РАБОЧЕЕ ВЕЩЕСТВО ДЛЯ ТЕРМОЛЮМИНЕСЦЕНТНОГО ДЕТЕКТОРА НЕЙТРОНОВ Российский патент 2012 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 материалов 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, В.С.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 610К (337°С) и 714К (441°С) для LiF:U,Cu; при 699К (426°С) и 737К (464°С) для LiF:U,Sr. Для NaF:U,Sr наиболее высокотемпературный пик обнаружен при 702К (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, обнаруженные 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 (с требуемыми пиками ТСЛ при температуре более >500°С) дозиметрии флюенсов нейтронов ядерного реактора.

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 [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 вышеперечисленных известных рабочих веществ термолюминесцентных детекторов электронного излучения пики ТСЛ расположены при температурах, недостаточно высоких для обеспечения высокотемпературных измерений доз излучения. Например, для NaF-U наблюдается 11 пиков ТСЛ, но самый высокотемпературный зафиксирован при 736К (463°С). 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, TLD-700 непригодны для высокотемпературной (с требуемыми пиками ТСЛ при температуре >500°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 M., Jaspert J./ Radiation Dosimeter. - G.B. Patent №1180246, 1970. MPK G01T - 1/100]. Это составы на основе LiF, ⁶LiF, ⁷LiF, Li₂B₄O₇-Mn, LiF-Mg,Ti, CuSO₄-Tm, CaF₂-Mn, CaF₂-Dy, CaF₂ природный, ВеО, Mg₂SiO₄-Tb, Аl₂О₃, стекла, Na₄P₂O₇-Dy и LiF-LiH no G.B.Patent. Однако для известных рабочих веществ для термолюминесцентных детекторов (ТЛД) нейтронов пики ТСЛ обнаружены при невысоких температурах - ниже 350°С. Это удобно для персональной дозиметрии, однако такие детекторы непригодны для высокотемпературных измерений 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 флюенсов нейтронов в сверхглубоких скважинах при рабочих температурах в скважинах от 400°С и выше.

Наиболее близким к заявляемому является рабочее вещество 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.161-164]. Исследуемые в этой работе кристаллы NaF:U были получены методом Киропулоса в платиновом тигле на воздухе, содержание урана составляло 0,01 мол.%, примесь урана вводилась в шихту в виде нитрида урана UO₂(NO₃)₂. Однако известное рабочее вещество для термолюминесцентной дозиметрии нейтронов имеет недостаточно высокотемпературный пик ТСЛ, который для кристаллов NaF:U зафиксирован при ~350-375°С, то есть кристаллы NaF:U непригодны для высокотемпературной (с требуемыми пиками ТСЛ при температурах >500°С) дозиметрии нейтронов. Кроме того, недостатком известного рабочего вещества для термолюминесцентного детектора нейтронов на основе кристаллов NaF:U является низкая интенсивность его рабочего пика ТСЛ и, соответственно, пониженная чувствительность к нейтронам.

Задачей изобретения является разработка рабочего вещества для термолюминесцентного детектора нейтронов с повышенной чувствительностью, устойчивого к высоким флюенсам нейтронов, пригодного для эксплуатации в активной зоне ядерного реактора в качестве дозиметра нейтронов, а также пригодного для длительного (в течение нескольких лет) хранения дозиметрической информации, то есть обладающего более интенсивным более высокотемпературным рабочим пиком ТСЛ, и как следствие, более высокой чувствительностью к нейтронам, нежели известное рабочее вещество.

Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемое рабочее вещество для термолюминесцентного детектора нейтронов, содержащие ингредиенты: NaF, UO₂(NO₃)₂, дополнительно содержит фторид лития, фторид скандия и фторид меди при следующем соотношении ингредиентов (мол%): LiF 99,887-99,988, NaF 0,0005-0,002, UO₂(NO₃)₂ 0,006-0,01, ScF₃ 0,005-0,1, CuF₂ 0,0005-0,001.

Суть изобретения заключается в том, что предлагаемое рабочее вещество на основе NaF:U дополнительно содержит ингредиенты LiF, ScF₃, CuF₂, при определенном соотношении которых предлагаемое рабочее вещество имеет высокоинтенсивный высокотемпературный рабочий пик ТСЛ при 520-525°С, интенсивность которого превышает интенсивность пика ТСЛ известного рабочего вещества на основе NaF:U в десятки раз.

Пример 1. Рабочее вещество для термолюминесцентного детектора нейтронов, имеющее состав (мол.%): LiF 99,887, NaF 0,002, UO₂(NO₃)₂ 0,01, ScF₃ 0,1, CuF₂ 0,001.

Для получения рабочего вещества смесь исходных ингредиентов тщательно перемешивают, расплавляют в платиновом тигле и из нее выращивают рабочее вещество в виде монокристалла методом Киропулоса на воздухе.

Выращенный монокристалл раскалывают на пластинки-таблетки. Полученное рабочее вещество для термолюминесцентного детектора применяют в виде пластинок-таблеток (диаметр 5 мм, толщина 1 мм). При облучении рабочего вещества быстрыми нейтронами спектра деления (нейтронами активной зоны ядерного реактора) до флюенса 10¹⁶ см^-2 в нем запасается светосумма. После хранения рабочего вещества в течение двух лет при его нагревании (при скорости нагрева 1,99°С/с) была высвечена запасенная при облучении нейтронами светосумма в виде термостимулированной люминесценции с рабочим пиком ТСЛ при температуре 520-525°С, фиг.1. В кривых термовысвечивания наблюдается также слабый пик ТСЛ при 170°С, однако его интенсивность не превышает 5% от интенсивности основного рабочего пика ТСЛ. Для предлагаемого рабочего вещества для термолюминесцентного детектора нейтронов интенсивность основного пика ТСЛ при 520-525°С превышает интенсивность пика ТСЛ для прототипа в десятки раз.

Пример 2. Рабочее вещество для термолюминесцентного детектора нейтронов, имеющее состав (мол.%): LiF 99,988, NaF 0,0005, UO₂(NO₃)₂ 0,006, ScF₃ 0,005, CuF₂ 0,0005.

Для получения рабочего вещества смесь исходных ингредиентов тщательно перемешивают, расплавляют в платиновом тигле и из нее выращивают рабочее вещество в виде монокристалла методом Киропулоса на воздухе.

Выращенный монокристалл раскалывают на пластинки-таблетки. Полученное рабочее вещество для термолюминесцентного детектора применяют в виде кристаллических пластинок-таблеток (диаметр 5 мм, толщина 1 мм). При облучении рабочего вещества быстрыми нейтронами спектра деления (нейтронами активной зоны ядерного реактора) до флюенса 2·10¹⁶ см^-2 в нем запасается светосумма. После хранения рабочего вещества в течение двух лет при его нагревании была высвечена запасенная при облучении нейтронами светосумма в виде термостимулированной люминесценции с основным пиком ТСЛ при температуре 520-525°С. Вид кривых ТСЛ соответствует виду кривых ТСЛ, приведенных в Примере 1, фиг.1. Скорость нагрева рабочего вещества в Примере 2 и далее такая же, как и в Примере 1: 1,99°С/с. Наблюдается также слабый пик ТСЛ при 170°С, однако его интенсивность не превышает 5% от интенсивности основного рабочего пика ТСЛ. Для предлагаемого рабочего вещества для термолюминесцентного детектора нейтронов интенсивность основного пика ТСЛ при 520-525°С превышает интенсивность пика ТСЛ для прототипа в десятки раз.

Пример 3. Рабочее вещество для термолюминесцентного детектора нейтронов, имеющее состав (мол%): LiF 99,948, NaF 0,001, UO₂(NO₃)₂ 0,01, ScF₃ 0,04, CuF₂ 0,001.

Для получения рабочего вещества смесь исходных ингредиентов тщательно перемешивают, расплавляют в платиновом тигле и из нее выращивают рабочее вещество в виде монокристалла методом Киропулоса на воздухе.

Выращенный монокристалл раскалывают на пластинки-таблетки. Полученное рабочее вещество для термолюминесцентного детектора применяют в виде кристаллических пластинок-таблеток (диаметр 5 мм, толщина 1 мм). При облучении рабочего вещества быстрыми нейтронами спектра деления (нейтронами активной зоны ядерного реактора) до флюенса 8·10¹⁶ см^-2 в нем запасается светосумма. После хранения рабочего вещества в течение двух лет при его нагревании была высвечена запасенная при облучении нейтронами светосумма в виде термостимулированной люминесценции с основным рабочим пиком ТСЛ при температуре 520-525°С. Вид кривых ТСЛ для этого состава соответствует виду кривых ТСЛ, приведенных в Примере 1, фиг.1. Для предлагаемого рабочего вещества для термолюминесцентного детектора нейтронов интенсивность основного рабочего пика ТСЛ при 520-525°С превышает интенсивность пика ТСЛ для прототипа в десятки раз.

Пример 4. Рабочее вещество для термолюминесцентного детектора нейтронов, имеющее состав (мол%): NaF 99,948, LiF 0,001, UO₂(NO₃)₂ 0,01, ScF₃ 0,04, CuF₂ 0,001.

Для получения рабочего вещества смесь исходных ингредиентов тщательно перемешивают, расплавляют в платиновом тигле и из нее выращивают рабочее вещество в виде монокристалла методом Киропулоса на воздухе.

Выращенный монокристалл раскалывают на пластинки-таблетки. Полученное рабочее вещество для термолюминесцентного детектора применяют в виде кристаллических пластинок-таблеток (диаметр 5 мм, толщина 1 мм). При облучении рабочего вещества быстрыми нейтронами спектра деления (нейтронами активной зоны ядерного реактора) до флюенса 10¹⁶ см^-2 в них запасается светосумма. После хранения рабочего вещества в течение двух лет при его нагревании была высвечена запасенная при облучении нейтронами светосумма в виде термостимулированной люминесценции с основным рабочим пиком ТСЛ при температуре 450-520°С, однако его интенсивность была очень низкой, на уровне интенсивности пиков ТСЛ прототипа.

Предлагаемое рабочее вещество для термолюминесцентного детектора нейтронов обладает высокотемпературным рабочим пиком ТСЛ при температуре 520-525°С. Оно устойчиво к флюенсам нейтронов до 10¹⁶-10¹⁷ см^-2 и выше, имеет малый фединг и, соответственно, способно хранить дозиметрическую информацию в течение нескольких лет (проверено для 3 лет). Предлагаемое рабочее вещество обладает весьма интенсивным высокотемпературным пиком ТСЛ, превышающим интенсивность рабочего пика ТСЛ для прототипа в десятки раз, и, соответственно, обладает повышенной чувствительностью к флюенсам нейтронов. Предлагаемое рабочее вещество для термолюминесцентного детектора нейтронов пригодно для использования в дозиметрических целях в активной зоне ядерного реактора, пригодно для эксплуатации при высоких температурах в горячих камерах, хранилищах и складах отработанного ядерного топлива. Оно пригодно также для работы в сверхглубоких скважинах с высокими рабочими температурами.

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. Сущность изобретения заключается в том, что предлагаемое рабочее вещество для термолюминесцентного детектора нейтронов, содержащее ингредиенты: NaF, и UO₂(NO₃)₂, дополнительно содержит фторид лития LiF, фторид скандия ScF₃ и фторид меди CuF₂ при следующем соотношении ингредиентов (мол. %): LiF 99,887-99,988, NaF 0,0005-0,002, UO₂(NO₃)₂ 0,006-0,01, ScF₃ 0,005-0,1, CuF₂ 0,0005-0,001. Технический результат - повышение чувствительности детектора. 1 ил.

Рабочее вещество для термолюминесцентного детектора нейтронов, содержащее фторид натрия NaF и нитрид урана UO₂(NO₃)₂, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит фторид лития LiF, фторид скандия ScF₃ и фторид меди CuF₂ при следующем соотношении ингредиентов, мол.%: LiF 99,887-99,988, NaF 0,0005-0,002, UO₂(NO₃)₂ 0,006-0,01, ScF₃ 0,005-0,1, CuF₂ 0,0005-0,001.