PROGRAMMELEMENT ZUR FÜLLSTANDS- BZW. DICHTEMESSUNG

EINES MEDIUMS MITTELS MYONEN

Bezugnahme auf verwandte Anmeldungen

Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der europäischen

Patentanmeldung Nr. 18 169 285.6, eingereicht am 25. April 2018, die in vollem Umfang durch Bezugnahme in das vorliegende Dokument aufgenommen wird.

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft die Füllstands- bzw. Dichtemessung mittels Myonen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Myonen-Füllstandmessanordnung zur Bestimmung eines Füllstandes oder einer Dichte eines Mediums in einem Behälter, die Verwendung einer Myonen-Füllstandmessanordnung zur Bestimmung des Sedimentationsgrades eines Stausees, die Verwendung einer Myonen- Füllstandmessanordnung zur Bestimmung eines Füllstandes oder einer Dichte eines Mediums in einem Behälter, ein Verfahren zur Bestimmung eines Füllstandes oder einer Dichte eines in einem Behälter befindlichen Mediums, ein Programmelement sowie ein computerlesbares Medium.

Technolo ischer Hintergrund

In der modernen Füllstands/Grenzstands- bzw. Dichtemesstechnik werden häufig radiometrische Messgeräte verwendet, die aus einer radioaktiven Strahlenquelle in Form eines Gammastrahlers (z.B. ⁶⁰ Co oder ¹³⁷ Cs) und einem gegenüberliegenden Szintillator zur Detektion der den Behälter durchlaufenden Gammastrahlen bestehen.

Der Platzbedarf beim Anbau des radio metrischen Messgeräts ist relativ groß. Zur Abschirmung der radioaktiven Gammastrahlung ist ein Strahlenschutzbehälter vorgesehen, der die Strahlung während des Betriebs nur in Richtung des Szintillators austreten lässt. Das Justieren des radioaktiven Strahlers zum Anpassen auf den gegenüberliegenden Szintillator ist oft zeitaufwändig und es gibt erhebliche sicherheitstechnische Auflagen für den Betrieb des Strahlers.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine vereinfachte und zuverlässige Füllstandmessanordnung zur Detektion eines Füllstandes oder einer Dichte eines Mediums zu schaffen, welche auf eine radioaktive Strahlenquelle verzichtet.

Es sind eine Myonen-Füllstandmessanordnung zur Detektion eines Füllstandes oder einer Dichte eines Mediums in einem Behälter, eine Verwendung einer Myonen- Füllstandmessanordnung zur Bestimmung eines Sedimentationsgrades oder eines Füllstandes oder einer Dichte eines Mediums in einem Behälter, ein Verfahren zur Bestimmung eines Füllstandes oder einer Dichte eines in einem Behälter befindlichen Mediums, ein Programmelement sowie ein computerlesbares Medium gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche angegeben. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die beschriebenen Ausführungsformen betreffen gleichermaßen die Messanordnung, die Verwendung, das Verfahren, das Programmelement und das computerlesbare Medium. In anderen Worten lassen sich die Merkmale, die im Folgenden im Hinblick auf die Messanordnung beschrieben werden, auch in der Verwendung, dem Verfahren, dem Programmelement und dem computerlesbaren Medium implementieren, und umgekehrt.

Gemäß einer ersten Ausführungsform ist eine Füllstandmessanordnung zur Detektion eines Füllstandes oder einer Dichte eines Mediums in einem Behälter angegeben, welche eine Detektoranordnung bzw. Strahlungsdetektoranordnung und eine Auswerteeinheit bzw. Auswerteschaltung umfasst. Die Strahlungsdetektoranordnung ist zur richtungsselektiven Detektion sekundärer kosmischer Strahlung ausgeführt und weist hiermit einen oder mehrere richtungsselektive Detektoren oder Detektoranordnungen auf.

Bei der einfallenden sekundären kosmischen Strahlung kann es sich vornehmlich um hochenergetische Myonen handeln, die in der oberen Atmosphäre durch Kollision hochenergetischer kosmischer Strahlung (hauptsächlich Protonen) mit Atomen und Molekülen der Atmosphäre als sekundäre Teilchen erzeugt werden. Durch ein einziges primäres Teilchen der kosmischen Strahlung wird ein Teilchenschauer mit bis zu 10 ¹¹ sekundären Teilchen (unter anderem Myonen) erzeugt. Myonen besitzen eine hohe Masse (ca. 200x schwerer als ein Elektron) und aufgrund ihrer Energie ein hohes Durchdringungsvermögen für Materie. Mit einer Energie von wenigen hundert MeV bis hin zu mehreren hundert TeV sind Myonen im Labormassstab kaum bis gar nicht abschirmbar. Myonen verlieren beim Durchgang durch Materie aufgrund von Ionisierung und Strahlungsverlusten entlang ihrer Trajektorie in Abhängigkeit von der Materiedichte Energie. Für Myonen mit Energien unter einigen hundert GeV beträgt dieser Energieverlust etwa dE 1 cm ²

-— = 1,4 MeV

dx p g Im Gegensatz zu niederenergetischen Myonen, die während ihres Durchgangs durch Materie ihre Energie vollständig verlieren und zerfallen, lassen sich hochenergetische Myonen nach ihrem Durchgang durch Materie durch eine Detektoranordnung detektieren. Die Veränderung der Myonen-Zählrate nach dem Durchgang durch ein zu messende Medium wird im Vergleich zu einer gemessenen Referenzzählrate erfindungsgemäß zur Generierung des Messwertes genutzt.

Die Strahlungsdetektoranordnung kann ein oder mehrere richtungsselektive Detektoren mit jeweils mehreren Szintillatoren aufweisen.

Unter einem richtungsselektiven Detektor versteht man eine Kombination mehrerer Teilchendetektoren, die räumlich derart angeordnet sind, dass mittels Detektion koinzidenter Ereignisse die Trajektorie energiereicher Teilchen, beispielsweise von Myonen, auf einen bestimmten Raumwinkelbereich, der dem Akzeptanzwinkelbereich des richtungsselektiven Detektors entspricht, eingeschränkt werden kann. Im Falle der Erfindung handelt es sich um mehrere räumlich getrennte Szintillatoren, deren Material beim Durchgang energiereicher Photonen oder geladenen Teilchen durch Stoßprozesse angeregt und die Anregungsenergie in Form von Licht (meist im Ultravioletten- oder sichtbaren Bereich) wieder abgeben wird. Somit wird zumindest ein Teil der Energie des einfallenden Teilchens in Licht umgewandelt. Als Szintillator-Material kann beispielsweise ein organischer Werkstoff (bspw. Polystyrol), ein anorganischer Werkstoff (bspw. Natriumiodid) oder eine Flüssigkeit (bspw. Wasser) in einem entsprechenden Behältnis verwendet werden.

Der im Szintillator durch die einfallende Strahlung erzeugte Lichtblitz wird durch einen entsprechenden Sensor, beispielsweise eine Photoelektronenvervielfacher- Röhre (PMT) oder ein Silizium-Photomultiplier (SiPM) detektiert und in ein elektrisches Signal, bspw. Spannungs- oder Strompuls, umgewandelt. Unter einem koinzidenten Ereignis versteht man zwei annährend gleichzeitig detektierte Ereignisse (Lichtpulse) bzw. zwei Ereignisse, welche innerhalb eines sehr kurzen Zeitintervalls, z. B. von wenigen Nanosekunden, auf unterschiedlichen Szintillatoren des Detektors registriert werden und somit einem einzigen Teilchen zugeordnet werden kann. Der Vorteil der Messung von Koinzidenzereignissen besteht darin, dass auf diese Weise natürliche und künstliche Hintergrundstrahlung, welche aus hochenergetischen g-Quanten bestehen, herausgefiltert werden kann, weil diese beim Auftreffen auf einen Szintillator durch Wechselwirkung mit dessen Materie vollständig absorbiert werden und somit keine weiteren Ereignisse auf weiteren Szintillatoren erzeugen können. Somit ist es aufgrund der beobachteten niedrigen Zählrate natürlicher Hintergrundstrahlung extrem unwahrscheinlich, dass koinzidente Ereignisse durch g-Quanten der natürlichen Hintergrundstrahlung erzeugt werden. Somit kann durch Einschränkung der Messung auf koinzidente Ereignisse der Einfluss von natürlicher Hintergrundstrahlung auf die detektierte Zählrate eliminiert werden.

Durch die Erfassung von Koinzidenzereignissen ist die Strahlungsdetektoranordnung als richtungsselektiver Detektor ausgeführt. Es ist möglich, den Akzeptanzwinkelbereich der Detektoranordnung für den Nachweis einfallender Teilchen je nach Geometrie (Größe und Bauform) und Anordnung der Szintillatoren (Abstand und relative Ausrichtung) zu verändern bzw. einzuschränken. Mittels einer Strahlungsdetektoranordnung, bestehend aus nur einem einzelnen Szintillator ist die richtungsselektive Erfassung von Teilchen nicht bzw. nur in sehr begrenztem Maße möglich.

Insbesondere ist die Strahlungsdetektoranordnung zur Bestimmung einer ersten Myonen-Zählrate, welche nicht durch ein zu messendes Medium beeinflusst wird und als Referenz dient und einer zweiten Myonen-Zählrate, die aufgrund der Dichte und Füllhöhe des zu messenden Mediums entsprechend beeinflusst wird, ausgeführt. Vorteilhaft können hiermit Änderung in Myonen-Flussrate, verursacht beispielsweise durch Veränderung der atmosphärischen Bedingungen, wie z. B. Luftdruck, Luftfeuchte usw., auf die Messergebnisse durch Verwendung einer Referenzmessung eliminiert werden. Da die Myonen-Flussrate zusätzlich von der absoluten Höhe über Meeresniveau abhängig ist, kann somit auch der Einfluss der absoluten Höhe der Messanordnung über Meeresniveau ebenfalls eliminiert werden.

Insbesondere ist die Auswerteeinheit bzw. die Auswerteschaltung zur Berechnung eines Füllstandes oder der Dichte eines Mediums aus einer ersten und einer zweiten Myonen-Zählrate ausgelegt. Die hierbei erreichbare Genauigkeit ist direkt von der Messzeit und Detektorgeometrie abhängig, da diese maßgeblich die erfasste Zählrate beeinflussen.

Des Weiteren weist die Füllstandmessanordnung einen richtungsselektiven Detektor auf, dessen Zählrate nicht durch ein zu messendes Medium beeinflusst wird und als Referenz dient, sowie jeweils mindestens einen weiteren zusätzlichen richtungsselektiven Detektor, dessen Zählrate durch ein zu messendes Medium beeinflusst wird. Eine entsprechende Auswerteelektronik ist dazu ausgelegt, aus der ermittelten Referenzzählrate und zumindest einer weiteren Zählrate die Füllhöhe oder Dichte eines Mediums in einem Behälter zu bestimmen. Somit ist es möglich eine Referenzzählrate für eine Vielzahl von Messungen an mehreren Behältern / Positionen zu verwenden.

Weiterhin weist die Auswerteschaltung eine Diskriminatoreinheit, eine Koinzidenzeinheit, eine Ereigniszähleinheit und eine Auswerteelektronik auf.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Strahlungsdetektoranordnung zwei richtungsselektive Detektoren bestehend aus drei räumlich getrennten Szintillatoren mit länglicher Geometrie auf. Die Hauptachsen (Richtung der größten räumlichen Ausdehnung) der drei Szintillatoren, nämlich ein erster Szintillator, ein zweiter Szintillator und ein dritter Szintillator, sind parallel und liegen nicht in einer Ebene. Auf diese Weise ist der erste richtungsselektive Detektor eingerichtet und ausgeführt, erste Myonen, welche nicht durch das zu messende Medium beeinflusst werden und koinzidente Signale auf dem zweiten und dritten Szintillator erzeugen, zu detektieren; der zweite richtungsselektive Detektor ist eingerichtet und ausgeführt, zweite Myonen, die den Behälter durchlaufen und eine gewisse Energie durch Wechselwirkung mit dem Behälter und sich darin befindlichen Medium verloren haben und koinzidente Signale auf dem ersten und zweiten Szintillator erzeugen, zu detektieren . Somit ist der zweite Szintillator sowohl Teil des ersten als auch zweiten richtungsselektiven Detektors.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Auswerteeinheit bzw. Auswerteschaltung zur Detektion einer ersten Teilchen-Zählrate oder Myonen- Zählrate, welche nicht durch das zu messende Medium beeinflusst wird und als Referenz dient, sowie einer zweiten Teilchen- oder Myonen-Zählrate, welche durch das zu messende Medium beeinflusst wird, eingerichtet. Die Detektion der ersten Myonen-Zählrate basiert auf der Zählung von Koinzidenzereignissen auf dem ersten und dem zweiten Szintillator; die Detektion der zweiten Myonen-Zählrate basiert auf der Zählung von Koinzidenzereignissen auf dem zweiten und dem dritten Szintillator der Detektoranordnung.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Diskriminatoreinheit zur Abtrennung der von der Strahlungsdetektoranordnung detektierten Nutzsignale von Störsignalen eingerichtet. Störsignale können sich beispielsweise aus dem Dunkelstrom des Photoelektronenvervielfachers oder dem Rauschen des Silizium-Photomultipliers ergeben.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Koinzidenzeinheit zur Detektion der Koinzidenzereignisse eines Myonen-Einfallens eingerichtet, wobei die Detektion der Koinzidenzereignisse von den ersten Myonen bei einem Myonen-Einfall auf ein erstes Paar der drei Szintillatoren erfolgt und die Detektion der Koinzidenzereignisse von den zweiten Myonen bei einem Myonen-Einfall auf ein zweites Paar der drei Szintillatoren erfolgt. Die an die Koinzidenzeinheit angeschlossene Ereigniszähleinheit ist zur Erfassung oder Zählung der Koinzidenzereignisse des Myonen-Einfalls eingerichtet, um die Zählraten Ni und N ₂ der detektierten Koinzidenzereignisse zu ermitteln.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Ereigniszähleinheit dazu eingerichtet, innerhalb eines einstellbaren Zeitintervalls, die Anzahl koinzidenter Ereignisse des ersten richtungsselektiven Detektors zu zählen und so eine erste Teilchenzählrate Ni zu bestimmen, und die Anzahl koinzidenter Ereignisse des zweiten richtungsselektiven Detektors zu zählen und so eine zweite Teilchenzählrate N ₂ zu bestimmen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Auswerteelektronik zum Auswerten und Vergleich der durch die Ereigniszähleinheit ermittelten Zählraten Ni und N ₂ der detektierten Koinzidenzereignisse eingerichtet. Die Auswerteelektronik ist dabei ausgeführt, den Füllstand oder die Dichte des im Behälter befindlichen Mediums durch den Vergleich der beiden Zählraten Ni und N ₂ zu ermitteln.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist Verwendung einer Myonen-

Füllstandmessanordnung zur Bestimmung des Sedimentationsgrades eines Stausees angegeben. Die Messanordnung weist zwei richtungsselektive Detektoren auf, welche auf unterschiedlichen Höhen über dem Grund des Stausees, seitlich an der Staumauer gegenüber dem Stausee angebracht sind. Der erste richtungsselektive Detektor bestimmt eine erste Myonen-Zählrate Ni, welche lediglich von dem Wasserpegel im Stausee abhängig ist. Diese Zählrate dient als Referenz. Der zweite richtungsselektive Detektor, welcher unterhalb des ersten angebracht ist, wird zur Bestimmung einer zweiten Myonen-Zählrate N ₂ verwendet. Diese ist sowohl von der Höhe des Wasserpegels, als auch von der Höhe der Sedimentationsschicht abhängig. Mittels der Messanordnung wird die Höhe H der Sedimentationsschicht anhand der durch die Strahlungsdetektoranordnung bestimmten Zählraten Ni bzw. N ₂ von einer Auswerteeinheit ermittelt. Mit Kenntnis der Abhängigkeit der beiden Zählraten Ni und N ₂ von der Höhe des Wasserpegels H _w kann somit der Einfluss eines variierenden Wasserpegels in vorteilhafter Weise eliminiert werden.

Alternative ist Verwendung einer Myonen-Füllstandmessanordnung zur Bestimmung des Sedimentationsgrades eines Stausees angegeben, wobei diese aus zwei richtungsselektiven Detektoren gebildet wird, welche aus insgesamt drei räumlich getrennten Szintillatoren gebildet werden. Die Ausrichtung des Akzeptanzbereichs zur Detektion sekundärer kosmischer Strahlung der beiden richtungsselektiven Detektoren unterscheidet sich hierbei im Zenitwinkel.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist die Verwendung einer Myonen- Füllstandmessanordnung zur Bestimmung eines Füllstandes oder einer Dichte eines Mediums in einem Behälter, einer Schütthalde oder einem Fluss ausgeführt. Gemäß einem weiteren Aspekt ist die Verwendung einer Füllstandmessanordnung als Grenzschalter, welcher bei Über- oder Unterschreitung eines gewissen Zählratenverhältnisses N _I /N ₂ seinen Schaltzustand verändert, angegeben.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zur Bestimmung eines Füllstandes oder einer Dichte eines sich in einem Behälter befindlichen Mediums angegeben, bei dem die kinetische Energie der einfallenden sekundären kosmische Strahlung zumindest teilweise mittels der Strahlungsdetektoranordnung in elektromagnetische Strahlung bzw. Fichtquanten umgewandelt wird. Anhand der der hierbei entstehenden Fichtpulse wird über Zählung von Koinzidenzereignissen eine erste Myonen-Zählrate Ni, welche nicht durch das zu messende Medium beeinflusst wird und als Referenz dient und eine zweite Myonen-Zählrate N ₂ , welche durch das zu messende Medium beeinflusst wird, bestimmt. Daraufhin erfolgt das Ermitteln des Füllstandes oder der Dichte des Mediums aus der ermittelten ersten und zweiten Myonen-Zählrate Ni und N ₂ .

Die Integrationszeit der einzelnen Ereignisse zur Ermittlung einer Myonen-Zählrate mit der erfindungsgemäßen Füllstandmessanordnung liegt im Minuten-Bereich, typischerweise 10 bis 20 Minuten. Somit kann dieses Verfahren auch in Gebäuden zur Verwendung kommen, dessen konstruktive Bauelemente einen Teil der einfallenden niederenergetischen Myonen bereits absorbiert haben. Da die Teilchenstromdichte der Myonen auf Meereshöhe etwa 100 pro Quadratmeter und Sekunde beträgt, eignet sich das Messverfahren aufgrund der niedrigen Zählrate nur für Anwendungen mit niedrigen Anforderungen an Messwiederhohlrate bzw. zeitlicher Dynamik. Des Weiteren ist der Einsatz einer solchen Messanordnung nur an Orten sinnvoll, an denen die Myonen-Flussrate nicht durch sich oberhalb der Füllstandmessanordnung bewegende Objekte zeitlich und lokal unterschiedlich beeinflusst wird. Die hierbei entstehen Messfehler pflanzen sich bei der Bestimmung der Füllhöhe oder der Dichte des zu messenden Mediums fort. Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Programmelement angegeben, das, wenn es auf einem Prozessor einer Myonen-Füllstandmessanordnung ausgeführt wird, die Myonen-Füllstandmessanordnung anleitet, einen Füllstand oder eine Dichte eines Mediums in einem Behälter aus den erfassten Messsignalen zu ermitteln. Das Ermitteln der Messsignale erfolgt auf Basis der Bestimmung einer ersten Myonen- Zählrate Ni, welche nicht durch das zu messende Medium beeinflusst wird und als Referenz dient, und der Bestimmung einer zweiten Myonen-Zählrate N ₂ , welche durch das zu messende Medium beeinflusst wird.

Dabei kann das Programmelement z. B. Teil einer Software sein, die auf dem Prozessor gespeichert ist. Der Prozessor kann dabei ebenso Gegenstand der Erfindung sein. Weiterhin umfasst dieser Aspekt ein Programmelement, welches schon von Anfang an die Erfindung verwendet, sowie auch ein Programmelement, welches durch eine Aktualisierung (Update) ein bestehendes Programm zur Verwendung der Erfindung veranlasst.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein computerlesbares Medium angegeben, auf dem ein Programmelement gespeichert ist, das, wenn es auf einem Prozessor einer Myonen-Füllstandmessanordnung ausgeführt wird, die Myonen- Füllstandmessanordnung veranlasst, das oben und im Folgenden beschriebene V erfahren auszuführen.

Ein Kemaspekt der Erfindung ist es, dass eine effiziente Füllstandmessmessanordnung zur Messung eines Füllstands oder einer Dichte bereitgestellt wird. Durch die Messung sekundärer kosmischen Strahlung kann auf eine radioaktive Strahlenquelle verzichtet werden. Dadurch können die Kosten zur Herstellung, zum Aufbau, zur Justierung und Betrieb des Füllstandmesssystems reduziert werden. Zusätzlich wird die Zulassung der Füllstandmessanordnung vereinfacht und die strahlenschutztechnische Reglementierung zum Betrieb der Messstelle eliminiert.

Im Folgenden werden mit Verweis auf die Figuren Ausführungsformen beschrieben. Kurze Beschreibung der Figuren Die Figuren sind schematisch und nicht maßstabsgetreu. Sind in der nachfolgenden Beschreibung in verschiedenen Figuren die gleichen Bezugszeichen angegeben, so bezeichnen diese gleiche oder ähnliche Elemente.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer radiometrischen

Messanordnung zur Füllstands- oder Dichtemessung. Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Füllstandmessanordnung mit einer Strahlungsdetektoranordnung gemäß einer Ausführungsform. Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Füllstandmessanordnung mit einer Strahlungsdetektoranordnung gemäß einer Ausführungsform.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung des prinzipiellen Aufbaus einer Detektoranordnung zur Füllstandmessung mittels Myonen gemäß einer Ausführungsform.

Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren

Füllstandmessanordnung gemäß einer Ausführungsform. Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung einer Verwendung einer

Füllstandmessanordnung zur Bestimmung des Sedimentationsgrades eines Stausees gemäß einer weiteren Ausführungsform.

Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung einer Verwendung einer

Füllstandmessanordnung zur Bestimmung des Sedimentationsgrades eines

Stausees gemäß einer weiteren Ausführungsform.

Fig. 9 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Bestimmung eines Füllstandes oder einer Dichte eines Mediums in einem Behälter gemäß einer weiteren Ausführungsform.

Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer radiometrischen Messanordnung zur Füllstands- und Dichtemessung. Es ist eine radioaktive Strahlenquelle 105 eines Gammastrahlers (z. B. ⁶⁰ Co oder ¹³⁷ Cs) seitlich an einem mit einem Medium 102 befüllten Behälter 100 und eine gegenüberliegende Detektoranordnung mit einem Szintillator 110 vorgesehen. Die Gammaquanten aus der Strahlenquelle 105 strahlen durch den Behälter 100 und das Medium 102. Die von Medium und Behälter nicht absorbierten Gammaquanten können durch den Szintillator 110 erfasst, durch einen Photoelektronenvervielfacher (PMT bzw SiPM - Silizium-Photomultiplier) 115 in ein elektrisches Signal umgewandelt und anschließend von einer Sensorelektronik 120 gezählt werden. Aus der so ermittelten Zählrate kann die Höhe des Füllstandes des Mediums 102 bei bekannter Dichte des Mediums von einer Auswerteeinheit ermittelt werden.

Die radioaktive Strahlenquelle 105 ist in einem Strahlenschutzbehälter (nicht angezeigt) eingesetzt und sendet Strahlung aus, die bei Betrieb nur in der Richtung des Behälters und/oder des Szintillators aus dem Strahlenschutzbehälter austreten kann, um das Bedienpersonal der Anlage vor Ort vor radioaktiver Strahlung der Messanordnung zu schützen. Um ein ideales Ergebnis zu erzielen, ist ein Justieren der Anordnung notwendig und relevant.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Füllstandmessanordnung 200 gemäß einer ersten Ausfährungsform. Die Füllstandmessanordnung umfasst zwei separate richtungsselektive Detektoren mit jeweils Szintillatoren die vorzugsweise parallel angeordnet sind.

Ein erster richtungsselektiver Detektor bestehend aus einem ersten Paar Szintillatoren 201 ist vorzugsweise über dem Behälter 100 angeordnet, um eine erste Teilchen-Zählrate oder Myonen-Zählrate Ni zu bestimmen. Diese wird nicht durch das zu messende Medium 102 und den Behälter 101 beeinflusst und dient als Referenz. Die so detektierten Myonen bewegen sich beispielsweise entlang der Trajektorien 210, 211. Hierfür muss der erste richtungsselektive Detektor 201 nicht zwangsläufig über dem Behälter angeordnet sein, wichtig ist nur, dass dessen ermittelte Zählrate nicht durch das zu messende Medium oder andere Objekte zeitlich variabel beeinflusst wird. Der Einfluss anderer Objekte ist vertretbar, solange diese Objekte statisch und somit einen zeitlich konstanten Einfluss auf die zu ermittelte Referenzzählrate Ni besitzen (beispielweise konstruktive Elemente eines Gebäudes).

Ein zweiter richtungsselektiver Detektor bestehend aus einem zweiten Paar Szintillatoren 202 ist unter dem Behälter 100 angeordnet, um eine zweite Myonen- Zählrate N ₂ zu erfassen. Diese wird durch die Höhe und Dichte des zu messenden Mediums beeinflusst. Die so erfassten Myonen bewegen sich beispielsweise entlang der Trajektorien 220, 221.

Aufgrund der Anordnung und Geometrie der verwendeten Szintillatoren, müssen Myonen die den ersten richtungsselektiven Detektor 201 entlang der Trajektorien 210 und 211 durchlaufen haben, nicht zwangsläufig von dem zweiten richtungsselektiven Detektor 202 erfasst werden.

Aus den beiden ermittelten Myonen-Zählraten Ni und N ₂ wird der Füllstand oder die Dichte des Mediums 102 in dem Behälter 100 von einer Auswerteeinheit ermittelt. Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Füllstandmessanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform. Soll der Füllstand oder die Dichte eines Mediums in mehreren Behältern (300 und 301) mit jeweils unterschiedlichen Medien (302 und 303) ermittelt werden, genügt ein einzelner richtungsselektiver Detektor 311, bestehend aus zwei Szintillatoren zur Bestimmung einer Referenzzählrate Ni. Zusammen mit jeweils einem weiteren richtungsselektiven Detektor 312, 313, usw. pro zusätzlichem Behälter, kann der Füllstand oder die Dichte in dem jeweiligen Behälter anhand der jeweils lokal gemessenen Myonen-Zählrate Ni ermittelt werden.

Dies kann entweder zentral durch eine einzige Auswerteeinheit für alle zu messenden Behälter erfolgen oder Fokal mit einer Auswerteeinheit pro richtungsselektivem Detektor am jeweiligen Behälter durch Zuführung der gemessen Referenzzählrate Ni.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung des prinzipiellen Aufbaus einer Detektoranordnung zur Füllstandmessung mittels Myonen gemäß den vorhergehenden Ausführungsformen. Die Myonen-Füllstandmessanordnung 400 weist die vorhergehend beschriebene Strahlungsdetektoranordnung mit wenigstens zwei richtungsselektiven Detektoren 401 und 402 und mindestens eine Auswerteeinheit 460 auf Ein erster richtungsselektiver Detektor 401 besteht aus einem ersten Paar Szintillatoren 411, 412. Diese sind jeweils an einen empfindlichen Lichtsensor 421, 422 angeschlossen, welche dazu eingerichtet sind, die in den Szintillatoren durch die von der auftreffenden sekundären kosmischen Strahlung (Myonen) erzeugten Lichtpulse in ein elektrisches Signal z. B. einen äquivalenten Spannungs- oder Strompuls umzuwandeln. Bei dem Sensor kann es sich beispielsweise um eine Photoelektronenvervielfacher-Röhre (PMT) oder um einen Silizium-Photoelektronenvervielfacher (SiPM) handeln. Die Auswerteeinheit weist eine Diskriminatoreinheit 430, eine Koinzidenzeinheit 440, eine Ereigniszähleinheit 450 und mindestens eine Auswerteeinheit 460 auf. Ein erstes Myon mi, welches den ersten richtungsselektiven Detektor 401 durchläuft, erzeugt einen koinzidenten Lichtpuls auf dem ersten 411 und zweiten Szintillator 412 durch Wechselwirkung mit deren Materie. Gleiches gilt für weitere Myonen die den richtungsselektiven Detektor 401 und dessen Szintillatoren durchlaufen. Ein erster Lichtsensor 421 und ein zweiter empfindlicher Lichtsensor 422 wandeln die in den Szintillatoren erzeugten Lichtpulse in ein entsprechendes elektrisches Signal um. Die Diskriminatoreinheit 430 trennt Nutzsignale von Störsignalen (beispielsweise thermisches Rauschen) entsprechend der detektierten Signalform (Amplitude, Zeitdauer über Schwellwert, ...) ab. Die so gefilterten Signale werden weiter zur Koinzidenzeinheit 440 geleitet, die dazu eingerichtet ist, koinzidente Signale, welche beim Durchgang eines Myons durch ein erstes Paar von Szintillatoren 411, 412 entstehen zu detektieren. Eine Ereigniszähleinheit 450 zählt die Anzahl der koinzidenten Ereignisse und ermittelt so eine erste Myonen-Zählrate Ni, welche nicht durch das zu messende Medium beeinflusst wird und als Referenz dient.

Gleiches gilt für zweite Myonen m ₂ , welche ein zu messende Medium bereits durchlaufen haben und durch einen zweiten richtungsselektiven Detektor 402 detektiert werden. Dieser besteht aus einem weiteren Paar Szintillatoren 413, 414, zwei empfindlichen Lichtsensoren 423, 424, einer Diskriminatoreinheit 431, einer Koinzidenzeinheit 441 und einer Ereigniszähleinheit 451. Die Ereigniszähleinheit 451 ermittelt somit eine zweite Myonen-Zählrate N ₂ , welche durch das zu messende Medium beeinflusst wird.

Gleiches gilt auch für weitere richtungsselektive Detektoren 403.

Durch die Auswerteelektronik 460 erfolgt das Auswerten und Vergleich der ermittelten Zählraten Ni und N ₂ , bzw. Ni woraus der Füllstand oder Dichte der zu messenden Medien ermittelt werden können.

Aufgrund der örtlichen Trennung der richtungsselektiven Detektoren 401 und 402 (und 403) (beispielsweise oberhalb und unterhalb eines Behälters) ist es sinnvoll dass jeder richtungsselektive Detektor eine Diskriminatoreinheit, eine Koinzidenzeinheit und eine Ereigniszähleinheit aufweist. Die Auswerteeinheit mag in einem der richtungsselektiven Detektoren integriert sein. Es ist aber auch denkbar, dass diese als ein separates Gerät ausgeführt ist. Somit ist ein modularer Aufbau denkbar.

Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Füllstandmessanordnung 500 mit einer richtungsselektiven Detektoranordnung 510 zur Detektion einfallender sekundärer kosmischer Strahlung. Die Füllstandmessanordnung ist seitlich an einem Behälter 100, der mit einem Medium 102 befällt ist, angeordnet. Die richtungsselektive Detektoranordnung 510 besteht aus drei Szintillatoren, wobei ein erstes Paar von Szintillatoren 515 und 516 einen ersten richtungsselektiven Detektor und ein zweites Paar von Szintillatoren 516 und 517 einen zweiten richtungsselektiven Detektor bilden. Hierbei ist der Szintillator 516 sowohl Bestandteil des ersten als auch zweiten richtungsselektiven Detektors.

Der erste richtungsselektive Detektor detektiert eine erste Myonen-Zählrate Ni, welche nicht durch das zu messende Medium beeinflusst wird und als Referenz dient. Die so detektierten Myonen treffen in einem gewissen Winkelbereich um eine Zentraltrajektorie 530, welche einen Zenit-Winkel zi aufweist auf die richtungsselektive Detektoranordnung 510.

Der zweite richtungsselektive Detektor detektiert eine zweite Myonen-Zählrate N ₂ , welche durch das zu messenden Medium beeinflusst wird. Die so detektierten Myonen durchlaufen den Behälter und das zu messenden Medium in einem gewissen Winkelbereich um eine Zentraltrajektorie 520, welche einen Zenit- Winkel z ₂ aufweist. Anhand der beiden Zählraten Ni und N ₂ kann der Füllstand oder die Dichte des Mediums von einer Auswerteeinheit ermittelt werden.

Somit kann die beschriebene Füllstandmessanordnung nicht nur zur kontinuierlichen Füllstandmessung verwendet werden, sondern auch als Grenzschalter, welcher bei Unterschreitung eines gewissen Zählratenverhältnisses N _I /N ₂ seinen Schaltzustand verändert.

Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung des prinzipiellen Aufbaus eines richtungsselektiven Detektors zur Füllstandmessung mittels Myonen gemäß den vorhergehenden Ausführungsformen. Hierbei besteht, wie auch in der Ausführungsform der Figur 5, die Strahlungsdetektoranordnung 600 vorzugsweise aus drei räumlich getrennten, länglichen und parallel angeordneten Szintillatoren

611, 612, 613, die zwei richtungsselektive Detektoren 601 und 602 bilden. Die drei parallelen Szintillatoren liegen dabei nicht in einer Ebene. Die drei Szintillatoren sind jeweils an einen empfindlichen Lichtsensor 621, 622, 623 angeschlossen, welche dazu eingerichtet sind, die in den Szintillatoren durch die auftreffende Strahlung erzeugten Lichtpulse in ein elektrisches Signal z. B. eine äquivalente Spannung umzuwandeln. Die Auswerteeinheit 625 weist eine Diskriminatoreinheit 630, eine Koinzidenzeinheit 640, eine Ereigniszähleinheit 650 und eine Auswerteelektronik 660 auf.

Erzeugen erste Myonen m _\ , die das zu messende Medium nicht, bzw. noch nicht durchlaufen haben, koinzidente Signale auf dem ersten und zweiten Szintillator 611,

612, wandelt der erste Lichtsensor 621 und der zweite Lichtsensor 622 die in den Szintillatoren erzeugten Lichtquanten in ein entsprechendes elektrisches Signal um.

Erzeugen zweite Myonen m i , die das zu messende Medium bereits durchlaufen haben, koinzidente Signale auf dem zweiten und dritten Szintillator 612, 613, wandelt der zweite Lichtsensor 622 und der dritte Lichtsensor 623 die in den Szintillatoren erzeugten Lichtquanten in ein entsprechendes elektrisches Signal um.

Die Diskriminatoreinheit 630 trennt Nutzsignale der beiden richtungsselektiven Detektoren 601 und 602 von Störsignalen (beispielsweise thermisches Rauschen) entsprechend der detektierten Signalform (Amplitude, Zeitdauer über Schwellwert usw.) ab.

Die durch die Diskriminatoreinheit 630 gefilterten Signale werden weiter zur Koinzidenzeinheit 640 geleitet, die dazu eingerichtet ist, die Koinzidenzereignisse des Myonen-Einfalls auf ein erstes Paar der drei Szintillatoren 611, 612 und die Koinzidenzereignisse des Myonen-Einfalls auf ein zweites Paar der drei Szintillatoren 612, 613 zu detektieren. Die so detektierten Koinzidenzereignisse werden von einer Ereigniszähleinheit 650 gezählt und so eine ersten Myonen- Zählrate Ni, welche nicht durch das zu messende Medium beeinflusst wird und als Referenz dient, und eine zweite Myonen-Zählrate N ₂ , welche durch das zu messende Medium beeinflusst wird, bestimmt.

Durch die Auswerteelektronik 660 erfolgt das Auswerten und Vergleich der beiden ermittelten Zählraten Ni und N ₂ , woraus der Füllstand oder die Dichte des zu messenden Mediums bestimmt werden kann.

Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung einer Verwendung der Füllstandmessanordnung zur Bestimmung des Sedimentationsgrades eines Stausees gemäß einer weiteren Ausführungsform. Hierzu sind zwei richtungsselektive Detektoren 715 und 716 mit jeweils zwei Szintillatoren seitlich an einer Staumauer 710 gegenüber einem Stausee angeordnet. Die Höhe H der Sedimentationsschicht des Stausees wird von der Auswerteeinheit 720 anhand der durch die beiden richtungsselektiven Detektoren ermittelten Zählraten Ni und N ₂ bestimmt. Die erste Zählrate Ni von Myonen wird durch den ersten richtungsselektiven Detektor 715 bestimmt. Diese wird durch die Höhe des aufgestauten Wasser H _w und der Staumauer jedoch nicht von der Sedimentationsschicht beeinflusst und dient als Referenz.

Die von der Strahlungsdetektoranordnung 716 ermittelte zweite Myonen-Zählrate N ₂ , wird durch das aufgestaute Wasser, der Sedimentationsschicht und der Staumauer beeinflusst.

Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung eine Verwendung der Myonen- Füllstandmessanordnung zur Bestimmung des Sedimentationsgrades eines Stausees gemäß einer weiteren Ausführungsform. Die Strahlungsdetektoranordnung 810 ist seitlich an einer Staumauer gegenüber einem Stausee angeordnet. Die Auswerteeinheit 820 bestimmt die Höhe H der Sedimentationsschicht 701 des Stausees anhand der durch die Strahlungsdetektoranordnung 810 ermittelten ersten Zählrate Ni von Myonen, die den Stausee (sprich Staumauer, aufgestautes Wasser) durchlaufen haben und als Referenz dient, und einer zweiten Zählrate N ₂ von Myonen, welche zusätzlich durch die Sedimentationsschicht beeinflusst.

Fig. 9 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Bestimmung eines Füllstandes oder der Dichte eines sich in einem Behälter befindlichen Mediums gemäß einer weiteren Ausführungsform. Im ersten Schritt 901 wird die Messung gestartet. In Schritt 902 wird einfallende sekundäre kosmische Strahlung in einem ersten richtungsselektiven Detektor zumindest teilweise in elektromagnetische Strahlung bzw. Lichtquanten oder Lichtpulse umgewandelt. In Schritt 903 wird anhand der in Schritt 902 in unterschiedlichen Szintillatoren entstehenden koinzidenten Lichtpulse eine erste Teilchen- oder Myonen-Zählrate, welche nicht durch ein zu messendes Medium beeinflusst wird bestimmt. Diese erste Zählrate dient als Referenz.

Parallel dazu wird Schritt 904 einfallende sekundäre kosmische Strahlung von mindestens einem weiteren richtungsselektiven Detektor zumindest teilweise in elektromagnetische Strahlung bzw. Lichtquanten umgewandelt. In Schritt 905 wird anhand der in Schritt 904 in unterschiedlichen Szintillatoren entstehenden koinzidenten Lichtpulse mindestens eine weitere Myonen-Zählrate, welche durch ein zu messendes Medium beeinflusst wird bestimmt.

In Schritt 906 wird der Füllstand oder die Dichte mindestens eines Mediums aus der ermittelten Myonen-Referenzzählrate und mindestens einer weiteren Myonen- Zählrate, welche durch das zu messende Medium beeinflusst wird, bestimmt. In Schritt 907 wird die Messung beendet.

Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass“umfassend“ und„aufweisen“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und„eine“ oder„ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsformen beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsformen verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.