Нейтронный детектор

Нейтронный детектор

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к метрологии нейтронного излучения в присутствии фоновых излучений и электромагнитных наводок, и может быть использовано в системах управления и защиты ядерных реакторов, подкритических сборок, импульсных и других источников нейтронов, в научных исследованиях.

Известен детектор нейтронов, который содержит резистивный элемент в виде таблетки из делящегося материала с низкой теплопроводностью и большим удельным электросопротивлением. Под действием излучения элемент нагревается и изменяется его электросопротивление, которое измеряется. Патент Российской Федерации №1526403, МПК: G01T 3/00, 1997 г. Недостатками аналога являются: использование радиоактивных материалов, низкий уровень генерируемого электрического сигнала, низкая помехозащищенность к электромагнитным наводкам, отсутствие возможности обеспечения неэлектрическими средствами требуемого порога срабатывания по флюенсу нейтронов.

Известен детектор нейтронов, включающий корпус, заполненный люминесцирующей газовой средой и делящимся материалом, и фотоприемник. В одном из торцов корпуса размещен волоконный световод, соединенный с регистрирующей системой посредством фотоприемника с фильтром, при этом делящийся материал выполнен в виде слоя и нанесен на боковую поверхность корпуса. Полезная модель Российской Федерации №30008, МПК: G01T 1/16, 2003 г. Недостатками аналога являются: использование радиоактивных материалов; низкая эффективность регистрации из-за относительно малого сечения реакции деления; отсутствие возможности обеспечения неэлектрическими средствами требуемого порога срабатывания по флюенсу нейтронов; энергозависимость.

Известен детектор нейтронов, содержащий чувствительный элемент из материала, в состав которого входит делящийся под действием нейтронов материал, и энергонезависимый преобразователь энергии с электрическим выходом, в котором чувствительный элемент выполнен из материала с эффектом памяти формы, энергонезависимый преобразователь включает два одинаковых пьезоэлектрических генератора, включенных электрически параллельно встречно, при этом чувствительный элемент установлен с возможностью взаимодействия с указанными генераторами в процессе формовосстановления при превышении потоком нейтронов критического уровня через дополнительно введенный упругий элемент, механически связанный с чувствительным элементом и размещенный с зазорами между пьезоэлектрическими генераторами. Патент Российской Федерации №2332689, МПК: G01T 3/00, 2008 г. Прототип.

Недостатками прототипа являются: использование делящегося вещества; низкая эффективность регистрации из-за относительно малого сечения реакции деления; невозможность многократного использования и изменения порога срабатывания без замены чувствительного элемента и пористого держателя; ограниченное быстродействие; невозможность измерения временной зависимости потока в случае импульсных нейтронных источников; сложность изготовления и большое количество конструктивных элементов. Задачами изобретения являются: исключение делящегося вещества; уменьшение чувствительности к фоновым излучениям; обеспечение измерения временной зависимости потока в случае импульсных нейтронных источников; обеспечение многократности использования.

Техническим результатом является:

- исключение делящегося вещества;

- уменьшение чувствительности к фоновым излучениям;

- обеспечение измерения временной зависимости потока в случае импульсных нейтронных источников;

- обеспечение многократности использования;

- упрощение технической реализации.

Технический результат достигается тем, что в нейтронном детекторе, содержащем источник заряженных частиц, возникающих под действием нейтронного излучения, чувствительный элемент датчика выполнен в виде многослойной структуры, состоящей из чередующихся слоев источника и поглотителя заряженных частиц, слои источника заряженных частиц выполнены из стабильных нерадиоактивных материалов, отличающихся энергетической зависимостью эффективности генерации заряженных частиц при взаимодействии с быстрыми нейтронами, слои источника и/или поглотителя заряженных частиц электрически подключены к затворам полевых транзисторов, а полевые транзисторы соединены со схемой регистрации изменения сопротивления канала транзистора. Схема регистрации изменения сопротивления выполнена в виде мостовой электрической схемы, а полевые транзисторы включены в ее противоположные плечи. Слои источника заряженных частиц выполнены из нескольких материалов, отличающихся энергетической зависимостью эффективности генерации заряженных частиц при взаимодействии с быстрыми нейтронами.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1 и 2.

На Фиг.1 схематично показано устройство многослойного чувствительного элемента нейтронного детектора, где 1 - электрический изолятор, 2 - слои источника заряженных частиц, возникающих под действием нейтронного излучения, 3 - слои поглотителя заряженных частиц.

На Фиг.2 показано подключение многослойного чувствительного элемента нейтронного детектора в мостовую измерительную схему, где 4 - полевой транзистор, 5 - электрическая схема для измерения тока в диагонали мостовой схемы, возникающего при разбалансировке моста, 6 - вакуумируемый корпус для многослойного чувствительного элемента нейтронного детектора. Плечами моста являются собственно каналы транзисторов 4 и резисторы R₁ и R₂. Резистор R₁ служит для начальной балансировки моста.

Нейтронный детектор работает следующим образом.

Нейтроны, попадающие в тот или иной материал источника заряженных частиц 2, вызывают ядерную реакцию и излучение заряженных частиц, часть из которых выходит и в сторону поглотителя заряженных частиц 3. В случае применения для слоев источника различных материалов они должны излучать заряженные частицы одного знака. Тогда слои источника заряженных частиц 2 и слои поглотителя заряженных частиц 3 набирают заряд противоположных знаков. Этот заряд индуцирует соответствующий электрический заряд на затворах полевых транзисторов 4.

Появление заряда на затворе полевого транзистора 4 приводит к изменению сопротивления его канала. В случае быстрых нейтронов ослабление нейтронного излучения в отдельном слое источника 2 или поглотителя 3 заряженных частиц пренебрежимо мало. Поэтому величина накопленного заряда и, соответственно, изменение сопротивления канала транзистора 4 определяется количеством слоев источника заряженных частиц 2 и поглотителя заряженных частиц 3. Применение нескольких слоев в источнике заряженных частиц 2 и поглотителе заряженных частиц повышает чувствительность детектора.

Для измерения сопротивления канала полевого транзистора 4 может быть применена, например, мостовая электрическая схема.

Изменение сопротивлений канала транзистора 4 приводит к разбалансировке мостовой схемы и появлению тока в ее диагонали.

Изменение сопротивления в двух плечах мостовой схемы происходит синхронно и в противоположных направлениях. Синхронное изменение сопротивлений каналов транзисторов 4 обеспечивает увеличение чувствительности детектора по отношению к устройству с одним транзистором, подключенным либо к слоям источника заряженных частиц 2, либо к слоям поглотителя заряженных частиц 3, так как уменьшает влияние собственных шумов транзистора.

При подключении и источника заряженных частиц 2, и поглотителя заряженных частиц 3 к затворам транзисторов происходит удвоенное изменение тока в диагонали мостовой схемы по сравнению с подключением только источника или поглотителя.

Шумовой сигнал при таком подключении возрастает лишь в 2^0.5 раз по причине статистической независимости шумов разных транзисторов.

Восстановление исходного состояния детектора происходит за счет компенсации электрических зарядов источника заряженных частиц 2 и поглотителя заряженных частиц 3 в результате электрического разряда, возникающего между источником заряженных частиц 2 и поглотителем заряженных частиц 3 при превышении разности потенциалов между ними выше значения напряжения пробоя. Для этого источник и/или поглотитель может быть снабжен заостренным электродом (на чертеже не показан).

Чувствительный элемент нейтронного детектора размещен в вакуумируемом корпусе 6. Корпус 6 откачивают до давления не более нескольких десятков миллиметров ртутного столба. В корпусе 6 установлены проходные электрические разъемы для подключения слоев источника заряженных частиц 2 и слоев поглотителя заряженных частиц 3 к затворам полевых транзисторов. Откачивание воздуха из корпуса 6 чувствительного элемента является необходимым условием его работоспособности.

При наличии молекул воздуха между источником заряженных частиц 2 и поглотителем заряженных частиц 3 сила электрического поля между ними компенсируется полем, обусловленным поляризацией молекул воздуха.

Чувствительность нейтронного детектора зависит от используемых для источника материалов, толщины и площади каждого слоя источника заряженных частиц 2 в отдельности, площади слоев поглотителя заряженных частиц 3, входной емкости полевых транзисторов 4, чувствительности схемы регистрации 5.

Материал источника 2 заряженных частиц определяет количество единичных зарядов, выходящих из источника в сторону поглотителя 3.

Расчеты показывают, что для датчика быстрых нейтронов лучшими материалами для источника 2 с точки зрения максимального выхода заряда на единичный нейтрон являются изотопы В¹¹ и Са⁴⁰. В обоих случаях при взаимодействии с быстрыми нейтронами излучаются заряженные частицы одного знака (положительного). Выход заряженных частиц из слоев В¹¹ и Са⁴⁰ максимален при толщине, соответственно, 100 мкм и 1500 мкм.

В таблице приведены максимальные выходы единичного заряда из этих материалов при указанных толщинах на один попавший в них быстрый нейтрон, рассчитанные для различных энергий нейтрона.

Энергия нейтрона, МэВ	Материал источника
В11	Са40
1	3.2Е-5	8.3Е-7
1,5	6.6Е-5	1.3Е-6
2,5	8.7Е-5	1.2Е-5
4	6.4Е-5	2.4Е-5
6	8.5Е-5	1.6Е-4
10	8.5Е-5	3.8Е-4
14,5	1.7Е-4	4.1Е-4

Из таблицы видно, что эффективность датчика с источником из Са⁴⁰ растет с увеличением энергии нейтрона и более чем на порядок превышает эффективность датчика с В¹¹ при энергии нейтрона 14,5 МэВ.

Эффективность датчика с источником из В¹¹ слабо зависит от энергии быстрого нейтрона в диапазоне энергий 1-14,5 МэВ, но существенно выше, чем у Са⁴⁰, в области энергий быстрых нейтронов менее примерно 4 МэВ.

Применение обоих материалов в источнике заряженных частиц 2 обеспечивает высокую эффективность регистрации во всем диапазоне энергий ≈ 1 МэВ - 14 МэВ. Регулировать энергетическую зависимость чувствительности в этом диапазоне энергий можно количеством слоев того или иного материала.

Сечение взаимодействия с тепловыми нейтронами для бора В¹¹ и Са⁴⁰, приводящего к рождению заряженных частиц, пренебрежимо мало по сравнению с сечением взаимодействия с быстрыми нейтронами. Это обеспечивает низкую чувствительность датчика к фоновому излучению тепловых нейтронов.

Чувствительность к фоновому гамма-излучению также крайне низка из-за малой вероятности ядерных реакций под действием гамма-излучения с рождением заряженных частиц.

Влияние электромагнитных наводок уменьшено применением двух идентичных транзисторов, включенных в противоположные плечи мостовой схемы.

Поглотитель заряженных частиц 3 выполнен из материала с хорошей электропроводностью, обладающим минимальным коэффициентом отражения (альбедо) для падающих на него заряженных частиц. Одним из таких материалов является, например, графит.

Величина нейтронного потока измеряется величиной тока в диагонали мостовой схемы.

Данная мостовая схема приведена лишь для примера и не является единственным вариантом исполнения схемы регистрации.

Заряд, появившийся на затворе полевого транзистора, приводит к появлению на нем напряжения U:

U=Q/C,

где Q - заряд на затворе, С - входная емкость транзистора.

Напряжение, соответствующее уровню шумов полевого транзистора, составляет несколько микровольт.

Для примера, примем это напряжение, равным 3 мкВ, а входную емкость транзистора, равной 1 пФ. Расчет показывает, что напряжение в 3 мкВ возникает при появлении на затворе около 20 единичных зарядов. Для источника из Са⁴⁰ с площадью одного слоя 1 см² и количеством слоев 10 такой величины заряд возникает при попадании на чувствительный элемент датчика, примерно, 5·10³ быстрых нейтронов с энергией 14,5 МэВ.

1. Нейтронный детектор, содержащий источник заряженных частиц, возникающих под действием нейтронного излучения, отличающийся тем, что чувствительный элемент датчика выполнен в виде многослойной структуры, состоящей из чередующихся слоев источника и поглотителя заряженных частиц, слои источника заряженных частиц выполнены из стабильного нерадиоактивного материала, слои источника и/или поглотителя заряженных частиц электрически подключены к затворам полевых транзисторов, а полевые транзисторы соединены со схемой регистрации изменения сопротивления канала транзистора.

2. Нейтронный детектор по п.1, отличающийся тем, что схема регистрации изменения сопротивления выполнена в виде мостовой электрической схемы, а полевые транзисторы включены в ее противоположные плечи.

3. Нейтронный детектор по п.1, отличающийся тем, что слои источника заряженных частиц выполнены из нескольких материалов, отличающихся энергетической зависимостью эффективности генерации заряженных частиц при взаимодействии с быстрыми нейтронами.