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Dokumentenidentifikation DE2455054C2 23.02.1989
Titel Modularer Neutronendetektor
Anmelder Commissariat à l'Energie Atomique, Paris, FR;
Le Matériel Téléphonique, Boulogne-Billancourt, FR
Erfinder Allemand, Robert, Saint Ismier, FR;
Lecuyer, Pierre, Boulogne Billancourt, FR;
Maillot, Jean-Paul, St-Berthevin, FR
Vertreter Beetz sen., R., Dipl.-Ing.; Beetz jun., R., Dipl.-Ing. Dr.-Ing., Pat.-Anwälte, 8000 München
DE-Anmeldedatum 20.11.1974
DE-Aktenzeichen 2455054
Offenlegungstag 22.05.1975
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 23.02.1989
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.02.1989
IPC-Hauptklasse H01J 47/12

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen aus Modulen zusammengesetzten Neutronendetektor zur Neutronen-Ortsbestimmung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein solcher Neutronendetektor ist aus der DE-PS 19 19 824 bekannt.

Diese DE-PS beschreibt einen Neutronendetektor zum Erfassen der räumlichen Verteilung des von einer ortsfesten Quelle abgegebenen Neutronenflusses. Diese Vorrichtung enthält im wesentlichen ein einziges Gehäuse konstanter Dicke, das mit einem Gas gefüllt ist, in dem geladene Teilchen unter der Einwirkung von Neutronen erzeugt werden, sowie mehrere identische, gleichbeabstandete Detektorzellen, die jeweils mindestens ein Elektrodenpaar sowie Einrichtungen zum Abgreifen zweier elektrischer Impulse an den Elektroden bei der Erfassung eines Neutrons enthalten, wobei die Zuordnung der Impulse mit Hilfe einer Matrixschaltung geschieht.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel eines Neutronendetektors bestehen die Kathoden aus Leiterstreifen, die auf einer Isolierwand angebracht sind, während die Anoden Leiterstreifen parallel oder orthogonal zu den ersteren und auf der anderen Wand angebracht sind, wobei das Gehäuse mit einem Gas oder einem Gasgemisch, wie z. B. Bortrifluorid, gefükllt ist, das die ionisierenden Teilchen erzeugende Kernreaktion ermöglicht.

Der bekannte Neutronendetektor wirkt somit vorzugsweise als Ionisationskammer.

Bei einem derartigen Neutronendetektor wurde bereits eine Verbesserung bei der Erzeugung ionisierender Teilchen (vgl. die FR-OS 21 76 496) durch Verwenden einer Werkstoffbeschichtung erreicht, die bei Neutronenbestrahlung geladene Teilchen abgibt, die das Füllgas ionisieren, welches selbst keine Neutronenstrahlen erfaßt: Dadurch wird die Durchführung der Kernreaktion und der Erfassung der ionisierenden Teilchen getrennt.

Ein erstes Ausführungsbeispiel wirkt dabei als Ionisationskammer. Ein zweites Ausführungsbeispiel wirkt dagegen im Proportionalbereich durch die Verwendung von Drahtanoden und wahlweise durch die zwischen jeder Anode und jeder Kathode angelegte Potentialdifferenz.

Ionisationskammern benötigen Ladungsvorverstärker hoher Verstärkung und geringen Grundrauschens, um das schwache elektrische Signal zu verstärken, das der Ladungssammlung auf den Elektroden entspricht.

Im übrigen tritt bei einer Elektrodengeometrie, bei der sowohl die Anoden als auch die Kathoden eben und parallel sind, ein Amplitudenspektrum auf, das zwischen der Null- und einer Maximalamplitude varriert. Da eine Amplitudenschwelle eingeführt werden muß, um ein Nutzsignal von den parasitären Signalen zu unterscheiden, verringert diese Eigenschaft die Wirksamkeit der Erfassung, durch Unterdrücken eines Teils der Nutzsignale, und die Gleichförmigkeit der Erfassung, da eine Schwellenwertänderung die berücksichtigte Signalzahl ändert. Diese Erscheinungen bringen einen Empfindlichkeitsverlust der Erfassung mit sich.

Aus der CH-PS 3 69 831 ist ein Apparat zur Registrierung von Betaststrahlen niedriger Intensität unter gleichzeitiger Kompensation der kosmischen Strahlung bekannt.

Dieser Apparat besteht aus Modulen, deren Wände die Kathode bilden. Anodendrähte sind über Isolierungen zwischen gegenüberliegenden Wänden verspannt. Mittel zur Vergleichmäßigung der die Anodendrähte umgebenden Felder sind nicht vorgesehen.

In Nuclear Instruments and Methods, Vol. 109, 1973, Seiten 237-240, ist ein Vieldrahtproportionalzähler beschrieben, bei dem die Drähte die Anoden darstellen, die einen sehr kleinen Krümmungsradius aufweisen.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Neutronendetektor zur Neutronen-Ortsbestimmung in Modulbauweise der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Art so weiterzuentwickeln, daß er robust und zuverlässig ist und bei elektrischen Feld- und Spannungsverhältnissen arbeitet, die im Proportionalbereich vorliegen, so daß sich ein günstiges Signal-/Rauschverhältnis ergibt.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei Eintritt des Neutronenstroms in das Gehäuse werden Kernreaktionen in dem das Gehäuse füllenden Gas oder in der die Kathode bedeckenden Beschichtung hervorgerufen, derart, daß die einfallenden Neutronen eine Kernreaktion des Gases (z. B. Borfluorid) unter anschließender Bildung von Elektronen- Positivionen-Paaren verursachen. Die schweren und wenig beweglichen positiven Ionen (Positivionen) wandern zur Kathode, während die leichten und schnellen Elektronen von der Anode angezogen werden; bei der Erfindung ist der Krümmungsradius der Anode so gering, daß für eine gegebene Potentialdifferenz zwischen Anode und Kathode (in der Größenordnung von z. B. 10+3 V) das elektrische Feld nahe der Anode bedeutend ist; in diesem elektrischen Feld werden die Elektronen zwischen zwei Zusammenstößen beschleunigt und gewinnen genügend Energie, um ihrerseits die Gasmoleküle zu ionisieren, wodurch von neuem Elektronen- Positivionen-Paare gebildet werden. Die derart erzeugten Ladungen werden auf diese Weise um einen Faktor vervielfacht, der mehrere 100 erreichen kann; diese Ladungsvervielfachung vermeidet die Verwendung von Ladungsvorverstärkern mit hoher Verstärkung, die für Ionisationskammern notwendig sind, welche durch Direkt-Ladungssammlung wirken. Die Neutronen-Ortsbestimmung erfolgt durch Erfassen der Ladungen, die an der nächstliegenden Anode des Durchtrittsbereiches der Neutronen auftreten.

Darüber hinaus zeigt das Amplitudenspektrum der erhaltenen Signale (Anzahl der erhaltenen Signale abhängig von ihrer Amplitude) bei Betrieb im Proportionalbereich einen sehr deutlichen Peak oder eine sehr deutliche Spitze (abhängig vom Abstand zwischen Anode und Kathode) und zwischen den parasitären Signalen und den durch die Neutronen erzeugten Signalen ein deutlich erkennbares Tal, in dem wenig Signale zu finden sind. Es ist daher wesentlich leichter, einen Schwellenwert zur Amplitudendiskriminierung festzulegen. Somit werden praktisch keine Nutzsignale beseitigt, d. h. die Nachweisempfindlichkeit wird erhöht, und es erfolgen keine Störungen durch die gelegentlichen Änderungen der Lage des Spektrums oder des Werts der Schwelle mehr.

Ebenso wie bei der obengenannten DE-PS 19 19 824 ist jede Zeile, d. h. jedes die Genauigkeit der Ortsbestimmung des Neutronenflusses bestimmende Volumen, durch das zwischen den zwischen zwei benachbarten Anodendrähten angeordneten Mittelebenen und der Kathode enthaltende Volumen gebildet. Das Modul wird durch Zusammenfügen mehrerer benachbarter Zellen gebildet, die mit einer gemeinsamen Kathode und mit getrennten Anoden versehen sind, wobei die Kathode einer Zeile der Matrixschaltung der Erfassungszellen entspricht, deren Spalten durch die Anodendrahtgruppen gebildet ist.

Das elektronische Matrixgitter wird wie bei dem Neutronendetektor der DE-PS 19 19 824 gebildet. Das zu untersuchende Neutronenbündel kann in einer Ebene parallel oder senkrecht zur Ebene der Anodendrähte angeordnet sein.

Bei der Erfindung erfolgt die Feststellung der Nuklear- Ereignisse gemäß dem Prinzip der DE-PS 19 19 824. Jede Kathode ist mit einem Meßkanal verbunden, und die Anoden der gleichen Ordnung jedes Moduls sind untereinander mit einem bestimmten Meßkanal verbunden. Das Auftreten eines Signals an einer Kathode bestimmt das Modul, in dem das Ereignis stattfindet, und der an den ein Signal erhaltenden Anoden angeschlossene Kanal bestimmt die Anode des bestimmten Moduls, das das Signal abgegeben hat.

Die Erfindung wird anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, wobei in den Fig. 1 und 4 die kammförmige Hilfselektrode 40 weggelassen wurde. Es zeigt

Fig. 1 schematisch zwei verbundene, in einem gasgefüllten Gehäuse 2 befestigte Module 20,

Fig. 2 vier aneinander anstoßende Module 20, die Tangenten eines Kreises sind, in dessen Mitte sich eine Neutronenquelle 22 befindet,

Fig. 3 schematisch eine Befestigungsmöglichkeit eines Anodendrahtes an der Kathode 6,

Fig. 4 schematisch ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer aus durch Isolierleisten 32 getrennten Metallstreifen 30 gebildeten Kathode 6,

Fig. 5 schematisch die Anordnung der kammförmigen Hilfselektrode 40,

Fig. 6 schematisch das Anschlußschema mehrerer Module 20.

In Fig. 1 sind zwei nebeneinander im Inneren eines mit einem Gas, z. B. Bortrifluorid, gefülltem Gehäuses 2 angeordnete Module 20 dargestellt. Isolierklemmen oder -halterungen 4 sind an einer Kathode 6 mittels Isolierschrauben 8 befestigt. Die Anodendrähte 10, 12, 14 besitzen einen geringen Krümmungsradius. Die Metallkathoden 6, z. B. aus Aluminium, sind am Gehäuse mittels Isolierstützen 16 befestigt.

In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit vier Detektor-Modulen 20, mit den Anodendrähten 10, 12, 14 und einer Neutronenquelle 22 dargestellt. Die verschiedenen Anodendraht-Gitter jedes Moduls 20 sind Tangenten an einen Kreis, in dessen Mittelpunkt sich die neutronenaussendende Zone oder die Neutronenquelle 22 befindet.

In Fig. 3 ist eine Befestigungsmöglichkeit eines des Anodendrahtes an der Kathode 6 dargestellt. Der Anodendraht 10 ist an der Halterung 4 mittels einer Spitzentülle 24 befestigt, die in einer Innenaussparung 26 der Halterung 4 angeordnet ist. Der Anodendraht 10 durchtritt die Isolierschraube 8, die die Halterung 4 an der Metallkathode 6 festhält.

In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei dem eine Kathode 6, die in diesem Beispiel mehreren Modulen 20, von denen zwei dargestellt sind, gemeinsam sein kann an ihrer Oberseite durch n Metallstreifen 30 ergänzt ist. Die Metallstreifen 30, die den oberen Teil dieser Mehrfachkathode bilden, sind durch Isolierleisten 32 getrennt und von der Kathode 6 durch Isolierwände 34 isoliert. Das Gehäuse 2, das die verschiedenen Module 20 enthält, ist in Fig. 4 nicht dargestellt. Beim Beispiel der Fig. 4 ist - ebenso wie beim Beispiel der Fig. 1 - die Matrixschaltung zur Messung der Ladungen auf den verschiedenen Anodendrähten 10, 12, 14 und auf den verschiedenen Abschnitten der Kathode 6 nicht dargestellt, wobei diese elektronische Schaltung identisch mit der der genannten DE-PS ist; es wird lediglich ein System aus n Meßzweigen oder -kanälen angeschlossen, die mit Amplitudenwählern versehen sind und die mit jedem der Streifen 30 verbunden sind.

Fig. 5 zeigt schematisch die Anordnung der kammförmigen Hilfselektrode 40 zwischen den Anodendrähten 10, 12, 14 und in der Ebene dieser Anodendrähte.

In Fig. 6 ist schematisch ein Anschlußschema für vier Module 20 dargestellt, wobei jedes Modul 20 vier Anoden 10, 12, 14, 16 enthält. Jede der Kathoden 50, 52, 54, 56 ist mit einem der durch die Kanäle 57, 58, 60, 62 dargestellten Meßkanäle verbunden. Die ersten Anoden 10 jedes Moduls 20 sind mit einem Meßkanal 64, die zweiten Module 20 sind mit einem Meßkanal 64, die zweiten Module 12 mit einem Meßkanal 66 usw. verbunden. Mittels acht Detektoren kann auf diese Weise die Anode und die Kathode ortsbestimmt werden, in der das Kern-Ereignis stattfand.

Die Beschreibung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur eindimensionalen Ortsbestimmung, jedoch können die beschriebenen Module ebenso zweidimensional angeordnet werden, und es kann eine Ortsbestimmung in einer Ebene erfolgen.


Anspruch[de]
  1. 1. Neutronendetektor zur Neutronen-Ortsbestimmung mit
    1. - in einem neutronendurchlässigen und gasgefüllten Gehäuse (2) angeordneten Modulen (20), die jeweils enthalten:
    2. - mehrere zueinander parallele Anoden (10, 12, 14, 16),
    3. - eine Erzeugereinrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Feldes an jeder Anode (10, 12, 14, 16),
    4. - eine nahe den Anoden (10, 12, 14, 16) angeordnete Kathode (6, 50, 52, 54, 56), Befestigungseinrichtungen (4, 8) der Anoden (10, 12, 14, 16) an der Kathode (6, 50, 52, 54, 56) und
    5. - elektrische Isoliereinrichtungen (4, 8) zwischen der Kathode (6, 50, 52, 54, 56) und jeder der Anoden (10, 12, 14, 16),
  2. dadurch gekennzeichnet, daß
    1. - die Anoden (10, 12, 14, 16) durch parallele Drähte mit kleinem Krümmungsradius gebildet werden,
    2. - die Kathode (6, 50, 52, 54, 56) U-förmig ist und das durch die mehreren Drahtanoden (10, 12, 14, 16) gebildete Gitter umgibt und
    3. - eine den Modulen (20) gemeinsame kammförmige Hilfselektrode (40), die zwischen den Anodendrähten (10, 12, 14, 16) und in deren Ebene angeordnet ist, wobei das Potential dieser Elektrode (40) zwischen dem Anodenpotential und dem Kathodenpotential liegt.
  3. 2. Neutronendetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die offene Seite der U-förmigen Kathode (6, 50, 52, 54, 56) durch ein Gitter aus zueinander parallelen Metallstreifen (30) verschlossen ist, wobei die Metallstreifen (30) gegenüber den Anodendrähten (10, 12, 14, 16) senkrecht verlaufen und von diesen und untereinander isoliert werden.
  4. 3. Neutronendetektor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungs- und Isoliereinrichtungen (4, 8) für die Anodendrähte (10, 12, 14, 16) aus isolierenden Stäben (4) bestehen, die an der Kathode (6) mittels Isolierschrauben (8) befestigt sind.
  5. 4. Neutronendetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewinde zur Aufnahme der Isolierschrauben (8) auf der Achse der Anodendrähte (10, 12, 14, 16) liegen.
  6. 5. Neutronendetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas unter Einwirkung von Neutronenstrahlung ionisierende Partikel erzeugen kann.
  7. 6. Neutronendetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode mit einer dünnen Schicht eines Festkörpers bekannter Art versehen ist, der unter der Einwirkung von Neutronenstrahlung ionisierende Partikel erzeugt.






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