Устройство для регистрации флюенса нейтронов

 

сооз советсник социо листичесник

РЕСПУБДИ!1 (5))5 ц ))) т ))))) госуддрс венньй номитет

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

flpH п1нт сссР (46) 23,05,93 Бюл. ¹ 19 (21) 4486150/25 (22} 23.05.88 (72) И,П. Ивашкина, Е.К. Малышев и С,В. Чукляев (56) Ниттельман М.Г. и др. Зарядовые детекторы ионизирующих излучений.

И,: Энергоиздат, 1Я82, с. 12, Бакулин М,П, и др, Детектор с во дородг "ржащим рассеивателем, ПТЗ, 1984, У 4, с, /7;80. (54) УСТРОЙСТВО ДРЯ РЕГИСТРАЦИИ ФЛЮЕНСА НЕЙТРОНОВ (57} Изобретение относится к Технике нейтронных измерений и может быть ис" пользовано при измерении флюенса нейт-, ронов на импульсных реакторах. Цель изобретения — увеличение точности измерений при флюенсах нейтронов ме"

Изобретение относится к экспериментальной физике, а точнее к регистрации нейтронных излучений детекторами с диэлектрическим или водородсодержащим рассеивателем ° Наиболее эффективно изобретение может быть использовано при измерении временной зависимости плотности потока нейтронов импульсных ядерно-физических установок с ядерным реактором и ускорителей.

Целью изобретения явллетсл увеличение точности измерений при флюен-. сах нейтронов менее 3 .10 " см !

1а фиг. 1 изображена схема зарлдового детектора нейтронов с водородспдепжащим рабочим веществом; на

„,SU„„1582852

2 нее 3 ° 10 см . Устройство содержит корпус, электрод, коллектор, Между электродом и коллектором расположено рабочее вещество - диэлектрик, легиро" ванный добавкой, Электропроводность рабочего вещества выше электропроводности диэлектрика беэ легирующей добавки. Зффективный атомный номер ра.бочего вещества равен эФфективному атомному номеру коллектора, размер частиц легирующей добавки меньше средней длины пробегов вторичного ионизирующего излучения. Сигнал снимае1сл с нагрузочных сопротивлений электрода и коллектора. Изобретение позволяет по сравнению с известным решением увеличить точность регистрации. нейтронов на 5-10 . 1 з.п. ф-лы, 2 ил. фиг. 2 - амплитудная характеристика зарядового детектора с рабочим веществом иэ легированного полиэтилена и номограмма длл определения частей амплитудной характеристики в зависимости от толщины рабочего вещества и флюенса нейтронов.

Устройство длл регистрации флюенса нейтронов (фиг. 1) состоит из зарядового детектора, содержащего размещенные в заземленном корпусе 1 электрод

2 и коллектор 3, выполненные в виде пластин из алюминиевой фольги толщиной 0,05-0,1 мм, разделенные между собой слоем 4. водородсодержащего рабочего вещества толщиной 0,01-0,1 г/см и изолированные от корпуса 1 слоями 1иэпектриков, не содержящих атомов водорода, и соединенного с электродом и коллектором регистратора 6, вход которого шунтирован на "землю" нагруэочными сопротивлениями 7, величина которых не превышает величины внутреннего сопротивления детектора под облучением„ В качестве рабочего вещества использован полиэтилен, легированный алюминием, медью, пластиной и т,п., эпектропроводность которых выше электропроводности полиэтилена без легирующей доЬавки. Материал легирующей добавки вы6ирается так., чтобы эффективный атомный номер I." ðà6o÷eão se" щества, определенный по формуле

К = 5 п.а/Х п.К.,,где n - число атомов i-ro элемента c атомным номером Х, в единице объема; не превосходил эффективного атомного номера материала электрода" коллектора. Добавку легирующего материала, приготовленного в виде пудры 25 ввели и равномерно распределили по объему расплавленного диэлектрика, который затем прокатали и охладили ме щ у зле кт рода ми - колле кт ора ми .

"стройство дпя регистрации флюенса нейтронов работает следующим образом. При облучении нейтронами заряд, протекающий во внешней цепи детектора, складывается иэ заряда протонов отдачи 0(d), переносимых на коллектор З

3, заряда, индуцированного объемным зарядом водородсодержащего рабочего вещества 4 с плотностью распределения (x), и заряда, формируемого тока" ми проводимости рабочего вещества 4, О

Объемный заряд с плотностью распреде" пения q „,(x) удобно представить в виде суммы двух распределенных по объему рабочего вещества зарядов с плотностями распределений ц,(х) и ц (х}, Первый :из них возникает и рабочем веществе вблизи границы раздела с не содержащим атомов водорода материалом электрода 2 вследствие переноса протонов отдачи, а второй - во всем объеме рабочего вещества 4 иэ-за ос. лабления потока нейтронов.

ПЛотность тока сквозной проводимости I (х, t) водородсодержащего вещества связана в кайдый момент време- gg ни t с напряженностью электрического поЛя Е(х, t) соотношением

Х „(х, t) 6(x, t)E(x, t), где (, (х, t) — сквозная электро, рг.аодность рабочего вещества под облучением на глубине х от поверхности раздела с электродом 2, со стороны которого падает излучение.

Амплитудная характеристика зарядового детектора с толщинами рабочего вещества 0,002, 0,01:, 0,02; 0,05;

О, 1 г/см, рассчитаннал с учетом неравномерноСти электропроводности по объему рабочего вещества под облучением при соотношении q /Р,= 5,3 10 з см рад, где q„ - плотйость потока нейтронов; Р - мощность -дозы соответствующего гамма-излучения длл двух спектров нейтронов с энергией

Е„= 1,48 и 0,917 МэВ (сплошные и штрихпунктирные кривые 8-12 соответственно),. показана на фиг. 2.

В начальной части амплитудной характеристики область линейности oãраничена снизу электрическими токами поляриэационной природы, возникающими под действием внутренн-го электрического полл создавае, ого объеfll-ым зарядом водородсодержащего рабочего вещее.--ва в поле направленного изгученил нейтронов. Величину поллризационных токов рассчитать с удовлетворительной точностью не представплетсл возможным, так как они зависят от величины начального объемного заряда рабочего вещества под обпуче" нием„ Влияние поллризационных токов на величину чувствительности к нейтронам импульсного ядерного реактора изучили экспериментально по отклонению временной зависимости сигнала на переднем фронте импульса от линейной плотности потока нейтронов.

Зарядовое состояние в этих измерениях формировали предварительным облучением дозой порядка 1 10" рад, создаваемой гамма"излучением изотопной коЬальтовой установки, или предварительным облучением гамма-нейтронным излучением импульсного ядерного реактора. Результаты измерений обозначены на фиг. 2 кривыми 13 и 14 соответственно. Ниинлл граница на:,апьной части амплитудной характеристики обо-, значена вертикальными пунктирными прямыми 15 и 16 соответственно.

По реэультЪтам расчета зависимости чувствительности зарядового детектора

5 1582852 в от флюенса нейтронов Y„, выраженного ная с присутствием протяженных макров единицах Я,/А „, где Q „- диэ« молекул и межмолекулярных участков, лектрическая пронйцаемость рабочего кристаллических и аморфных.,, фаз, вещества, А - коэффициент пропорцио- сферолитов различных размеров спе.(1

n1 5

1 нальности радиационно. наведенной сос- циальных добавок и наполнителей. Каж тавляющей сквозной электропроводности дая макромолекула полиэтилена образу" рабочего вещества в условиях равнове- ет нечто подобное кристаллиту с едисия зарядов вторичных частиц плотнос" ной зонной структурой, в запрещенной ти потока нейтронов,. создаваемых в . 10 зоне которой находятся локалиэовангамма-нейтронном измерении при усло- ные состояния, обусловленные изломами вии сохранения составляющих рабочего цепей, изолированными двойными свявещества, построилИ номограмму 17 для зями, химическими примесями; ХорошО определения области амплитудной хара- проводящие области сопряженных свяктеристики в зависимости от толщины >5 зей разделены менее структурировани характеристик.s электропроводности - ными диэлектрическими прослойками (ь»

А „„рабочего вещества в детекторе на поверхностях кристаллов, которые и флюенсе нейтронов F „с Е „ . при прохождении электрического тока;

1,48 МэВ (сплошная кривая) и Е „ через полимер являются барьерными

0,917 МэВ (пунктирная кривая). Точ" 20 для движения носителей заряда; ка пересечения перпендикуляров к осям Частицы легирующей добавки приго»

А „1 „ / ЕЕ, и уд указывает область товленного в виде пудры материала с (n1 ам/литудной характ ристики. Область 13 высокой электропроводностью, HeffpH названа ранее начальной частью; об- мер алюминия, меди, платины и т. 1. ласть 19-областью линейности при "вы- 25 введенные в расплавленную полиэтилвсоком" флюенсе. В области 21 чувст- новую массу, располагаются междувительность к нейтронам отклоняется диэлектрическими прослойками иа по более чем íà g4 от величин в началь- верхностях.макромолекул и образуют ной части или при "высоком" флюенсе. каналы высокой электропроводности

В области 21 при уд ) 6,06 г/см обь- 30 по цепи частиц. емный заряд рабочего вещества с плот При воздействии гамма-нейтронного ностью распределения 1 (х) не дает излучения на водородсодержащий матЕ" заметного вклада в сигнал, обусловлен- риал гамма-кванты создают равномерную . ный прямым переф)сом протонов отдачи по объему ионизацию рабочего вещест1 на коллектор. При таких толщинах 35 ва, а энергия, передаваемая нейтрорабочего вещества чу((ствительность . нами, распределяется крайне неоднок нейтронам в пределах 53 не зависит родно, наибольшая плотность прихоот флюенса нейтронов с нижней грани- дится на следы протонов отдачи. Элецы начальной части амплитудной хара" ктропроводность рабочего вещества ктеристики.

Сп)

40 внутри стволов треков обусловлена неВеличина < o /A „>, характеризующая йтронами, а за пределами треков в

Рабочее вещество в условиях зарядо- . основном гамма-излучением. При треко" вого РавновесиЯ протонов отДачи; вои механизме шормирования радиационпоказывает, в какой области амплитуд-- ной электропроводности образование о характеристики Р бо д ор 45 следов, плотность ионизации в которых при облучении заданным флюенсом ней- .: на несколько порядков выше эквива.Ро.о - ДЛЯ Ра о.его веЩес.ва из ) лентно Образованию каналов высокой электропроводности, в которых движутпод воздействием гамма-нейтронного ся свободные носител зар бр (ь - - 1" с" Рад 50 зованные под воздействием гамма-излу-, „= 0 117,МэВ с"ектра чения и протонов отдачи. нейтронов величины ЕЕ,/А „ соответ- В результате переноса протонов ственно равны 2,3 10 4и 3,03 10 см"2, отдачи под воздействием быстрых ней-. следовательно, эксплуатация детектора тронов в рабочем веществе возникает при 1 „ 3 10 см связана с его - электрическое поле, которое концент"

„55 работой в начальной части и нелинейной рируется в основном, в диэлектричесобласти амплитуднои характеристики, . ких прослойках и электрическое напряПолимерному состоянию вещества жение падает. Главным образом на баприсуща микрогетерогенность, связан- рьерах, препятствующих движению своФ 1582852

8 бодных Носителей,заряда. Ввиду того, что средняя длина пробега протонов отдачи превышает эффективные разме ры макромолекуЛ и частиц легирующей добавки, часть протонов отдачи попадает в частицы легирующей добавки и образует протяженные каналы высокой электропроводности вдоль треков протонов отдачи и .цепи частиц легирующей 10 добавки, по которым снимается заряд> образующийся в макромолекулах из-за переноса протонов отдачи.

Заряд, образованный переносом npo" тонов отдачи в сопряженных с частицами легирующей добавки макромолекул, создает высокую напряженность электри. ческого поля, которое пробивает диэлектрическую прослойку, разделяющую макромолекулу с частицей легирующей доЬавки, и по каналу высокой электропроводяости цепи частиц легирующей до" бавки также стекает с макромолекул.

Таким образом, введение в полиэтиленовый диэлектрик добавки материала, 25 электропроводность которого выше электропроводности нелегированного полиэтилена, увеличивает радиационную электропроводность рабочего вещества по .равнению с гголиэтиленовым диэлект-у) риком без легирующей добавки. Увеличение радиационной электропроводности или уменьшение величины Ю, /А „" рабочего вещества означает, что ли-. нейная область при >>высокомн флюейсе ч„„.г Р, 10 4,„-ç

При "высоком" флюенсе нейтронов чувствительность к гамма-излучению определяется только прямым переносом

Ьыстрых электронов между материалом 40 рабочего вещества и электродом коллектора, а при выравнивании эффектив" ных атомных номеров путем добавления легирующей добавки величина чувствительности к гамма-излучению уменьшает-4 ся.Ьолее чем в 10 раз по сравнению с величиной в начальной части ампли тудной характеристики„

Формирование объемного заряда вблизи границы раздела водородсодержащего g рабочего вещества с материалом электрода, не содержащим атомов водорода, связаио с переносом протонов отдачи под воздействием быс- рых нейтронов, Следовательно> при использовании де тектора с рабочим веществом толщиной> большей средней длины пробегов протонов отдачи (средняя длина пробегов протонов oTI1avvi при облучении нейтро» нами спектра деления около 0>61 г/см ) > добавку легирующего материала с высокой электропроводностью достаточно ввести на глубину, не превышающую средней длины пробегов протонов отдачи.

Предложенное техническое решение по сравнению с известными позволяет увеличить точность регистрации нейт-. ронов на 5-104 в зависимости от конструктивных особенностей детектора (выбранных материалов и толщины рабочего вещества) и практически полностью устранить сигнал сопутствующего

1 àììà-излучения при воздействии импульсного гамма-нейтронного излучения с у„/Р 5>9 10 9 см"з рад - при флюенсе нейтронов ниже 3 !О см- . Кроме того, предложенное техническое решение позволяет расширить линейную область амплитудной характеристики при "высоком" флюенсе и распространить ее от флюенса, на один - два порядка меньшего величины 3 -10 см», до флюенса, соответствующего пределу радиационной стойкости детектора.

1. Устройство для регистрации флюенса нейтронов, состоящее из зарядового детектора„ содержащего сопря женный с раЬочим веществом и размещенный в корпусе коллектор, и электрически соединенного с коллектором регистратора, вход которого шунтирован на "землю" нагрузочным сопротивлением величина которого меньше внутреннего сопротивления детектора под облучением,. о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью увеличения точности измерений при флюенсах нейтронов менее

3 10 см"з> рабочее вещество выполнено. из диэлектрического материала, легированного веществом, электропроводность которого выше электропроводности диэлектрика, и размер частиц легирующей-добавки соответственно равен эффективному атомному номеру материала коллектора и меньше средней длины пробегов .вторичного ионизирующего излучения.

2. Устройство по n.. I, о т г, ич а ю щ е е с я тем, что рабочее вещество легировано на глубину, не превышающую средней длины пробегов вторичного ионизирующего излучения °

f 582852

0,2

Фи2.2, Составитель .С. Кондратенко

Редактор Т. Орловская Техред Л.Олийнык Корректор М. Кучерявая

Заказ 1978„, - Тира® Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям лри ГЕНТ СССР

113035, Москва, R-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул, Гагарина, 1 Of