BARCON 21

γ-Strahlung  ist eine von verschiedenen Kernstrahlungsarten, die ihren physikalischen Eigenschaften nach von Röntgenstrahlung nur dadurch zu unterscheiden ist, daß sie eine diskrete Energie besitzt, während Röntgenstrahlung schon bei der Entstehung kontinuierlich viele Energien (also Wellenlängen) aufweist.

Wie  mittels Röntgenstrahlung kann auch mit γ-Strahlung Materie „durchleuchtet“ werden, da beide in der Lage sind, diese zu durchdringen.

Je dichter dabei das zu durchdringende Material (z.B. Knochen) ist, umso weniger Strahlung kommt durch.

Wenn  die Strahlungsintensität also so bemessen ist, daß selbst nach dem Durchstrahlen von zwei Behälterwänden noch Strahlung zu messen ist, kann die zusätzliche Absorption durch die Behälterfüllung das Signal über den Füllungszustand, also voll oder leer liefern.

Dafür  wird ein Detektor für radioaktive Strahlung verwendet, der theoretisch eine unbegrenzte Lebensdauer hat und der sehr empfindlich auf Strahlung reagiert, um die Intensität so niedrig wie möglich zu halten.

Der  sogenannte Szintillationszähler besteht aus einem Kristall mit hoher Dichte, der beim Einfall von Gamma-Strahlung viel davon absorbieren kann und kleine Lichtblitze erzeugt, die von einem Photomultiplier „gesehen“ und verstärkt werden. 

Andere  Detektoren, z.B. die häufig verwendeten Geiger-Müller-Zählrohre, sind gasgefüllte Rohre, die jedoch wenig Strahlung absorbieren, da Gas nicht nur eine sehr geringe Dichte hat und der größte Teil der Strahlung einfach hindurchgeht, sondern es verbraucht sich aus, was also eine begrenzte Lebensdauer und somit einen weiteren Nachteil mit sich bringt: 
man weiß nicht, ob das Zählrohr „taub“ wird, oder ob es „feuert“, also von sich aus Impulse erzeugt und damit Strahlung vortäuscht, was beides zu großen Problemen bei Füllstandsüberwachungen führen kann.

Die  gemessene Intensität der Strahlung wird in einem Auswerte-Rechner verarbeitet und führt dann je nach Intensität zur Betätigung eines Relais, das einen leeren oder vollen Behälter anzeigt.

Die  Strahlung erzeugt im Detektor zwar eine Impulsrate, aber keine konstante Frequenz, d.h. Strahlung wird aus den einzelnen Atomkernen nur sporadisch freigesetzt.

Die  Wahrscheinlichkeit für eine bestimmte Frequenz im Detektor erhöht sich folglich nur durch eine höhere Intensität, welche aber ersetzt werden kann durch eine längere Meßzeit, die dann auch zu genaueren Ergebnissen führt.

Wenn  ein Atom seine Strahlung ausgesandt hat, wird es inaktiv, denn es kann keine weitere Strahlung mehr aussenden, die Strahlungsquelle verliert also mit der Zeit ihre Aktivität und Intensität.

Je  höher die Anzahl der aktiven Atome ist, umso genauer kann man sagen, nach welcher Zeit die Hälfte der Atome inaktiv wird, weshalb man diese Zeitspanne Halbwertszeit nennt, sie ist bei den gebräuchlichen Strahlenquellen Cs-137 ca. 30 Jahre, bei Co-60 ca. 5,2 Jahre.

Der  Intensitätsabfall würde also irgendwann zu einer Fehlschaltung führen, daher übernimmt ein Mikro-Controller nicht nur die Aufgabe ausrechnen, wie groß der Intensitätsverlust pro Zeiteinheit ist, sondern korrigiert gleichzeitig über eine Zeitfunktion den Abfall der Intensität mathematisch so, dass durch den Aktivitätsabfall kein Fehler entsteht.

Schaltzuverlässigkeit
Durch  die oben beschriebene zufallsbedingte Frequenz des Detektorsignals kann es mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit auch zu Fehlschaltungen kommen, ohne das sich der Zustand im Behälter geändert hat.

Betrachtet  man die Impulsrate ( Imp./s), so schwankt diese mit einer Wahrscheinlichkeit von ca. 68% um den gemessenen Wert ± der Quadratwurzel daraus ( bei 100 schwankt sie also um ± 10 ), welcher bei Verdoppelung schon eine Wahrscheinlichkeit von ca. 95% bewirkt, was leider auch bedeutet, daß von 1000 Messungen wahrscheinlich 50 innerhalb des Bereiches 80-120 Imp/s liegen. Bei empfindlichen Messungen führt das zu einer Fehlauslösung.

Der  BARCON 21 ist in der automatischen Schaltpunktberechnung so programmiert, daß es theoretisch zu weniger als einer Fehlschaltung pro Jahr kommt. Ganz ausschließen kann man die Wahrscheinlichkeit einer solchen jedoch nicht.