DE1912700U - Neutronenreflektor zur bestimmung, des wasserstoff-gehaltes. - Google Patents

Description

RA.003172* 5.1. B5

DR.-ΐΝθ. EUGEN MAIER - dipl.-ινθ. HANS VOLLBACH

PATENTANWÄLTE STUTTGART

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29» Dezember 1964

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Institut de Recherches de la Siderurgis Prancais© Saint Germain-en-Laye, 185 ₉ rue President Roosevelt

(Seine-et-Oise) France

Neutronenreflektor zur Bestimmung des Wasserstoff-

GehalteSo

Ss ist bekannt„ daß rasche Neutronen beim Aufprall auf Materie ihre kinetische Energie aufgrund ihrer 2usam~ menstöße mit den Atomen der "betreffenden Materie fortlaufend verlieren* Diese Verringerung übt kinetischen Energie entspricht einer Geschwindigkeitsabnahtne sex· Neutronen, die "langsame Neutronen" genannt werden_s wenn ihre kinetische Energie unter einen bestimmten Schwellenwert absinkt»

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Diese Geschwindigkeitsabnahae ist von besonderer Bedeutung,, wenn rasche Neutronen auf Wasserstoff-Atome auftreffen_s und die Anzahl langsamer Neutronen₉ die an einem bestimmten Punkt in der Iahe einer Quelle rascher Neutronen festgestellt werden, ist eine direkte Funktion der mittleren Wasserstoff-Atom-Konzentration. in dem betrachteten Medium« Die Aussählung der langsamen Neutronen gibt somit die Möglichkeit, den Wasserstoff-Gehalt eines bestimmten Stoffes zu ermitteln«

Zur Durchführung dieser Messung benütst man üblicherweise eine Quelle rascher Neutronen und einen zur Auszählung der langsamen Neutronen geeigneten Detektor₉ wobei die Neutronenquelle und der Detektor voneinander getrennt oder auch innerhalb derselben Sonde angeordnet sein können=

Das zur Durchführung dieser Messung benützte Gerät wird üblicherweise so verwendet, daß die Neutronenquelle und der Neutronenzähler im Inneren eines bestimmten

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Volumens des zu untersuchenden Stoffes angeordnet werden ₉ wobei die Zahl der vom Zähler registrierten langsamen Neutronen eine direkte Punktion der Zahl der in dem der Messung unterworfenen Volumen vorhandenen Wasserstoff-Atome ist» Kennt man die Dichte des untersuchten Stoffes_s oder ermittelt man diese Dichte des untersuchten Stoffes auf irgendeine bekannte Weise, so kann man auf diese Weise den Gehalt an Wasserstoff oder auch an Wasserstoffverbindungen, wie beispielsweise an Wasser,des untersuchten Stoffes in Gewichtseinheiten ermitteln»

Will man solche Messungen an einem gleichmäßig bewegten Körper durchführen, so wird man die Meß-Sonde außerhalb dieses Körpers anordnen₉ beispielsweise an einem Punkt, unterhalb oder oberhalb der den su untersuchenden Körper tragenden Transportvorrichtung. Man wird jedoch feststellen, daß die Zahl der von dem Detektor registrierten langsamen Neutronen wesentlich geringer ist als der Wert, den man unter Berücksichtigung der

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Winkeländerung des untersuchten Körpers gegenüber der Zähl-Sonde erwartet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde„ ein Gerät zur Bestimmung des Wasserstoff-Gehaltes eines Stoffes zu schaffen₉ bei welchem günstigere Voraussetzungen für die Wirkungsweise der außerhalb des zu untersuchenden Körpers angeordneten Zähl-Sonde bestehen»

Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß in dem einen Detektor zur Registrierung der langsamen Neutronen aufweisenden Gerät ein Neutronen-Reflektor derart angeordnet ist_s daß sich der Detektor zwischen den zu untersuchenden Körper und dem Neutronen-Reflektor befindet=,

Unter der Bezeichnung "Neutronen-Reflektor" soll ein Stoff verstanden werden«, in welchem die Bewegungsbahnen der in den Stoff eingedrungenen Neutronen abgelenkt werden und so die V/ahrscheinlichkeit ihrer Geschwindig-

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keitsverminderung und Ablenkung in Richtung auf die Zähl-Sonde vergrößert wird» Um einen genügenden Wirkungsgrad zu erreichen., muß der Reflektor bestimmte Minäestabmessungen aufweisen. Vorteilhafterweise besteht er aus einem Werkstoff, der leicht in eine massive Form gebracht werden kann, wie beispielsweise Stahl- oder Aluminium-Platten oder ■.:.. gepreßter Graphit. Der Reflektor kann aber auch aus pulverförmiger!! Material "bestehen_s wie beispielsweise Sand₉ Kohle oder Graphitstaub. Per Wirkungsgrad des Reflektors ist umso besser, je dichter seine Beschaffenheit ist, je niedriger die Atom-Sfummer des ihn bildenden Elementes ist und je weniger fremde Elemente der Reflektor enthält, die geeignet sind₉ langsame ^Neutronen zu absorbieren» Vorzugsweise besteht der Reflektor aus gepreßtem, chemisch reinem Graphit.

Bei Abwesenheit eines solchen Reflektors registriert die Zahl-Sonde eine weit geringere Anzahl langsamer Neutronen als man unter Berücksichtigung des Raumwin-

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kels erwarten sollte, unter dem der Prüfkörper von der Zähl-Sonde aus gesehen erseheint, und zwar im Verhältnis zu dem Fall, in welchem die Zählsonde ganz von dem zu prüfenden Körper umgeben ist= Dies ist darauf zurückzuführen j daß das physikalische Phänomen viel komplexer ist als eine einfache Gescuwindigkeitsverminderung der Neutronen. Wird die Sähl-Sonäe ganz von dem zu untersuchenden Körper umgeben, so bewirken die einzelnen Atome des zu untersuchenden Körpers, daß ein Teil der Neutronen in Richtung auf die Zähl-Sonde abgelenkt wird. Umfaßt der su untersuchende Körper die Zähl-Sonde nur teilweise_s so verringert sich nicht nur die Zahl der eine Geschwindigkeitsverminderung der Neutronen bewirkenden Wasserstoff-Atome, sondern auch die Zahl fremder Atome, die fähig sind_s die Bewegungsbahnen der Neutronen so abaulenken_s daß eine gewisse Wahrscheinlichkeit ihres Auftreffens auf die Zähl-Sonde gegeben ist»

Jeder verhältnismäßig dichte Stoff verursacht eine Reflexion der Neutronen. Die Wahrscheinlichkeit einer Re-

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flexion in Richtung auf die Zählsonde ist jedoch umso größer j je größer die Zahl der in der Yolutneneinheit vorhandenen Atome ist., Aus diesem Grund ist es auch vorteilhaft, als Werkstoff für den Neutronen-Reflektor Kohlenstoff, Sand oder Aluminium 2u verwenden.. Bei gegebenem Werkstoff ist der Wirkungsgrad des Reflektors ein höherers wenn er in festgepreßter Form verwendet wird und somit eine hohe Dichte aufweist-,

Unter Berücksichtigung gewisser rein technologischer Gesichtspunkte können jedoch auch Werkstoffe mit einer höheren Atomzahl verwendet werden, wie beispielsweise Stahl.

Schließlich ist es vorteilhaft, zur Herstellung eines Neutronen-Reflektors solche Stoffe zu vermeiden_s die eine hohe Absorption für Neutronen aufweisen, wie beispielsweise Bor und Chlor» Aus diesem Grund wird bei der Verwendung von chemisch reinem Graphit ein hoher Wirkungsgrad erzielt.

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Die Be\i?egungsbahnen der Neutronen innerhalb des Eexlektors sollen so verlaufen, daß die Wahrscheinlichkeit, letzten Endes auf die Zähl-Sonde aufzutreffen_s möglichst groß ist.

Zu diesem Zweck kann der Reflektor jede beliebige Gestalt haben, vorausgesetzt, daß seine Oberfläche die Gesamtheit der Bewegungsbahnen der Neutronen möglichst vollständig umfaßt. Auf diese Weise trifft eine verhältnismäßig große Zahl von Neutronen im Laufe ihrer Bewegungsbahn auf die Zähl-Sonde auf, während sie sich ohne Eeflektor im Raum verlieren wurden.

Eine ebenso wichtige Rolle spielt die Dichte des den Reflektor bildenden Werkstoffes, da für die Neutronen die Wahrscheinlichkeit, auf Atome aufzutreffen und von diesen in Richtung auf die Sonde reflektiert zu v/erden, mit der Zahl der Atome je Volumeneinheit wächst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich daher insbe-

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sondere zur Untersuchung solcher Körper₉ In die eine Sonde nicht eingebracht werden kann_s sei es_s daß diese Körper sich in Bewegung befinden, wie beispielsweise auf einem Laufband befindliches ErZ₅, oder eine so hohe Temperatur aufweisen,, daß eine Zerstörung der Sonde befürchtet werden müßte»

■■r .

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel dex* erfindungsgemäßen Vorrichtung in sehematxseher Weise dargestellt» Dieses Ausführungsbeispiel zeigt die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung des Feuchtigkeitsgehaltes von zerkleinertem Eisenerz 1, das auf ein über Rollen 3 geführtes Transportband 2 aufgebracht wurde. Eine Sonde 4_S die eine Neutronen hoher Geschwindigkeit aussendende Quelle von Radium -BeryIlium 5 und eine Zähl-Sonde für langsame Neutronen 6 aufweist, ist oberhalb des zu untersuchenden Erzes angeordnet» Die Sonde 4 ist von einem hufeisenförmigen Reflektor 7 umgeben, der durch einen Graphitstaub enthaltenden Blechbehälter gebildet wird. Die Neutronen-

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quelle 5 sendet nach allen Richtungen Neutronen hoher Geschwindigkeit aus. Zur überstaatlicheren Darstellung sind in der Zeichnung nur einige wenige Heutronenbahnen eingezeichnet.

Das auf der Bewegungenahn 8 ausgesandte Neutron dringt in das Erz 1 ein und wird hei a in Richtung des Bahnelementes 9 auf die Sonde reflektiert. Ein zweites Neutron dringt auf dem Bahnelement 1o in das Ers ein und wird dort bei b in Richtung des Bahnelementes 11 nach einem Punkt b' im Reflektor reflektiert, von v/o aus es in Richtung des Bahnelementes 12 abgelenkt wild und auf die Zähl-Sonde 6 auftrifft. Ein drittes Neutron wird in Richtung des Bahnelementes 13 ausgesendet und innerhalb des Reflektors bei c in Richtung des Bahnelementes 14 abgelenkt, dringt in das Erz ein und wird bei c^{ in Richtung des Bahnelementes 15 reflektiert, auf dem es ebenfalls auf die Zählsonde 6 auftrifft.

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Die Zeichnung veranschaulicht deutlich, daß ohne den Reflektor 7 nur eine geringe Zahl von Neutronen von der Zähl-Sonäe 6 registriert wurden.

Im Folgenden werden einige Versuchsergebnisse mitgeteilt, die mit einer Vorrichtung erhalten wurden, "bei der als Neutronenquelle Radium-Beryllium verwendet wurde und eine Mehrzahl von aus Bortrifluorid bestehenden Detektoren zusammen mit der neutronenquelle in einer Meßsonde angeordnet waren. Untersucht wurde zerkleinertes Eisenerz, das für die Herstellung von Briketts bestimmt war, wobei davon ausgegangen wurde, daß der ganze im Erz enthaltene Wasserstoff an Sauerstoff in Form von Wasser gebunden war. Die in der rechten Spalte der nachfolgenden Tabelle angegebenen Werte eind reine Verhältniswerte unter Berücksichtigung äex Dichte des Prüfstoffes und der Eigenbewegung der Detektoren_s die dadurch bestimmt war, daß die Meß-Sonde in einem bestimmten Abstand von jeglichem festem Stoff in Luft aufgehängt war.

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Tabelle

Anordnung der Sonde im Inneren in Achsenrichtung eines zylindrischen, ißit Eiseners gefüllten Behälters von 6o cm 0 und 1oo cm Höhe

1oo

Anordnung der Sonde oberhalb eines mit demselben Eisenerz gefüllten quaderförmigen Behälters mit den Abmessungen 1oo χ 6o χ 4o cm:

ohne	Neutronen-Reflektor	1oo	X	6o	X	4o	cm	4,9
mit	Graphitstaub-Reflektor	1oo	X	6o	X	25	cm	46,1
Il	Il ti	1oo	X	35	X	4o	cm	39,1
It	Il Il	loo	X	35	X	25	cm	33,5
It	Il It	1oo	X	6o	X	25	cm	3o,o
Reflektor mit Sehütt-Sand						2o,o

Die Tabelle zeigt, daß ohne Neutronen-Reflektor der registrierte Wert nur 5 % des viertes bei vollkommen von Erz eingeschlossener Sonde beträgt. Dieser Wert vergrößert sich mindestens um den Faktor 4 bei Verwendung eines Reflektors.

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Bei einem Reflektor aus Elektrodengraphit von einer Dicke von 4o cm, der den das Erz enthaltenden Behälter bedeckte» "beträgt der Wert 46,1 und kommt somit sehr nahe an den theoretisch errechneten Wert, bei dessen Errechnung lediglich den geometrischen Verhältnissen Rechnung getragen wurde. Dieser Wert verringert sich merklich, wenn man die Abmessungen des Reflektors verkleinert, oder wenn man als Reflektormaterial Sehütt-Sand verwendet. Es ergibt sich somit, daß es zweckmäßig ist, Reflektoren von ausreichender Stärke und möglichst dichtemMaterial zu verwenden, die das zu untersuchende Gut möglichst vollständig bedecken*

Die erfinöungsgemäße Vorrichtung eignet sich somitfc in besonderer Weise zur Bestimmung des Gehaltes an Wasserstoff oder an einer wasserstoffhaltigen mineralischen oder organischen Verbindung wie beispielsweise Wasser, Säuren, Basen, freie Radikale wie Beispielsweise OH, Kohlenwasserstoffe und dergleichen, wenn die Registrier-

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sonde eicht in das Innere des Prüfgutes eingebracht wer den kann, wie dies insbesondere der Fall ist, wenn das FrUfgut auf einem Transportband aufgeschichtet ist oder durch eine in einem Kanal strömende Flüssigkeit gebildet wird oder schließlich sehr hohe iPeraperaturen aufweist.

Claims (1)

1. P.A.D03172-5.U5

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   Anspruch

   Vorrichtung zur Bestimmung des Wasserstoffgehaltes insbesondere eine? bewegten Erüfgutes unter Verwendung einer Neutronen hoher Geschwindigkeit aussendenden Quelle und eines auf langsame Neutronen ansprechenden Detektors, dadurch gekennzeichnet, daß öle Vorrichtung mindestens einen Neutronenreflektor aufweht, der so angeordnet ist, daß der Detektor sich zwischen dem Prüfgut und dem Neutronen-Reflektor befindet«