PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE602004008237T2 08.05.2008
EP-Veröffentlichungsnummer 0001604195
Titel VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR WASSERDETEKTION AUF EINEM SCHIFFSDECK
Anmelder Force Technology, Brondby, DK;
Lyngso Marine A/S, Horsholm, DK
Erfinder PEDERSEN, Niels Hald, DK-2650 Hvidovre, DK;
DITTMANN, Kjeld, DK-2820 Gentofte, DK
Vertreter Vossius & Partner, 81675 München
DE-Aktenzeichen 602004008237
Vertragsstaaten AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PL, PT, RO, SE, SI, SK, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 12.03.2004
EP-Aktenzeichen 047199252
WO-Anmeldetag 12.03.2004
PCT-Aktenzeichen PCT/DK2004/000161
WO-Veröffentlichungsnummer 2004081551
WO-Veröffentlichungsdatum 23.09.2004
EP-Offenlegungsdatum 14.12.2005
EP date of grant 15.08.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.05.2008
IPC-Hauptklasse G01N 23/204(2006.01)A, F, I, 20070717, B, H, EP

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wasserdetektion auf einem Schiffsdeck. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Wasserdetektion auf einem Schiffsdeck. Schließlich betrifft die Erfindung den Gebrauch der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Detektion von Wasser, das auf dem Schiffsdeck vorhanden ist.

Bei Fahrt unter stürmischen Wetterbedingungen, z. B. mit hohen Wellen und/oder starken Winden, kann das Deck eines Schiffs mit Wasser überflutet werden, wobei das überflutende Wasser normalerweise "blaues Wasser" (Seeschlag) genannt wird. Es kann Schiffs- und Deckladung beschädigen und für Menschen gefährlich sein. Zudem können Fälle von blauem Wasser auf Deck zweckdienlich darauf verweisen, daß die Schiffsführung eventuell problematisch und daher zu überprüfen und optional zu korrigieren ist. Stellt man also blaues Wasser auf Deck fest, ist dies möglicherweise nicht unbedingt eine große Gefahr für die Beschädigung der Ladung; aber das Vorhandensein von blauem Wasser auf dem Deck kann ein Hinweis darauf sein, daß Änderungen an der Schiffsführung vorgenommen werden sollten, um die Gefahr von Ladungsbeschädigung durch unzweckmäßige Schiffsführung zu senken. Vorteilhaft ist somit, das Vorhandensein von Wasser auf dem Schiffsdeck detektieren zu können. Von besonderem Vorteil wäre, wenn eine solche Detektion kontinuierlich und/oder auch bei kleinen Wassermengen stattfinden würde, wodurch jeder Fall von blauem Wasser unverzögert detektiert werden kann.

Nicht immer lassen sich Fälle von etwaigem Wasser auf dem Schiffsdeck von der Brücke aus detektieren, z. B. auf großen Frachtschiffen wie Container-Carriern, was einerseits daran liegt, daß mehr als 200 m von der Brücke zum Bug liegen können, und andererseits daran, daß die Sichtlinie durch Ladung versperrt sein kann, und auch weil das Vorhandensein von Wasser/Überflutungen auf dem Schiffsdeck keine statische Situation ist; statt dessen kann es sich kontinuierlich ändern. Undenkbar ist, Besatzung auf dem Deck zu postieren, da dies bei stürmischen Wetterbedingungen lebensgefährlich sein könnte und schließlich auch nachts gefahren wird.

Aufgrund der durch Überflutungswasser und das Wetter allgemein ausgeübten starken Kräfte würden solche Instrumente wie eine Videokamera auf Deck Abnutzung und relativ hoher Beschädigungsgefahr ausgesetzt sein.

Die US-A-4646068 offenbart eine Detektionsvorrichtung mit einer Neutronenquelle, die unter der Oberfläche einer Wand liegt und schnelle/energiereiche Neutronen emittiert, sowie einem Detektorgerät, das unter der Oberfläche eines Flugzeugflügels liegt und thermische Neutronen detektiert.

Die US-A-5446288 offenbart eine Anordnung mit einem Moderator, einer lichtemittierenden Einheit und einer lichtaufzeichnenden Einheit, wobei der Moderator in einer in sich geschlossenen Neutronenquelle plaziert ist und die lichtemittierende Einheit sowie die lichtaufzeichnende Einheit in einem weiteren in sich geschlossenen Detektor plaziert sind.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Detektion von Fällen von Wasser auf einem Schiffsdeck bereitzustellen, wobei die Vorrichtung keiner wesentlichen Abnutzung und/oder Beschädigung ausgesetzt ist, wenn sie auf einem Schiff in stürmischen Wetterbedingungen angeordnet ist.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, eine Vorrichtung zur Detektion von Fällen von Wasser auf einem Schiffsdeck bereitzustellen, wobei die Detektion kontinuierlich und/oder auch bei kleinen Wassermengen erreicht wird, wodurch ein Fall von etwaigem blauem Wasser auf einem Schiffsdeck schnell detektiert werden kann.

Gelöst werden diese Aufgaben durch eine Vorrichtung zur Wasserdetektion auf einem Schiffsdeck, wobei die Vorrichtung aufweist:

  • – eine Neutronenquelle, die unter der Oberfläche des Schiffsdecks liegt und schnelle/energiereiche Neutronen emittiert; und
  • – ein Detektorgerät, das unter der Oberfläche des Schiffsdecks liegt und thermische Neutronen detektiert; wobei die Vorrichtung ferner aufweist:
  • – eine lichtemittierende Einheit, die Licht bei einem nuklearen Ereignis/einer nuklearen Reaktion mit einem thermischen Neutron emittiert;
  • – eine lichtaufzeichnende Einheit, die einen elektrischen Impuls/ein elektrisches Signal bei Registrierung eines Lichtblitzes emittiert; und
  • – einen Moderator, der unter der Oberfläche des Schiffsdecks liegt und Neutronen bei Kollision bremst und reflektiert,
wobei der Moderator eine lichtleitende Einheit ist, die zwischen der lichtemittierenden Einheit und der lichtaufzeichnenden Einheit vorgesehen ist.

Dadurch wird eine Vorrichtung erreicht, die Wasser durch eine nicht modifizierte und sogar nicht perforierte Decksplatte detektieren kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung nutzt vorteilhaft die bekannte Erkenntnis, daß Wasserstoff als Element von Wasser der elementare Stoff ist, der von allen elementaren Stoffen Neutronen mit hoher kinetischer Energie am effektivsten abbremsen kann. Dieser Effekt ist sehr ausgeprägt, wodurch sich Wasserstoff hinsichtlich des Abbremsens von Neutronen, der sogenannten Thermalisierung von Neutronen, von allen anderen elementaren Stoffen qualitativ unterscheidet. Da Wasserstoff ein beträchtliches Element von Wasser ist und Wasser normalerweise das einzige wasserstoffhaltige Material ist, das auf einem Schiffsdeck vorhanden ist, und da eine Decksplatte aus Stahl mit einer begrenzten Dicke im wesentlichen keine Neutronen absorbiert, kann die Vorrichtung Wasser durch die Decksplatte detektieren. Weiterhin kann ein Detektorgerät zum Detektieren thermischer Neutronen eine schnelle Reaktion liefern, wodurch die Schiffsführung als Folge von Überflutungen des Schiffsdecks sofort überprüft und optional korrigiert werden kann.

Somit verwendet die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Neutronenquelle zum Detektieren von Wasser, das auf einem Schiffsdeck vorhanden ist. Dazu hat eine Neutronenquelle den exemplarischen Vorteil, daß Neutronen bestimmte Barrieren durchdringen können. Beispielsweise ist es durch die Erfindung möglich, die Wassermenge durch eine Decksplatte hindurch abzuschätzen. Dadurch kann man überwachen, ob und wieviel Wasser auf dem Schiffsdeck vorhanden ist, ohne z. B. die Decksplatte oder Abschnitte davon modifizieren oder perforieren zu müssen und ohne die Vorrichtung auf Deck anordnen zu müssen, wo sie den Wettereinflüssen ausgesetzt wäre.

Eine Quelle für schnelle Neutronen emittiert schnelle/energiereiche Neutronen, d. h. Neutronen mit hoher kinetischer Energie. Die Erfindung nutzt vorteilhaft die bekannte Entdeckung, daß Atomkerne (und insbesondere Wasserstoff) Neutronen bei Kollision abbremsen, was normalerweise "elastische Streuung/elastischer Stoß" genannt wird (wodurch für ein kollidiertes Neutron die Geschwindigkeit reduziert und die Richtung geändert wird). Die Erfindung verwendet ein Detektorgerät, das relativ langsame/energiearme Neutronen, die sogenannten thermischen Neutronen, detektiert. Nachdem ein Neutron ausreichend verlangsamt wurde, kann es durch das Detektorgerät detektiert werden.

Den Abbremsvorgang von Neutronen bezeichnet man normalerweise als "Moderierung" und eine entsprechende physische Anordnung als "Moderator". Damit ein Neutron detektiert wird, muß es zumeist mehrmals mit Wasserstoffatomen zusammenstoßen. Bekannt ist, eine Detektionsvorrichtung mit einem Moderator, einer Menge von Wasserstoff oder einem Moderatormaterial, zu versehen, um eine erhöhte Empfindlichkeit zu erzielen, wobei der Moderator Neutronen durch elastische Streuung/elastischen Stoß abbremst und reflektiert/streut und so angeordnet ist, daß eine eintreffende Neutronenmenge am Detektor reflektiert und der Wasserstoff detektiert wird. Allgemein gesagt wirkt die weitere Menge von Wasserstoff/Moderatormaterial als (partieller) Neutronenreflektor, der ebenfalls die Neutronen verlangsamt, was bedeutet, daß eine erhöhte Menge abgebremster/thermischer Neutronen detektiert wird. Häufig bezeichnet man dies auch als "Rückstreuung" von Neutronen.

Dadurch wird ein Wasserdetektor mit verbesserter Empfindlichkeit realisiert, wobei die lichtleitende Einheit für eine Leitung/Konzentration des Lichts von der lichtemittierenden Einheit zur lichtaufzeichnenden Einheit sorgt, was den Wirkungsgrad/die Empfindlichkeit weiter verbessert, wodurch alle nuklearen Ereignisse, die zu einem Lichtblitz führen, mit stark verbesserter Zuverlässigkeit durch die lichtaufzeichnende Einheit registriert werden.

Somit erfüllt die lichtleitende Einheit eine Doppelfunktion, da sie neben dem Leiten/Konzentrieren des Lichts auch eine moderierende Wirkung hat, weil sie Wasserstoff/Moderatormaterial zum Erreichen des o. g. Rückstreueffekts enthält. Diese Doppelfunktion der lichtleitenden Einheit bewirkt ferner, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung kompakt konfiguriert sein kann.

Die verbesserte Empfindlichkeit bedeutet, daß die verwendete Neutronenquelle nicht so leistungsstark zu sein braucht, daß sie eine Gesundheitsgefahr mit sich daraus ergebenden Anforderungen an Sicherheitstechnik für einen Bediener darstellt oder umständlich zu handhaben ist, während gleichzeitig immer noch für eine zuverlässige Detektion durch eine Decksplatte gesorgt sein kann, d. h. ohne Modifizieren, Perforieren oder jede andere Änderung an der Decksplatte. Infolge der erhöhten Empfindlichkeit und der weiteren Wirkung des Hilfsmoderators werden außerdem kleinere Mengen von Wasserstoff und somit Wassermengen verglichen mit denen detektiert, die anderweitig möglich wären, da es ansonsten schwierig ist, kleine Fälle von wasserstoffhaltigem Material/Wasser zu detektieren, was daran liegt, daß ein Neutron sechs bis acht Zusammenstöße erreichen muß, um thermalisiert und somit durch das Detektorgerät detektierbar zu werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung ferner eine Einrichtung zum Kalibrieren der Vorrichtung durch Aufzeichnen der Intensität thermischer Neutronen unter bekannten Umständen als Kalibrierwert auf. Dies kann z. B. nach Decksanstrich oder in Verbindung mit periodischen Kontrollen durchgeführt werden.

Beispielsweise kann die lichtemittierende Einheit ein Szintillator sein, und eine lichtaufzeichnende Einheit kann ein Photovervielfacher (PM) sein. Alternativ kann die lichtaufzeichnende Einheit eine Photodiode sein.

Besonders vorteilhaft ist die Quelle im wesentlichen in der Nähe oder in/um die Mitte der Fläche des Moderators angeordnet, die an die lichtemittierende Einheit angrenzt. Erwiesenermaßen ist diese Lage zweckmäßig, da eine weiter verstärkte Empfindlichkeit dadurch erreicht wird, daß eine größere Menge von Neutronen reflektiert und moderiert und somit detektiert wird.

Besonders vorteilhaft ist ferner die lichtemittierende Einheit im wesentlichen mit einer Fläche konfiguriert, die zur lichtemittierenden Einheit benachbart ist, sowie mit einer relativ kleineren Fläche, die an eine Detektionsfläche der lichtaufzeichnenden Einheit angrenzt. Dadurch kann eine relativ größere Fläche der lichtemittierenden Einheit mit einer kleineren Detektionsfläche der lichtaufzeichnenden Einheit optisch gekoppelt sein, was einen wirtschaftlichen Vorteil hat, da die Kosten solcher lichtaufzeichnenden Einheiten vergleichsweise hoch sind und sehr stark von der Aufzeichnungsfläche abhängen.

Beispielsweise kann die lichtleitende Einheit im wesentlichen als Kegel mit weggeschnittener Oberseite konfiguriert sein (d. h. trapezförmig bei zweidimensionaler Betrachtung durch einen Schnitt durch die Mittellinie des Kegels).

Ist die lichtleitende Einheit der Vorrichtung zum Emittieren von Licht, das von der lichtemittierenden Einheit zur lichtaufzeichnenden Einheit geführt wird, im wesentlichen senkrecht zu einer Detektionsfläche konfiguriert, erzielt man eine besonders vorteilhafte Ausführungsform, da hierdurch problemlos eine Detektionsvorrichtung bereitgestellt wird, die eine größere Ausdehnung im wesentlichen senkrecht zur Decksplatte hat, auf der das zu detektierende Wasser liegt. Hierdurch wird eine vorteilhafte Konfiguration erzielt, insbesondere wenn die erfindungsgemäße Detektionsvorrichtung primär in Tiefenrichtung arbeiten soll.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist die lichtleitende Einheit zum Emittieren von Licht, das von der lichtemittierenden Einheit zur lichtaufzeichnenden Einheit geführt wird, im wesentlichen parallel zu einer Detektionsfläche der Vorrichtung konfiguriert. Auf diese Weise wird leicht eine Detektionsvorrichtung bereitgestellt, die eine größere Ausdehnung im wesentlichen parallel zu einer Detektionsfläche des Objekts hat, in dem Wasser zu detektieren ist. Allgemein ausgedrückt ist die Detektionsvorrichtung länger als hoch. Dadurch wird eine besonders vorteilhafte Ausführungsform erreicht, besonders wenn die Detektionsvorrichtung vergleichsweise flach sein soll, z. B. wenn sie an der Unterseite der Decksplatte angeordnet ist und wenn sie nicht zu weit unter der Decksplatte vorstehen soll.

Gemäß noch einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung weist sie ferner eine elektrische Schaltung auf, die mit dem Detektorgerät verbunden ist, wobei die elektrische Schaltung zum Erzeugen eines Signals konfiguriert ist, das eine geschätzte Wassermenge darstellt, wobei die Erzeugung auf der Grundlage des elektrischen Signals von der lichtaufzeichnenden Einheit durchgeführt wird.

Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Wasserdetektion auf einem Schiffsdeck mit den folgenden Schritten:

  • – Emission energiereicher Neutronen aus einer Neutronenquelle, die unter der Oberfläche des Schiffsdecks liegt; und
  • – Detektion thermischer Neutronen mit Hilfe eines Detek torgeräts, das unter der Oberfläche des Schiffsdecks liegt.

Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Intensität thermischer Neutronen unter bekannten Umständen als Kalibrierwert aufgezeichnet. Dies erfolgt insbesondere bei der Montage der Vorrichtung.

Gemäß noch einer Ausführungsform weist das Verfahren ferner einen Schritt des Bremsens und Reflektierens von Neutronen bei Kollision mit Hilfe eines Moderators auf, der unter der Oberfläche des Schiffsdecks liegt.

Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Verfahren auf:

  • – Emission von Licht aus einer lichtemittierenden Einheit bei einem nuklearen Ereignis/einer nuklearen Reaktion mit einem thermischen Neutron;
  • – Emission eines elektrischen Impulses/eines elektrischen Signals durch eine lichtaufzeichnende Einheit bei Registrierung eines Lichtblitzes; und
  • – Leitung von Licht von der lichtemittierenden Einheit zur lichtaufzeichnenden Einheit durch eine lichtleitende Einheit, die zwischen der lichtemittierenden Einheit und der lichtaufzeichnenden Einheit angeordnet ist, wobei der Moderator die lichtleitende Einheit ist.

Vorzugsweise ist die lichtleitende Einheit zum Emittieren von Licht konfiguriert, das von der lichtemittierenden Einheit zur lichtaufzeichnenden Einheit im wesentlichen senkrecht zu einer Detektionsfläche geführt wird. Alternativ kann die lichtleitende Einheit zum Emittieren von Licht konfiguriert sein, das von der lichtemittierenden Einheit zur lichtaufzeichnenden Einheit im wesentlichen parallel zu einer Detektionsfläche geführt wird.

Gemäß noch einer bevorzugten Ausführungsform weist das Verfahren ferner die Erzeugung eines Signals in einer mit dem Detektorgerät verbundenen elektrischen Schaltung auf, das eine geschätzte Wassermenge darstellt, wobei die Erzeugung auf der Grundlage des elektrischen Signals von der lichtaufzeichnenden Einheit durchgeführt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren und seine Ausführungsformen entsprechen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und ihren Ausführungsformen und haben die gleichen Wirkungen aus den gleichen Gründen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben, die exemplarische Ausführungsformen der Erfindung veranschaulichen. Es zeigen:

1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die unter einer Oberfläche eines Schiffsdecks liegt, und wobei Fälle von Wasser auf der Decksplatte des Schiffsdecks vorliegen können;

2a schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

2b schematisch eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

2c schematisch eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und

3 schematisch ein Schiff von oben mit Ladung, einer Brücke und der Anordnung einer Anzahl erfindungsgemäßer Vorrichtungen.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die unter der Oberfläche eines Schiffsdecks angeordnet ist, wobei Wasser auf der Decksplatte 110 des Schiffdecks vorhanden sein kann. Die Zeichnung veranschaulicht eine Decksplatte 110, wobei das zu detektierende Wasser über der Decksplatte 110 des Schiffsdecks angeordnet ist und wobei eine Detektionsvorrichtung 100 zum Detektieren von Wasser 101 auf einem Schiffsdeck unter der Oberfläche des Schiffsdecks angeordnet ist. Die Detektionsvorrichtung 100 liegt unter der Oberfläche des Schiffsdecks, woraus folgt, daß sie keinen solchen Wetterbedingungen wie Wind, Regen, Schneeregen o. ä. ausgesetzt ist. Die Detektorvorrichtung 100 verfügt über ein Detektorgerät 102, das thermische Neutronen detektiert, und eine Neutronenquelle 103, die schnelle/energiereiche Neutronen 111 emittiert. Darstellungsgemäß ist die eigentliche Detektionsvorrichtung 100 unter der Decksplatte 110 angeordnet; natürlich ist auch möglich, die Detektionsvorrichtung 100 in einer Aussparung in der Decksplatte selbst unterzubringen, damit sie möglichst wenig von der Unterseite der Decksplatte 110 vorsteht. Wichtig ist, daß die gesamte Detektionsvorrichtung 100 unter der Oberseite des Schiffsdecks liegt.

Durch die Quelle 103 emittierte Neutronen 111 gehen im wesentlichen in alle Richtungen, und einige dieser Neutronen stoßen mit dem Wasserstoff zusammen, der Bestandteil von etwaigem Wasser 101 auf dem Schiffsdeck ist, wodurch die Neutronen die Richtung ändern und an Geschwindigkeit verlieren. Ein Teil der Neutronen wird zum Detektorgerät 102 zur Detektion thermischer Neutronen reflektiert, und sind sie ausreichend oft kollidiert, werden sie thermisch (d. h. haben normalerweise eine kinetische Energie von etwa 0,025 eV), wodurch der Detektor sie registriert und die Menge von Wasser 101 detektiert werden kann. Einige Neutronen bewegen sich in anderen Richtungen weiter und/oder werden absorbiert. Normalerweise muß ein Neutron im Mittel etwa sechs- bis achtmal mit einem Wasserstoffatom zusammenstoßen, um Energie zu besitzen, die der Detektor detektieren kann (das Neutron muß im Energieniveau etwa sechs bis acht Werte absteigen).

Weist die Detektorvorrichtung einen Moderator (nicht gezeigt) auf, hat der Moderator die Wirkung, daß eine größere Anzahl von Neutronen mit geeigneter Energie verglichen mit dem Szenario detektiert wird, in dem nur Wasser 101 primär zur Reduzierung der kinetischen Energie der Neutronen vorhanden ist. Dadurch ist die Empfindlichkeit der Detektionsvorrichtung 100 erhöht.

2a zeigt schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100. In der Darstellung ist eine Detektionsvorrichtung gezeigt, die eine Neutronenquelle 103 und ein Neutronen abbremsendes und reflektierendes Material 104' aufweist, d. h. ein Moderatormaterial, das z. B. Wasserstoff aufweist. Die Detektionsvorrichtung 100 hat eine Detektionsfläche 109, die in Richtung zu einem Objekt 101 weisen soll, hier die zu detektierenden Fälle von Wasser. Das heißt, die Detektionsfläche 109 der Detektionsvorrichtung 100 kann so angeordnet sein, daß sie z. B. zur Unterseite der Decksplatte 110 des Schiffsdecks benachbart ist.

Außerdem weist die Detektionsvorrichtung 100 ferner einen Detektor 102a, 102b für thermische Neutronen auf, wobei der erfindungsgemäße Detektor eine lichtemittierende Einheit 102b und eine lichtaufzeichnende Einheit 102a aufweist, wobei die lichtaufzeichnende Einheit 102a mit einer elektrischen Schaltung 105 verbunden ist. Die lichtemittierende Einheit 102b emittiert Licht im Fall eines nuklearen Ereignisses/einer nuklearen Reaktion mit einem thermischen Neutron, während die lichtaufzeichnende Einheit 102a einen elektrischen Impuls/ein elektrisches Signal 106 bei Registrierung eines Lichtblitzes abgibt, wobei der abgegebene elektrische Impuls, das abgegebene elektrische Signal in der elektrischen Schaltung 105 zur anschließenden Interpretation, Verarbeitung usw. empfangen wird. Die elektrische Schaltung 105 kann ferner eine Einrichtung zum Kalibrieren der Vorrichtung gemäß der späteren Beschreibung enthalten.

Erfindungsgemäß ist das Moderatormaterial eine lichtleitende Einheit oder ein lichtleitendes Material 104'. Auf diese Weise erfüllt die lichtleitende Einheit 104' eine Doppelfunktion, da sie wie zuvor erwähnt neben dem Leiten/Konzentrieren des Lichts von der lichtemittierenden Einheit 102b zur Detektionsfläche 107 der lichtaufzeichnenden Einheit 102a auch eine moderierende Wirkung hat, da sie Wasserstoff/Moderatormaterial zum Erzielen des o. g. Rückstreueffekts enthält. Die lichtleitende/-konzentrierende Wirkung verbessert den Wirkungsgrad/die Empfindlichkeit, da die nuklearen Ereignisse, die zu einem Lichtblitz führen, mit stark verbesserter Zuverlässigkeit durch die lichtaufzeichnende Einheit 102a aufgezeichnet werden, wodurch kleinere Mengen von Wasserstoff detektiert werden können, ohne daß die Stärke der Neutronenquelle erhöht werden muß.

Die Bewegung des Lichts von der lichtemittierenden Einheit 102b zur lichtaufzeichnenden Einheit 102a ist in der Darstellung mit gestrichelten Pfeilen schematisch gezeigt.

Außerdem bewirkt die Doppelfunktion der lichtleitenden Einheit/des Moderators 104', daß die Detektionsvorrichtung 100 kompakt oder zumindest nicht größer als Lösungen konfiguriert ist, die schon einen Hilfsmoderator zur Realisierung von Neutronenrückstreuung aufweisen.

In der gezeigten Ausführungsform ist die lichtleitende Einheit 104' im wesentlichen mit einer Fläche konfiguriert, die an die lichtemittierende Einheit 102b angrenzt, und hat eine relativ kleinere Fläche, die an eine Detektionsfläche 107 der lichtaufzeichnenden Einheit 102a angrenzt. Dadurch kann eine relativ größere Fläche der lichtemittierenden Einheit 102b mit einer kleineren Detektionsfläche 107 durch die lichtaufzeichnende Einheit 102a optisch gekoppelt sein, was finanziell vorteilhaft ist, da die Kosten solcher lichtaufzeichnender Einheiten 102a relativ hoch sind und weitgehend von der Aufzeichnungsfläche abhängen. Beispielsweise kann die lichtleitende Einheit im wesentlichen als Kegel mit weggeschnittener Oberseite konfiguriert sein (d. h. trapezförmig bei zweidimensionaler Betrachtung durch einen Schnitt an der Mittellinie des Kegels).

Die lichtleitende Einheit/das lichtleitende Material 104' kann z. B. ein Lichtleiter (britischer Begriff "light guide") sein, der Wasserstoff und/oder anderes Moderatormaterial aufweist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die lichtleitende Einheit/das lichtleitende Material 104' Plexiglas.

Vorzugsweise ist die Neutronenquelle 103 durch den Moderator 104' umschlossen/darin eingebettet und im wesentlichen um die Fläche des Moderators 104', die an die lichtemittierende Einheit 102b anstößt, oder mittig darin angeordnet. Erwiesenermaßen ist diese Anordnung zweckmäßig, da eine weiter verstärkte Empfindlichkeit dadurch erreicht wird, daß eine größere Menge von Neutronen reflektiert und moderiert und somit detektiert wird.

Gemäß einer Ausführungsform ist die lichtemittierende Einheit 102b ein Szintillator, der eine bekannte Standardeinheit ist, die ein nukleares Ereignis registriert und einen Lichtblitz emittiert, wenn z. B. ein thermisches Neutron auf den Szintillator 102b trifft. In der Praxis werden Photonen freigesetzt. Ein Beispiel für einen Szintillator 102b ist mit dem Lithiumisotop Li-6 angereichertes Glas.

Gemäß einer Ausführungsform ist die lichtaufzeichnende Einheit 102a ein Photovervielfacher, der ebenfalls eine bekannte Standardeinheit ist, die selbst sehr schwache Lichtblitze/Photonen aufzeichnet und einen elektrischen Impuls auf der Grundlage eines oder mehrerer davon erzeugt. Alternativ ist die lichtaufzeichnende Einheit 102a eine Photodiode.

Die elektrische Schaltung 105 empfängt elektrische Impulse/Signale von der lichtaufzeichnenden Einheit/vom Photovervielfacher 102a und kann dadurch diese Signale in Abhängigkeit vom aktuellen Gebrauch aufzeichnen und/oder verarbeiten, z. B. zum Abschätzen von Fällen von Wasser 101 oder für andere Anwendungen. Beispielsweise können ein oder mehrere elektrische Ausgangssignale 108 von der elektrischen Schaltung 105 z. B. für eine Anzeige/ein Meßgerät (nicht gezeigt) verwendet werden, worauf die geschätzte Menge angezeigt wird, und oder für andere Funktionen.

Weiterhin kann die Detektionsvorrichtung 100 andere Arten von lichtleitendem Material 104' aufweisen (optional nicht wasserstoffhaltige Materialien, z. B. Glas). Die anderen Arten von lichtleitendem Material können einen Neutronen moderierenden Effekt haben; gleichwohl ist dies nicht erforderlich, sofern es nicht wesentlich ist, daß die Detektionsvorrichtung kleine Wassermengen detektieren kann.

Vorzugsweise stoßen die lichtaufzeichnende Einheit/der Photovervielfacher 102a und der Lichtleiter 104 an der Detektionsfläche 107 der lichtaufzeichnenden Einheit/des Photovervielfachers 102a mit einem optischen Anpassungsmaterial, z. B. Silikonfett, transparente Silikondichtungsmassen usw., dazwischen an/aneinander, um die kleinstmögliche optische Dämpfung am Übergang zu gewährleisten.

Die Neutronenquelle 103 kann z. B. eine Neutronenquelle auf Isotopenbasis sein.

Alternativ kann die Neutronenquelle 103 auch an anderen Stellen als in/um die Mitte des Lichtleiters 104' liegen.

Die elektrische Schaltung 105 kann viele Funktionen erfüllen und kann viele Konfigurationen in Abhängigkeit vom relevanten Gebrauch der Erfindung haben. Beispielsweise braucht eine einfache elektrische Schaltung nur die Anzahl elektrischer Impulse vom Photovervielfacher/von der lichtaufzeichnenden Einheit 102a für eine Zeitspanne zu registrieren, um die Menge von Wasserstoff/Wasser auf einfache Weise abschätzen zu können. Alternativ können fortgeschrittenere elektrische Schaltungen zum Einsatz kommen.

Ferner kann die Vorrichtung 100 eine Materialscheibe, eine Platte oder ein Element usw. (nicht gezeigt) aufweisen, die (das) so angeordnet ist, daß die Neutronenquelle 103 zwischen ihr (ihm) und der Detektionsfläche 109 liegt. Die Scheibe, die Platte oder das Element usw. muß aus einem Material bestehen, das die Eigenschaft besitzt, daß es Neutronen ohne erheblichen Energieverlust gut reflektiert, z. B. Eisen oder Molybdän. Weiterhin kann die Vorrichtung 100 einen Ring, eine Röhre, einen Zylinder usw. aufweisen, der (die) so angeordnet ist, daß er (sie) die Neutronenquelle umgibt, wodurch etwaige Gammastrahlung entfernt wird, die ansonsten falsche Anzeigen bei Reaktion mit der lichtemittierenden Einheit 102b liefern kann. Dieser Ring, diese Röhre, dieser Zylinder usw. kann ansonsten falsche Anzeigen bei Reaktion mit der lichtemittierenden Einheit 102b liefern. Dieser Ring, diese Röhre, dieser Zylinder usw. muß aus einem Material mit der Eigenschaft bestehen, insbesondere Gammastrahlung zu absorbieren, z. B. Blei oder Wolfram.

2b veranschaulicht schematisch eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Zeichnung zeigt eine erfindungsgemäße Detektionsvorrichtung 100 mit den gleichen Elementen/Einheiten, die in Verbindung mit 2a gezeigt und erläutert, aber anders angeordnet und optional konfiguriert sind. Insbesondere ist die Kombination aus Moderator und lichtleitender Einheit 104'' so konfiguriert, daß sie das Licht im wesentlichen parallel zur Detektionsfläche 109 der Detektionsvorrichtung 100 zur lichtaufzeichnenden Einheit 102a leitet (im Gegensatz zur Ausführungsform gemäß 2a, in der das Licht im wesentlichen senkrecht zur Detektionsfläche 109 geleitet wird), was eine recht langgestreckte Konfiguration der Detektionsvorrichtung 100 ermöglicht. Darstellungsgemäß kann die lichtleitende Einheit 104'' z. B. mit einem solchen zweidimensionalen Profil wie einem Dreieck konfiguriert sein, in dem eintreffendes Licht von der lichtemittierenden Einheit 102 im wesentlichen senkrecht bezogen auf die Eingangsrichtung reflektiert wird, d. h. im wesentlichen parallel zur Detektionsfläche 109.

Alternativ kann die lichtleitende Einheit 104'' ein Satz optischer Fasern/optischer Faserkabel sein, der das Licht relativ zur Primäreinfallsrichtung seitlich abwinkelt/wegdreht/ablenkt, d. h. im wesentlichen parallel zur Detektionsfläche 109.

Die Bewegung des Lichts von der lichtemittierenden Einheit 102b zur lichtaufzeichnenden Einheit 102a ist in der Darstellung mit gestrichelten Pfeilen schematisch gezeigt.

In der dargestellten Ausführungsform ist die lichtleitende Einheit 104'' im wesentlichen mit einer Fläche konfiguriert, die an die lichtemittierende Einheit 102b angrenzt, und hat eine relativ kleine Fläche benachbart zu einer Detektionsfläche 107 der lichtaufzeichnenden Einheit 102a.

Dadurch wird eine langgestreckte Konfiguration erreicht, die besonders vorteilhaft ist, wenn eine vergleichsweise flache Detektionsvorrichtung 100 bereitgestellt werden soll, z. B. wenn sie an der Unterseite der Decksplatte 110 angeordnet wird und sie nicht zu weit von der Decksplatte nach unten vorstehen soll.

2c zeigt schematisch eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die dargestellte Ausführungsform entspricht der gemäß 2a, wobei aber die Lage der Neutronenquelle 103 geändert ist. In der gezeigten Ausführungsform ist die Neutronenquelle 103 weiter zur Mitte des Moderators 104' konfiguriert, d. h. nicht in der Fläche des Moderators 104', die an die lichtemittierende Einheit 102b angrenzt. Alternativ kann die Neutronenquelle 103 z. B. weiter in Richtung einer der Seiten des Moderators 104' angeordnet sein.

Wird nur eine Detektionsvorrichtung verwendet, läge als Auswahl nahe, sie am Vordeck anzuordnen; aber bei der Wasserdetektion auf einem Schiffsdeck 200 ist es natürlich möglich, mehrere Detektionsvorrichtungen 100 zu verwenden, die jeweils unter der Oberseite des Schiffsdecks angeordnet und über das Schiffsdeck 200 jeweils an mehreren Stellen mit Hilfe mehrerer Vorrichtungen verteilt sind. 3 zeigt schematisch ein Beispiel für ein Schiff von oben mit einem Schiffsdeck 200 mit Ladung 210, einer Brücke 220 und einer Anzahl erfindungsgemäßer Detektionsvorrichtungen 100. In 3 sind zwei Detektionsvorrichtungen gezeigt; deutlich ist aber, daß, jede gewünschte Anzahl von Detektionsvorrichtungen verwendet werden kann, was z. B. von der Größe und Art des Schiffs, früheren Erfahrungen mit Fällen von blauem Wasser usw. abhängt. Normalerweise sind aber Detektionsvorrichtungen auf dem Schiffsdeck an vorderster Position angeordnet.

Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Detektionsvorrichtung mit einer Einrichtung 105 zum Kalibrieren der Vorrichtung durch Aufzeichnen der Intensität thermischer Neutronen unter bekannten Umständen als Kalibrierwert konfiguriert, der in einer geeigneten Speichereinheit zum späteren Abruf zur Verwendung im Vergleich mit Detektionswerten gespeichert ist. Ableiten läßt sich dieser Kalibrierwert aus dem Signal, das die Menge von Wassermaterial schätzt, um so eine genauere Schätzung der Wasserstoffmenge erreichen zu können, die sich aus Wasser auf dem Schiffsdeck ableitet. Diese Einrichtung kann z. B. eine Taste an der Detektionsvorrichtung aufweisen, wobei diese Taste aktiviert werden kann, wenn z. B. die Schiffsladung an Bord genommen wird, um so etwaige Fehlerquellen zu berücksichtigen. Zu solchen etwaigen Fehlerquellen könnten wasserstoffhaltige Materialien in Massengutladungsmengen und radioaktives Material in der Nähe der Detektionsvorrichtung gehören. Zudem kann darauf geachtet werden, die Kalibrierung durchzuführen, wenn die Decksplatte im wesentlichen wasser-, schnee- und eisfrei ist, was bewirkt, daß der Kalibrierwert für diesen Zustand zur Verwendung bei der Berechnung der Menge von wasserstoffhaltigem Material in Fällen von Wasser registriert wird. Besonders zweckmäßig ist es, die Kalibrierung nach Montage der Vorrichtung durchzuführen.

Normalerweise ist die erfindungsgemäße Detektionsvorrichtung mit einem Gehäuse konfiguriert (in den Zeichnungen nicht gezeigt). Dieses Gehäuse kann vorteilhaft so konfiguriert sein, daß es eine Neutronen reflektierende Wirkung hat, z. B. durch Gebrauch von Eisen. Natürlich steigt damit das Gewicht verglichen mit anderen, leichteren Materialien. Da aber die Bedeutung von erhöhtem Gewicht einer an der Unterseite eines Schiffsdecks anzuordnenden Vorrichtung unerheblich ist, kann somit Eisen mit den von Eisen bereitgestellten Vorzügen vorteilhaft verwendet werden.

Im folgenden wird erläutert, wie die Detektionsvorrichtung zur Aufzeichnung der Wassermenge auf einem Schiffsdeck verwendet werden kann. Ist kein Wasser auf dem Deck vorhanden, hat die Detektionsvorrichtung einen Wert, der im wesentlichen das Ergebnis von Gammastrahlung von der Neutronenquelle ist. Somit wird dieser Wert konstant sein. Blaues Wasser, d. h. Wasser als Ergebnis von Überflutungen (Seeschlag) auf dem Schiffsdeck, z. B. bei der Fahrt in hohen Wellen, wird als Perioden kürzerer Dauer mit höheren Werten angezeigt. Etwaige Vereisungen oder Schnee, die sich auf dem Deck ablagern, werden ebenfalls detektiert und als Wert angezeigt, der mit der Dicke der Eins-/Schneeschicht zunimmt, ansonsten aber konstant ist. Daher könnte blaues Wasser oben auf einer Eisschicht als Detektion eines bestimmten Werts detektiert werden, der nicht unter einen erhöhten Wert sinkt, aber für eine recht kurze Periode bezogen auf diesen erhöhten Wert gesteigert ist. Festgestellt wurde, daß die Vorrichtung Vereisung detektieren kann und blaues Wasser oben auf einer Schicht aus Eis oder Schnee bis mindestens 80 mm detektieren kann.

Erwähnt wurde, daß im wesentlichen eine Stahldecksplatte mit begrenzter Dicke die Neutronen nicht absorbiert, weshalb die Vorrichtung Wasser durch das Schiffsdeck detektieren kann. Es sei darauf verwiesen, daß die Vorrichtung und das Verfahren gemäß der Erfindung nicht auf den Gebrauch in Verbindung mit Stahldecksplatten beschränkt sind; statt dessen können sie zur Verwendung in Verbindung mit anderen Decksmaterialien angepaßt sein, z. B. glasfaserverstärktes Polyester o. a. Allerdings reduzieren die Wasserstoffgehalte in glasfaserverstärktem Polyester die Empfindlichkeit der Detektionsvorrichtung.

Die elektrische Schaltung der Detektionsvorrichtung muß den Aktivitätsabfall der Neutronenquelle korrigieren, was sowohl bekannt als auch einfach ist. Kommt z. B. eine Californiumquelle zum Einsatz, ist mit einem Austausch in geeigneten Abständen, z. B. alle vier Jahre, zu rechnen. Da die radioaktive Quellen enthaltende Vorrichtung periodischen Kontrollen nach den meisten nationalen Gesetzgebungen unterliegt, z. B. im Zweijahresabstand, könnte der Austausch der Neutronenquelle mit einer solchen periodischen Kontrolle kombiniert werden. Weiterhin könnten vollständige Korrekturen am elektronischen Betrieb der Detektionsvorrichtung vorgenommen werden, wodurch die Werte der Detektionsvorrichtung sehr zuverlässig würden.

Mit "Decksplatte" soll die eigentliche Platte bezeichnet werden, die das Schiffsdeck, d. h. die über der Decksplatte liegende Ebene, von der Ebene, z. B. dem Laderaum oder dem Zwischendeck trennt, die unter dem Schiffsdeck liegt. Mit "Oberseite des Schiffsdecks" soll die nach oben weisende Oberfläche der Decksplatte bezeichnet werden, während "auf einem Schiffsdeck" synonym zur Bedeutung von "über der Oberseite der Decksplatte" aufzufassen ist. Daß etwas unter der Oberfläche des Schiffsdecks liegt, ist so zu verstehen, daß es unter der Oberseite der Decksplatte enthalten ist, d. h. nicht durch die Decksplatte nach oben vorsteht, sondern umgekehrt vollständig unter der Decksplatte liegt oder sich optional teilweise eingebettet in der Decksplatte befindet, z. B. in einer Aussparung in der nach unten weisenden Fläche der Decksplatte. Impliziert wird, daß der Begriff "Wasser" sowohl "Süßwasser" als auch "Salzwasser" erfaßt und daß die Detektion des Vorhandenseins von Wasser auf dem Schiffsdeck unabhängig davon ist, ob das Wasser Süßwasser oder Salzwasser ist, und unabhängig von etwaigen Verunreinigungen im Wasser.


Anspruch[de]
Vorrichtung (100) zur Wasserdetektion auf einem Schiffsdeck (110), wobei diese Vorrichtung aufweist:

– eine Neutronenquelle (103), die unter der Oberfläche des Schiffsdecks (110) liegt und schnelle/energiereiche Neutronen (111) emittiert; und

– ein Detektorgerät (102, 102a, 102b), das unter der Oberfläche des Schiffsdecks (110) liegt und thermische Neutronen detektiert;

dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ferner aufweist:

– eine lichtemittierende Einheit (102b), die Licht bei einem nuklearen Ereignis/einer nuklearen Reaktion mit einem thermischen Neutron emittiert;

– eine lichtaufzeichnende Einheit (102a), die einen elektrischen Impuls/ein elektrisches Signal (106) bei Registrierung eines Lichtblitzes emittiert; und

– einen Moderator (104', 104''), der unter der Oberfläche des Schiffsdecks (110) liegt und Neutronen bei Kollision bremst und reflektiert;

wobei der Moderator (104'; 104'') eine lichtleitende Einheit ist, die zwischen der lichtemittierenden Einheit (102b) und der lichtaufzeichnenden Einheit (102a) vorgesehen ist.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ferner eine Einrichtung (108) zum Kalibrieren der Vorrichtung durch Aufzeichnen der Intensität thermischer Neutronen unter bekannten Umständen als Kalibrierwert aufweist. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtleitende Einheit (104'') zum Emittieren von Licht konfiguriert ist, das von der lichtemittierenden Einheit (102b) zur lichtaufzeichnenden Einheit (102a) im wesentlichen senkrecht zu einer Detektionsfläche (109) geführt wird. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtleitende Einheit (104'') zum Emittieren von Licht konfiguriert ist, das von der lichtemittierenden Einheit (102b) zur lichtaufzeichnenden Einheit (102a) im wesentlichen parallel zu einer Detektionsfläche (109) geführt wird. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ferner eine elektrische Schaltung (105) aufweist, die mit dem Detektorgerät (102; 102a) verbunden ist, wobei die elektrische Schaltung (105) zum Erzeugen eines Signals (108) konfiguriert ist, das eine geschätzte Wassermenge darstellt, wobei die Erzeugung auf der Grundlage des elektrischen Signals (106) von der lichtaufzeichnenden Einheit (102a) durchgeführt wird. Verfahren zur Wasserdetektion auf einem Schiffsdeck (110) mit den folgenden Schritten:

– Emission energiereicher Neutronen (111) aus einer Neutronenquelle (103), die unter der Oberfläche des Schiffsdecks (110) liegt; und

– Detektion thermischer Neutronen mit Hilfe eines Detektorgeräts (102; 102a; 102b), das unter der Oberfläche des Schiffsdecks (110) liegt,

dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ferner folgendes aufweist:

– Emission von Licht aus einer lichtemittierenden Einheit (102b) bei einem nuklearen Ereignis/einer nuklearen Reaktion mit einem thermischen Neutron;

– Emission eines elektrischen Impulses/eines elektrischen Signals (106) durch eine lichtaufzeichnende Einheit (102a) bei Registrierung eines Lichtblitzes;

– Leitung von Licht von der lichtemittierenden Einheit (102b) zur lichtaufzeichnenden Einheit (102a) durch eine lichtleitende Einheit, die zwischen der lichtemittierenden Einheit (102b) und der lichtaufzeichnenden Einheit (102a) angeordnet ist, wobei der Moderator (104'; 104'') die lichtleitende Einheit ist; und

– Bremsen und Reflektieren von Neutronen bei Kollision mit Hilfe eines Moderators (104', 104''), der unter der Oberfläche des Schiffsdecks (110) liegt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität thermischer Neutronen unter bekannten Umständen als Kalibrierwert aufgezeichnet ist. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtleitende Einheit (104'') zum Emittieren von Licht konfiguriert ist, das von der lichtemittierenden Einheit (102b) zur lichtaufzeichnenden Einheit (102a) im wesentlichen senkrecht zu einer Detektionsfläche (109) geführt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtleitende Einheit (104'') zum Emittieren von Licht konfiguriert ist, das von der lichtemittierenden Einheit (102b) zur lichtaufzeichnenden Einheit (102a) im wesentlichen parallel zu einer Detektionsfläche (109) geführt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ferner aufweist: in einer mit dem Detektorgerät (102; 102a) verbundenen elektrischen Schaltung (105) erfolgende Erzeugung eines Signals (108), das eine geschätzte Wassermenge darstellt, wobei die Erzeugung auf der Grundlage des elektrischen Signals (106) von der lichtaufzeichnenden Einheit (102a) durchgeführt wird. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zum Detektieren von Wasser, das sich auf dem Schiffsdeck befindet.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com