Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung hat eine Ionisationskammer
mit hoher Empfindlichkeit für Gammastrahlung zum Gegenstand. Sie
findet Anwendung auf den Gebieten der Kernreaktoren und der
Wiederaufbereitungs anlagen von Kernbrennstoffen.
Stand der Technik
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Bei Anlagen mit Kernreaktoren sowie in
Wiederaufarbeitungsanlagen ist es generell notwendig, die
Gammastrahlungsmenge zu kennen, die ein bestimmtes Milieu bzw. Medium dieser
Anlagen durchqueren kann. Dazu werden bekanntlich Meßstationen
benutzt, die die Methode der Gammadensitometrie anwenden. Diese
Methode besteht darin, auf einer Seite des zu untersuchenden
Mediums eine Gammastrahlungsquelle anzuordnen und auf der anderen
Seite einen Detektor, der die Gammastrahlungsmenge messen kann,
die dieses Medium durchquert hat. Diese Gammadensitometrie-Methode
ermöglicht, physikalische Parameter zu bewerten, wie z.B. den
Vakuumprozentsatz bzw. Leeregrad im heißen Zweig eines
Druckwasserreaktors oder auch die Masse schwerer Kerne in den
Lösungsbehältern einer Wiederaufbereitungsanlage.
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Um eine solche Methode anzuwenden, sind die im
allgemeinen benutzten Gammastrahlungsquellen Zäsiumquellen oder
Kobaltquellen. Daher hat die zu detektierende Gammastrahlung eine
Energie von ungefähr 661 keV bei einer Zäsiumquelle und ungefähr
1170 bis 1300 keV bei einer Kobaltquelle. Der zu detektierende
Gammastrahlungs-Energiebereich ist also enthalten zwischen 500 und
1 500 keV.
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Außerdem ist bei diesen Gammastrahlmessungen häufig ein
Grundgeräusch vorhanden. Dieses Grundgeräusch ist im Falle von
Wiederaufbereitungsanlagen die Auswirkung der durch die
Auflösungslösung ausgestrahlten Gammastrahlen. Im Falle einer
Kernreaktoranlage ist dieses Grundgeräusch zurückzuführen auf die
verschiedenen
Aktivierungsprodukte des betreffenden Mediums. Die
Energie eines solchen Grundgeräusches ist in der Größenordnung von
80 bis 100 keV.
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Um diese Methode der Gammadensitometrie anzuwenden,
werden bekanntlich als Meßstationen Ionisationskammern benutzt,
beschrieben z.B. in dem Werk des Titels "Capteurs en
instrumentation industrielle", Seiten 693 bis 699, herausgegeben
vom DUNOD-Verlag. Solche Ionisationskammern haben den Vorteil, daß
man sie in menschenfeindlicher Umgebung installieren kann, wo sehr
hohe Temperaturen, eine hohe Dosisleistung, ein hoher
Kontaminationsgrad, Korrosion usw. herrschen.
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Dem Fachmann sind zahlreiche Typen von
Ionisationskammern bekannt.
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Einer dieser Typen ist eine Ionisationskammer, die
zylindrische Gehäuse enthält, gefüllt mit Luft mit atmosphärischem
Druck, in denen das Anlegen einer hohen Spannung an eine zentrale
Elektrode die Herstellung eines elektrischen Feldes ermöglicht,
dank dem die durch die Ionisation der Luft erzeugten Ionen auf der
Elektrode gesammelt werden.
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Ein anderer Ionisationskammertyp besteht aus einem
zylindrischen Behälter, hergestellt aus Inox und gefüllt mit auf
einen Druck von 7 Bar gebrachtem Xenon. Diese Kammer umfaßt zwei
zylindrische und koaxiale Elektroden, angeordnet in dem Behälter.
Diese Elektroden sind elektrisch isoliert und ermöglichen die
Erzeugung eines elektrischen Felds zwischen sich. Der Durchgang
ionisierender Teilchen durch dieses elektrische Feld erzeugt
Ionen, die durch die Elektroden gesammelt werden.
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Eine Ionisationskammer dieses Typs wird beschrieben in
dem Detektorenkatalog von PHILIPS PHOTONIQUE.
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Eine solche Kammer hat eine Gammastrahlungs-
Detektionseffizienz von ungefähr 5.10&supmin;&sup8;A/Gy/h bei einer
Kobaltquelle. Außerdem weist die Energie-Kennlinie C1, dargestellt in
einem logarithmischen Maßstab in der beigefügten Figur 1, ein
Leistungsmaximum bei ungefähr 100 keV auf, was sich im
wesentlichen erklären läßt durch den starken
Ionisationswirkungsquerschnitt des Xenons auf dem Gebiet der photoelektrischen
Wechselwirkung Gamma/Marterie von 50 bis 400 keV.
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Außerdem, wenn man ein Effizienzverhältnis RE definiert
als das Verhältis aus dem einer Gammastrahlungsenergie zwischen
500 und 1 500 keV entsprechenden Nutzsignal und dem Grundgeräusch,
das einer Gammastrahlungsenergie in der Größenordnung 80 bis 100
keV entspricht, ist dieser Effizienzsfaktor RE:
E Nutzsignal
E Grundgeräusch
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wo die Energie des Nutzsignals (E Nutzsignal) bei der Ablesung in
Figur 1 auf ungefähr 2,5.10&supmin;&sup6;A/Gy/h geschätzt wird und die Energie
W des Grundgeräusches (E Grundgeräusch) auf ungefähr 5.10&supmin;&sup8;A/Gy/h.
Exosé der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, die oben
genannten Nachteile zu beseitigen und zu ermöglichen, das
Effizienzverhältnis deutlich zu verbessern.
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Genauer hat die Erfindung eine Ionisationskammer für
die Detektion von Gammastrahlung zum Gegenstand, umfassend:
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- einen mit einem Gas gefüllten Behälter, und
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- zwei Elektroden, im Innern des Behälters befindlich,
wobei diese Elektroden elektrisch isoliert und voneinander
getrennt sind, um zwischen sich ein elektrisches Feld zu erzeugen
und in diesem Feld den Durchgang von ionisierenden, Ionen
erzeugenden Teilchen zu ermöglichen, die durch die genannten Elektroden
gesammelt werden können.
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Sie ist gekennzeichnet durch die Tatsache, daß das Gas,
das den Behälter füllt, Argon ist, mit einen Druck im wesentlichen
zwischen 5 und 10 Bar.
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Vorteilhafterweise umfaßt der Behälter eine Außenwand
aus Aluminium, auf ihrer Innenseite mit Blei beschichtet und
fähig, Photonen mit einer Energie von weniger als 100 keV zu
absorbieren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Figur 1, schon beschrieben, zeigt die Energie-Kennlinie
einer Ionisationskammer der vorhergehenden Technik;
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die Figur 2 zeigt schematisch eine Schnittansicht einer
erfindungsgemäßen Ionisationskammer;
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die Figur 3 zeigt die Energie-Kennlinie einer Ionistationskammer
mit einem Inox-Behälter, der mit Argon gefüllt ist;
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die Figur 4 zeigt Energie-Kennlinien einer Ionisationskammer,
deren mit Xenon gefüllter Behälter auf seiner Innenwand mit Blei
beschichtet ist; die einzelnen Kurven entsprechen jeweils
unterschiedlichen Bleischichtdicken;
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die Figur 5 zeigt die Energie-Kennlinien der Ionisationskammer
der vorhergehenden Technik und der erfindungsgemäßen
Ionisationskammer.
Detailliertes Exposé der Ausführungsarten
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Die Figur 2 zeigt eine Schnittansicht der
erfindungsgemäßen Ionisationskammer.
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Die Gesamtstruktur dieser Kammer ist im wesentlichen
identisch mit der der vorangehenden Technik. Jedoch sind die für
ihre Herstellung verwendeten Materialien und das diese Kammer
füllende Gas verschieden von den üblicherweise verwendeten.
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Diese Ionisationskammer umfaßt also wie bei der
vorhergehenden Technik einen Behälter 1. Jedoch ist dieser Behälter
aus Aluminium hergestellt. Die Innenwand 2 dieses Behälters 1 ist
mit einer Bleischicht versehen, deren Dicke variieren kann
zwischen im wesentlichen 0,5mm und 1mm. Dieser Behälter 1 ist mit
Argon mit einem Druck gefüllt, der ungefähr 5 bis 10 Bar betragen
kann.
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Diese Ionisationskammer umfaßt außerdem zwei
Elektroden: die Hochspannungselektrode 3 und die zentrale
Elektrode 4. Diese Elektroden 3 und 4 sind zylindrisch und
koaxial. Die zentrale Elektrode 4 wird getragen von einem Halter
5. Die Hochspannungselektrode 3 (oder HT-Elektrode) wird getragen
von drei Elektrodenhaltern, untereinander um 120º versetzt in
bezug auf den zentralen Halter 5. Da die Ionisationskammer in
Figur 2 im Schnitt dargestellt ist, sind nur zwei der Halter
dieser Hochspannungselektroden 3 zu sehen. Diese Halter der HT-
Elektroden 3 sind mit 6a und 6b bezeichnet. Wie ihr Name andeutet,
ermöglichen diese Elektrodenhalter 5, 6a und 6b, die Elektroden 4
und 3 jeweils in einer festen Position innerhalb des Behälters 1
zu halten.
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Diese Elektrodenhalter 5, 6a und 6b sind aus
leitfähigen Materialien hergestellt, überzogen mit einem
isolierenden Material. Auf diese Weise können der Halter 5 und einer
der Halter 6 der HT-Elektrode 3 über eine Verbindungseinrichtung,
die in den Gewindesockel 15 des Behälters 1 eingebaut ist, mit
einer elektrischen Quelle verbunden werden. Diese
Verbindungseinrichtung sowie die elektrische Quelle sind in dieser Figur 2
aus Gründen der Vereinfachung nicht dargestellt. In Figur 2 ist es
der Halter 6b, der mit der elektrischen Quelle verbunden ist.
Dieser Halter 6b der Hochspannungselektrode 3 ist also durch den
Verbindungsdraht 7 und den Verbindungsanschluß 8 sowie die in den
Sockel 15 eingebaute Verbindungseinrichtung mit der elektrischen
Quelle verbünden. Außerdem ist der Halter 5 der zentralen
Elektrode 4 durch den Verbindungsdraht 9 verbunden mit einem
zentralen Verbindungsanschluß 10, selbst durch den
Verbindungsdraht 11 und durch den Verbindungsanschluß 12 mit der
elektrischen Quelle verbunden.
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Diese Ionisationskammer umfaßt außerdem ein
Pumpröhrchen 13, das das Füllen des Behälters 1 mit Gas ermöglicht,
d.h. mit Argon. Dieses Pumpröhrchen 13 ist durch einen Massedraht
mit dem zentralen Anschluß 10 verbunden, wobei das Pumpröhrchen
selbst an Masse liegt. Dieser Aufbau aus Verbindungsanschlüssen,
Verbindungsdrähten, Pumpröhrchen und Elektrodenhaltern ist in dem
mit 14 bezeichneten Sockel der Ionisationkammer eingeschlossen.
Dieser Sockel 14 ist auf den Behälter 1 montiert und umfaßt an
seiner Oberfläche den den Sockel bildendengewindegang 15, der
ermöglicht, die ganze Ionisationskammer an dem Medium bez. Milieu zu
befestigen, dessen Gammastrahlung man detektieren möchte, d.h. zum
Beispiel am heißen Zweig eines Druckwasserreaktors.
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An die so mit einer elektrischen Quelle verbundenen
Elektroden 4 und 3 kann Spannung gelegt werden, derart, daß eine
Gleichstrom-Potentialdifferenz sich aufbaut zwischen der zentralen
Elektrode 4 und der Hochspannungselektrode 3. Zwischen diesen
Elektroden entsteht dann ein elektrisches Feld E in dem
Gasvolumen, das sich zwischen diesen Elektroden befindet, wobei
dieses Gasvolumen Nutzvolumen genannt wird. Die einfallende
Gammastrahlung, die diesen Detektor durchquert, ionisiert das Argon,
das sich in dem Behälter 1 befindet und setzt daher elektrische
Ladungen frei, die durch die Elektroden 3 und 4 gesammelt werden.
Noch genauer bewegen sich die durch die das Argon durchquerenden
ionisierenden Teilchen freigesetzten Ionen entweder in Richtung
Hochspannungselektrode 3 oder in Richtung zentrale Elektrode 4, je
nach dem, welches Vorzeichen ihre Ladung hat.
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In Figur 3 ist die Energie-Kennlinie C2 einer
Ionisationskammer dargestellt, die aus einem identischen Material
wie die Ionisationskammer der vorhergehenden Technik hergestellt
ist, d.h. mit einem Behälter aus Inox; jedoch ist dieser Behälter
mit Argon gefüllt. Die Kurve C2, die in einem logarithmischen
Maßstab dargestellt ist, wie alle anderen Kurven der Figuren 1, 3, 4
und 5, hat den Zweck, den Vorteil zu zeigen, den ein mit Argon
gefüllter Behälter in bezug auf den mit Xenon gefüllten Behälter der
vorhergehenden Technik hat. Die Energie-Kennlinie der
Ionisationskammer der vorhergehenden Technik ist mit C1 bezeichnet und
entspricht der Kennlinie C1 der Figur 1. Die Kurve C2 ist folglich
die Energie-Kennlinie einer aus Inox hergestellten und mit Argon
gefüllten Ionisationskammer. Bei diesen Kurven C1 und C2 befinden
sich die Gase unter einem Druck von 7 Bar (für die Kurve C1) und
von 9 Bar (für die Kurve C2).
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Im Gegensatz zum Xenon ist das in der Erfindung zum
Füllen des Behälters 1 benutzte Gas, nämlich Argon, ein Gas, das
keine besonders starke Eigeneffizienz aufweist; unter
"Eigeneffizienz" versteht man die Effizienz hinsichtlich der
Anzahl erzeugter Elektronen. Das Argon ist im Gegenteil ein Gas,
das das Effizienzverhältnis RE zwischen dem das Nutzsignal
darstellenden Energiebereich von 500 bis 1 500 keV und der das
Störsignal, d.h. das Grundgeräusch darstellenden mittleren Energie
von 80 bis 100 keV optimiert. Um dieses Effizienzverhältnis RE zu
optimieren, wird das Argon auf einen Druck zwischen 5 und 10 Bar
gebracht. Bei dieser in Figur 3 dargestellten Ausführungsart wird
das Argon auf einen Druck von 9 Bar gebracht. Die Tatsache, Argon
in einer Ionisationskammer zu verwenden ermöglicht, wie
dargestellt in Figur 3, einen Strahlungsanteil mit 80-100 keV zu
erhalten, der wesentlich niedriger als der durch die
Ionisationskammer der vorhergehenden Technik produzierte 80-
100keV-Strahlungsanteil ist.
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In dieser Figur 3 sieht man nämlich, daß für einen
Energiebereich von ungefähr 80 bis 100 keV, d.h. eine dem
Grundgeräusch entsprechende Energie, die Detektionseffizienz der
Ionisationskammer, die der Kurve C2 entspricht, die Größenordnung
3.10&supmin;&sup8;A/Gy/h aufweist. Zudem, für einen zwischen 500 und 1500 keV
variierenden Energiebereich entspricht die in der Kurve C2
dargestellte Energieeffizienz ungefähr 1,5.10&supmin;A/Gy/h. Das
Effizienzverhältnis RE ist dann ungefähr:
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In Figur 4 sind die Energie-Kennlinien einer
Ionisationskammer dargestellt, deren mit Xenon gefüllter Behälter
auf seiner Innenwand mit einer Bleischicht von 0,5 beziehungsweise
1mm Dicke überzogen ist.
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In dieser Figur 4 zeigt die Kurve C1 die Energie-
Kennlinie der Ionisationskammer der vorhergehenden Technik, d.h.
der mit Xenon gefüllten Kammer, deren Behälter aus Inox
hergestellt ist. Die Kurve C3 stellt die Energie-Kennlinie einer mit
Xenon gefüllten Ionisationskammer dar, deren Behälter aus
Aluminium ist, auf seiner Innenseit überzogen mit einer Bleischicht
von 0,5mm Dicke. Die Kurve C4 stellt eine Energie-Kennlinie einer
Ionisationskammer dar, deren Behälter mit Xenon gefüllt und aus
Aluminium hergestellt ist, auf seiner Innenseite überzogen mit
einer Bleischicht von 1mm Dicke.
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Der Behälter 1, hergestellt aus Aluminum und
beschichtet mit Blei, ermöglicht eine beträchtliche Reduzierung des
mittleren Strahlungsenergieanteils der Größenordnung 80 bis 100
keV in bezug auf den Behälter der Ionisationskammer der
vorhergehenden Technik, dargestellt durch die Kurve C1. Außerdem
verändert diese Ausführung des Behälters 1 nicht wesentlich den
Gammastrahlungsenergieanteil in dem Bereich von 500 bis 1 500 keV,
d.h. daß sich die Anzahl erzeugter Elektronen kaum erhöht, da das
Blei die Eigenschaft hat, Photonen zu absorbieren, deren Energie
kleiner als 100keV ist.
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Man kann aus dieser Figur 4 also ablesen, daß für die
Kurve C3, die eine Ionisationskammer darstellt, die eine
Bleischicht der Dicke 0,5mm umfaßt, das Nutzsignal im wesentlichen dem
Wert des Nutzsignals der Kurve C1 entspricht, d.h. 5.10&supmin;&sup8;A/Gy/h
und daß das Grundgeräusch-Signal im wesentlichen gleich 3.10&supmin;&sup7;
A/Gy/h ist. Nach dieser Kurve C3 ist das Effizienzverhältnis:
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Für die Kurve C4, die die Energie-Kennlinie einer
Ionisationskammer mit einer Bleischicht der Dicke lmm darstellt,
kann man in Figur 4 ablesen, daß das Nutzsignal im wesentlichen
dem Wert des Nutzsignals der Kurve C1 entspricht, nämlich 5.10&supmin;&sup8;
A/Gy/h, und daß das Grundgeräuschsignal ungefähr 1,5.10&supmin;&sup7;A/Gy/h
beträgt. Das Effizienzverhältnis RE ist dann:
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In Figur 5 sind die Energie-Kennlinien der
Ionisationskammer der vorhergehenden Technik und erfindungsgemäßer
Ionisationskammern dargestellt, bei denen die Bleischicht des
Behälters 1 jeweils 0,5 und 1mm Dicke aufweist. Die Kurve C1 zeigt
wie in den Figuren 1, 3 und 4 die Energie-Kennlinie der
Ionisationskammer der vorhergehenden Technik. Die Kurve C5 zeigt
die Energie-Kennlinie einer erfindungsgemäßen Ionisationskammer,
deren Behälter auf seiner Innenseite mit einer Bleischicht von
0,5mm Dicke überzogen ist. Und die Kurve C6 zeigt die Energie-
Kennlinie einer erfindungsgemäßen Ionisationskammer, deren
Behälter mit einer Bleischicht von 1mm Dicke überzogen ist.
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In dieser Figur 5 kann man die Werte der Nutzsignale
und der Grundgeräuschsignale der Kurven C5 und C6 ablesen. Das
Nutzsignal ist im wesentlichen dasselbe für die Kurve C5 und die
Kurve C6; es hat einen Wert von ungefähr 1,5.10&supmin;&sup8;A/Gy/h. Das
Grundgeräusch der Kurve CS beträgt im wesentlichen 6.10&supmin;&sup9;A/Gy/h
und das Grundgeräusch der Kurve C6 beträgt ungefähr 2.10&supmin;&sup9;A/Gy/h.
Das Effizienzverhältnis RE der Kurve C5 ist folglich:
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Und das Effizienzverhältnis RE der Kurve C6 ist:
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Das Lesen dieser Figuren 1, 3, 4 und vor allem der
Figur 5 ermöglicht zu begreifen, daß die absolute Effizienz der
erfindungsgemäßen Ionisationskammer wesentlich reduziert ist
bezüglich der absoluten Effizienz der Ionisationskammer der
vorhergehenden Technik, daß aber das Effizienzverhältnis des Nutzsignals
gegenüber dem Grundgeräuschsignal erheblich höher ist. Noch
genauer ist dieses Effizienzverhältnis, das bei der
Ionisationskammer der vorhergehenden Technik in der Größenordnung 2.20&supmin;² ist,
bei der erfindungsgemäßen Ionisationskammer in der Größenordnung
7,5, was einen Gewinn um einen Faktor von ungefähr 375 bedeutet im
Falle der speziellen Ausführung, wo das Argon einen Druck von 9
Bar hat und die Bleischicht des Behälters eine Dicke von 1mm.
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Eine solche Ionisationskammer mit einem derartigen
Gewinn beim Verhältnis Nutzsignal/Grundgeräuschsignal ermöglicht
bei äquivalenter Meßgenauigkeit, Gammastrahlungsquellen zu
benutzen, deren Intensitt weniger stark ist als die üblicherweise
angewandte, was folglich eine Senkung der Kosten bei den
Gammadensitometrie-Meßstationen zur Folge hat.