Эмиссионный детектор для измерения нейтронов и гамма- излучения и способ его изготовления

 

1 . Эмиссионный детектор для, измерения нейтронов и гамма-излучения, состоящий из эмиттера, электрического изолятора и коллектора, о т л и ч а ющ и и с-я тем, что, с целью улучшения метрологических характеристик и повьшения надежности, эмиттер состоит из оболочки, выполненной из материала коллектора, и порошкообразного материала, например, изGdgOa или , ЗшгОз, , , , NdjO,, ХГзОз, , LiiO«i, HfO-j, СозОц., CdO, U30g,Th02, Co или их-смеси, 2.Способ изготовления детектора по п. 1, состоящий в том, что к детектору подсоериняют кабель для передачи сигналов путем соединения эмиттера с центральной жилой кабеля, а коллектора - с оболочкой кабеля, отличающийся тем, что, берут тру (Л бу-заготовку эмиттера, засыпают в нее лорошкообразный материал эмиттера , герметизируют по концам, устанавливают коаксиально в трубу-заготовку коллектора, изолируют их электроизоляциниьн материалом, производят протяжку заготовки детектора до требуемого диаметра, отжигают для снятия наклепа и разрезают полученный кабель о: на отрезки необходимой длины, . Np 3.Способ по п. 2, о т л и ч а ю (3 щ и и с я тем, что порошкообразный наполнитель предварительно смешивают с изоляционным материапом напри-г мер MgQ.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„,Я0„„871646

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМ,К СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОЧНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (.21) 2914585/25 (22) 21. 04. 80 (46} 15,02.91. Бюл. Р б (72) O.К.Егоров, В.В, Постников, и Ю.В.Рыбаков (53) 6?1.387.426(088.8) (56) Патент ClHA F- 3375370, кл, 950833> опублик. 1968.

Патент США 11» 3904881, кл.950-390, опублик. 1975.

Патент США Р 39И627» кл.950-390, опублик. 1976.

Емельянов И.Я. и др. Некоторые

I электрические свойства конструктивных элементов электронно-эмиссионных нейтронных датчиков и малогабаритных ,иониэационных камер. Вопросы атом1 иой науки и техники. "Реакторостроение". Выпуск 4 (ХХ), 1974.

-Авторское свидетельство СССР

11» 33I731» кл. G Ol Т 1/28, 1971.

Полупроводниковые детекторы ионизирующих излучений. Детекторы нейт™ ронов Каталог В/О "Изотоп", 1!,, 1974.. (54) ЭМИССИОННЫЙ ДЕТЕКТОР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НЕЙТРОНОВ И ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ И СНОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ (57) 1. Эмиссионный детектор для.изме. рения нейтронов и гамма-излучения, состоящий из эмиттера, электрического изолятора и коллектора, о т л и ч а ю-, Иэобретение относится к эмиссион™ ным детекторам нейтронов и гамма-излучения, используемым в атомных реакторах, и к способу их изготовления, (1)5 G Ol Т 1/28, G 01 Т 3/00

2 шийся тем, что, с целью улучшения метрологических характеристик и повышения надежности, эмиттер состоит из оболочки, выполненной из материала коллектора, и порошкообразного материала, например, из Gd@0@ или

Ег О у» $ш Оз» Еи О у, Пу О » ТЬЕБО з»

ad@0@» Хт ОЗ» 7Ъ Оз» Ва) а I >20<»

HfO2» Со304, CdO» U30a»ThOz» Со или их .смеси.

2. Способ изготовления детектора по и. 1, состоящий в .том, что к детектору подсоединяют кабель для передачи сигналов и тем соединения эмиттера с центральной жилой кабеля, а коллектора - с оболочкой кабеля, о т л ич а ю шийся тем, что, берут тру- . бу«заготовку эмиттера, засыпают в нее порошкообразный материал эмиттера, герметивируют по иониам, уотанав- С ливают коаксиально в трубу™заготовку коллектора, изолируют их электроизоляцинным материалом, производят у» протяжку заготовки детектора до тре- ° 1 буемого диаметра, отжигают для снятия наклепа и разрезают полученный кабель на отрезки необходимой длины.

3. Способ по п. 2, о т л и ч а юшийся тем, что порошкообразный . налолнитель предварительно смешивают с изоляционным материалом напри-. мер Mgg.

Известен детектор нейтронов, сос . тоящий из металлического эмиттера, металлического коллектора и разделяющего их электрического изолятора. Ис

871646

50 ми из радия, серебра, ванадкя, кобальта, платины и др. металлов. Так например, проволоку из радия помещают в кварцевую трубку-изолятор и все

55 вместе в .стальную оболочку.

Детектор не обладает достаточной., гибкостью, плохо противостоит -"ударам и вибрации. В качестве трассы ре комендуется использовать кабель марки пользование металлического эмиттера в указанной конструкции существенно сокращает класс возможных эмиттерных материалов, поскольку существует целый ряд элементов, либо не образующих металлических соединениий, либо имеющих в металлическом состоянии высокую химическую. активность, но обладающих ценными, с точки зрения детектирования нейтронов и гамма-квантов, ядерно-физическими свойствами.

Известен также детектор нейтронов, в котором эмиттер выполнен в виде частиц порошка, которые перемешаны и заключены.в электроизолирующую трубку, иоторая, в свою очередь, помещена в металлическую. оболочку-коллектор.

Для передачи сигнала детектора во внешнюю схему используется электрапроводящая жила, проходящая через порошковый материал .эмиттера. Недостатком такой конструкции является плохой контакт между порошковым эмиттером и сигнальной жилой, поскольку порошковые материалы обладают, как правило, диэлектрическими свойствамн, а также малая удара- и термопрочность и наличие запаздывающих фоновых токов, обусловленных бета излучением .

За прототип принят детектор нейтронов, состоящий из,нейтронно-чувствительного эмиттера, коллектора, окружающего эмиттер, и электрического изолятора между эмиттером и коллектором. Эмиттер состоит из порошка, содержащего рений и тулий, заключенного внутри металлической трубки нз циркония или хромоникелевого сплава, а электрический контакт между порошковым наполнителем и металлической оболочкой эмиттера.создается эа счет механического контакта. Недостатком этой конструкции является ограниченность в выборе материалов, примененных в качестве порошковых наполнителей эмиттеров и их металли . ческих оболочек. Причем применение разнородных металлов для оболочки эмиттера и коллектора создает при нагреве эмиссионных. детекторов термические напряжения, способствующие преждевременному разрушению и выходу их из строя.

При нагреве таких детекторов могут возникать значительные термо-ЭДС между эмиттером и коллектором, что в случае снижения сопротивления изоля10

45 ции при высоких температурах может вызвать в детекторе значительные фоновые токи, отрицательно влияющие на точность измерений. Применение порошковых наполнителей эмиттеров не обеспечивает достаточного теплового контакта с оболочкой эмиттера и может вызвать местный радиационный перегрев порошка и выход детектора из строя. Необходимость в электрическом контакте между порошком и оболочкой эмиттера, создаваемом за счет механического контакта, также является недостатком укаэанной конструкции, т.к. такой контакт невозможно обеспечить в случае применения порошков с диэлектрическими свойствамч.

Известен способ изготовления бета эмиссионного детектора нейтронов (БЭДН ), в котором в качестве чувствительного элемента используют гстовый кабель с жилой из серебра, а в качестве трассы, передающей сигнал от детектора я измерительным приборам, готовый кабель с магнезиальной изоляцией с центральной жилой из стали

OXI8HIOT.

Соединение детектора с кабелем осуществляется сваркой посредством герметичного узла стыковки, содержащего промежуточные стальные втулки и изоляционную втулку из корун,: авой керамики. При этом за счет стыковки происходит увеличение наружного диаметра БЭДН.

Известен способ изготовления БЭДН без узлов стыковки, не из готовых кабелей. При этом берут заготовки центральных жил и сваривают между "обой через третий промежуточный металлпалладий. Затем на сваренную заготов-, ку нанизывают прессованчые шашки из окиси магния, устанавливают ее вместе с шашками в трубу нз стали OX18HIOT н проводят волочение по технологии, разработанной для изготовления кабелей с магнезиальной изоляцией, Известен также способ изготовления детекторов нейтронов с эмиттера 5

87164б б. КНИСС. Соединение с трассой выполпя" ется потребителеМ..

Все рассмотренные способы изготовления имеют общие существенные при5 . знаки: в качестве эмиттера применяют металл в виде проволоки; эмиттер,устанавливают в герметичную металлическую оболочку-коллектор; 0 изолируют эмиттер от коллектора керамической изоляцией, газовым или воздушным зазором, Известные способы обладают низкой технологичностью, не позволяют использовать в качестве эмиттера большой класс элементов либо не образующих металлических соединений, либо: имеющих в металлическом состоянии высокую химическую активность илн низ« о кие технологические свойства (неспособность коваться, прокатываться, свариваться и т.д.1, но обладающих ценными ядерными свойствами и необходимой радиационной стойкостью. К . 25 таким элементам относятся. гадолиний, эрбий, самарий, европий, диспрозий, тербий, иттербий, уран, торий, иридий, бор, литий, кобальт., кадмий, . гафний и др. Из них группа TBK казы- 3р ваемых редкоземельных элементов, а также делящиеся элементы обладают высочайшей химической активностью.

Если оценить их химическую активность, например, по изобарному потен. циалу реакции окисления, то они имеют самый высокий отрицательный потенциал из всех известных в природе элемен-.. тов. Такие элементы активно взаимодействуют не только с газами (кисло- 4О родом, азотом, водородом и др.,), но. и с любыми элементами и их еоедине. ииями, а -.àêæå с конструкционными материалами, Промышленное производство этих элементов в чистом виде весь- 45 ма затруднительно, поэтому их получают в виде устойчивых химическйх соединений..

Изготовление оболочек и змиттеров из раэнородйых металлов создает при нагреве эмиссионных детекторов терми- ческие напряжения, способствующие . .преждевременному разрушению и выходу их из строя. При нагреве таких эмиссионных детекторов могут возникать значительные термо-ЭДС между змит55 .тером и коллектором, что в случае снижения сопротивления изоляции при: высоких температурах может вызвать

А в детекторе значительные фоновые токи. Все это является причинами ограничейного применения многих элементов в качестве эмиттеров в виде . металлиЧеских прутков и жил для кабельных эмиссионных детекторов, Прототипом является известный способ изготовления бета-эмиссионного детектора нейтронов (БЭДН состоящий в том, что к детектору подсоединяют кабель для передачи сигналов путем соединения змиттера с центральной жилой кабеля, а коллектора— с оболочкой кабеля, т.е. берут заготовку эмиттера в виде проволоки или стержня из серебра, устанавли вают в трубу-заготовку кабеля, служащую в дальнейшем коллектором, изолируют друг от друга порошкообразной изоляцией, преимущественно из окиси магния, и подвергают многократному волочению с прбмежуточными отжигами для снятия наклепа.

Прототип не обеспечивает изготовления надежных детекторов с высокими метрологическими характеристиками, Цель изобретения †. улучшение метрологических характеристик и повышение надежности детекторов.

Указанная цель достигается тем, что в эмиссионном детекторе для измерения энерговыделения, состоящем из эмиттера, электрического изолятора и коллектора, эмиттер состоит из оболочки, выполненной из материала кол« лектора, заполненной порошкообраз-. ным материалом, например, 6Й Оу или

Er 0g. ЯшдОзэ ЕЕц Оуэ Dy 0 Tb Оз, И 0 » Тг20 ЧЬО В Оу .? . О

С0 $0$ Hi0g СЙО, Uó 0, ТЬОз, Со или их смесью, а в способе изготовления, состоящем в том, что к детектору подсоединяют кабель для передачи сигналов путем соединения эмиттера с центральной жилой кабеля, а коллектора - с .оболочкой кабеля, берут трубу-заготовку эмиттера, засыпают в нее порошкообразный материал эмиттера, герметизируют по концам, устанавливают ее коаксиально в трубу-заготовку коллектора, изолируют их электроизоляционным материалом, производят ,протяжку заготовки, детектора до тре-,,буемого диаметра,. отжигают для сня;тия наклепа и разрезают полученный кабель на отрезки необходимой длины.

;Порошкообраэный:наполнитель препва871646

8 рительно смешивают с изоляционным материалом, преимущественно NgO, Перечисленные высшые окислы элементов термэдинамически устойчивы в условиях изготовления и эксплуата- . ции, а также в сочетании с любыми конструкционными материалами. Порошок хорошо заполняет любую форму, вместе с оболочкой легко подвергается протяж- о ке волочением или прокаткой, Выполнение оболочки эмиттера иэ материала коллектора облегчает выбор режима термообработки, исключает. температурные,деформации при изготовлении и эксплуатации, а также искшочает возникновение паразитных термотоков. Такая конструкция значительно технологичней и проще в изготовлении.

На чертеже .изображен. детектор, Пример..Выпи изготовлены образцы детекторов 6-ти типов (см. чертеж} . Каждьй образец представляет собой кабель с наружной 1 (коллектор) и внутренней .2 оболочками из стали 25

OXI8HI0T, отделенными друг от друга магнеэиальной-изоляцией.3. Размеры оболочек ЗХО,З и 1,5х0,25 мм, наруж-.. ной и внутренней соответственно. Длина образцов около 9 м. ЗО

Внутренние оболочки образцов заполне щ спресованным порошкообразным эмиттерным материалом 4,.представляющим собой один из окислов Gd

H Og О 08, а также концентрат Р3К-6 по ТУ 48-4-382-76. В качестве эмиттер- ного материала могут быть.использованы и другие высшие окислы, обладающие ценными ядерными свойствами.

Кабель-детектор соединен с кабель- 40 трассой, например, марки КНИСС, того же диаметра. Стальная жила кабеля 5 приварена к заглушке 6 эмйттера, а коллектор 1 соединен с наружной оболочкой трассы 7 через втулку 8. K про-45 тивоположному концу детектора приварена заглушка 9.

Образцы изготовляли следующим спо собом .

Один из окислов нли редкоземельный . концентрат эасыпали в трубку 2 из стали OXISHIOT диаметром 5 мм с толщиной стенки 0,5 мм, Затем трубку 2 с наполнителем 4 устанавливали концентрично в заготовку оболочки 1 ка«55 беля диаметром 12 мм с толщиной стен. ки 0,6 мм, а зазор между ними заполняли магнезиальной изоляцией 3, Длину заготовки выбирали s зависимости от необходимой конечной длины кабеля от

150 до 1500 мм, Заготовки подвергали многократному циклу "волочение-отжиг" (или прокатке) до получения кабеля диаметром 3,0 мм длиной до 9,О мм.

Полученный кабель-детектор соединяли с трассой для передачи .сигнала из кабеля марки КНИСС того же диаметра. Для этого стальную жилу 5 кабеля приваривали к заглушке 6 эмиттера, а коллектор 1 с наружной оболочкой трассы 7 соединяли сваркой через дополнительную втулку 8 из той же стали. В месте стыковки зазоры заполняли кварцевой нитью. Противоположный конец детектора заваривался герметично с помощью заглушки 9.

Для получения кабеля с наружным диаметром меньше 3 мм в отдельных случаях порошкообразный материал эмиттера смешивали с окисью магния в соотношенйи 1:1. Это позволяло повысить деформационную способность кабеля н качество оболочки, Преимуществом предложенных детекторов является улучшение.их метрологических характеристик по сравнению с существующими детекторами: обеспечение безынерционности сигнала; повышение точности измерения .за счет исключения термо-ЭДС и вызванных ею фоновых токов, а также за счет уменьшения потока паразитных бета«. частиц, вылетающих из эмиттерного материала и поглощаемйх оболочкой эмиттера, Предложенные детекторы обладают также повышенной термостойкостйю,, а следовательно, и повышенной надежностью за счет исключения термических напряжений, которые всегда возникают в существующих детекторах при нагреве, если эмиттер и коллектор изготовлены из разнородных материалов; за счет снижения радиационного нагрева порошка, эмиттера вследствие улучшения теплового контакта между порошком и оболочкой эмиттера при уплотнении порошка в процессе воло-. чения; за счет исключения химического взаимодействия между эмиттером и коллектором и между оболочкой эмиттера и порошком эмиттера.

Кроме того, их преимуществом является также расширение технологических

871646

Корректор Н, Король

Заказ 770

Тираж 302

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

1t3035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r.Óæãoðîä, ул, Гагарина, 101 возможностей за счет использования широкого класса:материалов с ценными ядерными свойствами и упрощение техно.логии .их изготовления.

Проведенные исследования, в частности, показали, что. реакция детекторов на изменения плотности потока

Редактор М. Ленина Техред Л.Олийнык нейтронов является. мгновенной (практи ческая безынерционность по основному токообразующему процессу), а их чувствительность к нейтронам того же порядка, что и у детектора ДПЗ-1 с родиевым эмиттером, 2