Verwendung von Szintillationszählern anstelle von Zählrohren zur zerstörungsfreien Materialprüfung PDF
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FORSCHUNGSBERICHTE DES WIRTSCHAFTS- UND VERKEHRSMINISTERIUMS NORDRHEIN-WESTFALEN Herausgegeben von Staatssekretär Prof. Leo Brandt Nr. 320 Diplom-Physiker Dr. rer. nat. Hans-Eberherd Caspary I. Physikalisches Institut der Universität Köln Verwendung von Szintillationszählern anstelle von Zählrohren zur zerstörungsfreien Materialprüfung Als Manuskript gedruckt SPRINGER FACHMEDIEN WIESBADEN GMBH 1956 ISBN 978-3-663-03895-5 ISBN 978-3-663-05084-1 (eBook) DOI 10.1007/978-3-663-05084-1 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen G 1 i e der u n g . Übersicht · · · · · · · · · · · So 5 0 0 Einleitung · · · · · · s. 5 0 0 0 . . I. Erstellung des Prüfgerätes · · · · · · · · · s. 7 0 0 0 0 0 0 . . 1 • Meßkopf · · · S. 8 0 2. Impuls-Nachweisgerät · · · · S. 10 0 . a) Allgemeines · · · · · · · S. 10 0 b) Netzteil · · · S. 11 0 c) HF-Hochspannungs-Erzeugung · · · · · S. 12 0 0 0 d) Diskriminator · · · · · · · · · S. 14 0 0 e) Zählrohr-Eingangs verstärker · So 17 f) Löschimpulsstufe · · · So 19 0 0 0 g) Stromintegrator · · · S. 20 0 0 h) Untersetzer- und Zählgerät · · · · So 21 0 0 i) Sonstiges · · · · · · · · · · · So 24 0 0 . IIo Erfahrungsbericht · · · · · · · · · · · · · S. 26 0 0 0 0 0 0 0 0 Sei te 3 Forschungsberichte dos Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen Übe r sie h t In der vorliegenden Arbeit war die Verwendbarkeit des Szintillationszählers anstelle des Zählrohres bei der zerstörungs freien Werkstoffprüfung zu un tersuchen. Der Bau eines Impuls-Nachweisgerätes zur gleichzeitigen Verwendung für Zählrohr- und Multiplier-Betrieb wird beschrieben. Meßbeispiele vergleichender Absorptionsversuche mit beiden Zählertypen werden angegeben. Aus den Versuchen ergibt sich, daß der Multiplier in der zerstörungsfreien Materialprüfung anstelle des Zählrohres durchaus verwendbar ist und ihm gegenüber gewisse Vorteile bietet. Es zeigt sich zwar, daß die prinzipielle ttberlegenheit des Szintillations zählers gegenüber dem Zählrohr in der Praxis nur bei Einsatz von einigem impuls technischen Aufwand ausgenutzt werden kann; und wo dieser Aufwand beschränkt bleiben muß, tritt die Überlegenheit des Szintillationszählers nicht mehr so überzeugend in Erscheinung. Im ungünstigsten Betriebsfalle beträgt sein Auflösungsvermögen jedoch immerhin noch ein Mehrfaches von dem des Zählrohres. Ein lei tun g Im Auftrage des Herrn Ministers für Wirtschaft und Verkehr des Landes Nordrhein-Westfalen in Düsseldorf (Akz. I/1-052-1a-IV/1) wurden im I. Phy sikalischen Institut der Universität Köln Untersuchungen über die Verwen dung von Szintillationszählern anstelle von Zählrohren zur zerstörungs freien Materialprüfung durchgeführt. Die Untersuchungen standen unter der Leitung von Herrn Professor Dr. F. KIRCHNER und Beaufsichtigung durch Herrn Professor Dr. K.H. LAUTERJUNG (jetzt Heidelberg). Beim Vergleich der beiden Methoden kann man die Anwendung auf die techni sche Seite der zerstörungsfreien Materialprüfung außer acht lassen; das Problem reduziert sich vielmehr darauf, die Ansprechempfindlichkeit der beiden Zählertypen auf Intensitätsänderungen auffallender Gammastrahlung zu vergleichen. Denn in der technischen Praxis werden Änderungen des Flä chengewichtes (physikalisch: = Massenbelegung) - sei es als Dickenmessung an laufendem Gut, sei es beim Prüfling auf Risse und Lunker - ebenfalls als Intensitätsänderungen der Strahlung registriert. Sei te 5 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen Die Unsicherheit von Intensitätsmessungen auf der Basis der Zählung von Einzelteilchen beruht zu einem wesentlichen Teile auf der statistischen Schwankungsbreite. Denn innerhalb dieser Schwankungsbreite sind natürlich die Intensitätsänderungen, die auf der Absorptionsänderung im Strahlen gang auf Grund veränderten Flächengewichtes beruhen, nicht mehr von der statistischen Schwankung zu unterscheiden und deshalb überhaupt nicht mehr bemerkbar. Diese Unsicherheit verringert sich - d.h. die Meßgenauigkeit für geringe Änderungen des Flächengewichts vergrößert sich - einmal mit steigender absolnter Intensitätsempfindlichkeit, andererseits mit vergrößertem Auf lösungsvermögen des Zählers. Beides hängt insofern noch zusammen, als der empfindlichere Zähler einen kleineren Arbeitswiderstand benötigt, der sei nerseits die Zeitkonstante herabsetzt und damit das Auflösungsvermögen vergrößert. TIer Szintillationszähler bietet gegenüber dem Zählrohr den Vorteil des größeren Auflösungsvermögens. Denn seine Auflösungszeit beträgt nur einen kleinen Bruchteil einer Mikrosekunde, während das (normalerweise verwen dete) selbstlöschende Zählrohr infolge des in seinem Innern ablaufenden Vorgangs der Ionisation und Löschung nur ein naturgesetzlich bedingtes Auflösungsvermögen von einigen hundert Mikrosekunden zuläßt. Andererseits stellt das Zählrohr gerade wegen seines geringeren Auflösungs vermögens auch wesentlich geringere Ansprüche an das nachfolgende Impuls verstärker- und Nachweisgerät, während das Verarbeiten von Szintillations zähler-Impulsen im Mikrosekunden-Bereich ungleich höhere impuls technische Anforderungen stellt. Das Zählrohr begnügt sich ferner wegen seiner plateau förmigen Charakteristik mit einer Hochspannungsquelle von mäßiger Konstanz, während die Charakteristik des Photosekundärelektronenvervielfachers (PSEV) normalerweise ein solches Plateau nicht aufweist und deshalb eine her vorragende Konstanz seiner Hochspannung erfordert. Es ist zwar möglich, durch Einfügen einer Stabilisatorröhre in den Dynoden-Spannungsteiler des PSEV auch bei diesem einen annähernd plateau-förmigen Verlauf der Charak teristik zu erzielen, jedoch würde dies die Handlichkeit des Meßkopfes in der Praxis erheblich beeinträchtigen, zumal er beim Szintillationszähler ohnehin wesentlich größer und unhandlicher ist als beim Zählrohr und auch ein mehradriges, steiferes und schwereres Zuleitungskabel mit höheren Übertragungseigenschaften erfordert. Die Übertragung von Impulsen im Sei te 6 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen Mikrosekundenbereich über ein abgeschirmtes Kabel von mehreren Metern Länge stellt sowieso beträchtliche Anforderungen an die beiderseitigen Anpassungs glieder. Die vorstehenden Überlegungen führten zu der Frage, ob sich in einem für die Praxis brauchbaren, d.h. handlichen, tragbaren Gerät die Vorteile des Szintillationszählers vor dem Zählrohr gegenüber seinen Nachteilen noch in entscheidendem Maße durchsetzen würden; denn für stationäre Prüfanlagen spielt die Frage nach dem technischen Aufwand naturgemäß nur eine unter geordnete Rolle. Das Ziel der Untersuchungen war daher zunächst der Bau eines entsprechenden hochauflösenden Impuls-Nachweisgerätes von tragbaren Dimensionen. Dies wird im folgenden beschrieben. I. E r s tell u n g des P r ü f ger ä t e s Ein für die oben charakterisierten Untersuchungen geeignetes Prüfgerät muß folgende Funktionen aufweisen: Die am Arbeitswiderstand des Multipliers entstehenden Spannungsimpulse ge langen auf ein Verstärkeraggregat, das aus technischen Gründen in einen Vorverstärker und einen Hauptverstärker aufgeteilt ist. Die so verstärkten Impulse haben jetzt eine Spannungs höhe , die zum Betriebe eines Untersetzers oder eines Integrators hinreicht. Das dem Multiplier eigentümliche Rauschen stellt eine unangenehme Störungs quelle dar. Sie läßt sich, da sie temperaturabhängig ist, nicht durch eine einmalige Einstellung beim Dauerbetrieb unterdrücken. Da dieser thermische Rauschpegel aber von geringerer Amplitude ist als die Signalimpulse, so läßt sich durch Zwischenschaltung eines Amplituden-Diskriminators eine Registrierung dieses Rauschpegels durch den Untersetzer oder Integrator unterdrücken. Vor dem Beginn mit dem Bau eines alle Funktionsstufen enthaltenden trag baren Impuls-Nachweisgerätes wurden diese Funktionsstufen zunächst in ge sonderten Einheiten aufgebaut und durch äußere Wahlverbindungen in ent sprechender Weise zusammengeschaltet. Die damit gemachten Erfahrungen be stimmten den Aufbau des endgültigen Gerätes. Das Vorbild des Zählrohres in Gestalt eines kleinen Meßkopfes, der not falls auch in enge Höhlungen des Prüflings eingebracht werden konnte und Sei te 7 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen vermittels einer langen, dünnen und flexiblen Leitung mit dem Hauptgerät verbunden war, mußte verlassen werden. Im Mikrosekundenbereich verbietet sich für die Übertragung von Signalimpulsen, wie sie am Multiplierausgang entstehen, jede merkliche Leitungslänge. Es war deshalb das Gegebene, den Vorverstärker unmittelbar an den Multiplier heranzusetzen und beide Ein heiten gemeinsam im Meßkopf unterzubringen. Alle übrigen Funktionsstufen konnten in einem einzigen Gerät zusammenge faßt werden, das handlich und tragbar war und somit eine zweckmäßige Ver wendung in der Praxis erlaubte. Um Gewicht und äußere Abmessungen des Ge rätes wirklich handlich zu halten, wurde mit Vorteil der zu den Messungen benutzte Untersetzer mit dem elektro-mechanischen Zählwerk in einer geson derten Einheit mit eigenem Netzanschluß untergebracht. Das Gerät selbst enthält als Registriereinheit einen Integrator und ist somit auch ohne die Untersetzereinheit verwendbar; in der Praxis wird ohnehin fast stets mit dem Integrator gearbeitet werden. Die Vorverstärkereinheit mit dem Szintillationszähler-Meßkopf war mittels abgeschirmten Vielfachkabels an das eigentliche Impuls-Nachweisgerät ange schlossen. Dieses wurde, um den Vergleich zwischen der Empfindlichkeit des Zählrohres mit der des Multipliers einfach durchführen zu können, mit ge trennten Eingängen versehen und für beide Betriebsarten ausgelegt. Einzel heiten bringt der anschließende Teil. 1. Meßkopf Als Meßkopf wurde der Vorverstärker mit dem Multiplier und seinem Spannungs teiler dicht zusammengeschaltet (Abb. 1) und in einem gemeinsamen handli chen Griffstück in Rohrform untergebracht, das gegen magnetische Störein flüsse auf den Multiplier mittels 1 mm starkem Hypermblech 766 der Widia fabrik (Fried. Krupp AG., Essen) abgeschirmt war. Auswechselbare licht dichte Schraubkappen ermöglichten die Verwendung verschiedener Szintilla tionskristalle. Die Versorgungsspannungen wurden mittels abgeschirmter Leitungen dem Impuls Nachweisgerät entnommen; die Impulse liefen von der Hochspannungsleitung getrennt in eigener Koax-Leitung zum Nachweisgerät. Das Verbindungskabel mündete beiderseits in 6-poligen Tuchel-Kontaktsteckern. Der Anschluß der Abschirmung an die Erdleitung erfolgte nur einmal, und zwar unmittelbar an der Vielfachbuchse des Hauptgerätes. Seite 8 Forschungsberiohte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen Die Übertragung von Signalimpulsen geringer Amplitude im Mikrosekundenbe reich bedingt ein gen au angepaßtes Spezialkabel. Eine Auswahl verschiedener Kabelsorten stand nicht zur Verfügung, so daß mit verschiedenen Wellenwi derständen und Kabellängen keine Versuche durchgeführt werden konnten. Ein Zusammenflechten des Vielfachkabels aus mehreren Einzeladern wäre natürlich als letzter Ausweg möglich gewesen, doch hätte dies die Flexibilität und die Robustheit der Verbindung beeinträchtigt. Schließlich hatte das Carls werk (FeIten & Guilleaume, Köln-Mülheim) ein 3 m langes Reststück Fern sehkabel zur Verfügung gestellt, an das der Vorverstärker möglichst gut angepaßt wurde. Trotzdem konnte weder ein Absinken der Verstärkung noch eine Verlängerung der Impulsdauer, d.h. eine Verschlechterung des Auflö sungsvermögens,vermieden werden. ---------------------, -,------------------ - ---------------------- ------ + ~ ••• 1050 V 0,7 10 n I I , '-'- 1.1" ( • •• 2 mA) '- 10 "'----4---...., II II '-' ~ 1 M I I 01.1" : I 9 ~-'-----, , I 0,1ft' M 8 ......- --., M 7 "----- 3 x EF 95 M 6 ......- ---. + 100 V M (7 mA) 5 ~----' M 4 ~_---J --0 6,3 V- 2 (540 mA) 1 ~------~--~~--~_+~---.--~-------.----~ 11 90 20 K,3 1110 75 '6 000 846 A 0 0 61 2 00 3 1 K F 6199 EF 95 Tuchel T 3040 A b b i I dun g 1 Multiplier 6199 mit Vorverstärker (1oo-fach) - Rohr - Sei te 9 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen 2. Impuls-Nachweisgerät a) Allgemeines Das Blockschema (Abb. 2) zeigt die einzelnen Elemente des Gerätes: Der Netzteil NG liefert die Versorgungsspannungen für die einzelnen Funk tionsstufen des Gerätes selbst sowie des anzuschließenden Vorverstärkers und die Hochspannung zum Betriebe des Multipliers oder des Zählrohres bzw. Spitzenzählers. Der Wahlschalter verbindet die einzelnen Versorgungsleitungen sowie die Impulsleitung wahlweise mit den Anschlußbuchsen für Multiplier oder Zähl rohr; hier mußte ein Fabrikat von besonderer mechanischer und elektrischer Zuverlässigkeit verwendet werden. Ein weiterer Umschalter leitet die bereits vorverstärkten und normierten Impulse auf den eingebauten Integrator oder ein getrenntes Zählgerät mit Dekadenuntersetzer 1:1000. Vom Multiplier kommende Impulse können - je nach Schaltung des betreffen den Vorverstärkers - entweder über eine gesonderte Impulsleitung oder auch unmittelbar über die Hochspannungsleitung hereinkommen; die entsprechende Verbindung ist an den Lötfahnen der Vielfachbuchse herzustellen. Für den letztgenannten Fall sorgt eine hochohmige Abriegelung in der Hochspannungs zuführung dafür, daß die Impulse nicht durch die Siebkette im Hochspannungs teil unterdrückt werden. Die Multiplier-Impulse gelangen über eine Koppelkapazität auf die mit D bezeichnete Diskriminatorstufe. Vom Zählrohr bzw. Spitzenzähler kommende Impulse werden über eine Koppel kapazität auf die mit Z bezeichnete Stufe geleitet. Da sie stets auf der an Draht bzw. Spitze liegenden Hochspannungsleitung ankommen, werden sie wieder durch einen hochohmigen Widerstand vom Siebkondensator des Hochspannungs teils abgeriegelt. Z ist normalerweise ein empfindlicher Zählrohrverstärker, kann jedoch auch gegen eine Löschimpulsstufe ausgewechselt werden, wegen des unvermeidlichen Empfindlichkeitsverlustes setzt diese Stufe allerdings größere Eingangsimpulse voraus und ist deshalb für extrem kleine Zählrohr typen meist nicht verwendbar. Die durch das Integralzeichen gekennzeichnete Integratorstufe integriert die statistisch anfallenden, aber durch die Univibratoren der Diskrimi- Seite 10
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