Strahlendosimetrie Archives - Seite 10 von 56

Was ist Gammastrahlung / ɣ-Strahlung – Definition

Juli 6, 2021Juli 6, 2020 von Nick Connor

Unter Gammastrahlung, auch ɣ-Strahlung genannt, versteht man elektromagnetische Strahlung (keine Ruhemasse, keine Ladung) mit sehr hohen Energien. Gammastrahlen sind energiereiche Photonen.

Unter Gammastrahlung , auch ɣ-Strahlung genannt , versteht man elektromagnetische Strahlung (keine Ruhemasse, keine Ladung) mit sehr hohen Energien. Gammastrahlen sind energiereiche Photonen mit sehr kurzen Wellenlängen und damit sehr hoher Frequenz. Da es sich bei den Gammastrahlen im Wesentlichen nur um sehr energiereiche Photonen handelt, sind sie sehr durchdringende Materie und daher biologisch gefährlich. Gammastrahlen können Tausende von Fuß in der Luft wandern und leicht durch den menschlichen Körper gelangen.

Gammastrahlen werden von instabilen Kernen beim Übergang von einem Zustand hoher Energie in einen Zustand niedrigerer Energie emittiert, der als Gammazerfall bekannt ist. In den meisten praktischen Laborquellen werden die angeregten Kernzustände beim Zerfall eines Elternradionuklids erzeugt, daher begleitet ein Gamma-Zerfall typischerweise andere Formen des Zerfalls , wie z. B. den Alpha- oder Betazerfall.

Strahlung und auch Gammastrahlen sind überall um uns herum. In, um und über der Welt, in der wir leben. Es ist ein Teil unserer natürlichen Welt, die seit der Geburt unseres Planeten hier ist. Natürliche Quellen von Gammastrahlen auf der Erde sind unter anderem Gammastrahlen von natürlich vorkommenden Radionukliden, insbesondere Kalium-40. Potasium-40 ist ein radioaktives Kaliumisotop mit einer sehr langen Halbwertszeit von 1,251 × 10 ⁹ Jahren (vergleichbar mit dem Alter der Erde). Dieses Isotop kommt im Boden, Wasser auch in Fleisch und Bananen vor. Dies ist nicht das einzige Beispiel für eine natürliche Quelle von Gammastrahlen.

Barium-137m ist ein Produkt eines gängigen Spaltprodukts - Cäsium-137. Die Haupt-Gammastrahlung von Barium-137m ist das 661-keV-Photon. — Barium-137m ist ein Produkt eines gängigen Spaltprodukts – Cäsium-137. Die Haupt-Gammastrahlung von Barium-137m ist das 661-keV-Photon.

Entdeckung von Gammastrahlen

Gammastrahlen wurden kurz nach der Entdeckung von Röntgenstrahlen entdeckt. Der französische Wissenschaftler Henri Becquerel entdeckte 1896, dass Uranmineralien eine Fotoplatte durch ein anderes Material freilegen könnten. Becquerel vermutete, dass Uran unsichtbares Licht emittierte, das Röntgenstrahlen ähnelte, die kürzlich von WCRoentgen entdeckt wurden . Er nannte es “ metallische Phosphoreszenz „. Tatsächlich hatte Henri Becquerel festgestellt, dass Gammastrahlung vom Radioisotop ²²⁶ Ra (Radium) emittiert wird , das Teil der Uranreihe der Uranzerfallskette ist.
Es wurde zunächst angenommen, dass Gammastrahlen Partikel mit Masse sind, beispielsweise extrem energetische Beta-Teilchen. Diese Meinung schlug fehl, weil diese Strahlung nicht durch ein Magnetfeld abgelenkt werden kann, was darauf hinweist, dass sie keine Ladung hatten. Im Jahr 1914 wurde beobachtet, dass Gammastrahlen von Kristalloberflächen reflektiert wurden, was beweist, dass es sich um elektromagnetische Strahlung handeln muss , jedoch mit höherer Energie (höhere Frequenz und kürzere Wellenlängen).

Eigenschaften von Gammastrahlen / Strahlung

Die Hauptmerkmale von Gammastrahlen sind in folgenden Punkten zusammengefasst:

Gammastrahlen sind hochenergetische Photonen (etwa 10 000-mal so viel Energie wie die sichtbaren Photonen), die gleichen Photonen wie die Photonen, die den sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums bilden – Licht.
Photonen (Gammastrahlen und Röntgenstrahlen) können Atome durch den photoelektrischen Effekt und den Compton-Effekt direkt (obwohl sie elektrisch neutral sind) ionisieren, aber die sekundäre (indirekte) Ionisation ist viel bedeutender.
Gammastrahlen ionisieren Materie hauptsächlich durch indirekte Ionisation .
Obwohl eine große Anzahl möglicher Wechselwirkungen bekannt ist, gibt es drei wichtige Wechselwirkungsmechanismen mit Materie.
- Photoelektrischer Effekt
- Compton-Effekt
- Paarbildung
Gammastrahlen bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit und können Tausende von Metern in der Luft zurücklegen, bevor sie ihre Energie verbrauchen.
Da die Gammastrahlung sehr durchdringende Materie ist, muss sie durch sehr dichte Materialien wie Blei oder Uran abgeschirmt werden.
Die Unterscheidung zwischen Röntgen- und Gammastrahlen ist nicht so einfach und hat sich in den letzten Jahrzehnten geändert. Nach der derzeit gültigen Definition werden Röntgenstrahlen von Elektronen außerhalb des Kerns emittiert , während Gammastrahlen vom Kern emittiert werden .
Gammastrahlen begleiten häufig die Emission von Alpha- und Betastrahlung .

Vergleich von Partikeln in einer Wolkenkammer. Quelle: wikipedia.org

Dämpfungskoeffizienten. — Gesamtphotonenquerschnitte.
Quelle: Wikimedia Commons

Photoelektrischer Effekt

Der photoelektrische Effekt dominiert bei niedrigen Energien von Gammastrahlen .
Der photoelektrische Effekt führt zur Emission von Photoelektronen aus Materie, wenn Licht ( Photonen ) auf sie scheint.
Die maximale Energie, die ein Elektron in einer Wechselwirkung empfangen kann, ist hν .
Elektronen werden durch den photoelektrischen Effekt nur dann emittiert, wenn das Photon eine Schwellenenergie erreicht oder überschreitet .
Ein freies Elektron (z. B. aus einer Atomwolke) kann nicht die gesamte Energie des einfallenden Photons absorbieren. Dies ist ein Ergebnis der Notwendigkeit, sowohl Impuls als auch Energie zu sparen.
Der Querschnitt für die Emission von n = 1 (K-Schale) Photoelektronen ist höher als der von n = 2 (L-Schale) Photoelektronen. Dies ist ein Ergebnis der Notwendigkeit, Schwung und Energie zu sparen.

Definition des photoelektrischen Effekts

Beim photoelektrischen Effekt unterliegt ein Photon einer Wechselwirkung mit einem Elektron, das in einem Atom gebunden ist. Bei dieser Wechselwirkung verschwindet das einfallende Photon vollständig und ein energetisches Photoelektron wird vom Atom aus einer seiner gebundenen Schalen ausgestoßen . Die kinetische Energie des ausgestoßenen Photoelektron (E _e ) ist gleich der einfallenden Photonenenergie (hν) abzüglich der Bindungsenergie des Photoelektron in seiner ursprünglichen Hülle (E _b ).

E _e = hν-E _b

Daher werden Photoelektronen nur dann durch den photoelektrischen Effekt emittiert, wenn das Photon eine Schwellenenergie – die Bindungsenergie des Elektrons – die Austrittsarbeit des Materials erreicht oder überschreitet . Bei Gammastrahlen mit Energien von mehr als Hunderten keV trägt das Photoelektron den größten Teil der einfallenden Photonenenergie ab – hν.

Nach einer photoelektrischen Wechselwirkung entsteht ein ionisiertes Absorberatom mit einer Lücke in einer seiner gebundenen Schalen . Diese Lücke wird schnell durch ein Elektron aus einer Hülle mit geringerer Bindungsenergie (andere Schalen) oder durch Einfangen eines freien Elektrons aus dem Material gefüllt. Die Umlagerung von Elektronen aus anderen Schalen schafft eine weitere Lücke, die wiederum von einem Elektron aus einer noch niedrigeren Bindungsenergieschale gefüllt wird. Daher kann auch eine Kaskade charakteristischerer Röntgenstrahlen erzeugt werden. Die Wahrscheinlichkeit einer charakteristischen Röntgenemission nimmt mit abnehmender Ordnungszahl des Absorbers ab. Manchmal tritt die Emission eines Auger-Elektrons auf.

Photoelektrischer Effekt mit Photonen aus dem sichtbaren Spektrum auf Kaliumplatte - Schwellenenergie - 2eV — Photoelektrischer Effekt mit Photonen aus dem sichtbaren Spektrum auf Kaliumplatte – Schwellenenergie – 2eV

Gamma-Absorption durch ein Atom. Quelle: laradioactivite.com/ — Gamma-Absorption durch ein Atom.
Quelle: laradioactivite.com/

Querschnitte des photoelektrischen Effekts

Bei kleinen Werten der Gammastrahlenenergie dominiert der photoelektrische Effekt . Der Mechanismus wird auch für Materialien mit hoher Ordnungszahl Z verbessert. Es ist nicht einfach, einen analytischen Ausdruck für die Wahrscheinlichkeit der photoelektrischen Absorption von Gammastrahlen pro Atom über alle Bereiche von Gammastrahlenenergien abzuleiten. Die Wahrscheinlichkeit der photoelektrischen Absorption pro Masseneinheit ist ungefähr proportional zu:

τ _{(photoelektrisch)} = Konstante x Z ^N / E ^3.5

wobei Z die Ordnungszahl ist, variiert der Exponent n zwischen 4 und 5. E ist die Energie des einfallenden Photons. Die Proportionalität zu höheren Potenzen der Ordnungszahl Z ist der Hauptgrund für die Verwendung von Materialien mit hohem Z wie Blei oder abgereichertem Uran in Gammastrahlenschilden.

Obwohl die Wahrscheinlichkeit der photoelektrischen Absorption von Gammaphotonen im Allgemeinen mit zunehmender Photonenenergie abnimmt, gibt es scharfe Diskontinuitäten in der Querschnittskurve. Diese werden als „Absoptionskanten“ bezeichnet.und sie entsprechen den Bindungsenergien von Elektronen aus den gebundenen Schalen des Atoms. Für Photonen mit einer Energie knapp über dem Rand reicht die Photonenenergie gerade aus, um die photoelektrische Wechselwirkung mit Elektronen aus der gebundenen Schale, beispielsweise der K-Schale, einzugehen. Die Wahrscheinlichkeit einer solchen Wechselwirkung ist knapp über dieser Kante viel größer als die von Energiephotonen etwas unterhalb dieser Kante. Für Gammaphotonen unterhalb dieser Kante ist die Wechselwirkung mit Elektronen aus der K-Schale energetisch unmöglich und daher sinkt die Wahrscheinlichkeit abrupt. Diese Kanten treten auch bei Bindungsenergien von Elektronen aus anderen Schalen (L, M, N… ..) auf.

Querschnitt des photoelektrischen Effekts.

Compton-Effekt

Schlüsselmerkmale der Compton-Effekt

Bei Zwischenenergien dominiert die Compton-Streuung .
Es ist die Streuung von Photonen durch Atomelektronen
Photonen erfahren eine Wellenlängenverschiebung, die als Compton-Verschiebung bezeichnet wird.
Die auf das Rückstoßelektron übertragene Energie kann von Null bis zu einem großen Teil der einfallenden Gammastrahlenenergie variieren

Definition der Compton-Effekt

Compton-Effekt ist die unelastische oder nicht – klassische Streuung eines Photons (die eine Röntgen- oder Gammastrahlen kann Photon ) durch ein geladenes Teilchen, in der Regel eines Elektron. Bei der Compton-Streuung wird das einfallende Gammastrahlenphoton um einen Winkel Θ in Bezug auf seine ursprüngliche Richtung abgelenkt. Diese Ablenkung führt zu einer Abnahme der Energie (Abnahme der Photonenfrequenz) des Photons und wird als Compton-Effekt bezeichnet . Das Photon überträgt einen Teil seiner Energie auf das Rückstoßelektron . Die auf das Rückstoßelektron übertragene Energie kann von Null bis zu einem großen Teil der einfallenden Gammastrahlenenergie variieren, da alle Streuwinkel möglich sind. Die Compton-Streuung wurde 1923 von A.H.Compton beobachtetan der Washington University in St. Louis. Compton erhielt 1927 den Nobelpreis für Physik für dieses neue Verständnis der Teilchennatur von Photonen.

Compton-Effekt Formel

Die Compton-Formel wurde 1923 in der Physical Review veröffentlicht. Compton erklärte, dass die Röntgenverschiebung durch den partikelartigen Impuls von Photonen verursacht wird. Die Compton-Effekt formel ist die mathematische Beziehung zwischen der Verschiebung der Wellenlänge und dem Streuwinkel der Röntgenstrahlen. Bei der Compton-Effekt kollidiert das Photon der Frequenz f mit einem ruhenden Elektron. Bei einer Kollision prallt das Photon vom Elektron ab und gibt einen Teil seiner Anfangsenergie ab (gegeben durch die Plancksche Formel E = hf). Während das Elektron an Impuls gewinnt (Masse x Geschwindigkeit), kann das Photon seine Geschwindigkeit nicht senken . Aufgrund des Impulserhaltungsgesetzes muss das Photon seinen Impuls senken, der gegeben ist durch:

Die Abnahme des Photonenimpulses muss also in eine Abnahme der Frequenz (Zunahme der Wellenlänge Δλ = λ ‚- λ ) übersetzt werden. Die Verschiebung der Wellenlänge nahm mit dem Streuwinkel gemäß der Compton-Formel zu :

Compton Scattering — Bei dem Compton-Effekt wird das einfallende Gammastrahlenphoton um einen Winkel Θ in Bezug auf seine ursprüngliche Richtung abgelenkt. Diese Ablenkung führt zu einer Abnahme der Energie (Abnahme der Photonenfrequenz) des Photons und wird als Compton-Effekt bezeichnet.
Quelle: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu

λ ist die anfängliche Wellenlänge des Photons

λ ‚ ist die Wellenlänge nach der Streuung,

h ist die Planck-Konstante = 6,626 × 10 ^–34 Js

m _e ist die Elektronenruhmasse (0,511 MeV)

c ist die Lichtgeschwindigkeit

Θ ist der Streuwinkel.

Die minimale Änderung der Wellenlänge ( λ ‚ – λ ) für das Photon tritt auf, wenn Θ = 0 ° (cos (Θ) = 1) und mindestens Null ist. Die maximale Änderung der Wellenlänge ( λ ‚ – λ ) für das Photon tritt auf, wenn Θ = 180 ° (cos (Θ) = – 1). In diesem Fall überträgt das Photon so viel Impuls wie möglich auf das Elektron. Die maximale Änderung der Wellenlänge kann aus der Compton-Formel abgeleitet werden:

Die Größe h / m _e c ist als Compton-Wellenlänge des Elektrons bekannt und beträgt 2,43 × 10 ^–12 m .

Compton-Effekt – Querschnitte

Die Wahrscheinlichkeit des Compton-Effekt pro Wechselwirkung mit einem Atom steigt linear mit der Ordnungszahl Z an, da sie von der Anzahl der Elektronen abhängt, die für die Streuung im Zielatom verfügbar sind. Die Winkelverteilung von Photonen, die von einem einzelnen freien Elektron gestreut werden, wird durch die Klein-Nishina-Formel beschrieben :

wobei ε = E ₀ / m _e c ² und r ₀ der „klassische Radius des Elektrons“ ist, der ungefähr 2,8 × 10 ^–13 cm entspricht. Die Formel gibt die Wahrscheinlichkeit der Streuung eines Photons in das Raumwinkelelement dΩ = 2π sin Θ dΘ an, wenn die einfallende Energie E _{0 ist} .

Compton-Streuexperiment — Die Wellenlängenänderung bei einer solchen Streuung hängt nur vom Streuwinkel für ein gegebenes Zielteilchen ab.
Quelle: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/

Compton-Streuung — Querschnitt des Compton-Effekt von Photonen durch Atomelektronen.

Compton-Streuung - Winkelverteilung — Energien eines Photons bei 500 keV und eines Elektrons nach Compton-Streuung.
Quelle: wikipedia.org

Compton Edge

Bei der Spektrophotometrie ist die Compton-Kante ein Merkmal des Spektrographen, das sich aus dem Compton-Effekt im Szintillator oder Detektor ergibt. Dieses Merkmal ist auf Photonen zurückzuführen, die eine Compton-Streuung mit einem Streuwinkel von 180 ° erfahren und dann aus dem Detektor entweichen. Wenn ein Gammastrahl vom Detektor streut und entweicht, kann nur ein Bruchteil seiner Anfangsenergie in der empfindlichen Schicht des Detektors abgelagert werden. Es hängt vom Streuwinkel des Photons ab, wie viel Energie im Detektor abgeschieden wird. Dies führt zu einem Spektrum von Energien. Die Compton-Kantenenergie entspricht einem vollständig rückgestreuten Photon .

Inverse Compton-Effekt

Inverse Compton-Effekt ist die Streuung von Photonen niedriger Energie zu hohen Energien durch relativistische Elektronen. Relativistische Elektronen können die Energie von Photonen mit niedriger Energie um einen potenziell enormen Betrag steigern (sogar Gammastrahlen können erzeugt werden). Dieses Phänomen ist in der Astrophysik sehr wichtig.

Compton-Kante von 60Co auf dem Gammaspektrometer Na (Tl).

Inverse Compton-Streuung — Quelle: venables.asu.edu

Paarbildung

Im Allgemeinen ist die Paarbildung ein Naturphänomen, bei dem Energie direkt in Materie umgewandelt wird . Das Phänomen der Paarbildung kann auf zwei verschiedene Arten betrachtet werden. Ein Weg ist als Teilchen und Antiteilchen und der andere ist als Teilchen und Loch . Der erste Weg kann durch die Bildung von Elektronen und Positronen aus einem Paket elektromagnetischer Energie ( hochenergetischer Photon – Gammastrahl ) dargestellt werden, das sich durch Materie bewegt. Dies ist eine der möglichen Arten, wie Gammastrahlen mit Materie interagieren. Bei hohen Energien dominiert diese Wechselwirkung .Damit Elektronen-Positronenpaare erzeugt werden können, muss die elektromagnetische Energie des Photons über einer Schwellenenergie liegen , die der Ruhemasse zweier Elektronen entspricht. Die Schwellenenergie (die gesamte Ruhemasse der produzierten Teilchen) für die Elektron-Positronenpaar-Produktion beträgt 1,02 MeV (2 x 0,511 MeV), da die Ruhemasse eines einzelnen Elektrons 0,511 MeV Energie entspricht.

Wenn die Energie des ursprünglichen Photons größer als 1,02 MeV ist, wird jede Energie über 1,02 MeV gemäß dem Erhaltungsgesetz zwischen der kinetischen Bewegungsenergie der beiden Teilchen aufgeteilt.

Das Vorhandensein eines elektrischen Feldes eines schweren Atoms wie Blei oder Uran ist wesentlich, um die Erhaltung von Impuls und Energie zu gewährleisten . Um sowohl die Impulserhaltung als auch die Energie zu erhalten, muss der Atomkern einen gewissen Impuls erhalten. Daher ist eine Photonenpaar – Produktion kann im freien Raum nicht auftreten .

Darüber hinaus ist das Positron das Antiteilchen des Elektrons. Wenn ein Positron zur Ruhe kommt, interagiert es mit einem anderen Elektron, was zur Vernichtung der beiden Teilchen und zur vollständigen Umwandlung ihrer Ruhemasse in reine Energie führt (gemäß die E = mc ² -Formel) in Form von zwei entgegengesetzt gerichteten 0,511 MeV-Gammastrahlen (Photonen). Das Phänomen der Paarbildung ist daher mit der Erzeugung und Zerstörung von Materie in einer Reaktion verbunden.

Paarbildung – Querschnitt

Die Wahrscheinlichkeit einer Paarbildung, die durch einen Querschnitt gekennzeichnet ist, ist eine sehr komplizierte Funktion, die auf der Quantenmechanik basiert . Im Allgemeinen nimmt der Querschnitt ungefähr mit dem Quadrat der Ordnungszahl (σ _p ~ Z ² ) zu und mit der Photonenenergie zu, aber diese Abhängigkeit ist viel komplexer.

Paarproduktion im Kernfeld und im Elektronenfeld. — Querschnitt der Paarbildung im Kernfeld und im Elektronenfeld.

Dämpfung der Gammastrahlen

Der Gesamtquerschnitt der Wechselwirkung einer Gammastrahlung mit einem Atom ist gleich der Summe aller drei genannten Teilquerschnitte:

σ = σ _f + σ _C + σ _p

σ _f – Photoelektrischer Effekt

σ _C – Compton-Effekt

σ _p – Paarbildung

Abhängig von der Gammastrahlenenergie und dem Absorbermaterial kann einer der drei Teilquerschnitte viel größer werden als die beiden anderen. Bei kleinen Werten der Gammastrahlenenergie dominiert der photoelektrische Effekt . Bei Zwischenenergien dominiert die Compton-Effekt . Die Compton-Effekt nimmt auch mit abnehmender Ordnungszahl der Materie zu, daher ist das Dominanzintervall für Lichtkerne breiter. Schließlich dominiert die Produktion von Elektronen-Positronen-Paaren bei hohen Energien.

Basierend auf der Definition des Wechselwirkungsquerschnitts kann die Abhängigkeit der Intensität der Gammastrahlen von der Dicke des Absorbermaterials abgeleitet werden. Wenn monoenergetische Gammastrahlen zu einem schmalen Strahl kollimiert werden und der Detektor hinter dem Material nur die Gammastrahlen erfasst, die durch dieses Material hindurchgegangen sind, ohne dass eine Wechselwirkung mit diesem Material besteht, sollte die Abhängigkeit eine einfache exponentielle Abschwächung der Gammastrahlen sein . Jede dieser Wechselwirkungen entfernt das Photon entweder durch Absorption oder durch Streuung von der Detektorrichtung weg vom Strahl. Daher können die Wechselwirkungen durch eine feste Eintrittswahrscheinlichkeit pro Einheit Pfadlänge im Absorber charakterisiert werden. Die Summe dieser Wahrscheinlichkeiten heißtlinearer Dämpfungskoeffizient :

μ = τ _{(photoelektrisch)} + σ _(Compton) + κ _(Paar)

Gammastrahleneinstellung — Die relative Bedeutung verschiedener Prozesse der Wechselwirkung von Gammastrahlung mit Materie.

Linearer Dämpfungskoeffizient

Die Dämpfung der Gammastrahlung kann dann durch die folgende Gleichung beschrieben werden.

I = I ₀ .e ^-μx

wobei I die Intensität nach der Dämpfung ist, I _o die Einfallsintensität ist, μ der lineare Dämpfungskoeffizient (cm ^–1 ) und die physikalische Dicke des Absorbers (cm) ist.

Die in der nebenstehenden Tabelle aufgeführten Materialien sind Luft, Wasser und verschiedene Elemente von Kohlenstoff ( Z = 6) bis Blei ( Z = 82). Ihre linearen Dämpfungskoeffizienten sind für drei Gammastrahlenenergien angegeben. Es gibt zwei Hauptmerkmale des linearen Dämpfungskoeffizienten:

Der lineare Dämpfungskoeffizient nimmt mit zunehmender Ordnungszahl des Absorbers zu.
Der lineare Dämpfungskoeffizient für alle Materialien nimmt mit der Energie der Gammastrahlen ab.

Halbwertsschicht

Die Halbwertsschicht drückt die Dicke des absorbierenden Materials aus, die zur Verringerung der Intensität der einfallenden Strahlung um den Faktor zwei benötigt wird . Es gibt zwei Hauptmerkmale der Halbwertsschicht:

Die Halbwertsschicht nimmt mit zunehmender Ordnungszahl des Absorbers ab. Zum Beispiel werden 35 m Luft benötigt, um die Intensität eines 100 keV-Gammastrahls um den Faktor zwei zu reduzieren, während nur 0,12 mm Blei dasselbe bewirken können.
Die Halbwertsschicht für alle Materialien nimmt mit der Energie der Gammastrahlen zu. Zum Beispiel von 0,26 cm für Eisen bei 100 keV bis etwa 1,06 cm bei 500 keV.

Massendämpfungskoeffizient

Bei der Charakterisierung eines absorbierenden Materials können wir manchmal den Massendämpfungskoeffizienten verwenden. Der Massendämpfungskoeffizient ist definiert als das Verhältnis des linearen Dämpfungskoeffizienten und der Absorberdichte (μ / ρ) . Die Dämpfung der Gammastrahlung kann dann durch die folgende Gleichung beschrieben werden:

I = I ₀ .e ^{– (μ / ρ) .ρl}

wobei ρ die Materialdichte ist, (μ / ρ) der Massendämpfungskoeffizient ist und ρ.l die Massendicke ist. Die Maßeinheit für den Massendämpfungskoeffizienten cm ² g ^-1 .

Für Zwischenenergien dominiert der Compton-Effekt und verschiedene Absorber haben ungefähr gleiche Massendämpfungskoeffizienten. Dies liegt an der Tatsache, dass der Querschnitt der Compton-Streuung proportional zum Z (Ordnungszahl) ist und daher der Koeffizient proportional zur Materialdichte ρ ist. Bei kleinen Werten der Gammastrahlenenergie oder bei hohen Werten der Gammastrahlenenergie, bei denen der Koeffizient proportional zu höheren Potenzen der Ordnungszahl Z ist (für den photoelektrischen Effekt σ _f ~ Z ⁵ ; für die Paarproduktion σ _p ~ Z ² ), wird die Der Dämpfungskoeffizient μ ist keine Konstante.

Beispiel:

Wie viel Wasserschutz benötigen Sie, wenn Sie die Intensität eines monoenergetischen 500-keV- Gammastrahls ( schmaler Strahl ) auf 1% seiner Einfallsintensität reduzieren möchten ? Die Halbwertsschicht für 500 keV Gammastrahlen in Wasser beträgt 7,15 cm und der lineare Dämpfungskoeffizient für 500 keV Gammastrahlen in Wasser beträgt 0,097 cm ^-1 .

Die Frage ist recht einfach und kann durch folgende Gleichung beschrieben werden:

$I (x) = frac {I_ {0}} {100} ;; wann; x =?$

Wenn die Halbwertsschicht für Wasser 7,15 cm beträgt, beträgt der lineare Dämpfungskoeffizient:

$mu = frac {ln2} {7,15} = 0,097 cm ^ {- 1}$

Jetzt können wir die exponentielle Dämpfungsgleichung verwenden:

$I (x) = I_0; exp; (- mu x)$

$frac {I_0} {100} = I_0; exp; (- 0,097 x)$

deshalb

$frac {1} {100} =; exp; (- 0,097 x)$

$lnfrac {1} {100} = - ln; 100 = -0,097 x$

$x = frac {ln100} {{0.097}} = 47.47; cm$

Die erforderliche Wasserdicke beträgt also ca. 47,5 cm . Dies ist eine relativ große Dicke und wird durch kleine Atomzahlen von Wasserstoff und Sauerstoff verursacht. Wenn wir das gleiche Problem für Blei (Pb) berechnen , erhalten wir die Dicke x = 2,8 cm .

Lineare Dämpfungskoeffizienten

Tabelle der linearen Dämpfungskoeffizienten (in cm & supmin ; ¹ ) für verschiedene Materialien bei Gammastrahlenenergien von 100, 200 und 500 keV.

Absorber	100 keV	200 keV	500 keV
Luft	0,000195 / cm	0,000159 / cm	0,000112 / cm
Wasser	0,167 / cm	0,136 / cm	0,097 / cm
Kohlenstoff	0,335 / cm	0,274 / cm	0,196 / cm
Aluminium	0,435 / cm	0,324 / cm	0,227 / cm
Eisen	2,72 / cm	1,09 / cm	0,655 / cm
Kupfer	3,8 / cm	1,309 / cm	0,73 / cm
Führen	59,7 / cm	10,15 / cm	1,64 / cm

Halbe Wertebenen

Tabelle der Halbwertsschichten (in cm) für verschiedene Materialien bei Gammastrahlenenergien von 100, 200 und 500 keV.

Absorber	100 keV	200 keV	500 keV
Luft	3555 cm	4359 cm	6189 cm
Wasser	4,15 cm	5,1 cm	7,15 cm
Kohlenstoff	2,07 cm	2,53 cm	3,54 cm
Aluminium	1,59 cm	2,14 cm	3,05 cm
Eisen	0,26 cm	0,64 cm	1,06 cm
Kupfer	0,18 cm	0,53 cm	0,95 cm
Führen	0,012 cm	0,068 cm	0,42 cm

Gültigkeit des Exponentialgesetzes

Das Exponentialgesetz beschreibt immer die Dämpfung der Primärstrahlung durch Materie. Wenn Sekundärteilchen erzeugt werden
oder wenn die Primärstrahlung ihre Energie oder Richtung ändert, ist die effektive Dämpfung viel geringer. Die Strahlung dringt tiefer in die Materie ein, als dies
allein durch das Exponentialgesetz vorhergesagt wird. Der Prozess muss bei der
Bewertung der Wirkung der Strahlenabschirmung berücksichtigt werden .

Beispiel für den Aufbau von Sekundärpartikeln. Hängt stark vom Charakter und den Parametern der Primärpartikel ab.

Aufbaufaktoren für die Abschirmung von Gammastrahlen

Der Aufbaufaktor ist ein Korrekturfaktor, der den Einfluss der gestreuten Strahlung plus aller Sekundärteilchen im Medium bei Abschirmungsberechnungen berücksichtigt. Wenn wir den Aufbau von Sekundärstrahlung berücksichtigen wollen, müssen wir den Aufbaufaktor einbeziehen . Der Aufbaufaktor ist dann ein multiplikativer Faktor, der die Reaktion auf die nicht kollidierten Photonen berücksichtigt, um den Beitrag der gestreuten Photonen einzuschließen. Somit kann der Aufbaufaktor als Verhältnis der Gesamtdosis zur Reaktion auf die nicht kollidierte Dosis erhalten werden.

Die erweiterte Formel für die Berechnung der Dosisleistung lautet:

Der ANSI / ANS-6.4.3-1991-Standard für Gammastrahlendämpfungskoeffizienten und Aufbaufaktoren für technische Materialien enthält abgeleitete Gammastrahlenschwächungskoeffizienten und Aufbaufaktoren für ausgewählte technische Materialien und Elemente zur Verwendung bei Abschirmungsberechnungen (ANSI / ANS-6.1) .1, 1991).

……………………………………………………………………………………………………………………………….

Dieser Artikel basiert auf der maschinellen Übersetzung des englischen Originalartikels. Weitere Informationen finden Sie im Artikel auf Englisch. Sie können uns helfen. Wenn Sie die Übersetzung korrigieren möchten, senden Sie diese bitte an: translations@nuclear-power.com oder füllen Sie das Online-Übersetzungsformular aus. Wir bedanken uns für Ihre Hilfe und werden die Übersetzung so schnell wie möglich aktualisieren. Danke.

Was sind Beta-Teilchen – definition?

Juli 6, 2021Juli 6, 2020 von Nick Connor

Beta-Teilchen / Strahlung sind energiereiche, schnelle Elektronen oder Positronen. Die Betateilchen sind eine Form ionisierender Strahlung, die auch als Betastrahlen bezeichnet wird. Strahlendosimetrie

Beschreibung Beta-Teilchen

Beta-Teilchen sind energiereiche, schnelle Elektronen oder Positronen, die von bestimmten Spaltfragmenten oder von bestimmten radioaktiven Urkernen wie Kalium-40 emittiert werden . Die Betateilchen sind eine Form ionisierender Strahlung, die auch als Betastrahlen bezeichnet wird. Die Produktion von Beta-Partikeln wird als Beta-Zerfall bezeichnet . Es gibt zwei Formen des Beta-Zerfalls, den Elektronenzerfall (β− -Zerfall) und den Positronenzerfall (β + -Zerfall) . In einem Kernreaktor tritt insbesondere der β− -Zerfall auf, weil die Spaltungsprodukte einen Überschuss an Neutronen aufweisen ( siehe Kernstabilität)). Ein instabiles Spaltfragment mit einem Überschuss an Neutronen unterliegt einem β− -Zerfall, bei dem das Neutron in ein Proton, ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino umgewandelt wird .

Spektrum der Beta-Partikel

Energiespektrum des Beta-Zerfalls — Die Form dieser Energiekurve hängt davon ab, welcher Anteil der Reaktionsenergie (Q-Wert – die durch die Reaktion freigesetzte Energiemenge) vom Elektron oder Neutrino getragen wird.

Beim Beta-Zerfall wird entweder ein Elektron oder ein Positron emittiert. Diese Emission geht mit der Emission von Antineutrino (β-Zerfall) oder Neutrino (β + Zerfall) einher , die Energie und Impuls des Zerfalls teilen. Die Beta-Emission hat ein charakteristisches Spektrum. Dieses charakteristische Spektrum wird durch die Tatsache verursacht, dass entweder ein Neutrino oder ein Antineutrino unter Emission von Beta-Partikeln emittiert wird. Die Form dieser Energiekurve hängt davon ab, welcher Anteil der Reaktionsenergie ( Q-Wert – die durch die Reaktion freigesetzte Energiemenge) vom massiven Teilchen getragen wird. Beta-Partikel können daher mit jeder kinetischen Energie im Bereich von 0 bis Q emittiert werden . Bis 1934 hatte Enrico Fermi eine entwickeltFermi-Theorie des Beta-Zerfalls , die die Form dieser Energiekurve vorhersagte.

Art der Wechselwirkung von Beta-Strahlung mit Materie

Zusammenfassung der Arten von Interaktionen:

Inelastische Kollisionen mit Atomelektronen (Anregung und Ionisation)
Elastische Streuung von Kernen
Bremsstrahlung.
Cherenkov-Strahlung.
Vernichtung (nur Positronen)

Vergleich von Partikeln in einer Wolkenkammer. Quelle: wikipedia.org

Die Art der Wechselwirkung einer Betastrahlung mit Materie unterscheidet sich von der Alphastrahlung , obwohl Betateilchen auch geladene Teilchen sind. Beta-Partikel haben im Vergleich zu Alpha-Partikeln eine viel geringere Masse und erreichen meist relativistische Energien . Ihre Masse entspricht der Masse der Orbitalelektronen, mit denen sie interagieren, und im Gegensatz zum Alpha-Teilchen kann ein viel größerer Teil seiner kinetischen Energie in einer einzigen Wechselwirkung verloren gehen. Da die Beta-Teilchen meist relativistische Energien erreichen, kann die nichtrelativistische Bethe-Formel nicht verwendet werden. Für hochenergetische Elektronen wurde von Bethe auch ein ähnlicher Ausdruck abgeleitetBeschreibung des spezifischen Energieverlusts durch Anregung und Ionisation (die „Kollisionsverluste“).

Modifizierte Bethe-Formel für Beta-Partikel.

Darüber hinaus können Beta-Partikel über eine Elektron-Kern-Wechselwirkung (elastische Streuung von Kernen) interagieren , wodurch sich die Richtung der Beta-Partikel erheblich ändern kann . Daher ist ihr Weg nicht so einfach. Die Beta-Partikel folgen einem sehr Zick-Zack-Pfad durch das absorbierende Material. Dieser resultierende Partikelpfad ist länger als das lineare Eindringen (Bereich) in das Material.

Beta-Partikel unterscheiden sich von anderen stark geladenen Partikeln auch in dem Anteil an Energie, der durch den als Bremsstrahlung bekannten Strahlungsprozess verloren geht . Nach der klassischen Theorie muss ein geladenes Teilchen beim Beschleunigen oder Abbremsen Energie ausstrahlen, und die Verzögerungsstrahlung wird als Bremsstrahlung („Bremsstrahlung“) bezeichnet .

Es gibt einen anderen Mechanismus, durch den Beta-Partikel durch die Erzeugung elektromagnetischer Strahlung Energie verlieren. Wenn sich das Beta-Teilchen schneller als die Lichtgeschwindigkeit (Phasengeschwindigkeit) im Material bewegt, erzeugt es eine Stoßwelle elektromagnetischer Strahlung, die als Cherenkov-Strahlung bekannt ist .

Positronen interagieren ähnlich mit Materie, wenn sie energetisch sind . Wenn das Positron zur Ruhe kommt , interagiert es mit einem negativ geladenen Elektron, was zur Vernichtung des Elektron-Positron-Paares führt.

Bremsstrahlung

Die Bremsstrahlung ist elektromagnetische Strahlung, die durch die Beschleunigung oder Verzögerung eines geladenen Teilchens erzeugt wird, wenn es durch Magnetfelder (ein Elektron durch Magnetfeld des Teilchenbeschleunigers) oder ein anderes geladenes Teilchen (ein Elektron durch einen Atomkern) abgelenkt wird . Der Name Bremsstrahlung stammt aus dem Deutschen. Die wörtliche Übersetzung lautet „Bremsstrahlung“ . Nach der klassischen Theorie muss ein geladenes Teilchen, wenn es beschleunigt oder abgebremst wird, Energie ausstrahlen.

Die Bremsstrahlung ist eine der möglichen Wechselwirkungen von lichtgeladenen Teilchen mit Materie (insbesondere mit hohen Atomzahlen ).

Die zwei häufigsten Vorkommen von Bremsstrahlung sind:

Verzögerung geladener Teilchen. Wenn geladene Teilchen in ein Material eintreten, werden sie durch das elektrische Feld der Atomkerne und Atomelektronen abgebremst.
Beschleunigung geladener Teilchen. Wenn sich ultrarelativistisch geladene Teilchen durch Magnetfelder bewegen, müssen sie sich auf einem gekrümmten Pfad bewegen. Da sich ihre Bewegungsrichtung ständig ändert, beschleunigen sie auch und emittieren so Bremsstrahlung, in diesem Fall wird sie als Synchrotronstrahlung bezeichnet .

Bremsstrahlung vs. Ionisation — Bruchteil des Energieverlusts pro Strahlungslänge in Blei als
Funktion der Elektronen- oder Positronenenergie. Quelle: http://pdg.lbl.gov/

Da die Bremsstrahlung bei leichteren Partikeln viel stärker ist, ist dieser Effekt bei Beta-Partikeln viel wichtiger als bei Protonen, Alpha-Partikeln und schwer geladenen Kernen ( Spaltfragmenten ). Dieser Effekt kann bei Teilchenenergien unter etwa 1 MeV vernachlässigt werden , da der Energieverlust durch Bremsstrahlung sehr gering ist. Der Strahlungsverlust wird erst bei Teilchenenergien deutlich, die weit über der minimalen Ionisierungsenergie liegen. Bei relativistischen Energien ist das Verhältnis der Verlustrate durch Bremsstrahlung zur Verlustrate durch Ionisation ungefähr proportional zum Produkt der kinetischen Energie des Partikels und der Ordnungszahl des Absorbers.

Der Querschnitt der Bremsstrahlung hängt hauptsächlich von folgenden Begriffen ab:

Das Verhältnis der Bremskraft der Bremsstrahlung und der Ionisationsverluste ist also:

wobei E die kinetische Energie des Teilchens (Elektrons) ist, Z die mittlere Ordnungszahl des Materials ist und E ‚eine Proportionalitätskonstante ist; E ‚≈ 800 MeV . Die kinetische Energie, bei der der Energieverlust durch Bremsstrahlung gleich dem Energieverlust durch Ionisation und Anregung (Kollisionsverluste) ist, wird als kritische Energie bezeichnet . Ein weiterer Parameter ist die Strahlungslänge , definiert als die Entfernung, über die die Energie des einfallenden Elektrons allein aufgrund von Strahlungsverlusten um den Faktor 1 / e (0,37) reduziert wird. Die folgende Tabelle enthält einige typische Werte:

Cherenkov-Strahlung

Die Cherenkov-Strahlung ist elektromagnetische Strahlung, die emittiert wird, wenn sich ein geladenes Teilchen (wie ein Elektron) schneller als die Phasengeschwindigkeit des Lichts in diesem Medium durch ein dielektrisches Medium bewegt . Es ähnelt der Bugwelle, die von einem Boot erzeugt wird, das schneller als die Geschwindigkeit von Wasserwellen fährt. Cherenkov-Strahlung tritt nur auf, wenn die Geschwindigkeit des Partikels höher ist als die Phasengeschwindigkeit des Lichts im Material. Selbst bei hohen Energien ist der Energieverlust durch Cherenkov-Strahlung viel geringer als der durch die anderen Mechanismen (Kollisionen, Bremsstrahlung). Es ist nach dem sowjetischen Physiker Pavel Alekseyevich Cherenkov benannt , mit dem er 1958 den Nobelpreis für Physik teilteIlya Frank und Igor Tamm für die Entdeckung der Cherenkov-Strahlung aus dem Jahr 1934.

Cherenkov-Strahlung kann verwendet werden, um hochenergetische geladene Teilchen (insbesondere Beta-Teilchen) nachzuweisen. In Kernreaktoren oder in einem Pool abgebrannter Brennelemente werden Beta-Partikel (hochenergetische Elektronen) freigesetzt, wenn die Spaltfragmente zerfallen. Das Leuchten ist auch nach Beendigung der Kettenreaktion (im Reaktor) sichtbar. Die Cherenkov-Strahlung kann die verbleibende Radioaktivität abgebrannter Brennelemente charakterisieren und kann daher zur Messung des Brennstoffverbrauchs verwendet werden.

Positronenwechselwirkungen

Die Coulomb-Kräfte , die den Hauptmechanismus des Energieverlusts für Elektronen darstellen, sind entweder für die positive oder die negative Ladung des Partikels vorhanden und bilden den Hauptmechanismus des Energieverlusts auch für Positronen. Unabhängig davon, ob die Wechselwirkung eine abstoßende oder anziehende Kraft zwischen dem einfallenden Teilchen und dem Orbitalelektronen (oder Atomkern) beinhaltet, sind der Impuls und der Energietransfer für Teilchen gleicher Masse ungefähr gleich . Daher interagieren Positronen ähnlich mit Materie, wenn sie energetisch sind . Die Spur von Positronen im Material ähnelt der Spur von Elektronen. Sogar ihr spezifischer Energieverlust und ihre Reichweite sind bei gleichen Anfangsenergien ungefähr gleich.

Am Ende ihres Weges unterscheiden sich Positronen signifikant von Elektronen. Wenn ein Positron (Antimaterieteilchen) zur Ruhe kommt, interagiert es mit einem Elektron (Materieteilchen), was zur Vernichtung beider Teilchen und zur vollständigen Umwandlung ihrer Ruhemasse in reine Energie führt (gemäß der Formel E = mc ² ). in Form von zwei entgegengesetzt gerichteten 0,511 MeV Gammastrahlen (Photonen).

Positronenvernichtung

Elektronen-Positronen-Vernichtung tritt auf, wenn ein negativ geladenes Elektron und ein positiv geladenes Positron kollidieren. Wenn ein niederenergetisches Elektron ein niederenergetisches Positron (Antiteilchen des Elektrons) vernichtet, können sie nur zwei oder mehr Photonen (Gammastrahlen) erzeugen. Die Erzeugung von nur einem Photon ist wegen der Erhaltung des linearen Impulses und der Gesamtenergie verboten . Die Produktion eines anderen Partikels ist ebenfalls verboten, da beide Partikel (Elektron-Positron) zusammen nicht genügend Massenenergie tragen, um schwerere Partikel zu produzieren. Wenn ein Elektron und ein Positron kollidieren, vernichten sie sich, was zur vollständigen Umwandlung ihrer Ruhemasse in reine Energie (gemäß der Formel E = mc ² ) in Form von zwei entgegengesetzt gerichteten 0,511 MeV-Gammastrahlen (Photonen) führt.

e ^– + e ⁺ → γ + γ (2x 0,511 MeV)

Dieser Prozess muss eine Reihe von Erhaltungsgesetzen erfüllen, darunter:

Erhaltung der elektrischen Ladung. Die Nettoladung vorher und nachher ist Null.
Erhaltung des linearen Impulses und der Gesamtenergie. T.
Erhaltung des Drehimpulses.

Abschirmung von Beta-Teilchen – Elektronen

Betastrahlung ionisiert Materie schwächer als Alphastrahlung . Andererseits sind die Bereiche der Beta-Partikel länger und hängen stark von der anfänglichen kinetischen Energie der Partikel ab. Einige haben genug Energie, um Bedenken hinsichtlich der externen Exposition zu haben. Ein 1 MeV Beta-Partikel kann sich in der Luft ungefähr 3,5 Meter weit bewegen. Solche Beta-Partikel können in den Körper eindringen und Dosis an inneren Strukturen in der Nähe der Oberfläche abgeben. Daher ist eine stärkere Abschirmung als bei Alphastrahlung erforderlich.

Materialien mit niedriger Ordnungszahl Z eignen sich als Beta-Partikelschilde. Bei Materialien mit hohem Z ist die Bremsstrahlung (Sekundärstrahlung – Röntgenstrahlen) verbunden. Diese Strahlung entsteht beim Verlangsamen von Beta-Partikeln, während sie sich in einem sehr dichten Medium fortbewegen. Schwere Kleidung, dicker Karton oder dünne Aluminiumplatte schützen vor Betastrahlung und verhindern die Erzeugung von Bremsstrahlung.

Siehe auch Rechner: Beta-Aktivität zur Dosisleistung

Abschirmung von Beta-Partikeln – Positronen

Daher muss jede Positronenabschirmung auch eine Gammastrahlenabschirmung enthalten. Um die Bremsstrahlung zu minimieren, ist ein mehrschichtiger Strahlungsschutz angebracht. Das Material für die erste Schicht muss die Anforderungen für eine negative Betastrahlungsabschirmung erfüllen . Die erste Schicht einer solchen Abschirmung kann beispielsweise eine dünne Aluminiumplatte sein (um Positronen abzuschirmen), während die zweite Schicht einer solchen Abschirmung ein dichtes Material wie Blei oder abgereichertes Uran sein kann.

Siehe auch: Abschirmung der Gammastrahlung

……………………………………………………………………………………………………………………………….

Wechselwirkungen von Betastrahlung

Juli 6, 2021Juli 6, 2020 von Nick Connor

Wechselwirkungen von Betastrahlung (Betateilchen) beruhen hauptsächlich auf zwei Mechanismen. Anregung und Ionisierung von Atomen und Erzeugung von Bremsstrahlung. Strahlendosimetrie

Beschreibung Beta-Teilchen

Spektrum der Beta-Partikel

Art der Wechselwirkung von Beta-Strahlung mit Materie

Zusammenfassung der Arten von Interaktionen:

Inelastische Kollisionen mit Atomelektronen (Anregung und Ionisation)
Elastische Streuung von Kernen
Bremsstrahlung.
Cherenkov-Strahlung.
Vernichtung (nur Positronen)

Bremsstrahlung

Die Bremsstrahlung ist eine der möglichen Wechselwirkungen von lichtgeladenen Teilchen mit Materie (insbesondere mit hohen Atomzahlen ).

Die zwei häufigsten Vorkommen von Bremsstrahlung sind:

Verzögerung geladener Teilchen. Wenn geladene Teilchen in ein Material eintreten, werden sie durch das elektrische Feld der Atomkerne und Atomelektronen abgebremst.
Beschleunigung geladener Teilchen. Wenn sich ultrarelativistisch geladene Teilchen durch Magnetfelder bewegen, müssen sie sich auf einem gekrümmten Pfad bewegen. Da sich ihre Bewegungsrichtung ständig ändert, beschleunigen sie auch und emittieren so Bremsstrahlung, in diesem Fall wird sie als Synchrotronstrahlung bezeichnet .

Der Querschnitt der Bremsstrahlung hängt hauptsächlich von folgenden Begriffen ab:

Das Verhältnis der Bremskraft der Bremsstrahlung und der Ionisationsverluste ist also:

Cherenkov-Strahlung

Positronenwechselwirkungen

Positronenvernichtung

e ^– + e ⁺ → γ + γ (2x 0,511 MeV)

Dieser Prozess muss eine Reihe von Erhaltungsgesetzen erfüllen, darunter:

Erhaltung der elektrischen Ladung. Die Nettoladung vorher und nachher ist Null.
Erhaltung des linearen Impulses und der Gesamtenergie. T.
Erhaltung des Drehimpulses.

……………………………………………………………………………………………………………………………….

Was ist der Vor- und Nachteil von HPGe-Detektoren – Definition

Juli 7, 2020Januar 4, 2020 von Nick Connor

Hauptvorteil von HPGe-Detektoren ist ihre sehr gute Energieauflösung. Hauptnachteil ist, dass sie auf Flüssigstickstofftemperaturen abgekühlt werden müssen. Strahlendosimetrie

HPGe Detektor - Germanium — HPGe-Detektor mit LN2-Kryostat Quelle: canberra.com

Hochreine Germaniumdetektoren ( HPGe-Detektoren ) sind die beste Lösung für die präzise Gamma- und Röntgenspektroskopie . Im Vergleich zu Siliziumdetektoren ist Germanium für die Strahlungsdetektion viel effizienter als Silizium , da seine Ordnungszahl viel höher als die von Silizium ist und die für die Erzeugung eines Elektronen-Loch-Paares erforderliche durchschnittliche Energie niedriger ist, und zwar 3,6 eV für Silizium und 2,9 eV für Germanium. Aufgrund seiner höheren Ordnungszahl hat Ge einen viel größeren linearen Dämpfungskoeffizienten, was zu einem kürzeren mittleren freien Weg führt. Darüber hinaus können Siliziumdetektoren nicht dicker als ein paar Millimeter sein, während Germanium einen verbrauchten Anteil haben kann.empfindliche Dicke von Zentimetern und kann daher als Totalabsorptionsdetektor für Gammastrahlen bis zu wenigen MeV verwendet werden.

Vor- und Nachteile von HPGe-Detektoren

Vorteile von HPGe Detektoren

Höhere Ordnungszahl. Germanium wird bevorzugt, da seine Ordnungszahl viel höher als die von Silizium ist und die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung mit Gammastrahlen erhöht.
Germanium hat eine niedrigere durchschnittliche Energie, die zur Erzeugung eines Elektronen-Loch-Paares erforderlich ist: 3,6 eV für Silizium und 2,9 eV für Germanium.
Sehr gute Energieauflösung . Das FWHM für Germaniumdetektoren ist eine Funktion der Energie. Für ein 1,3-MeV-Photon beträgt die FWHM 2,1 keV, was sehr niedrig ist.
Große Kristalle . Während Detektoren auf Siliziumbasis nicht dicker als ein paar Millimeter sein können, kann Germanium eine abgereicherte, empfindliche Dicke von Zentimetern aufweisen und kann daher als Totalabsorptionsdetektor für Gammastrahlen bis zu wenigen MeV verwendet werden.

Nachteile von HPGe Detektoren

Abkühlen . Der Hauptnachteil von HPGe-Detektoren besteht darin, dass sie auf Temperaturen von flüssigem Stickstoff abgekühlt werden müssen. Da Germanium eine relativ geringe Bandlücke aufweist , müssen diese Detektoren gekühlt werden, um die thermische Erzeugung von Ladungsträgern auf ein akzeptables Niveau zu reduzieren . Andernfalls zerstört durch leckstrominduziertes Rauschen die Energieauflösung des Detektors. Erinnern wir uns , dass die Bandlücke (ein Abstand zwischen Valenz und Leitungsband ) für Germanium sehr gering ist (Egap = 0,67 eV). Durch Abkühlen auf die Temperatur von flüssigem Stickstoff (-195,8 ° C) werden thermische Anregungen von Valenzelektronen verringert, so dass nur durch eine Gammastrahlenwechselwirkung einem Elektron die Energie verliehen werden kann, die erforderlich ist, um die Bandlücke zu überqueren und das Leitungsband zu erreichen.
Preis . Der Nachteil ist, dass Germaniumdetektoren wesentlich teurer sind als Ionisationskammern oder Szintillationszähler .

……………………………………………………………………………………………………………………………….

Was ist die Anwendung von HPGe-Detektoren – Definition

Juli 7, 2020Januar 4, 2020 von Nick Connor

Da HPGe-Detektoren zur Messung von Strahlung in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet werden, einschließlich Personal- und Umgebungsüberwachung. Anwendung von HPGe-Detektoren

Da HPGe-Detektoren die höchste heute allgemein verfügbare Auflösung erzeugen, werden sie zur Messung von Strahlung in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet, einschließlich Personal- und Umgebungsüberwachung auf radioaktive Kontamination, medizinische Anwendungen, radiometrische Tests, nukleare Sicherheit und Sicherheit von Kernkraftwerken.

Anwendung von HPGe-Detektoren – Gammaspektroskopie

Das Studium und die Analyse von Gammastrahlenspektren für wissenschaftliche und technische Zwecke wird wie geschrieben als Gammaspektroskopie bezeichnet, und Gammastrahlenspektrometer sind die Instrumente, die solche Daten beobachten und sammeln. Ein Gammastrahlenspektrometer (GRS) ist ein hoch entwickeltes Gerät zur Messung der Energieverteilung von Gammastrahlung. Für die Messung von Gammastrahlen über mehreren hundert keV sind zwei Detektorkategorien von großer Bedeutung, anorganische Szintillatoren wie NaI (T1) und Halbleiterdetektoren. In den vorhergehenden Artikeln haben wir die Gammaspektroskopie unter Verwendung eines Szintillationsdetektors beschrieben, der aus einem geeigneten Szintillatorkristall, einer Photovervielfacherröhre und einer Schaltung zum Messen der Höhe der vom Photovervielfacher erzeugten Impulse besteht. Die Vorteile eines Szintillationszählers sind seine Effizienz (große Größe und hohe Dichte) und die möglichen hohen Genauigkeiten und Zählraten. Aufgrund der hohen Ordnungszahl von Jod führt eine große Anzahl aller Wechselwirkungen zu einer vollständigen Absorption der Gammastrahlenenergie, so dass der Photofraktion hoch ist.

HPGe Detector Spektrum — Abbildung: Bildunterschrift: Vergleich von NaI (Tl) – und HPGe-Spektren für Cobalt-60. Quelle: Radioisotope und Strahlenmethodik I, II. Soo Hyun Byun, Vorlesungsskript. McMaster Universität, Kanada.

Wenn jedoch eine perfekte Energieauflösung erforderlich ist, müssen wir einen Detektor auf Germaniumbasis verwenden , beispielsweise den HPGe-Detektor . Halbleiterdetektoren auf Germaniumbasis werden am häufigsten dort eingesetzt, wo eine sehr gute Energieauflösung erforderlich ist, insbesondere für die Gammaspektroskopie sowie die Röntgenspektroskopie. In der Gammaspektroskopie wird Germanium bevorzugt, da seine Ordnungszahl viel höher als die von Silizium ist und die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung mit Gammastrahlen erhöht. Darüber hinaus hat Germanium eine niedrigere durchschnittliche Energie, die zur Erzeugung eines Elektronen-Loch-Paares erforderlich ist: 3,6 eV für Silizium und 2,9 eV für Germanium. Dies bietet letztere auch eine bessere Energieauflösung. Das FWHM (volle Breite bei halbem Maximum) für Germaniumdetektoren ist eine Funktion der Energie. Für ein 1,3-MeV-Photon beträgt die FWHM 2,1 keV, was sehr niedrig ist.

……………………………………………………………………………………………………………………………….

Was ist ein Neutronendetektor mit eigener Stromversorgung – Definition

Juli 7, 2020Januar 4, 2020 von Nick Connor

Self-Powered Neutron Detectors (SPND) sind Neutronendetektoren, die aufgrund ihrer Anpassungsfähigkeit an die Umgebung im Kern häufig in Reaktoren zur Überwachung des Neutronenflusses eingesetzt werden. Strahlendosimetrie

Self-Powered Neutron Detectors ( SPND ) sind Neutronendetektoren, die aufgrund ihrer Anpassungsfähigkeit an die Umgebung im Kern häufig in Reaktoren zur Überwachung des Neutronenflusses eingesetzt werden . SPNDs können Teil des Incore-Neutronenfluss-Überwachungssystems sein, das detaillierte Informationen zur Neutronenflussverteilung und damit zu den Grenzen dieser Spitzenleistungsgrenzen liefert. Diese Detektoren nutzen den grundlegenden radioaktiven Zerfallsprozess ihres Neutronenaktivierungsmaterials, um ein Ausgangssignal zu erzeugen. Wie der Name schon sagt, benötigen SPNDs keine externe Spannungsquelle , um ein Spannungspotential im Detektor zu erzeugen. Stattdessen wird im Detektor als Ergebnis der Neutronenaktivierung ein Strom erzeugtund anschließender Betazerfall des Detektors. Durch die Emission dieser Betateilchen (Elektronen) wird der Draht immer positiver geladen. Das positive Potential des Drahtes bewirkt, dass ein Strom im Widerstand R fließt. Der Elektronenstrom vom Betazerfall kann direkt mit einem Amperemeter gemessen werden.

Der autarke Neutronendetektor bietet zwei Hauptvorteile:

Es ist sehr wenig Instrumentierung erforderlich, normalerweise nur ein Millivoltmeter oder ein Amperemeter
Das Emittermaterial hat eine viel längere Lebensdauer als die in Spaltkammern verwendete Bor- oder Uran-235-Auskleidung.

Andererseits gibt es auch Nachteile, die damit verbunden sind, dass Ströme auch bei Volllastbetrieb sehr gering sind. Daher können SPNDs keine Informationen über die Flussverteilung bei Betrieb mit geringer Leistung (10% und weniger) bereitstellen. Der Hauptnachteil des autarken Neutronendetektors besteht darin, dass das Emittermaterial mit einer charakteristischen Halbwertszeit zerfällt, die die Ansprechzeit des Detektors bestimmt. Abhängig von der Reaktionszeit werden diese Detektoren grob klassifiziert als:

Prompt Response Detektoren . Die Sofortreaktionsdetektoren wie Cobalt und Inconel werden in Reaktorschutz- und -regelungsanwendungen eingesetzt.
Melder mit verzögerter Reaktion . Die Delayed-Response-Detektoren wie Vanadium und Rhodium werden häufig für das Flux-Mapping-System (FMS) eingesetzt.

Das typische SPND ist ein Koaxialkabel bestehend aus:

Emitter . Eine innere Elektrode, die aus einem Material besteht, das ein Neutron absorbiert und durch Emittieren eines Elektrons radioaktiv zerfällt (Beta-Zerfall). Der Emitter besteht normalerweise aus Rhodium und wird zur Erzeugung von Elektronen verwendet.
Isolierung. Der Emitter ist von einer Isolierung umgeben, die üblicherweise aus Aluminiumoxid besteht.
Sammler . Die Metallwände des Detektors umhüllen diese Teile und dienen als Sammler für die. Elektronen, die erzeugt werden.- Der Kollektor ist an Massepotential angeschlossen,

Selbstversorgte Neutronendetektoren werden normalerweise in das Instrumentenrohr eines Brennelements eingebaut. Sie können die gesamte Länge ausgewählter Brennelemente überwachen, um eine äußerst genaue dreidimensionale Karte der Verteilung des Neutronenflusses zu erhalten . Mit diesen Daten kann die Neutronenflussrekonstruktion auch im übrigen Reaktorkern durchgeführt werden.

Typische Materialien für den Emitter sind Kobalt, Cadmium, Rhodium und Vanadium. Diese Materialien sollten verwendet werden, weil sie relativ hohe Schmelztemperaturen, relativ hohe Querschnitte zu thermischen Neutronen besitzen und mit dem SPND-Herstellungsverfahren kompatibel sind.

Spezielle Referenz: William H. Todt, Sr. EIGENSCHAFTEN SELBSTBETRIEBENER NEUTRONENMELDER, DIE IN LEISTUNGSREAKTOREN VERWENDET WERDEN. Imaging and Sensing Technology Corporation. New York.

Rhodium Emitter – SPND auf Rhodiumbasis

Eines der möglichen Materialien ist Rhodium als Emitter. Ein SPND mit einem Rhodiumemitter hat eine relativ hohe Empfindlichkeit , eine hohe Abbrandrate, stört die lokale Leistungsdichte und hat ein ( zweifach ) verzögertes Signal . Ein Detektor auf Rhodiumbasis ist ein Beta-Strom-Detektor mit eigener Stromversorgung, der die folgende Aktivierungsreaktion verwendet, um einen messbaren Strom zu erzeugen.

¹ n + ¹⁰³ Rh → ¹⁰⁴ Rh → ¹⁰⁴ Pd + β

Wie zu sehen ist, bewirkt ein von Rhodium-103 eingefangenes Neutron, dass ein Rhodium-103-Atom zu einem radioaktiven Rhodium-104- Atom wird. Das Rhodium-104 zerfällt dann in Palladium-104 plus ein Beta-Teilchen ( Elektron ). Das Beta-Teilchen hat genug Energie, um durch den Isolator zu gelangen und den Kollektor zu erreichen. Die Halbwertszeit von aktiviertem Rhodium-104 beträgt 42,3 Sekunden, was die Emission des geladenen Teilchens verzögert. Ein Detektor auf Rhodiumbasis verwendet diese Produktion von Beta-Partikeln (Elektronen), um einen Strom zu erzeugen, der proportional zur Anzahl der vom Emitter eingefangenen Neutronen ist, der auch proportional zur lokalen Reaktorleistungsdichte ist. Ein Teil des Stromflusses des Detektors ist auf Gammastrahlen zurückzuführen. Um dieses fehlerhafte Signal zu kompensieren, wird eine Hintergrundkorrektur über einen Hintergrunddetektor durchgeführt, der aus den gleichen Komponenten wie der Detektor besteht, außer dass das Rhodium entfernt wird.

Rhodium-103 hat einen Einfangquerschnitt von 133 Scheunen für thermische Neutronen und eine Resonanz bei 1,25 eV. Diese Reaktion führt zur Produktion von ¹⁰⁴ Rh mit T _1/2 = 42 s, was beta-radioaktiv ist. Es ist zu beachten, dass etwa 11 Ställe zur Reaktion gehören, in der ein Isomer von ^{104 m} Rh erzeugt wird (mit T _1/2 = 4,4 min).

Die folgenden Eigenschaften sind typisch für die Verwendung in einem thermischen Leistungsreaktor (z. B. PWR).

Die Rhodium-Abbrandrate beträgt 0,39% pro Monat bei einem thermischen Neutronenfluss von 10 ¹³ n / cm ² / s.
92% des Signals haben eine Halbwertszeit von 42 Sekunden.
8% des Signals haben eine Halbwertszeit von 4,4 Minuten.
Die Beta-Emission hat eine Energie von 2,44 MeV.

Vanadiumemitter – SPND auf Vanadiumbasis

Ein SPND mit einem Vanadiumemitter hat eine relativ geringe Empfindlichkeit, eine geringe Abbrandrate bei minimaler Störung der lokalen Leistungsdichte und ein sehr lang verzögertes Signal. Ein Detektor auf Vanadiumbasis ist ein Beta-Strom-Detektor mit eigener Stromversorgung, der die folgende Aktivierungsreaktion verwendet, um einen messbaren Strom zu erzeugen.

¹ n + ⁵¹ V → ⁵² V → ⁵² Cr + β

Vanadium-51 hat einen Einfangquerschnitt von 4,9 Scheunen für thermische Neutronen ohne Resonanzen. Diese Reaktion führt zur Erzeugung von ⁵² V mit T _1/2 = 3,74 min, was beta-radioaktiv ist .

Die folgenden Eigenschaften sind typisch für die Verwendung in einem thermischen Leistungsreaktor (z. B. PWR).

Die Vanadium-Abbrandrate beträgt 0,012% pro Monat bei einem thermischen Neutronenfluss von 10 ¹³ n / cm ² / s.
99% des Signals haben eine Halbwertszeit von 3,8 Minuten.
1% des Signals ist prompt.
Die nachfolgende Beta-Emission hat eine Energie von 2,6 MeV.

……………………………………………………………………………………………………………………………….

Was ist Incore-Temperaturüberwachungssystem – Definition

Juli 7, 2020Januar 4, 2020 von Nick Connor

Das Incore-Temperaturüberwachungssystem besteht aus Incore-Thermoelementen, die an vorgewählten Stellen positioniert sind, um die Kühlmittelauslasstemperatur des Brennelementes zu messen und die radiale Leistungsteilung des Kerns und die Enthalpieverteilung des Kühlmittels zu überwachen. Strahlendosimetrie

Das Incore-Kerninstrumentierungssystem misst die Verteilung des Neutronenflusses und die Temperaturen im Reaktorkern. Der Zweck des Incore-Instrumentierungssystems besteht darin, detaillierte Informationen über die Verteilung des Neutronenflusses und die Auslasstemperaturen der Brennelemente an ausgewählten Kernstandorten bereitzustellen . Das Incore-Instrumentierungssystem bietet Datenerfassung und führt normalerweise keine Schutz- oder Anlagenbetriebssteuerungsfunktionen aus.

Das Incore-Instrumentierungssystem umfasst:

Incore Neutronenfluss-Überwachungssystem
Incore Temperaturüberwachungssystem

Westinghouse Technology Systems Manual, Abschnitt 9.2. Incore Instrumentation System. <verfügbar unter: https://www.nrc.gov/docs/ML1122/ML11223A264.pdf>.

Incore-Temperaturüberwachungssystem

Das Incore-Temperaturüberwachungssystem besteht aus Incore-Thermoelementen, die an vorgewählten Stellen positioniert sind, um die Kühlmittelauslasstemperatur des Brennelementes zu messen und die radiale Leistungsteilung des Kerns und die Enthalpieverteilung des Kühlmittels zu überwachen . Es muss beachtet werden, dass die Kühlmittelaustrittstemperaturen mehr oder weniger durch die seitliche Durchmischung beeinflusst werden. Bei einigen Reaktorkonstruktionen hat dieses System einen anderen Zweck, z. B. die Überwachung von Sicherheitsfunktionen. Diese Daten (Kühlmittelaustrittstemperaturen) können (abhängig von bestimmten Reaktorkonstruktionen) verwendet werden, um:

Geben Sie den Bedienern Hinweise auf unzureichende Bedingungen für die Kernkühlung in Notfallsituationen (z. B. Kernübertemperatur ).
Informationen zum Temperaturanstieg im Brennelement bereitstellen. Dies kann auf einen schwerwiegenden Kernzustand hinweisen (z. B. Kanalblockade ) und sollte untersucht werden.
Stellen Sie Eingaben für die Subcooling Margin-Monitore bereit
Bereitstellung von Eingaben für Computer-Computeranwendungen in Anlagen, die Kernaustrittstemperaturen verwenden, um den Anstieg der Brennelemententhalpie und begrenzte Informationen zur Leistungsverteilung zu bestimmen.

Westinghouse Technology Systems Manual, Abschnitt 9.2. Incore Instrumentation System. <verfügbar unter: https://www.nrc.gov/docs/ML1122/ML11223A264.pdf>.

……………………………………………………………………………………………………………………………….

Was ist Incore Neutron Flux Monitoring System – Definition

Juli 7, 2020Januar 4, 2020 von Nick Connor

Das Incore-Neutronenfluss-Überwachungssystem besteht aus Incore-Detektoren mit einer ausreichenden Empfindlichkeit, um die Messung lokalisierter Schwankungen der Neutronenflussverteilung innerhalb des Reaktorkerns zu ermöglichen. Strahlendosimetrie

Das Incore-Neutronen-Überwachungssystem besteht aus Incore-Detektoren mit einer ausreichenden Empfindlichkeit, um die Messung lokalisierter Schwankungen der Neutronenflussverteilung innerhalb des Reaktorkerns zu ermöglichen . Es ist zu beachten, dass in Leistungsreaktorkernen die Flussverteilung und auch die Leistungsverteilung maßgeblich von vielen Faktoren beeinflusst wird. Daher variiert die Temperatur in einem Betriebsreaktor von Punkt zu Punkt innerhalb des Systems. Infolgedessen gibt es immer einen Brennstab und ein lokales Volumen , die heißer sind als alle anderen. Um diese heißen Stellen zu begrenzen, müssen die Spitzenleistungsgrenzen eingeführt werden. Die Spitzenleistungsgrenzen sind mit a verknüpftkochende Krise und mit den Bedingungen, die Brennstoffpelletschmelze verursachen könnten. Das Incore-Neutronenfluss-Überwachungssystem liefert detaillierte Informationen zur Verteilung des Neutronenflusses und damit zu den Grenzen dieser Spitzenleistungsgrenzen .

Das Incore-Neutronenfluss-Überwachungssystem verwendet normalerweise:

Miniaturspaltungskammern
Neutronendetektoren mit eigener Stromversorgung

Diese beweglichen Flussdetektoren, die normalerweise im Instrumentenrohr eines Brennelements angeordnet sind , können die gesamte Länge ausgewählter Brennelemente überwachen, um eine äußerst genaue dreidimensionale Karte der Neutronenflussverteilung zu erhalten . Mit diesen Daten kann die Neutronenflussrekonstruktion auch im übrigen Reaktorkern durchgeführt werden. Die vom Incore-Neutronenfluss-Überwachungssystem erhaltenen Daten werden normalerweise (abhängig von der bestimmten Reaktorkonstruktion) verwendet, um:

Diese Daten können verwendet werden, um die Leistungsverteilung im Kern jederzeit während des Brennstoffzyklus zu bestimmen. Mit der überwachten Stromverteilung wird überprüft, ob die folgenden Hot-Channel-Faktoren für die Stromverteilung den technischen Grenzwerten entsprechen:
1. Der Wärmestrom-Heißkanalfaktor – F _Q (z) , definiert als: Das Verhältnis der maximalen lokalen linearen Leistungsdichte, bei der ein minimaler Spielraum zur Begrenzung der Kraftstofftemperatur besteht (während AOOs), zur durchschnittlichen lokalen linearen Leistungsdichte im Kern.
2. Der Heißkanalfaktor für den Anstieg der nuklearen Enthalpie – F _NΔH , der definiert ist als: Das Verhältnis des Integrals der linearen Leistung entlang des Brennstabs, bei dem die minimale Abweichung vom Siedeverhältnis der Keime auftritt (während AOOs), zur durchschnittlichen Brennstableistung in der Ader.
Diese Daten können verwendet werden, um den Kraftstoffverbrauch und die Isotopen-Kraftstoffvorräte im Kern jederzeit während des Kraftstoffzyklus zu bestimmen .
Diese Daten können verwendet werden, um die Kerninstrumente des Excore-Leistungsbereichs für die axiale Flussdifferenz (AFD) zu kalibrieren.
Mit diesen Daten kann überprüft werden, ob das Quadrantenleistungs-Neigungsverhältnis (QPTR) die technischen Spezifikationen erfüllt.
Die Daten liefern auch Trends für die Kernbedingungen, sodass Korrekturmaßnahmen ergriffen werden können, bevor eine Bedingung übermäßig wird.

Siehe auch: Energieverteilung in PWR

Siehe auch: Knotenmethode in der Neutronendiffusion

Neutronendetektor mit eigener Stromversorgung

Selbstversorgende Neutronendetektoren ( SPND ) sind Neutronendetektoren, die aufgrund ihrer Anpassungsfähigkeit an schwere Umgebungen im Kern häufig in Reaktoren zur Überwachung des Neutronenflusses eingesetzt werden . SPNDs können Teil des Incore-Neutronenfluss-Überwachungssystems sein, das detaillierte Informationen zur Neutronenflussverteilung und damit zu den Grenzen dieser Spitzenleistungsgrenzen liefert. Diese Detektoren verwenden den grundlegenden radioaktiven Zerfallsprozess ihres Neutronenaktivierungsmaterials, um ein Ausgangssignal zu erzeugen. Wie der Name schon sagt, benötigen SPNDs keine externe Spannungsquelle , um ein Spannungspotential im Detektor zu erzeugen. Stattdessen wird im Detektor als Ergebnis der Neutronenaktivierung ein Strom erzeugtund anschließender Beta-Zerfall des Detektors selbst. Durch die Emission dieser Beta-Teilchen (Elektronen) wird der Draht immer positiver geladen. Das positive Potential des Drahtes bewirkt, dass im Widerstand R ein Strom fließt. Der Elektronenstrom aus dem Beta-Zerfall kann direkt mit einem Amperemeter gemessen werden.

Der autarke Neutronendetektor bietet zwei Hauptvorteile:

Es ist nur sehr wenig Instrumentierung erforderlich, normalerweise nur ein Millivoltmeter oder ein Amperemeter
Das Emittermaterial hat eine viel längere Lebensdauer als die in Spaltkammern verwendete Bor- oder Uran-235-Auskleidung.

Andererseits gibt es auch Nachteile, die mit der Tatsache verbunden sind, dass die Ströme selbst bei Betrieb mit voller Leistung sehr gering sind. Daher können SPNDs keine Informationen über die Flussverteilung bei Betrieb mit geringer Leistung (10% und weniger) liefern. Der Hauptnachteil des autarken Neutronendetektors besteht darin, dass das Emittermaterial mit einer charakteristischen Halbwertszeit zerfällt, die die Reaktionszeit des Detektors bestimmt. Abhängig von der Reaktionszeit werden diese Detektoren grob klassifiziert als:

Sofortige Antwortdetektoren . Die Sofortreaktionsdetektoren wie Cobalt und Inconel werden in Reaktorschutz- und Regelungsanwendungen eingesetzt.
Detektoren für verzögerte Reaktionen . Die Detektoren mit verzögerter Reaktion wie Vanadium und Rhodium werden häufig für das Flux Mapping System (FMS) verwendet.

Das typische SPND ist ein Koaxialkabel, bestehend aus:

Emitter . Eine innere Elektrode, die aus einem Material besteht, das ein Neutron absorbiert und durch Emission eines Elektrons radioaktiv zerfällt (Beta-Zerfall). Der Emitter besteht normalerweise aus Rhodium und wird zur Erzeugung von Elektronen verwendet.
Isolierung. Der Emitter ist von einer Isolierung umgeben, die üblicherweise aus Aluminiumoxid besteht.
Sammler . Die Metallwände des Detektors umhüllen diese Teile und dienen als Sammler für die. Elektronen, die erzeugt werden. – Der Kollektor ist an das Erdpotential angeschlossen.

Selbstversorgende Neutronendetektoren werden normalerweise in das Instrumentenrohr einer Brennelementanordnung eingesetzt. Sie können die gesamte Länge ausgewählter Brennelementanordnungen überwachen, um eine äußerst genaue dreidimensionale Karte der Neutronenflussverteilung zu erhalten . Mit diesen Daten kann die Neutronenflussrekonstruktion auch im Rest des Reaktorkerns durchgeführt werden.

Typische Materialien, die für den Emitter verwendet werden, sind Kobalt, Cadmium, Rhodium und Vanadium. Diese Materialien sollten verwendet werden, da sie relativ hohe Schmelztemperaturen, relativ hohe Querschnitte zu thermischen Neutronen besitzen und mit dem SPND-Herstellungsverfahren kompatibel sind.

Besondere Referenz: William H. Todt, Sr. EIGENSCHAFTEN VON NEUTRON-DETEKTOREN MIT SELBSTBETRIEB, DIE IN STROMREAKTOREN VERWENDET WERDEN. Imaging and Sensing Technology Corporation. New York.

Rhodium Emitter – SPND auf Rhodiumbasis

¹ n + ¹⁰³ Rh → ¹⁰⁴ Rh → ¹⁰⁴ Pd + β

Die folgenden Eigenschaften sind typisch für die Verwendung in einem thermischen Leistungsreaktor (z. B. PWR).

Die Rhodium-Abbrandrate beträgt 0,39% pro Monat bei einem thermischen Neutronenfluss von 10 ¹³ n / cm ² / s.
92% des Signals haben eine Halbwertszeit von 42 Sekunden.
8% des Signals haben eine Halbwertszeit von 4,4 Minuten.
Die Beta-Emission hat eine Energie von 2,44 MeV.

Vanadiumemitter – SPND auf Vanadiumbasis

¹ n + ⁵¹ V → ⁵² V → ⁵² Cr + β

Vanadium-51 hat einen Einfangquerschnitt von 4,9 Scheunen für thermische Neutronen ohne Resonanzen. Diese Reaktion führt zur Erzeugung von ⁵² V mit T _1/2 = 3,74 min, was beta-radioaktiv ist .

Die folgenden Eigenschaften sind typisch für die Verwendung in einem thermischen Leistungsreaktor (z. B. PWR).

Die Vanadium-Abbrandrate beträgt 0,012% pro Monat bei einem thermischen Neutronenfluss von 10 ¹³ n / cm ² / s.
99% des Signals haben eine Halbwertszeit von 3,8 Minuten.
1% des Signals ist prompt.
Die nachfolgende Beta-Emission hat eine Energie von 2,6 MeV.

……………………………………………………………………………………………………………………………….

Was ist Leistungsbereichsdetektor – Definition

Juli 7, 2020Januar 4, 2020 von Nick Connor

Leistungsbereichsdetektoren sind das wichtigste nukleare Instrumentensystem für den Leistungsbetrieb. Die Leistungsbereich-Instrumentierung besteht normalerweise aus vier nicht kompensierten Ionisationskammern. Strahlendosimetrie

Leistungsbereichsdetektoren sind das wichtigste nukleare Instrumentensystem für den Leistungsbetrieb. Sie überwachen den Neutronenfluss (Reaktorleistung) von Null bis etwa 120% der Nennleistung zusammen mit der Angabe der axialen und radialen Verteilung dieser Leistung. Sie liefern auch Anzeigen, Alarme und Reaktorauslösesignale. Wenn der Neutronenflusspegel in den Leistungsbereich steigt, ist die Gammakompensation kein großes Problem, da Gammastrahlen nicht viel zur Gesamtionisation beitragen (etwa 0,1% bei 100% Leistung). Aus diesem Grund besteht das Gerät für den Leistungsbereich normalerweise aus vier nicht kompensierten Ionisationskammern , von denen jede über einen eigenen Detektor, eine eigene Kabelführung und eine eigene elektronische Schaltung verfügt. Die Ionisationskammer , auch Ionenkammer genanntist ein elektrisches Gerät, das verschiedene Arten ionisierender Strahlung erkennt . Die Spannung des Detektors wird so eingestellt, dass die Bedingungen dem Ionisationsbereich entsprechen . Die Spannung ist nicht hoch genug, um eine Gasverstärkung (Sekundärionisation) zu erzeugen. Ionisationskammern werden für hohe Strahlendosisraten bevorzugt , da sie keine „ Totzeit “ haben”, Ein Phänomen, das die Genauigkeit der Geiger-Müller-Röhre bei hohen Dosisleistungen beeinträchtigt. Der Detektor besteht aus einer einzelnen zylindrischen Kammer, deren Arbeitsweise mit der der mit Bor ausgekleideten Kammer der Kammer für kompensierte Ionen identisch ist. Diese nicht kompensierte Kammer ist sowohl für Gammastrahlen als auch für Neutronen empfindlich. In dem Betriebsleistungsbereich ist der Neutronenflusspegel jedoch um ein Vielfaches größer als der Gammafluss, und daher ist keine Gammakompensation erforderlich.

Alle vier Kanäle sind physikalisch und funktional identisch. Jeder Leistungsbereichskanal verwendet einen oberen und einen unteren unkompensierten Ionenkammerdetektor (Tandemdetektor), mit denen die axiale Flussdifferenz gemessen werden kann . Jeder Kanal überwacht auch einen „Quadranten“ des Kerns. Ein oberer Detektor und ein unterer Detektor sind im selben Instrumentenschacht montiert. Die Ausgänge beider Detektoren (oberer und unterer) werden kombiniert, um ein Kanalgesamtleistungssignal zu erzeugen. Die acht Detektorausgänge (vier obere und vier untere Detektoren) werden miteinander verglichen, um dem Reaktorbediener Informationen zur Leistungsverteilung (AFD und QPTR ) bereitzustellen .

Die axiale Flussdifferenz ist definiert als die Differenz der normalisierten Flusssignale (AFD) zwischen der oberen und unteren Hälfte eines zweiteiligen Excore-Neutronendetektors.

AFD ist definiert als:

AFD oder ΔI = I _oben – I _unten

wo ich _oben und ich _unten sind als Bruchteil der Nennwärmeleistung ausgedrückt.

QPTR ist definiert als:

Das Verhältnis der maximalen kalibrierten Ausgabe des oberen Exzore-Detektors zum Durchschnitt der kalibrierten Ausgaben des oberen Exzore-Detektors oder das Verhältnis der kalibrierten maximalen Ausgabe des unteren Exzore-Detektors zum Durchschnitt der kalibrierten Ausgaben des unteren Exzore-Detektors, je nachdem, welcher Wert größer ist.

Die Leistungsbereichsinstrumentierung überwacht und zeigt den Neutronenflusspegel des Reaktorkerns und die Geschwindigkeit an, mit der sich der Neutronenfluss während eines Leistungsbetriebs ändert und die Standardlast dem Betrieb folgt. Der Neutronenfluss wird als Prozentsatz der Nennleistung angegeben. Die Änderungsrate der Neutronenpopulation wird als Startrate (SUR) angegeben, die als die Anzahl der zehn Faktoren definiert ist, bei denen sich die Leistung in einer Minute ändert. Daher sind die Einheiten von SUR Potenzen von zehn pro Minute oder Jahrzehnten pro Minute ( dpm ).

Obwohl das nukleare Instrumentierungssystem eine schnelle Reaktion auf Änderungen des Neutronenflusses bietet und ein unersetzbares System ist, muss es kalibriert werden . Leistungsbereichskanälen Prozent bewertet , um anzuzeigen , sind kalibrierte Wärmeleistung durch einen sekundären Wärmebilanz (kalorimetrischer). Die genaue Wärmeleistung des Reaktors kann nur mit Methoden gemessen werden, die auf der Energiebilanz des Primärkreises oder der Energiebilanz des Sekundärkreises basieren .

Sonderreferenz: Standardüberprüfungsplan für die Überprüfung von Sicherheitsanalyseberichten für Kernkraftwerke: LWR-Ausgabe. NUREG-0800, US NRC.

Neutronenfluss und Kraftstoffverbrennung

In einem Leistungsreaktor bleibt die Atomzahldichte der Brennstoffatome über einen relativ kurzen Zeitraum (Tage oder Wochen) relativ konstant. Daher bleibt in dieser kurzen Zeit auch der durchschnittliche Neutronenfluss konstant , wenn der Reaktor mit einem konstanten Leistungsniveau betrieben wird. Andererseits nehmen die Atomzahldichten spaltbarer Isotope über einen Zeitraum von Monaten aufgrund des Brennstoffverbrennens ab, und daher nehmen auch die makroskopischen Querschnitte ab. Dies führt zu einem langsamen Anstieg des Neutronenflusses , um das gewünschte Leistungsniveau beizubehalten. Daher muss das Excore-Nuklearinstrumentierungssystem regelmäßig kalibriert werden.

Leistungsbereich – Reaktorsicherheit

Wie bereits geschrieben, wird das Excore-Nuklearinstrumentierungssystem als sicherheitsrelevantes System angesehen, da es Eingaben in das Reaktorschutzsystem liefert . Die Neutronenflussauslösung im Leistungsbereich bietet den Kernschutz für viele Leistungsausfallunfälle in MODE 1 (Leistungsbetrieb). Beispiele für Schutzaktionssignale, die vom Leistungsbereich bereitgestellt werden, umfassen:

Der Neutronenfluss im Leistungsbereich (niedriger Sollwert). Eine Reaktorauslösung tritt auf, wenn der Leistungspegel auf zwei von vier Kanälen den voreingestellten Wert (z. B. 25%) überschreitet und die Auslösung nicht blockiert ist.
Der Neutronenfluss im Leistungsbereich (Hochsollwert). Eine Reaktorauslösung tritt auf, wenn der Leistungspegel auf zwei von vier Kanälen den voreingestellten Wert (z. B. 109%) überschreitet, um den Kern vor einem Überlastungszustand und vor einem positiven Reaktivitätsausschlag zu schützen, der während des Leistungsbetriebs zu DNB führt. Diese Reise kann nicht blockiert werden.
Ratenreisen . Wenn die Änderungsrate der Reaktorleistung einen voreingestellten Wert entweder in positiver oder negativer Richtung überschreitet, tritt eine Reaktorauslösung auf.
- Die Auslösung mit hoher positiver Rate stellt sicher, dass ein Schutz gegen schnelle Anstiege des Neutronenflusses gewährleistet ist, die für einen Bruch des RCCA-Antriebsstangengehäuses und das damit einhergehende Auswerfen des RCCA charakteristisch sind.
- Die Auslösung mit hoher negativer Rate stellt sicher, dass ein Schutz für Unfälle mit mehreren Stangenstürzen bereitgestellt wird. Bei hohen Leistungspegeln kann ein Unfall mit mehreren Stäben zu einem lokalen Flusspeak führen, der zu einem nicht konservativen lokalen DNBR führen würde.

……………………………………………………………………………………………………………………………….

Was ist ein Spaltkammer – Weitbereichsdetektor – Definition?

Juli 7, 2020Januar 4, 2020 von Nick Connor

Spaltkammern sind Ionisationsdetektoren zum Nachweis von Neutronen. Aufgrund des doppelten Verwendungszwecks der Spaltkammer wird sie häufig in „Weitbereichskanälen“ in nuklearen Instrumentensystemen eingesetzt.

Spaltkammern sind Ionisationsdetektoren zum Nachweis von Neutronen. Spaltkammern können als Zwischenbereichsdetektoren verwendet werden, um den Neutronenfluss (Reaktorleistung) auf dem Zwischenflussniveau zu überwachen. Sie liefern auch Anzeigen, Alarme und Reaktorauslösesignale. Das Design dieses Instruments ist so gewählt, dass es eine Überlappung zwischen den Quellbereichskanälen und der gesamten Spannweite der Leistungsbereichskanäle bietet.

Im Allgemeinen ist die Ionisationskammer , auch als Ionenkammer bekannt , ein elektrisches Gerät, das verschiedene Arten von ionisierender Strahlung erfasst . Die Spannung des Detektors wird so eingestellt, dass die Bedingungen dem Ionisationsbereich entsprechen . Die Spannung ist nicht hoch genug, um eine Gasverstärkung (Sekundärionisation) zu erzeugen. Ionisationskammern werden für hohe Strahlendosisraten bevorzugt , da sie keine „Totzeit“ aufweisen, ein Phänomen, das die Genauigkeit der Geiger-Müller-Röhre beeinträchtigtbei hohen Dosisleistungen. Darüber hinaus führt eine Erhöhung der Spannung im Ionisationsbereich nicht zu einer wesentlichen Erhöhung der Anzahl der gesammelten Ionenpaare. Die Anzahl der von den Elektroden gesammelten Ionenpaare ist gleich der Anzahl der von der einfallenden Strahlung erzeugten Ionenpaare und hängt von der Art und Energie der Teilchen oder Strahlen in der einfallenden Strahlung ab.

Bei Spaltkammern ist die Kammer mit einer dünnen Schicht hochangereichertem Uran-235 beschichtet , um Neutronen nachzuweisen. Neutronen ionisieren nicht direkt und müssen normalerweise in geladene Teilchen umgewandelt werden, bevor sie nachgewiesen werden können. Ein thermisches Neutron bewirkt die Spaltung eines Atoms von Uran-235 , wobei die beiden erzeugten Spaltungsfragmente eine hohe kinetische Energie aufweisenund Bewirken einer Ionisierung des Argongases innerhalb des Detektors. Ein Vorteil der Verwendung einer Uran-235-Beschichtung anstelle von Bor-10 besteht darin, dass die Spaltfragmente eine viel höhere Energie aufweisen als die Alpha-Partikel einer Borreaktion. Darüber hinaus verursachen die Spaltfragmente, die aus der Wechselwirkung von Neutronen mit der Beschichtung resultieren, eine signifikant größere Menge an Ionisation innerhalb der Spaltkammer als die auf den Detektor einfallende Gammastrahlung. Dies führt dazu, dass die von Neutronen erzeugten Ladungsimpulse signifikant größer sind als die Gamma-Impulse. Eine Impulsgrößenunterscheidungsschaltung kann dann verwendet werden, um die unerwünschten Gammaimpulse auszublenden. Daher Spaltkammern sind sehr empfindlich auf Neutronenfluss und dies ermöglicht die Spaltkammern in dem Betrieb höheren Gamma Feldern als eine unkompensierte Ionenkammer mit Borauskleidung.

Spaltkammern werden oft als Stromanzeigegeräte und Impulsgeber in Abhängigkeit vom Neutronenflussniveau verwendet. Im Pulsmodus sind Spaltkammern aufgrund der sehr großen Pulsgrößendifferenz zwischen Neutronen und Gammastrahlen besonders nützlich. Wenn die Leistung im mittleren Bereich oder im Leistungsbereich hoch ist (dh in einem hochgradigen gemischten Gamma- und Neutronenfluss), können die Spaltkammern im Campbelling-Modus betrieben werden (auch als „Schwankungsmodus“ oder „Mittelquadratspannungsmodus“ bezeichnet). zuverlässige und präzise neutronenbezogene Messungen zu liefern. Die Campbelling-Technik eliminiert den Gamma-Beitrag. Aufgrund des doppelten Verwendungszwecks der Spaltkammer wird sie häufig in „Weitbereichskanälen“ in nuklearen Instrumentensystemen eingesetzt.

……………………………………………………………………………………………………………………………….