen einerseits durch sehr kleine Zeitkonstanten charakterisiert sein, andererseits aber auch vorteilhaft so ausgewählt und dimensioniert sein, daß der erste Detektor 4 die niederenergetische Strahlung nahezu vollständig absorbiert, die hochenergetische jedoch weitgehend ungeschwächt hindurchläßt. Der zweite Detektor 5 spricht dann praktisch nur auf die hochenergetische Komponente der Gammastrahlung an. Gegebenenfalls kann zwischen beiden Detektoren 4, 5 noch ein Absorber 7 geeigneter Dicke und Ordnungszahl angebracht werden. Die Detektoren sind im allgemeinen (d. h. bei Lichi-crniitiercrsden Systemen) an Photomultiplier 8a, Sb angekoppelt, im Falle des ersten Detektors 4 zweckmäßig über einen geeignet geformten Lichtleiter 9. Die Impulse der beiden Zählsysteme werden in elektronischen Zählern 10 gezählt, die ermittelten Zählraten einer Auswerteinheit 11 zugeführt, die diese mit Hilfe der eingangs angegebenen Transmissionsgleichungen auswertet und die Volumenanteile im Körper 3 berechnet.

Eine vecigneie Substanz für den ersten Detektor 4 ist z. B. CsF, ein Szintillator mit einer Abklingzeit von 0,005 μ5. Er besitzt zwar nur eine geringe Lichtausbeute (3% relativ zu NaJ (Tl)) und damit eine schlechte Energieauflösung (die hier ment erforderlich ist), gestattet aber auf Grund der günstigen Zeitkonstanten sehr hohe Zählraten (bis in den Bereich einiger MHz). Für die Diskriminierung der beiden Gammaenergien ist CsF gut geeignet; so absorbiert ein 1 mm dicker Detektor 94% einer 60-keV-Strahlung. aber nur 2,5% einer Gammastrahlung mit 1250 keV. Die entsprechenden Zahlen bei 5 mm Dicke sind 100% bzw. 12%. Da sichergestellt werden kann, daß der zweite Detektor 5 ausschließlich auf die hochenergetische Komponente anspricht, läßt sich die geringe Absorption dieser Strahlung im ersten Detektor in einfacher Weise herauskorrigieren. Andere mögliche Detektormaterialien für den ersten Detektor — wenn auch mit etwas ungünstigeren Diskriminierungseigenschaften — sind z. B. Plastik-Szintillatoren, bevorzugt mit Sn- oder Pb-Dotierung.

Als zweiter Detektor 5 eignet sich z. B. ein Cerenkov-Zähler. Verwendet man Bleiglas, so lassen sich eine hohe Dichte und Ordnungszahl (und damit sehr günstige Absorptionseigenschaften) sowie ein hoher Brechungsindex erzielen. Die Zahl I der pro cm Flugweg von einem Elektron der Geschwindigkeit ν erzeugten Lichtquanten ergibt sich zu

2 π Α ν
137«?

wobei Δη das Frequenzintervall, innerhalb dessen Licht emittiert wird, e die Elementarladung, π den Brechungsindex, und ß=v/c die Geschwindigkeit des Elektrons relativ zur Lichtgeschwindigkeit c bedeuten. Da das Elektron auf seinem Flugweg im Cerenkov-Zähler Energie entsprechend der Gleichung

df
ds

•flZJlnjS

*+**) (-ä-Y -±/| X M»keV/cm / /Km₀C²J 2 J

verliert (ro = klassischer Elektronenradius, mo= Ruhemasse des Elektrons in MeV, NZ= Zahl der Elektronen pro cm¹ für die abbremsende Materie und /=(11 ±3)ZfeV]), .-nuß die Beziehung für I energieabhängig betrachtet werden. Die Integration über den Flugweg ergibt für Bleiglas und Strahlung nicht zu niedriger Energie, 7. B. für ein ^MCo-Präparat (1,17 und 1,33MvV), daß die hochenergetische Komponente mit gutem Wirkungsgrad nachgewiesen werden kann, wenn der Photomultiplier im Hinblick auf kleine Photonen- ι ausbeulen ausgewählt wird. Dieses Erge''inis wurde experimentell bestätigt. Die energiearme Komponente der Gammastrahlung wird jedoch nicht registriert, da die Energie so gewählt werden kann, daß die maximale Geschwindigkeit der im Zähler erzeugten Elektronen ι unterhalb der Grenzgeschwindigkeit ß=\/n liegt, unter der keine Cerenkov-Strahlung auftritt. Damit wird eine vollständige Diskriminierung erreicht.

Charakteristisch für den Cerenkov-Effekt ist, daß der Zähler sehr schnell auf die Gammaquanten anspricht (in 10-¹¹S oder weniger). Die zeitliche Begrenzung liegt hier beim erheblich langsameren Multiplier (»Ins). Somit sind auch für den zweiten Detektor, der die Gammaquanten der Energie Ei nachweist, Zählraten im Bereich einiger MHz zu erreichen. Auch CsF läßt sich . als Detektor für die hochenergetische Strahlung verwenden. In diesem Falle kann, wenn erforderlich, restliche niederenergetische Strahlung durch einen geeigneten Absorber 7 daran gehindert werden, im zweiten Detektor Signale auszulösen.

Die beschriebene Anordnung gestattet somit den vollständigen Verzicht auf Impulshöhenanalyse. Es entfallen damit zugleich Zählratenbeschränkungen durch einen Analog-Digital-Wandler. Die Kombination z. B. eines CsF- und eines Cerenkov-Zählers in »Sandwich«-Anordnung erlaubt bisher nicht mögliche Zählraten und damit Meßzeiten im Sekundenbereich oder darunter. Auf diese Weise wird eine echte kontinuierliche Messung realisiert.

Die dargestellte Vorrichtung verwendet zur Bestimmung von drei Komponenten zwei Gammalinien. In entsprechender Erweiterung lassen sich beispielsweise vier Komponenten mit drei Gammalinien bestimmen.

Die beschriebenen energieselektiv arbeitenden Detektoren können anstatt hintereinander auch nebeneinander im Strahl angeordnet werden. Ferner können beispielsweise über Kristallgitter abgelenkte Strahlteile 2uf verschiedene im Winke! sn°eQrdnete Detektoren gerichtet werden.

Auf Detektoren, die nur bestimmte Energien anzeigen, andere aber völlig unterdrücken, kann auch verzichtet werden. Die Energiediskriminierung in den Detektoren läßt sich nämlich bereits allein durch die Hintereinanderanordnung der Detektoren erreichen, auch wenn diese für alle Energien empfindlich sind, sofern die Empfindlichkeit nur energieabhängig ist. Diese Methode wurde eingangs (bei der Diskussion des Anspruches 2) näher erläutert.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Ermitteln der Volumenanteile eines n-Komponenten-Gemisches (n > 2), insbesondere eines Manganknollen-Sediment-Wasser-Gemisches, dessen Komponenten sich in der mittleren Ordnungszahl unterscheiden, wobei das Gemisch von wenigstens n—\ Gammalinien unterschiedlicher Energie, bei denen jeweils die Absorptionskoeffizienten der Komponenten deutlich unterschiedlich sind, auf gemeinsamer Achse durchstrahlbar ist, wobei die Energien der Gammalinien mit einer Detektoranordnung bestimmbar und zur Ermittlung der Volumenanteile mit Hilfe der zugehörigen Transmissionsgleichungen rechnerisch auswertbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Detektoren (4, 5) mit der Zahl der Gammalinien unterschiedlicher Energie übereinstimmt und daß jeder Detektor (4,5) jeweils nur für eine der verwendeten Gammaenergien wesentliche Empfindlichkeit aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren (4,5) hintereinander in der gemeinsamen Strahlachse angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Detektoren (4, 5) Absorber (7) angeordnet sind, die nur die für die folgenden Detektoren (5) bestimmten Energien durchlassen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst durchlaufene Detektoren (4) für niedrigere und die folgenden für höhere Energie empfindlich sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für niederenergetis*he Linien Szintillationszähler (4) und für höherenergetische Linien Cerenkov-Zähler (5) vorgesehen sind.