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Beschreibung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der qualitativen
und quantitativen Stoffanalyse und betrifft insbesondere die Verfahren zur Bestimmung
der Zusammensetzung von Substanzproben durch Radioisotope und die Einrichtungen
zur Durchführung dieser Verfahren.
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Am vorteilhaftesten kann die vorliegende Erfindung in den Industriezweigen
Erzbergbau und Chemie zur Bestimmung von Substanzen die unter Einwirkung der radioaktiven
Strahlen Isotope mit geringen Halbwertzeiten (bis zu 10 s) bilden, verwendet werden.
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Zur Zeit wird die Analyse der Zusammensetzung von Substanzen durch
die radioaktive Isotope weitläufig bei wissenschaftlichen Borschungen sowie in verschiedenen
Industrie-Zweigen verwendet. Dieser Umstand läßt sich durch die Vorteile
dieser
Methode gegenüber der herkömmlichen chemischen Analysenmethoden, und zwar: hohe
Arbeitsproduktivität, geringe Kosten, hohe Empfindlichkeit sowie Möglichkeit der
zerstörungsfreien Analyse. Das Wesen der Aktivierungsanalyse besteht im folgenden.
Beim Bestrahlen der Substanzen mit verschiedenartigen Elementarteilchen, beispielsweise
mit Neutronen bzw Gamma-Quanten, bilden einige dieser Substanzen Radioisotope, die
sekundäre Strahlen aussenden. Die Radioisotope werden durch die Halbwertzeit gekennzeichnet,
d .h. die Zeitspanne, in der sich die Menge des Radioisotops um die elfte verkleinert,
sowie durch die Art und Starke der induzierten Radioaktivität.
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Durch entsprechende Untersuchung der angeführten Charakteristiken
kann die Menge des jeweiligen Radioisotops und durch sie die Konzentration der zu
bestimmenden Substanz festgestellt werden.
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Es ist ein Verfahren Zur Bestimmung des Gehalts der Kohle an Asche
und eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens bekannt (siehe GB-PS Nr.
960408. K1. GIA). Das bekannte Verfahren beinhaltet die Arbeitsgange Bestrahlung
der zu untersuchenden Substanzprobe mit radioaktiven Teilchen und Messung der induzierten
Radioaktivität der bei der Bestrahlung der zu untersuchenden Probe entstehender
Radioisotope. Nach der gemessenen induzierten Radioaktivität wird auf Aschemenge
in der zu bestimmenden Probe geschlossen.
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Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens beinhaltet
eine
Strahlungsquelle sowie eine Vorrichtung zum Anordnen der Substanzprobe undeinen
Detektor der induzierten Radioaktivität die in Richtung der Strahlung in Reihe angeordnet
sind. Als Strahlungsquelle wird in der bekannten Konstruktion eine Neutronenquelle
verwendet.
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Die Einrichtung zum Anordnen der Substanzprobe stellt ein Förderband
dar, das mit einem Antrieb zusammengekoppelt ist, der die Bewegung des Bandes in
waagerechter Richtung gewahrleistet.
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Die zu bestimmende Probe der Substanz (Kohler) wird auf das Forberband
geschüttet, wodurch die Kohle der Reihe nach an der Strahlungsquelle und am Detektor
der induzierten Radioaktivitat vorbeigeführt wird* Nach der Menge des infolge der
Bestrahlung entstehenden Isotops Aluminium-28 wird auf den Gehalt an Asche. geschlossen.
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Somit ermöglichen das bekannte Verfahren und die bekannte Einrichtung
zur dessen Durchführung die Substanzanalyse nur durch ein bestimmtes Isotop.
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Bei der Anwendung des bekannten Verfahrens und der bekannten Einrichtung
zur - Substanzanalyse durch mehrere Isotope ist es mögliche die Störaktlvitäten
der langlebigen Isotopen bei der Bestimmung der minder langlebigen Isotopen zu berücksichtigen.
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Aussenden bietet die bekannte Konstruktion keine Möglichkeit fur
die Substanzanalyse durch kurzlebige Isotope (mit einer Halbwertzeit bis zu 10 a),
da die Bewegungsgeschwindigkeit
der Einrichtung zum Anordnen der
Proben durch die Parameter des Förderbandantriebs begrenzt ist.
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Bekannt ist ein Verfahren der Aktivierungsanalyse flüssiger Medien
(siehe US-PS 3508048 Kl. 250-43.5). Das bekannte Verfahren beinhaltet die Operationen
Bestrahlung der zu bestimmenden Substanzprobe mit radioaktiven Teilchen und Messung
der induzierten Radioaktivität der bei der Bestrahlung der zu bestimmenden Probe
entstehender Radioisotope. Gemäß dem bekannten Verfahren wird die zu bestimmende
Probe der flüssigen bzw. schüttbaren Substanz in der i?lüssigkeit mit konstanter
Geschwindigkeit durch ein geschlossenes System gepumpt, wo man aufeinanderfolgend
die Probe mit radioaktiven Teilchen bestrahlt und die induzierte Radioaktivität
der infolge der Bestrahlung entstehende. Radioisotope mißt. Nach den Meßergebnissen
wird auf die qualitative und quantitative Zusammensetzung der Probe geschlossen.
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Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens beinhaltet eine Strahlungsquelle
und einen Detektor der induzierten Radioaktivität, sowie eine Pumpe, eine Aktivierungs-
und eine Meßkammer. Als Strahlungsquelle wird eine Nehtronenquelle verwendet. Die
Neutronenquelle wird in der Aktivierungskammer angeordnet, und der Detektor der
induzierten Radioaktivität -in der Meßkammer. Die Probe der zu bestimmenden Substanzen
wird mit Hilfe der Pumpe derart durch das System gepumpt, daß sie aufeinanderfolgend
die Aktivierungskammer und die Meßkammer passiert, wo man die Probe mit radioaktiven
Teilchen bestrahlt
und die induzierte Radioaktivität der infolge
der Bestrahlung entstandenen radioaktiven Isotope mißt.
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Aber bei der Anwendung des bekannten Verfahrens und der bekannten
Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist es ebenfalls wie bei der vorhergehend
beschriebenen gleichartigen Einrichtung schwer, die Störaktivität der langlebigeren
Isotope beim Bestimmen der kurzlebigeren Isotope, die bei der Bestrahlung der Substanzprobe
mit radioaktiven Teilchen entstehen, zu berücksichtigen.
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Wichtig ist auch, daß infolge dessen, daß die Bestrahlung der Substanzprobe
und die Bestimmung der induzierten Radioaktivität in speziellen Kammern mit einem
großen Volumen durchs geführt wird, es unmöglich ist, die Substanzprobe- in einer
kuren Zeit von der Strahlungsquelle zum Strahlungsdetektor zu beförderen. Dieser
Umstand macht eine Bestimmung von Stoffen, die radioaktive Isotope mit kleinen Halbwertzeiten
bilden, unmotlich.
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Außerdem ist dieses Verfahren und die Einrichtung zu seiner Durchführung
nur für flüssige Substanzen und für schüttbare Substanzen in Flüssigkeiten verwendbar
und für die Analyse fester Substanzen untauglich.
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Bekannt ist; ein Verfahren der Analyse von Folien durch Radioisotope
(siehe US-PS 3423586 Kl. 250-83.1). Das Wesen dieses Verfahrens besteht im folgenden.
Die Analyseaprobe CMetallfolie) wird mit radioaktiven Teilchen bestrahlt. Hiernach
wird die Probe in Drehung gesetzt und während dieser
Drehung wird
die induzierte Radioaktivität der bei der Bestrahlung der Probe entstehenden Isotope
gemessen. Nach den Ergebnissen der Messung wird auf die qualitative und quantitative
Zusammensetzung der Probe geschlossen.
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Die Einrichtung zur Durchführung - dieses Verfahrens beinhaltet eine
Strahlungsquelle sowie eine Einrichtung zum Anordnen der zu bestimmten Probe und
einen Detektor der induzierten Radioaktivität, die in Richtung der radioaktiven
Strahluna in Reihe angeordnet sind. Als Strahlungsquelle wird ein Kernreaktor verwendet.
Die Einrichtung zum Anordnen der Probe ist in Form einer Scheibe ausgebildet.
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Die zu analysierenden Bolienwerden zuerst in einen Eernreaktor eingesetzt,
wo sie mit radioaktiven Teilchen während einer bestimmten Zeitspanne bestrahlt werden.
Hiernach werden die Folien aus dem Kernreaktor herausgenommen, auf der Scheibe angeordnet
und in unmittelbarer Nähe des Detektors der induzierten Radioaktivität gedreht.
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Aber die Zeit zum Befördern der Folien aus dem Kernreaktor und zum
Anordnen dieser Folien auf der Scheibe ist erheblich und beträgt gemäß dem Patent
5-10 L§inuten. Dieser Umstand macht wiederum eine Analyse von Substanzen unmöglich,
die radioaktive Isotope mit kleinen Halbwertzeiten bilden.
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Außerdem geben das bekannte Verfahren und die Einrichtung zu seiner
Durchführung keine hiöglichkeit-für die Berücksichtigung der Störaktivität der langlebigeren
Isotope bei der Bestimmung kurzlebigeren Isotope.
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Somit geben sämtliche vorstehend beschriebene Verfahren und Einrichtungen
zur Durchführung dieser Verfahren keine Möglichkeit zur Durchführung der qualitativen
Analyse der Substanzprobe mit Hilfe mehrerer radioaktiver Isotope mit verschiedenen
Halbwertzeiten und gestatten es nicht, die Substanzen durch kurzlebige Isotope zu
bestimmen.
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Das Ziel der vorliegenden erfindung besteht im Beheben der angeführten
Mängel.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zur Analyse der Zusammensetzung von Substanzproben durch radioaktive Isotope zu
entwickeln,und eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen,
bei denen die Drehung der Probe derart bewerkstelligt wird, daß die Beeinflussung
der Meßergebnisse bei der Analyse des zu bestimmenden Isotops durch die Stö.raktivität
der Isotope, die in der Probe anwesend sind aber zur Zeit nicht bestimmt werden,
ausgeschlossen ist.
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Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei dem Verfahren
zur Analyse der Zusammensetzung der Substanzprobe durch radioaktive Isotope, das
die Operationen Bestrahlung der Probe mit radioaktiven Teilchen, Messung wahrend
der Drehung der Probe der induzierten Radioaktivität der infolge der Bestrahlung
der Probe entstandenen radioaktiven Isotope und Schätzung anhand der Meßergebnisse
der induzierten Xadioaktivität der qualitativen und/oder quantitativen Zusammensetzung
der Substanzborben beinhaltet, erfindungsgemaß ebenfalls während
der
Drehung der Probe die Bestrahlung dieser Probe durchgeführt wird, wobei die Bestrahlung
der Probe mindestens bei mvei unterschiedlichen Drehgeschwindigkeiten dieser Probe
erfolot, von denen die eine Drehgeschwindigkeit derart gewählt wird, daß ein Akt;ivierungseffekt
durch das Isotop der zu bestimmenden Substanz verhanden ist und die anderen Drehgeschwindigkeiten
derart gewählt werden, daß ein Åktivierungseffekt durch das Isotop der zu bestimmenden
Substanz praktisch nicht vorhanden ist, und hierbei die induzierte Radioaktivität
jedesmal bei derselben Drehgeschwindigkeit der Probe gemessen wird, bei der die
Bestrahlung dieser Probe erfolgt.
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Die gestellte Aufgabe wird auch dadurch gelöst, daß in der Einrichtung
zur Durchführung des Verfahrens, die eine Strahlutlgsquelle sowie eine Minrichtung
zum Anordnen der Substanzproben und einen Detektor der induzierten Radioaktivität,
die in Richtung der Strahlung in Reihe angeordnet sind, und auch einen Antrieb,
der die Einrichtung zum Anordnen der Proben dreht, beinhaltet, erfindungsgemaß die
Strahlungsquelle und der Detektor in bezug auf die Einrichtung zum Anordnen der
Proben, die durch den Antrieb mit veränderlicher Drehgeschwindigkeit in Drehung
gesetzt wird, derart angeordnet werden, daß die Bestrahlung der Substanzprobe und
das Messen der induzierten Radioaktivität der infolge d.er Bestrahlung fntstehenden
Radioisotope während der Drehung der Einrichtung zum Anordnen der Probe gewährleistet
ist.
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Der Vorteil des erfindungsgemaßen Verfahrens zur Analyse der Zusammensetzung
einer Substanzprobe durch radioaktive Isotope und der Einrichtung zur Durchführung
dieses Werfahrens besteht in der Löglichkeit einer Berücksichtigung der Beeinflussung
der Störaktivität, die durch die induzierte Aktivität der Isotope, die zur Zeit
nicht bestimmt werden sollen, bedingt wird, der Meßergebnisse der induzierten Radioaktivität
des zu bestimmenden Isotops.
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Ein anderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Einrichtung
zu seiner Durchführung besteht in der Möglichkeit der Analyse von Substanzen, die
bei der Bestrahlung dieser Substanzen mit radioaktiven Teilchen Isotope mit geringen
Halbvxertzeiten bilden.
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Es ist zweckmäßig, daß die Bestrahlung der Substanzprobe zuerst bei
einer solchen Drehgeschwindigkeit durchgeführt wird, bei der ein Aktivierungseffekt
durch das Isotop der zu bestimmenden Substanz vorhanden ist, und hiernach bei einer
Drehgeschwindigkeit, bei der der Aktivierungseffekt praktisch nicht vorhanden ist.
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Der vorteil der erfindungsgemäßen Aufeinanderfolge des Verfahrens
zur Analyse der Zusammensetzung der Substanzprobe durch radioaktive Isotope besteht
in der Möglichkeit einer möglichst vollständigen Berücksichtigung der Einwirkung
der Störaktivität der langlebigen Isotope, die sich in der Probe bilden, während
der Messung der induzierten Radioaktivität der kurzlebigeren Isotope.
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Es ist zweckmäßig, daß die Zahl der Drehgeschwindigkeiten, bei denen
die Bestrahlung der Proben erfolgt, gleich bzw größer als die Zahl der Isotope gewählt
wird, deren induzierte Radioaktivität zu messen ist.
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Die angeführte Einschränkung gewährleistet die Wahl der erforderliche
Zahl der Drehgeschwindigkeiten bei der Analyse mehrerer Substanzen, die bei der
Bestrahlung mit radioaktiven Strahlen Isotope mit unterschiedlichen Halbwertzeiten
bilden.
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Es ist zweckmäßig, daß die Einrichtung zum Anordnen der Probe zwei
zylinderförmige Kassetten enthält, die derart mit Luftspalten übereinander angeordnet
sind, daß sie eine gemeinsame Drehachse besitzen und im Luftspalt zwischen diesen
Kassetten die Strahlungsquelle und der Detektor der induzierten Radioaktivität angeordnet
werden.
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Die Herstellung der Einrichtung zum Anordnen der Probe auf die angeführte
Art und Weise und die Anordnung der Strahlungsquelle und des Detektors der Radioaktivität
in dem hierbei entstehenden Luftspalt ermöglicht eine vollständigere Ausnutzung
der Strahlung der Strahlungsquelle beim Bestrahlen der Substanzprobe sowie eine
genauere Messung der induzierten Radioaktivität der Isotope, die sich bei der Bestrahlung
der angeführten Substanzen bilden Bei einer anderen Ausführungsvariante der Konstruktion
beinhaltet die Einrichtung zum Anordnen der Probe zwei Kassetten, die zylinderförmige
hohle Teile darstellen und die koaxial in bezug gegeneinander mit einem Luftspalt
zwischen ihnen angeordnet
sind, wobei im Luftspalt zwischen diesen
Kassetten die Strahlungsquelle und der Detektor der induzierten Radioaktivität angeordnet
werden.
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Eine derartige Ausführung der Konstruktion gewährleistet das Ausschalten
des Fliehkrafteffekts bei der Analyse der Probe von flüssigen bzw. schüttbaren Substanzen,
wodurch letztenendes die Genauigkeit der Analyse erhöht wird.
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Im folgenden wird die vorliegende Erfindung durch die ausführliche
Beschreibung eines AusSührungsbeispiels näher erläutert, mit Bezugnahme auf die
beiliegenden Zeichnungen.
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Es zeigt: Fig. 1 das Prinzipschema der erfindungsgemäß aus geführten
Einrichtung.
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Fig. 2 eine der Modifikationen der erfindungsgemäß ausgeführten Einrichtung;
Fig. 3 eine andere Modifikation der erfindungsgemäß ausge führten Einrichtung.
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Das Verfahren zur Analyse der Substanzprobe durch radioaktive Isotope,
daß getnäß der vorliegenden Erfindung ausgeführtwird, wird am Beispiel der Untersuchung
einer Probe, in der zwei Substanzen, die bei der Bestrahlung mit radioaktiven Teilchen
Isotope mit unterschiedlichen Halbwertzeiten bilden, betrachtet. In der zu untersuchenden
Probe ist die Substanz zu bestimmen, deren Isotop eine kleinere Halbwertzeit besitzt,
als das Isotop der zweiten Substanz. Es ist augenfällig, daß beim
Messen
der induzierten Radioaktivität des Isotops mit kleinerer Halbwertzeit die induzierte
Radioaktivität des Isotops mit größerer Halbwertzeit eine Störaktivität darstellt
und diese Messung stört.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Probe, während sie
eine Drehbewegung ausführt, mit radioaktiven Teilchen bestrahlt. Infolgedessen entstehen
in der Probe, wie es vorstehend beschrieben worden war, zwei Isotope mit unterschiedlichen
Halbwertzeiten. Die während der Drehung gemessene induzierte Radioaktivität ist
von der Winkelgeschwindigkeit # abhängig.
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Beim Drehen der Probe mit der größeren Drehgeschwindigkeit #1 wird
die gesamte induzierte Radioaktivität beider isotope gemessen 1 L3 1 = 1T1 + IT2
wobei @@. -zu messende induzierte Radioaktivität bei der Dre-W1 mit hung der Drshgeschwindigkeit
#1; 1T1 - induzierte Radioaktivität des Isotops mit kleinerer Halbwertzeit; 1T2
induzierte Radioaktivität des Isotops mit größerer Halbwertzeit.
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Bei der Drehung der Probe mit der Drehgeschwindigkeit die kleiner
als # ist, hat das Isotop mit der kleinen Halbwertzeit bis zum Zeitpunkt der Messung
ausreichend Zeit, um
vollständig zu zerfallen und somit wird nur
die induzierte Radioaktivität des Isotops mit der größeren Halbwertzeit gemessen.
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1 # 2 = 1T2 wobei I#2 2 - zu messende induzierte Radioaktivität bei
der Drehung mit kleiner Drehgeschwindigkeit.
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offensichtlich wird die Winkelgescbwindigkeit #2 so gewählt, daß
der Aktivierungseffekt des Isotops mit der kleineren Halbwertzeit praktisch nicht
vorhanden ist. anders gesagt wird diese Drehgeschwindigkeit so gewählt, daß zum
Zeitpunkt der Messung der induzierten Radioaktivität dieses IsotoPs vollständig
zerfällt.
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Nach den Ergebnissen zweier Messungen wird die induzierte Radioaktivität
des Isotops mit kleiner Halbwertzeit bestimmt.
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IT1 = I#1 - I#2 Nach der Größe der induzierten Radioaktivität IT1
wird auf die Menge der zu bestimmenden Substanz in der Probe geschlossen.
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Untersuchen wir jetzt, wie das vorliegende Verfahren beim Bestimmen
mehrerer Substanzen in der Probe, die bei der radioaktiven Bestrahlung Isotope mit
unterschiedlichen Halbwertzeiten bilden, angewendet wird.
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Zuerst wird die Probe bestrahlt und es wird die induzierte Radioaktivität
der infolge der Bestrahlung bei der Drehung
mit der Winkelgeschwindigkeit
#1, bei der der Aktivierungseffekt des Isotops mit der kleinsten Halbwertzeit noch
wirksam ist, entstehenden Radioisotope gemessen.
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Im Allgemeinfall ist die gemessene induzierte Radioaktivität beim
Drehen der Probe mit der Drehgeschwindigkeit #1 gleich: I#1 + IT1 + IT2 + IT3 +
... ITn-1 +ITn wobei I# 1 - zu messende induzierte Radioaktivität bei der Drehung
mit der Drehgeschwindigkeit IT1 -induzierte Radioaktivität des Isotops mit der Halbwertzeit
Tl; IT2 - induzierte Radioaktivität des Isotops mit der Halbwertzeit T2; IT3 - induzierte
Radioaktivität des Radioisotops mit der Halbwertzeit T3; ITn-1 -induzierte Radioaktivität
des Radioisotops mit der Halbwertzeit T n-1 Tn - induzierte Radioaktivität des Radioisotops
mit der Halbwertzeit Tn.
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Hierbei ist die Halbwertzeit T1 die kleinste und die Halbwertzeit
Ta die größte.
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Es ist offensichtlich, daß beim Messen der induzierten Radioaktivität
des Radioisotops, mit der Halbwertzeit T1 (TT1) die induzierte Radioaktivität sämtlicher
anderer Radioisotops
dIT2' IT3,..., ITn-1' ITn die Störaktivität
darstellt, die diese Messung stört.
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Bei der Drehung der Probe mit der Drehgeschwindigkeit #1 wird die
gesamte induzierte Radioaktivität sämtlicher Isotope gemessen.
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Hiernach wird die Probe mit der Drehgeschwindigkeit die kleiner ist
als D1 gedreht. Die Winkelgeschwindigkeit #2 wird derart gewählt, daß zum Zeitpunkt
der Messung der induzierten Radioaktivität dQs Isotop mit der Halbwertzeit T1 vollständig
zerfallen ist.
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Bei der Drehung der Probe mit der Drehgeschwindigkeit #2 ist die
zu messende induzierte Radioaktivität I #2 gleich: I#2 = IT2 + IT3 + ... ITn-1 +
ITn Nach den Ergebnissen zweier Messungen wird die induzierte Radioaktivität I des
Radioisotops mit der Halbwertzeit T1 bestimmt.
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IT1 = I#1 - I#2.
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Hiernach wird die Probe mit der Drehgeschwindigkeit #3 gedreht, die
kleiner als #@ ist. Die Winkelgeschwindigkeit 2 #3 wird derart gewählt, daß zum
Zeitpunkt der Messung der induzierten Radioaktivität das Radioisotop mit der Halbwertzeit
T2 vollständig zerfällt. Bei der Drehung der Probe mit der Drehgeschwindigkeit Cd
ergibt sich die induzierte Radioaktivität 3 I#3 zu: I#3 + IT3 + ... + ITn-1 + ITn.
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Aus der Differenz der induzierten Radioaktivität I # 2 und der induzierten
Radioaktivität 1 13 wird die induzierte Radioaktivität 1T2 des Radioisotops mit
der Halbwertzeit T2 bestimmt.
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Zur Bestimmung des Radioisotops mit der Halbwertzeit Tn-1 wird die
Probe zuerst mit der Drehgeschwindigkeit #n-1 gedreht, Bei der Drehung mit der Drehgeschwindigkeit
#n-1 ergibt sich die induzierte Radioaktivität I#n-1 zu: I#n-1 + ITn-1 + ITn.
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Hiernach wird die Probe mit der Drehgeschwindigkeit 6dn gedreht,
die kleiner als M n-1 ist. Bei der Drehung der Probe mit der Drehgeschwindigkeit
#n ergibt sich die zu messende induzierte Radioaktivität zu: I#n = ITn.
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Das erklärt sich dadurch, daß die Winkelgeschwindigkeit aus der Bedingung
gewählt wird, daß zum Zeitpunkt der Messung der induzierten Radioaktivität das Isotop
mit der Halbwerüzeit Nn-1 Zeit für den-vollständigen Zerfall hat.
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Aus der Differenz zwischen der induzierten Radioaktivität I#n-1 und
der induzierten Radioaktivität I#n wird die gesuchte induzierte Radioaktivität ITn-1
bestimmt.
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Nach den Messergebnissen der induzierten Radioaktivität jedes der
Isotope, die bei der Bestrahlung der Probe entstehen, wird auf die qualitative und
quantitative Zusammensetzung der Substansprobe geschlossen.
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Aus dem untersuchten Beispiel ist ersichtlich, daß beim
Bestimmen
des Isotops n-1 die zu untersuchende Probe mit n Drehgeschwindigkeiten gedreht werden
muß, d.h. daß die Zahl der Drehgeschwindigkeiten, bei denen die Probe bestrahlt
und die induzierte Radioaktivität der infolge der Bestrahlung entstehenden Radioisotope
gemessen wird, um eine Eins größer ist als die Zahl der zu bestimmenden Radioisotope.
Falls aber n Radioisotope bestimmt werden sollen, ist offensichtlich, daß es genügt,
die Probe ebenfalls mit n Drehgeschwindigkeiten zu drehen, da bei der Drehung der
Probe mit der Drehgeschwindigkeit W schon ein Akt ivierungs effekt des Isotops mit
der Halbwertn zeit Tn (ion) vorhanden ist.
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Die vorstehend angeführten Uberlegungen treffen bei der Bestimmung
der Mindestzahl der Drehgeschwindigkeiten zu. In gewissen Fällen ist es zur Erhöhung
der Meßgenauigkeit zweckmäßig, die Zahl der Drehgeschv';indigkeiten der Probe zu
vergrößern.
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Betrachten wir das Verfahren zur Analyse der Zusammensetzung einer
Substanzprobe durch radioaktive Isotope, das entsprechend der vorliegenden Erfindung
durchgeführt wird, am Beispiel der Bestimmung von Fluor und Beryllium in einer Probe,
die eine Mischung aus Quarzsand SiO2, Berylliumoxyd BeO und Calciumfluorid CaF2
enthält.
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Die zu analysierende Probe wird mit radioaktiven Teilchen (schnelle
Neutronen) bestrahlt und es wird zuerst die induzierte Radioaktivität bei der Drehgeschwindigkeit
#1 = O, U/s gemessen. Bei der Bestrahlung der Probe mit schnellen Neutronen
laufen
in dieser Probe folgende Kernrcaktionen ab.
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Beim Einfangen der schnellen Neutronen durch Berylliumkerne entsteht
das radioaktive Isotop Helium-6 nach der Reaktionsgleichung: Be9(n, oC ) He Die
Halbwertzeit des Isotops Helium-6 (21) beträgt 0,85 5.
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Beim Einfang der schnellen Neutronen durch Fluorkerne entsteht das
radioaktive Isotop Stickstoff-16 nach ddr Reaktionsgleichung: F19 (n, OL ) N16 Die
Halbwertzeit des Isotops Stickstoff-16 (T2) beträgt 7,35 s.
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Beim Einfang der schnellen Neutronen durch Siliziumkerne entsteht
das radioaktive Isotop Aluminium-28 nach der Reaktionsgleichung: Si28 (n, p) Ä128.
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Die Halbwertzeit des Isotops Aluminium-28 (T3) beträgt 2,3 min.
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Bei der Drehung der Probe mit der Drehgeschwindigkeit # 1 0,5 U/s
wird die gesamte induzierte Radioaktivität aller drei Isotope gemessen I#1 = IT1
+ IT2 + IT3 wobei I#1 - zu messende induzierte Radioaktivität bei der Drehang mit
der Drehgeschwindigkeit #1;
IT1 - induzierte Radioaktivität des
Isotops Helium-6; IT2 - induziorto Radioaktivität des Isotops Stickstoff-16; IT3
- induzierte Radioaktivität des Isotops Aluminium-28.
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Hiernach wird die Drehgeschwindigkeit der Probe bis auf den Wert
von #2 = 0,2 U/s reduziert.
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Bei der Drehung der Probe mit der Drehgeschwindigkeit GS 2 wird die
induzierte Radioaktivität der Isotope Stickstoff-16 und Aluminium-28 gemessen, da
zum Zeitpunkt der Messung das Isotop Helium-6 praktisch vollstandig zerfällt: I#2
+ IT2 +IT3 wobei I M2 - zu messende induzierte Radioaktivität bei der Dre-2 hung
mit der Drehgeschwindigkeit #2.
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Aus der Differenz zwischen I#1 und I#2 wird die induzierte Radioaktivität
des Isotops Helium-6 bestimmt.
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Hiernach wird die Drehgeschwindigkeit der Probe bis auf den Wert
von # 3 = 0,01 U/s reduziert.
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Bei der Drehung der Probe mit der Drehgeschwindigkeit a7 3 wird die
induzierte Radioaktivität nur des Isotops Aluminium-28 gemessen da zum Zeitpunkt
der Messung das Isotop Stickstoff-16 ebenfalls Zeit hat, vollständig zu- '¢erfallen:
I#3 + IT3 wobei I GJ3 - zu messende induzierte Radioaktivität bei der Drehung mit
der Drehgeschwindigkeit #3.
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Aus der Differenz I#2 - I#3 wird die induzierte Radioaktivität des
Isotops Stickstoff-16 (IT2) bestimmt.
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Wie vorstehend gezeigt, ist die induzierte Radioaktivität des Isotops
Aluminium-28 gleich der zu messenden induzierten Radioaktivität bei der Drehung
der Probe mit der Drehgeschwindigkeit cJ 3 Die induzierte Radioaktivität I wird
durch die Zahl der registrierten Impulse bestimmt.
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In Tabelle 1 ist die Zahl der registrierten Impulse in Abhängigkeit
von der Drehgeschwindigkeit der Probe angefübrt.
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Tabelle 1.
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M (U/s) I (Einheiten) #1 = 0,5 3600 #2 = 0,2 2600 = - 0,01 1600 Bs
ist bekannt, daß bei der Bestrahlung mit schnellen Neutronen einer Standardprobe,
die 2% Beryllium und 3% Fluor enthält, eine induzierte Radioaktivität gemessen wird,
bei der entsprechend auf Beryllium 2000 Impulse und auf Fluor 3000 Impule entfallen.
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Durch die Gegenüberstellung der Meßergebnisse der Zahl der Impulse
der Standard- und der zu bestimmenden Probe ergibt sich, daß die zu bestimmende
Probe 1% Beryllium und 1% Fluor enthält.
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Die Einrichtung zur Dürchführung des Verfahrens, die
gemäß
der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist, beinhaltet eine Strahlungsquelle 1 (Fig.
1), sowie eine Einrichtung 2 zum Anordnen der Substansproben, die mit einem Drehantrieb
3 zusammengekuppelt ist, und einen Detektor 4 der induzierten Radioaktivität, die
in Richtung der Strahlung in Reihe hintereinander angeordnet sind. Die Strahlungsquelle
1 und der Detektor 4 sind gegenüber der Einrichtung 2 zum Anordnen der Probe, die
durch den Antrieb 3 in Drehung gesetzt wird, derart angeordnet, daß die Bestrahlung
der Substanzprobe und die Messung der induzierten Radioaktivität der infolge der
Bestrahlung entstehenden Isotope während der Drehbewegung der Einrichtung 2 zum
Anordnen der Probe gewahrleistet wird. Der Antrieb 3 ist mit schaltbarer Drehgeschwindigkeit
ausgeführt.
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Außerdem beinhaltet die erfindungsgemäße Einrichtung einen Schirm
5, der zum Schutz des Detektors 4 gegen der Strahlung der Strahlungsquelle 1 bestimmt
ist, einen Aktivator 6, in welchem die Strahlungsquelle 1 untergebracht ist sowie
ein Schutzgehäuse 7, in welchem der Detektor 4 eingebaut ist. Der Aktivator 6 ist
mit Hilfe eines Tragarms 8 auf der Stütze 9 xnd das Schutzgehäuse 7 mit Hilfe eines
Tragarms 10 auf der Stütze 11 befestigt. Die Stützen 9 und 11 stehen auf der Grundplatte
12. Die Einrichtung 2 zum Anordnen der Probe, die in Form eines geschlossenen Förderbands
ausgeführt ist, ist durch eine Zwinge 13 auf dem Rahmen 14 befestigt, die mit dem
Antrieb 3 für die Drehbewegung zusammengekuppelt ist. DWr Antrieb 3
der
Drehbewegung besteht aus einem Elektromotor 15, der über eine Übersetzung 16 mit
einem Mehrstufengetriebe 17 zusanmengekuppelt ist. Die unmittelbare Kupplung des
Drehantriebs 3 mit dem Rahmen 14 erfolgt über eine Welle 1&. Die Grundplatte
12 ist auf Stützen 19 angeordnet.
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Bei der in Fig. 2 veranschaulichten Modifikation der Bbfindung beinhaltet
die Einrichtung 2 zum Anordnen der Probe zwei zylinderförmige Kassetten 20 und 21,
die eine über der anderen mit einem Luftspalt zwischen ihnen derart angeordnet sind,
daß sie eine gemeinsame Drehachse besitzen. Die im M tivator 6 eingebaute Strahlungsquelle
1 und der im Gehäuse 7 eingebaute Detektor 4 der induzierten Radioaktivität sind
im Luftspalt 22 angeordnet. Die Kassetten 20 und 21 sind auf dem Rahmen 23 mit Hilfe
einer Zwinge 24 befestigt.
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Bei der in Fig. 3 veranschaulichten hlodifikation der Erfin dung
beinhaltet die Einrichtung 2 zum Anordnen der Substanzprobe Kassetten 25 und 26,
die koaxial und mit einem Luftspalt 27 zwischen ihnen angeordnete hohle zylinderförmige
Teile darstellen. Die im Aktivator 6 eingesetzte Strahlungsquelle 1 und der im Schutzgehäuse
7 eingebaute Detektor 4 der induzierten Radioaktivität sind im Luftspalt 27 angeordnet.
Die Kassetten 25 und 26 sind auf dem Rahmen 28 mit Hilfe einer Zwinge 29 befestigt.
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Die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführte Einrichtung funktioniert
wie folgt.
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Die zu bestimmende Substanzprobe wird in der Einrichtung
2
(Fig. 1) angeordnet. Hiernach wird der Elektromotor 15 eingeschaltet, infolgedessen
der Rahmen 14 gemeinsam mit der auf diesem Rahmen befestigten Einrichtung 2 zum
Anordnen der Probe in Drehung gesetzt wird. Im Augenblick, wenn die Einrichtung
2 unter der Strahlungsquelle 1 vorbeigeht, wird die Probe mi radioaktiven Teilchen
bestrahlt. Die Drehgeschwindigkeit wird zuerst derart gewählt, daß beim Durchgang
der Einrichtung 2 unter dem Detektor 4 der Aktivierungseffekt des zu bestimmenden
Isotops noch vorhanden ist. Mit Hilfe des Detektors 4 wird die induzierte Radioaktivität
der entstandenen Radioisotope gemessen. Hiernach wird mit Hilfe des Getriebes 16
die Drebgeschwin digkeit der Einrichtung 2 zum Anordnen der Probe geändert, und
die Bestrahlung der Probe durch die Strahlungsquelle 1 und die Messung der induzierten
Radioaktivität mit dem Detektor 4 wird bei veränderter Drehgeschwindigkeit der Einrichtung
2 durchgeführt. Die Größe der veränderten Drehgeschwindigkeit der Einrichtung 2
entspricht einem Drehgeschwindigkeitswert, bei dem der Aktivierungseffekt des zu
bestimmenden Isotops praktisch nicht vorhanden ist. Nach den Ergewnissen zweier
Messungen, die mit dem Detektor 4 durchgeführt worden sind, wird auf die Menge der
zu bestimmenden Substanz in der Probe geschlossen.
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Wenn mehrere Substanzen, deren Radioisotope unterschiedliche Halbwertzeiten
aufweisen, zu bestimmen sind, wird mit Hilfe des Getriebes 16 die Drehgeschwindigkeit
der Einrichtung 2 zum Anordnen der Probe entsprechend sovielmal entsprechend der
vorstehend
angeführten Bedingung umgeschaltet.
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Falls zum Erzielen einer statischen Zuverlässigkeit die Bestrahlung
und die Messung der induzierten Radioaktivität ein und desselben Isotops mehrmals
durchgeführt werden muß, wird die Einrichtung 2 zum Anordnen der Probe mit ein und
derselben Drehgeschwindigkeit die erforderliche l£alzahl gedreht, wodurch die Einrichtung
2 unter der Strahlungsquelle 1 und unter dem Detektor 4 die erforderliche Malzahl
vorübergeht. In diesem Falle ist aber die Drehgeschwindigkeit derart .u wählens
daß der Aktivierungseffe.kt des zu bestimmenden Isotops über die gesamte Dauer der
Drehung aufrecht erhalten bleibt.
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Bei der in Fig. 2 veranschaulichten Modifikation ist eine Ausführungsvariante
der Einrichtung 2 dargestellt, die zur -höhung der Effektivität der Ausnutzung der
Strahlung der Strahlungsquelle 1 und der Effektivität der Registrierung der induzierten
Radioaktivität mit dem Detektor 4 bestimmt ist. Im allgemeinen verläuft die Funktion
dieser Modifikation der Eonstruktion wie vorstehend beschrieben. Der Unterschied
besteht darin, daß bei der Drehung des Rahmens 23 gleichzeitig zwei Kassetten 20
und 21 in Drehung gesetzt werden, wodurch mit den radioaktiven Teilchen der Strahlungsquelle
1 gleichzeitig Proben bestrahlt werden, die wie in Kassette 20 als auch in Kassette
22 untergebracht sind. Ebenfalls wird gleichzeitig die induzierte Radioaktivität
der Proben, die in den Kassetten 20 und 21 untergebracht sind, mit dem Detektor
4 gemessen.
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Bei der in Fig. 3 veranschaulichten I.Todifikation ist eine Ausführungsvariante
der Einrichtung 2 dargestellt, die zur Bestimmung von in ihrer Dichte nicht gleichförmigen
flüssigen Proben oder schütübaren Proben bestimmt ist. Im alge; meinen arbeitet
diese Modifikation der Einrichtung auf die gleiche Art und Weise ale die in Fig.
1 veranschaulichte Modifikation, Der Unterschied besteht darin, daß bei der Drehung
mit großer Drehgeschwindigkeit flüssiger bzw. schüttbarer Proben Teilchen mit einer
größeren Masse anstreben, sich vom Drehpunkt zu entfernen. Infolgedessen entfernen
sich die in der Kassette 25 befindlichen schvlereren Teilchen von der Strahlungsquelle
1 und dem Detektor 4, während die schwereren Teilchen, die sich. in der Kassette
26 befinden, zur Strahlullgsquelle 1 und zum Detektor 4 wandern.
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Entsprechend näheren sich die in der Kassette 25 befindenden leichteren
Teilchen der Strahlungsquelle 1 und dem Detektor 4, während die sich in der Kassette
26 befindenden leichteren Teilchen von der Strahlungsquelle 1 und dem Detektor 4
weg wandern. Infolgedessen wird der bei der Drehung der Kassetten in Erscheinung
tretende Fliehkrafteffekt praktisch die Bestrahlung der Proben und die Messung der
induzierten Radioaktivität der infolge der Bestrahlung entstandenen Radioisotope
nicht beeinflussen.
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Betrachten wird die Funktion der erfindungsgemäßen Einrichtung am
Beispiel der Bestimmung des Berylliumgehalts in einer Probe, die Quarzsand und Berylliumoxyd
(SiO2 und BeO)
enthält. Die zu bestimmende Probe wird in die Einrichtung
2 (Fig. 1) geschüttet. Hiernach wird der Elektromotor 15 eingeschaltet, wodurch
. der Rahmen 14 gemeinsam mit der auf diesem Rahmen befestigten Einrichtung 2 zum
anordnen der Probe gedreht wird. anfänglich wird die Einrichtung 2 mit der Drehgeschwindigkeit
von 0,5 U/s gedreht. Im Augenblick, wenn die Einrichtung 2 unter der Strahlungsquelle
1 vorübergeht, wird die Probe mit radioaktiven Teilchen (Neutronen) bestrahlt, wodurch
sich in der Probe zwei radioaktive Isotope - Helium-6 mit einer Halbwertzeit von
0,85 s und Aluminium-28 mit einer Halbwertzeit von 2,3 min. bilden. Bei d.er Drehung
der Einrichtung 2 mit der Drehgeschwindigkeit von 0>5 U/s mit der Detektor 4
die induzierte Radioaktivität beider radioaktiver Isotope. Hiernach wird mit Hilfe
des Getriebes 16 die Drehgeschwindigkeit bis auf den \,Tert von 0,01 U/s reduziert.
Bei der Drehung mit der Drehg.eschwindigkeit von 0,01 U/s mißt der Detektor 4 nur
die induzierte Radioaktivität des Isotops Aluminium-28, da zu diesem Zeitpunkt das
Lsotop Helium-6 praktisch vollständig zerfällt. Aus den irt gebnissen zweier Messungen,
die durch den Detektor durch führt worden sind, bestimmt man den Wert der induzierten
Radioaktivität, die auf das Isotop Helium-6 entfällt, vergleicht diesen Wert mit
Messungen der Standardprobe und errechnet die Berylliummenge in der Probe.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die Einrichtung zur
Verwirklichung
dieses -ferfahrens gewährleisten: - Berücksichtigung der Beeinflussung der Meßcrgebnisse
der indusicrten Radioaktivität des zu bestimmenden Radioisotops durch die induzierte
Störaktivität von Isotopen, die nicht zu bestimmen sind; - Analyse von Substanzen,
die bei der Bestrahlung mit radioaktiven Teilchen Radioisotope mit einem kleinen
Halbwertzeit bilden.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung ist einfach in der Herstellung und
ermöglicht außerdem: - eine vollständiger Ausnutzung der Strahlung der Strahlungsquelle
beim Bestrahlen der Substanzproben mit radioaktiven Teilchens sowie eine genauere
Messung der induzierten Radioaktivität von Isotopen, die beim Bestrahlen der besagten
Substanz entstehen; - ein Ausschalten der Wirkung des Fliehkrafteffekts, der bei
der Analyse von Proben flüssiger bzw. schübtbarer Substanzen zustande kommt.