Was ist Bortrifluorid-Proportionalzähler – BF3 – Definition

Ein  Proportionalzähler , auch als  Proportionaldetektor bezeichnet , ist ein elektrisches Gerät, das verschiedene Arten von ionisierender Strahlung erfasst. Die Spannung des Detektors wird so eingestellt, dass die Bedingungen dem  proportionalen Bereich entsprechen . In diesem Bereich ist die Spannung hoch genug, um die Primärelektronen mit ausreichender Beschleunigung und Energie zu versorgen, damit sie zusätzliche Atome des Mediums ionisieren können. Diese gebildeten Sekundärionen ( Gasverstärkung ) werden ebenfalls beschleunigt und verursachen einen als Townsend-Lawinen bekannten Effekt  , der einen einzigen großen elektrischen Impuls erzeugt. Gasproportionalzähler arbeiten üblicherweise in hohen elektrischen Feldern in der Größenordnung von 10 kV / cm und erzielen typische Verstärkungsfaktoren von etwa 10 ⁵ . Da der Verstärkungsfaktor stark von der angelegten Spannung abhängt, ist die gesammelte Ladung (Ausgangssignal) auch von der angelegten Spannung abhängig und Proportionalzähler benötigen eine konstante Spannung.

Dies ist ein subtiler, aber wichtiger Unterschied zwischen  Ionisationskammern  und  Proportionalzählern . Eine Ionisationskammer erzeugt einen Strom, der proportional zur Anzahl der pro Sekunde gesammelten Elektronen ist. Dieser Strom wird gemittelt und verwendet, um einen Anzeigewert in Bq oder μSv / h zu steuern. Proportionalzähler  funktionieren auf diese Weise nicht. Stattdessen verstärken sie jeden der einzelnen Ionisationsstöße, sodass jedes Ionisationsereignis separat erfasst wird. Sie messen daher die Anzahl der ionisierenden Ereignisse (weshalb sie als Zähler bezeichnet werden). In der nuklearen Instrumentierung werden Bortrifluorid-Proportionalzähler (BF3) häufig als Quellbereichsdetektoren verwendet .

BF ₃  Proportionalzähler

Da die Neutronen  elektrisch neutrale Teilchen sind, sind  sie hauptsächlich  starken Kernkräften ausgesetzt,  jedoch keinen elektrischen Kräften. Daher ionisieren Neutronen  nicht direkt  und müssen in der Regel   in geladene Teilchen umgewandelt werden, bevor sie nachgewiesen werden können. Im Allgemeinen muss jeder Neutronendetektortyp mit einem Konverter (um Neutronenstrahlung in übliche nachweisbare Strahlung umzuwandeln) und einem der herkömmlichen Strahlungsdetektoren (Szintillationsdetektor, Gasdetektor, Halbleiterdetektor usw.) ausgestattet sein.

Ionisationskammern werden häufig als Vorrichtung zum Erfassen geladener Teilchen verwendet. Wenn beispielsweise die innere Oberfläche der Ionisationskammer mit einer dünnen Schicht Bor beschichtet ist, kann die (n, alpha) -Reaktion stattfinden. Die meisten (n, alpha) -Reaktionen von thermischen Neutronen sind  10B (n, alpha) -7Li-  Reaktionen, die mit einer Gamma-Emission von 0,48 MeV einhergehen  .

Darüber hinaus weist das Isotop Bor-10 einen hohen (n, alpha) Reaktionsquerschnitt entlang des gesamten  Neutronenenergiespektrums auf . Das Alpha-Teilchen bewirkt eine Ionisierung innerhalb der Kammer, und ausgestoßene Elektronen verursachen weitere sekundäre Ionisierungen.

Ein anderes Verfahren zum Nachweis von Neutronen unter Verwendung eines Proportionalzählers besteht darin, das Gas  Bortrifluorid  (BF ₃ ) anstelle von Luft in der Kammer zu verwenden. Die einfallenden Neutronen produzieren Alpha-Partikel, wenn sie mit den Boratomen im Detektorgas reagieren. Mit beiden Methoden können Neutronen im Kernreaktor nachgewiesen werden. Es ist zu beachten, dass BF ₃  Zähler üblicherweise im Proportionalbereich betrieben werden.

Quellbereichsdetektoren

Die Quellenbereichsdetektoren überwachen den Neutronenfluss (Reaktorleistung) bei den niedrigsten Abschaltpegeln und liefern Anzeigen, Alarme und Reaktorauslösungen. Das Instrumentarium für den Quellenbereich besteht normalerweise aus zwei oder vier Quellenbereichskanälen, von denen jeder über einen eigenen Detektor, eine eigene Kabelführung und eine eigene elektronische Schaltung verfügt. Als Detektoren werden üblicherweise hochempfindliche Bortrifluorid (BF ₃ ) -Proportionalzähler eingesetzt . Im Allgemeinen sind Proportionalzähler in der Lage, Partikel zu identifizieren und Energie zu messen (Spektroskopie). Die Impulshöhe reflektiert die von der einfallenden Strahlung im Detektorgas abgelagerte Energie. Somit ist es möglich, die größeren Impulse zu unterscheiden, die von Alpha-Partikeln erzeugt werden(erzeugt durch (n, alpha) -Reaktionen) aus den kleineren Pulsen, die durch Betateilchen oder Gammastrahlen erzeugt werden .

Diese BF ₃ -Detektoren erzeugen eine Impulsrate, die proportional zum thermischen Neutronenfluss am Detektor ist. Diese Kanäle werden typischerweise über einen Zählbereich von 0,1 bis 10 ⁶ Zählungen pro Sekunde verwendet , variieren jedoch je nach Reaktordesign. Diese Excore-Detektoren befinden sich normalerweise in Instrumentenschächten im Primärschild (Betonschild) neben dem Reaktorgefäß.

Das Instrument für den Quellenbereich überwacht und zeigt den Neutronenflusspegel des Reaktorkerns und die Rate an, mit der sich der Neutronenfluss während einer Reaktorabschaltung und der Anfangsphase des Startvorgangs ändert . Sie sind sehr wichtig für die Überwachung der Unterkritikalität beim Nachfüllen von Kraftstoff, wenn eine unterkritische Multiplikation stattfindet. Der Neutronenfluss wird in Anzahl pro Sekunde (cps) angegeben. Die Änderungsrate der Neutronenpopulation wird als Startrate (SUR) angegeben, die als die Anzahl der Faktoren von zehn definiert ist, die sich in einer Minute ändern. Daher sind die Einheiten von SUR Zehnerpotenzen pro Minute oder Zehnerpotenzen pro Minute ( dpm ).

Es gibt zwei Hauptprobleme bei der Instrumentierung des Quellbereichs:

• Diskriminierung . Während des Abschaltens des Reaktors und der Anfangsphase des Starts ist es erforderlich, die relativ kleine Anzahl von Impulsen, die von Neutronen erzeugt werden, von der großen Anzahl von Impulsen zu unterscheiden, die von Gammastrahlung erzeugt werden . Daher ist eine Gammadiskriminierung während des Abschaltens von besonderem Interesse, nachdem der Reaktorkern ein signifikantes Maß an Brennstoffverbrennung erreicht hat. Dieser Zustand erzeugt ein hohes Gammafeld und einen niedrigen Neutronenfluss um den Detektor. Proportionalzähler ermöglichen eine Unterscheidung, müssen jedoch kalibriert werden. Der Diskriminator schließt den Durchgang von Impulsen aus, die kleiner als ein vorbestimmtes Niveau sind. Die Funktion des Diskriminators besteht darin, Rauschen und Gamma-Impulse auszuschließen, deren Größe geringer ist als die von Neutronenimpulsen (Alpha-Impulse). Viele Kraftwerke haben es für notwendig befunden, Proportionalzähler für den Quellenbereich in der Bleiabschirmung anzubringen, um die Gammastrahlung an den Detektoren zu reduzieren. Dies erhöht die Empfindlichkeit des Detektors im unteren Bereich und kann die Lebensdauer des Detektors verlängern.
• Totzeit . Dieses Instrument kann eine maximale Neutronenzählrate von 10 ⁶ cps anzeigen . Höhere Zählraten werden durch das als Totzeit bekannte Phänomen beeinflusst. Die Totzeit ist der Zeitraum, in dem der Detektor beschäftigt ist und keine Impulse annehmen und verarbeiten kann. Dieses Phänomen kann schwerwiegende Folgen haben, da die Totzeit die Ausgabe bei hohen Aktivitäten oder hohen Dosisraten verzerrt.

Es gibt einige Kraftwerke, die Vorkehrungen getroffen haben, um die Quellbereichsdetektoren von ihren Betriebspositionen in eine Position mit reduziertem Neutronenflussniveau zu bringen, sobald der Flusspegel über den Quellenbereich steigt.

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