ГАЗОВЫЙ ДЕТЕКТОР Российский патент 2011 года по МПК G01T1/20 

Изобретение относится к мониторингу, радиационному контролю и может быть использовано в ядерной физике, атомной энергетике, в системах контроля и обеспечения безопасности энергетических ядерных реакторов.

Известна ионизационная камера деления, включающая электродную систему, состоящую из рабочей и компенсационной секций, каждый электрод компенсационной секции состоит из металлической пластины, каждый электрод рабочей секции состоит из металлической пластины, с двух сторон которой имеется радиатор из урансодержащего вещества. Электрод компенсационной секции имеет с двух сторон радиатор из урансодержащего вещества и фильтр, электрически соединенный с пластиной, радиатор имеет количество урана в (1+^∈) раз больше, чем радиатор в рабочей секции, где ^∈ - относительное поглощение бета-излучения продуктов деления при прохождении его через фильтр. Толщина фильтра равна максимальной величине пробега осколков деления в нем, который выполнен из материала, имеющего электрическую проводимость и малое сечение активации. Патент Российской Федерации №2076339, МПК: G01T 3/00, 1997 г.

Недостатком ионизационных камер является наличие ложного выходного сигнала, присутствие которого снижает динамический диапазон работы камер из-за нарушения линейности связи "нейтронный поток - ток камеры". Указанный недостаток ощутим при измерениях нестационарных потоков нейтронов, эксплуатации камер после непродолжительной остановки реактора и т.д.

Известен детектор нейтронов, включающий корпус, заполненный люминесцирующей газовой средой и делящимся материалом, и фотоприемник. В одном из торцов корпуса размещен волоконный световод, соединенный с регистрирующей системой посредством фотоприемника с фильтром, при этом делящийся материал выполнен в виде слоя и нанесен на боковую поверхность корпуса. Полезная модель Российской Федерации №30008, МПК: G01T 1/16, 2003.

Недостатками детектора являются ослабление излучения люминесцирующей газовой среды при прохождении по волоконному световоду, возрастание ослабления при облучении световода, возникновение в световоде при его облучении радиолюминесцентного сигнала, ограничения на материал камеры детектора и материал световода, отсутствие согласования спектра излучения и спектральной чувствительности фотоприемников (ФЭУ, фотодиоды), влияние изгибов световода на величину выходящего из него сигнала.

Благородные газы дают сцинтилляционные вспышки в области ультрафиолета.

В таблице 1 приведены характеристики некоторых газов при давлении 740 мм рт.ст. для α-частиц с энергией 4,7 МэВ, применяемых в качестве сцинтилляторов в сцинтилляционных счетчиках.

Стенки камеры и волоконные световоды из пластмассы или стекла, в том числе кварцевого, характеризуются большим ослаблением света в этой области спектра ≤350 нм, Фиг.1. При прохождении сигнала по световоду длиной 20 м величина сигнала падает более чем в 2,5 раза.

Под действием ядерного излучения (например, быстрых нейтронов и гамма-квантов) в кварцевом стекле возникают точечные дефекты, поглощающие световой сигнал. Наименее стойкими к гамма-излучению в спектральном диапазоне от 250 нм до 700 нм являются области ≤350 нм и от 580 нм до 650 нм (поглощение свыше 4…6 дБ/м). 420…500 нм - наиболее устойчивая область как по наведенному поглощению, так и по восстановительным свойствам (поглощение ≤2дБ/м), Фиг.2. А.В.Андрияш, А.Н.Афанасьев, В.Б.Братчиков и др. «Исследование оптического пропускания кварцевого волокна при воздействии стационарного и импульсного гамма-излучения». Известия Челябинского научного центра, вып.4 (21), 2003.

Воздействие тепловых нейтронов плотностью потока порядка 10¹⁵ н/см²/ с и мощности дозы гамма излучения порядка 10⁶ Р/с вызывает в кварцевом волокне наведенное поглощение от 3 дБ/м до 5 дБ/м.

При длине кварцевого световода, находящегося в облучаемой зоне, в 1 м и наведенном поглощении в 5 дБ/м сигнал на этой длине уменьшается в 3,3 раза. Наведенное поглощение уменьшается при введении в волокно водорода, Фиг.3, кривые 6-8. А.В.Бондаренко, А.П.Дядькин, Ю.А.Кащук и др. «Исследование радиационной стойкости оптических волокон из кварцевого стекла в условиях реакторного облучения», «ФОТОН-ЭКСПРЕСС» - Наука, №6, 2005.

Кроме наведенного поглощения света, приводящего к утрате прозрачности кварцевого стекла в спектральной области излучения газового сцинтиллятора, при его облучении происходит радиолюминесценция и черенковское излучение света. Спектр радиолюминесценции лежит в «синей» области с центром вблизи 450 нм (Фиг.4). А.В.Бондаренко, А.П.Дядькин, Ю.А.Кащук и др. «Исследование радиационной стойкости оптических волокон из кварцевого стекла в условиях реакторного облучения», «ФОТОН-ЭКСПРЕСС» - Наука, №6, 2005.

Интенсивность "синей" люминесценции в волокнах, содержащих водород, многократно меньше, чем в остальных волокнах.

Световоды, содержащие водород в стекле и имеющие герметичное покрытие, проявляют многократно меньшее радиационно наведенное поглощение света и радиолюминесценцию, чем все другие волокна. Величина выходного сигнала в световоде с герметическим покрытием зависит от наличия в нем изгибов и может изменяться до 5%, что требует фиксации положения световода и калибровки детектора при его установке.

Сигнал, возникший в газовом сцинтилляторе и прошедший по световоду, попадает на фотоприемник. Спектральная чувствительность фотоприемных устройств (ФЭУ, фотодиоды) лежит в длинноволновой части спектра и поэтому плохо согласуется со спектром излучения газового сцинтиллятора.

Известен способ регистрации нейтронного потока, включающий преобразование энергии ядерных реакций деления в люминесцентное излучение в заполненном газовой средой детекторе, по интенсивности которого судят о величине нейтронного потока.

Перед измерением излучение выводят за биологическую защиту реактора по устойчивому к радиационному воздействию световоду на основе кварца с добавлением ионов-протекторов с окнами прозрачности 0,7-0,9 мкм, или 1,25-1,35 мкм, или 1,5-1,7 мкм. Из отобранных люминесцирующих газовых сред в указанных окнах прозрачности световода выбирают те, в которых мощность люминесцентного излучения линейно зависит от величины нейтронного потока. При этом люминесцирующими газовыми средами служат смеси инертных газов или смеси инертных газов с молекулярными газами.

Газовый детектор для реализации указанного способа выполнен в виде корпуса, заполненного люминесцирующей газовой средой, и слоя делящегося материала, нанесенного на его внутреннюю боковую поверхность.

В одном из торцов корпуса размещен световод на основе кварца с лигатурой иона-протектора, соединенный с регистрирующей системой посредством фотоприемника с фильтром, а на другом из торцов установлен заправочный штуцер для откачки корпуса датчика и заполнения его газовой смесью.

В качестве люминесцирующей газовой среды используют чистые благородные газы и благородные газы с добавками молекулярных газов. Патент Российской Федерации №2253135, МПК: G01T 3/06, 2005 г. Прототип. Недостатками прототипа является отсутствие влияния ионов протекторов в указанных диапазонах окон прозрачности на прохождение по световоду ультрафиолетового излучения газового сцинтиллятора, ослабление излучения люминесцирующей газовой среды при прохождении по волоконному световоду, ослабление сигнала при облучении световода, ограничения на материалы камеры детектора и световода, возникновение в световоде при его облучении радиолюминесцентного сигнала, нелинейно зависящего от потока нейтронов на детектор, отсутствие согласования спектра излучения и спектральной чувствительности фотоприемников (ФЭУ, фотодиоды), влияние изгибов световода на величину выходящего из него сигнала.

Техническим результатом изобретения является уменьшение ослабления излучения люминесцирующей газовой среды при прохождении по волоконному световоду как по облучаемой его части, так и по части, находящейся вне зоны облучения, снижение влияния радиолюминесцентного сигнала, уменьшение ограничений на материалы камеры и световода, согласование спектра оптического излучения детектора со спектральной чувствительностью фотоприемников, снижение влияния изгибов световода на величину сигнала, поступающего на фотоприемное устройство, уменьшение влияния фоновых излучений.

Технический результат достигается тем, что в газовом детекторе, содержащем корпус, заполненный люминесцирующей газовой средой, материал, делящийся под действием нейтронов, световод и фотоприемник с фильтром, корпус разделен на рабочую и компенсационную части перегородкой, непрозрачной для света, и прозрачной для сцинтиллирующего газа перегородкой, делящийся материал расположен в одной из частей корпуса, стенки корпуса изнутри покрыты спектросмещающим материалом, выводы из обеих частей корпуса выполнены в виде идентичных световодов, а перед фотоприемником установлен светофильтр, пропускающий оптическое излучение в диапазоне длин волн излучения спектросмещающего материала. Делящийся материал выполнен в виде твердого слоя, или в виде газа.

Сущность изобретения поясняется фиг.1-4 и таблицей 1.

В таблице 1 приведены время высвечивания сцинтилляционной вспышки, средняя длина волны излучения и эффективность преобразования энергии заряженной частицы в оптическое излучение.

На фиг.1 представлен спектр затухания для оптических волокон типа VIS-NIR в диапазоне длин волн от 200 нм до 2500 нм.

На фиг.2 представлены спектры наведенного поглощения волокон на момент 47.5 час после начала облучения и снятые перед началом следующего облучения. Флюенс быстрых нейтронов (E_n>0,1 МэВ) 9.2·10¹⁶ н/см², гамма-доза 1.4 MГp(Si), температура 90°С. Кривые 1-8 соответствуют кварцевым световодным волокнам с примесями различного состава от различных производителей. Кривые 6-8 соответствуют волокнам, содержащим до облучения водород.

На фиг.3. представлены спектры радиолюминесценции тех же волокон, что и на фиг.2. По оси ординат отложена спектральная плотность мощности люминесценции (вычисленная с учетом начального и наведенного поглощения), отнесенная к длине облучаемого участка. Флюенс быстрых нейтронов - 4.7·10¹⁷н/см², гамма-доза 7.2 MГp(Si), поток быстрых нейтронов - 2.8-10¹³ н/см²/с, мощность реактора - 4000 кВт, мощность гамма-дозы - 400 Гр/с. Кривые 1-8 соответствуют кварцевым волокнам с примесями различного состава от различных производителей. Кривые 6-8 соответствуют волокнам, содержащим до облучения водород.

На фиг.4 схематично представлен поперечный разрез газового детектора, где 1 - стенка корпуса детектора, одна из камер которого содержит смесь газообразного сцинтиллятора с газообразным делящимся веществом, а другая камера содержит только газообразный сцинтиллятор, 2 - слой из спектросмещающего материала, 3 - два идентичных световода, 4 - делящийся под действием нейтронов материал (отсутствует в случае использования делящегося вещества в газообразном виде), 5 - кварцевые оптические окна, 6 - непрозрачная для света и газообразного делящегося материала, но прозрачная для сцинтиллирующего газа перегородка, делящая камеру на рабочую и компенсационную части, 7 - светофильтры, расположенные в оптическом контакте между световодом и фотоприемником, 8 - фотоприемники.

Делящимся веществом в виде слоя 4 может быть слой урана-235. Делящимся веществом в газообразном виде может быть шестифтористый уран-235, молекулы которого по своим физико-химическим свойствам отличаются от молекул сцинтиллирующего газа. В случае газообразного делящегося вещества 4 перегородка 6 выполнена в виде мембраны, которая препятствует прохождению делящегося вещества из рабочей камеры в компенсационную камеру. Разделение газов основано на свойстве селективной проницаемости мембраны для газов с различными физико-химическими свойствами. Мембрана работает непрерывно, как самоочищающийся фильтр. Аналогичные мембраны используют и при обогащении указанного выше газа.

Газовый детектор работает следующим образом.

Нейтроны, попадающие в рабочую часть детектора, содержащую делящийся материал 4, вызывают его деление, в результате которого возникают два осколка ядра, которые летят в противоположных направлениях и, по крайней мере, один из них попадает в газовый сцинтиллятор, вызывая в нем сцинтилляционную вспышку в основном в диапазоне длин волн ≤350 нм. Свет от сцинтилляционной вспышки попадает в находящиеся внутри камеры слои спектросмещающего материала 2, в которых поглощается и переизлучается с большей длиной волны. Спектр излучения зависит от химического состава слоя спектросмещающего материала 2. Среднюю длину волны можно менять в широких пределах, примерно от 490 нм до 610 нм. Смещение первичного ультрафиолетового спектра излучения газового сцинтиллятора в длинноволновую часть оптического спектра с помощью спектросмещающего материала 2 значительно уменьшает потери сигнала при его прохождении по световоду. Для уменьшения дополнительных потерь в световоде 3, возникающих при его облучении, спектросмещающий материал 2 выбран таким образом, чтобы спектр его излучения соответствовал минимуму наведенных потерь в кварцевом стекле.

Стенки камеры 1 изнутри отполированы и покрыты светоотражающим материалом 2 для увеличения количества света, выходящего наружу через кварцевые окошки камеры 5. Вышедший из камеры свет попадает в световод 3 и переносится по нему на фотоприемник 8. Светофильтр 7, находящийся между торцом световода 3 и входным окном фотоприемника 8 в оптическом контакте, служит для пропускания света в диапазоне длин волн излучения спектросмещающего материала 2. Наличие фильтра 7 уменьшает вклад в оптический сигнал радиолюминесцентного излучения, возникающего в кварцевых оптических окнах 5 камеры и световодах 3 при их облучении.

Сигнал, возникающий по каким-либо причинам в компенсационной камере, претерпевает аналогичные трансформации и является фоновым.

Полезный сигнал детектора определяют разностью величин сигналов, пришедших с рабочей и компенсационной камер. Компенсационная камера снижает требования на материал световода 3, накладываемые возникновением радиолюминесцентного сигнала, так как этот сигнал одинаков и в рабочем, и в компенсационном каналах регистрации.

Полная идентичность рабочего и компенсационного каналов регистрации (за исключением находящегося в рабочей камере делящегося под действием нейтронов вещества) уменьшает влияние изгибов световодов 3 на величину регистрируемого сигнала.

Газ Время высвечивания t, сек Длина волны в максимуме спектра, Å Конверсионная эффективность n, % Ксенон 10^-8 3250 14 Криптон 10^-8 3180 8,7 Аргон 10^-8 2500 3 Азот 3×10^-9 3900 2

Изобретение относится к мониторингу, радиационному контролю и может быть использовано в ядерной физике, атомной энергетике, в системах контроля и обеспечения безопасности энергетических ядерных реакторов. Технический результат - уменьшение ослабления излучения люминесцирующей газовой среды при прохождении по волоконному световоду как по облучаемой его части, так и по части, находящейся вне зоны облучения, снижение влияния радиолюминесцентного сигнала, уменьшение ограничений на материалы камеры и световода, согласование спектра оптического излучения детектора со спектральной чувствительностью фотоприемников, снижение влияния изгибов световода на величину сигнала, поступающего на фотоприемное устройство, уменьшение влияния фоновых излучений. В газовом детекторе корпус разделен на рабочую и компенсационную части перегородкой, непрозрачной для света, и прозрачной для сцинтиллирующего газа перегородкой. Делящийся материал в виде слоя или газа расположен в одной из частей корпуса, стенки корпуса изнутри покрыты спектросмещающим материалом, выводы из обеих частей корпуса выполнены в виде идентичных световодов, а перед фотоприемником установлен светофильтр, пропускающий оптическое излучение в диапазоне длин волн излучения спектросмещающего материала. 1 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Газовый детектор, содержащий корпус, заполненный люминесцирующей газовой средой, материал, делящийся под действием нейтронов, световод и фотоприемник с фильтром, отличающийся тем, что корпус разделен на рабочую и компенсационную части перегородкой, непрозрачной для света, и прозрачной для сцинтиллирующего газа перегородкой, делящийся материал расположен в одной из частей корпуса, стенки корпуса изнутри покрыты спектросмещающим материалом, выводы из обеих частей корпуса выполнены в виде идентичных световодов, а перед фотоприемником установлен светофильтр, пропускающий оптическое излучение в диапазоне длин волн излучения спектросмещающего материала.

2. Газовый детектор по п.1, отличающийся тем, что делящийся материал выполнен в виде твердого слоя или в виде газа.