Устройство для измерения мощности дозы гамма-излучения ядерной энергетической установки в условиях фоновой помехи от высокоэнергетичных космических электронов и протонов

Устройство для измерения мощности дозы гамма-излучения ядерной энергетической установки в условиях фоновой помехи от высокоэнергетичных космических электронов и протонов

Реферат

Изобретение относится к области ядерного приборостроения и может быть использовано при создании измерителей мощности дозы гамма-излучения ядерной энергетической установки, размещаемой на космическом аппарате.

Известно устройство для контроля величины мощности поглощенной и эквивалентной доз гамма-излучения [1]. Устройство представляет собой моноблок, содержащий узел детекторов, фильтр, узел комбинированный и узел питания. Узел детекторов содержит два кремниевых детектора толщиной 0,3 мм и с площадью чувствительной поверхности 250 мм² и 5 мм² соответственно, а также светодиод для проверки функционирования детекторов. Фильтр, надеваемый на узел детекторов, обеспечивает выравнивание чувствительности детекторов по энергиям фотонов. Узел комбинированный предназначен для формирования и усиления сигналов детекторов. Два кремниевых детектора различной площади используются здесь как два детектирующих элемента с различной чувствительностью для расширения динамического диапазона по величине измеряемой мощности дозы до 10⁸. Однако использование такого устройства на космическом аппарате для измерения мощности дозы гамма-излучения ядерной энергетической установки не представляется возможным. Например, плотность потока фоновых космических протонов с энергией выше 25 МэВ за защитой массовой толщиной 0,5 г/см² достигает значения 1,2×10⁵ частиц/(см²·сек). При вероятности регистрации таких частиц, близкой к 100%, указанная плотность потока создает такое значение фонового сигнала на детекторе, по сравнению с которым значение полезного сигнала от гамма-излучения ядерной энергетической установки будет пренебрежимо мало. Следовательно, величина мощности дозы, вычисляемая устройством, будет состоять только из фоновой компоненты.

Для защиты от фоновых высокоэнергетических заряженных частиц в устройствах детектирования применяется конструкция с использованием составных детекторов. Такие детекторы, как правило, содержат два детектирующих элемента: относительно тонкий, охранный детектор, в котором с вероятностью около 100% регистрируются заряженные частицы (при этом вероятность регистрации гамма-квантов незначительна) и основной детектор, размеры, плотность и среднее значение зарядового числа атомного ядра Z обеспечивают ему требуемую вероятность регистрации гамма-излучения. Основной детектор по возможности окружают со всех сторон охранным детектором, и оба детектора соединяют с устройством отбора антисовпадений: сигналы, обусловленные регистрацией заряженных частиц в обоих детекторах, из интегрального счета устройства исключаются. Регистрируются лишь те сигналы основного детектора, которые не сопровождаются сигналами охранного детектора.

В качестве примера составного детектора, состоящего из двух автономных сцинтилляционных счетчиков, можно привести устройство, выполненное для спутника OSO-H [2]. В состав устройства входит сцинтилляционный счетчик с кристаллом Nal(Tl) объемом около 500 см³, заключенный в кожух, образованный двумя органическими сцинтилляторами (стаканом и крышкой). Каждый из этих сцинтилляторов связан со своим фотоумножителем.

Сходный детектор, содержащий сцинтилляционный счетчик с кристаллом Nal(Tl) объемом около 350 см3 и экранирующий его со всех сторон кожух из сцинтиллирующей пластмассы, связанный с ФЭУ, разработан для экспериментов по программе «Лунар-Орбитер» [3]. На раннем этапе космических исследований в составных детекторах на счетчиках Гейгера-Мюллера основной счетчик окружали кольцом охранных счетчиков, включенных с основным детектором на устройство отбора антисовпадений [4]. Регистрировались лишь те сигналы от основного детектора, которые не сопровождались срабатыванием ни одного из счетчиков охранного кольца.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является дозиметр с возможностью уменьшения влияния внешнего фонового излучения [5]. Данный дозиметр оснащен двумя полупроводниковыми детекторами, помещенными в корпус. Причем детекторы состоят из одного или нескольких полупроводниковых чувствительных элементов, предназначенных для регистрации гамма-излучения, а сами чувствительные элементы образуют две отдельные группы. Вывод информации от каждой группы, расположенной в непосредственной близости друг от друга, осуществляется в виде аналоговых импульсных сигналов, поступающих на вход асинхронной счетной схемы (то есть схемы счета антисовпадений). Данная схема предназначена для счета импульсов, имеющих значение амплитуды выше заданного уровня дискриминации и удовлетворяющих условию антисовпадений. Таким образом, высокоэнергетические фоновые частицы, зарегистрированные одновременно как в первом, так и во втором детекторах, будут исключаться из схемы счета импульсов.

Недостатком данного устройства является сильное падение эффективности регистрации гамма-квантов с энергией более 1 МэВ, что ограничивает его энергетический диапазон. Действительно, применение схемы антисовпадений в двухкристальном детекторе позволяет существенно снизить влияние высокоэнергетических заряженных частиц на работу детектора, однако чувствительность двухкристального детектора к гамма-излучению (по сравнению с однокристальным детектором), резко падает при энергиях гамма-квантов более 1 МэВ. Исследования эффекта снижения чувствительности в двухкристальном детекторе показали, что при увеличении энергии гамма-квантов выше 100 кэВ эффективность их регистрации за счет непосредственного взаимодействия с материалом кремния падает, но при этом возрастает доля квантов, зарегистрированных детектором, за счет вторичных электронов, выбиваемых гамма-квантами из корпуса детектора. При энергии гамма-квантов более 1 МэВ их регистрация осуществляется практически только за счет электронов, выбитых из внутренней оболочки корпуса детектора. Эти электроны имеют достаточно большую энергию, что обеспечивает им возможность одновременной регистрации в обоих кристаллах кремния. Таким образом, было выяснено, что нежелательный эффект снижения чувствительности в двухкристальном детекторе обусловлен исключением схемой антисовпадений из информационного канала детектора не только сигналов, обусловленных регистрацией высокоэнергетичных заряженных частиц, но и сигналов, обусловленных регистрацией гамма-квантов за счет выбитых из корпуса детектора вторичных электронов.

Целью изобретения является расширение энергетического диапазона регистрируемого устройством гамма-излучения в сторону высоких энергий, характерных для излучения ядерной энергетической установки (например, до 10 МэВ).

Предложено устройство для измерения мощности дозы гамма-излучения ядерной энергетической установки в условиях фоновой помехи от высокоэнергетичных заряженных частиц. Конструкция устройства приведена на фиг.1. Устройство содержит металлический корпус-коллиматор (1), два детектора (2) и (3), фильтр (4) и блок электроники. Два детектора представляют собой две кремниевые пластины, расположенные параллельно одна над другой. Между кремниевыми пластинами установлен фильтр, изготовленный из вольфрамового сплава. Оба детектора и фильтр размещены в корпусе-коллиматоре. Блок электроники содержит источник питания детекторов (5), схему антисовпадений (6), а также магистральный усилитель (7) для передачи сигналов с устройства на внешний блок обработки информации. Выход источника питания соединен с входами детекторов.

Выходы детекторов подключены к схеме антисовпадений, которая блокирует сигналы, зарегистрированные одновременно на обоих детекторах. Выход схемы антисовпадений соединен с входом магистрального усилителя. К выходу с магистрального усилителя может быть подключен внешний блок обработки информации. Входное окно корпуса-коллиматора обращено в сторону источника гамма-квантов, которым является ядерная энергетическая установка.

Введение в конструкцию фильтра из вольфрамового сплава, расположенного между кремниевыми пластинами, обеспечивает поглощение в нем вторичных электронов, выбитых высокоэнергетичными гамма-квантами из внутренней оболочки корпуса-коллиматора устройства. Такие электроны имеют достаточно большую энергию для одновременной регистрации в обоих кремниевых детекторах. Фильтр поглощает электроны, зарегистрированные в первом детекторе, и на вход схемы антисовпадений поступает только один сигнал с данного детектора, соответствующий гамма-кванту. Таким образом, введение фильтра позволяет регистрировать гамма-кванты с энергией более 1 МэВ без резкого падения эффективности регистрации. Из приведенного описания можно сделать вывод, что совокупность отличительных признаков устройства является необходимым и достаточным условием для выполнения поставленной задачи.

Конструктивно, детектирующий узел состоит из двух кремниевых пластин толщиной 0,3 мм. Первая пластина площадью 25 мм² включена по схеме антисовпадений со второй пластиной площадью 100 мм². При этом было замечено, что с увеличением отношения площади вспомогательного к площади основного детектора увеличивается эффективность работы схемы антисовпадений, то есть более эффективно исключаются из канала регистрации гамма-квантов сигналы, обусловленные космическими электронами и протонами. Ограничением на увеличение площади вспомогательного детектора является увеличение его загрузки, которая растет пропорционально увеличению его площади.

Устройство работает следующим образом.

Поток гамма-квантов в широком диапазоне энергий (от 100 кэВ до 10 МэВ), взаимодействует как с материалом детектора, так и с материалом корпуса-коллиматора. Детекторы, включенные в счетном режиме, преобразовывают энергию частиц в электрические заряды, которые преобразуется, в свою очередь, в импульсы напряжения и подаются на вход схемы антисовпадений. Импульсы, соответствующие высокоэнергетичным фоновым частицам (например, электронам и протонам), возникающие одновременно на выходе двух детекторов, исключаются. Импульсы, соответствующие гамма-квантам и возникающие только на выходе одного детектора (первого к входному окну корпуса-коллиматора), через магистральный усилитель передаются для дальнейшей обработки во внешний блок обработки информации.

Были исследованы различные варианты конструкции с установкой фильтров между кристаллами кремния. Фильтры выбирались из разных материалов и разной толщины. Результаты моделирования показали, что оптимальным фильтром является пластина из вольфрамового сплава толщиной от 0,4 до 0,5 мм.

Корпус-коллиматор устройства может быть выполнен из металлического сплава (например, стали) и дополнительно позволяет уменьшить влияние протонов и электронов за счет толщины стенок. По результатам моделирования было определено, что оптимальная толщина стальных стенок корпуса-коллиматора составляет 30 мм, но для снижения массы устройства толщину можно сократить до 17 мм. Толщина защиты лицевой части корпуса-коллиматора уменьшена до 5 мм для регистрации гамма-излучения ядерной энергетической установки. Угол раствора коллиматора выбирается исходя из расстояния до ядерной энергетической установки и составляет, например, 12°.

Литература

1. Устройство для контроля мощности поглощенной и эквивалентной дозы фотонного излучения: пат. на полезную модель 82347, Рос.Федерация, Ю.Н.Глыбин, В.Г.Гулый, И.С.Карцев и др.; №2008147026/22; заявл. 28.11.2008; опубл. 20.04.2009, Бюл. №11.2 с.

2. Chupp E.L. et al IEEE Trans., NS-16 №1, 309 (1969).

3. Harrington T.M., Marshall, H. IEEE Trans., NS-16, №1, 314 (1969).

4. Авдюшин СИ. и др. В сб. «Исследование космического пространства».- М.: «Наука», 1965, с.511.

5. Radiation monitor: пат.JP3750924 (В2), Япония, Mogi Kenichi, №JP20010245418; заявл. 2001-08-13; опубл. 2006-03-01.

Устройство для измерения мощности дозы гамма-излучения ядерной энергетической установки в условиях фоновой помехи от высокоэнергетичных заряженных частиц, содержащее металлический корпус-коллиматор, внутри которого помещены две параллельные кремниевые пластины, выходы которых подключены к схеме антисовпадений, отличающееся тем, что с целью расширения энергетического диапазона регистрируемых гамма-квантов до 10 МэВ между пластинами кремния установлен фильтр из вольфрамового сплава для поглощения вторичных электронов, возникающих при взаимодействии гамма-квантов с металлическим корпусом-коллиматором.