ИОНИЗАЦИОННАЯ КАМЕРА ДЕЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01T3/00 H01J47/02 

Изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано для исследований и контроля работы реакторных установок различного типа.

Известны ионизационные камеры деления для регистрации нейтронных потоков (для систем управления защитой ядерных реакторов) ( А.Б. Дмитриев, Е.К. Малышев, Нейтронные ионизационные камеры для реакторной техники, М. Атомиздат, 1975, с. 65 70). Известны также ионизационные камеры деления с компенсацией тока от гамма-излучения, с компенсацией альфа и гамма-излучения (патенты США N 4071764 и N 4086490, нац.кл. 250-235, 250-390, 250-392; Е.К. Малышев, Ю.Б. Засадыч, С.А. Стабровский, Газоразрядные детекторы для контроля ядерных реакторов, М. Энергоатомиздат, 1991, с. 46 54).

Указанные типы камер широко применяются в реакторной технике, в частности для контроля работы реакторов АЭС. Общим недостатком таких ионизационных камер является наличие ложного выходного сигнала, присутствие которого снижает динамический диапазон работы камер из-за нарушения линейности связи "нейтронный поток ток камеры". Ложный выходной сигнал камеры обусловлен токами камеры от различного рода и происхождения ядерного излучения, интенсивность которого не пропорциональна нейтронному потоку. Указанный недостаток камер особенно ощутим при значительных изменениях измеряемой величины нейтронного потока (при измерениях нестационарных потоков нейтронов, эксплуатации камер после непродолжительной остановки реактора и т.д.).

Наиболее близким по технической сущности к заявленному объекту является ионизационная камера деления с компенсацией гамма-излучения типа КНК-15-1 промышленного изготовления (статья Белозерова В.Г. Щетинина О.И. Широкодиапазонная камера деления для СУЗ ядерных реакторов, Атомная энергия, 1979, т. 47. Вып. 4, с. 271 272, также книгу Е.К. Малышев, Ю.Б. Засадыч, С.А. Стабровский. Газоразрядные детекторы для контроля ядерных реакторов, с. 50, 147, 148, М. Энергоатомиздат, 1991).

Широкодиапазонная ионизационная нейтронная камера деления КНК-15-1 с повышенной степенью компенсации фона гамма-излучения включает в себя цилиндрический корпус с фланцами. В корпусе расположена электродная система, образованная набором пластин из нержавеющей стали, объединенных в две секции: рабочую, чувствительную к нейтронам и гамма-излучению, и компенсирующую, чувствительную только к гамма-излучению. Пластины рабочей секции имеют радиаторы из вещества, содержащего уран-235 (U₃O₈) с уменьшенным количеством примеси урана-234, определяющего альфа-активность радиатора. Благодаря этому уменьшенному количеству урана-234 собственный фон камеры за счет альфа-частиц уменьшен, что снизило нижнюю границу токового режима работы камеры. Часть пластин компенсирующей секции изготовлена из тантала, что позволяет уменьшить раскомпенсацию камеры при изменении спектра гамма-излучения в процессе компании реактора. Для подсоединения электродной системы камеры к внешней электрической цепи в одном из фланцев камеры имеются три металлокерамических узла.

Недостатком известного устройства (прототипа) является наличие ложного выходного сигнала, присутствие которого снижает динамический диапазон работы камеры из-за нарушения линейности связи "нейтронный поток ток камеры". Ложный выходной сигнал вызван, в основном, током камеры от бета и гамма-активных продуктов деления, которые накапливаются в (ураносодержащей) рабочей секции камеры в процессе облучения ее нейтронами. Этот ток зависит от величины потока нейтронов, длительности облучения и длительности выдержки после облучения. В результате накопления радиоактивных осколков деления перекрытие импульсного и токового режимов работы камеры (работа камеры в режиме линейной зависимости "нейтронный поток ток камеры") обеспечивается при пуске реактора после его кратковременной остановки только при условии эксплуатации камеры при большой плотности потока нейтронов (до 10⁸ нейтр/см² c.). Это существенно снижает эксплуатационные качества камеры.

Собственный фоновый ток камеры, не облученной нейтронами, вызван альфа-частицами от естественного распада урана в рабочей секции камеры и составляет приблизительно 5•10^-10 А. Фоновый ток камеры, проработавшей в течение года в нейтронном потоке 1•10⁹ нейтр/см²с, составляет 10^-7 А, а для плотности нейтронного потока 1•10¹¹ нейтр/см²с фоновый ток может достигнуть уровня 10^-5А. Таким образом, из-за наличия ложного выходного сигнала, обусловленного накоплением радиоактивных осколков деления, потенциальные возможности динамического диапазона работы камеры КНК-15-1 (5•10^-10 10^-5)А не реализуются.

Технической задачей настоящего изобретения является устранение указанного недостатка, а именно снижению величины ложного выходного сигнала камеры (типа КНК-15-1) и за счет этого расширение реального динамического диапазона работы камеры.

Для достижения указанной задачи электрод компенсационной секции имеет с двух сторон радиатор из ураносодержащего вещества и фильтр, электрически соединенный с пластиной. Радиатор имеет количество урана в (1+ε)) раз больше, чем радиатор в рабочей секции, где ε относительное поглощение бета-излучения продуктов деления при прохождении его через фильтр. Толщина фильтра равна максимальной величине пробега осколков деления в нем. Материал фильтра имеет электрическую проводимость и малое сечение активации.

Техническая реализуемость предложения не вызывает сомнений, так как новых технологий по сравнению с технологиями, используемыми при изготовлении камеры-прототипа, не используется. Новый элемент, фильтр, может быть изготовлен из соответствующей фольги или путем нанесения токопроводящего слоя на ураносодержащий слой по одной из известных технологий.

Сущность изобретения поясняется чертежом ионизационной камеры деления.

Устройство содержит: 1 герметичный корпус камеры; 2, 3, 4 - металлокерамические узлы, служащие электровводами камеры; 5 пластины рабочей секции камер; 6 пластины компенсационной секции камер; 7 радиаторы рабочей секции камеры (слой ураносодержащего вещества, обедненного ураном-234); 8 - радиаторы компенсационной секции камеры (слой ураносодержащего вещества); 9 - токопроводящие фильтры.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Ток камеры деления равен:
I I_p I_k
где Ip и Ik ток в рабочей и компенсационной секциях камеры.

I_p I₁ + I₂ + I₃ + I₄ + I₅
где I₁ ток от осколков деления;
I₂ ток от альфа-частиц естественного распада урана;
I₃ ток от бета и гамма-излучения продуктов деления урана;
I₄ ток от гамма-излучения реактора;
I₅ ток от бета и гамма-излучения продуктов активации конструкционных элементов камеры.

I_k I₆+ I₇ + I₈
где I₆ ток от бета и гамма-излучения деления урана;
I₇ ток от гамма-излучения реактора;
I₈ ток от бета и гамма-излучения продуктов активации конструкционных элементов камеры.

В предложенной конструкции камеры деления токи I₅ и I₈ будут взаимокомпенсированы в силу отсутствия отличий в источниках их возникновения (в рабочей и компенсационной секциях камеры), токи I₄ и I₇ также будут взаимокомпенсированы, так как поглощение бета-излучения фильтром в компенсационной секции камеры, приводящее к уменьшению тока I₇ по сравнению с током I₄, скомпенсировано увеличением мощности этого источника (большим количеством урана, находящегося в компенсационной секции камеры).

Результирующий ток камеры будет
I I₁ + I₂
где I₂ ток камеры от альфа-частиц естественного распада урана.

Ток I₂ мал благодаря тому, что количество изотопа урана-234 в рабочей секции камеры мало и для камеры прототипа составляет 5•10^-10А.

Таким образом, можно считать, что ток камеры полностью определяется осколками деления (1), количество которых пропорционально потоку нейтронов в месте установки камеры.

Использование изобретения позволяет за счет снижения ложного выходного сигнала, вызванного током от регистрации бета и гамма-излучения продуктов деления урана в рабочей секции камеры, расширить динамический диапазон работы камеры в реальных эксплуатационных режимах. При самых благоприятных условиях, при кратковременной работе камеры в нейтронном потоке, динамический диапазон камеры в счетном и токовом режимах в диапазоне (1 - 10^-10нейтр/см²с). При неблагоприятных условиях, например после работы камеры в течение года, при плотности нейтронного потока 1 - 10^-11нейтр/см²c, динамический диапазон работы камеры оценивается от (10⁵ 10⁶нейтр/см²с до 10¹⁰нейтр/см²c), что на два, три десятичных порядка шире, чем в камере-прототипе.

Использование: для исследования и контроля работы реакторных установок различного типа. Сущность изобретения: в ионизационной камере деления электрод компенсационной секции камеры имеет с двух сторон радиатор из ураносодержащего вещества и фильтр, электрически соединенный с электродом. Радиатор компенсационной камеры содержит количество урана в (1+ε) большее, чем радиатор в рабочей секции, где ε - относительное поглощение бета-излучения продуктов давления при прохождении его через фильтр. Толщина фильтра равна максимальной величине пробега осколков в нем. Фильтр выполнен из электропроводного материала, имеющего малое сечение активации. 1 ил.

Ионизационная камера деления, включающая электродную систему, состоящую из рабочей и компенсационной секции, каждый электрод компенсационной секции состоит из металлической пластины, каждый электрод рабочей секции состоит из металлической пластины, с двух сторон которой имеется радиатор из ураносодержащего вещества, отличающаяся тем, что электрод компенсационной секции имеет с двух сторон радиатор из ураносодержащего вещества и фильтр, электрически соединенный с пластиной, радиатор имеет количество урана в (1+ε) раз больше, чем радиатор в рабочей секции, где ε относительное поглощение бета-излучения продуктов деления при прохождении его через фильтр, толщина которого равна максимальной величине пробега осколков деления в нем и который выполнен из материала, имеющего электрическую проводимость и малое сечение активации.