Соединения бора-10 для поглощающего нейтроны слоя

Авторы патента:


Соединения бора-10 для поглощающего нейтроны слоя
Соединения бора-10 для поглощающего нейтроны слоя
Соединения бора-10 для поглощающего нейтроны слоя
Соединения бора-10 для поглощающего нейтроны слоя
Соединения бора-10 для поглощающего нейтроны слоя

 


Владельцы патента RU 2631254:

Дженерал Электрик Компани (US)

Изобретение относится к нейтронному детектору, включающему: корпус, ограничивающий внутренний объем; металлическую часть, служащую в качестве катода; центральную конструкцию, расположенную во внутреннем объеме и служащую в качестве анода; покрытие из бора на катодной части и электрический соединитель, функционально соединенный с центральной конструкцией для передачи сигнала, накапливаемого центральной конструкцией. Детектор характеризуется тем, что по меньшей мере часть покрытия из бора включает атомы бора, внедренные термодиффузией из борсодержащего порошка в катодную часть, причем некоторые атомы бора - в металлическую часть, с образованием покрытия из бора, чувствительного к нейтронам. Также изобретение относится к способу термодиффузии бора. Предлагаемый детектор имеет относительно тонкие однородные покрытия из бора по всей длине с минимальными следовыми количествами других элементов и соединений. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 3 пр., 4 ил.

 

Область техники

Настоящее изобретение относится к покрытиям из бора для обнаружения нейтронов и, более конкретно, относится к термодиффузионному нанесению покрытий из бора для обнаружения нейтронов.

Уровень техники

Нейтронные детекторы могут включать покрытия из бора, предназначенные для взаимодействия с проходящими нейтронами и высвобождения заряженных частиц в замкнутый объем для создания электрического сигнала. Оптимальные характеристики нейтронного детектора могут зависеть от нескольких факторов, включающих однородность толщины покрытия из бора, присутствие других элементов и соединений и долю определенных изотопов бора в общем содержании бора в покрытии. Известные способы осаждения бора на поверхность нейтронного детектора могут приводить к получению неоднородного по толщине покрытия. Эти способы могут приводить к получению покрытий из бора с нежелательными несплошностями, обусловленными капиллярным эффектом вокруг микроэлементов рельефа поверхности детектора или ограничениями при нанесении бора по линии прямой видимости. Другие известные способы включают использование связующих для обеспечения адгезии бора к нейтронному детектору, что вносит примеси, которые могут создавать помехи при обнаружении нейтронов. Кроме того, некоторые известные способы осаждения бора на поверхность нейтронного детектора могут быть относительно дорогостоящими. Таким образом, существует потребность в оптимизированном способе нанесения бора, который позволил бы получить относительно тонкие, однородные покрытия из бора по всей длине нейтронного детектора с минимальными следовыми количествами других элементов и соединений.

Краткое описание изобретения

Нижеследующее краткое описание представляет собой упрощенное описание для обеспечения основного понимания некоторых аспектов обсуждаемых здесь систем и/или способов. В этом кратком описании не представлен всесторонний обзор обсуждаемых здесь систем и/или способов. Оно не подразумевает определение ключевых или критических элементов или ограничение области защиты таких систем и/или способов. Единственной целью является предоставление в упрощенной форме некоторых концепций в качестве вводной части к более подробному описанию, представленному ниже.

В одном из аспектов изобретения обеспечивают нейтронный детектор, включающий корпус, ограничивающий внутренний объем. Часть нейтронного детектора служит катодом. Детектор включает центральную конструкцию, расположенную во внутреннем объеме и служащую анодом. Детектор включает покрытие из бора на внутренней стенке, причем по меньшей мере часть покрытия из бора нанесена на стенку термодиффузионным методом из борсодержащего порошка с получением покрытия из бора, чувствительного к нейтронам. Детектор включает электрический соединитель, соединенный с центральной конструкцией для передачи сигнала, накапливаемого центральной конструкцией.

В другом аспекте изобретения обеспечивают способ диффузии борсодержащего порошка в поверхность подложки для получения поглощающего нейтроны слоя для нейтронных детекторов. Способ включает обеспечение электропроводящей подложки и размещение борсодержащего порошка в контакте с электропроводящей подложкой. Способ включает нагревание борсодержащего порошка и электропроводящей подложки до повышенной температуры, что обеспечивает термодиффузию части борсодержащего порошка в электропроводящую подложку с образованием покрытия из бора, чувствительного к нейтронам. Способ включает размещение электропроводящей подложки и покрытия из бора в нейтронном детекторе в качестве по меньшей мере части внешнего корпуса.

Краткое описание чертежей

Эти и другие аспекты изобретения станут очевидными специалистам в области техники, к которой относится изобретение, после прочтения последующего описания со ссылками на прилагаемые чертежи, где:

на Фиг.1 представлен схематический вид примера нейтронного детектора с покрытием из бора в соответствии с одним аспектом настоящего изобретения;

на Фиг.2 представлен вид поперечного сечения части примера нейтронного детектора по Фиг.1, иллюстрирующий покрытие из бора, которое было нанесено на подложку путем термодиффузии, в соответствии с одним аспектом настоящего изобретения;

Фиг.3 представляет собой фотографию примера подложки с бором, нанесенным на подложку путем термодиффузии, для применения при обнаружении нейтронов согласно Фиг.1; и

на Фиг.4 представлен верхний уровень блок-схемы способа диффузии борсодержащего порошка в поверхность подложки для создания поглощающего нейтроны слоя в соответствии с одним аспектом изобретения.

Подробное описание изобретения

Примеры воплощений, включающих один или более аспектов изобретения, описаны и представлены на чертежах. Эти иллюстративные примеры не ограничивают область защиты изобретения. Например, один или более аспектов изобретения могут быть использованы в других воплощениях и даже других типах устройств. Кроме того, здесь используют определенную терминологию только для удобства, и ее не следует считать ограничением области защиты изобретения. Кроме того, на чертежах одинаковые номера позиций использованы для обозначения одинаковых элементов.

Схематическое исполнение примера нейтронного детектора 10 в основном представлено на Фиг.1. Следует понимать, что на Фиг.1 показан один пример из возможных конструкций, конфигураций и т.д., и настоящим изобретением предусмотрены другие примеры. В одном конкретном примере нейтронный детектор 10 используют для обнаружения проходящих нейтронов, например, посредством наблюдения заряженных частиц, высвобождающихся в ходе ядерной реакции, вызванной нейтронами. Нейтронные детекторы 10 могут быть использованы в различных областях применения, таких как радиационный мониторинг отработавшего ядерного топлива, или в областях обеспечения национальной безопасности.

Нейтронный детектор 10 может включать внешний корпус 20. Внешний корпус 20 может иметь круглое поперечное сечение, образуя цилиндрический внешний корпус 20, хотя также предусмотрены другие формы поперечного сечения. Внешний корпус 20 может включать стенку 30 и два торца 40 для ограничения внутреннего объема 50, который может содержать газ. В электрической цепи внешний корпус 20 может действовать как катодная часть. Хотя в раскрытом примере внешний корпус 20 действует как катодная часть, следует понимать, что могут присутствовать другие элементы и действовать как катод. Например, нейтронный детектор может включать одну или более вставок (например, ребра, выступы и т.д.) во внутреннем объеме 50, электрически соединенных с внешним корпусом 20. Изолятор 52 может быть расположен на двух торцах 40 внешнего корпуса 20 для удерживания центральной конструкции 54 на месте и предотвращения прохождения электрических зарядов между центральной конструкцией 54 и внешним корпусом 20 посредством прямого контакта. Центральная конструкция 54 может быть в основном расположена вблизи центральной оси внешнего корпуса 20. Центральная конструкция 54 может быть соизмерима с размерами проволоки и может действовать как анод в электрической цепи. Покрытие 60 из бора покрывает внутреннее пространство стенки 30. Нейтронный детектор 10 также включает электрический соединитель 62, установленный на одном из изоляторов 52, для передачи сигнала, накапливаемого центральной конструкцией 54.

Как показано на Фиг.2, покрытие 60 из бора может быть нанесено на внутреннюю поверхность стенки 30 внешнего корпуса 20 путем термодиффузии. Конечно, если присутствуют другие элементы (например, одна или более вставок), такие другие элементы могут содержать нанесенное на них покрытие из бора. Процесс термодиффузии может быть использован для нанесения покрытия 60 из бора на поверхность стенки 30, которая обращена к внутреннему объему 50. Следует понимать, что частицы, составляющие покрытие 60 из бора и показанные на Фиг.2, представлены только для иллюстративных целей и не представляют реальные или масштабированные размеры частиц и, таким образом, их нельзя использовать для относительного определения размеров. Более того, формы частиц являются только частными формами частиц борсодержащего порошка. Частицы борсодержащего порошка могут включать правильные и неправильные формы и профили.

Термодиффузия представляет собой перенос материала из области с высокой концентрацией в область низкой концентрации посредством беспорядочного движения молекул, составляющих материал. Бор может диффундировать в материал подложки при обеспечении повышенной температуры окружающей подложку среды, когда бор находится в тесном контакте с подложкой. Термодиффузия может начинаться приблизительно при температуре отжига подложки. Примеры подложки включают, но не ограничены перечисленным, никель, алюминий, нержавеющую сталь и титан.

Некоторые способы нанесения покрытия из борсодержащего порошка посредством термодиффузии могут включать использование флюсующей добавки. Флюсующие добавки можно использовать для удаления слоев окисленного металла, которые могут присутствовать на поверхности подложки. Флюсующие добавки можно использовать для удаления окисленного металла перед процессом термодиффузии, чтобы способствовать проникновению молекул бора в поверхность подложки. Например, суспензия борсодержащего порошка может включать соляную кислоту (HCl) для удаления оксидов алюминия с поверхности алюминиевой подожки, которые могут препятствовать проникновению молекул бора через поверхность подложки в ходе процесса термодиффузии.

Подложка может быть подвергнута металлургической обработке борсодержащим порошком перед нагреванием порошка и подложки до повышенной температуры. Борсодержащий порошок можно наносить на поверхность подложки несколькими способами. Например, сухой порошок можно утрамбовывать на поверхности подложки, в результате чего сухой порошок оказывается в тесном контакте с поверхностью подложки. В другом примере борсодержащий порошок можно вводить в суспензию или пасту, которую наносят кистью. Паста может включать борсодержащий порошок и раствор 10% HCl и 90% деионизированной воды (H2O). В другом примере борсодержащий порошок можно вводить в суспензию с изопропиловым спиртом. В еще одном примере борсодержащий порошок можно наносить на поверхность подложки посредством электростатического распыления. Вышеизложенные способы приведены в качестве примеров нанесения борсодержащего порошка, и возможны другие способы нанесения.

Процесс термодиффузии обеспечивает диффузию атомов бора в металлическую подложку с образованием интерметаллического соединения на поверхности основного металла подложки. Для целей обнаружения нейтронов; требуется обеспечить диффузию бора в поверхность подложки, но нет необходимости в получении сплава бора и материала подложки. Глубину однородной диффузии регулируют с помощью параметров процесса, таких как продолжительность процесса диффузии и температура процесса диффузии. Например, количество бора, диффундированного в подложку, непосредственно зависит от продолжительности процесса термодиффузии. Чем больше продолжительность процесса термодиффузии, тем большее количество бора диффундирует в подложку. Подобным образом, скорость диффузии бора в подложку непосредственно зависит от температуры процесса термодиффузии. Таким образом, более высокие температуры обычно приводят к более высоким скоростям диффузии в подложку. Однако, более высокие температуры процесса термодиффузии также могут приводить к тому, что диффузия протекает в более широких диффузионных областях, в результате чего в некоторых областях поверхности подложки могут возникать поры в покрытии 60 из бора. Таким образом, нередко требуется выбирать параметры процесса, включающие более низкие температуры термодиффузии и большую продолжительность термодиффузии, чтобы способствовать высокой плотности покрытия 60 из бора на как можно большей площади поверхности подложки. В одном из примеров все покрытие 60 из бора диффундировано в стенку 30 внешнего корпуса 20. Однако обычно покрытие 60 из бора включает молекулы бора, которые диффундированы в поверхность подложки, и слой бора, который остается на поверхности подложки. После процесса термодиффузии, избыток борсодержащего порошка можно удалять с поверхности подложки под воздействием ультразвуковой волны или другим известным способом удаления избытка борсодержащего порошка, однако, эта стадия не является необходимой.

Одним из параметров, влияющим на эффективность нейтронного детектора 10, является процентное содержание площади поверхности подложки, которая покрыта покрытием 60 из бора. Например, нейтроны, поступающие в нейтронный детектор 10, поглощаются покрытием 60 из бора, которое затем высвобождает другие заряженные частицы, которые могут вызвать каскад взаимодействий частиц, которые затем взаимодействуют с анодной частью центральной конструкции 54 нейтронного детектора 10. Типичный нейтронный детектор 10 на основе таких высвобождающихся заряженных частиц и каскада взаимодействий других полученных частиц вырабатывает сигнал, представляющий зарегистрированный нейтрон или группу нейтронов. Если нейтрон, проходящий через нейтронный детектор 10, проходит через область, не содержащую покрытия из 60 бора, обычные молекулярные взаимодействия не протекают, и сигнал, представляющий зарегистрированный нейтрон или группу нейтронов, не создается в центральной конструкции 54 анода. Таким образом, при постоянстве других параметров, процентное содержание площади поверхности подложки, покрытой работоспособным покрытием 60 из бора, приблизительно равно эффективности нейтронного детектора 10. Например, если покрытие 60 из бора занимает 92% площади поверхности подложки, нейтронный детектор эффективен на 92%. Следовательно, требуется создание покрытия 60 из бора, покрывающего как можно большую площадь поверхности подложки, насколько это практически достижимо. Для минимальной эффективности нейтронного детектора 10 покрытие 60 из бора должно занимать по меньшей мере приблизительно 85% поверхности подложки.

Следует понимать, что борсодержащий порошок может включать чистый бор, соединение бора или смесь, содержащую бор. Борсодержащий порошок также может включать определенную долю природных изотопов бора. Например, общее содержание бора может быть минимально приблизительно 97 масс.%, и отношение 10В изотопа к общему содержанию бора может быть минимально приблизительно 98 масс.%. Бор содержит два природных изотопа, 10В и 11В, обычно обнаруживаемых в пропорции от приблизительно 20% 10В до приблизительно 80% 11В. В общем случае, эти два изотопа вступают в реакцию совершенно по-разному, когда взаимодействуют со свободным нейтроном.

Нейтроны, поступающие в нейтронный детектор 10, поглощаются изотопом 10В, который затем высвобождает другие заряженные частицы, которые могут вызывать каскад взаимодействий частиц, которые затем взаимодействуют с анодной частью центральной конструкции 54 нейтронного детектора 10 (хорошо видно на Фиг.1). Обычно нейтронный детектор 10 на основе таких высвобождающихся заряженных частиц и каскада взаимодействий других полученных частиц вырабатывает сигнал, представляющий зарегистрированный нейтрон или группу нейтронов. Однако 11В изотоп просто поглощает нейтрон, без высвобождения других заряженных частиц, что делает 11В неэффективным для использования при обнаружении нейтронов. Такая разница в характере поглощения нейтронов между двумя природными изотопами означает, что при постоянстве других параметров, отношение 10В изотопа к общему содержанию бора приблизительно равно эффективности нейтронного детектора 10. Например, при постоянстве всех других параметров, если покрытие 60 бора содержит 92% 10В и 8% 11В, нейтронный детектор 10 эффективен на 92% (пренебрегая небольшими количествами примесей в покрытии) в пределах покрытой области. Следовательно, требуется получить отношение 10В изотопа к общему содержанию бора в борсодержащем порошке, которое является настолько высоким, насколько это практически достижимо.

Одно из преимуществ термодиффузионного нанесения борсодержащих порошков состоит в том, что оно требует очень небольшого количества связующего, или не требует совсем, для адгезии борсодержащего порошка к подложке. Способ позволяет достигать относительно высокой адгезии покрытий 60 из бора на различных подложках при очень высоком отношении бора к связующему. В одном из примеров борсодержащего порошка для применения в обнаружении нейтронов количество растворимого остатка, смешанного с порошком бора, составляет менее 7,00⋅10-4 г растворимого остатка на г бора. Одним из примеров растворимого остатка является органическая примесь. Следует понимать, что термин «органический» является широким определением. Отчасти, такое определение включает материалы, которые содержат углеродный компонент. Органические примеси могут быть введены в порошок бора в процессе размола на струйной мельнице из таких источников, как масла воздушных компрессоров, частицы полимерных облицовочных материалов, используемых внутри струйной мельницы, клеящие материалы, используемые для приклеивания полимерных облицовочных материалов к внутренней стенке струйной мельницы, и связующее. Термодиффузия борсодержащего порошка не обязательно требует связующих для адгезии порошка к проводящей подложке. В результате, термодиффузионное нанесение борсодержащего порошка может снизить количество растворимого остатка в готовом покрытии 60 из бора по сравнению с некоторыми известными способами нанесения бора, например, таким как нанесение из дисперсии порошка бора в масле с каучуковым связующим.

Оптимальные эксплуатационные характеристики нейтронного детектора 10 частично зависят от минимального уровня растворимых остатков в порошке бора, нанесенном на стенку 30 нейтронного детектора 10. Растворимые остатки, такие как органические примеси, могут выделять газы, внося органические соединения во внутренний объем 50 нейтронного детектора 10. В процессе изготовления внутренний объем 50 заполняют газами определенного состава для эффективной работы нейтронного детектора 10. Органические соединения, получаемые при выделении газов, могут нарушать этот определенный состав газов и снижать эффективность работы нейтронного детектора 10. Таким образом, особенно предпочтительно обеспечивать борсодержащий порошок, включающий относительно небольшое количество связующего или не содержащий его вообще, чтобы поддерживать примеси на уровне менее 7,00⋅10-4 г растворимого остатка на г бора, для применения в области обнаружения нейтронов.

В одном из примеров борсодержащий порошок может включать кристаллические частицы бора, полученные размолом на струйной мельнице исходного сырья бора до определенного размера частиц. Например, более приблизительно 75% частиц имеют диаметр менее приблизительно 1 мкм, более приблизительно 95% частиц имеют диаметр менее приблизительно 3 мкм и в основном все частицы имеют диаметр менее приблизительно 15 мкм. Оптимальные характеристики нейтронного детектора 10 отчасти зависят от относительно тонкого покрытия 60 из бора, нанесенного на стенку 30 нейтронного детектора 10. В идеале, нейтроны поступающие в нейтронный детектор 10, поглощаются покрытием 60 из бора, которое затем высвобождает другие заряженные частицы, вызывающие каскад взаимодействий частиц во внутреннем объеме 50, которые затем взаимодействует с анодной частью центральной конструкции 54 нейтронного детектора 10. Однако, если термодиффузионное покрытие 60 из бора является относительно толстым, бор просто поглощает нейтроны, высвобождения других заряженных частиц не происходит, и он становится «самозахватывающим», делая нейтронный детектор 10 неэффективным. Таким образом, предпочтительно использовать борсодержащий порошок с размером частиц приблизительно 1 мкм в диаметре, чтобы обеспечить относительно тонкие покрытия на стенке нейтронного детектора 30. Частица бора размером приблизительно 1 мкм является особенно эффективной для термодиффузионного нанесения покрытий, а также для различных других способов осаждения бора для применения при обнаружении нейтронов. Требуемая глубина диффузии бора в подложку может составлять приблизительно 1 мкм. Требуемая толщина покрытия 60 из бора в нейтронном детекторе 10 может составлять 2-5 мкм, или альтернативно, 3-4 мкм.

Термодиффузия борсодержащих порошков в подложку для использования в нейтроном детекторе 10 обладает преимуществом получения покрытия 60 из бора, конформного микроэлементам рельефа подложки. Микроэлементы рельефа, такие как выпуклости и углубления на поверхности подложки, могут быть неравномерно покрыты при обычном нанесении покрытия бора. Например, один из способов нанесения покрытия бора включает погружение проводящей поверхности в дисперсии бора или соединений бора на водной основе. Капиллярное действие молекул воды может препятствовать полному покрытию бором или соединениями бора микроэлементов рельефа проводящей поверхности. Некоторые способы нанесения покрытий из бора для нейтронных детекторов 10 могут включать суспензионное нанесение покрытия бора на внутреннюю поверхность цилиндрического тела. В ходе последующих операций сушки, сила тяжести может влиять на толщину покрытия 60 из бора, поскольку суспензия может быть текучей до завершения сушки.

Другие способы нанесения покрытия, такие как электростатическое распыление и большинство способов нанесения покрытия осаждением из паров, имеют ограничения прямой видимости. Эти ограничения могут препятствовать однородному нанесению борсодержащего порошка на поверхность подложки из-за теней, отбрасываемых выступающими микроэлементами рельефа, относительно точечного источника борсодержащего порошка. Обнаружено, что электростатическое распыление и большинство способов нанесения покрытия осаждением из паров, приводят к «теневым несплошностям» или порам в полученном покрытии 60 из бора. Поры возникают из-за того, что некоторые области поверхности подложки оказываются достаточно заслоненными от точечного источника борсодержащего порошка. Фактически, борсодержащий порошок не осаждается или эффективно не прилипает к круто наклоненным поверхностям подложки или поверхностям, заслоненным выступающими микроэлементами рельефа на поверхности. Это приводит к образованию теневых несплошностей, состоящих из пор и областей с частичным покрытием 60 из бора. Как описано выше, снижение отношения площади покрытия из бора к общей площади поверхности подложки снижает эффективность нейтронного детектора 10. Таким образом, предпочтительно использовать способ осаждения борсодержащего порошка, который не включает осаждение в зоне прямой видимости, в результате которого образуются теневые несплошности.

Фотография примера никелевой подложки с термодиффузионным покрытием 60 из бора представлена на Фиг.3. Подложка содержит стержни, выступающие на высоту приблизительно 400 мкм. Точки, похожие на темные пятнышки или иголочные уколы, представляют собой частицы бора, внедренные термодиффузией в поверхность никелевой подложки. Такие точки были бы видны в коричневом или темно-коричневом цвете на цветной фотографии. Наиболее светлые области на Фиг.3 представляют собой области видимого никеля и были бы видны в белом цвете на цветной фотографии.

Пример способа термодиффузионного нанесения покрытия 60 из бора на проводящую поверхность нейтронного детектора 10 в общем описан на Фиг.4. Способ можно осуществлять в связи с примером нейтронного детектора 10, представленного на Фиг.1 и термодиффузионным нанесением борсодержащих порошков представленных на Фиг.2. Способ включает стадию 110 обеспечения электропроводящей подложки. Проводящая подложка может быть выполнена из таких металлов, как никель, алюминий и титан, хотя также возможны другие материалы, в том числе неметаллы с металлизированной поверхностью. Проводящая подложка может иметь форму полого цилиндра, хотя также возможны другие полые геометрические формы. Например, можно использовать простой лист, и затем из листа можно формировать любую требуемую форму.

Способ также включает стадию 120 размещения борсодержащего порошка в контакте с электропроводящей подложкой. Борсодержащий порошок может быть нанесен на поверхность подложки несколькими способами. Например, сухой порошок можно утрамбовывать на поверхности подложки с обеспечением тесного контакта сухого порошка с поверхностью подложки. В другом примере борсодержащий порошок можно вводить в суспензию или пасту, которую наносят кистью. Паста может включать борсодержащий порошок и раствор HCl и деионизированной воды. В другом примере борсодержащий порошок можно вводить в суспензию с изопропиловым спиртом. В еще одном примере борсодержащий порошок можно наносить на поверхность подложки посредством электростатического распыления. Вышеизложенные способы приведены в качестве примеров нанесения борсодержащего порошка, и возможны другие способы нанесения. После нанесения борсодержащего порошка на поверхность подложки избыток борсодержащего порошка можно удалять с поверхности подложки воздействием ультразвуковой волны или другими известными способами удаления избытка борсодержащего порошка.

Способ также включает стадию 130 нагревания борсодержащего порошка и электропроводящей подложки до повышенной температуры. Повышенная температура способствует процессу термодиффузии, при котором материал переносится из области высокой концентрации в область низкой концентрации посредством беспорядочного движения молекул, составляющих материал. В процессе термодиффузии атомы бора диффундируют в металлическую подложку с образованием интерметаллического соединения на поверхности основного металла подложки. Для целей обнаружения нейтронов, требуется диффузия бора в поверхность подложки, но нет необходимости в создании сплава между бором и материалом подложки. В одном из примеров, покрытие 60 из бора полностью диффундирует в стенку 30 внешнего корпуса 20. Обычно, однако, покрытие 60 из бора включает молекулы бора, которые внедрены диффузией в поверхность подложки, и слой бора, остающийся на поверхности подложки.

Способ также включает стадию 140 размещения электропроводящей подложки и покрытия 60 из бора в нейтронном детекторе 10. Проводящая подложка может быть использована в качестве стенки 30 внешнего корпуса 20 нейтронного детектора 10. Нейтроны, поступающие в нейтронный детектор 10, поглощаются покрытием 60 из бора, которое затем высвобождает другие заряженные частицы, которые могут вызвать каскад взаимодействий частиц, которые затем взаимодействуют с анодной частью центральной конструкции 54 нейтронного детектора 10. Обычно нейтронный детектор 10 на основе таких высвобождающихся заряженных частиц и каскада взаимодействий других полученных частиц вырабатывает сигнал, представляющий зарегистрированный нейтрон или группу нейтронов.

В другом примере способ включает покрытие 60 из бора, занимающее по меньшей мере приблизительно 85% поверхности подложки. При постоянстве других параметров, процентное содержание площади поверхности подложки, покрытой работоспособным покрытием 60 из бора, приблизительно равно эффективности нейтронного детектора 10. Например, если покрытие 60 из бора занимает 92% площади поверхности подложки, нейтронный детектор эффективен на 92%. Следовательно, предпочтительно создавать покрытие 60 из бора, покрывающее как можно большую площадь поверхности подложки, насколько это практически достижимо.

В еще одном примере способ может включать борсодержащий порошок, который также может содержать определенную долю природных изотопов бора. Например, общее содержание бора может быть минимально приблизительно 97 масс.%, и отношение изотопа 10В к общему содержанию бора может быть минимально приблизительно 98 масс.%. Нейтроны, поступающие в нейтронный детектор 10, поглощаются изотопом 10В, который затем высвобождает другие заряженные частицы, которые могут вызывать каскад взаимодействий частиц, которые затем взаимодействуют с анодной частью центральной конструкции 54 нейтронного детектора 10 (хорошо видно на Фиг.1). Обычно нейтронный детектор 10 на основе таких высвобождающихся заряженных частиц и каскада взаимодействий других полученных частиц вырабатывает сигнал, представляющий зарегистрированный нейтрон или группу нейтронов. При постоянстве других параметров, отношение 10В изотопа к общему содержанию бора приблизительно равно эффективности нейтронного детектора 10. Следовательно, предпочтительно получать настолько высокое отношение 10В изотопа к общему содержанию бора в борсодержащем порошке, насколько возможно достичь на практике.

В еще одном примере способ включает борсодержащий порошок с пониженным содержанием примесей. Оптимальные характеристики нейтронного детектора 10 отчасти зависят от минимального уровня растворимых остатков в порошке бора, нанесенном на поверхность нейтронного детектора 10. Растворимые остатки, такие как органические примеси, могут выделять газы, что приводит к внесению органических соединений во внутренний объем 50 нейтронного детектора 10. При изготовлении, внутренний объем 50 заполняют газами определенного состава для эффективной работы нейтронного детектора 10. Органические соединения, полученные в результате выделения газов, могут нарушать данный определенный состав газов и снижать эффективность работы нейтронного детектора 10. Таким образом, особенно предпочтительно обеспечивать борсодержащий порошок, включающий примеси в количестве менее 7,00⋅10-4 г растворимого остатка на г бора, для применения при обнаружении нейтронов.

Пример 1: Никелевую подложку борировали с использованием процесса термодиффузии. Порошок бора утрамбовывали на никелевой подложке и использовали пропанол для обеспечения тесного контакта и смачивания борсодержащего порошка на поверхности никелевой подложки. Пропанол выпаривали в сушильной печи. Никелевую подложку с уплотненным борсодержащим порошком затем нагревали в печи, заполненной защитным газом, состоящим из 75% азота и 25% водорода, до температуры 580°С в течение 5 ч. Альтернативно, никелевую подложку с уплотненным борсодержащим порошком нагревали в печи, заполненной тем же защитным газом, до температуры 960°С в течение 20 мин. Затем избыток борсодержащего порошка удаляли с поверхности никелевой подложки путем обработки ультразвуком.

Пример 2: Титановую подложку борировали с использованием процесса термодиффузии. Порошок бора утрамбовывали на титановой подложке и использовали пропанол для обеспечения тесного контакта и смачивания борсодержащего порошка на поверхности никелевой подложки. Пропанол выпаривали в сушильной печи. Титановую подложку с уплотненным борсодержащим порошком затем нагревали в условиях вакуума в радиочастотном (РЧ) индукторе до температуры 910°С в течение 10 мин.

Пример 3: Алюминиевую подложку борировали с использованием процесса термодиффузии. Алюминиевую подложку покрывали борсодержащей суспензией. Жидкий компонент суспензии включал 10% HCl в качестве флюсующей добавки и 90% H2O. Суспензию наносили на образец алюминия и нагревали на горячей пластине до приблизительно 320°С. Затем алюминиевый образец обрабатывали ультразвуком для удаления слабо прикрепленного материала, и на алюминии наблюдали стойкий коричневый налет. Стойкий коричневый налет на образце алюминия указывает на присутствие бора.

Изобретение раскрыто со ссылкой на описанные выше примеры воплощений. По прочтении и понимании этого описания специалистом могут быть сделаны различные модификации и изменения. Подразумевается, что примеры воплощений, включающие один или более аспектов изобретения, включают все такие модификации и изменения, постольку поскольку они попадают в область защиты изобретения, определяемую формулой изобретения.

1. Нейтронный детектор (10), включающий:

корпус (20), ограничивающий внутренний объем;

металлическую часть, служащую в качестве катода;

центральную конструкцию (54), расположенную во внутреннем объеме и служащую в качестве анода;

покрытие (60) из бора на катодной части и

электрический соединитель (62), функционально соединенный с центральной конструкцией (54) для передачи сигнала, накапливаемого центральной конструкцией;

отличающийся тем, что

по меньшей мере часть покрытия из бора включает атомы бора, внедренные термодиффузией из борсодержащего порошка в катодную часть, причем некоторые атомы бора - в металлическую часть, с образованием покрытия из бора, чувствительного к нейтронам.

2. Нейтронный детектор по п. 1, в котором все покрытие (60) из бора внедрено диффузией в катодную часть.

3. Нейтронный детектор по п. 1 или 2, в котором корпус (20) включает ограничительную стенку (30) и катодная часть является по меньшей мере частью стенки.

4. Нейтронный детектор по п. 3, в котором по меньшей мере 85% поверхности стенки (30) покрыто покрытием (60) из бора.

5. Нейтронный детектор по п. 3, в котором стенка (30) представляет собой цилиндр.

6. Нейтронный детектор по п. 1, в котором покрытие (60) из бора включает минимальное общее содержание бора приблизительно 97 мас.% и минимальное отношение изотопа 10В к общему содержанию бора приблизительно 98 мас.%.

7. Нейтронный детектор по п. 1, в котором покрытие (60) из бора включает менее 7,00⋅10-4 г растворимого остатка на грамм бора.

8. Способ осуществления диффузии борсодержащего порошка в поверхность подложки для получения поглощающего нейтроны слоя для нейтронных детекторов, включающий

обеспечение электропроводящей металлической подложки;

размещение борсодержащего порошка в контакте с электропроводящей металлической подложкой;

воздействие на борсодержащий порошок и электропроводящую металлическую подложку повышенной температуры окружающей среды, чтобы повысить температуру борсодержащего порошка и всей электропроводящей подложки до повышенной температуры окружающей среды, что обеспечивает термодиффузию части борсодержащего порошка в электропроводящую подложку, причем некоторых атомов бора - в электропроводящую подложку, с образованием покрытия (60) из бора, чувствительного к нейтронам; и

размещение электропроводящей подложки и покрытия (60) из бора в нейтронном детекторе в качестве по меньшей мере части внешнего корпуса.

9. Способ по п. 8, в котором все покрытие (60) из бора внедрено диффузией в электропроводящуюую подложку.

10. Способ по п. 8 или 9, в котором стадия обеспечения электропроводящей подложки включает обеспечение подложки в качестве по меньшей мере части стенки (30) корпуса (20), ограничивающей внутренний объем.

11. Способ по п. 8, в котором по меньшей мере 85% поверхности стенки (30) покрыто покрытием из бора.

12. Способ по п. 8, в котором стенка (30) представляет собой цилиндр.

13. Способ по п. 8, в котором покрытие (60) из бора включает минимальное содержание бора приблизительно 97 мас.%, и минимальное отношение изотопа 10В к общему содержанию бора приблизительно 98 мас.%.

14. Способ по п. 8, в котором покрытие (60) из бора включает менее 7,00⋅10-4 г растворимого остатка на грамм бора.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройствам контроля ядерных реакторов, а именно к ионизационным камерам деления (ИКД) с электродами, на поверхности которых нанесен слой материала, делящегося при взаимодействии с нейтронами.

Группа изобретений относится к материалам, используемым в сцинтилляционной технике. Сущность группы изобретений заключается в том, что сцинтилляционный материал для регистрации ионизирующего излучения представляет собой кристаллический твердый раствор с общей эмпирической формулой Li(Y1-x Lux)F4 при х=0,01-0,8, образующийся в бинарной системе LiYF4 - LiLuF4.

Изобретение относится к ядерной физике и может быть использовано при измерении интенсивных потоков нейтронов. Радиохимический детектор плотности потока быстрых нейтронов включает ампулу с порошкообразным активным веществом, помещаемую в поток быстрых нейтронов, газовую систему, заполненную газом-носителем, и проточный счетчик, подключенный к системе регистрации и обработки информации.

Изобретение относится к борным покрытиям для детектирования нейтронов и особенно относится к нанесению борных покрытий для детектирования нейтронов с помощью электростатического напыления.

Изобретение относится к области космического приборостроения и может быть использовано для сбора данных о параметрах движения космических объектов - частиц космического мусора и микрометеороидов.

Изобретение относится к области радиационных технологий, а также к исследованиям, созданию и эксплуатации ядерных установок и ускорителей. Способ измерения профиля нейтронного пучка (пучков) в плоскости, перпендикулярной выделенному его (их) направлению, заключается в том, что пучок (пучки) быстрых нейтронов направляют на детектирующую плоскость профилометра, перпендикулярно расположенную к его (их) направлению (направлениям), поверхность которой представляет собой совокупность параллельно расположенных изолированных стрипов, сигналы с каждого из стрипов, появившиеся в результате взаимодействия нейтрона с веществом стрипа, поступают на блок регистрирующей электроники, производящей прием и анализ зарегистрированных событий с использованием программного обеспечения для определения профиля нейтронного пучка (пучков), при этом в качестве детектирующей плоскости профилометра используют двусторонний стриповый кремниевый детектор, одна сторона которого представляет набор X-стрипов, а вторая - набор Y-стрипов, перпендикулярных к Х-стрипам, при этом регистрируют заряженные частицы, образующиеся в каждом конкретном стрипе в результате протекания реакций с эмиссией протонов и альфа-частиц при захвате нейтронов на ядрах кремния 28Si(n,p)28Al, 28Si(n,α)25Mg, при этом путем снятия электрических сигналов с соответствующих X- и Y-стрипов определяют координаты X и Y точек взаимодействия нейтронов с веществом данного стрипа профилометра, при этом на основании однозначной связи номеров одновременно сработавших X- и Y-стрипов, включенных на совпадения, при этом после набора событий по каждому из X- и Y-стрипов профилометра автоматически производится временной и амплитудный анализ зарегистрированных событий.

Автоматизированная система контроля нейтронно-физических параметров исследовательской ядерной установки (ИЯУ) может быть использована для создания систем контроля, управления и измерения в составе систем управления и защиты СУЗ ИЯУ, для обеспечения безопасности работы ИЯУ в импульсном, квазиимпульсном и статическом режимах.

Изобретение относится к области измерения излучений. Устройство для измерения потока нейтронов содержит первичный преобразователь в виде ионизационной двухсекционной трехэлектродной камеры, к общесекционному электроду которой подключен однополярный источник питания, а к разнополярным электродам, к положительному, входящему в состав нейтронной секции, и к отрицательному, входящему в состав компенсационной секции, - блоки измерения тока, которые связаны с блоком обработки выходных сигналов, при этом блоки измерения тока состоят из преобразователя ток-напряжение, выполненного на основе линейного усилителя с переключающимися пределами измерения или на основе логарифмического усилителя, выход которого подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, управляемого микроконтроллером, выход которого через интерфейс связи подключен к интерфейсу связи блока обработки выходных сигналов, который имеет возможность подключения к вычислительному устройству более высокого уровня и включает в себя свой микроконтроллер, позволяющий автоматически корректировать с учетом сигнала, полученного от блока измерения тока по гамма-излучению, сигнал, полученный от блока измерения тока по нейтронной составляющей, и производить вычисление потока нейтронов, а однополярный источник питания включает в себя высоковольтный преобразователь напряжения, подключенный к своему микроконтроллеру, позволяющему осуществлять автоматический контроль и коррекцию выходного напряжения и подключенному через интерфейс связи к интерфейсу связи блока обработки выходных сигналов.

Изобретение относится к области технической физики. Устройство для спектрометрии нейтронов состоит из водородсодержащих замедлителей быстрых нейтронов цилиндрической формы, регистраторов тепловых и медленных нейтронов, расположенных вдоль центральной оси устройства, борного фильтра и цилиндрических углублений на торцевой поверхности замедлителя, обращенной к источнику излучений, при этом в качестве регистраторов нейтронов используют активационные детекторы в кадмиевом чехле и без чехла, которые размещены в контейнере попарно на расстояниях не более длины диффузии тепловых нейтронов в замедлителе, а цилиндрические углубления заполнены вставками, при этом контейнер и вставки выполнены из материала замедлителя.
Изобретение относится к области ядерной техники. Эмиссионный нейтронный детектор содержит коллектор и эмиттер, отделенные друг от друга изоляционным материалом, при этом эмиттер выполнен из порошка двуокиси гафния, заключенного в металлическую оболочку, при этом оболочка эмиттера выполнена толщиной от 0,14 мм до 0,20 мм, а масса двуокиси гафния на 1 м чувствительной части детектора выбрана в диапазоне от 6,4 г до 7,1 г.
Наверх