DE1809520A1

DE1809520A1 - Einrichtung zur automatischen Driftstabilisierung bei Kernstrahlensonden

Info

Publication number: DE1809520A1
Application number: DE19681809520
Authority: DE
Inventors: Dr Fritz Berthold; Dr Adolf Trost
Original assignee: Laboratorium Prof Dr Rudolf Berthold GmbH and Co KG
Current assignee: Laboratorium Prof Dr Rudolf Berthold GmbH and Co KG
Priority date: 1968-03-13
Filing date: 1968-11-18
Publication date: 1970-02-19
Also published as: DE1809520B2; GB1226924A; DE1809520C3; AT326787B; FR2003773A1; ATA245368A; FR2003773B1

Description

PAT E N TA N WALt ERICH ZIPSS

DIP U. - PHYOIKG Λ

7β7 BADEN-BADEN LE8SINQSTRA8SE IU

AnmelderIn: Laboratorium Professor Dr. Rudolf Berthold ^5" h ftildbad/Schwarawald, Calmbacher Str.

Einrichtung zur automatischen Driftstabilisierung bei Kernstrahlensonden

Für diese Anmeldung wird die Priorität der österreichischen Patentanmeldung Nr. A 2453/68 vom 13. März 1968 beansprucht. j

Die Spektroskopie mit Kernstrahlensonden, die Impulse liefern, deren Größe von der absorbierten Strahlenenergie abhängt, hat in Kernphysik, Biologie und Chemie, aber auch in Medizin und Technik weite Verbreitung gefunden. Ais

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Kernstrahlensonden dienen beispielsweise Szintillationszähler, Proportionalzählrohre oder Halbleiterdetektoren. Die Spektren erlauben quantitative Aussagen über Strahlenensrgien und Intensitäten und damit über Art und Zusammensetzung der Strahlenquellen.

Eine besondere Schwierigkeit besteht in der Drift derartiger Einrichtungen. Die Zuordnung bestimmter Itnpulsgrößcn zu bestimmten Energien hat zur Voraussetzung, daß die Gesamtyer-Stärkung des Systems konstant bleibt. Eine Drift in der Verstärkung bewirkt* eine Verschiebung der Energielinien relativ zu den eingestellten Energiekanälen und damit fehlerhafte Intensitätsmessungen. Diese Fehler können durch regelmäßige Kontrollen mit Eichstrahlern und Machstellungen in den zulässigen Grenzen gehalten werden. Derartige Kontrollen erfordern jedoch einen erheblichen Aufwand an Zeit sowie geschulte Fachkräfte. Vorteilhaft sind deshalb automatisch arbeitende Stabilisierungseinrichtungen.

Bekannt und üblich ist ein Verfahren ', bei dem je ein Einkanal diskriminator auf die beiden Flanken einer Energielinie 1) H. de Waard, Nukleonics 13 (1955) S. 36

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eingestellt und das Verhältnis der Impulsraten zur Ableitung eines Regeleignais benutzt wird. Dieses Verhältnis kann analog oder digital gemessen, ferner kann anstelle von zwei Einkanaldiskriminatoren ein einziger in Verbindung mit einer Modulationseinrichtung verwendet werden.

Derartige Einrichtungen haben jedoch zwei Nachteile«

1) Sie sind sehr aufwendig

2) Die automatische Nachstellung kann nur funktionleren, wenn die Abweichung nicht su groB ist und die beiden Kanäle noch auf der Eichlinie liegen.

Beim Aus- und Wiedereinschalten bzw. einem vorübergehenden Netzausfall besteht die Gefahr der Einstellung auf eine falsche Energielinie. Die automatiecht Nachstellung bedarf also einer hinreichend genauen manuellen Voreinstellung auf die Eichlinie.

Diese Nachteile vermelden Einrichtungen nach den Patenten DBP 1118897 und 1148027 des Anmelders, die sich für technische

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integrale Intensitätsmessungen mit Ratemetern gut bewährt haben. Dabei läßt man durch die Impulse über einen Gleichrichter einen Kondensator aufladen, dem ein Entladewiderstand geeigneter Größe parallel geschaltet ist; die Kondensator-Spannung stellt sich dabei eindeutig auf die Impulagrtfße der für jedes Meßproblem bekannten energiereichsten Strahlenkomponente ein. Der Parallelwiderstand verhindert Störungen durch einzelne übergroße Impulse, beispielsweise aus der

Ultrastrahlung. Eine Regeleinrichtung »teuert die Sondenspannung so, daß die Kondensatorspannung konstant bleibt. Wie die Praxis gezeigt hat, ist dieses Verfahren völlig ausreichend für integrale Ratemeteranzeigen, jedoch nicht genau genug für die Spektroskopie. Die wesentliche Ursache dafür liegt in der Proportionalität zwischen Abweichung und Regelwirkung. Sind beispielsweise die Impulse der steuernden Energielinie um IX größer als der Sollwert, so hat ein einziger Übergroßer Impuls von doppelter Größe dieselbe Regelwirkung wie 100 Impulse der steuernden EnergieHnie. Damit ergeben sich relativ große statistische Schwankungen der geregelten Spannung.

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Eine überraschend gute und auch für die Spektroskopie völlig

ausreichende Regelung erhält man jedoch bei sehr kleinen

Aufwand, wenn erfindungsgemäß ein integraler Impulshöhen-

diskriminator anstelle der Gleichrichterschaltung nach den angeführten Patenten verwendet wird und die Zahl der Impulse, welche dessen Schwelle überschreiten, als regelnde GrUBe wirkt. Bei dieser Konzeption geben auch diejenigen Iapulse, welche die Schwelle nur sehr wenig Überschreiten, denselben _M

Regelbeitrag wie übergroße Impulse. Eine besonders scharfe

und genau definierte Einstellung liefert eine derartige

Einrichtung in Verbindung mit einem Eichstrahler in fester Position relativ zur Sonde, der eine Strahlenkomponente mit

höherer Energie als die im MeSspektrum zu erwartenden liefert.

Anhand der Zeichnungen soll am Beispiel einer bevorragten Ausführungsform der Gegenstand der Erfindung naher erläutert _M

werden. *

Fig. 1 zeigt eine grundsätzliche Anordnung

Flg. 2 zeigt die Wirkungsweise der *rfindungβgemäßen Einrichtung anhand eines Impulshöhendiagri

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Die grundsätzliche Anordnung zeigt Pig. 1. Die zu messende Strahlung 1 fällt auf die Sonde 2, beispielsweise einen Szintillationszähler mit NRJ-(Tl)-Kristall. Außerdem wirkt auf die Sonde der Eichstrahler 3. Die Sondenimpulse gehen über den Verstärker 4, beispielsweise auf einen Impulshöhenanalysator 5, dessen Ausgang an eine digitale oder analoge Anzeigeeinheit 6 angeschlossen ist. An den Ausgang des Verstärkers 4 ist außerdem erflndungsgemäö der Integraldiskriminator 7 angeschlossen, der ein Ausgangesignal liefert, das zur Anzahl derjenigen Impulse proportional ist, welche die Integratorschwelle überschreiten. Dieses Ausgangssignal soll die Impulshöhenverstärkung so regeln, daß die Impulszahl einen annähernd konstanten vorgegebenen Wert A annimmt. Die Gesamtverstärkung der Impulse setzt sich zusammen aus der Eigenverstärkung der Sonde, die eine Funktion der Sondenspannung ist und der nachgeschalteten elektronischen Verstärkung. Man kann infolgedessen entweder eine Regelschaltung 8a für den Hochspannungserzeuger 9 oder eine Regelschaltung 8b für den Verstärker 4 vorsehen.

Die Wirkungsweise der Einrichtung zeigt schematisch das Impuls höhendiagramm in Flg. 2. Aufgetragen ist die Impulshäufigkeit J

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in Abhtaglgk.lt von d«r IafcuUgrtse. G. DU Iapuligxupp« I möge das Spektrum der zu messenden Strahlen darstellen, die einzelnen Fotolinien im Spektrum entsprechen verschiedenen Strahlenenergien. Die Fotolinie II möge durch den Elchstrahler verursacht sein_y die Linienenergie soll größer als die höchste Linienenergie im Spektrum I sein. Der Inhalt dieser Linie ist gegeben durch die wählbare Stärke und Position des Eichstrahlers 3. Außerdem mögen noch einige größere Störiapulse in der Gruppe III auftreten, die durch hochenergetische Umgebungsstrahlung bzw. die Ultrastrahlung ausgelöst werden.

Der Integraidiskrialnator 7 soll die Ansprechvelle S haben, von lh» werden alle Impulse erfaßt, welche diese Schwelle überschreiten. Die Zahl dieser Impulse entspricht dem Inhalt des schraffierten Bereiches für Impulshöhen größer als S. Ist diese Zahl kleiner bzw. größer als die vorgegebene Zahl A, so wird durch die Regelschaltung die ImpulshöhenverStärkung erhöht bzw. erniedrigt bis der schraffierte Bereich der vorgegebenen Zahl A entspricht. Diese Zahl nuß naturgemäß wesentlich größer als die Gesamtzahl der übergroßen Impulse der Gruppe III und kleiner als die Summe aus III und der vorgegebenen Stoßzahl In der Eichlinie II sein. Berechnungen ergaben,

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daß die Einstellgenauigkeit besonders groß wird, wenn die Zahl A und die Stoßzahl in der Eichlinie so gewählt werden, daß die obere Flanke der Eichlinie von der Schwelle S "durchschnitten" wird.

In weiterer Ausbildung der Erfindung läßt sich eine Anordnung nach Anspruch 1 auch in der Form aufbauen, daß die Strahlenquelle zur Driftstabilisierung zugleich als Strahlenquelle zur Bestimmung einer physikalischen Größe dient, beispielsweise zur Dicken und Dichtemessung nach dem Absorptionsverfahren, oder zur Feucht&essung nach der Methode der Neutronenbremsung. Bei solchen Messungen wird naturgemäß die Intensität der Bezugslinie von der zu bestimmenden Größe in gewissen Grenzen abhängen. Muß beispielsweise die Dichte einer Flüssigkeit im Bereich Af- 0,3 g/cm unter Durchstrahlung einer Rohrleitung von 300 mm lichter Veite gemessen werden und wird wie üblich dazu die Strahlung von 137Cs verwendet, so ändert sich die Linienintensität zwischen maximaler und minimaler Dichte Im Verhältnis 1 t 2. Wird gemäß Anspruch 1 die vom Integraldiskriminator registrierte Impulszahl A konstant gehalten, so wird sich zwangsläufig die Ansprech-Mchwelle in Bezug auf die Linienenergie verschieben. Praktische

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Versuche hatten jedoch das erstaunliche Resultat, daß bei einer integralen Intensitätsmessung diese Verschiebung keinen wesentlichen Einfluß hat. Bei einem nach dem Erfindungsgedanken ausgeführten Szintillometergerät bewirkt eine Strahlenschwächung auf die Hälfte eine Spannungserhöhung von etwa 4 V bei einer Sondenspannung von 1250 V. Die Strahlenanzeige ändert sich jedoch, da im Spannungsplateau gearbeitet wird, um weniger als 0,02 % pro Volt, die Spannungerhöhung verursacht damit eine Anzeigeänderung von weniger als l°/oo bzw, 2°/oo der ursächlichen Intensitätsänderung. Dazu kommt jedoch, daß diese Spannungserhöhung in definierter Weise mit der Strahlen-Intensität verknüpft ist und die resultierende Anzeigeänderung durch die ohnehin notwendige Eichung der Anzeige in Abhängigkeit von der Dichte erfaßt wird, sodaß überhaupt kein Fehler In Bezug auf die Dichtemessung entsteht. Ähnlich liegen die Verhältnisse beispielsweise bei einer Dickenmessung in Durchstrahlung oder Rückstreuung oder auch bei einer Feuchtemessung mit Neutronen, wobei die langsamen Neutronen in Verbindung mit geeigneten Sonden eine sehr scharfe Linie hoher Energie erzeugen, die sich ausgezeichnet für die Stabilisierung eignet.

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Die gute Regelwirkung auch bei erheblichen Intensitäteänderungen wird durch eine mathematische Betrachtung verständlich. Die Dlskriminatorschwelle sei so gelegt, daß bei der maximalen Intensität 1/4 der steuernden Energielinie erfaßt werde. Wird die Intensität auf die Hälfte verringert, so wird sich durch die Regelung die Gesamtverstärkung so erhöhen, daß wieder dieselbe Impulszahl vom Diskriminator registriert wird. Setzt man die GauS'sche Verteilungskurve für die Energielinie voraus, so muß sich dazu die Linie relativ zur Schwelle um 1/5 ihrer Halbwertsbreite verschieben. Beträgt diese 12 % der Linienenergie, so ergibt sich eine Verschiebung um 2,4 % der Energie bzw. der Impulsgröße. Ändert sich nun beispielsweise die Szintillometerverstärkung la Arbeitspunkt uo 0,6 % pro Volt, was in etwa den praktischen Verhältnissen entspricht, so ergibt sich die im vorliegenden Beispiel angeführte Spannungserhöhung um 4 V. Eine solche Verschiebung wäre zwar für spektrometrische Messungen zu groß, sie ist jedoch, wie oben ausgeführt, kaue von Einfluß auf eine integrale Intensitätsmessung und völlig ohne Bedeutung bei der Bestimmung physikalischer Größen mittels einer Intensitätseichkurve.

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Bel spektrofkopischen Messungen dagegen, die eine höhere Genauigkeit der Schwelleneinstellung erfordern, 1st es zweck- , alBig, alt eines stets in gleicher Welse auf die Sonde wirkenden Blchstrahler zu arbeiten. Man kann dazu Gammastrahlen hinreichender Energie verwenden. Nachteilig bei der Registrierung von Gaoaaquanten hoher Energie ist jedoch, daß nur ein geringer Prozentsatz der absorbierten Quanten Impulse in der für die Quantenenergie charakteristischen Fotolinle liefert, während die überwiegende Anzahl der Quanten durch den Compton- (( Effekt absorbiert, Impulse geringer Höhe verursacht, die in Bezug auf das Kefispektrua als störender Untergrund wirken. Vorteilhaft ist deshalb die Verwendung vono( -Strahlern zur Driftstabilisierung, da ein in den empfindlichen Sondenbereich elnfallenderdt-Strahl mit großer Wahrscheinlichkeit eine seiner Energie proportionale Impulagröße erzeugt und somit praktisch kein bzw. nur ein geringer Störuntergrund entsteht unter der Voraussetzung, daß der Elchstrahler vL -Strahlen einer einzigen J Energie aussendet und keine bzw. nur eine schwache Gamnakoaponente hat. Besonders geeignet als ein oC -Strahler alt

210 sehr schwacher Gaaaakoaponente wäre Polonit», leider ist die Halbwertszelt nur 138 Tage. Ideal in Bezug auf die Lebens-

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dauer alt 460 Jahren ist Aaerlciua, jedoch hat Aaerlclun eine schwache Gaoaalinie bei 60 keV (35 X) und eine noch

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echwächer« bei 26 keV (2 %). Oa diese Gammaquanttn Jtdoch praktisch gleichzeitig mit d -Strahlen ausgesaadt wurden, lassen sich in weiterer Ausbildung der Erfindung diese Gamma-

linien in Spektrum durch tine AnfcikoisitidetiEfefaaltuiig zwischen - und £ -Impulsen bzw. durch ein lineares Gate eliminieren.

Die geringe Reichweite clat ui. -Strahlen erfordert» daß der Strahler unmittelbar an der Sonde montiert wird* derart, daß die Strahlen direkt in den empfindliehen Sondenbereich eintreten können, ohne vorher absorbierende Medien durchdringen zu müssen« Man wird beispielsweise bei Proportionalzählrohr«! den & -Strahler direkt auf der KathodenflMche aufbringen oder bei Szintillometer» direkt auf den Szintillator innerhalb seiner Schutzhülle« Noch günstiger ist es, denoC -Strahler homogen im SzintiIlatorkristall zu verteilen. Derartige Kristalle mit homogen verteilten G^-Strahlern sind bereits lieferbar.

Gegenüber den bekannten Einrichtungen zur automatischen Driftstabilisierung bringt die Erfindung den Vorteil, da0 sich das Impulsspektrum nach dem Einschalten der Meßeinrichtung ohne Vorjustierung eindeutig und mit hoher Genauigkeit eo einstellt, daß jeder Energie eine bestimmte ImpulsgrdSe sugeordnet

ι.

1st. Damit ist es möglich, bei Geräten zur Energiespektroskopie

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nuklearer Strahlungen die Itopulshöhenanalysatoren mit absolut * beispielsweise in MeV - geeichten Einstellakaien auszurüsten· Sie können auch direkt mit Einstellmarkierungen für bestirnte Isotope versehen werden. Ferner wird ermöglicht, aittels Schaltern oder Druckknöpfen voreingestellte Energiekanäle bsw. Isotope aeauvählen. Bei Automatisierung solcher Einrichtungen können fehließlIch derartige Einstellungen über elektronische Steuerimpuls angewählt werden.

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Claims

Patentanspruch*

1. Einrichtung zur automatlichen Driftstabilisierung feai der Internitätsmessung von Kernstrahlungen mit Sonden^

deren AusgangsImpulse von der absorbierten Energie abhängen* gekennseichnet durch die Verwendung einer Strahlenquelle In definierter Position in Bezug auf die Sonde alt einer Strahlenenergie, die mindestens gleich der Maximal Im MeQepektrum zu erwartenden ISt₃, sowie eines Intograldiskrlminators und einer Regelschaltung für dl® Impulshuhenver Stärkung, ve Ich« die vom Integraldiskrlminator registrierte Impulsrat«

2. Einrichtung nach Anspruch I₉ iadurch gekeimseichnst» daß der tür Stabilisierung herangesogene Teil des Spektrums In der oberen Flanke der durch die Strahlenquelle hervorgerufenen Energielinie liegt.

3· Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltung die Sondenspannung automatisch einstellt.

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4. Einrichtung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet,

daß dl· Kegelschaltung auf dan dar Sonde nachgaschaltatan Verstärker wirkt.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennselehnet, daS die Strahlenquelle sur Driftstabilisierung zugleich als Strahlenquelle sur Bestianung einer physikalischen Größe dient, beispielsweise sur Dicken- oder Dichtemessung nach de« Absorptionsverfahren oder sur Feuchtemessung nach der Methode der Neutronenbreswung.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, .,?-durch gekeons·lehnet, dafi als Strahlenquelle ein oL-Strahler, vw. "gtwelse alt geringes! GesMssntell, verwendet wird.

7. Einrichtung nach Anspruch 1 und 6 bei eine« Gerät sur Geonaspektroe kopie, dadurch gekennselehnet, daS der Einfluß von Caaouikoaponenten des oi -Strahlers, deren Photonen praktisch gleichseitig mit dL-Tellehan emittiert «erden, durch Antlkoinsldens bsw. ein lineares Gate elleinlert wird.

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S OWG!^MAL

I. Einrichtung nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daB der Strahlendetektor ein NaJ-(TI)-Sζint 11lator let und daß dor oC -Strahler homogen im Szlntlllatorkrletail verteilt igt.

9. Einrichtung nach Anspruch 1 bei einem Gerät zur Energie« Spektroskopie nuklearer Strahlungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellskalen der Impulshöhenanalyeatoren absolut - beispielsweise im MeV - geeicht werden oder direkt Einstelimarkierungen für bestimmte Isotope haben, oder daß voreingestellte Energiekanäle vorhanden sind, die mittels Schaltern bzw. Druckknöpfen oder mittels elektronischer Steuerimpulse angewählt werden können.

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