СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ РАБОЧЕГО ВЕЩЕСТВА ДЛЯ ТЕРМОЛЮМИНЕСЦЕНТНОГО ДЕТЕКТОРА НЕЙТРОНОВ Российский патент 2009 года по МПК G01T1/20 

Изобретение относится к области дозиметрии нейтронного излучения и может быть пригодно для стационарного контроля плотности потока и флюенсов нейтронов в активной зоне ядерных реакторов, для периодического контроля доз нейтронного облучения реакторных конструкционных материалов, для решения задач радиационного материаловедения, связанных с контролем доз внутриреакторного облучения испытуемых изделий и материалов, пригодно для использования в качестве детекторов сопровождения изделий и предметов медицинского назначения, подлежащих стерилизации в ядерном реакторе, в качестве датчиков для стационарных и аварийных систем контроля ядерных реакторов атомных электростанций, для высокотемпературных измерений флюенса нейтронов стационарных, транспортных и импульсных ядерных реакторов, а также для высокотемпературных измерений флюенсов нейтронов в сверхглубоких скважинах.

Известно рабочее вещество для термолюминесцентного детектора рентгеновского излучения и электронов на основе кристаллов LiF:U, Cu, LiF:U, Sr, NaF:U, Sr и способ его получения [А.И.Слесарев, А.А.Жамангулов, М.М.Кидибаев, B.C.Кортов, Б.В.Шульгин / Термостимулированная экзоэлектронная эмиссия кристаллов фторидов лития и натрия, активированных ураном // Письма в ЖТФ, 2000, том 20, вып.9, с.60-62]. В этих кристаллах, имеющих составы LiF:U, Cu, LiF:U, Sr, NaF:U, Sr и выращенных из расплава по способу Киропулоса, после облучения электронами или рентгеновским излучением, наряду с термостимулированной экзоэлектронной эмиссией (ТСЭЭ), наблюдалась при примерно одних и тех же температурах и термостимулированная люминесценция (ТСЛ) с наиболее высокотемпературными пиками при 610 K (337°С) и 714 K (441°С) для LiF:U, Cu; при 699К (426°С) и 737 K (464°С) для LiF:U,Sr. Для NaF:U,Sr наиболее высокотемпературный пик обнаружен при 702 K (429°С). Однако для известных рабочих веществ для термолюминесцентной дозиметрии с составами LiF:U, Cu, LiF:U, Sr, NaF:U, Sr сведения об их возможных термолюминесцентных свойствах после нейтронного облучения отсутствуют. Кроме того, пики ТСЛ для известных рабочих веществ для термолюминесцентных детекторов расположены при недостаточно высоких температурах не выше 464°С, так что известные рабочие вещества не пригодны для высокотемпературной дозиметрии ионизирующих излучений.

Известны рабочие вещества для термолюминесцентной дозиметрии электронного излучения на основе кристаллов NaF, а именно, NaF:U, NaF:Sr, NaF:Cu, NaF:Pb, NaF:U, NaF:U, Ti и NaF:U, Cr и способы их получения [M.M.Kidibaev, B.K.Dzholdoshov, T.S.Koroleva, A.I.Slesarev, B.V.Shulgin, V.Yu.Ivanov, A.N.Tcherepanov, Ch.Pedrini, K.Lebbou / TSEE (and TSL) of NaU-U, Me compounds after electron beam irradiation // Проблемы спектроскопии и спектрометрии: межвуз. сб. науч. тр. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2005. Вып.23. С.187-192]. Однако для всех получаемых по известным способам вышеперечисленных рабочих веществ, известных только в качестве термолюминесцентных детекторов электронного излучения, пики ТСЛ расположены при температурах, недостаточных для обеспечения высокотемпературных измерений доз излучения. Например, для NaF-U наблюдается 11 пиков ТСЛ, но самый высокотемпературный зафиксирован при 736 K (463°С). Вышеупомянутые известные рабочие вещества для термолюминесцентных детекторов были выращены из расплава методом Киропулоса в виде кристаллов, однако о возможности их применения для дозиметрии нейтронов в известном источнике не упоминается, поскольку сведений о чувствительности этих составов к нейтронам не имеется.

Известны спектры поглощения и спектры импульсной катодолюминесценции составов LiF, LiF:Sc, LiF:U, NaF, NaF:Eu, NaF:Sr, NaF:Yb, NaF:0,01% U, NaF:0.1% U, NaF:U, Ti, облученных нейтронами с реактора с флюенсом 10¹⁶ см^-2 [B.V.Shulgin, V.Yu.Ivanov, A.N.Tcherepanov, V.L.Petrov, A.V.Anipko, F.G.Neshov, M.M.Kidibaev, T.S.Koroleva, V.I.Solomonov, O.A.Kaigorodova / Neutron, ion and electron induced defects in activated LiF and NaF srugle crystals // phys. stat. sol. (c) vol.4, №3, 1126-1129 (2007)]. Однако в известном источнике нет даже упоминания о термолюминесцентных свойствах этих составов после облучения их нейтронами и о возможности использования этих составов в качестве рабочих веществ для термолюминесцентных детекторов.

Известно рабочее вещество для термолюминесцентного детектора нейтронов на основе ⁶LiF (с обогащением по изотопу ⁶Li) - это термолюминесцентный детектор TLD-700 [Horowitz Y.S et al. Limitation of the paired LiF TLD 600, 700 technique for the estimation of gamma ray dose in mixed n-γ radiation fields: the effect of thermal neutrons. - Nucl. Instr. and Methods, 1970. V.160, p.317-320]. Однако известный детектор TLD-700 предназначен для регистрации только тепловых нейтронов (ядерная реакция ⁶Li(n, α)³H). Он является почти идеальным детектором тепловых нейтронов для задач персональной дозиметрии. Однако он не применяется для внутриреакторной дозиметрии, поскольку в спектре нейтронов деления доминируют быстрые нейтроны. Известные рабочие вещества TLD-600, 700 непригодны для высокотемпературной (≥350°С) дозиметрии нейтронов, поскольку их рабочие пики ТСЛ расположены при Т<350°С.

Известны рабочие вещества для термолюминесцентных детекторов тепловых нейтронов на основе фторидных и оксидных систем [И.X.Шавер, В.Г.Кронгауз / Термолюминесцентный метод дозиметрии нейтронов // Люминесцентные приемники и преобразователи ионизирующего излучения. Новосибирск. Наука. Сибирское отделение. 1985. С.61-72; Oberhofer М., Jaspert J. / Radiation Dosimeter. - G.B.Patent №1180246, 1970. МПК G01T 1/100]. Это составы на основе LiF, ⁶LiF, ⁷LiF, Li₂B₄О₇-Mn, LiF-Mg, Ti, CuSO₄-Tm, CaF₂-Mn, CaF₂-Dy, CaF₂ природный, BeO, Mg₂SiO₄-Tb, Al₂O₃, стекла, Na₄P₂O₇-Dy и LiF-LiH по G.B.Patent. Однако известные рабочие вещества для термолюминесцентных детекторов (ТЛД) нейтронов обладают пиками ТСЛ при невысоких температурах - ниже 350°С. Это удобно для персональной дозиметрии, однако такие детекторы непригодны для высокотемпературных измерений доз флюенсов нейтронов. Они непригодны для использования в качестве ТЛД детекторов с длительным (годы) сроком хранения дозиметрической информации при повышенных температурах (аварийный режим) хранения детекторов. Они непригодны для измерения доз нейтронов в сверхглубоких скважинах при рабочих температурах от 400°С и выше.

Наиболее близким к заявляемому является способ поучения рабочего вещества для термолюминесцентного детектора нейтронов на основе кристаллов NaF:U [Б.В.Шульгин, И.И.Мильман, А.В.Кружалов, А.Н.Черепанов, Ю.Ю.Упорова, М.М.Кидибаев, Т.С.Королева / О термолюминесценции кристаллов NaF:U, облученных реакторными нейтронами // Проблемы спектроскопии и спектрометрии: межвуз. сб. науч. тр. Екатеринбург. УГТУ-УПИ. 2008. Вып.24. С.132]. Получаемое по известному способу рабочее вещество для термолюминесцентного детектора на основе кристаллов фторида натрия, активированных ураном, имеет состав (мол.%): NaF 99,99 и UO₂(NO₃)₂ 0,01, причем уран при синтезе кристаллов вводили в шихту в виде UO₂(NO₃)₂. Кристаллы NaF:U получают из расплава методом Киропулоса. Из кристаллов выкалывают пластинки 5×5×1 мм, которые используют в качестве рабочих веществ для термолюминесцентных детекторов нейтронов.

Однако кривые термостимулированной люминесценции (ТСЛ) облученных в ядерном реакторе (нейтронами с флюенсом 10¹⁶ см^-2) рабочих веществ NaF:0,01 U (мол.%), получаемых по известному способу, имеют рабочие пики ТСЛ при сравнительно невысоких температурах (Фиг.1): пики ТСЛ зафиксированы при 180-260°С, при 350-375°С для NaF:U. Таким образом, рабочие вещества для термолюминесцентного детектора нейтронов, получаемые по известному способу, непригодны для высокотемпературных измерений флюенсов нейтронов, они непригодны также для хранения или эксплуатации (в условиях сверхглубоких скважин) при температуре >420-450°С: вся запасаемая ими светосумма будет при такой температуре высвечена и информация о флюенсе нейтронов будет полностью утрачена.

Задачей изобретения является разработка способа получения рабочего вещества для термолюминесцентного детектора нейтронов, обладающего пиками термостимулированной люминесценции при температурах выше 500°С, устойчивого к высоким флюенсам нейтронов и пригодного для эксплуатации в активной зоне ядерного реактора, для использования в целях дозиметрии нейтронов в радиационных полях с высокой температурой, а также пригодного для длительного хранения при высоких температурах, как элемента базы дозиметрических данных.

Поставленная задача решается за счет того, что для получения рабочего вещества для термолюминесцентного детектора нейтронов из исходной шихты в виде смеси ингредиентов, содержащей фторид натрия, активированный ураном, в эту исходную шихту дополнительно вводят примеси скандия и меди при следующем соотношении ингредиентов (мол.%): NaF 99,887-99,988, UO₂(NO₃)₂ 0,001-0,01, ScF₃ 0,01-0,1, CuF₂ 0,001-0,003.

Суть изобретения заключается в том, что для получения рабочего вещества для ТЛД нейтронов на основе фторида натрия, активированного ураном, готовят исходную шихту в виде смеси ингредиентов, в которую, кроме фторида натрия, активированного ураном, дополнительно вводят примеси скандия и меди при следующем соотношении ингредиентов (мол.%): NaF 99,887-99,988, UO₂(NO₃)₂ 0,001-0,01, ScF₃ 0,01-0,1, CuF₂ 0,001-0,003, после чего смесь исходных ингредиентов расплавляют и из расплава выращивают рабочее вещество для ТЛД нейтронов в виде кристаллов методом Киропулоса на воздухе. Получаемые по предлагаемому способу рабочие вещества для термолюминесцентного детектора нейтронов в виде кристаллов (таблеток) чувствительны к быстрым нейтронам спектра деления (нейтронам активной зоны ядерного реактора), устойчивы к флюенсам нейтронов до 10¹⁶-10¹⁸ см^-2, запасают под действием нейтронов светосумму, могут хранить ее в течение нескольких лет, а при нагревании высвечивают ее (светосумму) в виде термостимулированной люминесценции с основным рабочим высокотемпературным пиком ТСЛ при 520-525°С, фиг.2.

Пример 1. Для получения рабочего вещества для термолюминесцентного детектора нейтронов в шихту на основе фторида натрия, активированного ураном, дополнительно вводят примеси скандия и меди при следующем соотношении ингредиентов (мол.%): NaF 99,988, UO₂(NO₃)₂ 0,001, ScF₃ 0,01, CuF₂ 0,001, после этого смесь ингредиентов тщательно перемешивают, расплавляют в платиновом тигле и из нее выращивают рабочее вещество в виде кристаллов методом Киропулоса на воздухе. Полученное рабочее вещество для термолюминесцентного детектора применяют в виде таблеток (диаметр 5 мм, толщина 1 мм). При облучении рабочих веществ быстрыми нейтронами спектра деления (нейтронами активной зоны ядерного реактора) до флюенса 10¹⁶ см^-2 в них запасается светосумма. После хранения рабочего вещества в течение полутора лет при его нагревании была высвечена запасенная при облучении нейтронами светосумма в виде термостимулированной люминесценции с пиками ТСЛ при температурах 160°С, 330°С и 525°С, фиг.2. Основным рабочим пиком ТСЛ рабочего вещества для ТЛД нейтронов, полученного по предлагаемому способу, является высокотемпературный пик при 525°С.

Пример 2. Для получения рабочего вещества для термолюминесцентного детектора нейтронов в шихту на основе фторида натрия, активизированного ураном, дополнительно вводят примеси скандия и меди при следующем соотношении ингредиентов (мол.%): NaF 99,887, UO₂(NO₃)₂ 0,01, ScF₃ 0,1, CuF₂ 0,003, после этого смесь ингредиентов тщательно перемешивают, расплавляют в платиновом тигле и из нее выращивают рабочее вещество в виде кристаллов методом Киропулоса на воздухе. Полученное рабочее вещество для термолюминесцентного детектора применяют в виде таблеток (диаметр 5 мм, толщина 1 мм). При облучении рабочих веществ быстрыми нейтронами спектра деления (нейтронами активной зоны ядерного реактора) с флюенсом 2·10¹⁶ см^-2 в них запасается светосумма. После хранения рабочего вещества в течение полутора лет при его нагревании была высвечена запасенная при облучении нейтронами светосумма в виде термостимулированной люминесценции с пиками ТСЛ при температурах 330°С и 520°С. Кривые ТСЛ аналогичны кривым, приведенным на фиг.2. Основным рабочим пиком ТСЛ рабочего вещества для ТЛД нейтронов, полученного по предлагаемому способу, является высокотемпературный пик при 520°С.

Пример 3. Для получения рабочего вещества для термолюминесцентного детектора нейтронов в шихту на основе фторида натрия, активизированного ураном, дополнительно вводят примеси скандия и меди при следующем соотношении ингредиентов (мол.%): NaF 99,92, UO₂(NO₃)₂ 0,008, ScF₃ 0,071, CuF₂ 0,001, после этого смесь ингредиентов тщательно перемешивают, расплавляют в платиновом тигле и выращивают рабочее вещество в виде кристаллов методом Киропулоса на воздухе. Полученное рабочее вещество для термолюминесцентного детектора применяют в виде таблеток (диаметр 5 мм, толщина 1 мм). При облучении рабочих веществ быстрыми нейтронами спектра деления (нейтронами активной зоны ядерного реактора) с флюенсом 8·10¹⁶ см^-2 в них запасается светосумма. После хранения рабочего вещества в течение полутора лет при его нагревании была высвечена запасенная при облучении нейтронами светосумма в виде термостимулированной люминесценции с более интенсивными, нежели в Примере 2, пиками ТСЛ при температурах 170°С, 235°С, 330°С и 525°С. Кривые ТСЛ по позициям полос ТСЛ аналогичны кривым, приведенным на фиг.2. Основным рабочим пиком ТСЛ рабочего вещества для ТЛД нейтронов, полученного по предлагаемому способу, является высокотемпературный пик при 520°С.

Пример 4. Для получения рабочего вещества для термолюминесцентного детектора нейтронов в шихту на основе фторида натрия, активизированного ураном, дополнительно вводят примеси скандия и меди при следующем соотношении ингредиентов (мол.%): NaF 99,98, UO₂(NO₃)₂ 0,02, после этого смесь ингредиентов тщательно перемешивают, расплавляют в платиновом тигле и выращивают рабочее вещество в виде кристаллов методом Киропулоса на воздухе. Полученное рабочее вещество для термолюминесцентного детектора применяют в виде таблеток (диаметр 5 мм, толщина 1 мм). При облучении рабочих веществ быстрыми нейтронами спектра деления (нейтронами активной зоны ядерного реактора) с флюенсом 10¹⁶ см^-2 в них запасается светосумма. После хранения рабочего вещества в течение полутора лет при нагревании была высвечена запасенная при облучении нейтронами светосумма в виде термостимулированной люминесценции с пиками ТСЛ при температурах 200°С, 240°С и 360°С. Высокотемпературный пик ТСЛ отсутствует. Кривые ТСЛ аналогичны кривым, приведенным на фиг.1. Основным рабочим пиком ТСЛ такого рабочего вещества является низкотемпературный пик при 240°С. Интенсивность термовысвечивания в области основного пика ТСЛ невысокая, она в 3-4 раза ниже, чем для рабочих веществ для ТЛД, получаемых по предлагаемому способу.

Дополнительным преимуществом рабочих веществ для ТЛД, получаемых по предлагаемому способу, является возможность их применения для высокодозных измерений нейтронных, ионных и электронных пучков.

Получаемые по известному способу рабочие вещества для термолюминесцентного детектора нейтронов, имеющие состав NaF:U, Sc, Cu, обладают высокотемпературным пиком ТСЛ при температуре 520-525°С. Они устойчивы к флюенсам нейтронов до 10¹⁶-10¹⁷ см^-2 и выше, имеют малый фединг и соответственно могут хранить и хранят дозиметрическую информацию в течение ряда лет (проверено для 2,5 лет). Предлагаемые рабочие вещества для ТЛД нейтронов пригодны для использования в дозиметрических целях в активной зоне ядерного реактора, пригодны для эксплуатации при высоких температурах в горячих камерах, хранилищах и складах отработанного ядерного топлива от атомных электростанций. Пригодны для работы в сверхглубоких скважинах при температурах до 300-400°С.

Изобретение относится к области дозиметрии нейтронного излучения и может быть пригодно для стационарного контроля плотности потока и флюенсов нейтронов в активной зоне ядерных реакторов, для периодического контроля доз нейтронного облучения реакторных конструкционных материалов, для решения задач радиационного материаловедения, для использования в качестве детекторов сопровождения изделий и предметов медицинского назначения при их стерилизации в ядерном реакторе, а также для высокотемпературных измерений флюенсов нейтронов в сверхглубоких скважинах. Для получения рабочего вещества для ТЛД нейтронов на основе фторида натрия, активированного ураном, готовят исходную шихту в виде смеси ингредиентов, в которую, кроме фторида натрия, активированного ураном, дополнительно вводят примеси скандия и меди при следующем соотношении ингредиентов (мол.%): NaF 99,887-99,988, UO₂(NO₃)₂ 0,001-0,01, ScF₃ 0,01-0,1, CuF₂ 0,001-0,003, после чего смесь исходных ингредиентов расплавляют и из расплава выращивают рабочее вещество для ТЛД нейтронов в виде кристаллов методом Киропулоса на воздухе. Технический результат - получение рабочего вещества для термолюминесцентного детектора нейтронов, имеющего основной рабочий пик ТСЛ в высокотемпературной области при 520-525°С, они устойчивы к флюенсам нейтронов ядерного реактора до 10¹⁶-10¹⁸ см^-2, запасают под действием нейтронов светосумму и из-за малого фединга способны хранить светосумму в течение нескольких лет. 2 ил.

Способ получения рабочего вещества для термолюминесцентного детектора нейтронов из исходной шихты в виде смеси ингредиентов, содержащей фторид натрия, активированный ураном, отличающийся тем, что в исходную шихту дополнительно вводят примеси скандия и меди при следующем соотношении ингредиентов, мол.%: NaF 99,887-99,988, UO₂(NO₃)₂ 0,001-0,01, ScF₃ 0,01-0,1, CuF₂ 0,001-0,003.