DE3219537A1

DE3219537A1 - Einrichtung zur messung von dosisleistungen in streustrahlungsfeldern

Info

Publication number: DE3219537A1
Application number: DE19823219537
Authority: DE
Inventors: Bertram 7500 Karlsruhe Burgkhardt; Ernst 7514 Leopoldshafen Piesch
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1982-05-25
Filing date: 1982-05-25
Publication date: 1983-12-01
Also published as: US4588898A; JPS58211684A; FR2527786A1; FR2527786B1; GB2124014A; GB2124014B

Description

32Ί9537

Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH

ANR 1 002 597

Karlsruhe,21.05.1982 PLA 8229 Ga/hr

Einrichtung zur Messung von-;I)ösisleistungen in Streustrahlungsfeldern·.

Beschreibung;

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung von Dosisleistungen in Streustrahlungsfeldern mittels Neutronendetektoren und einer Moderatorkugel, in deren Zentrum .einer der Detektoren für thermische . Neutronen angeordnet ist.

Innerhalb der Strahlenschutzüberwachung besteht die • Aufgabe,in Neutronenstreustrahlungsfeldern die Äquivalentdosis von Neutronen zu messen. Äquivalentdosisleistungsmeßgeräte bestehen bevorzugt aus einem kugelförmigen Polyäthylenmoderator mit einem Durchmesser von 30-16 cm, in dessen Zentrum ein thermischer Neutronendetektor z.B. ein BF--Zählrohr,

ein LiJ-Szintillationszähler oder ein H-Zählrohr angeordnet ist. Die Neutronenäquivalentdosisanzeige ist in erster Näherung energieunabhängig im Energiebereich von thermischen Neutronen bis 20 MeV. Das Ansprechvermögen eines Äquivalentdosisieistungsmesser ist jedoch im Energiebereich mittelschneller Neutronen bis zu einem Faktor 4 bzw. 8 größer im Vergleich zum Ansprechvermögen bei schnellen Neutronen - (Alberts, W.G. et.al., Report PTB-ND-17, 1979) Spektroskopische Meßmethoden verwenden H- bzw. Rückstoßzähler oder 7-15 verschiedene Polyäthylenkugeln mit unterschiedlichem Durchmesser (Vielkugelmeßtechnik). Eine genaue Bestimmung der Neutronenäquivalentdosis ergibt sich durch Multiplikation der Neutronenfluenz in einem Teilenergiebereich mit jeweiligen Fluenz-Äquivalentdosis-Konversionsfaktor (Sanna, R.S. G.W.R., Report EML-379, 1980). Diese Methoden sind jedoch sehr aufwendig

und können nicht routinemäßig zur Messung der Neutronendosis an Reaktoren oder Beschleunigern eingesetzt werden.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht in der Entwicklung einer Einrichtung, die im Gegensatz zur Vielkugel-Meßtechnik nur eine Moderatorkugel benutzt und zusätzlich zum Detektor im Kugelzentrum weitere Detektorkombinationen an der Kugeliöberflache haben soll, so daß relativ kleine Neutronendosisleistungen an verschiedenen Orten nachgewiesen und ortsabhängige Kalibrierfaktoren erhalten werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 aufgezeigt.

Die weiteren Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen der Erfindung wieder.

Durch Vorgabe von 4 verschiedenen Funktionen für das Ansprechvermögen der einzelnen Detektoren ist es somit möglich, Meßwertanteile für die Energiebereiche thermische Neutronen (<0,5 eV), mittelschnelle Neutronen (0,5 eV - 10 keV) sowie schnelle Neutronen ( 10 keV - 10 MeV) getrennt zu ermitteln. Mit passiven akkumulierenden LiF-Thermolumineszenzdoßimetern konnte gezeigt werden, daß die Einkugel-Albedomeßtechnik in Neutronenstreustrahlungsfeldern eine genaue Bestimmung der Neutronendosis ermöglicht und zusätzlich zu den Äquivalentdosisanteilen auch

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für den Energiebereich schneller Neutronen eine effektive Neutronenenergie ermittelt werden kann.

fDie Erfindung wird im folgenden anhand eines Aus- · Jcührungsbeispiels mittels der Figuren 1-4 näher erläutert.

Die Figur 1 zeigt eine Moderatorkugel 1 aus Polyethylen, in derem Zentrum der Detektor c und an deren Oberfläche mindestens eine Detektorkombination a, i., m angeordnet ist. Der Detektor i nimmt Albedoneutronen auf, während die Detektoren a und m durch eine unterschiedlich dicke und räumlich verschieden verteilte Bor-Plastik-Abschirmung 2 gehaltert werden. fpie Moderatorkugel 1 sowie die Detektorkombination ä, i, m (im Normalfall liegen sich zwei solche Detekitorkombinationen; bezüglich dem Moderatorzentrum cliametral gegenüber) und die gesamte Auswerteelektronik mit Einkanal-Analysator 3, Rechner/Rechneranzeige 4 und Vorverstärker 5 werden von einem Gestell 6 getragen, das eine ausreichende Bewegungsfähigkeit der Einrichtung gewährleistet.

Das Ansprechvermögen des Albedodetektors i (siehe Figur 1), welches im Energiebereich schneller Neutronen energieabhängig ist, kann bei Kenntnis der effektiven Neutronenenergie korrigiert werden. Hierzu wird das Meßwertverhältnis der Detektoranzeigen i/c herangezogen. Die entsprechende Energieabhängigkeit des Ansprechvermögens ist für die Detektoren i und c in Figur2(Äquivalentdosis-Ansprechvermögen als Funktion der Neutronenenergie für die Detektoren

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i und c, das Meßverhältnis i/c in Fig. 3 (Neutronenfluenz-Ansprechvermögen als Funktion der Neutronenenergie für die Detektoren i und c sowie für das Meßwertverhältnis i/c) wiedergegeben. Das Ansprechvermögen wurde hierbei durch Bestrahlung mit thermischen Neutronen, 2 keV und 2 4 keV Neutronen am Reaktor sowie oberhalb 50 keV bis 19 MeV am Beschleuniger der Physikalisch Technischen Bundesanstalt in Braunschweig ermittelt.

Für die Bestimmung der interessierenden Meßwerte wird ein On-line-Rechenprogramm eingesetzt. Dieses Programm korrigiert u.a. auch die Richtungsabhängigkeit des Ansprechvermögens. Hierbei werden die entsprechenden Meßwertverhältnisse Vorderseite/Rückseite für die Detektoren a, in, i herangezogen (siehe Figur 1).

Für die Routineanwendung im Strahlenschutz besteht die Aufgabe, relativ kleine Neutronendosisleistungen von weniger als 10 ,uSv/h an verschiedenen Orten nachzuweisen, um damit vor allem für die Anwendung von Albedoneutronendosimetern in der Personenüberwachung ortsabhängige Kalibrierfaktoren für das Albedodosimeter zu erhalten. Anstelle der akkumulierenden Detektoren wurde daher die Möglichkeit eines Einsatzes von Zählrohren und Halbleiterdetektoren zum Neutronennachweis experimentell untersucht (Venkataraman, G. et al., Proc. 4th Eurtom Symp. Neutron Dosimetry, Vol. I, 633, 1981). Silizium-Halbleiterdetektoren zeigten hierbei güns.tige Eigenschaften hinsichtlich

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geringt-.r Detektorgröße, guter Gammadiskrirainierung und geringer Arbeitsspannung. Mit der bisherigen Meßmethode war es jedoch nicht möglich, die Neutronenfluenz energieunabhängig zu ermitteln und für das jeweilige Neutronenstreustrahlungsfeld den Qualitätsfaktor Q und die entsprechenden Fluenz-Energiedosiskonversionsfaktoren d bzw. die Fluenz-Äquivalentdosiskonversionsfaktoren h zu ermitteln. (Die Energieunabhängigkeit des Fluenz-Ansprechver-

, , _; mögens der Detektoren i und c sind in Figur 3 wieder --' „'::■ -gegeben) .

'/Ausgehend von den experimentell gefundenen Kalibrieri-, funktionen kann gezeigt werden, daß mit Hilfe einer *■" linearen Kombination der Meßwerte i und c eine energieunabhängige Bestimmung der Neutronenfluenz sowie der '·' Energiedosis D mindestens im Energiebereich zwischen "10 keV und 10 MeV innerhalb von etwa ± 20 % möglich ist. Die Einkugel-Albedomeßtechnik bietet hiermit 'die Möglichkeit, in Neutronenstreustrahlungsfeldern /, die Meßgrößen φ, D,H sowie mit dem Verhältnis der ''Meßwertanzeigen die Konversionsfaktoren d = D/φ und h = Η/φ sowie den Qualitätsfaktor Q = H/D zu bestimmen (siehe Figur 4; Lineare Kombination der Dosimeteranzeige c und i als Funktion der Neutronenenergie zur Bestimmung der Energiedosis mit k₁ = 0.0952 und

?k₂ = 0,0051 sowie der Neutronenfluenz mit <k₃₁= 0,48 - 10⁸ und k₄₁ =0,175 · 10⁸ sowie für k₃₂= 0,72 · 10⁸ und k₄₂ =0,118 · 10⁸).

Das aktive Einkugel-Albedodosimetersystem besteht somit aus 4 Detektoren (a, c, i, m),die im Zentrum sowie an der Oberfläche der Polyäthylenkugel 1 ge-

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19 ff ρ ■ I

eigneten Durchmessers angeordnet sind und die sich durch eine unterschiedliche Borabschirmung 2 im Ansprechvermögen gegenüber thermischen und mittelschnellen Neutronen unterscheiden. Diese Detektoren a, c, i, m sind bevorzugt Η-Zählrohre bzw. Proportionszählrohre mit einem N₂-Änteil sowie Silizium-Sperrschichtdetektoren, welche durch Verwendung von zusätzlichen (η, α)-Konverten an der Detektoroberfläche bevorzugt ein hohes Ansprechver- ->' mögen für thermische Neutronen besitzen.·

Die einzelnen Detektoren weisen folgendes nach:

- Der Detektor c ist im Zentrum der Kugel 1 angeordnet und mißt bevorzugt im Polyäthylen moderierte thermische Neutronen,

- der Detektor i (Albedodetektor) ist auf der Seite zur Strahlenquelle durch einen Borplastikabsorber 2 abgedeckt und mißt bevorzugt thermische bzw. epithermische Neutronen, welche nach entsprechender Moderierung und Rückstreuung aus der Oberfläche des Moderators 1 austreten,

-· der Detektor m ist allseitig mit Teilen des Bor- ■■■ plastikabsorbers 2 für thermische Neutronen abgedeckt und mißt epithermische Neutronen, die aus dem Strahlenfeld einfallen bzw. aus dem Moderator 1 austreten,

- der Detektor a ist durch Teile des Borplastikabsorbers 2 an der dem Moderator 1 zugewandten Seite abgedeckt und mißt bevorzugt aus dem Strahlenfeld einfallende thermische Neutronen,

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Mit der vorgesehen Elektronik 3-5 (Figur 1) werden die entsprechenden Zählraten der jeweiligen Detektoren an der Vorder- und Rückseite des Moderators 1 addiert d.h. k = k + k mit k = i, a, m.

Der eingebaute Mikroprozessor 4 speichert die Zählraten der 4 Detektoren a, c, i, m und errechnet unter Zugrundelegen der eingegebenen Kalibrierkurven getrennt die Neutrcnenäquivalentdosisanteile für thermische Neutronen H , aus der Anzeige der Detektoren a und m, für mittelschnelle Neutronen H aus der Anzeige des Detektors, m.und für schnelle Neutronen aus der Dosisanzeige des Detektors c unter Zugrunde-' legung des Zählratenverhältnisses i_ und c . Hierbei wird von folgenden Gleichungssystemen ausgegangen

<x(k) =
^{a(k) =}

wobei α (k) die Anzeigen der Detektoren k = i, a, rn und c 'sind, ΦΙ^/ Φ₆ und φ_£ die Neutronenfluenzanteile von -thermischen, epithermischen und schnellen Neutronen und R (k) , R* (k) , R- (k) das Fluenzansprechvermögen für thermische, epithermische und schnelle Neutronen.

Ein Dreifach-Display (in 4 enthalten) bringt wahlweise die Zählrate oder die Äquivalentdosisanteile zur Anzeige. Aus dem Meßwertverhältnis k /k mit k = i, a, m können bei entsprechend getrennter Zähl- :ratenspeicherung Aussagen über die Strahleneinfallsrichtung gemacht werden. Mit der Vorgabe einer

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• S t C ί

linearen Meßwertkombination der Detektoranzeigen i_ und c_ errechnet sich φ, D, und damit auch d, h und Q. Diese Werte können bei entsprechender Abfrage direkt angezeigt oder über eine Meßwertspeicherung auf Magnetband zu einem späteren Zeitpunkt mit einem Tischrechner ausgedruckt werden. Zur Bestimmung des iKalibrierfaktors von Albedodosimetern wird das; Ansprechvermögen des Albedodetektors a(i)/H angezeigt- -_f

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Claims

Kernforschungszentrum Karlsruhe, 21.05.1982 Karlsruhe GmbH PLA 8229 Ga/hr ANR 1 002 597 Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Messung von Dosisleistungen in Streustrahlungsfeldern mittels Neutronendetektoren und einer Moderatorkugel, in deren Zentrum

■_ ■- ■ einer der Detektoren für thermische Neutronen / \- ■angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß an der Oberfläche der Moderatorkugel (1) mindestens .eine Detektorenkombination (a, i, m) mit unterschiedlichen, thermische Neutronen absorbierenden Abschirmungen (2) für eine getrennte Messung der vom Moderator (1) rückgestreuten Albedoneutronen und der vom Strahlungsfeld einfallenden thermischen Neutronen angebracht ist, daß die Moderatorkugel (1) in einem bewegbaren Gestell (6) angeordnet ist und daß eine Auswerteeinheit (3 - 5) vorgesehen ist, die ebenfalls in dem Gestell (6) befestigt ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Neutronendetektoren (a, c, i, m) aktive Detektoren sind, deren Zählraten mit Hilfe eines Mikroprozessors (4) gespeichert, in entsprechende Äquivalentdosiswerte umgerechnet und zur Anzeige gebracht werden.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß an zwei diametral gegenüber-

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liegenden Stellen der Moderatorkugel (1) Detektorkombinationen (a, i, m) angeordnet sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Zählraten der Detektoren (a, i, m) an ,der Vorder- und Rückseite der Moderatorkugel (1) wahlweise, nach Addition oder als Quotient zur Anzeige kommen.

'5. Einrichtung nach Ansprubh T oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet/ daß die effektive Neutrönenenergie für schnelle Neutronen, das Ansprechvermögen des Albedodetektors (i) oder über eine lineare Meßwertkömbination der Anzeigen einzelner Detektoren die Neutrönenfluenz und die Energiedosis wahlweise für den gesamten Energiebereich oder Teilenergiebereiche bestimmbar ist.

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