SELF-POWERED NEUTRON DETECTOR WITH HIGH SENSITIVITY

Abstract: 1. A neutron detector which is independent of external voltage sources and which comprises an emitter (1) composed of a gadolinium foil whose thickness amounts to no more than 1 mm, where the emitter (1) is separated from at least one collector (2, 3) by an electrically insulating layer (4, 5), characterised in that the emitter (1) comprises a thin layer of only approximately 0.1 mm gadolinium and is provided on its inside and/or its outside with an auxiliary emitter layer (6, 7) in which the gamma radiation emanating from the emitter serves to form Compton- and photo-electrons, i.e. beta radiation, which forms the measurement signal.

Description: Von fremden Spannungsquellen unabhängiger Neutronendetektor mit hoher Ansprechempfindlichkeit Die vorliegende Erfindung betrifft einen von fremden Spannungsquellen unabhängigen Neutronendetektor nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs. Promptanzeigende von fremden Spannungsquellen unabhängige Neutronendetektoren werden zur kontinuierlichen Messung der Neutronenflussdichte in oder nahe des Kerns von Kernreaktoren verwendet. Sie liefern bei Neutronenbestrahlungen aufgrund von (n, g )-Prozessen Compton- oder Fotoelek- tronen, die einen Strom darstellen und damit ein dem Neutronenfluss proportionales Messsignal bilden. Vorteile gegenüber Spalt- oder Ionisationskammern haben diese Neutronendetektoren unter anderem durch die geringeren Abmessungen, den einfachen und daher robusten Aufbau, Temperaturbeständigkeit bis zu 8000 C und einen Messbetrieb ohne Anlegen einer Spannung. Bei der Inneninstrumentierung von Kernreaktoren sind derartige Neutronendetektoren bekannt, bei denen ein zylindrischer Emitter von einem Kollektor ummantelt ist, wobei beide durch eine Isolierschicht elektrisch getrennt sind. Aus der DE-AS 23 60 221 ist auch schon ein grossflächiger, von fremden Spannungsquellen unab hängiger Neutronendetektor bekannt, bei dem durch die Wahl eines grossflächigen Emitters die Neutronenempfindlichkeit deutlich erhöht ist. Dieser Detektor kann zur kontinuierlichen Messung der Neutronenflussdichte im kernnahen Bereich eingesetzt werden. Bei diesem Detektor ist der Emitter als grossflächiges Rohr ausgebildet, dem je ein Rohr auf der Innen- und Aussenseite als Kollektor zugeordnet ist. Emitter und Kollektoren sind durch keramische Isolatoren, z.B. Al203 elektrisch voneinander getrennt. Die beiden Kollektorrohre sind von Emitter gleich weit entfernt und überragen den Emitter etwas an den Stirnseiten. Man erhält dadurch einen g- schützten, mechanisch festen Aufbau für das ganze Gebilde. Als Material für den Emitter wurden Kadmium und Gadolinium vorgeschlagen. Bei bisherigen Ausführungsformen wurde allerdings nur Kadmium benutzt, da bisher angenommen wurde, dass Gadolinium ein schnell ausbrennender Werkstoff ist, der sich nicht ohne weiteres für einen Langzeiteinsatz in Neutronendetektoren eignet. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Neutronenempfindlichkeit und Lebensdauer eines von fremden Spannungsquellen unabhängigen Neutronendetektois zu erhöhen und ihn für einen Langzeiteinsatz geeignet zu machen. Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäss dem Hauptanspruch vorgeschlagen, den Emitter eines von fremden Spannungsquellen unabhängigen Neutronendetektors aus einer dünnen Schicht Gadolinium herzustellen und diesen Emitter auf einer oder beiden Seite zusätzlich mit einer Hilfsemitterschicht zu versehen. Gadolinium hat gegenüber anderen Materialien einen sehr hohen Absorptionsquerschnitt für thermische Neutronen, so dass der Emitter sehr dünn gewählt werden kann, ohne dass die Empfindlichkeit darunter leidet. Da Gadolinium ein sehr teures Material ist, kommt eine Verwendung erst bei sehr geringen benötigten Mengen in Betracht. Durch eine hohe Selbstabschirmung von Gadolinium findet die Neutronenabsorption vorwiegend in einem sehr kleinen Bereich der äusseren Schicht des Emitters statt, weshalb eine dickere Ausführung des Emitters keine bessere Empfindlichkeit bedeutet. Nachteiligt wirkt sich die geringe Emitterdicke jedoch auf die Compton- und Fotoelektronenproduktion aus, welche letztendlich das Signal darstellen. Man kann nun die Neutronenempfindlichkeit dadurch steigern, dass der Emitter auf der Innen- und/oder Aussenseite mit einer Hilfsemitterschicht versehen wird. In dieser Hilfsemitterschicht findet dann die Bildung von Compton- und Fotoelektronen durch die aus dem Emitter kommende 9-Strah- lung statt. Dieses erfindungsgemässe Prinzip kann für jede Ausführungsform eines von fremden Spannungsquellen unabhängigen Neutronendetektors verwendet werden. Statt einen dicken Emitter zu verwenden, welcher nach Einfang von Neutronen direkt Elektronen aussendet, kann nunmehr ein sehr dünner und damit billiger Gadolinium-Emitter verwendet werden, welcher nach Neutroneneinfang ç -Strah- lung aussendet. Diese wird in der Hilfsemitterschicht dann in P -Strahlung umgewandelt, welche dann das Messsignal bildet. Besonders geeignet ist die Verwendung dieses Prinzips bei grossflächigen Detektoren entsprechend der DE-AS 23 60 221, wobei der Emitter dann auf beiden Seiten mit einer Hilfsemitterschicht versehen wird. Eine solche Ausführungsform ist für geringere Neutronenflüsse als Messgerät geeignet, z.B. bei der Ausseninstrumentierung von Hochtemperaturreaktoren. Messungen bei einem thermischen Neutronenfluss von 1013 cm-2s-1 haben gezeigt, dass nach sieben Monaten Bestrahlungszeit noch kein Abbrand festzustellen war. Dies ist unter anderem darauf zurück zuführen, dass der gemittelte thermische Neutronenfluss über den Emitter infolge von Flussdepression und Selbstabschirmung nur ca. 2,5 % des ungestörten Neutronenflusses beträgt. In Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, die Hilfsemitterschicht aus einem Material möglichst grosser Dichte herzustellen. Dies begünstigt die Produktion von Compton- und Fotoelektronen und ermöglicht auch eine verhältnismässig dünne Hilfsemitterschicht. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Hilfsemitterschicht zumindest aus einem Material mit höherer Ordnungszahl als der des Isoliermaterials bestehen soll, damit ein mögichst hohes Ausgangssignal erhalten wird. In besonderer Ausgestaltung der Erfindung wir im Anspruch 4 vorgeschlagen, als Isoliermaterial gegenüber dem Kollektor Al203 mit einer Dichte von ungefähr 3,8 g/cm3 oder MgO zu verwenden. Gleichzeitig soll die Hilfsemitterschicht aus einer Nickel-Legierung mit einer Dichte von ungefähr 8,5 g/cm3 bestehen. Als geeignet hat sich eine Nickel-Basis-Legierung mit Kobalt, Chrom und Aluminium Anteilen erwiesen. Dieses als Inconel bekannte Material eignet sich sowohl für die Verwendung als Kollektor wie auch für die Verwendung als Hilfsemitterschicht. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, die Schichtdicke des Hilfsemitters so zu bemessen, dass ein Optimum zwischen Entstehung von Compton- und Fotoelektronen und Emissionseigenschaften erreicht wird. die Hilfsemitterschichten dürfen nämlich einerseits nicht so dick sein, dass die entstehenden Elektronen gar nicht aus ihnen herausgelangen, müssen aber andererseits so dick sein, dass ein möglichst grosser Teil der g -Strahlen in Elektronen umgewandelt wird. Im Anspruch 5 wird dementsprechend für das Material Inconel eine Dicke der Hilfsemitterschicht von etwa 0,5 mm vorgeschlagen. Bei dieser Dicke wird ein Optimum an Elektronenausbeute erreicht. Im Anspruch 7 wird in besonderer Ausgestaltung vorgeschlagen, die Dicke des Gadolinium-Emitters in der Grössenordnung von 0,1 mm zu wählen. Dies ist einerseits vom Aufwand an Material her vertretbar und genügt andererseits für die meisten Anwendungen für eine lange Standzeit. Bei der Verwendung des Prinzips für eine Incore-Instrumentierung mit sehr viel höheren Neutronenflüssen müsste gegebenenfalls wegen des erhöhten Abbrandes eine dickere Schicht gewählt werden. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und zwar zeigt die Zeichnung lediglich einen Querschnitt durch einen erfindungsgemässen Neutronendetektor, der bis auf die Hilfsemitterschichten sonst im prinzipiellen Aufbau dem Detektor der DE-AS 23 60 221 gleicht. Ein als Rohr aus einer dünnen Gadolinium-Folie ausgebildeter Emitter 1 ist konzentrisch in ein als Aussenkollektor 2 ausgebildetes Rohr und ein als Innenkollektor 3 ausgebildetes Rohr eingesetzt. Durch Isolierschichten 4, 5 sind die drei Rohre voneinander elektrisch isoliert. Der Emitter 1 ist auf seiner Aussenseite durch einen Hilfsemitter 6 und auf seiner Innenseite durch einen Hilfsemitter 7 umgeben. Die Hilfsemitter sind ebenfalls als Rohre ausgebildet und können beispielsweise aus dem gleichen Material bestehen wie die Kollektoren. Die ganze Anordnung hat einen Aussendurchmesser von etwa 6 cm und einer Länge, die je nach den Anforderungen in weiten Grenzen variierbar ist. Die elektrischen Anschlüsse und die Auswertung des Signals erfolgen wie in der DE-AS 23 60 221 beschrieben. Aufgrund der höheren Empfindlichkeit des erfindungsgemässen Neutronendetektors werden allerdings kompliziertere Formen für die einzelnen Schichten, wie sie dort beschrieben sind, unnötig. Mit dem erfindungsgemässen Aufbau eines fremdenergiefrienen Neutronendetektors wurde das Produkt aus Empfindlichkeit und Lebensdauer erheblich gesteigert.

Claims: Von fremden Spannungsquellen unabhängiger Neutronende tektor mit hoher Ansprechempfindlichkeit Patentansprüche 1. Von fremden Spannungsquellen unabhängiger Neutronendetektor, bestehend aus einem Emitter (1) mit einem hohen Absorptionsquerschnitt für Neutronen, welcher von mindestens einem Kollektor (2 bzw. 3) durch eine Isolierschicht (4, bzw. 5) getrennt ist, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgende Merkmale: a) Der Emitter (1) besteht aus einer dünnen Schicht Ga dolinium. b) Der Emitter (1) ist auf der dem Kollektor (2 bzw. 3) zugewandten Seite mit einer Hilfsemitterschicht (6 bzw. 7) versehen. 2. Neutronendetektor nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgendes Merkmal: a) Die Hilfsemitterschicht (6 bzw. 7) besteht aus einem Material möglichst grosser Dichte. 3. Neutronendetektor nach Anspruch 1 oder 2, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgendes Merkmal: a) Die Hilfsemitterschicht (6 bzw. 7) besteht aus einem Material mit höherer Ordnungszahl als der des Iso liermaterials (4 bzw. 5). 4. Neutronendetektor nach Anspruch 1, 2 oder 3, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgende Merkmale: a) Das Isoliermaterial ist in an sich bekannter Weise Al203 (Dichte ungefähr 3,8 g/cm ) oder MgO. b) Die Hilfsemitterschicht (6 bzw. 7) besteht aus einer 3 Nickel-Legierung (Dichte ungefähr 8,5 g/cm ). 5. Neutronendetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgendes Merkmal: a) Die Hilfsemitterschicht (6 bzw.7) ist in ihrer Dicke so bemessen, dass ein Optimum zwischen Entstehung von Compton- und Fotoelektronen und Emissionseigenschaf ten erreicht wird. 6. Neutronendetektor nach Anspruch 5, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgendes Merkmal: a) Für eine Nickel-Basis-Legierung mit Kobalt, Chrom und Aluminium-Anteilen als Hilfsemittermaterial beträgt die Dicke der Hilfsemitterschicht (6 bzw. 7) etwa 0,5 mm. 7. Neutronendetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgendes Merkmal: a) Die Dicke des Gadolinium-Emitters beträgt etwa 0,1 mm.

Inventors: BENNINGHOFEN, GUNTER, BRIXY, HEINZ, DR. DIPL.-PHYS., SERAFIN, NORBERT, SPILLEKOTHEN, HANS-GERD, Benninghofen, Günter
Applicants: INTERATOM GESELLSCHAFT MIT BESCHRANKTER HAFTUNG, KERNFORSCHUNGSANLAGE JULICH GESELLSCHAFT MIT BESCHRANKTER HAFTUNG
Application year: 1983
Main classification: G01T3
IPC codes: G01T3