Projekt 21617/01

Stabilisierung von Natrium-Jodid(-Thallium)-Detektoren ohne radioaktive Quelle

ProjekttrÀger

ICx Radiation GmbH
Kölner Str. 99
42651 Solingen
Telefon: 0212/22209-0

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die neue SensitivitĂ€t gegenĂŒber der Gefahr eines Schmuggels von radioaktiven Substanzen oder gar waffenfĂ€higem Kernmaterial hat die Entwicklung miniaturisierter intelligenter Kernstrahlungsspektrometer mit der FĂ€higkeit zur Nuklididentifikation (so genannte RIDs = Handheld Radio Isotope Identifiers) forciert und einen wachsenden Markt dafĂŒr geschaffen. Diese GerĂ€te benötigen bisher zur Kompensation physikalisch bedingter Driften der SystemverstĂ€rkung eine radioaktive Quelle, die ein stabiles temperaturunabhĂ€ngiges Referenzsignal liefert. Mit jedem GerĂ€t muss daher ein radioaktives PrĂ€parat geliefert werden - entweder als separate Quelle oder im GerĂ€t eingebaut. Das Ziel des Vorhabens bestand darin, ein Verfahren zur Stabilisierung der SystemverstĂ€rkung auf der Basis von Leuchtdioden (LED) zu entwickeln, das ohne radioaktiven Referenzstrahler auskommt und trotzdem die erforderliche Genauigkeit ga-rantiert. Dieses Verfahren sollte in den von target produzierten identiFINDER implementiert werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIn der wissenschaftlichen Literatur waren zum Temperaturverhalten von Szintillatoren und Leuchtdioden nur spÀrliche Informationen zu finden. Deshalb musste in der ersten Projektphase Grundlagenforschung im eigenen Labor betrieben werden. Dabei entstand ein GerÀtekonzept, das auf neuen Ideen und Methoden aufbaut und nur minimale Eingriffe in die bestehende Hardware erfordert.
Im zweiten Halbjahr wurde dieses Konzept schrittweise umgesetzt. Die Entwicklung spezieller Software-Tools ermöglichte den Test einzelner Verfahrensschritte an Versuchsaufbauten im Labor sowie den Entwurf der Stabilisierungsalgorithmen am PC unter Nutzung der realen identiFINDER-Elektronik, die De-tektorsignale direkt abtastet und digital filtert. Die Implementierung des Verfahrens, gleichbedeutend mit einem kompletten Umbau der identiFINDER-Firmware, konnte so in recht kurzer Zeit abgeschlossen werden. Schließlich wurden mehrere Prototypen des neuen, LED-stabilisierten identiFINDERs aufgebaut und kritischen Tests unterzogen. Diese bestĂ€tigten die volle FunktionstĂŒchtigkeit des Verfahrens und wiesen exzellente GerĂ€teparameter aus. GegenwĂ€rtig wird ein Prototyp von der IAEA geprĂŒft.


Ergebnisse und Diskussion

Aus dem Studium des Temperaturverhaltens von Szintillationsdetektoren und Leuchtdioden wurden neue Verfahren zur Messung der effektiven Szintillatortemperatur und der LED-Sperrschichttemperatur abgeleitet. Diese nutzen sonst eher störende Nebeneffekte aus - den Einfluss der Szintillatortemperatur auf Zeitkonstante der Lichtemission, die sich in der Signalform widerspiegelt, sowie das nichtlineare Verhal-ten von Dioden. Dadurch kann nun der der Einfluss der Temperatur auf beide Komponenten numerisch korrigiert und die Leuchtdiode in einem weiten Temperaturbereich als Referenzlichtquelle zur Stabilisie-rung des Photomultipliers eingesetzt werden.
Im LED-stabilisierten identiFINDER werden alle Detektorsignale nicht nur bezĂŒglich der Impulshöhe, sondern auch hinsichtlich der Signalform analysiert. Das ist ohne Zusatzhardware möglich, da diese Plattform ohnehin den kompletten Signalverlauf digitalisiert und speichert. Die Impulsformanalyse liefert aber nicht nur eine effektive Detektortemperatur, sondern ermöglicht auch die saubere Separation von LED-(Referenz-) und Szintillator-(Mess-)signalen. Die LED-Pulsung kann also unabhĂ€ngig von der spekt-roskopischen Elektronik betrieben und bei Bedarf als separate Baugruppe ausgelegt werden.
Mit der Kombination von LED-Stabilisierung und Impulsformanalyse ist es möglich, die summarische Drift der SystemverstĂ€rkung auch unter ungĂŒnstigen Bedingungen, zum Beispiel bei schnellem Wechsel der Umgebungstemperatur oder bei verĂ€nderlicher Last (ZĂ€hlrate), unter 1% zu halten. Die Stabilisierung ar-beitet auch dann noch zuverlĂ€ssig, wenn das alte Verfahren mit interner Kalibrierquelle völlig versagt, beispielsweise bei einem sehr hohen Strahlungsuntergrund.
Das realisierte GerĂ€tekonzept ist sehr einfach, das Verfahren robust und zuverlĂ€ssig. Der Aufwand steckt hauptsĂ€chlich in der Firmware, insbesondere in der schnellen digitalen Signalfilterung und Analyse. Dadurch ist eine ÜberfĂŒhrung des Verfahrens in die Produktion schnell möglich und praktisch schon reali-siert worden - die Nullserie wird bereits gefertigt.
Auf eine fest eingebaute radioaktive Kalibrierquelle kann im neuen identiFINDER verzichtet werden. Die Produktion und Entsorgung radioaktiver Substanzen wird vermieden, die Umwelt entlastet. Der Wegfall von Nachweisen und Genehmigungen fĂŒr Beschaffung und Transport radioaktiver PrĂ€parate vereinfacht die Logistik im Unternehmen und reduziert den Aufwand auch beim Kunden.
Gleichzeitig konnte mit der neuen Technologie die SensitivitĂ€t und ZuverlĂ€ssigkeit der Nukliderkennung entscheidend verbessert werden. Das eröffnet neue Einsatzfelder fĂŒr den identiFINDER. Radioaktive Strahlungsquellen sehr geringer AktivitĂ€t können gefunden und sicher identifiziert werden. Das GerĂ€t ist damit bestens geeignet fĂŒr mobile Messungen im Bereich der UmweltradioaktivitĂ€t oder auch bei Lebensmittelkontrollen.


Öffentlichkeitsarbeit und PrĂ€sentation

Vier der im Rahmen des Projekts entwickelten innovativen Ideen sind mittlerweile durch Patentanmel-dungen geschĂŒtzt worden. Daneben konnten ausgewĂ€hlte Ergebnisse der Grundlagenuntersuchungen auf dem IEEE Nuclear Science Symposium 2004 in Rom der internationalen Öffentlichkeit in Form von Postern prĂ€sentiert werden. Die KonferenzbeitrĂ€ge wurden zur Publikation in den IEEE Transactions on Nuclear Science eingereicht.
Vorgesehen sind weitere Publikationen in Fachzeitschriften, BeitrĂ€ge auf Fachkonferenzen sowie VortrĂ€ge und Prospekte der Firma anlĂ€sslich von Ausstellungen, Tagungen und Messen. Zum Schutz der wirtschaftlichen Interessen des Unternehmens erfolgt die Veröffentlichung aber erst dann, wenn patentwĂŒr-dige Erfindungen auch als Patente angemeldet sind.


Fazit

Im Rahmen des Projekts wurde ein Verfahren zur Stabilisierung von NaI(Tl)-Detektoren entwickelt, das unter rauen Feldbedingungen in einem großen Temperaturbereich sicher arbeitet und ohne radioaktive Quelle auskommt. Das Ziel des Projekts ist erreicht. Der Zeitplan wurde trotz der vielen, teils unerwartet auftretenden Detailprobleme eingehalten.
Eine wichtige Voraussetzung fĂŒr den Erfolg war die starke Konzentration von KrĂ€ften und Mitteln auf das Projekt, die ohne Förderung durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt kaum möglich gewesen wĂ€re. Besonders attraktiv und motivierend fĂŒr alle Beteiligten war die im Projekt angestrebte und auch erreichte VerknĂŒpfung von ökonomischen Zielen mit positiven Umwelteffekten. Der Verzicht auf die interne Kalib-rierquelle wurde nicht mit Nachteilen erkauft, sondern mit einer besseren GerĂ€tequalitĂ€t verbunden. Das schafft Vorteile im Wettbewerb und kann neue MĂ€rkte erschließen, auch im Umweltbereich

Übersicht

Fördersumme

94.278,00 €

Förderzeitraum

01.01.2004 - 31.12.2004

Bundesland

Nordrhein-Westfalen

Schlagwörter

Umwelttechnik